廢水生物處理原理

廢水生物處理原理第1頁/共63頁一、微生物特點種類多目前發(fā)現10萬種實際存在10倍以上分布廣僅火山中心區(qū)域沒有生存能力強，部分可培養(yǎng)例如：硫細菌生活在1萬米深的海底溫泉，100萬~100億個硫細菌/mL海水，供養(yǎng)了蠕蟲、蛤、貝和蟹以硫化氫為能源，CO2為碳源，100℃高溫，1140個大氣壓及厭氧條件下自養(yǎng)生活第2頁/共63頁一、微生物特點代謝類型多樣食譜廣天然有機物均可被利用某些毒性物質也能被利用可降解大量污染物質繁殖快居生物界中第一位如，大腸桿菌和梭狀芽孢桿菌在最合適的條件下經48h后可產生2.2×1043個后代，相當于4000個地球的重量。廢水生化處理啟動快第3頁/共63頁一、微生物特點代謝強度大比表面積大—利于吸收營養(yǎng)乳酸桿菌：120000m2/m3雞蛋：1.5m2/m3體重90Kg的人體：0.3m2/m3代謝物相當多乳酸桿菌1h產生其體重上萬倍的乳酸污水處理效率高易變異對周圍環(huán)境適應能力強易于培養(yǎng)專性細菌經過污泥馴化，可對特殊污染物進行處理第4頁/共63頁正是由于微生物的諸多優(yōu)點，使得生物法具有經濟、有效的廢水處理特點。在各種處理方法中處于主要地位。第5頁/共63頁二、水體自凈現象污染物濃度的變化由高變低生物相的變化異養(yǎng)細菌—原生動物—藻類溶解氧濃度的變化先下降，后回升第6頁/共63頁二、水體自凈現象水流方向污染進口溶解氧藻類細菌有機物原生動物第7頁/共63頁水體的自凈過程1、異養(yǎng)細菌大量繁殖，水體溶解氧濃度急劇下降。2、有機物濃度顯著下降；原生動物大量出現；水中游離氨氮增加。3、有機物濃度下降到最低點；溶解氧恢復；氨轉化為硝酸鹽與亞硝酸鹽；有機物礦化生成磷酸鹽和硫酸鹽，藻類得以繁殖。如果這些鹽類的含量低，水可逐漸達到凈化；如含量高，將造成水體的富營養(yǎng)化。河流方向污染源第8頁/共63頁水體自凈作用原理物理作用稀釋、沉淀化學作用氧化還原、中和生物作用（微生物）微生物對污染物質的同化、異化作用第9頁/共63頁水體自凈能力受溶解氧及溫度制約有機物濃度高—水體缺氧—厭氧環(huán)境—水質變黑、發(fā)臭腐胺、尸胺、H2S、CH4、CO2、NH3等具惡臭的發(fā)酵中間物。H2S遇鐵產生黑色硫化鐵沉淀。第10頁/共63頁①脂肪烴或正烷烴較芳香烴或環(huán)烷烴易降解；不飽和脂肪族化合物較易降解。②直鏈的中長鏈烴的降解比短鏈烴易。③烷烴中丙烷以上的碳化合物，隨著碳原子數量的增多降解越容易。④不溶性物質，如礦物油類，抗降解能力大。⑤化合物的分子大小與可降解性有關，聚合物和復合物具有較大的抗降解能力，酶分子不能接近和破壞它們的內部結構。⑥有機化合物異構作用對可降解性有影響，化合物所含置換集團的性質、數量和位置影響著可降解性。⑦當化合物主鏈上有非碳元素時，降解十分困難。⑧酚類是易于降解的，酮類介于醛、醇之間，但丁烯酮降解困難。以酚為代表的決大部分有機物低濃度時可以降解但在高濃度時毒性大將抑制微生物的生命活動。⑨廢水中污染物混合后若出現聚合，復合等現象將加大其抗降解能力。有毒物質之間的混合也會增大毒性作用。⑩自然界中原有物質較易降解，人工合成物質則較難。三、生物降解性第11頁/共63頁四、廢水可生化性的評價方法1、生物氧化率微生物：活性污泥底物：單一被測物儀器：瓦氏呼吸儀檢測參數：耗氧量生物氧化率：耗氧量占理論總需氧量的百分比。第12頁/共63頁瓦氏呼吸儀第13頁/共63頁四、廢水可生化性的評價方法2、呼吸線(耗氧線)

a為內源呼吸線，若廢水中有機污染物的耗氧曲線與內源呼吸線重合時，說明有機污染物不能被微生物所分解，但對微生物也無抑制作用。b為可降解有機污染物的耗氧曲線，此曲線應始終在內源呼吸線的上方。起始時，微生物代謝速度快，耗氧速度也大，隨著有機物濃度的減小，耗氧速度下降，耗氧曲線與內源呼吸線平行。c為對微生物有抑制作用的有機污染物的耗氧曲線。第14頁/共63頁a類曲線相應的有機污染物不能被微生物分解，對微生物的活性亦無抑制作用。b類曲線相應的有機污染物是可生物降解的物質。

c類曲線相應的有機污染物在一定濃度范圍內可以生物降解，超過這一濃度范圍時。則對微生物產生抑制作用。d類曲線相應的有機污染物不可生物降解，且對微生物具有毒害抑制作用。一些重金屬離子也有與此相同的作用。

第15頁/共63頁四、廢水可生化性的評價方法3、BOD5/CODCr值用BOD5／CODCr值評價廢水的可生化性是廣泛采用的一種最為簡易的方法。在一般情況下，BOD5／COD值愈大，說明廢水可生物處理性愈好。BOD5/CODCr>0.45，生化性較好；BOD5/CODCr>0.30，可生化；BOD5/CODCr<0.30，較難生化；BOD5/CODCr<0.25，不宜生化；第16頁/共63頁第17頁/共63頁以TOD代表廢水中的總有機物含量要比COD準確，即用BOD5/TOD值來評價廢水的可生化性能得到更好的相關性。4、BOD5/TOD值法第18頁/共63頁表12-6廢水可生化性評價參考數據第19頁/共63頁測定逐日BOD5和TOD，再以BOD5/TOD值與測定時間t作圖

第20頁/共63頁(1)搖床試驗在培養(yǎng)瓶中加入馴化活性污泥、待測物質及無機營養(yǎng)鹽溶液，在搖床上振搖，培養(yǎng)瓶中的混合液在搖床振蕩過程中不斷更新液面，使大氣中的氧不斷溶解于混合液中，以供微生物代謝有機物之用，經過一定時間后，對混合液進行過濾或離心分離，然后測定清液的COD或BOD，以考察待測物質去除效果。

(2)模型試驗指采用生化處理的模型裝置考察廢水的可生化性。模型裝置通常可分為間歇流和連續(xù)流反應器兩種。

5、搖床試驗與模型試驗第21頁/共63頁五、微生物降解原理第22頁/共63頁五、微生物降解原理1、大分子有機化合物多糖類纖維素(半纖維素—較易降解)+H2O+H2OC1、Cx酶細胞過程細胞內過程好氧分解纖維二糖纖維素葡萄糖厭氧分解β-葡萄糖苷酶第23頁/共63頁多糖類淀粉—麥芽糖原果膠原果膠酶果膠甲基酯酶果膠酸酶第24頁/共63頁木質素：難降解脂類脂肪酶+H2O磷脂酶+H2O酯酶+H2O第25頁/共63頁烷烴類甲烷乙烷、丙烷、丁烷共代謝：以甲烷為能源轉化為酮、酸類繼續(xù)被分解第26頁/共63頁烷烴類高級烷烴第27頁/共63頁烯烴類β-氧化β-氧化環(huán)氧第28頁/共63頁六、好氧處理原理好氧生物處理：在提供游離氧前提下，以好氧微生物為主，使有機物降解、穩(wěn)定的無害化處理方法。

微生物營養(yǎng)源：膠體狀、溶解性有機物處理過程①分解反應（又稱氧化反應、異化代謝、分解代謝）②合成反應（也稱合成代謝、同化作用）③內源呼吸（也稱細胞物質的自身氧化）C、H、O、N、S+O2

CO2+H2O+NH3+SO42-++能量異氧微生物C、H、O、N、S+能量

C5H7NO2

活性污泥C5H7NO2+O2

CO2

+H2O+NH3+SO42-++能量

微生物第29頁/共63頁六、好氧處理原理正常情況下，各類微生物細胞物質成分相對穩(wěn)定，可用下列實驗式表示：細菌：C5H7NO2真菌：C16H17NO6藻類：C5H8NO2原生動物：C7H14NO3

活性污泥包含微生物、懸浮物、膠體等吸附、分解有機物能力強；易沉降呈絮狀生物膜載體上附著呈薄膜狀的活性污泥第30頁/共63頁七、厭氧處理原理又稱厭氧消化、厭氧發(fā)酵，在厭氧條件下由厭氧或兼性微生物分解復雜有機物并產生CH4和CO2相對于好氧，污泥增長率小、運轉費用低；反應時間長第31頁/共63頁厭氧兩階段理論20世紀30~60年代第一階段：酸性發(fā)酵階段主要功能：水解和酸化主要產物：脂肪酸、醇類、CO2和H2等主要參與反應的微生物：發(fā)酵細菌或產酸細菌特點：生長速率快；環(huán)境適應性強第二階段：產甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段主要產物：CH4和CO2主要參與反應的微生物：產甲烷菌(Methaneproducingbacteria)特點：生長速率慢；對環(huán)境敏感，要求苛刻

第32頁/共63頁第33頁/共63頁厭氧三階段理論20世紀70年代Bryant提出，基于產甲烷細菌不能利用一碳以上的脂肪酸和醇類(可利用乙酸)三階段包括：水解、發(fā)酵階段產氫產乙酸階段產甲烷階段三階段理論基礎上增加了同型產乙酸菌將產氫產乙酸細菌產生的H2/CO2合成為乙酸“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過程較全面和較準確的描述

第34頁/共63頁第35頁/共63頁碳水化合物厭氧消化酶發(fā)酵第36頁/共63頁脂類厭氧消化酶8次β-氧化脂肪酸甘油第37頁/共63頁蛋白質厭氧消化酶發(fā)酵第38頁/共63頁廢水厭氧生物處理過程產酸階段產氣階段第39頁/共63頁八、脫氮原理1、氮—生命的重要組成元素蛋白質、DNA、RNA約占生物重量的10%2、氮素的循環(huán)大氣氮—固氮—蛋白質等—氨等—亞硝酸鹽—硝酸鹽—大氣氮第40頁/共63頁氮素的循環(huán)第41頁/共63頁八、脫氮原理3、氮對水體的污染固氮比返回大氣氮多680萬t/a工業(yè)固氮年遞增10%—氮素循環(huán)平衡被破壞生活污水及工業(yè)含氮廢水降水溶解土壤中氮肥4、氮對水體、生物的危害水體富營養(yǎng)化：某些藻類惡性繁殖—“水華”(bloom)水體缺氧，造成水體黑臭對人及生物有毒害作用第42頁/共63頁化合態(tài)氮的毒害作用第43頁/共63頁脫氮第44頁/共63頁八、脫氮原理①氨化(Ammonification)：廢水中的含氮有機物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養(yǎng)型微生物氧化分解為氨氮的過程，又稱氮素礦化。

第45頁/共63頁a.蛋白質的氨化蛋白質多肽(二肽)氨基酸蛋白酶肽酶氧化脫氨基水解脫氨基還原脫氨基脫羧基第46頁/共63頁b.核酸的氨化c.尿素、尿酸、幾丁質、卵磷脂的氨化核酸核苷酸核苷嘌呤或嘧啶核糖或脫氧核糖磷酸核酸酶核苷酸酶核苷酶第47頁/共63頁八、脫氮原理②硝化(Nitrification)：

廢水中的氨氮在好氧自養(yǎng)型微生物（統稱為硝化菌）的作用下被轉化為NO2

和NO3的過程。第48頁/共63頁1、硝化反應的基本原理1）亞硝化細菌（氧化氨的細菌）(Nitrosomonas)化能無機營養(yǎng)，專性好氧，最適溫度25-30℃（5-30℃），最適pH7.5-8.0（5.8-8.5），常見菌：亞硝化單胞菌、亞硝化螺菌、亞硝化球菌、亞硝化葉狀菌。2）硝化細菌(Nitrobacter)

最適溫度25-30℃，最適pH7.5-8.0。NO2-濃度在2-30mmol/L時化能無機營養(yǎng)最好，常見菌有硝化桿菌、硝化螺菌、硝化球菌。第49頁/共63頁2、硝化反應過程亞硝化反應硝化反應總細菌產率：0.02g/gNO2-

-N。氧化1mg氨氮為硝酸氮

：耗氧4.27mg；耗堿度7.07mg(以CaCO3計)。因此，污水必須要有足夠堿度。

第50頁/共63頁八、脫氮原理③反硝化(Denitrification)：缺氧條件下廢水中的NO2

和/或NO3在反硝化菌（異養(yǎng)型兼性厭氧菌）的作用下被還原為N2的過程。反硝化反應的途徑

同化反硝化：最終產物為有機氮化合物—菌體的組成部分異化反硝化：最終產物是氮氣(N2)或笑氣(N2O)

反硝化反應過程第51頁/共63頁反硝化反應方程式①

以[H]為電子供體：

②以甲醇為電子供體：第52頁/共63頁A/O脫氮工藝廢水好氧脫碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水回流第53頁/共63頁九、除磷原理1、磷在廢水中的存在形式磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機磷一般細菌：攝取定量磷滿足生理需要。磷細菌：可過量攝取磷，以聚合磷酸鹽形式貯存在體內。聚磷細菌：種類較多，其中聚磷能力強的優(yōu)勢菌有不動桿菌——莫拉氏菌群、假單胞菌屬、氣單胞菌屬、黃桿菌屬等。

第54頁/共63頁2、除磷過程1)除磷菌過量攝取磷好氧條件下，除磷菌利用廢水中的BOD5或體內貯存的聚-羥基丁酸的氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷，一部分磷被用來合成ATP，另外絕大部分的磷則被合成為聚磷酸鹽而貯存在細胞體內。2)除磷菌磷釋放厭氧條件下，除磷菌能分解體內的聚磷酸鹽而產生ATP，并利用ATP將廢水中的有機物攝入細胞內，以聚-羥基丁酸等有機顆粒的形式貯存于細胞內，同時還將分解聚磷酸鹽所產生的磷酸排出體外。3)富磷污泥排放好氧條件下所攝取的磷比厭氧條件下所釋放的磷多，利用除磷菌的這一過程，將多余剩余污泥排出系統即達到除磷目的。第55頁/共63頁生化處理方法主要可分為好氧處理和厭氧處理兩種類型。十、生化處理方法分類第56頁/共63頁①起作用的微生物不同。好氧處理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厭氧處理是厭氧菌和兼性菌起作用。②產物不同。好氧處理中有機物被轉化為CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厭氧處理中有機物被轉化為CH4、NH3等。③反應速率不同。好氧處理有機物轉化速率快，處理設備內停留時間短、設備體積小。厭氧處理有機物轉化速率慢，需要時間長，設備體積龐大。④對環(huán)境要求條件不同。好氧處理要求充分供氧。厭氧處理要求絕對厭氧的環(huán)境，對環(huán)境條件要求甚嚴。好氧處理與厭氧處理的主要區(qū)別第57頁/共63頁

1．好氧生化法的發(fā)展沿革(1)活性污泥法的發(fā)展沿革

活性污泥法于1914年首先在英國被應用。近二十多年來，隨著對其生物反應和凈化機理的廣泛深入的研究，以及該法在生產應用技術上的不斷改進和完善。使它得到了迅速發(fā)展，相繼出現了多種工藝流程和工藝方法，使得該法的應用范圍逐漸擴大，處理效果不斷提高，工藝設計和運行管理更加科學化。目前，活性污泥法已成為城市污水、有機工業(yè)廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。生化處理方法的發(fā)展沿革第58頁/共63頁(2)生物膜法的發(fā)展沿革第一個生物膜法處理設施1893年在英國試驗成功，1900年后開始付諸污水處理實踐，并迅速歐美得到廣泛應用。50年代，在德國建造了塔式生物濾池，這種濾池高度大，具有通風良好、凈化效能高、占地面積小等優(yōu)點。生物轉盤