第二章好氧生物处理原理与工艺.doc

第二章 好氧生物处理（原理与工艺）2 1基本概念2 1。1好氧生物处理的基本生物过程 所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，主要包括大部分微生物、动物以及我们人类；所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等。 好氧生物处理过程的生化反应方程式：l 分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）（占1/3） 异氧微生物 CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有机物的组成元素） 异氧微生物l 合成反应（也称合成代谢、同化作用）（占2/3）l C、H、O、N、 + 能量 C5H7NO2l 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）（endogenous respiration）微生物 C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 +¼+能量在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的，一般可用下列实验式来表示：细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3分解与合成的相互关系：1） 二者不可分，而是相互依赖的；a 分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础； b分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。2)对有机物的去除，二者都有重要贡献；3）合成量的大小，对于后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般占整个污水处理厂的4050%）。不同形式的有机物被生物降解的历程也不同：一方面：l 结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁；l 结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞内。另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同： 2 1。2影响好氧生物处理的主要因素1）溶解氧（DO）： 约12mg/l2）水温：是重要因素之一，a 在一定范围内，随着温度的升高，生化反应的速率加快，增殖速率也加快；b 细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或降并超过一定限度时，会有不可逆的破坏； 最适宜温度 1530°C； >40°C 或< 10°C后，会有不利影响。3)营养物质：细胞组成中，C、H、O、N约占9097%其余310%为无机元素，主要的是P。生活污水一般不需再投加营养物质；而某些工业废水则需要，一般对于好氧生物处理工艺，应按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加N和P。其它无机营养元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素： Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；4)pH值：一般好氧微生物的最适宜pH在6.58.5之间；pH < 4.5时，真菌将占优势，引起污泥膨胀；另一方面，微生物的活动也会影响混合液的pH值。5)有毒物质（抑制物质）主要有：重金属 蛋白质的沉淀剂（变性；与-SH结合而失活） 氰化物 H2S 卤族元素及其化合物 酚、醇、醛 使蛋白质变性或脱水 染料等；活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度：有毒物质允许浓度有毒物质允许浓度铜化合物(以Cu计)0.51.0苯10锌化合物(以Zn计)513氯苯10镍化合物(以Ni计)2对苯二酚15铅化合物(以Pb计)1.0间苯二酚450锑化合物(以Sb计)0.2邻苯二酚100镉化合物(以Cd计)15间苯三酚100钒化合物(以V计)5邻苯三酚100银化合物(以Ag计)0.25苯胺100铬化合物(以Cr计)25二硝基甲苯12 (以Cr3+计)2.7甲醛160 (以Cr6+计)0.5乙醛1000硫化物(以S2-计)525二甲苯7 (以H2S计)20甲苯7氢氰酸氰化钾18氯苯10硫氰化物36吡啶400砷化合物(以As3+计)0.72.0烷基苯磺酸盐15汞化合物(以Hg计)0.5甘油56）有机负荷率： 污水中的有机物本来是微生物的食物，但太多时，也会不利于微生物。7）氧化还原电位： 好氧细菌： +300 400 mV， 至少要求大于+100 mV。 厌氧细菌： 要求小于+100 mV，对于严格厌氧细菌，则<-100 mV，甚至<-300 mV。2 1。3废水可生化性和可生化程度的判别 生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物质改变原来的化学和物理性质，在结构上引起的变化程度。 可分为三类：1)初级生物降解指有机物原来的化学结构发生了部分变化，改变了分子的完整性；2)环境可接受的生物降解指有机物失去了对环境有害的特性；3)完全降解在好氧条件下，有机物被完全无机化；在厌氧条件下，有机物被完全转化为CH4、CO2等。 有机物生物降解性能的分类：1） 易生物降解易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用；如单糖等；2） 可生物降解能够逐步被微生物所利用；如淀粉、脂肪、蛋白质、核酸等；3） 难生物降解降解速率很慢或根本不降解。如烃类、硝基化合物、有机农药及有机燃料等；注意：1）“难、易”是相对的； 2）同一种化合物在不同种属微生物的作用下，其降解情况也会有不同。 鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法：分类方法方法要点方法评价根据氧化所耗氧量水质指标法采用BOD5/COD作为有机物评价指标。方法改进：日本通产省测试法，以ThOD代替COD，采用BOD自动测定仪测定有机物28天的生化需氧量，并以BOD28/ThOD来评价有机物的生物降解性能；比较简单，但精度不高，可粗略反映有机物的降解性能；瓦呼仪法根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判断有机物的生物降解性能。测试时，接种物可采用活性污泥，接种量为13 gSS/l；较好地反应微生物氧化分解特性，但试验水量少，对结果有影响；根据有机物的去除效果静置烧瓶筛选试验以10ml沉淀后的生活污水上清液作为接种物，90ml含有5mg酵母膏和5mg受试物的BOD标准稀释水作为反应液，两者混合，室温下培养，1周后测受试物浓度，并以该培养液作为下周培养的接种物，如此连续4周，同时进行已知降解化合物的对照试验；操作简单，但在静态条件下混合及充氧不好；振荡培养试验法在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等，在一定温度下振荡培养，在不同的反应时间内测定反应液中受试物含量，以评价受试物的生物降解性；生物作用条件好，但吸附对测定有影响；半连续活性污泥法测试时，采用试验组及对照组二套反应器间歇运行，测定反应器内COD、TOD或DOC的变化，通过二套反应器结果的比较来评价；试验结果可靠，但仍不能模拟处理厂实际运行条件；活性污泥模型试验模拟连续流活性污泥法生物处理工艺，采用试验组与对照组，通过两套系统对比和分析来评价；结果最为可靠，但方法较复杂；根据CO2量斯特姆测试法采用活性污泥上清液作为接种液，反应时间28天，温度25°C，有机物降解以CO2产量占理论CO2产量的百分率来判断；系统复杂，可反映有机物的无机化程度；根据微生物生理生化指标主要有：ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等试验结果可靠，但测试程序较为复杂。生物降解的基本反应：氧化、水解、脱氢、脱氨基；有机物生物降解的一般规律；1) 对于烃类化合物，一般是链烃比环烃易于生物分解，直链烃比支链烃易于分解，不饱和烃比饱和廷易于分解；2)有机物分子主链上的碳原子被其它原子(如氧、硫、氮)取代 时，该分子的可生化性就降低，其中尤以氧取代的分子为甚。 生物分解从难到易的顺序为氧>硫>氮>碳。3) 主链的碳原子连有一个支链时，其生化性就有所降低；连有 两个支链时，可生化性降低较多；当连有两个烷基或芳基时， 可生化性也降低较多； 4) 苯环上连有羟基或氨基(生成苯酚或苯胺)时，可生化性有所 提高；而当为卤代物(特别是间位取代)时，可生化性就降低了。 5) 醇类的可生化性次序为：一元醇>二元醇>三元醇。 6) 聚合或复合的高分子化合物往往难于生物转化(如木质素、塑 料等)。影响有机物生物降解性能的因素：1） 与化学物质的种类性质有关的因素（化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存）；2） 与微生物的种类、性质有关的因素（微生物的来源、数量、种属间的关系）；3） 与有机物、微生物所处的环境有关的因素（pH值、DO、温度、营养物等）。2 2悬浮生长的好氧生物处理工艺2 2。1活性污泥法 （Activated Sludge Process）一 活性污泥法的基本原理曝气池：反应主体二沉池： 1）进行泥水分离，保证出水水质； 2）保证回流污泥，维持曝气池内一定的污泥浓度。回流系统： 1）保证曝气池内维持足够的污泥浓度； 2）通过改变回流比，改变曝气池的运行工况。剩余污泥： 1）是去除有机物的途径之一； 2）维持系统的稳定运行。供氧系统： 提供足够的溶解氧l 活性污泥系统有效运行的基本条件是：1） 废水中含有足够的可容性易降解有机物；2） 混合液含有足够的溶解氧；3） 活性污泥在池内呈悬浮状态；4） 活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥；5） 没有对微生物有毒有害的物质流入。二活性污泥的性质及性能指标1 物理性能：“菌胶团”“生物絮凝体”颜色：褐色、（土）黄色、铁红色气味：泥土味（城市污水）比重：略大于1 （1.0021.006）粒径：0.020.2 mm比表面积：20100cm2/ml2 生化性能：a 活性污泥的含水率： 99.299.8%b 固体物质的组成：有机物7585%1） 活细胞（Ma）：2） 微生物内源代谢的残留物（Me）：3） 吸附的原废水中难于生物降解的有机物（Mi）：4） 无机物质（Mii）：3活性污泥中的微生物：A细菌： 是活性污泥净化功能最活跃的成分主要菌种有： 动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等特征： 1）多属好氧和兼性异养型的原核细菌； 2）在有氧条件下，具有较强的分解有机物的功能； 3）具有较高的增殖速率，其世代时间为2030分钟； 4）其中的动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。B.其它微生物-原生动物-在活性污泥中大约为103个/ml4.活性污泥的性能指标：（1） 混合液悬浮固体浓度（MLSS）（Mixed Liquor Suspended Solids）MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 单位： mg/l g/m3（2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）（Mixed Volatile Liquor Suspended Solids）MLVSS = Ma + Me + Mi在条件一定时，MLVSS/MLSS是较稳定的，对城市污水，一般是0.750.85(3)污泥沉降比（SV） （Sludge Volume）是指将曝气池中的混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，一般以%表示；能相对地反映污泥数量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及时发现早期的污泥膨胀；正常数值 2030%（4）污泥体积指数（SVI） （Sludge Volume Index）曝气池出口处混合液经30分钟静沉后，1g干污泥所形成的污泥体积， 单位是 ml/g。SV（%）´10（ml/l）或 SVI =SVI =SV（ml/l） MLSS（g/l）MLSS（g/l）能更准确地评价污泥的凝聚性能和沉降性能，其值过低，说明泥粒小，密实，无机成分多；其值过高，说明其沉降性能不好，将要或已经发生膨胀现象；城市污水的SVI一般为 50150 ml/g；注意：1）对于工业废水，SVI不在上述范围内，有时也属正常；2) 对于高浓度活性污泥系统，即使污泥沉降性能较差，由于MLSS较高，其SVI也不会很高。5.关于活性污泥法运行控制中常用的一些参数： 流量 COD BOD 微生物浓度A Q Ci Bi XiB、C Q + Qr Ce Be XD Q Qw Ce Be XeE Qw Ce Be XrF Qr Ce Be Xr1）曝气池的有机容积负荷： ; 2) 曝气池的有机污泥负荷： ; 3）曝气池的水力停留时间（Hydraulic Retention Time） （h）4）曝气池的污泥停留时间（Sludge Retention Time）SRT =V · X /Qw ·Xr（h 或 d）5) 回流比与污泥浓度的关系 回流比：R=Qr/Q 根据物料平衡的原理有：在稳定工作状态下，单位 时间进入二沉池的污泥量将等于离开二沉池的污泥量 即 (Q+Qr) X = QrXr +QwXr + (Q-Qw) Xe (Q+Qr) X = (Qr+Qw ) Xr + (Q-Qw) Xe 由于 Qr >>Qw 且 Xe = 0 则简化为： X(1+R)=XrR 所以： R=X/(Xr -X) （Xr=r.106/SVI）式中r是考虑污泥在二沉池中停留时间、池深、污泥厚度等因素的有关系数，一般取值1.2左右。三活性污泥的增长规律1、 活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。2、 一般可用活性污泥的增长曲线来描述:注意：1)间歇静态培养；2)底物是一次投加；3)图中同时还表示了有机底物降解和氧的消耗曲线。l F/M值: 在温度适宜、DO充足、且不存在抑制物质的条件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取决于微生物与有机基质的相对数量，即有机基质(Food)与微生物(Microorganism)的比值，即F/M值。 F/M值也是影响有机物去除速率、氧利用速率的重要因素。 实际上，F/M值就是以BOD5表示的进水污泥负荷()，即： 3、一般来说，可将增长曲线分为以下四个时期：(1) 适应期；(2)对数增长期；(3)减速增长期；(4)内源呼吸期。l 适应期:(1) 是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适应过程；(2) 经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些质的变化：a.菌体体积有所增大；b.酶系统也已做了相应调整；c.产生了一些适应新环境的变异；等等。(3) BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化。l 对数增长期：(1) F/M值高(>2.2)，所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；(2) 微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；(3) 微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；(4) 此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；(5) 活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；(6) 一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。l 减速增长期:(1) F/M值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；(2) 微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；(3) 有机底物的降解速率也开始下降；(4) 微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增长；(5) 活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；(6) 由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定；(7) 一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的。l 内源呼吸期:(1)内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；(2) 污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；(3) 一般不采用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。4、活性污泥增殖规律的应用：(1) 活性污泥的增殖状况，主要是由F/M值所控制；(2) 处于不同增长期的活性污泥，其性能不同，处理出水的水质也不同；(3) 可以通过调整F/M值，来调控曝气池的运行工况，以达到所要求的出水水质和活性污泥的良好性能；(4) 推流式： 一段线段； 完全混合式： 一个点5、有机物降解与微生物增殖： 活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合结果，所以，微生物的净增殖速率为： 式中：活性污泥微生物的净增殖速率（）； 活性污泥微生物的合成速率； 降解每所产生的值，即产率系数（）； 活性污泥微生物自身氧化速率； 每每日自身氧化的数，即自身氧化系数（）； 。因此，活性污泥微生物增殖的基本方程式: 积分后，得出活性污泥微生物在曝气池内每日得净增长量为: 式中: 每日污泥增长量(),； 每日处理废水量()； 进水浓度(或)； 出水浓度(或)。l 的经验值：(1) 对于生活污水活与之性质相近的工业废水，7 / 7