好氧生物處理原理與工藝

1、第二章 好氧生物處理（原理與工藝）2 1基本概念2 1。1好氧生物處理的基本生物過程 所謂“好氧”：是指這類生物必須在有分子態(tài)氧氣（O2）的存在下，才能進行正常的生理生化反應(yīng)，主要包括大部分微生物、動物以及我們?nèi)祟?；所謂“厭氧”：是能在無分子態(tài)氧存在的條件下，能進行正常的生理生化反應(yīng)的生物，如厭氧細菌、酵母菌等。 好氧生物處理過程的生化反應(yīng)方程式：l 分解反應(yīng)（又稱氧化反應(yīng)、異化代謝、分解代謝）（占1/3） 異氧微生物 CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有機物的組成元素） 異氧微生物l 合成反應(yīng)（也稱合成代謝、同化作用）（占2/3）l

2、C、H、O、N、 + 能量 C5H7NO2l 內(nèi)源呼吸（也稱細胞物質(zhì)的自身氧化）（endogenous respiration）微生物 C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 +¼+能量在正常情況下，各類微生物細胞物質(zhì)的成分是相對穩(wěn)定的，一般可用下列實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與合成的相互關(guān)系：1） 二者不可分，而是相互依賴的；a 分解過程為合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物質(zhì)基礎(chǔ)； b分解過程是一個產(chǎn)能過程，合成過程則是一個耗能過程。2)對有機物的去除，二者都有重要貢獻；3

3、）合成量的大小，對于后續(xù)污泥的處理有直接影響（污泥的處理費用一般占整個污水處理廠的4050%）。不同形式的有機物被生物降解的歷程也不同：一方面：l 結(jié)構(gòu)簡單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進入細胞壁；l 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質(zhì)，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機物，再進入細胞內(nèi)。另一方面：有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會不同： 2 1。2影響好氧生物處理的主要因素1）溶解氧（DO）： 約12mg/l2）水溫：是重要因素之一，a 在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，生化反應(yīng)的速率加快，增殖速率也加快；b 細胞的組成物如蛋白質(zhì)、核酸等對溫度很敏感，溫度突升或降并

4、超過一定限度時，會有不可逆的破壞； 最適宜溫度 1530°C； >40°C 或< 10°C后，會有不利影響。3)營養(yǎng)物質(zhì)：細胞組成中，C、H、O、N約占9097%其余310%為無機元素，主要的是P。生活污水一般不需再投加營養(yǎng)物質(zhì)；而某些工業(yè)廢水則需要，一般對于好氧生物處理工藝，應(yīng)按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加N和P。其它無機營養(yǎng)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適宜pH在6.58.5之間；pH < 4.5時，真菌將占優(yōu)勢，引起污泥膨脹；另一方

5、面，微生物的活動也會影響混合液的pH值。5)有毒物質(zhì)（抑制物質(zhì)）主要有：重金屬 蛋白質(zhì)的沉淀劑（變性；與-SH結(jié)合而失活） 氰化物 H2S 鹵族元素及其化合物 酚、醇、醛 使蛋白質(zhì)變性或脫水 染料等；活性污泥系統(tǒng)中有毒物質(zhì)的最高允許濃度：有毒物質(zhì)允許濃度有毒物質(zhì)允許濃度銅化合物(以Cu計)0.51.0苯10鋅化合物(以Zn計)513氯苯10鎳化合物(以Ni計)2對苯二酚15鉛化合物(以Pb計)1.0間苯二酚450銻化合物(以Sb計)0.2鄰苯二酚100鎘化合物(以Cd計)15間苯三酚100釩化合物(以V計)5鄰苯三酚100銀化合物(以Ag計)0.25苯胺100鉻化合物(以Cr計)25二硝基甲苯

6、12 (以Cr3+計)2.7甲醛160 (以Cr6+計)0.5乙醛1000硫化物(以S2-計)525二甲苯7 (以H2S計)20甲苯7氫氰酸氰化鉀18氯苯10硫氰化物36吡啶400砷化合物(以As3+計)0.72.0烷基苯磺酸鹽15汞化合物(以Hg計)0.5甘油56）有機負荷率： 污水中的有機物本來是微生物的食物，但太多時，也會不利于微生物。7）氧化還原電位： 好氧細菌： +300 400 mV， 至少要求大于+100 mV。 厭氧細菌： 要求小于+100 mV，對于嚴格厭氧細菌，則<-100 mV，甚至<-300 mV。2 1。3廢水可生化性和可生化程度的判別 生物降解性能是指在

7、微生物的作用下，使某一物質(zhì)改變原來的化學(xué)和物理性質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上引起的變化程度。 可分為三類：1)初級生物降解指有機物原來的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分變化，改變了分子的完整性；2)環(huán)境可接受的生物降解指有機物失去了對環(huán)境有害的特性；3)完全降解在好氧條件下，有機物被完全無機化；在厭氧條件下，有機物被完全轉(zhuǎn)化為CH4、CO2等。 有機物生物降解性能的分類：1） 易生物降解易于被微生物作為碳源和能源物質(zhì)而被利用；如單糖等；2） 可生物降解能夠逐步被微生物所利用；如淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等；3） 難生物降解降解速率很慢或根本不降解。如烴類、硝基化合物、有機農(nóng)藥及有機燃料等；注意：1）“難、易”是相對的； 2）

8、同一種化合物在不同種屬微生物的作用下，其降解情況也會有不同。 鑒定和評價廢水中有機污染物的好氧生物降解性的方法：分類方法方法要點方法評價根據(jù)氧化所耗氧量水質(zhì)指標法采用BOD5/COD作為有機物評價指標。方法改進：日本通產(chǎn)省測試法，以ThOD代替COD，采用BOD自動測定儀測定有機物28天的生化需氧量，并以BOD28/ThOD來評價有機物的生物降解性能；比較簡單，但精度不高，可粗略反映有機物的降解性能；瓦呼儀法根據(jù)有機物的生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線的比較來判斷有機物的生物降解性能。測試時，接種物可采用活性污泥，接種量為13 gSS/l；較好地反應(yīng)微生物氧化分解特性，但試驗水量少，對結(jié)果有影響；根據(jù)有

9、機物的去除效果靜置燒瓶篩選試驗以10ml沉淀后的生活污水上清液作為接種物，90ml含有5mg酵母膏和5mg受試物的BOD標準稀釋水作為反應(yīng)液，兩者混合，室溫下培養(yǎng)，1周后測受試物濃度，并以該培養(yǎng)液作為下周培養(yǎng)的接種物，如此連續(xù)4周，同時進行已知降解化合物的對照試驗；操作簡單，但在靜態(tài)條件下混合及充氧不好；振蕩培養(yǎng)試驗法在燒瓶中加入接種物、營養(yǎng)液及受試物等，在一定溫度下振蕩培養(yǎng)，在不同的反應(yīng)時間內(nèi)測定反應(yīng)液中受試物含量，以評價受試物的生物降解性；生物作用條件好，但吸附對測定有影響；半連續(xù)活性污泥法測試時，采用試驗組及對照組二套反應(yīng)器間歇運行，測定反應(yīng)器內(nèi)COD、TOD或DOC的變化，通過二套反應(yīng)

10、器結(jié)果的比較來評價；試驗結(jié)果可靠，但仍不能模擬處理廠實際運行條件；活性污泥模型試驗?zāi)M連續(xù)流活性污泥法生物處理工藝，采用試驗組與對照組，通過兩套系統(tǒng)對比和分析來評價；結(jié)果最為可靠，但方法較復(fù)雜；根據(jù)CO2量斯特姆測試法采用活性污泥上清液作為接種液，反應(yīng)時間28天，溫度25°C，有機物降解以CO2產(chǎn)量占理論CO2產(chǎn)量的百分率來判斷；系統(tǒng)復(fù)雜，可反映有機物的無機化程度；根據(jù)微生物生理生化指標主要有：ATP測試法、脫氫酶測試法、細菌標準平板計數(shù)測試法等試驗結(jié)果可靠，但測試程序較為復(fù)雜。生物降解的基本反應(yīng)：氧化、水解、脫氫、脫氨基；有機物生物降解的一般規(guī)律；1) 對于烴類化合物，一般是鏈烴比

11、環(huán)烴易于生物分解，直鏈烴比支鏈烴易于分解，不飽和烴比飽和廷易于分解；2)有機物分子主鏈上的碳原子被其它原子(如氧、硫、氮)取代 時，該分子的可生化性就降低，其中尤以氧取代的分子為甚。 生物分解從難到易的順序為氧>硫>氮>碳。3) 主鏈的碳原子連有一個支鏈時，其生化性就有所降低；連有 兩個支鏈時，可生化性降低較多；當連有兩個烷基或芳基時， 可生化性也降低較多； 4) 苯環(huán)上連有羥基或氨基(生成苯酚或苯胺)時，可生化性有所 提高；而當為鹵代物(特別是間位取代)時，可生化性就降低了。 5) 醇類的可生化性次序為：一元醇>二元醇>三元醇。 6) 聚合或復(fù)合的高分子化合物往

12、往難于生物轉(zhuǎn)化(如木質(zhì)素、塑 料等)。影響有機物生物降解性能的因素：1） 與化學(xué)物質(zhì)的種類性質(zhì)有關(guān)的因素（化學(xué)組成、理化性質(zhì)、濃度、與它種基質(zhì)的共存）；2） 與微生物的種類、性質(zhì)有關(guān)的因素（微生物的來源、數(shù)量、種屬間的關(guān)系）；3） 與有機物、微生物所處的環(huán)境有關(guān)的因素（pH值、DO、溫度、營養(yǎng)物等）。2 2懸浮生長的好氧生物處理工藝2 2。1活性污泥法 （Activated Sludge Process）一 活性污泥法的基本原理曝氣池：反應(yīng)主體二沉池： 1）進行泥水分離，保證出水水質(zhì)； 2）保證回流污泥，維持曝氣池內(nèi)一定的污泥濃度?；亓飨到y(tǒng)： 1）保證曝氣池內(nèi)維持足夠的污泥濃度； 2）通過改變

13、回流比，改變曝氣池的運行工況。剩余污泥： 1）是去除有機物的途徑之一； 2）維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。供氧系統(tǒng)： 提供足夠的溶解氧l 活性污泥系統(tǒng)有效運行的基本條件是：1） 廢水中含有足夠的可容性易降解有機物；2） 混合液含有足夠的溶解氧；3） 活性污泥在池內(nèi)呈懸浮狀態(tài)；4） 活性污泥連續(xù)回流、及時排除剩余污泥，使混合液保持一定濃度的活性污泥；5） 沒有對微生物有毒有害的物質(zhì)流入。二活性污泥的性質(zhì)及性能指標1 物理性能：“菌膠團”“生物絮凝體”顏色：褐色、（土）黃色、鐵紅色氣味：泥土味（城市污水）比重：略大于1 （1.0021.006）粒徑：0.020.2 mm比表面積：20100cm2/ml2 生

14、化性能：a 活性污泥的含水率： 99.299.8%b 固體物質(zhì)的組成：有機物7585%1） 活細胞（Ma）：2） 微生物內(nèi)源代謝的殘留物（Me）：3） 吸附的原廢水中難于生物降解的有機物（Mi）：4） 無機物質(zhì)（Mii）：3活性污泥中的微生物：A細菌： 是活性污泥凈化功能最活躍的成分主要菌種有： 動膠桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬、黃桿菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、無色桿菌屬等特征： 1）多屬好氧和兼性異養(yǎng)型的原核細菌； 2）在有氧條件下，具有較強的分解有機物的功能； 3）具有較高的增殖速率，其世代時間為2030分鐘； 4）其中的動膠桿菌具有將大量細菌結(jié)成為“菌膠團”的功能。B.其它微生物-原生

15、動物-在活性污泥中大約為103個/ml4.活性污泥的性能指標：（1） 混合液懸浮固體濃度（MLSS）（Mixed Liquor Suspended Solids）MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 單位： mg/l g/m3（2）混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）（Mixed Volatile Liquor Suspended Solids）MLVSS = Ma + Me + Mi在條件一定時，MLVSS/MLSS是較穩(wěn)定的，對城市污水，一般是0.750.85(3)污泥沉降比（SV） （Sludge Volume）是指將曝氣池中的混合液在量筒中靜置30分鐘，其沉淀污泥與原混

16、合液的體積比，一般以%表示；能相對地反映污泥數(shù)量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及時發(fā)現(xiàn)早期的污泥膨脹；正常數(shù)值 2030%（4）污泥體積指數(shù)（SVI） （Sludge Volume Index）曝氣池出口處混合液經(jīng)30分鐘靜沉后，1g干污泥所形成的污泥體積， 單位是 ml/g。SV（%）´10（ml/l）或 SVI =SVI =SV（ml/l） MLSS（g/l）MLSS（g/l）能更準確地評價污泥的凝聚性能和沉降性能，其值過低，說明泥粒小，密實，無機成分多；其值過高，說明其沉降性能不好，將要或已經(jīng)發(fā)生膨脹現(xiàn)象；城市污水的SVI一般為 50150 ml/g；注意：1）對

17、于工業(yè)廢水，SVI不在上述范圍內(nèi)，有時也屬正常；2) 對于高濃度活性污泥系統(tǒng)，即使污泥沉降性能較差，由于MLSS較高，其SVI也不會很高。5.關(guān)于活性污泥法運行控制中常用的一些參數(shù)： 流量 COD BOD 微生物濃度A Q Ci Bi XiB、C Q + Qr Ce Be XD Q Qw Ce Be XeE Qw Ce Be XrF Qr Ce Be Xr1）曝氣池的有機容積負荷： ; 2) 曝氣池的有機污泥負荷： ; 3）曝氣池的水力停留時間（Hydraulic Retention Time） （h）4）曝氣池的污泥停留時間（Sludge Retention Time）SRT =V 

18、3; X /Qw ·Xr（h 或 d）5) 回流比與污泥濃度的關(guān)系 回流比：R=Qr/Q 根據(jù)物料平衡的原理有：在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，單位 時間進入二沉池的污泥量將等于離開二沉池的污泥量 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 則簡化為： X(1+R)=XrR 所以： R=X/(Xr -X) （Xr=r.106/SVI）式中r是考慮污泥在二沉池中停留時間、池深、污泥厚度等因素的有關(guān)系數(shù)，一般取值1.2左右。三活性污泥的增長規(guī)律1、 活性

19、污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝氣池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、有機物被降解的必然結(jié)果，而微生物增殖的結(jié)果則是活性污泥的增長。2、 一般可用活性污泥的增長曲線來描述:注意：1)間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2)底物是一次投加；3)圖中同時還表示了有機底物降解和氧的消耗曲線。l F/M值: 在溫度適宜、DO充足、且不存在抑制物質(zhì)的條件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取決于微生物與有機基質(zhì)的相對數(shù)量，即有機基質(zhì)(Food)與微生物(Microorganism)的比值，即F/M值。 F/M值也是影響有機物去除速率、氧利用速率的重要因素。 實際上，F(xiàn)/M值就是以BOD5表示的進水污泥負荷()，即： 3、一般來說，可將增長曲線分為以下

20、四個時期：(1) 適應(yīng)期；(2)對數(shù)增長期；(3)減速增長期；(4)內(nèi)源呼吸期。l 適應(yīng)期:(1) 是活性污泥微生物對于新的環(huán)境條件、污水中有機物污染物的種類等的一個短暫的適應(yīng)過程；(2) 經(jīng)過適應(yīng)期后，微生物從數(shù)量上可能沒有增殖，但發(fā)生了一些質(zhì)的變化：a.菌體體積有所增大；b.酶系統(tǒng)也已做了相應(yīng)調(diào)整；c.產(chǎn)生了一些適應(yīng)新環(huán)境的變異；等等。(3) BOD5、COD等各項污染指標可能并無較大變化。l 對數(shù)增長期：(1) F/M值高(>2.2)，所以有機底物非常豐富，營養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；(2) 微生物的增長速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，它僅由微生物本身所特有的最小世代時間所控

21、制，即只受微生物自身的生理機能的限制；(3) 微生物以最高速率對有機物進行攝取，也以最高速率增殖，而合成新細胞；(4) 此時的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活動能力很強，導(dǎo)致污泥質(zhì)地松散，不能形成較好的絮凝體，污泥的沉淀性能不佳；(5) 活性污泥的代謝速率極高，需氧量大；(6) 一般不采用此階段作為運行工況，但也有采用的，如高負荷活性污泥法。l 減速增長期:(1) F/M值下降到一定水平后，有機底物的濃度成為微生物增殖的控制因素；(2) 微生物的增殖速率與殘存的有機底物呈正比，為一級反應(yīng)；(3) 有機底物的降解速率也開始下降；(4) 微生物的增殖速率在逐漸下降，直至在本期的最后階段下降為零，但微生物的量還在增長；(5) 活性污泥的能量水平已下降，絮