污水生物处理原理及工艺简介

污水生物处理原理及工艺简介技术研发中心屈佳玉一、好氧生物处理及工艺简介1、好氧处理工艺简介（1）活性污泥法（2）生物膜法二、厌氧生物处理及工艺简介（1）三阶段理论（2）典型工艺污水生物处理原理：废水中的有机物、氮、磷等物质对人类来说是污染物，但对微生物来说是营养物质，生物处理就是借助于微生物的新陈代谢活动，使有机污染物转化成为稳定的无害物质，氮、磷得到释放或富集，从而从废水中去除的过程。定义：利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物的一种方法叫做污水生物处理方法，分好氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。特点：1、用生物方法去除水中有机物最经济；2、90%废水处理工艺属于生物处理工艺；3、水中氨氮用生物处理方法去除最有效；4、绝大多数工业废水也是以生物处理方法为主。处理对象：1、有机物；2、氮；3、磷。•可生化判断：BOD/COD≤0.3难生化，0.3和0.5可生化，大于0.5易生化。一、好氧生物处理及工艺简介•活性污泥：生物反应池中繁殖的含有各种微生物群体的絮凝体。•污泥形态：（1）外观形态黄褐色，絮体颗粒（生物絮体）。絮体大小0.02～0.2mm。（2）特点曝气池中混合液含水率99.2%～99.8%。比重1.002～1.004，回流污泥和剩余污泥比重1.004～1.006。比表面积2000～10000m2/m3污泥。•组成：①具有代谢功能的活性的微生物群体（Ma）②微生物内源呼吸、自身氧化的残留物（Me）占75%～85%③被污泥絮体吸附的难降解的有机物（Mi）④被污泥絮体吸附的难降解的无机物（Mii）占15%～25%•活性污泥中具有代谢功能的活性微生物群体：细菌、真菌、原生动物、后生动物。其中，细菌发挥讲解有机物的主要作用。•细菌以好氧和兼氧的异养型原核细菌为主。•真菌专性的好氧异养型的多细胞微生物。丝状菌为菌胶团的骨架。•原核生物肉足虫、鞭毛虫、纤毛类是活性污泥中常见的三类原生动物。钟虫（纤毛）是出水较好的标志。•后生动物轮虫、线虫、寡毛类是活性污泥中常见的后生动物。轮虫是出水水质好且稳定的标志。•活性污泥增长曲线：增殖曲线分为四个时期：停滞期（适应期）、对数增殖期、减数增殖期（稳定期）、内源呼吸期（衰亡期）•活性污泥增长曲线：•停滞期（适应期）活性污泥微生物的变化：数量基本没有变化菌体体积增大酶系统相应调节新的变异等本质指标基本无变化。实际应用中活性污泥法的启动阶段。•活性污泥增长曲线：•微生对数增殖期F/M值高2.2kgBOD5/（kgVSS·d），有机物丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素。物增殖速率与基质浓度无关，呈零级反应，仅由微生物本身特有的最小时代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制。微生物以最高速率对有机物进行摄取，以最高速率增殖，合成新细胞。活性污泥的代谢速率极高，需氧量大。活性污泥具有高的能量水平，微生物的活动能力很强，污泥质地疏松。不易形成好的絮凝体，沉淀性能不佳。一般不采用此阶段作为运行工况，个别的，如高负荷活性污泥法。•活性污泥增长曲线：•减数增殖期（稳定期）F/M值下降到一定水平后，有机物的浓度成为微生物增殖的控制因素。微生物的增殖速率与残存的有机物呈正比，为一级反应。有机底物的降解速率也开始下降微生物的增殖速率在逐渐下降，直至最终下降为零，但活性污泥的量仍然持续增长并最终达到最高。大多数污水厂曝气池的运行工况控制在该阶段。•活性污泥增长曲线：•内源呼吸期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。污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但絮凝性较差。有机物基本消耗殆尽，处理水质良好。只有个别活性污泥工艺的工况设置在这一阶段，如延时曝气法。活性污泥法的典型工艺•AO工艺•AAO工艺•SBR工艺•氧化沟工艺生物膜法生物膜法是与活性污泥法平行发展的一种污水处理技术方法；•实质是使细菌类微生物和原生动物、后生动物类的微型动物附着•在滤料或某些载体上，并在其上形成膜状生物污泥-----生物膜生物膜法的基本概念生物膜的形成及其净化过程生物膜的构造挂膜：污水流经滤料，污水和细菌进行附着，有机物被分解，形成生物膜并逐渐成熟。结构：从外面到里面的顺序为污水、流动水层、附着水层、生物膜（分为好氧层和厌氧层）、滤料。生物膜法是通过生物膜来处理水的，所以生物膜污水处理的关键就是生物膜的质量，生物膜的形成及其生长是实现污水有效处理的前提。生物膜的形成当污水均匀地淋洒在介质表面上，在充分供氧的条件下，介质表面的微生物吸附污水中的有机物，迅速进行降解有机物，逐渐在介质表面形成黏液状的生长有极多微生物的膜，即称之为生物膜。随着微生物的不断繁殖增长，使生物膜的厚度不断增加，膜的表面吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了好氧微生物和兼性微生物组成的好氧层（1～2mm）。在其内部由于营养料和溶解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，厌氧微生物恢复了活性，形成了厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。厌氧层只有生物膜达到一定厚度后才能出现，而且随着生物膜的增厚和外伸变厚，但是有机物主要是在好氧层内进行。生物膜中的物质迁移：由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称之为附着水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机物浓度低得多。由于浓度差的作用，有机物会从污水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。空气中的氧也会进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的二氧化碳和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分到空气中去，污水从而得到净化。由于生物膜厚度增大，致使其深层因氧不足而发生厌氧分解，积蓄了硫化氢、氨气、有机酸等代谢产物。会减弱生物膜在惰性载体上的固着力，处于这种状态的生物膜为老化生物膜，它不仅容易脱落净化功能也不好。但供氧充足时，可以加快好氧膜的更新，使生物膜不集中脱落。生物膜的载体填料为生物膜提供附着生长固定的材料。分类为无机类填料和有机类填料两大类1.无机类载体目前常用的无机类载体有砂子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷材料、炭纤维、矿渣、活性炭、金属等。无机类载体具有机械强度较高、化学性质较稳定、比表面积较大的优点。缺点为密度较大，不适宜做流态化运动，使其在悬浮生物膜反应器工艺中的应用受到限制。通常情况下，微生物以附着的形式固定在载体表面从而形成生物膜，特殊情况下，有一些微生物是以包裹附着的形式实现固定化的。2.有机类载体有机类载体是生物膜技术发展中应用最广泛的主要载体材料。这类载体主要有PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料、软性或半软性纤维等，其比表面积和孔隙率都很大，从而使有机负荷大为提高，也不易堵塞，在生产实践中被广为采用，由于它便于沉淀分离，提高了活性污泥处理厂的性能。各种有机材料载体的对比。选择生物膜载体的基本原则选择滤料时应该从以下方面考虑：1.足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力的作用；2.优良的稳定性，生物稳定性、化学稳定性、热力学稳定性。3.亲疏水性及良好的表面带电特性，微生物在通常为带负电的，载体要是带正电荷的，容易结合。4.有毒性或抑制性。5.良好的物理性状6.就地取材，价格合理。在生物膜法中应用的载体应满足如下条件：1.易流化，但不易流失；2.易成膜，但无毒害作用；3.能提供大的比表面积，以增加生物附着量；4.价格低廉，容易取材。生物膜法的特征优点：与活性污泥法相比，生物膜法具有以下优点：生物膜体积小、微生物量高、水力停留时间较短、生物相相对稳定、对毒物和冲击负荷抵抗性强、处理效果高、操作方便、剩余污泥少，适用于小型污水处理厂缺点：1.需要较多的填料和支撑结构，基建投资高。2.出水常携带较大的脱落的生物膜片，大量非活性细小的悬浮物分散在水中使处理水的澄清度降低3.活性生物量难控制，在运行方面灵活性差2.生物的食物链长生物膜上的食物链要长于活性污泥污泥量少于活性污泥系统3.能够存活世代时间长的微生物4.分段运行与优势菌种分多段运行，每段繁衍于本段水质相适应的微生物1.微生物的多样化生物膜是由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫组成。生物膜上生物的种类，数量及其生活状态的概括。细菌、真菌、微型动物、滤池蝇、具有抑制生物膜的过速增长的功能线虫，组成较好的生物膜，促进其脱落的功能。与活性污泥法的生物相对比：增加了藻类，寡毛类、后生动物、昆虫类等生物。而真菌，肉足虫，纤毛虫，轮虫，线虫的含量都大大增多。微生物相方面的特征处理工艺方面的特征1.对水质、水量变动有较强的适应性一段时间中断进水，对生物膜也不会有致命影响，通水后易恢复2.污泥沉淀性良好污泥比重较大3.能够处理低浓度废水活性污泥：不适合处理低浓度的污水，若BOD长期低于50-60mg/l，会影响污泥絮体的形成。生物膜：20-30mg/L时，能降解到5-10mg/l4.易于维护运行，节能，动力费用低生物膜的增长过程潜伏期或适应期微生物在经历不可逆附着过程后，开始逐渐适应生存环境，并在载体表面逐渐形成小的，分散的微生物。这些初始菌落首先在载体表面不规则处形成。这一阶段的持续时间取决于进水第五浓度以及载体表面特性。在实际生物膜反应器启动时，要控制这一阶段是很困难的。生物膜的增长过程与悬浮微生物的增长过程相似，主要经历了适应期、对数增长期、稳定期及衰减期。但是又由生物膜法的具体运行情况，在这四个阶段的基础上划分成六个阶段：对数期或动力学增长期在适应期形成的分散菌落开始迅速增长，逐渐覆盖载体表面。生物膜厚度可以达到几十μm。多聚糖及蛋白质产率增加，大量消耗溶解氧，后期氧成为限制因素，此阶段结束时，生物膜反应器的出水底物浓度基本达到稳定值，这个阶段决定了生物膜反应器内底物的去除效率及生物膜自身增长代谢的功能。线性增长期生物膜在载体表面以恒速率增长，出水底物浓度不随生物量的积累而显著变化；其好氧速率保持不变；生物膜的生物量Mb可以表示为：此阶段生物膜总量的积累主要源于非活性物质。此时生物膜活性生物量所占比例很小，且随生物膜总量的增长呈下降趋势。原因是：可剩余有效载体表面饱和；禁锢作用明显，有毒或抑制性物质的积累。这个阶段对底物的去除没有明显的贡献，但在流化床反应器内，这个阶段可以改变生物颗粒的体积特性。Mb＝Ma＋Mi减数增长期由于生存环境质量的改变以及谁理学的作用，出现了生物膜增长速率变慢，这一阶段是生物膜在某一质量和膜厚上达到的稳定的过渡期。此时生物膜对水力学剪切作用极为敏感。生物膜结构疏松，出水中悬浮物的浓度明显增高，末期，生物膜质量及厚度都趋于稳定，运行系统也接近稳定。生物膜稳定期生物膜新生细胞与由于各种物理力所造成的生物膜损失达到平衡。次阶段，生物膜相及液相均已达到稳定状态。在生物膜反应器运行中，生物膜稳定期的维持一直认为是过程稳定性的必要保证，而在三相流化床等生物反应器中，在高底物浓度、高剪切力作用下，这一阶段时间很短，甚至不出现。脱落期随着生物膜的成熟，部分生物膜发生脱落。生物膜内微生物自身氧化、内部厌氧层过厚以及生物膜与载体表面间相互作用等因素可加速生物膜脱落。另外，某些物理作用也可以导致生物膜脱落。此阶段中，出水悬浮物浓度增高，直接影响出水水质；底物降解过程受到影响，其结果是底物去除率降低，而我们在运行生物膜反应器的时候应该尽量避免生物膜同时大量脱落。以上是生物膜增长规律的分析，可以帮助我们更好的控制生物膜反应器，同时也引出了生物膜法的几个重要参数。生物膜法典型工艺•普通生物滤池•高负荷生物滤池•塔式生物滤池•曝气生物滤池•生物转盘•生物接触氧化法二、厌氧生物处理及工艺简介一.早期二阶段理论二.三阶段(四阶段)理论的提出三.四阶段理论一.早期理论——二阶段理论对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和碱性发酵阶段，其中酸性发酵──产酸菌利用胞外酶将复杂的大分子水解成小分子，并进一步转化为有机酸。此阶段