废水生物处理基本原理

任课教师：郭勇过程装备与安全工程系废水处理设备第一章废水生物处理基本原理借助环境工程和化学工程的手段和方法，以微生物作用为主体开发出了种种用于控制和治理水污染治理的新方法。废水生物处理：代表：活性污泥法、生物膜法、厌氧处理法、生物脱氮、除磷等工艺技术废水处理设备第一章废水生物处理基本原理微生物可简单分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物。•好氧微生物指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，包括大部分微生物，其主要作用有合成代谢、分解代谢和内源呼吸。影响好氧微生物处理效果的因素主要有溶解氧、温度、pH值等；•厌氧微生物是指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，主要代谢作用有水解、发酵、产氢产乙酸、产甲烷等阶段，目前其代谢理论无统一认识，主要影响因素有温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等；•兼性微生物既可在有氧环境中生活，也可在无氧环境中生长，当水中溶解氧高于0.2～0.3mg／L时，兼性菌利用氧气进行新陈代谢；而当溶解氧低于上述数字时，它们同厌氧菌一样，生活时不需要氧气，在自然界中大部分细菌属于这一类。1、生物处理--原理生物处理--微生物图片第一章废水生物处理基本原理废水处理设备生物处理—污泥颗粒、细菌、真菌第一章废水生物处理基本原理废水处理设备2、概述—基本概念原理：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废水生物处理方法，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。第一章废水生物处理基本原理废水处理设备BOD：生物需氧量（Biochemical【生物】Oxygen【氧气】Demand【需求】）微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，这个指标代表消耗掉的氧。BOD5：（20℃5天BOD）微生物完全分解水中的有机化合物总共约需100天，为缩短检测时间，一般20℃五天内的耗氧量为代表，简称BOD5，对生活污水来说，约占BOD70%。来源：生活污水和制糖、食品、造纸、纤维等工业废水中。COD：化学需氧量（Chemical【化学】oxygenDemand）利用化学氧化剂将废水中可氧化物质（如有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等）氧化分解，然后根据残留的氮化剂的量计算出氧的消耗量。CODCr：（重铬酸钾作为氧化剂测出的COD结果）CODMn：（高锰酸钾作为氧化剂测出的COD结果）一般CODCrBOD5CODMn来源：包括BOD来源，还有工业废水如化工、制药、纺织等。第一章废水生物处理基本原理废水处理设备NH3-N：氨氮主要来源于人和动物的排泄物、农用化肥的流失，自化工、冶金、石油化工、油漆颜料、煤气、炼焦、鞣革、化肥等工业废水。危害：黑臭、毒性，富营养化。（H2PO4-、HPO42-、PO43-)：磷在废水中，磷通常以无机磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷等多种形式存在，来源农药、医药、饲料、洗涤剂、肥料、食品添加剂等。危害：黑臭、富营养化。AAO（Anaerobic【没有空气】Anoxic【缺少空气】Oxide【氧】）AO脱氮（Anaerobic【缺少空气】Oxide【氧】）AO除磷（Anaerobic【没有空气】Oxide【氧】）好氧：曝气---普通污水处理厌氧：只进水，不搅动，不曝气—高浓度有机废水处理，除磷工艺缺氧：搅动或回流硝化液或微曝气，脱氮工艺实际工艺可能是多种缺氧、好氧、厌氧工艺组合以达到更好的处理效果。第一章废水生物处理基本原理生物处理—好氧原理好氧微生物将废水中的有机污染物分解成为最终的无机产物如二氧化碳和水等，或被同化合成为好氧微生物的细胞物质并以剩余污泥的形式通过沉淀等方式与出水分离，从而使废水得到净化。第一章废水生物处理基本原理废水处理设备第一章废水生物处理基本原理有机污染物好氧微生物处理的一般途径2、生物处理—好氧异养代谢:第一章废水生物处理基本原理废水处理设备第一章废水生物处理基本原理1914年在英国建成第一座活性污泥污水处理试验厂是目前城市污水处理的主要方法。作用原理：普通活性污泥法是依据废水的自净作用原理发展而来的。第一节活性污泥法废水处理设备第一章废水生物处理基本原理曝气池二沉池进水空气出水污泥回流剩余污泥废水处理设备第一章废水生物处理基本原理活性污泥法的特点：曝气池中污泥浓度一般控制在2—3g/L，废水浓度高时采用较高数值。废水在曝气池中的停留时间(HRT)常采用4—8h，视废水中有机物浓度而定。回流污泥量约为进水流量的25％—50％左右BOD和悬浮物去除率都很高，达到90％—95％左右废水处理设备第一章废水生物处理基本原理不足之处：①对水质变化的适应能力不强；②所供的氧不能充分利用，因为在曝气池前端废水水质浓度高、污泥负荷高、需氧量大，而后端则相反，但空气往往沿池长均匀分布，这就造成前端供氧量不足、后端供氧量过剩的情况。因此，在处理同样水量时，同其他类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大、占地多、能耗费用高。废水处理设备第一章废水生物处理基本原理六、序批式活性污泥法序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor，简称SBR)是国内外近年来新开发的一种活性污泥法，其工艺特点是将曝气池和沉淀池合而为一，生化反应虽分批进行，基本工作周期可由进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段组成废水出水进水期反应期沉降期排水期闲置期废水处理设备第一章废水生物处理基本原理SBR具有下述特点：1．构造简单、节省投资省去了二沉池、回流装置和调节池等设施，因此基建投资较低。2．控制灵活，可满足各种处理要求一个周期中各个阶段的运行时间、总停留时间、供气量等都可按照进水水质和出水要求而加以调节。3．活性污泥性状好、污泥产率低污泥结构紧密，沉降性能良好。此外在沉降期几乎是在静止状态下沉淀，因此污泥沉降时间短、效率高。SBR的运行周期中有一闲量期、污泥处于内源呼吸阶段，因此污泥产率比较低。4．脱氮效果好废水处理设备第一章废水生物处理基本原理第二节生物膜法优点：①供氧充分，传质条件好；②采用轻质塑料填料后构筑物轻巧，填料比表面积大；⑤设备处理能力大，处理效果好，④不生长滤池蝇，气味小，卫生条件好。生物膜法与活性污泥法的主要区别在于生物膜固定生长或附着生长于固体填料(或称载体)的表面，而活性污泥则以絮体(floc)方式悬浮生长于处理构筑物中。废水处理设备1.2.1概述和基本原理生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物的，因而这种方法亦称为生物过滤法。生物膜法的缺点：由于固着于固体表面的微生物量较难控制，因而在运转操作上伸缩性差；滤料表面积小，BOD容积负荷有限，因而空间效果差；采用自然通风供养，在生物膜内层往往形成厌氧层，从而缩小了具有净化功能的有效容积。然而由于新工艺新滤料的研制成功，生物膜法作为良好的好氧生物处理技术仍被广泛的应用着。废水处理设备1.2.1概述和基本原理生物膜法的类型：（1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；（2）浸没型生物膜法生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床生物膜法润壁型生物膜法浸没型生物膜法生物滤池生物转盘接触氧化法生物流化床废水处理设备1.2.1概述和基本原理二、生物膜中的物质迁移有机物供氧三、生物膜净化废水的原理废水处理设备1.2.2生物滤池废水处理设备三、生物滤池的类型及运行系统生物滤池法低负荷生物滤池高负荷生物滤池普通生物滤池回流式生物滤池塔式生物滤池生物滤池的分类普通生物滤池优点是处理效果好，BOD5去除率可达90%以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸盐含量在10mg/L左右，出水水质稳定。缺点是占地面积大，易于堵塞（滤率在1～2m／d左右），影响环境卫生。废水处理设备1.2.3生物转盘废水处理设备1.2.4生物接触氧化法接触氧化法的优点是：容易管理，耐负荷、水温变动的冲击力强；剩余污泥量少；比较容易去除难分解和分解速度怪的物质。接触氧化法的缺点是：滤料间水流缓慢，接触时间长，水力冲刷力小，生物膜只能自行脱落；剩余污泥往往恶化处理水质；动力费高。废水处理设备1.2.4生物接触氧化法废水处理设备第三节厌氧生物处理1.3.1厌氧法的基本原理1.3.2厌氧法的影响因素1.3.3厌氧法的工艺和设备1.3.4厌氧消化过程动力学1.3.5厌氧产气量计算废水处理设备1.3.1厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。废水处理设备1.3.1厌氧法的基本原理不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、CO2、H2其它产物细胞细菌CH4、CO2水解胞外酶胞内酶发酵性细菌（产酸细菌）内源代谢产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段胞内酶产甲烷细菌厌氧消化二阶段过程废水处理设备1.3.1厌氧法的基本原理厌氧消化三阶段、四阶段过程复杂有机物中间产物丙酸乙酸盐H2+CO2CH4100%20%5%60%15%15%17%35%10%13%28%72%Ⅰ发酵性细菌Ⅱ产氢产乙酸细菌Ⅲ产甲烷细菌Ⅳ同类型产乙酸细菌废水处理设备1.3.1厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）废水处理设备1.3.1厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）乙酸化阶段甲烷化阶段废水处理设备1.3.2厌氧法的影响因素一、温度条件废水处理设备1.3.2厌氧法的影响因素二、pH值一般认为，实测值应7.2～7.4之间为好。低于7.0时，pH值并不稳定，有继续下降的趋势。低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。最终使气化速率锐减，甚止停止。一般原液的pH值为6～8。系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不超过3000mg/L为佳。重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。一般要求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于50～200mg/L为佳。废水处理设备1.3.2厌氧法的影响因素三、氧化还原电位厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因：氧和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在(如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等)高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300～-380mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严