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水处理工程(一):废水生物处理

摘要:   随着工业的发展,污水成分已愈来愈复杂。某些难降解的有机物质和有毒物质,需要运用微生物的方法进行处理,污水具备微生物生长和繁殖的条件,因而微生物能从污水中获取养分,同时降解和利用...

  随着工业的发展,污水成分已愈来愈复杂。某些难降解的有机物质和有毒物质,需要运用微生物的方法进行处理,污水具备微生物生长和繁殖的条件,因而微生物能从污水中获取养分,同时降解和利用有害物质,从而使污水得到净化。废水生物处理是利用微生物的生命活动,对废水中呈溶解态或胶体状态的有机污染物降解作用,从而使废水得到净化的一种处理方法。废水生物处理技术以其消耗少、效率高、成本低、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等显著优点而备受人们的青睐。

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1.废水生物处理简介

1.1.废水生物处理的目的和重要性

目的:絮凝和去除废水中的胶体状固体物(1nm~100nm);稳定和去除废水中的有机物;去除营养元素氮和磷,病原性微生物等。

重要性:城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济;废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法;目前世界上已建成的城市污水处理厂有90%以上是生物处理法;大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体。

1.2.微生物在废水生物处理中的作用

      去除溶解性有机物、其它溶解性无机营养元素(NP);絮凝和沉降胶体状固体物(微生物胞外多聚物、吸附降解作用);稳定有机物(某些有毒有害难降解有机物被微生物初步分解或部分降解,减轻毒性或得到部分稳定)。

1.3.废水生物处理过程中微生物代谢过程简介

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      基本要素:能源:化学能或光能;

                 碳源:有机碳或无机碳;

                 无机营养元素:NPSKCaMg等;

                 特殊的有机营养物(生长因子):维生素、生物素等。

化能异养型代谢:最主要代谢形式,好氧菌和厌氧菌。

化能自养型代谢:常见的一种代谢形式,硝化细菌、氢细菌、铁细菌。

光合异养型代谢:光合细菌以高浓度有机废水为基质生产菌体蛋白。

光合自养型代谢:在废水处理中少有应用。

1.4.废水生物处理中的微生物

原核生物:古细菌、真细菌,废水生物处理工程中最主要的微生物。

根据需氧情况不同:好氧细菌、兼性细菌、厌氧细菌;

根据能源和碳源的利用情况的不同:光合细菌-光能自养菌、光能异养菌;

非光合细菌-化能自养菌、化能异养菌。

      根据生长温度的不同:低温菌(10℃~15);中温菌(15℃~45);高温菌(>45)

      真核生物:真菌(处理某些特殊工业废水,固体废弃物的堆肥处理)、原生动物(变形虫、鞭毛虫、纤毛虫)、后生动物(轮虫、线虫)。

      后生动物以原生动物为食、原生动物、后生动物可以作为指示生物。

1.5.有机物存在形式及含量表示

存在形式:颗粒状有机物(>100nm):可以采用机械沉淀法;胶体状有机物(1nm~100nm):不能采用机械沉淀法;溶解性有机物(<1nm):以分散的分子状态存在于水中的有机  物。

生化需氧量BOD:在20℃,有氧条件下,由于微生物作用将有机物氧化成无机物所消耗的溶解氧的量。

BOD5:在 20℃5天培养期,可生物降解有机物被微生物氧化所需要的氧量。

BODu:在20℃,废水中全部可生物氧化有机物需氧量。

BOD5 = BODu1-10-5×k

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在有氧的条件下,可生物降解有机物的降解,可分为两个阶段。

碳化阶段需氧量 BODu=Oa + Ob (CO2H2ONH3 )

硝化阶段需氧量 NODu=Oc + Od(NH3——NO2-NO3-)

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生物氧化过程中的主要反应:有机物质氧化(呼吸)反应;无机物质氧化(呼吸)反应;合成细胞原生质(合成)反应(C5H7O2N);细菌原生质氧化(内源呼吸)反应。

化学需氧量COD:指化学方法氧化(K2Cr2O7氧化)废水水样的有机物过程所消耗氧化剂折合成的氧量。COD 代表了有机物总量,废水中的总有机C和还原性无机物质氧化所需的氧量。

CODCr:有毒性抑制的污水,难生物降解有机物浓度高时,需快速确定污水中有机物含量时采用。

CODMn:多应用于地表水、地下水等天然水源中的有机物量。

COD = CODB+CODNB

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总有机碳TOC:酸化水样后吹脱无机碳,用氧气流950℃催化燃烧水样中的有机物转化为CO2,测定CO2的生成量,并折合成含碳量。在此总量中减去碳酸盐等无机碳元素的含量,即可得到TOC

总需氧量TOD:指水中的还原性物质,主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物所需要的氧量,结果以O2mg/L计。

理论需氧量ThOD:用化学反应方程式计算求得的有机物完全氧化所需的氧量理论值,要进行成分分析。

1.6.有机物污染指标的比较

ThoD > TOD > CODCr>BODu> BOD5> TOC

含义:ThoDTOD反映各种有机物的总量(以需氧量表示);

           CODCr几乎可表示有机物的全部含量(含有少量无机物),但不能反映被微生物氧化分解的有机物;

           BODuBOD5基本反映有机物进入水体后,由于微生物作用分解所消耗的氧量 ,能直接说明有机物的生物降解过程;

           TOC可表示有机物的总量(以碳计)。

BOD5/COD—可生化性指标:判断污水是否适宜于采用生物处理当BOD5/COD>0.3时,可生化性好。

1.7.污水处理的分类及工艺

1.7.1.一级处理

去除效果:EBOD=30%ESS=50%

功能:去除大颗粒状有机物,以减轻后续生物处理的负担;调节水量、水质、水温等,有利于后续的生物处理。

主要方法:一般为物化法,如:沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、

1.7.2.二级处理

去除效果:EBOD=30%ESS=50%

功能:大量去除胶体状和溶解状有机物,保证出水达标排放。

方法:各种形式的生物处理工艺。

1.7.3.三级处理

目的:进一步去除二级处理出水中残存的SS、有机物,或脱色、杀菌,或脱氮、除磷(防止水体富营养化)。

方法:物化法—超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等;

                  生物法—生物法脱氮除磷等。

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2.废水的可生化性

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2.1.废水生物处理的分类

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2.2.废水的好氧生物处理

定义:好氧生物处理是在有游离氧存在的条件下,好氧微生物降解有机物,使其稳定、无害化的处理方法。

好氧生物处理过程中有机物质的转化:被微生物摄取的有机物,约 1/3 被分解代谢作用分解稳定,并释放出能量;约 2/3 通过合成代谢作用,合成为新的细胞物质,也就是生化处理系统中的活性污泥或者生物膜的增长部分,称生物污泥。

优点:反应速度快,反应时间短,即水力停留时间短,故处理构筑物容积小。

缺点:剩余污泥多,需要污泥处理设施,供氧动力消耗大。

2.3.废水的厌氧生物处理

定义:在没有游离氧存在的条件下,兼性细菌和厌氧菌降解和稳定有机物的生物处理方法。

优点:剩余污泥量少;反应过程产生甲烷气,可以回收能量;不需要供氧,运行费用省。

缺点:反应速度慢,启动时间长,构筑物大,可能需要较高的反应温度。

使用范围:适用于处理有机污泥和高浓度有机废水(一般BOD5 >=2000mg/l)

2.4.好氧与厌氧生物处理的区别

起作用的微生物群不同;产物不同;应速率不同;环境条件要求不同;对N P 的要求不同;适用范围、出水水质不同;能耗不同;产出的剩余污泥不同。

3.废水生物处理微生物基础

废水可生化性实质是废水中所含污染物通过微生物的新陈代谢活动所能改变污染物结构、稳定污染物的程度。

只研究废水可否采用生化处理,并不研究废水中污染物最终分解成什么产物。

      注意事项:污染物的毒性与浓度的关系;含有多种污染物的废水的可生化性问题;所接种的微生物的种属是极为重要的影响因素;pHTDO、重金属等环境因素的影响。

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      若与a线吻合,则微生物处于内源呼吸期,废水中污染物难生物降解,但对微生物无毒性抑制;

      若与b线吻合,则污染物是可生物降解的有机物;

      若与c线吻合,则污染物难生物降解,且对微生物有抑制作用。

      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。

4.废水生物处理微生物基础

 

 

4.1.微生物的新陈代谢

微生物在生命活动过程中,不断从外界环境中摄取营养物质,并通过复杂的酶催化反应,将其加以利用,提供能量并合成新的生物体,同时又不断向外界环境排泄废物。这种为了维持生命活动过程与繁殖下代而进行的各种化学变化称为新陈代谢。image011.png

分解代谢:高能化合物分解为低能化合物,物质由繁到简并逐级释放能量的过程,或称异化作用。

好氧分解代谢:是好氧微生物和兼性微生物参与,在有溶解氧的条件下,将有机物分解为CO2H2O,并释放出能量的代谢过程。在有机物氧化过程中脱出的氢 [H] 是以氧作为受氢体。通常称为有氧(好氧)呼吸。

厌氧分解代谢:是厌氧微生物和兼性微生物参与,在无溶解氧的条件下,将复杂有机物分解成简单的有机物和无机物(如有机酸、CO2H2O),再被甲烷菌进一步转化为甲烷和CO2等,并释放能量的过程。

发酵:指供氢体都是有机化合物的生物氧化作用,最终受氢体是供氢体的 分解中间产物(有机物)。发酵是一种厌氧状态。

无氧呼吸:指以无机含氧化合物,如NO3-NO2-SO42-S2O32-CO2等代替分子氧作为最终受氢体的生物氧化作用。无氧呼吸是一种缺氧状态。

好氧分解代谢过程中,有机物分解较为彻底,最终产物是含能量较低的CO2H2O,因此释放能量多,代谢速度快

厌氧分解代谢过程中,有机物分解不彻底,释放能量少,因此,微生物为了获得同样多的能量,厌氧分解有机物的量要比好氧分解有机物的量多。

从废水处理的角度,希望较短时间内,将废水有机物无机化、无害化,多采用好氧处理。只有当有机物浓度较高时(如处理高浓度有机废水、有机污泥时),用厌氧方式处理并回收甲烷。

合成代谢:微生物从外界环境中获得能量,将低能化合物合成生物体的过程,又称同化作用。也就是微生物机体自身物质制造的过程。在该过程中,微生物体合成所需的能量和物质由分解代谢提供。

  分解与合成的相互关系:二者不可分,而是相互依赖的(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;分解过程是一个产能过程,合成过程则是一个耗能过程);对有机物的去除,二者都有重要贡献;合成量的大小,对于后续污泥的处理有直接影响。

其它各类微生物细胞物质的实验分子式分别是:细菌(C5H7NO2)、真菌(C16H17NO6)、藻类(C5H8NO2)、原生动物(C7H14NO3)。

4.2.微生物的生长规律

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适应期(停滞期):微生物培养的初期阶段,微生物刚刚接入新鲜培养液时,对新的环境有一个适应过程,所以在此时期微生物的数量基本不增加,生长速度接近于零。

对数期:经过适应期的调整,微生物适应了新环境,在营养丰富的条件下,微生物的生长繁殖不受底物限制,微生物的生长速度达到最大,细菌数量以几何级数的速度增加。

平衡期(静止期):微生物经过对数期大量繁殖后,使培养液中的底物逐渐被消耗,再加上代谢产物的增加积累,从而造成不利于微生物生长繁殖的食物条件和环境条件,增长速率下降死亡速率上升,微生物数量趋于稳定。

衰老期(内源呼吸期):培养液中的底物几乎被消耗殆尽,营养物明显不足,微生物只能利用细菌体内的物质或者以死细菌作为养料,进行内源呼吸。微生物数量急剧减少。

在废水生物处理中,通过控制底物量(F) 与微生物量(M)的比值F/M ,使微生物处于不同的生长状况,从而控制微生物的活性和处理效果。

在微生物的对数期,微生物具有繁殖快、活性大、对底物降解速度快的特点。在废水处理过程中, 若控制微生物处于对数增长期,虽然反应速度快,但污泥絮凝性和沉降性较差,出水中有机物浓度高。显然,想要取得稳定的出水和较高的处理效果是很难的。

通常控制F/M 在较低范围内,利用平衡期和内源呼吸期的微生物处理废水,能够获得理想的出水水质,并且污泥沉降性能好。

在废水生物处理中,微生物是一个群体,它们也有一定的生长规律。个体生长曲线的形状和位置,与环境中的有机物变化以及微生物之间的相互依存情况有关。

当有机物多时,则以有机物为食料的细菌占优势,数量最多;细菌多时,必然出现以细菌为食料的原生动物,而后才出现以细菌和原生动物为食料的后生动物。根据微生物群的生长规律,可推测废水处理中的水质情况。因此,在污水处理厂广泛使用镜检作为水质的定性检测手段。image013.png

4.3.微生物的生长环境

影响微生物生长的环境因素:微生物的营养、温度、PH、溶解氧、有毒物质。

微生物的营养:主要为C N P

      废水处理系统中微生物的营养需求:好氧生物处理:BOD N P=100 5 1;厌氧消化处理:C/N 比值在(1020):1

对于含碳量低的工业废水,可投加生活污水、米泔水或者投加淀粉等补充碳源不足;对于含氮、磷低的工业废水,可投加尿素、硫酸铵等补充氮源;投加磷酸钠、磷酸钾作为磷源。生活污水所含营养比较齐全无需投加营养源 ,并且可作为其他工业废水处理时的最佳营养源。

各类微生物的生长范围不同,约为5580℃ ,此温度范围可以划分为最高温度、最低温度、最适温度。image014.png

温度过高,超过最高生长温度,使微生物的蛋白质变性而破坏酶系统,失去活性;低温不会造成微生物致死,但是将使微生物的代谢活力下降,处于生长繁殖的停止状态。

在废水好氧生物处理中,以中温性微生物为主,控制水温在2035 ℃;在废水厌氧生物处理中以中温性和高温性微生物为主,常采用温度33~38 ℃  52~57 ℃

一般好氧生化处理pH可在6.5~8.5之间变化;厌氧生化处理要求较为严格,pH6.7~7.4之间。

      当废水的 pH 变化较大时,应设置调节池,使进入反应器(如曝气池)的废水,保持在合适的 pH 范围。

      在废水好氧生物处理中,如果DO不足,好氧微生物由于得不到足够的氧,其生物活性受抑制,影响系统运行。好氧生物处理的溶解氧一般以2.0~4.0mg/L为宜。

在厌氧生物处理中,由于厌氧微生物对氧气很敏感。当有溶解氧存在时,它们就无法生长,因此厌氧反应设备中,要严格密封隔绝空气。

在工业废水中,有时存在着对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质 ,这类物质我们称之为有毒物质(重金属类、有机物类、无机非金属类)。

其毒害作用主要表现在细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质,并失去活性。在废水生物处理时,对这些有毒物质应严加控制,但 毒物浓度的允许范围 ,需要具体分析。


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