《废水生物处理原理》PPT课件.ppt

4 废水生物处理的基本原理,污染物质 安全物质,微生物降解,一、微生物特点,种类多 目前发现10万种 实际存在10倍以上 分布广 仅火山中心区域没有 生存能力强，部分可培养 例如：硫细菌 生活在1万米深的海底温泉，100万100亿个硫细菌/mL海水，供养了蠕虫、蛤、贝和蟹 以硫化氢为能源，CO2为碳源，100高温，1140个大气压及厌氧条件下自养生活,一、微生物特点,代谢类型多样 食谱广 天然有机物均可被利用 某些毒性物质也能被利用 可降解大量污染物质 繁殖快 居生物界中第一位 如，大肠杆菌和梭状芽孢杆菌在最合适的条件下经48h后可产生2.21043个后代，相当于4000个地球的重量。 废水生化处理启动快,一、微生物特点,代谢强度大 比表面积大利于吸收营养 乳酸杆菌：120000m2/m3 鸡蛋：1.5m2/m3 体重90Kg的人体：0.3m2/m3 代谢物相当多 乳酸杆菌1h产生其体重上万倍的乳酸 污水处理效率高 易变异 对周围环境适应能力强 易于培养专性细菌 经过污泥驯化，可对特殊污染物进行处理,正是由于微生物的诸多优点，使得生物法具有经济、有效的废水处理特点。 在各种处理方法中处于主要地位。,二、水体自净现象,污染物浓度的变化 由高变低 生物相的变化 异养细菌原生动物藻类 溶解氧浓度的变化 先下降，后回升,二、水体自净现象,水流方向,污染进口,溶解氧,藻类,细菌,有机物,原生动物,水体的自净过程,1、异养细菌大量繁殖，水体溶解氧浓度急剧下降。 2、有机物浓度显著下降；原生动物大量出现；水中游离氨氮增加。 3、有机物浓度下降到最低点；溶解氧恢复；氨转化为硝酸盐与亚硝酸盐；有机物矿化生成磷酸盐和硫酸盐，藻类得以繁殖。 如果这些盐类的含量低，水可逐渐达到净化；如含量高，将造成水体的富营养化。,河流方向,污染源,水体自净作用原理,物理作用 稀释、沉淀 化学作用 氧化还原、中和 生物作用（微生物） 微生物对污染物质的同化、异化作用,水体自净能力,受溶解氧及温度制约 有机物浓度高水体缺氧厌氧环境水质变黑、发臭,腐胺、尸胺、H2S、CH4、CO2、NH3等具恶臭的发酵中间物。,H2S遇铁产生黑色硫化铁沉淀。,脂肪烃或正烷烃较芳香烃或环烷烃易降解；不饱和脂肪族化合物较易降解。 直链的中长链烃的降解比短链烃易。 烷烃中丙烷以上的碳化合物，随着碳原子数量的增多降解越容易。 不溶性物质，如矿物油类，抗降解能力大。 化合物的分子大小与可降解性有关，聚合物和复合物具有较大的抗降解能力，酶分子不能接近和破坏它们的内部结构。 有机化合物异构作用对可降解性有影响，化合物所含置换集团的性质、数量和位置影响着可降解性。 当化合物主链上有非碳元素时，降解十分困难。 酚类是易于降解的，酮类介于醛、醇之间，但丁烯酮降解困难。以酚为代表的决大部分有机物低浓度时可以降解但在高浓度时毒性大将抑制微生物的生命活动。 废水中污染物混合后若出现聚合，复合等现象将加大其抗降解能力。有毒物质之间的混合也会增大毒性作用。 自然界中原有物质较易降解，人工合成物质则较难。,三、生物降解性,四、废水可生化性的评价方法,1、生物氧化率 微生物：活性污泥 底物：单一被测物 仪器：瓦氏呼吸仪 检测参数：耗氧量 生物氧化率：耗氧量占理论总需氧量的百分比。,瓦氏呼吸仪,四、废水可生化性的评价方法,2、呼吸线(耗氧线) a为内源呼吸线，若废水中有机污染物的耗氧曲线与内源呼吸线重合时，说明有机污染物不能被微生物所分解，但对微生物也无抑制作用。 b为可降解有机污染物的耗氧曲线，此曲线应始终在内源呼吸线的上方。起始时，微生物代谢速度快，耗氧速度也大，随着有机物浓度的减小，耗氧速度下降，耗氧曲线与内源呼吸线平行。 c为对微生物有抑制作用的有机污染物的耗氧曲线。,a类曲线 相应的有机污染物不能被微生物分解，对微生物的活性亦无抑制作用。 b类曲线 相应的有机污染物是可生物降解的物质。 c类曲线 相应的有机污染物在一定浓度范围内可以生物降解，超过这一浓度范围时。则对微生物产生抑制作用。 d类曲线 相应的有机污染物不可生物降解，且对微生物具有毒害抑制作用。一些重金属离子也有与此相同的作用。,四、废水可生化性的评价方法,3、BOD5/CODCr值 用BOD5CODCr值评价废水的可生化性是广泛采用的一种最为简易的方法。在一般情况下，BOD5COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。 BOD5/CODCr0.45，生化性较好； BOD5/CODCr0.30，可生化； BOD5/CODCr0.30，较难生化； BOD5/CODCr0.25，不宜生化；,以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确，即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。,4、BOD5/TOD值法,表12-6 废水可生化性评价参考数据,测定逐日BOD5和TOD，再以BOD5/TOD值与测定时间t作图,(1)摇床试验 在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机营养盐溶液，在摇床上振摇，培养瓶中的混合液在摇床振荡过程中不断更新液面，使大气中的氧不断溶解于混合液中，以供微生物代谢有机物之用，经过一定时间后，对混合液进行过滤或离心分离，然后测定清液的COD或BOD，以考察待测物质去除效果。 (2)模型试验 指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。模型装置通常可分为间歇流和连续流反应器两种。,5、摇床试验与模型试验,五、微生物降解原理,五、微生物降解原理,1、大分子有机化合物 多糖类 纤维素(半纤维素较易降解),+H2O,+H2O,C1、Cx酶,细胞过程,细胞内过程,好氧 分解,纤维二糖,纤维素,葡萄糖,厌氧 分解,-葡萄糖苷酶,多糖类 淀粉麦芽糖 原果胶,原果胶酶,果胶甲基酯酶,果胶酸酶,木质素：难降解 脂类,脂肪酶,+H2O,磷脂酶,+H2O,酯酶,+H2O,烷烃类 甲烷 乙烷、丙烷、丁烷 共代谢：以甲烷为能源 转化为酮、酸类 继续被分解,烷烃类 高级烷烃,烯烃类,-氧化,-氧化,环氧,六、好氧处理原理,好氧生物处理：在提供游离氧前提下，以好氧微生物为主，使有机物降解、稳定的无害化处理方法。 微生物营养源：胶体状、溶解性有机物 处理过程 分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢） 合成反应（也称合成代谢、同化作用） 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）,C、H、O、N、S + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +能量,异氧微生物,C、H、O、N、S + 能量 C5H7NO2,活性污泥,C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +能量,微生物,六、好氧处理原理,正常情况下，各类微生物细胞物质成分相对稳定，可用下列实验式表示： 细菌：C5H7NO2 真菌：C16H17NO6 藻类：C5H8NO2 原生动物：C7H14NO3 活性污泥 包含微生物、悬浮物、胶体等 吸附、分解有机物能力强；易沉降 呈絮状 生物膜 载体上附着呈薄膜状的活性污泥,七、厌氧处理原理,又称厌氧消化、厌氧发酵，在厌氧条件下由厌氧或兼性微生物分解复杂有机物并产生CH4和CO2 相对于好氧，污泥增长率小、运转费用低；反应时间长,厌氧两阶段理论,20世纪3060年代 第一阶段：酸性发酵阶段 主要功能：水解和酸化 主要产物：脂肪酸、醇类、CO2和H2等 主要参与反应的微生物：发酵细菌或产酸细菌 特点：生长速率快；环境适应性强 第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段 主要产物：CH4和CO2 主要参与反应的微生物：产甲烷菌(Methane producing bacteria) 特点：生长速率慢；对环境敏感，要求苛刻,厌氧三阶段理论,20世纪70年代Bryant提出，基于产甲烷细菌不能利用一碳以上的脂肪酸和醇类(可利用乙酸) 三阶段包括： 水解、发酵阶段 产氢产乙酸阶段 产甲烷阶段 三阶段理论基础上增加了同型产乙酸菌 将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸 “三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述,碳水化合物厌氧消化,酶,发酵,脂类厌氧消化,酶,8次-氧化,脂肪酸,甘油,蛋白质厌氧消化,酶,发酵,废水厌氧生物处理过程,产酸阶段,产气阶段,八、脱氮原理,1、氮生命的重要组成元素 蛋白质、DNA、RNA 约占生物重量的10% 2、氮素的循环 大气氮固氮蛋白质等氨等亚硝酸盐硝酸盐大气氮,氮素的循环,八、脱氮原理,3、氮对水体的污染 固氮比返回大气氮多680万t/a 工业固氮年递增10%氮素循环平衡被破坏 生活污水及工业含氮废水 降水溶解土壤中氮肥 4、氮对水体、生物的危害 水体富营养化：某些藻类恶性繁殖“水华”(bloom) 水体缺氧，造成水体黑臭 对人及生物有毒害作用,化合态氮的毒害作用,脱氮,八、脱氮原理,氨化(Ammonification)： 废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程，又称氮素矿化。,a.蛋白质的氨化,蛋白质,多肽(二肽),氨基酸,蛋白酶,肽酶,氧化脱氨基,水解脱氨基,还原脱氨基,脱羧基,b.核酸的氨化,c.尿素、尿酸、几丁质、卵磷脂的氨化,核酸,核苷酸,核苷,嘌呤或嘧啶,核糖或脱氧核糖,磷酸,核酸酶,核苷酸酶,核苷酶,八、脱氮原理,硝化(Nitrification)： 废水中的氨氮在好氧自养型微生物（统称为硝化菌）的作用下被转化为NO2 和NO3的过程。,1、硝化反应的基本原理 1）亚硝化细菌（氧化氨的细菌） (Nitrosomonas) 化能无机营养，专性好氧，最适温度25-30（5-30），最适pH7.5-8.0（5.8-8.5）， 常见菌：亚硝化单胞菌、亚硝化螺菌、亚硝化球菌、亚硝化叶状菌。 2）硝化细菌(Nitrobacter) 最适温度25-30，最适pH7.5-8.0。NO2-浓度在2-30mmol/L时化能无机营养最好， 常见菌有硝化杆菌、硝化螺菌、硝化球菌。,2、硝化反应过程,亚硝化反应 硝化反应 总细菌产率： 0.02g/gNO2- - N。 氧化1mg氨氮为硝酸氮 ： 耗氧4.27mg； 耗碱度7.07mg(以CaCO3计)。,因此，污水必须要有足够碱度。,八、脱氮原理,反硝化(Denitrification)： 缺氧条件下废水中的NO2 和/或NO3在反硝化菌（异养型兼性厌氧菌）的作用下被还原为N2的过程。 反硝化反应的途径 同化反硝化： 最终产物为有机氮化合物菌体的组成部分 异化反硝化： 最终产物是氮气(N2)或笑气(N2O) 反硝化反应过程,反硝化反应方程式 以H为电子供体： 以甲醇为电子供体：,A/O脱氮工艺,废水,好氧脱碳,缺氧反硝化,沉淀池,好氧硝化,沉淀池1,好氧活性污泥回流,缺氧活性污泥回流,出水,回流,九、除磷原理,1、磷在废水中的存在形式 磷酸盐、聚磷酸盐、有机磷 一般细菌：摄取定量磷满足生理需要。 磷细菌：可过量摄取磷，以聚合磷酸盐形式贮存在体内。 聚磷细菌：种类较多，其中聚磷能力强的优势菌有不动杆菌莫拉氏菌群、假单胞菌属、气单胞菌属、黄杆菌属等。,2、除磷过程,1)除磷菌过量摄取磷 好氧条件下，除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚-羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体内。 2)除磷菌磷释放 厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄入细胞内，以聚-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外。 3)富磷污泥排放 好氧条件下所摄取的磷比厌氧条件下所释放的磷多，利用除磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统即达到除磷目的。,生化处理方法主要可分为好氧处理和厌氧处理两种类型。,十、生化处理方法分类,起作用的微生物不同。好氧处理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厌氧处理是厌氧菌和兼性菌起作用。 产物不同。好氧处理中有机物被转化为CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厌氧处理中有机物被转化为CH4、NH3等。 反应速率不同。好氧处理有机物转化速率快，处理设备内停留时间短、设备体积小。厌氧处理有机物转化速率慢，需要时间长，设备体积庞大。 对环境要求条件不同。好氧处理要求充分供氧。厌氧处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件要求甚严。,好氧处理与厌氧处理的主要区别,1好氧生化法的发展沿革 (1)活性污泥法的发展沿革 活性污泥法于1914年首先在英国被应用。近二十多年来，随着对其生物反应和净化机理的广泛深入的研究，以及该法在生产应用技术上的不断改进和完善。使它得到了迅速发展，相继出现了多种工艺流程和工艺方法，使得该法的应用范围逐渐扩大，处理效果不断提高，工艺设计和运行管理更加科学化。目前，活性污泥法已成为城市污水、有机工业废水的有效处理方法和污水生物处理的主流方法。,生化处理方法的发展沿革,(2)生物膜法的发展沿革 第一个生物膜法处理设施1893年在英国试验成功，1900年后开始付诸污水处理实践，并迅速欧美得到广泛应用。50年代，在德国建造了塔式生物滤池，这种滤池高度大，具有通风良好、净化效能高、占地面积小等优点。 生物转盘出现于60年代。由于它净化功能好、效果稳定、能耗低，因此在国际上得到了广泛应用。70年代初期出现了生