（物理化学专业论文）高浓度sbr法的应用基础研究.pdf

摘要 对来源于m b r 工艺的活性污泥，分别用不同底物来驯化培养以适应s b r 反应条件。一种模拟生活污水，为葡萄糖和蛋白胨的混合物；另一种模拟工业污 水，底物中含有苯酚。前者仅需要数天时间即可使污泥沉降性能改善、生物相丰 富，达到良好的出水水质。相比之下，后者驯化至适应纯苯酚作为底物所需时间 较长，约为一个月。但两种驯化均可逐渐在反应器中形成长食物链的微生物群落。 实验测定了s b r 工艺中污泥驯化成熟阶段的o u r ，包括内源呼吸期的o u r 以及用四种不同底物驯化成熟后的活性污泥o u r 。结果表明内源呼吸期的o u r 只与污泥浓度有关，而与以何种底物驯化培养关系不大。通过比较所测定的o u r 值说明这四种底物都是可被活性污泥中的细菌降解利用的，但它们的可生化性不 同，导致耗氧速率存在差别。另外，也测定了以含苯酚底物驯化污泥过程中不同 阶段污泥降解苯酚时的o u r ，随着驯化的进行，o u r 值逐渐增大，说明污泥降 解单纯苯酚的活性在不断提高。 以模拟生活污水为底物考察了高浓度s b r 法中，污泥有机负荷( 0 1 0 2k g c o d ( k g m l s s d ) ) 对微生物净增长速率及泥龄的影响。确定了污泥处于自 然的消长平衡状态时的污泥有机负荷，同时测定了污泥增长相关参数：活性污泥 微生物合成率和内源呼吸系数。在本实验考察的污泥有机负荷范围内，系统出水 水质保持良好，生物相稳定。与此同时，以处理系统的d o 值作为指示参数观察 了高污泥浓度下s b r 系统降解有机物的过程。 关键词：间歇式活性污泥法( s b r ) 、污泥驯化、o u r 、污泥有机负荷、污泥增 长参数、高浓度s b r 法 a b s t r a c t t h ea c t i v a t e ds l u d g ec o m i n gf r o mm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) w a sa c c l i m a t e d w i t hd i f f e r e n tk i n d so fs u b s t r a t e sr e s p e c t i v e l yt of i ts e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) a n dt of o r mm i c r o b i o l o g i cp o p u l a t i o nw i t hal o n gf o o dc h a i n o n ei ss i m u l a t e d m u n i c i p a ls e w a g eu s i n gt h em i x t u r eo fg l u c o s ea n dp e p t o n e ，t h eo t h e rs i m u l a t e d i n d u s t r i a lw a s t e w a t e rc o n t a i n i n gp h e n 0 1 i tt a k e saf e wd a y st oa c c l i m a t et h es l u d g e u s i n gt h ef o r m e r ，w h i l et h es l u d g ea c c l i m a t i o nw i t ht h el a t e rn e e d sa b o u to n em o n t h f i n a l l y , b o t hw a y so fa c c l i m a t i o nm a k et h es l u d g e sp r o p e r t i e si m p r o v e d t h eo u r ( o x y g e nu p t a k er a t e ) o ft h ea c c l i m a t e da c t i v a t e ds l u d g ew e r em e a s u r e d ， w h i c hi n c l u d et h eo u ro ft h es l u d g ei nt h ep e r i o do fe n d o g e n o u sr e s p i r a t i o na n dt h e o u ro ft h es l u d g ei nd e g r a d i n gf o u rk i n d so fs u b s t r a t e s t h em e a s u r e dr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eo u ro ft h es l u d g ei nt h ep e r i o do fe n d o g e n o u sr e s p i r a t i o ni sr e l a t e d t ot h ea c t i v a t e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o nr a t h e rt h a nt h ek i n do fs u b s t r a t e su s e di nt h e s l u d g ea c c l i m a t i o n t h ec o m p a r s o nb e t w e e nt h es l u d g e so u ri nd e g r a d i n gf o u r k i n d so fs u b s t r a t e sw i t ht h a ti nt h ep e r i o do fe n d o g e n o u sr e s p i r a t i o nr e p r e s e m sf o u r k i n d so fs u b s t r a t e sc a nb ed e g r a d e db yt h em i c r o b ei nt h ea c t i v a t e ds l u d g ea n dt h e b i o c h e m i c a lf e a s i b i l i t yo ft h e s es u b s t r a t e si sd i f f e r e n t f r o mt h em e a s u r e do u ro ft h e s l u d g ei nt h ed i f f e r e n ts t e p so ft h ea c c l i m a t i o nf o rp h e n o ld e g r a d a t i o n ，t h ea c t i v i t yo f t h es l u d g ed e g r a d i n gp h e n o lw a sf o u n dt oi n c r e a s ew i t ht h er i s e i nt h ea c c l i m a t i o n t i m e i nt h eh i g h l yc o n c e n t r a t i o ns b rs y s t e m ，t h ee f f e c to ft h eo 唱a m cs l u d g el o a d i n g o nt h ep r o d u c t i v er a t ea n dt h ea g eo ft h ea c t i v a t e ds l u d g ew a si n v e s t i g a t e du s i n gt h e s i m u l a t e dm u n i c i p a ls e w a g e t h eo r g a n i cs l u d g el o a d i n gi nt h es t a t eo ft h eb a l a n c eo f a c t i v a t e ds l u d g e sg r o w t ha n dd e c l i n ew a sd e t e r m i n e d m e a n w h i l e ；t h es y n t h e t i cr a t i o a n dt h ee n d o g e n o u sr e s p i r a t i o nc o e f f i c i e n to ft h ea c t i v a t e ds l u d g ew e r eo b t a i n e d t h e h i g h l yc o n c e n t r a t i o ns b rs y s t e mi nt h er a n g eo ft h eo r g a n i cs l u d g el o a d i n go 1 0 2k g c o d ( k g m l s s d ) c a np e r f o r mr e g u l a r l y , r e t a i n i n gt h el o wc o do fe f f l u e n ta n d s t a b l em i c r o b i o l o g i cp o p u l a t i o n i na d d i t i o n ，t h ep r o c e s so fo r g a n i cd e g r a d a t i o ni nt h e s y s t e mw a so b s e r v e db yt h em e a s u r e m e mo fd ov a l u e s k e yw o r d s ： s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) ，s l u d g ea c c l i m a t i o n ，o u r ， o r g a n i cs l u d g el o a d i n g ，k i n e t i cp a r a m e t e ro fs l u d g eg r o w t h ，h i g h l yc o n c e n t r a t i o ns b r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：扬砒卸 签字日期：泐7 年，月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 物盹奸 乏 导师签名：v 刁 孟接工 签字日期：) t 7 哆年1 月i o 日签字日期：2 。口7 年f 月阳日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 污水生物处理技术的发展概况 地球上存在水的总量估计约为1 3 7 1 0 9 亿m ? ，海水占9 7 3 ，淡水占2 7 。淡水不仅比例小，而且大部分存在于地球南北极的冰盖、冰河及深度在7 5 0 m 以上的地下水中，可利用的淡水资源只是河流、湖泊和地下水的一小部分，不到 淡水总量的1 。 人类的工农业生产和生活主要是利用淡水资源，而我国淡水资源人均占有量 为2 7 0 0 ，仅为世界人均淡水资源占有量的2 8 。我国是一个水资源短缺的国家。 随着经济的不断发展，我国污水排放量不断增加，污染物质进入河流、海洋、 湖泊等水体后，水体的水质和水体沉积物的物理、化学性质或微生物群落组成发 生变化，从而破坏了水体固有的使用价值和使用功能。但长期以来，由于我国技 术、经济条件的限制，许多污水均未做到达标排放，水环境的污染日趋严重，水 源不足、水体污染和水环境生态恶化已成为我国经济发展的制约因素。当前我国 迫切需要一批能满足排放要求、处理效果好、运行费用低的污水处理新技术和新 工艺，以使污水能够通过收集、处理实现综合再利用，同时实现了环境效益、社 会效益和经济效益。通过环保工作者的不懈努力，许多污水处理新技术、新工艺 在我国得到应用。 1 1 1 污水处理技术及分类 在环境工程系统中，有机污染物一般可通过物理处理法、化学处理法与生物 处理法三种途径【i 】来将其转化为无害物质，使水得到净化。 ( 1 ) 物理处理法：利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质。 方法有：筛滤法，沉淀法，上浮法，气浮法，过滤法和反渗透法等。 ( 2 ) 化学处理法：利用化学反应的作用，分离回收污水中处于各种形态的 污染物质( 包括悬浮的、溶解的、胶体的等) 。主要方法有中和、混凝、电解、 氧化还原、汽提、萃取、吸附、离子交换和电渗析等。化学处理法多用于处理生 产污水。 第一章文献综述 ( 3 ) 生物化学处理法：是利用微生物的代谢作用，在适宜温度( 2 0 4 0 ) 、 酸碱度( p h ：6 - - 9 ) 条件下【2 】，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为 稳定的无害物质。主要方法可分为两大类，即利用好氧微生物作用的好氧法( 好 氧氧化法) 和利用厌氧微生物作用的厌氧法( 厌氧还原法) 。前者广泛用于处理 城市污水及有机生产污水，其中有活性污泥法和生物膜法两种；后者多用于处理 高浓度有机污水与污水处理过程中产生的污泥，现在也开始用于处理城市污水与 低浓度有机污水。 工业污水和城市污水中的污染物是多种多样的，往往需要采用几种处理方法 的结合，才能取出不同性质的污染物，实现净化的目的。对于某种污水，要根据 污水的水质、水量的特点及回收其中有用物质的可能性和经济性，同时考虑受纳 水体的具体条件，进行技术经济比较后决定采用哪几种处理方法组成体系，必要 时还需要进行试验确定。 1 1 2 污水生物处理技术及分类 在不同降解途径中，生物处理是最重要的途径之一。生物处理就是利用微生 物分解氧化有机物这一功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物的生长、 繁殖的环境，使微生物大量增殖，以提高其分解氧化有机物效率的一种废水处理 方法。所有的微生物处理过程都是一种生物转化过程，在这一过程中易于生物降 解的有机污染物可在数分钟至数小时内进行两种转化：一是从液相中溢出的气 体，二是变成生物污泥。在生物反应中，微生物代谢有机污染物并利用代谢过程 中所获得的能量来供细胞繁殖和维持生命活动需要。好氧条件下，微生物将有机 污染物中的一部分碳元素转化为c 0 2 ，厌氧条件下则将其转化为c h 4 和c 0 2 。然 后，这些气体从液相分离出来，增殖的絮凝状细菌细胞成为污泥。污染物的生物 降解途径、降解程度与污染物质的分子结构、微生物的种群、微生物和基质的浓 度以及过程的环境因素有着密切的关系。 污水的好氧生物处理是利用好氧微生物在有氧条件下将污水中复杂的有机 物降解，并用释放出的能量来完成微生物本身的生长繁殖等生命活动的方法，是 处理污水的最常利用的方法。好氧生物处理方法，可分为活性污泥法和生物膜法 两大类。 活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理废水的类好氧生物处理方 法【3 】。生物絮体称为活性污泥，是由好氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无 机物组成，显示生物化学活性，具有降解废水中有机污染物的能力。在活性污泥 2 第一章文献综述 处理系统中，有机污染物从污水中去除过程的实质就是有机污染物作为营养物质 被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程。这一过程的结果是污水中的有机污 染物得到降解、去除，污水得以净化，微生物获得能量合成新的细胞，得以繁衍 增殖，活性污泥本身得到增长。活性污泥法是世界各国最早开发的传统废水生物 处理工艺，自1 9 1 4 年在英国曼彻斯特建成试验厂开创以来，已有将近9 0 年的历 史，其在防治水体污染方面已经并继续发挥其良好的作用。 污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这 种处理法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型 动物附着在滤料或某些载体上生长繁殖，并在其上形成膜状生物污泥，即生物膜。 污水与生物膜接触，污水中的有机污染物作为营养物质为生物膜上的微生物所摄 取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。污水的生物膜处理法既是古老 的、又是发展中的污水生物处理技术。迄今为止，属于生物膜处理法的工艺有生 物滤池( 普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池) 、生物转盘、生物接 触氧化设备和生物流化床等。生物滤池是早期出现、至今仍在发展中的污水生物 处理技术，而后三者则是近几十年来开发的新工艺。 污水的厌氧生物处理是环境工程与能源工程中一项重要技术，人们有目的地 利用厌氧生物处理已有近百年的历史，农村广泛使用的沼气池就是厌氧生物处理 技术最初的运用实例。但由于存在水力停留时间长、有机负荷低等缺点，在较长 时间内限制了该技术在废水处理中的应用。从2 0 世纪7 0 年代开始，由于世界能 源的紧缺，能产生能源的废水厌氧技术得到重视，并不断开发出新的厌氧处理工 艺和设备，大幅度地提高了厌氧反应器内活性污泥的持留量，使废水的处理时间 大大缩短，处理效率成倍提高，在废水处理领域，特别是在高浓度有机废水处理 方面逐渐显示出它的优越性。废水的厌氧生物处理是指在无分子氧存在的条件 下，通过厌氧微生物( 或兼氧微生物) 的作用，将废水中的有机物分解转化为甲 烷和二氧化碳的过程，所以又被称为厌氧发酵或厌氧消化。 在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。随着 在实际生产上的广泛应用和技术上的不断革新改进，特别是近几十年来，在对其 生物反应和净化机理进行深入研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动 力学的理论方面以及在工艺方面都得到了长足的发展，出现了多种能适应各种条 件的工艺流程，当前，活性污泥法已成为生活污水、城市污水以及有机工业废水 的主体处理技术，可根据不同运行方式的工艺特征和曝气池的主要工艺参数分为 以下几种： ( 1 ) 传统活性污泥法处理系统 ( 2 ) 阶段曝气活性污泥法系统 3 第一章文献综述 ( 3 ) 再生曝气活性污泥法系统 ( 4 ) 吸附一再生活性污泥法系统 ( 5 ) 延时曝气活性污泥法系统 ( 6 ) 高负荷活性污泥法系统 ( 7 ) 完全混合活性污泥法系统 ( 8 ) 多级活性污泥法系统 ( 9 ) 深水曝气活性污泥法系统 ( 1 0 ) 深井曝气活性污泥法系统 ( 1 1 ) 浅层曝气活性污泥法系统 ( 1 2 ) 纯氧曝气活性污泥法系统 活性污泥法是自发明至今在全球范围内应用最广泛的一种主流生物处理方 法，它具有处理能力高、出水水质好、工艺成熟、运转管理较方便【4 】等诸多优点， 但同时也存在基建费用和处理成本高、易出现污泥膨胀和污泥上浮、处理功能较 弱( 对n 、p 等植物营养物质的去除能力差) 等不足，因而近2 0 多年，尤其是近 l o 多年来，研究者们在对活性污泥处理方法本身进行不断改进( 包括运行控制、 工艺设备) 的同时，又大量地开展了寻求革新替代工艺和代用技术的研究工作， 提出了许多新型、处理能力和功能更强、具有深度处理效能的处理工艺。氧化沟 法、a b 法及间歇式活性污泥法是近几年来在构造和工艺方面有较大发展，并在 实际运行中己证实效果显著的活性污泥污水处理新工艺。 间歇式活性污泥法，简称s b r 法是本实验采用的污水处理方法，下一节将 对此进行详细叙述。 1 2s b r 法国内外研究现状嘲 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 法即序批式活性污泥法，又称间歇式活性 污泥法，近年来发展迅速，已成为国内外污水处理的主导工艺，取得了许多研究 成果和丰富的工程应用经验【6 】。 1 2 1s b r 法的基本运行程序： 该反应器属于完全混合流型，非稳态流程。一个运行周期分为进水期、反应 期、沉淀期、排水期和闲置期5 个阶段，并进行不断的周期反复对污水进行处理。 该工艺进水和排水都是间歇式，一个周期中各个阶段的运行时间、反应池中混合 4 第一章文献综述 液的浓度以及运行状况等都可根据进出水水质与运行功能要求等灵活掌握，只要 有效地控制与变换各阶段的操作时间，就可以获得不同的污水处理效果。 图卜1 为$ b r 法典型的运行模式： 进水 巨应沆淀捧水 闲置 甘。崮+ 目。口甘甘一豳一口一口一引 。嚣蒜，。蓍器，臀篇黠鬻。毒麓， 图卜is b r 法基本流程 f i g r r e1 1b a s i cp r o c e s so fs b r ( 1 ) 进水工序 在污水注入之前，反应器处于闲置阶段，内存高浓度的活性污泥混合物。随 后将原废水或经过预处理之后的j ；i f 水注入。水位上升，期间可以根据= 艺要求选 择以下三种不同的曝气方式，即：非限量曝气一边充水一边曝气；限：昔曝气 充水完毕后再开始曝气；半限量曝气在充水阶段的后期开始曝气。 本工序所用时间，根据实际排水情况和设备条件确定，在满足系统不发生因 毒物积累而产生抑制的前提下，加快进水速率是提高有机底物降解速率的方法， 进而提高处理效率，节省能耗。 ( 2 ) 反鹿t 序 这是本工艺最主要的一道工序。污水注入反应器达到预定高度后，根据需要 对反应池进行曝气或搅拌通过活性污泥中微生物的作用降解废水中的有机物， 并根据需要达到的程度决定反应的延续时间。在反应阶段，活性污泥中的微生物 周期性的处于高浓度及低浓度基质的环境中，反应器也相应地形成厌氧一缺氧一 好氧的变替过程，由于系统是在非稳态的状况下运行反应器中的生物相十分复 杂，微生物的种类繁多，它们相互作用，使其不仪具有良好的有机物处理效能， 而且具有良好的脱氮降磷效果。 如需排泥则布本工序后期进钉。 ( 3 ) 沉淀工序 停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状志活性污泥絮体存重力作h jf 进行 沉降，活性污泥与水分离山于本工序是静l l 沉淀，因而受外界的干扰很小，沉 淀效果一般良好。 第一章文献综述 ( 4 ) 排水工序 经过沉淀后产生的上清液，作为处理水排放，一直到最低水位，在反应器内 残留一部分活性污泥作为种泥。 ( 5 ) 闲置工序 也称待机工序，即在处理水排放后，反应器处于停滞状态，使微生物通过内 源呼吸作用恢复其活性，并起到一定的反硝化作用而进行脱氮，为下一个运行周 期创造良好的初始条件。闲置期的设置是保证s b r 工艺出水水质的重要内容。 此工序时间应根据废水种类、处理负荷和所要达到的处理效果而定。 1 2 2s b r 法的优点： s b r 工艺适合当前好氧生化处理工艺的发展趋势，属简易、高效、低耗的污 水处理工艺。与连续式活性污泥工艺比较，s b r i 艺具有以下优点【7 】【8 】： ( 1 ) 兼有推流式和完全混合式的特点，属于时间上的理想推流式反应器， 从单元操作上其效率明显高于完全混合式的反应器。反应器内可以维持较高的污 泥浓度，污泥有机负荷较低，因此具有很强的抗冲击负荷能力。特别适用于处理 水质水量变化较大的含有有毒物质或有机物浓度较高的工业废水。 ( 2 ) 泥龄很长，有利于污泥中多种微生物的生长和繁殖，通过适当调节运 行方式，可以实现好氧、缺氧、厌氧状态交替存在的环境，能充分发挥各类微生 物降解污染物的能力，取得单池脱氮和除磷的效果。 ( 3 ) 污水进入反应池后，浓度随反应时间的延长而逐渐降低，即存在有机 物的浓度梯度。浓度梯度的存在及好氧、缺氧、厌氧状态的交替存在，这些因素 都能起到生物选择器的作用，抑制丝状菌等专性好氧菌的过量繁殖，使s v i 较低， 污泥容易沉淀，因此一般不会出现污泥膨胀现象【9 l 。 ( 4 ) 沉淀过程不再进水进气，实现了理想的静态沉淀状态。 ( 5 ) s b r 法将曝气与沉淀两个工艺过程合并在一个构筑物内进行，不需要 二沉池和污泥回流系统，甚至在大多数情况下可以不设均质调节池和初次沉淀 池，处理构筑物相对较少。因此，占地面积可缩小1 3 1 2 ，基建投资可节约 2 0 3 0 ，运行成本低。 ( 6 ) 系统控制设备如电动阀、液位传感器、流量计等自动控制水平较高， 各操作阶段和运行参数都可以通过计算机加以控制，简化管理，甚至可以实现无 人操作。 6 第一章文献综述 ( 7 ) 在负荷经常变化的情况下，s b r 法能够轻易的改变反应时间、沉淀时 间以及一个处理周期的时间，相当于改变装置处理规模，或将新的反应过程综合 进来实现新的功能，因此能够很好的适应进水负荷的变化。 1 2 3 s b r 法的主要变形工艺及s b r 反应器的发展演变过程n 们： 经典s b r 工艺只有一个反应池，间歇进水后，再依次经历反应、沉淀、排 水、闲置四个阶段完成对污水的处理过程，因此连续来水时，一个s b r 系统就无 法应对。在工程上，为了提高容积利用率，增强脱氮除磷效率，开发出具有s b r 工艺的优点同时又能克服其缺点的工艺，国内外污水处理科技界正在进行多方面 的实验研究，取得了很多成果，这些新工艺思路新颖，各具特点，都已取得了很 好的处理效果。 ( 1 ) 间歇式循环延时曝气活性污泥工艺( i n t e r m i t t e n tc y c l i ce x t e n d e d a c t i v a t e ds l u d g e ) ，简称i c e a s 工艺； ( 2 ) 循环式活性污泥工艺( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) ，简称c a s s 工艺； ( 3 ) 连续和间歇曝气工艺( d e m a n da e r a t i o nt a n k - i n t e r m i t t e n ta e r a t i o n t a n k ) ，简称d a t i a t 工艺； ( 4 ) 一体化活性污泥法又称交替生物池法，简称u n i t a n k 1 1 】 ( 5 ) 交替运行式氧化沟( p h a s e ds o l u t i o nd i t c h ) 。又称三沟式氧化沟 ( 6 ) l u c a s ( 7 ) 改良式序列间歇反应器( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ，简 称m s b r l l 3 】； ( 8 ) 交替式内循环活性污泥工艺( a l t e r n a t e di n t e r n a lc y c l i cs y s t e m ) ，简 称a i c s 工艺。 s b r 的发展演变过程如图l - 2 所示： 7 第一章文献综述 图1 - 2s b r 的发展演变过程 f i g u r e1 - 2t h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n to fs b r 1 3活性污泥中微生物的生长代谢规律 活性污泥是生物污水处理系统中的主力作用物质【l4 1 。在活性污泥上栖息着具 有强大生命力的微生物群体。在微生物群体新陈代谢功能的作用下，使活性污泥 具有将有机污染物转化为稳定的无机物质的能力，故称之为“活性污泥”。正常 的处理城市污水的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，又称之为“生物絮 凝体”。活性污泥是由下列四部分物质所组成： ( 1 ) 栖息在活性污泥上的具有代谢功能的微生物群体 ( 2 ) 微生物内源呼吸、自身氧化的残留物，如细胞膜、细胞壁等，属于难 降解有机物 ( 3 )由原污水挟入的难为细菌摄取、利用的惰性有机物质 ( 4 )由污水挟入的无机物质 在活性污泥处理系统中，活性污泥对废水中的有机物具有很强的吸附和氧化 分解能力，有机底物从污水中去除过程的实质就是有机底物作为营养物质被活性 污泥中微生物摄取、代谢与利用的过程。活性污泥法处理的关键在于具有足够数 量和性能良好的污泥，它是大鼍微生物聚集的地方，即微生物高度活动的中心。 污泥中的微生物，在废水处理中起主要作用的是细菌和原生动物。其中，细菌数 量最多，它们是有机物的主要分解者。原生动物以细菌和颗粒状有机物或溶解性 第一章文献综述 有机物为食，它们对废水的净化也起重要作用。此外，原生动物易于通过显微镜 观察和分辨，因而可作为指示生物，用以反映活性污泥和生物膜的质量以及废水 处理的效果。 1 3 1 微生物生长规律 微生物的生长规律一般以微生物的生长曲线来反映。在微生物学中，对纯菌 种培养的生长规律已经有大量的研究。而在废水生物处理中，活性污泥或生物膜 上的微生物是一个混合菌群体，也有它们自身的生长规律。微生物的生长过程包 括4 个阶段：停滞期、对数生长期、稳定期、衰亡期。现阐述如下： ( 1 ) 停滞期 又称调整期。这是微生物培养的最初阶段。在这个时期，微生物刚接入新环 境，细胞内各种酶系要有一个适应过程。所以刚开始时，菌体不裂殖，菌数不增 加。但经过一定时期，到了停滞期的后期时，酶系有了定适应，菌体生长发育 到了一定程度，便开始进行细胞分裂，微生物的生长速度开始增长。 ( 2 ) 对数期 又称生长旺盛期。细胞经过一定时期调整适应后，就可以最快的速度进行增 殖，细胞的生长也进入了生长旺盛期。在此期间，细菌数以几何级数增加着，是 生长速度最大的时期。主要是因为在这期间内，微生物周围的营养物质较丰富， 生物体的生长、繁殖不受底物限制。其次，在这期间，死菌数相对来讲是较小的， 一般在工程实际中可忽略不计。 ( 3 ) 稳定期 又称平衡期。细胞经过对数期大量繁殖后，环境中的营养物质逐渐被消耗， 细胞增殖速度逐渐放慢。在此期间，细胞增殖速度几乎和细胞死亡速度相等，活 菌数趋于稳定，主要是环境中养料减少，代谢产物积累过多所致。 ( 4 ) 衰亡期 又称衰老期。在稳定期后，由于环境中的营养物质几乎耗尽，细菌将因为得 不到营养而只能利用菌体内的贮存物质或以死菌作为养料，进行着内源呼吸，维 持生命。在这期间，活细胞数急剧下降，只有少数细胞能继续分裂，大多数细胞 出现自溶现象并死亡。菌体细胞的死亡速率超过分裂速率，生长曲线显著下降。 微生物生长曲线如图1 - 3 所示： 9 第一章文献综述 糕 靛 c g 籁 壤 最 培养时间 图1 - 3 微生物的生长曲线 f i g u r e1 3t h ec u r v e so fm i c r o b i a lg r o w t h 而在污水生物处理中，活性污泥中的微生物是由细菌类、真菌类、原生动物、 后生动物等异种群体所组成的一个混合群体【1 5 】。污水处理系统主要依靠细菌起净 化和絮凝作用，而原生动物和后生动物靠吞噬可溶性有机物和游离的细菌生存。 这些微生物在活性污泥上形成了食物链和相对稳定的生态系统，其生长情况比纯 种培养必然要复杂得多。各种微生物在群体中相互影响，并共栖于一个生态平衡 的环境之中，通过镜检，我们可以看到不同微生物在环境中都有着自己的生长规 律及生长曲线。每条曲线在这共栖环境中，都有着它自己的形状和位置，这一切 都和环境中营养物质的变化以及微生物之间的相互依存情况有关。如有机物多 时，则以有机物为食料的细菌占优势，数量较多。而当细菌多时，必然出现以细 菌为食料的原生动物。而当细菌少时，才出现以细菌及原生动物为食料的后生动 物。这种现象，我们称之为微生物的递变现象。 l o 第一章文献综述 培夼埘f 1 i j 图1 - 4 混合微生物群的生长曲线 f i g u r el 一4t h ec u r v e so fg r o w t ho fm i x e dm i c r o b e 图卜4 中的生长曲线所反映的微生物群的生长规律，有助于我们通过微生物 的镜检，去推知污水处理过程中的水质情况【1 6 】【1 7 】。如镜检中发现大量鞭毛虫存 在，说明污水中有机物含量还是在比较高的水平，须做进一步处理。这种情况， 一般在污水处理过程的初期出现。当镜检发现游泳型纤毛虫时，表明污水已经得 到一定程度的处理。而当活性污泥菌胶团培养成熟，结构良好，活性较强，混合 液中的细菌多已“聚居”在活性污泥上，出水水质良好，此时出现的原生动物则 将以带柄固着( 着生) 型的纤毛虫，如钟虫等为主。这类固着型纤毛虫以沉渣取 食的方式吞噬污水中的细小有机物颗粒、污泥碎屑和游离细菌，起到清道夫的作 用，使出水更清澈。 活性污泥中除了上述仅由一个细胞构成的原生动物之外，还有由多个细胞构 成的后生动物，较常见的有轮虫、线虫、瓢体虫等。后生动物，如轮虫、红斑瓢 体虫等在活性污泥系统是不经常出现的，仅在系统运转正常、有机负荷较低、处 理水质优异的完全氧化型的活性污泥系统中出现，轮虫出现是水质非常稳定的标 志，表明污水已得到净化。 1 3 2 影响微生物生长的主要因素 微生物系统是一个复杂的生态系统，为使s b r 反应器运转良好，必须注意影 第一章文献综述 响微生物生长繁殖的各个因素，为污泥的驯化和培养营造良好的环境。废水生物 处理的主要影响因素利嵋】： ( 1 ) 温度 微生物分为嗜冷、嗜热和嗜温三种类型。但废水的生物处理多数在1 0 - 4 5 之间范围进行。水温的调节是细菌成长与繁殖的重要因素，温度适宜，能够促 进、强化微生物的生理活动；温度不适宜，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。 温度不适宜还能够导致微生物形态和生理特征的改变，甚至可能使微生物死亡。 虽然好氧的活性污泥工艺在3 0 - - 一3 5 。c 时取得最好的效果，但实际工艺多在1 5 - - 一 3 0 问进行。 ( 2 ) 溶解氧 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，简写作d o ) 是好氧生物处理的重要影响因素。 生化处理的活性污泥中细菌为好氧菌，只有在充分供氧的条件下，细菌的新陈代 谢才会旺盛，分解有机物质的效率才会高。溶解氧不足，污泥中厌氧菌繁殖，好 氧茵受到抑制，微生物代谢活动受影响，净化功能下降，且易于滋生丝状菌，产 生污泥膨胀现象。若溶解氧过高，会导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺 乏营养，活性污泥易于老化、结构松散。此外，溶解氧过高，过量耗能，在经济 上也是不适宜的。因此，根据活性污泥法大量的运行经验数据，曝气池内的溶解 氧浓度一般宣保持在不低于2m g l 的程度。 ( 3 ) p h 值 类似于温度对微生物的影响，每种微生物也有一个最低、最高和最适合的 p h 值。微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的酸碱度条件 下，微生物才能进行正常的生理活动。首先，以p h 值表示的氢离子浓度能够影 响微生物细胞质膜上的电荷性质，电荷性质的改变会使微生物细胞吸收营养物质 的功能发生变化，从而对微生物的生理活动产生不良影响。其次，p h 值过大地 偏离适宜数值，微生物的酶系统的催化功能就会减弱，甚至消失。此外，高浓度 的氢离子会导致菌体表面蛋白质和核酸水解而变性。因此，p h 值的控褂，是保 持污泥活性的重要因素之一，p h 值过高过低，均能使污泥的活性下降，甚至失 活。好氧处理中，废水的p h 值在6 5 - 8 5 之间为宜。 ( 4 ) 营养物质 参与活性污泥处理的微生物在其生命活动过程中，需要不断地从其周围环境 的污水中吸取其所必需的营养物质，这里包括：碳源、氮源、无机盐类及某些生 长素等。 碳是构成微生物细胞的重要物质，参与活性污泥处理的微生物对碳源的需求 量较大，一般以b o d 5 计不低应于l o o m g k 。一般来说，生活污水和城市污水中含 1 2 第一章文献综述 有的碳源是充足的，能够满足微生物的需求，至于工业污水则另当别论。 氮是组成微生物细胞内蛋白质和核酸的重要元素，氮源可来自n 2 、n h 3 、n o s 等 无机含氮化合物，也可以来自蛋白质、胨及氨基酸等有机含氮化合物。 磷是合成核蛋白、卵磷脂及其它磷化合物的重要元素。它在微生物的代谢和 物质转化过程中起着重要的作用。 微生物对无机盐类的需求量很少，但却是必不可少的。对于微生物，无机盐 类可分为主要的和微量的两类。主要的无机盐类包括钾、镁、钙、铁、硫等，它 们参与细胞结构的组成、能量的转移、控制原生质的胶态等。微量的无机盐类则 有铜、锌、钴、锰、钼等，它们是酶辅基的组成部分，或是酶的活化剂，需求量 很少。 因此，在微生物培养中，各种营养物质的配比应均衡，仅仅一种基本营养物 质的缺乏即可以使微生物的生长停止。 ( 5 ) 抑制剂和杀菌剂 对微生物有害的有毒物质都会对微生物的生理活动产生抑制作用，影响废水 的生物处理，例如重金属、氰化物、酚类、有机卤等。但对于某些有毒物质，如 果缓慢的逐步地向污水增高有毒物质地浓度，使微生物逐渐适应并得到变异、驯 化，就可以使污泥承受浓度较高有毒物质，直至达到完全驯化，以有毒物质为营 养，使其降解，例如生物脱酚。对含酚废水来说，要考虑酚的毒性对生化处理的 影响，酚浓度过高，会阻碍生物的生长繁殖乃至死亡。一般来说，5 0 0 m g l 以下 浓度的酚可作为一些解酚细菌的营养物质。但也有人分离到能承受1 2 0 0 m g l 并 进行高效降解的解酚细菌。 1 4 污泥的驯化与培养 在水处理领域，习惯将所有具有荚膜、粘液或明胶质的絮凝性细菌相互凝聚 形成的菌胶团块称为菌胶团。菌胶团是活性污泥的结构和功能中心，是活性污泥 的基本组成部分，一旦菌胶团受到破坏，活性污泥对有机物的去除率将明显下降 或丧失。进入正常运转阶段的活性污泥，具有很强吸附能力和氧化分解有机物能 力的菌胶团会把污水中的杂质和游离微生物【l9 】吸附其e ，形成活性污泥絮凝体。 目前，活性污泥的驯化和培养主要有异步培养、同步培养、接种培养三种方法【2 0 1 。 异步培养法是对细菌先培养后驯化，同步培养法1 2 l l 即培养和驯化细菌同时或交替 进行，接种培养法则是引用其它污水处理厂的剩余污泥作菌种，进行培养和驯化。 第一章文献综述 实际生产中，应根据污水水量、水质、污水处理厂工艺条件的不同，选择上述方 法的一种或几种结合进行【2 2 1 。 1 4 1 活性污泥的驯化1 近年来s b r t 艺在我国迅速兴起，且已开始在大型城市污水处理厂中应用【2 引， 但s b r 反应器中活性污泥驯化的国内外相关报道较少。s b r 法污水处理技术有效运 行的基本条件是反应器中有足够量的呈悬浮状的活性污泥好氧颗粒【2 5 1 ，通过选取 一种或几种驯化方式，经过一段时间在反应器内即可形成球形或椭球形的好氧颗 粒【2 6 1 ，同时，污泥的性能( 包括出水c o d 、活性、沉降性能) 得到明显改善。 在没有高浓度的其它有毒物质或预先脱除有毒物质的情况下，酚类化合物可 以被经过驯化的微生物有效降解【2 。7 】【2 引。因此，对于中浓度含酚废水来说，活性 污泥法或生物膜法均是行之有效的手剧2 9 1 。低浓度含酚废水也可以用臭氧氧化或 活性炭吸附等方法处理。适当的驯化过程能使活性污泥逐步适应所处理的污水的 水质特点。经过一定时间的驯化，活性污泥就可以氧化分解酚类物质，并将其变 成微生物的营养物质。在驯化时，需注意使含酚废水比例逐渐增加，葡萄糖比例 逐渐减少。每变化一次配比时，须保持数天，待运行稳定后( 指污泥浓度未减少， 处理效果也正常) ，才可再次变动配比，直到驯化结刺3 0 】【3 i 】。 1 4 2 活性污泥的培养 所谓活性污泥的培养，就是为活性污泥中的微生物提供一定的生长繁殖条 件，即营养物质、溶解氧、适宜的温度和酸碱度等，在这种情况下，经过一段 时间，污泥就会在数量上逐渐增长，并最后达到处理污水所需的污泥浓度。 活性污泥中的微生物要想进行正常的生理活动，首先要求其周围环境中含有 足够的可被利用的有机物质，在有氧的条件下，将其中一部分有机物分解代谢成 二氧化碳和水等稳定物质，同时自身得到增值。污泥负荷就是指曝气池内单位重 量的活性污泥在单位时间内承受的有机物质的数量，记为k 。如果污泥负荷过 低，虽然可以有效降解污水中的有机物，但同时会使活性污泥处于过氧化状态、 沉降性能也会变差，导致出水悬浮物含量升高。如果污泥负荷过高，又会造成污 水中的有机物氧化不彻底，出水水质变差【强j 。 每一种好氧活性污泥处理法都有其最佳有机负荷，只有进水有机负荷接近或 等于最佳值，才能取得最佳的运行效果。进水有机负荷过多偏离最佳值，将会破 1 4 第一章文献综述 坏活性污泥系统运行的稳定性。针对不同水质，包括曝气池的污泥负荷在内的各 种参数都要经过运行实践来确定【3 3 】。 1 5 微生物活性的表征 污泥的好氧速率( o x y g e nu p t a k er a t e ，简称o u r ) 指单位重量的活性污泥在 单位时间内的耗氧量，其单位为m 9 0 2 ( g m l s s m i n ) 或m 9 0 2 ( g m l v s s r a i n ) 。 在基质降解和微生物生存过程中只有活性生物耗氧，故测定呼吸速率能反映污泥 的活性生物量浓度。呼吸速率是最敏感的变量之一，以它为基础有助于监控活性 污泥工艺的运行状况【3 4 1 。呼吸速率受多种因素( 如基质组成、毒物、负荷、氧气 浓度、絮体颗粒大小、固体浓度、温度、p h 值等) 影响。数十年来，对活性污泥 呼吸速率的测定除了对活性污泥活性进行测定外，人们还进行了许多研究。2 0 世纪6 0 年代即开始进行呼吸速率与b o d 的相关性研究，7 0 年代开始了毒性处理能 力测试和工艺控制研究。现阶段呼吸速率的测定方法主要有三类：估计法、耗气 法和仪器法【3 5 j 。 把活性污泥微生物对基质降解的d o 曲线与其内源呼吸期的d o 曲线相比较可 作为基质可生物降解性的评价。 当活性污泥微生物处于内源呼吸期时，利用的基质是微生物自身的细胞物 质，其呼吸速度是恒定的，这时d o 曲线的斜率即为内源呼吸期的o u r 。当供给 活性污泥微生物外源基质时，耗氧量随时间的变化是一条特征曲线，其斜率为生 化呼吸的o u r 。把各种有机物的生化呼吸o u r 与内源呼吸o u r 加以比较时，可能 出现三种情况： ( 1 ) 生化呼吸o u r 大于内源呼吸o u r ，说明该有机物或废水可被生物氧化 分解。二者差值越大，该有机物或