（工业催化专业论文）复合菌群处理高浓度城市生活污水的技术研究.pdf

中文摘要 我国幅员辽阔人口众多，工农业和人类生活的用水量极大，但由于严重的水 资源污染，使得原本人均水资源贫乏的我国更加严重，缺水问题正在极大阻碍着 我国国民经济发展，人民生活水平和质量的提高。因此，研究适宜的处理方法， 降低或者去除污水中的有害物，是解决缺水问题的主要途径之一。 本论文进行了利用生物方法处理城市高浓度污水方面的研究，包括：菌群的 培养和驯化，单一菌群和复合菌群处理城市污水的探索，涉及复合菌群中的单一 菌群浓度的变化对处理城市污水效果的影响，复合菌群处理城市污水的实验工艺 条件等研究。率先采用降解发酵、复合发酵和光合发酵串连新工艺处理城市高浓 度污水，并结合絮凝工艺达到了较满意的效果。 本论文实验通过采集、纯化、培养和驯化，获得了需要的光合细菌群、乳酸 细菌群、放线菌群、酵母菌群，并经不同菌群间比例优化试验，获得了适宜的复 合茵群；进行的单一菌群处理较低浓度城市污水研究，表明乳酸细菌群和光合细 菌群污水有明显的净化作用，但酵母菌群则净化污水作用较差，据此我们提高乳 酸细菌群、放线菌群、光合细菌群的所占比例，适当降低酵母菌群的用量；还利 用单一菌群和复合菌群处理了较高浓度城市污水，并进一步探索和优化了试验参 数和条件；高浓度污水( c o d 1 0 0 0 0 m g l ) 经复合菌群、乳酸细菌群处理后， c o d 降低效果均较为明显，特别是氨氮的去除率更好( 可达9 3 以上) ，随后 利用光合细菌群进一步处理，c o d 去除率接近9 0 ，氨氮的去除率超过9 4 ， 说明本文采用的生化处理方法能适合高浓度城市污水的处理；实验室小试设备 上，我们采用降解发酵一复合发酵一光合发酵三个阶段工艺处理高浓度城市污 水，结合絮凝剂利用和絮凝方法研究结果，实验结果表明本研究采用的试验方法 和工艺，对于高浓度城市污水的c o d 去除率和氨氮去除率均能达到9 0 以上。 关键字：复合菌群活性培养改性活性条件絮凝工艺无害化 a b s t r a c t c h i n a h a sag r e a tp o p u l a t i o nw i t ha v a s tt e r r i t o r y ，a n dt h e r ei sa g r e a tn e c e s s i t y f o rw a t e rt ob eu s e di ni n d u s t r y ，a g r i c u l t u r ea sw e l la sd a i l yl i f e h o w e v e r ，t h ep e r w a t e rr e s o u r c eo fo u rc o u n t r yi sp o o r ，a n dt h ep r o b l e mo fw a t e rp o l l u t i o ni sv e r y s e r i o u s ，t h e r e f o r et h el a c ko fw a t e rr e s o u r c eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc o u n t e r a c tt o t h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d a c c o r d i n g l y ，w o r k i n go u ta s u i t a b l em e t h o dt or e d u c eo rr e m o v et h ei n ju r a n t i ns e w a g ei so n eo ft h em a i na p p r o a c h e st os o l v et h ep r o b l e mo fl a c k i n gf o rw a t e r t h ep a p e ri sd e a l i n gw i t ht h em u n i c i p a ls e w a g eo fh i g hc o n c e n t r a t i o ni no u r c o u n t r yb yu s i n gb i o l o g i c a lm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h ef l o r a f o s t e ra n dd o m e s t i c a t i o n ， t h ed i s p o s a lo fm u n i c i p a ls e w a g eb ys i n g l ef l o r aa n dc o m p l e xf l o r a ，t h ei n f l u e n c e so n t h ee f f e c to fd i s p o s i n gm u n i c i p a ls e w a g ec a u s e db yt h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g eo fa s i n g l ef l o r ai n v o l v e di nc o m p l e xf l o r a ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i cc o n d i t i o n sf o rt h e d i s p o s i n gm u n i c i p a ls e w a g eb yc o m p l e xf l o r a t h i sr e s e a r c ht a k e st h el e a d i n a p p l y i n gs u c hn e wi n l i n et e c h n i c fa st h ed e g r a d a t i o na n df e r m e n t a t i o n ，c o m p l e x f e r m e n t a t i o n ，a n dp h o t o s y n t h e s i s f e r m e n t a t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h et e c h n i co f f l o c c u l a t i o nt or e a l i z eam o r es a t i s f y i n gr e s u l t a f t e rt h ee x p e r i m e n t ，w eh a v eg o tt h en e c e s s a r yp h o t o s y n t h e s i sb a c t e r i a ， l a c t o b a c i l l u s ，a c t i n o m y c e t e sa n dm i c r o z y m e sb yw a y so fc o l l e c t i o n ，p u r i f i c a t i o n ， f o s t e ra n dd o m e s t i c a t i o n w eh a v ea l s og o ts u i t a b l ec o m p l e xf l o r aa f t e rm a k i n ga p r o p o r t i o n a lo p t i m u me x p e r i m e n tt od i f f e r e n tf l o r a t h es t u d yo fd i s p o s i n gt h e m u n i c i p a ls e w a g eo fl o wc o n c e n t r a t i o nb yu s i n g a s i n g l ef l o r as h o w st h a t a c t i n o m y c e t e sa n dp h o t o s y n t h e s i sb a c t e r i ah a v eo b v i o u se f f e c t so fp u r i f i c a t i o no n s e w a g e ，w h e r e a st h ee f f e c to f m i c r o z y m e si sm u c hl o w e r ，t h e r e f o r et h ep r o p o t i o no f l a c t o b a c i l l u s ，a c t i n o m y c e t e sa n dp h o t o s y n t h e s i sb a c t e r i as h o u l d b ei n c r e a s e d ，a n dt h e u s el e v e lo fm i c r o z y m e ss h o u l db ed e c r e a s e d w eh a v ea l s od i s p o s e dm u n i c i p a l s e w a g eo fh i g hc o n c e n t r a t i o nb yu s i n gs i n g l ef l o r aa n dc o m p l e xf l o r a ，a n dm a d ea f u r t h e rr e a r c ha n do p t i m i z a t i o nt oe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e ra n dc o n d i t i o n s a f t e rt h e s e w a g eo fh i g hc o n c e n t r a t i o n ( c o d 10 0 0 0 m g l ) h a sb e e nd i s p o s e db yc o m p l e x f l o r aa n dl a c t o b a c i l l u s ，t h ee f f e c to fr e m o v i n gc o di so b v i o u s ，a n dt h er a t eo f r e m o v i n ga m m o n i an i t r o g e ni se s p e c i a l l y d i s p o s a lb yu s i n gp h o t o s y n t h e s i sb a c t e r i a ， h i g h e r ( 9 3 ) 。t h e nw em a d eaf u r t h e r a sar e s u l t ，t h er a t eo fr e m o v i n gc o di s c l o s et o9 0 a n dt h er a t eo fr e m o v i n ga m m o n i a n i t r o g e ni so v e r9 4 ，w h i c hi n d i c a t e s t h a tt h eb i o c h e m i c a lm e t h o dt h a tw eh a v eu s e di sa p r o p e rw a y t od i s p o s em u n i c i p a l s e w a g eo fh i 曲c o n c e n t r a t i o n o nt h el a b o r a t o r ye q u i p m e n tm a d eb yo u r s e l v e s ，w e a d o p t e ds u c ht h r e es t e p sa st h ed e g r a d a t i o na n df e r m e n t a t i o n ，c o m p l e xf e r m e n t a t i o n ， a n dp h o t o s y n t h e s i sf e r m e n t a t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h et e c h n i co ff l o c c u l a t i o nt o d i s p o s em u n i c i p a ls e w a g eo fh i 曲c o n c e n t r a t i o n t h er e s u l to f t h ew h o l ee x p e r i m e n t s h o w st h a ti fo u re x p e r i m e n t a lm e t h o da n dt e c h n i ca r ea d o p t e d ，t h er a t eo fr e m o v i n g b o t hc o da n da m m o n i a n i t r o g e ni nm u n i c i p a ls e w a g eo fh i g hc o n c e n t r a t i o nc a r lb ea s l l i g ha s9 0 a tl e a s t k e y w o r d s ：c o m p l e xf l o r a ，a c t i v ef o s t e r ，a l t e r i n g ，a c t i v ec o n d i t i o n s ，p r o c e s s ， 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，也不包含为获得丞洼太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：f 舭7 签字吼阿年月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞洼太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： 问嘶 导师签名： 级 签字日期：如吁年月砷日 签字日期：二诉2 月日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 我国城市污水的现状 1 1 1 我国水资源的概况 我国水资源总量约为2 8 1 0 1 2 m 3 ，位于世界第6 位，但由于我国人口众多， 人均占有量仅为2 3 0 0 m 3 ，位于世界1 2 1 位，是世界上1 3 个贫水国家之一，新中 国成立5 0 多年来，全国用水量增长了5 倍多，加剧了我国水资源的短缺【lj 。 同时，我国水资源在开发和使用的过程中浪费现象也十分严重，水资源利用 率相当低，趣常低于2 0 。浪费的水资源变成污水资源，致使污水处理迫在眉 睫。特别是我国工业和城市用水【2 】占总量的3 0 ，污水中的污染物复杂，微生物 菌群少，自净化能力弱，亟需处理，使水资源重新回收利用。 另外，我国水资源状况还有以下特点【3 j ：首先，全国降水在空间和时间的分 布上极不平衡，南方水多，北方水少，差别悬殊，北方有的地区人均占有水资源 相当于世界上最干旱的国家，而水丰富的南方却常常发生季节性干旱，造成依赖 水灌溉的主要农作物水稻及一些经济作物用水困难；其次，排放污水的去除率很 低，我国城市污水有8 0 左右未经处理，水质性缺水现象日趋严重；最后，缺 乏科学的用水定额和管理，生产耗水量大，水的浪费相当普遍。因此，我国面临 缺水和水污染问题十分严峻的。 1 2 我国水资源的污染状况 1 9 8 4 年颁布的中华人民共和国水污染防治法中为“水污染”下了明确的定 义，即水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特 征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质 恶化的现象称为水污染。 水的污染通常分为自然污染和人为污染两个大类，当前对水体危害较大的 是人为污染：水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染 和生物性污染三大类。 在2 0 0 4 年5 月召开的中国科学院、中国工程院两院院士大会上，中国工程 院院士、我国湖泊环境研究首席科学家刘鸿亮教授介绍说，我国江河流域普遍受 到污染，瓜且呈发展趋势。对全国5 5 0 0 0 k m 的河段调查表明，水质污染严重而 第一章文献综述 不能用于灌溉的河段约占2 3 3 ，4 5 0 的河段鱼虾绝迹，8 5 0 的河段不能满 足类水质标准，生态功能严重衰退。国内外由水中检出的有机污染物已有2 0 0 0 余种，其中1 1 4 种具有或怀疑有致癌、致畸、致突变的“三致”物质。我国各地的 水源中一般都能检测出百余种有机污染物，其中常含有“三致”物质【4 】。 2 0 0 3 年，全国工业污水和城市生活污水的排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上一年 增长1 5 ，其中工业污水排放量2 0 7 2 亿吨，占总排放总量的4 7 1 ；城镇生 活污水排放量2 3 2 3 亿吨，占污水排放总量的5 2 9 。污水中的主要污染指标化 学需氧量c o d 。，排放总量为1 3 6 7 万吨，比上年减少2 7 ，其中工业污水中c o d 。， 排放量5 8 4 万吨，占c o d 。，排放总量的4 2 7 ；城镇生活污水中c o d c ，排放量 7 8 3 万吨，占c o d 。，排放总量的6 7 4 。污水中的n h 3 一n 排放量1 2 9 万吨，其 中工业污水n i t 3 一n 排放量4 2 万吨，占n h 3 一n 总排放量的3 2 6 ；城镇生活 污水n h 3 一n 排放量8 7 万吨，占n h 3 一n 总排放量的6 7 4 。所以工业污水和 城镇污水处理都有很大的空间。 污水灌溉还造成粮食产量低，污染加大，营养成分下降，粮食、蔬菜等受到 不同程度的污染，北京居民每日的砷摄取量己达到w h o 规定的1 2 0 倍。长期 的污染水灌溉使病原体、致突变、致癌物质通过粮食、蔬菜、水果等食物迁移到 人体内，造成人群多种疾病大幅度提高。 水污染还对渔业造成极大的危害，致病菌、病毒、有害有毒物质导致养殖生 物疾病及大量死亡。例如，在1 9 9 8 年春季珠江口海域发生赤潮，广东渔业损失 达4 0 0 0 万元，香港为1 亿港币；富营养化的湖泊、水库因藻类大量繁殖，使深 解氧下降，鱼虾缺氧窒息死亡；还使珍稀动物如斑海豹、玳瑁、中华白鳍豚数量 剧减，海水产品质量下降，贝类所含毒素和鱼体内重金属残毒增加。因此对于我 国海洋渔业造成了严重的影响。 综上所述，治理水污染和水源污染使原有的水处理量、水处理方法、水处理 工艺受到前所未有的挑战。分析我国水污染的原因，如人口和经济增长、粗放型 发展模式、无组织大面积排施污染物、污水去除率低，以及牺牲环境和资源去追 求眼前利益等。国家为了实现在2 0 1 0 年基本控制我国水污染，到2 0 3 0 年使水环 境质量有睨改善，到2 0 5 0 年有较大改善的目标，有两种基本对策：提高规划的 城市污水去除率和加强推行节水减污的清洁生产力度，使工业用水量、污水量和 污染负荷进一步降低。 1 1 3 我国城市污水的污染状况 1 1 3 1 城市污水的组成 城市污水包括居民生活污水、工业污水和一部分地表径流 5 1 。 2 第一章文献综述 不能用于灌溉的河段约占2 3 3 ，4 50 的河段鱼虾绝迹，8 50 的河段不能满 足i i i 类水质标准，生态功能严重衰退。国内外由水中检出的有机污染物已有2 0 0 0 余种，其中1 1 4 种具有或怀疑有致癌、致畸、致突变的“三致”物质。我国各地的 水源中一般都能检测出百余种有机污染物，其中常含有“三致”物质【4 】。 2 0 0 3 年，全匡工业污水和城市生活污水的排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上一年 增长】5 ，其中工业污水排放量2 0 7 2 亿吨，占总排放总量的4 7 1 ：城镇生 活污水排放量2 3 23 亿吨，占污水排放总量的5 2 9 。污水中的主要污染指标化 学需氧量c o d 。排放总量为1 3 6 7 万吨，比上年减少2 7 ，其中工业污水中c o d 。 排放量5 8 4 万吨，占c o d 。排放总量的4 2 7 ；城镇生活污水中c o d 。排放量 7 8 3 万吨，占c o d 。，排放总量的6 74 。污水中的n h 3 一n 排放量1 2 9 万吨，其 中工业污水n h 3 一n 排放量4 2 万吨，占n h 3 一n 总排放量的3 2 6 ；城镇生活 污水n h 3 n 排放量8 7 万吨，占n h 3 一n 总排放量的6 7 4 。所以工业污水和 城镇污水处理都有很大的空间。 污水灌溉还造成粮食产量低，污染加大，营养成分下降，粮食、蔬菜等受到 不同程度的污染，北京居民每日的砷摄取量已达到w h o 规定的1 2 0 倍。长期 的污染水灌溉使病原体、致突变、致癌物质通过粮食、蔬菜、水果等食物迁移到 人体内，造成人群多种疾病大幅度提高。 水污染还对渔业造成极大的危害，致病菌、病毒、有害有毒物质导致养殖生 物疾病及大量死亡。例如，在1 9 9 8 年春季珠江口海域发生赤潮，广东渔业损失 达4 0 0 0 万元，香港为l 亿港币；富营养化的湖泊、水库因藻类大量繁殖，使深 解氧下降，鱼虾缺氧窒息死亡；还使珍稀动物如斑海豹、玳瑁、中华自鳍豚数量 剧减，海水产品质量下降，贝类所含毒素和白体内重金属残毒增加。因此对于我 国海洋渔业造成了严重的影响。 综上所述，治理水污染和水源污染使原有的水处理量、水处理方法、水处理 工艺受到前所未有的挑战。分析我国水污染的原因，如人口和经济增长、粗放型 发展模式、无组织大面积排施污染物、污水去除率低，以及牺牲环境和资源去追 求眼前利益等。国家为了实现在2 0 1 0 年基本控制我国水污染，到2 0 3 0 年使水环 境质量有所改善，到2 0 5 0 年有较大改善的目标，有两种基本对策；提高规划的 城市污水去除率和加强推行节水减污的清洁生产力度，使工业用水量、污水量和 污染负荷进一步降低。 1 1 3 我国城市污水的污染状况 113 1 城市污水的组成 城市污水包括居民生括污水、工业污水和一部分地表径流1 ”。 城市污水包括居民生活污水、工业污水和一部分地表径流”。 2 第一章文献综述 生活污水主要来自家庭、商业、机关学校、旅游服务业及其他城市公用设施， 其中含有大量的有机污染物，如蛋白质、脂肪、糖类等，还含有洗涤剂以及病源 微生物和寄生虫卵等，一般不含毒物，水质状况与污染物浓度有关。 工业污水是工厂企业在生产过程中产生的污水，不同工业企业产生不同性质 的污水，一般可分为工艺污水、设备冷却水、原料或成品洗涤水、设备和场地冲 洗水以及由于滴漏产生的污水等，依据污染程度的不同可以分为净污水和浊污 水，其中浊污水的污染程度大，必须经过处理后方可排放。污水中常含有工业生 产原材料、中间产物、产品及其他杂质，成分十分复杂，水质差异很大，在城市 污水中，工业污水所占比例一般在5 0 一7 0 ，工业污水的污染物浓度较高，水 质的c o d 最高可达1 0 5 m g l 。 城市圭| l f 表径流是由于雨雪降落至地面形成的，其中含有洗淋大气及冲洗建筑 物、地面、废渣、垃圾所夹带的各种污染物，初期降雨水和冰雪融化的水污染较 重，其所含污染物浓度甚至比生活污水还高。 1 1 3 2 城市污水的特征 根据单位人1 2 1 的产污量i 中小城市的特征【6 】是中小城市的人口一般在5 万5 0 万人之间，其单位人口综合用水量指标为0 3 5 万一0 6 5 万m 3 ( 万人d ) ，则1 0 万人口的城市日用水量约为3 5 6 5 万m 3 ，城市污水量约为1 8 万一3 4 万m 3 。 相比较之下，在百万人口以上的大城市，人均用量大约在提高4 0 ，污水量随 之增加，所以城市的产生污量是相当大的。 污水的主要来源：中小城市污水的主要来源是居民生活污水，工业污水所占 比重很小，污水c o d 为2 5 0 3 0 0 m g l 。而大城市的污水的主要来源是居民生活 污水和工业污水，其中工业污水占有很大的比重，有些高浓度的城市污水c o d 为1 0 4 m g l 以上。 由于污水来源的多样性，污水的主要成分就相对较为复杂，油脂、蛋白质、 糖类、纤维是主要成分，也有一些金属和非金属粒子，例如n a + 、f e 3 + 、c u 2 + 、 k + 、c a 2 + 、c l 。、s 0 4 2 。、n 0 3 。等，有时工业污水严重的有a 矿、c r 3 + 、h 9 2 + 等重 金属粒子，据报道，有人在城市污水中发现了四亚甲基二胺、五亚甲基二胺和其 他二胺物质。 1 2 城市污水的处理进展 城市污水处理通常采用物理、化学和生物处理法三种方法【7 1 。通常的土艺过 程包括一、二、三级处理，一级处理过程主要是用格栅、沉沙池和沉淀池等处理 设备组成的物理处理系统去除污水中的可沉杂质，采用的方法有沉淀、上浮、预 第一章文献综述 曝气嗍；二级处理过程主要是技术处理污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物， 使得污水的c o d 、氨氮等达到国家排放标准，采用的方法主要有生物法，广泛 采用的是活性污泥与生物膜，此外也有采用化学法或物理化学法处理；三级处理 过程主要是无害化处理系统( 将城市污水中所含各种形态的污染物质加以分离去 除或转化为无害和稳定的物质，从而使污水得到净化的处理系统，也称城市污水 无害化处理系统) ，用来解决系统处理留下的物质，例如沉淀污泥和生物污泥， 通常采用的方法有化学凝聚、吸附、离子交换及消毒等方法。去除城市污水中的 有机物的核心设备是生物处理设备，所以生物处理池的前后沉淀池以及后处理都 是生物法处理的辅助设备驯。 1 2 1 物理处理方法 物理处理方法主要是处理生活污水的前期阶段即预处理阶段l 1 0 1 ，大型污水 处理厂通常采用格栅与筛网以去除水中较大的悬浮物与漂浮物，防止泵和水管堵 塞。物理处理方法包括各种沉淀方法如自由沉淀、絮凝沉淀、成层沉淀、压缩沉 淀四种方法来使水中的悬浮物质( 主要是可沉固体) 在力的作用下而下沉，从而 得到理想的进水指标，也有调节负荷量和水温；同时也有一些直接用物理方法直 接处理污水，例如过滤和离心，其中过滤方法是通过具有很小的孔隙的粒状滤料 层来截住水中悬浮物和胶体而使水得到澄清的工艺过程，有时可以将水中的有机 物、细菌乃至病毒随着悬浮物的降低而被大量去除；物理吸附也可以去除污水中 的杂质，特别是对于其他方法难以去除的剧毒和难以降解物质，如活性炭、粘土、 高分子吸附剂等，同时现在也发展了磁场、静电等技术，它们都在污水处理中得 到应用。 1 2 2 化学处理方法 在污水中的杂质，可以分为悬浮物、胶体和溶解物三大类，其中悬浮物可以 通过物理方法去除，而像胶体这类的物质却不行了，所以化学方法就显得尤为重 要了，一般采用混凝【i l j 方法，向水中加入一些药剂，使水中难以沉淀的胶体颗粒 脱稳而相互聚合，增大至能自然沉淀的程度【l2 1 。 中和处理污水的目的是因为水中存在过量的酸或者碱，所以调节污水的酸、 碱度，使污水呈中性或者接近中性，以便于处理或者排放。 如果污水中含有溶解性有机和无机的污染物，可以用氧化还原法处理，投加 氧化剂或者还原剂，使污染物与投加药剂发生氧化还原反应，把污水中有毒害的 污染物转化为无毒或者微毒物质的方法，例如用铁屑处理含汞污水。 4 第一章文献综述 此外，还有离子交换树脂、电化学氧化、电化学催化、超临界技术等技术也 在污水处理中得到广泛的应用。 1 2 3 生物处理法 生物处理法是近年来比较热门的处理污水方法，生物处理法不需要高温高 压，在通常的温度和压力下经过酶催化就可以处理；微生物来源广泛，容易培养， 繁殖快，适应性强；通过简单的工艺方法能够实现处理量大，成本低，无二次污 染等诸多优点，因而被广泛研究，研究的方向和内容包括以下几类。 1 2 3 1 好氧生物处理法 好氧生物处理( a e r o b i cb i o l o g i c a lp r o c e s s ) 是广泛应用于污水生物处理过程 的方法之一。在有氧条件下，有机污染物作为好氧微生物的营养物质而被氧化分 解，使污染物的浓度下降。由于有机污染物的结构和性质的不同，在处理系统中， 好氧微生物的优势种群的组成和数量也相应地发生了变化，因此在好氧生物处理 中要密切注意菌种的变化特点，了解污染物的处理情况。 1 2 3 1 1 好氧活性污泥法 活性污泥法是1 9 1 4 年由英国人a r d e m 和l o c k e r 最早采用的，目前也是应 用最广泛的污水好氧生物处理技术，由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排 放系统组成。经过9 0 多年的修正和改进，在污水处理中取得了巨大的成功，成 为目前比较成熟的污水生物处理技术。 活性污泥法的基本特征是不仅要为微生物生长提供适宜的环境条件，而且要 使设置的污水和回流的活性污泥l 起进入曝气池形成混合液，发挥其高效吸附、 吸收和氧化污染物能力【1 3 1 。工艺过程：利用生物絮凝体作为生化反应的主体物， 利用曝气设备向反应系统提供氧源，以增加接触面和加快生化反应的传质过程， 通过回流方式将沉淀池中的浓缩的微生物絮凝体返回到反应系统，有时为了保证 系统内生物细胞平均停留时间的稳定，要及时的排出和添加生物固体【l 引。 曝气池【l5 】是一个生物反应器，通过曝气设备充入空气，空气中的氧溶入混 合液，产生好氧代谢反应，使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态，这样，污水 中的有机物、氧气同微生物能充分接触反应。随后混合液进入沉淀池，混合液中 的悬浮固体在沉淀池中沉下来和水分离，净化水流出沉淀池。沉淀池中的污泥大 部分回流，称为回流污泥，回流污泥的目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体浓 度，也就是保持一定的微生物浓度。曝气池中的生化反应引起微生物的增殖，增 殖的多余微生物通常从沉淀池中排除，以维持活性污泥系统的稳定运行，这部分 第一章文献综述 污泥叫剩余污泥。活性污泥除了有氧化和分解有机物的能力外，还要有良好的凝 聚和沉降性能，活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。 活性污泥法中，进行污染物降解的主体是活性污泥中的微生物，其种类包括 了微生物的多种群体【l 引，如属原核生物的有细菌、放线菌、蓝细菌和立克次式 体：属真核生物的有原生动物、多细胞微型动物、酵母、丝状真菌和单细胞藻类， 此外还有病毒。污水中的可溶性有机物能够直接被细菌、真菌等作为营养物质直 接利用、分解，微型动物却不能分解利用，但是细菌、真菌和微型动物需要共同 存在，保持生物协调性，共同处理和净化污水。 活性污泥法在处理污水中的有机物过程中，包括了两个过程即微生物繁殖和 污染物消除的两个过程，在进行处理过程中，某些微生物大量繁殖，使得活性污 泥沉降性能受到影响，引起活性污泥膨胀，这样不仅影响了出水的水质，而且加 大了污泥处理的难度，致使整个处理过程难以控制u 。 1 2 3 1 2 好氧生物膜法 生物膜法( b i o f i l m ) 是利用微生物在固体表面的附着生长对污水进行生物 处理的技术。按照床层的状态，分为固定床( f i x e db e d ) 和流化床( f l u i db e d ) 生物处理技术，如生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等工艺。其 中生物滤池和生物转盘最为常见，生物滤池处理系统的处理构筑物构造简单，基 建费用少，处理成本低，易于管理运行可靠。生物滤池在我国南方更为适用，一 般可分为间歇生物滤池、普通( 单层) 生物滤池、塔式( 多层) 生物滤池等多种形式， 工艺流程：回流水 厂 废水专格栅一沉沙池专初沉池与生物滤池j 二沉池b 出水 这类方法的共同特征是微生物附着在介质“滤料”表面上【l 引，形成生物膜， 通过污水与生物膜的相对运动，使污水与生物膜接触，进行固液两相的物质交换， 并在膜内进行有机物的吸附、吸收、氧化与降解，使污水得到处理，同时生物膜 内的微生物不断的增长和繁殖。生物膜法主要用于从污水中去除溶解性有机污染 物，污水同生物膜接触后，溶解的有机污染物被微生物吸附转化为h 2 0 、c 0 2 、 n h 3 和微生物细胞物质，污水得到净化，同时生物膜随着污水的处理会不断增厚， 也使附着于载体面的厌氧区也逐渐扩大增厚，最后生物膜老化、剥落，然后有 开始新的生物膜形成，生物膜又得到更新。氧气沿着运动水层，在进入附着水层 而进入生物膜，开始形成的膜是好氧的，但随着膜的厚度增加，氧气向膜的内部 扩散受到限制，生物膜就分成了外部的好氧层和内部与载体界面处的厌氧层，以 及两者之间的兼性层，因此，生物膜也是一个十分复杂的生态系统。 6 第一章文献综述 污水生物膜脱氮【l9 j 工艺中氮的转化包括氮化过程、同化过程、硝化过程、 反硝化过程，尤其后两者是最主要的过程。传统的脱氮理论认为硝化反应在好氧 条件下进行而反硝化在厌氧条件下完成，两者不能在同一条件下进行。近年来， 研究者在试验及生产性运行中发现同时硝化和反硝化现象的存在，尤其是在有氧 条件下，硝化和反硝化现象也同时存在。微生物环境的存在，是同时硝化和反硝 化现象的最主要原因，某些系统的反应器流态上的特征，为同时硝化和反硝化也 创造了可能的环境条件，其次，从微生物发展的角度也提出可能存在的、目前尚 未被认识的微生物菌种。 生物膜法与活性污泥法相比较有许多明显的优点，首先，微生物种类，的多样 性程度较高，包括好氧细菌、厌氧细菌、真菌和藻类，同时生物膜能够保留增殖 速度小的微生物，使更多的微生物能够附着在生物膜上，不会流失；其次生物膜 法可以分阶段处理，使得能够出现不同的微生物优势菌种，协调污水净化的不同 过程，便于控制；同时也能够提高脱氮能力，由于生物膜上存在许多生长繁殖速 度较慢的硝化细菌，不易于流失，而且生物膜的内部基本上处于厌气状态，也有 一定的脱氮作用，所以与活性污泥法比较，生物膜的脱氮的能力更高；处理能力 大，系统维护方便，操作运行稳定。 生物膜法也有个重要的缺点就是生物膜的脱落，处理过程中，生物膜在增厚， 老化之后，生物膜有可能整体脱落，难以控制，另外，生物滤池处理系统净化出 水的水质受到季节的很大影响，占地面积大，滤池散发气味对周围环境会造成一 定的影响。 1 2 3 2 厌氧生物处理法 厌氧生物处理法【2 0 】( a n a e r o b i cp r o c e s s ) 是在厌氧条件下，形成厌氧微生物 所需要的营养和环境条件，微生物( 非产甲烷菌和产甲烷菌) 分解水中的有机物 并产生甲烷和二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。与好氧生物处理的本质区别是不 用单质氧作为受氢体，而用化合态盐、碳、硫、氮为受氢体。厌氧法最突出的一 个特点是高负荷、高浓度和副产物一一甲烷，另外不需要充氧设备，工艺消耗的 能量低。 厌氧法的生化过程大致可以分为三个阶段，每一个特定的阶段都由相应的微 生物处理及消化代谢。第一阶段称为水解阶段，由水解性和发酵性菌群将复杂的 有机物分解为脂肪醇、醇类、二氧化碳、氨和原子氢等，按水解的物质可以分为 纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌等，在各自的菌群作用下，多糖水解 成单糖，蛋白质分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸；第二阶段称为 酸化阶段，由产氢和产乙酸细菌将第一阶段的脂肪酸等产物进一步转化为乙酸和 7 第一章文献综述 原子氢，主要是脂肪酸，有时甚至是芳烃酸也能够进一步分解。第三阶段称为甲 烷化阶段，由产甲烷菌利用二氧化碳和原子氢或者一氧化碳和原子氢合成甲烷， 也可以直接将低级酸直接分解成甲烷。在厌氧的生化过程中，三个阶段是同时进 行的，并且保持动态平衡，平衡状态的p h 值、温度、负荷、营养条件都是平衡 的，可以进行观察和分析测定，确定最佳的条件。 图一1 1 有机物的厌氧分解途径 f i g 1 - 1t h e w a y so ft h ea n a e r o b i cd e c o m p o s i n go fo r g a n i cm a t t e r 厌氧微生物的种类主要分为甲烷菌和不产甲烷菌。甲烷菌只能利用少数几种 简单分子结构的有机化合物，代谢活动最佳的p h 值为6 2 7 2 ，需要严格的厌 氧环境，氧和氧化剂均对甲烷菌有很强的毒性，甲烷菌的形态有八叠球状、杆状、 球状和螺旋状，另外甲烷菌的繁殖缓慢，最少也要6 7 天，有的时间更长约3 0 天，所以处理量要受到一定的限制；不产甲烷菌是一个通称，即将复杂有机物转 化为简单的小分子的一类微生物，它主要参与产甲烷的前期所有分解过程。 厌氧生物处理的影响因素主要有温度、p h 值、营养成分和负荷量。温度影 响厌氧分解有机物的速度，一般分为中温发酵3 0 一3 8 ，高温发酵5 2 一5 5 ，这两个温度范围内，有机物的分解速度较快；p h 值也影响着厌氧发酵过程， 通常要求是在中性范围，后期的甲烷化可以适当地调高一点；营养成分也很关键， 要保持一定的c 、n 、p 的组成及比例；厌氧生物处理可以处理较高负荷的污水。 厌氧处理的设备运行管理要求严格，因为沼气中的甲烷比空气轻，非常易燃， 一般空气中的甲烷含量为5 一1 5 时，遇明火就会发生爆炸。在厌氧生物处理 中的沼气生产区、沼气发电室，不仅严禁易燃易爆物品和烟火，而且良好的防漏、 第一章文献综述 防燃爆和消防设备也是必要的，这样就需要增加设备和运行成本。 厌氧法的明显缺点是：设备需要较长的启动时间，对毒物反应敏感，对操作 条件控制要求十分严格，特别是厌氧处理的消化阶段，产甲烷菌对操作条件要求 非常苛刻( 氧化还原电位应低于3 0 0 m v ，最佳条件为：温度3 7 - - 一3 8 或5 3 5 4 ，p h 值6 8 7 2 ) ，如有不稳就可能造成生物系统崩溃；由于该法的特点是产 生甲烷，因此能源回收应该是它的优势，但由于回收甲烷需要额外的回收系统， 要增加了设备和运行费，同时甲烷菌生长条件的维持( 加温、保温等) 又要消耗 能源，实际上经济上未必合算，有学者就认为，应注意环境效益，产甲烷回收能 源次要，如果最终处理是为了生产水产和家禽畜饲料，或者生产有机肥料，系统 产生大量的甲烷的同时导致目标产物量的减少。 1 2 3 3 光合细菌处理法 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a & p s b ) 是一大类能进行光合作用的原核 生物的总称。除蓝细菌以外，都是在厌氧光照条件下进行不产生氧气的光合作用。 由于光合细菌具有随着生长条件的变化而改变自身代谢的特征，因此，能够处理 高负荷的有机污水和普通生活污水【2 1 1 。日本自6 0 年代起首先开展了p s b 处理污 水的研究，据文献报道，先后成功地对粪便、食品、淀粉、皮革、造纸、豆制品、 印染【2 2 j 等污水进行了成功的处理。 污水生物处理技术的发展趋势之一就是发展多单元组合工艺，包括厌氧和好 氧的两个过程在同一个反应器中进行，如悬浮生物( 活性污泥) 与附着生物( 生 物膜) 的组合，a o 工艺和活性生物滤池就是发展趋势的典型，这些结合了多种 工艺的长处，相互补充，无论在处理高浓度的有机污水中，还是在生物脱氮方面， 都获得了比较理想的效果。 目前用于污水处理的p s b 主要属于红螺菌科 2 3 1 ，它们不仅能在厌氧光照下 以低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、糖类、芳香族化合物等低级分子有机物作为 光合作用的电子供体，进行光能异氧生长，而且能在好氧黑暗的条件下，以有机 质作为呼吸基质，进行好氧异氧生长，因此，p s b 不像好氧的活性污泥微生物那 样受污水中溶解氧浓度的限制，又不像严格厌氧的产甲烷菌等对氧的存在特别敏 感，只要在p s b 处理系统中保持自然光和微好氧的条件，就可以维持p s b 在系 统中的优势，对污水进行有效处理。 p s b 法是模拟自然界微生物生态净化污水过程的典型体现1 2 4 | 。该工艺的第 一步是高浓度大分子有机物在异氧菌的作用下降解成为小分子有机物，即所谓可 溶化处理过程；第二步由光合细菌将小分子脂肪酸进一步降解，有机物浓度大幅 度降低；第三步用藻类或者好氧处理法使污水达到排放标准，其中关键是溶化处 9 第一章文献综述 理和保持光合细菌为优势菌种。光合细菌无论在厌氧还是在好氧状态下都能生 长，它具有能耐受高浓度、高负荷、高盐分和低温时处理效果稳定的特点，降解 有机物的速率比甲烷发酵快2 倍左右，与常规的活性污泥法相比较，p s b 法可以 节省基建投资3 9 一5 0 ，处理费用减少2 8 左右。 图1 2 光合细菌污水处理的一般工艺流程 f i g 1 - 2t h eo r d i n a r yt e c h n i c fp r o c e s so fp s b 目前，光合细菌典型的生物处理组合工艺有o 工艺、a 一刖o 工艺和o a 工艺三种。 a o 工艺是缺氧一好氧生物处理的简称，单级a o 工艺是指用一个缺氧反 应器和另j 个好氧反应器组成的联合系统，从好氧反应器出来的部分混合液通过 回流泵返回到缺氧反应器组成的系统，另一部分进入二沉池分离活性污泥后，上 清液作为出水。 a 一o 工艺是厌氧一缺氧一好氧生物处理的简称【2 5 】，由以上三段生物处理 装置所构成，它与a o 工艺的不同之处在于前端设置一个厌氧反应器，通过厌 氧过程来降解去除部分难降解的有机物，改善污水的可生化性，并达到处理较高 的c o d 、n h 3 n 的目的，初步的工艺流程：污水经过预处理后进入厌氧反应器， 使高浓度物质在该段得到部分降解，然后进入缺氧阶段，进行反硝化过程，然后 是进行氧化降解有机物和进行硝化反应的好氧段。 a 一o 工艺的特点主要表现在：适合于处理高浓度的c o d 和n h 3 - n 污 水。例如，对于进水c