废水的生化处理方法.doc

废水的生化处理方法废水生物处理是19世纪末出现的治理污水的技术，发展至今已成为世界各国处理城市生活污水和工业废水的主要手段。目前，国内己有近万座污水生物处理厂(站)投入运行。生物化学处理法简称生化法，是利用自然环境中的微生物，并通过微生物体内的生物化学作用来分解废水中的有机物和某些无机毒物(如氰化物、硫化物)，使之转化为稳定、无害物质的一种水处理方法。1916年在英国出现了第一座人工处理的曝气池，利用人工培养的微生物来处理城市生活污水，开始了生化处理的新时代。由于生化法处理废水效率高、成本低、投资省、操作简单，因此在城市污水和工业废水的处理中都得到广泛的应用。生化法的缺点是有时会产生污泥膨胀和上浮，影响处理效果；该法对要处理水的水质也有一定要求，如废水成份、pH值、水温等，因而限制了它的使用范围，另外，生化法占地面积也较大。属于生化处理法的有活性污泥法、生物过滤法、生物膜法、生物塘法和厌氧生物法等。一、微生物及其生化特性迄今为止，已知的环境污染物达数十万种之多，其中大量的是有机物。所有的有机污染物，可根据微生物对它们的降解性，分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解三大类。废水的生物处理就是利用微生物的新陈代谢作用处理废水的一种方法。微生物与其它生物一样，为了进行自身的生理活动，必须从周围环境中摄取营养物质并加以利用。这些营养物质在微生物体内，通过一系列的生物化学反应，使微生物获得需要的能量，同时微生物本身也得到繁殖、数量得到增加。在废水中存在着各种有机物和无机物。这些物质大部分都可以被微生物作为营养物质而加以利用。废水的生物处理实质就是将废水中含有的污染物质作为微生物生长的营养物质被微生物代谢、利用、转化，将原有的高分子有机物转化为简单有机物或无机物，使得废水得到净化。作为一个整体，微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物所分解。有些种类，如葱头假单胞菌甚至能降解90种以上的有机物，它能利用其中任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢。有毒的氰(腈)化物、酚类化合物等，也能被不少微生物作为营养物质利用、分解。半个多世纪以来，人工合成的有机物大量问世，如杀虫剂、除草剂、洗涤剂、增塑剂等，它们都是地球化学物质家族中的新成员。尤其是不少合成有机物的研制开发时的目的之一，就是要求它们具有化学稳定性。因此，微生物一接触这些陌生的物质，开始时难以降解也是不足为怪的。但由于微生物具有极其多样的代谢类型和很强的变异性，近年来的研究，已发现许多微生物能降解人工合成的有机物，甚至原以为不可生物降解的合成有机物，也找到了能降解它们的微生物。因此，通过研究，有可能使不可降解的或难降解的污染物转变为能降解的，甚至能使它们迅速、高效地去除。化学结构与生物降解的相关性归纳起来主要有以下几点：（1）烃类化合物一般是链烃比环烃易分解，直链烃比支链烃易分解，不饱和烃比饱和烃易分解。（2）主要分子链主要分子链上的C被其他元素取代时，对生物氧化的阻抗就会增强，也就是说，主链上的其他原子常比碳原子的生物利用度低，其中氧的影响最显著(如醚类化合物较难生物降解)，其次是s和N。（3）碳氢键每个C原子上至少保持一个氢碳键的有机化合物，对生物氧化的阻抗较小，而当C原子上的H都被烷基或芳基所取代时，就会形成生物氧化的阻抗物质。（4）官能团的性质及数量官能团的性质及数量对有机物的可生化性影响很大。例如，苯环上的氢被羟基或氨基取代，形成苯酚或苯胺时，它们的生物降解性将比原来的苯提高。卤代作用则使生物降解性降低，尤其是间位取代的苯环，其抗生物降解更明显。（5）分子量大小对生物降解性的影响很大高分子化合物，由于微生物及其酶难以扩散到化合物内部，袭击其中最敏感的反应键，因此使生物可降解性降低。由于废水中污染物的种类繁多，相互间的影响错综复杂，所以一般应通过实验来评价废水的可生化性，判断采用生化处理的可能性和合理性。二、有机污染物生物降解性的评定方法1BOD5/COD值法BOD5和COD是废水生物处理过程中常用的两个水质指标，用BOD5/COD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。在一股情况下，BOD5/COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。综合国内外的研究结果，可参照表8-4中所列数据评价废水的可生化性。表8-4 废水可生化性评价参考数据BOD5/COD0.450.30.450.20.30.40.20.40.2可生化性易生化可生化难生化三、生化处理方法概述生物处理法在城市污水的处理中使用得比较广泛。城市污水的处理分为三个级别，分别称为污水一级处理、污水二级处理和污水三级处理。污水一级处理就是使用物理处理方法，如格栅、沉淀池等去除水中不溶解的污染物。二级处理应用生物处理法，通过微生物的代谢作用进行物质的转化，将废水中的复杂有机构氧化降解为简单的物质。三级处理是用生物法、离子交换法等去除水中的氮和磷，并用臭氧氧化、活性炭吸附等去除难降解有机物，用反渗透法去除盐类物质，用氯化法对水进行消毒。我国目前正在努力普及二级处理，而二级处理中生物处理是最常采用的方法。不同的细菌对氧的反应变化很大，一些细菌只能在有氧存在的环境中生长，称需氧细菌(或称好氧细菌)，利用此类微生物的作用来处理废水称为好氧生物处理法。另一些细菌只能在无氧的环境中生长，叫厌氧细菌，相应的处理方法叫厌氧生物处理。介于两者之间的还有兼性微生物(在有氧或无氧的环境中均可生长)，但它们在废水处理中不起主要作用。按微生物的代谢形式，生化法可分为好氧法和厌氧法两大类；按微生物的生长方式可分为悬浮生物法和生物膜法，现归纳如下：图8-16 生物处理方法分类（一）废水的好氧生物处理在充分供氧的条件下，利用好氧微生物的生命活动过程，将有机污染物氧化分解成较稳定的无机物的处理方法，在工程上称为废水的好氧生物处理。微生物对有机污染物进行好氧分解的过程如下：溶解态的有机物可以直接透过细菌的细胞壁进入细胞内。固体或胶体的有机物先被细菌吸附，靠细菌所分泌的外酶作用，分解成溶解性的物质，然后，再渗入细菌细胞内，通过细菌自身的生命活动，在内酶的作用下，进行氧化、还原和合成过程。一部分被吸收的有机物氧化分解成简单的无机物，如有机物中的碳被氧化成二氧化碳，氢与氧化合成水，氮被氧化成氨、亚硝酸盐和硝酸盐，磷被氧化成磷酸盐，硫被氧化成硫酸盐等。与此同时释放出能量，作为细菌自身生命活动的能源，并将另一部分有机物作为其生长繁殖所需要的构造物质，合成新的原生质。好氧生物处理时，有机物的转化过程如图8-17所示。图8-17 有机物的好氧分解图示在废水好氧处理过程中，必须不间断地供给溶解氧。因为氧是有机物的最后氢受体，正是由于这种氢的转移，才使能量释放出来，成为细菌生命活动和合成新细胞物质的能源。有机物的好氧合成过程，也可以用下列生化反应式表示：（1）有机物的氧化分解(有氧呼吸)： （8-7）（2）原生质的同化合成(以氨为氮源)： （8-8）（3）原生质的氧化分解(内源呼吸)： （8-9）由此可以看出，当废水中营养物质充足，即微生物既能获得足够的能量，又能大量地合成新的原生质肘，微生物就不断增长。当废水中营养物质缺乏时，微生物只得依靠细胞内贮藏的物质，甚至把原生质也作为营养物质利用，以获得生命活动所需的最低限度得能源，这种情况下，微生物无论重量还是数量都是不断减少的。可见，要保证废水处理得效果， 首先必须有足够数量的微生物，同肘，还必须有足够数量的营养物质。在好氧生物处理过程中，有机物用于氧化与合成的比例，随废水中有机物性质而异。对于生活污水或与之相类似的工业废水，所产生的新细胞物质，约占全部有机物干重的5060。（二）废水的厌氧生物处理在断绝供氧的条件下，利用厌氧微生物的生命活动过程，使废水中的有机物转化成较简单的有机物和无机物的处理过程，在工程上称为废水的厌氧生物处理。有机物的厌氧分解过程分为两个阶段。在第一阶段中，产酸细菌把存在于废水中的复杂有机物转化成较简单的有机物(如有机酸、醇类等)和CO2、NH3、H2S等无机物。在第二阶段中，甲烷细菌接着将简单的有机物分解成甲烷和二氧化碳等。厌氧分解过程可用图8-18的简单图式来说明。图8-18 有机物厌氧分解图示厌氧分解过程中，由于缺乏氧作为氢受体，所以，对有机物的分解不彻底，贮于有机物中的化学能未全部释放出来。一般说来，微生物的厌氧生长条件比较严格。（三）好氧生物处理与厌氧生物处理的区别1起作用的微生物群不同 好氧生物处理是由一大群好氧菌和兼性厌氧菌起作用的；而厌氧生物处理是两大类群的微生物起作用，先是厌氧菌和兼性厌氧菌，后是另一类厌氧菌。2产物不同 好氧生物处理中，有机物被转化成CO2、H2O、NH3、-、等，且基本无害。厌氧生物处理中，有机物先被转化成为数众多的中间有机物(如有机酸、醇、醛等)，以及CO2、H2O等；其中有机酸、醇、醛等有机物又被另一群被称为甲烷菌的厌氧菌继续分解。由于能量的限制，其终产物受到较少的氧化作用，如有机碳常形成CH4，而不是CO2；有机氮形成氨、胺化物或氮气，而不是亚硝酸盐或硝酸盐；硫形成H2S，而不是SO2或等。产物复杂，有异臭，一些产物可作燃料。3反应速率不同 好氧生物处理由于有氧作为氢受体，有机物转化速率快，需要时间短。可用较小的设备处理较多的废水；厌氧生物处理反应速率慢，需要时间长，在有限的设备内，仅能处理较少量废水或污泥。4对环境要求条件不同 好氧生物处理要求充分供氧，对环境条件要求不太严格；厌氧生物处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件(如PH值、温度)要求甚严。好氧生物处理与厌氧生物处理都能完成有机污染物的稳定化，但在实际中究竟采用哪种方法，要视具体情况而定。采用厌氧法处理废水，除需要时间长外，处理水发黑，有臭味，且BOD浓度仍然很高；如果废水的BOD5浓度较低，所需的处理设备将很庞大。所以，一般废水中有机物浓度若超过1%(约l0000毫克/升)，才用厌氧生物处理。目前的厌氧生物处理多用于处理沉淀池的有机污泥和高浓度有机废水(象屠宰、酿造工业、食品工业等生产废水)。而好氧生物处理则多用于处理有机污染物浓度较低或适中的废水。四、活性污泥法活性污泥法是当前应用最为广泛的一种生物处理技术，活性污泥就是生物絮凝体，上面栖息、生活着大量的好氧微生物，这种微生物在氧分充足的环境下，以溶解型有机物为食料获得能量、不断生长，从而使废水得到净化。该方法主要用来处理低浓度的有机废水。本方法的主要设备为反应装置和提供氧气的曝气设备。1活性污泥法基本原理(1) 活性污泥法的基本流程传统的活性污泥法由初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、供氧装置以及回流设备等组成，基本流程如图8-19所示。由初沉池流出的废水与从二沉池底部流出的回流污泥混合后进入曝气池，并在曝气池充分曝气产生两个效果：活性污泥处于悬浮状态，使废水和活性污泥充分接触；保持曝气池好氧条件，保证好氧微生物的正常生长和繁殖。废水中的可溶性有机物在曝气池内被活性污泥吸附、吸收和氧化分解，使废水得到净化。二次沉淀的作用有两个：将活性污泥与已被净化的水分离；浓缩活性污泥，使其以较高的浓度回流到曝气池。二沉池的污泥也可以部分回流至初沉池，以提高初沉效果。图8-19 活性污泥法基本流程活性污泥系统有效运行的基本条件是：废水中含有足够的可溶性易降解有机物，作为微生物生理活动必需的营养物质；混合液含有足够的溶解氧；活性污泥在池内呈悬浮状态，能够充分与废水相接触；活性污泥连续回流、及时地排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥；没有对微生物有毒害作用的物质进入。(2) 活性污泥的性能及其评价指标1)活性污泥的组成活性污泥由四部分物质组成：具有活性的微生物群体(Ma)；微生物自身氧化的残留物质(Me)；原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质(Mi)；原污水挟入的无机物质(Mii)。2)活性污泥评价指标性能良好的活性污泥应松散(有利吸附和氧化有机物)并具有良好的凝聚沉淀性能(利于处理后的清水分离)，通常用下列几个指标来评价活性污泥的优劣，以便控制系统的正常运行。污泥浓度(MLSS) 又称混合液悬浮固体浓度，是指曝气区内1升混合液所含悬浮物量，以mg/L表示。它表示混合液中活性污泥的浓度，在单位体积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量，即MLSSMaMeMiMii （8-10）MLSS反映出活性污泥所含微生物多少和处理有机物能力的强弱。包括具有活性的微生物群体、自身氧化残留物、微生物不能降解的有机物和无机物等四部分。适宜的浓度应根据具体情况确定，一般废水处理可取21034103 mg/L。混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS) 表示活性污泥中有机性固体物质的浓度，即MLVSSMa+Me+Mi (8-11)在一定条件下，MLVSS/MLSS值较稳定，城市污水的活性污泥介于0.750.85之间。活性污泥的性能主要表现为沉淀性和絮凝性，活性污泥的沉降经历絮凝沉淀、成层沉淀，并进入压缩过程。性能良好具有一定浓度的活性污泥在30min内即可完成絮凝沉淀和成层沉淀过程，为此建立了以活性污泥静置30min为基础的指标表示其沉降浓缩性能。污泥沉降比(SV%) 1L混合液静置沉降30min后，沉淀污泥占混合液的体积百分比。它反映出污泥的凝聚-沉淀性能和污泥量的多少，以便控制污泥排除时间和排除数，一般取1540。污泥体积指数(污泥指数)(SVI) 污泥指数也称污泥容积指数，是指混合液经30min沉降后，1g干污泥在湿的时候所占体积，以mL/g计。 （mL/g） (8-12)它反映出污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。该值越低，则说明污泥颗粒小而紧密易沉降，但活性和吸附力低，含无机物多；过高则太松散，难以沉淀，将要或已经发生污泥膨胀现象。对于城市污水的活性污泥SVI值为50150之间。污泥龄 活性污泥在曝气池内的平均停留时间，即曝气池内活性污泥的总量与每日排放污泥量之比，污泥龄是活性污泥系统设计与运行管理的重要参数，它能够直接影响曝气池内活性污泥的性能和功能。通过调节废弃污泥量就可以改变污泥龄的值，把它控制在适宜于细菌增殖的时间范围内，一般为314天。2活性污泥法的运行方式活性污泥法已应用了80余年，为了适应不同处理要求，降低费用,经过不断发展，已形成了多种运行方式，下面做简单介绍。（1）普通活性污泥法普通活性污泥法也称传统活性污泥法，是在废水的自净作用原理下发展而来的。废水在经过沉砂、初沉等工序进行一级处理，去除了大部分悬浮物和部分BOD后即进人一个人工建造的池子，池子犹如河道的一段，池内有无数能氧化分解废水中有机污染物的微生物。同天然河道相比，这一人工的净化系统效率极高，大气的天然复氧根本不能满足这些微生物氧化分解有机物的耗氧需要，因此在池中需设置鼓风曝气或机械翼轮曝气的人工供氧系统，池子也因此而被称为曝气池。废水在曝气池停留一段时间后，废水中的有机物绝大多数被曝气池申的微生物吸附、氧化分解成无机物，随后即进入另一个池子沉淀池。在沉淀池中，成絮状的微生物絮体-活性污泥下沉，处理后的出水上清液即可溢流而被排放。为了使曝气池保持高的反应速率，必须使曝气池内维持足够高的活性污泥微生物浓度。为此，沉淀后的活性污泥又回流至曝气池前端，使之与进入曝气池的废水接触，以重复吸附、氧化分解废水中的有机物。在连续生产(连续进水)条件下，活性污泥中微生物不断利用废水中的有机物进行新陈代谢，由于合成作用的结果，活性污泥数量不断增长，因此曝气池中活性污泥的量愈积愈多，当超过一定的浓度时，应适当排放一部分，这部分被排去的活性污泥常称作剩余污泥。普通活性污泥法工艺流程见图8-20。图8-20 普通活性污泥法的工艺流程曝气池中污泥浓度一般控制在23g/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常采用48h，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%，视活性污泥含水率而定。曝气池中水流是纵向混合的推流式。在曝气池前端，活性污泥同刚进入的废水相接触，有机物浓度相对较高，即供给活性污泥微生物的食料较多，所以微生物生长一般处于生长曲线的对数生长期后期或稳定期。由于普通活性污泥法曝气时间比较长，当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时，废水中有机物已几乎被耗尽，污泥微生物进入内源代谢期，它的活动能力也相应减弱，因此，在沉淀池中容易沉淀，出水中残剩的有机物数量较少。处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物，所以普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高，可达到9095%。普通活性污泥法也有它的不足之处，主要是:对水质变化的适应能力不强;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(见图8-21)。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。图8-21 曝气池中供水量和需氧量之间的关系（2）阶段曝气法阶段曝气法也称为多点进水活性污泥法，它是普通活性污泥法的一个简单的改进，可克服普通活性污泥法供氧同需氧不平衡的矛盾。图8-21图示了普通活性污泥法与阶段曝气法的曝气池中供氧量和需氧量之间的关系。阶段曝气法的工艺流程如图8-22所示。从图中可见，阶段曝气法中废水沿池长多点进入，这样使有机物在曝气池中的分配较为均匀，从而避免了前端缺氧、后端氧过剩的弊病，从而提高了空气的利用效率和曝气池的工作能力;并且由于容易改变各个进水口的水量，在运行上也有较大的灵活性。经实践证明，曝气池容积同普通活性污泥法比较可以缩小30%左右。图8-22 阶段曝气法的工艺流程（3）渐减曝气法（a）工艺流程（b）曝气池中供氧量和需氧量之间的关系图8-23 渐减曝气法克服普通活性污泥法曝气池中供氧、需氧不平衡的另一个改进方法是将曝气池的供氧沿活性污泥推进方向逐渐减少，这即为渐减曝气法。该工艺曝气池中的有机物浓度随着向前推进不断降低，污泥需氧量也不断下降，曝气量相应减少，如图8-23所示。 图8-24 吸附再生活性污泥的工艺流程（4）吸附再生活性污泥法吸附再生活性污泥法系根据废水净化的机理、污泥对有机污染物的初期高速吸附作用，将普通活性污泥法作相应改迸发展而来。图8-24所示为这一工艺的基本流程。曝气池被一隔为二，废水在曝气池的一部分 吸附池内停留数十分钟，活性污泥同废水充分接触，废水中有机物被污泥所吸附，随后进入二沉池，此时，出水已达很高的净化程度。泥水分离后的回流污泥再迸入曝气池的另一部分再生池，池中曝气但不进废水，使污泥中吸附的有机物进一步氧化分解。恢复了活性的污泥随后再次迸入吸附池同新进入的废水接触，并重复以上过程。为了更好地吸附废水中的污染物质，吸附再生活性污泥法所用的回流污泥量比普通活性污泥法多，回流比一般为50%10%。此外，吸附池和再生池的总容积比普通活性污泥法的曝气池小得多，空气用量并不增加，因此，减少了占地和降低了造价。由于其回流污泥量较多，又使之具有较强的调济平衡能力，以适应进水负荷的变化。它的缺点是去除率较普通活性污泥法低，尤其是对溶解性有机物较多的工业废水(活性污泥对溶解性有机物的初期吸附作用效果较差)，处理效果不理想。（5）完全混合活性污泥法完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同，但废水和回流污泥进入曝气池时，立即与池内原先存在的混合液充分混合。依构筑物的曝气池和沉淀池合建或分建的不同可分成两种类型。其流程见图8-25。图8-25 完全混合活性污泥法（6）批式活性污泥法批式活性污泥法(又称序批式反应器,Sequencing Batch Reactor，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，生化反应呈分批进行，基本工作周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置五个阶段组成(图8-26)。图8-26 批式活性污泥法运行周期进水期是指反应器从开始进水到达到反应器最大体积的一段时间，这时已同时进行着生物降解反应。在反应期中，反应器不再进水，废水处理逐渐达到预期的效果。进人沉降期时，活性污泥沉降，固、液分离，上清液即为处理后的水，并于排放期外排。这以后的一段时期直至下一批废水进入之前即为闲置期，活性污泥在此阶段进行内源呼吸，反硝化细菌亦可利用内源碳进行反硝化脱氮。与其他活性污泥工艺相比较，SBR具有下述特点:1）构造简单，投资节省SBR的曝气、沉淀在同一池内，省去了二沉池、回流装置和调蓄池等设施，因此，基建投资较低，是特别适合于乡村地区或仅设常日班的工厂的废水处理系统。2）控制灵活，可满足各种处理要求在SBR的运行过程中，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、污泥产率低由于SBR在进水初期有机物浓度高，污泥絮体内部的菌胶团细菌也能获得充足的营养，因此，有利于菌胶团细菌的生长，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降，因此污泥沉降时间短，效率高。SBR的运行周期中有一闲置期，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SBR系统可通过控制合适的充气、停气为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的好氧、缺氧反硝化脱氮条件，此外，反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化，因此去氮效果好。五、生物膜法生物膜法和活件污泥法一样，同属好氧生物处理方法。但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活件污泥来分解有机物的，而生物膜法则主要依靠固着于载体表面的微生物膜来净化有机物。与活性污泥法相比，生物膜法具有以下特点：a) 生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便，不会发生污泥膨胀；b) 微生物固着在载体表面、世代时间较长的高级微生物也能增殖，生物相更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少；c) 能够处理低浓度的污水；d) 生物膜法也存在有不足之处：生物膜载体增加了系统的投资；载体材料的比表面积小，反应装置容积负荷有限、空间效率低，在处理城市污水时处理效率比活性污泥法低，因此，生物膜法主要适用于中小水量污水的处理。生物膜法设备类型很多，按生物膜与废水的接触方式不同，可分为填充式和浸渍式两类。在填充式生物膜法中，废水和空气沿固定的填料或转动的盘片表面流过，与其上生长的生物膜接触，典型设备有生物滤池和生物转盘。在浸渍式生物膜法中，生物膜载体完全浸没在水小，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。目前所采用的生物膜法多数是好氧装置，少数是厌氧形式，如厌氧滤池和厌氧流化床等。本章主要讨论好氧生物膜法。根据装置的不同，可分为生物滤池，生物转盘和生物接触氧化法等三种。（一）生物膜法处理废水的机理生物膜法处理废水就是使废水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物将有机物氧化，使废水获得净化，同时，生物膜内微生物不断生长与繁殖。生物膜在载体上的生长过程是这样的：当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体时，水中的悬浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有机底物而生长繁殖，逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。这层生物膜具有生物化学活性，又进一步吸附、分解废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。为了保持好氧性生物膜的活性，除了提供废水营养物外，还应创造个良好的好氧条件，亦即向生物膜供氧。在填充式生物膜法设备中常采用自然通风或强制自然通风供氧。氧透入生物膜的深度取决于它在膜中的扩散系数，固液界面处氧的浓度和膜内微生物的氧利用率。对给定的废水流量和浓度，好氧层的厚度是定的。增大废水浓度将减小好氧层的厚度，而增大废水流量则将增大好氧层的厚度。图8-27 生物膜中的物质传递生物膜中物质传递过程加图8-27所示。由于生物膜的吸附作用，在膜的表面存在个很薄的水层(附着水层)。废水流过生物膜时，有机物经附着水层向膜内扩散。膜内微生物在氧的参加下对有机物进行分解和机体新陈代谢。代谢产物沿底物扩散相反的方向，从生物膜传递返回水相和空气中。随着废水处理过程的发展，微生物不断生长繁殖，生物膜厚度不断增大，废水底物及氧的传递阻力逐渐加大，在膜表层仍能保持足够的营养以及处于好氧状态，而在膜深处将会出现营养物或氧的不足，造成微生物内源代谢或出现厌氧层，此处的生物膜因与载体的附着力减小及水力冲刷作用而脱落。老化的生物膜脱落后，载体表面又可重新吸附、生长、增厚生物膜直至重新脱落，从吸附到脱落，完成一个生长周期。在正常运行情况下，整个反应器的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对稳定，膜厚23mm，净化效果良好。过厚的生物膜并不能增大底物利用速度、却可能造成堵塞，影响正常通风。因此，当废水浓度较大时，生物膜增长过快，水流的冲刷力也应加大，如依靠原废水不能保证其冲刷能力时，可以采用处理出水回流，以稀释进水和加大水力负荷，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度。生物膜中的微生物主要有细菌(包括好氧、厌氧及兼性细菌)、真菌、放线面、原生动物(主要是纤毛虫)和较高等的动物，其中藻类、较高等生物比活性污泥法多见。微生物沿水流方向在种属和数目上具有一定的分布。在塔式生物滤池中，这种分层现象更为明显。在填料上层以异养细菌和营养水平较低的鞭毛虫或肉足虫为主，在填料下层则可能出现世代期长的硝化菌和营养水平较高的固着型纤毛虫。真菌在生物膜中普遍存在，在条件合适时，可能成为优势种。在填充式生物膜法装置中，当气温较高和负荷较低时，还容易孽生灰蝇，它的幼虫色白透明，头粗尾细，常分布在生物膜表面，成虫后在生物膜周围翔栖。生物相的组成随有机负荷、水力负荷、废水成分、pH值、温度、通风情况及其他影响因素的变化而变化。（二）生物滤池生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上发展起来的人工生物处理技术，是对上述过程的强化。生物滤池的基本工艺如图8-28所示。进入生物滤池的污水需经过预处理去除悬浮物等可能堵塞滤料的污染物，并使水质均化，在生物滤池后设二沉池，以截留污水中脱落的生物膜、保证出水水质。图8-28 生物膜法基本工艺流程表8-6普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池的性能比较生物滤池的主要特征是池内滤料是固定的，废水自上而下流过滤料层。由于和不同层面微生物接触的废水水质不同，因而微生物组成也不同，使得微生物的食物链长，产生污泥量少。当负荷低时，出水水质可高度硝化。生物滤池运行简易，且依靠自然通风供氧，运行费用低，生物滤池在发展过程中，经历了几个阶段，从低负荷发展为高负荷，突破了传统采用滤料层高度；扩大了应用范围。目前使用较多的生物滤池有普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池(超速滤池)三种，表8-6为性能比较表。1.普通生物滤池普通生物滤池又叫滴滤池，是生物滤池早期的类型，即第一代生物滤池。(1)构造由池体、滤床、布水装置和排水系统组成，其构造如图8-29所示。池体 普通生物滤池池体的平面形状图8-29 普通生物滤池构造示意图多为方形、矩形和圆形。池壁一般采用砖砌或混凝土建造，有的池壁上带有小孔，用以促进滤层的内部通风，为防止风吹而影响废水的均匀分布，池壁顶应高出滤层表面0.40.5m，滤池壁下部通风孔总面积不应小于滤池表面积的1%。滤床 滤床由滤料组成，滤料对生物滤池工作有很大的影响，对污水起净化作用的微生物就是生长在滤料表面上。滤料应采用强度高、耐腐蚀、质轻、颗粒均匀、比表面积大、空隙率高的材料。过去常用球状滤料，如碎石、炉渣、焦炭等。一般分成工作层和承托层两层：工作层粒径为2540mm，厚度为1.31.8m；承托层粒径为60100mm，厚度为0.2m。近年来，常采用塑料滤料，其表面积可达100200m2/m3，孔隙率高达80%90%；滤料粒径的选择对滤池工作影响较大，滤料粒径小，比表面积大，但孔隙率小，增加了通风阻力，相反粒径大，比表面积小，影响污水和生物膜的接触面积。粒径的选择还应综合考虑有机负荷和水力负荷的影响，当负荷较高时采用较大的粒径。布水装置 布水装置的作用是将污水均匀分配到整个滤池表面，并应具有适应水量变化、不易堵塞和易于清通等特点。根据结构可分成固定式和活动式两种。排水系统 排水系统设于池体的底部，包括渗水装置、集水渠和总排水渠等。普通生物滤他的特点普通生物滤池的优点有：(a)处理效果好，BOD5的去除率可达95以上；(b)运行稳定、易于管理、节省能源。其主要缺点是负荷低、占地面积大、处理水量小、滤池易堵塞、易产生池妈蝇散发臭味、卫生条件差。一般适用于处理每日污水量不高于1000m3的小城镇污水和工业有机污水。2.高负荷生物滤池高负荷生物滤池是为解决普通生物滤池在净化功能和运行中存在的实际负荷低、易堵塞等问题而开发出来的。高负荷生物滤池是通过限制进水BOD5值和在运行上采取处理水回流等技术来提高有机负荷率和水力负荷率，分别为普通生物滤池的68倍和10倍。(1)高负荷生物滤池的工艺流程高负荷生物滤池的工艺流程设计主要采用处理水回流技术来保证进入的BOD5值低于200mg/L，处理水回流后具有下列作用：(a)均化与稳定进水水质；(b)加大水力负荷，及时冲刷过厚和老化的生物膜，加速生物膜的更新，抑制厌氧层发育，使生物膜保持较高的活性；(c)抑制池蝇的滋长；(d)减轻臭味的散发。采取处理水回流措施，使高负荷生物滤池具有多种多样的流程，图8-30为单池系统的几种有代表性的流程。流程(1)将生物滤池出水直接回流，二沉池的生物污泥回流到初沉池有助于生物膜接种、促进生物膜更新；同时对初沉池的沉淀效果将有所提高。但回流的生物膜易堵塞滤料。流程(2)和流程(1)相比可避免加大初沉池的容积，流程(3)能提高初沉池效果，但提高了初沉池的负荷。流程(4)的特点是不设二沉池，滤池出水(含生物污泥)直接回流到初沉池，这样能提高初沉池效果，并使其兼行二沉他的功能，本工艺适用于含悬浮固体量较高而溶解性有机物浓度较低的废水。当原污水浓度较高或对处理水质要求较高时，可以考虑二段滤池处理系统，其主要工艺流程如图8-31所示。二段生物滤池的有机物去除率可达90以上，但负荷不均是其主要缺点：一段负荷高，生物膜生长快，脱落的生物膜易于沉积并产生堵塞现象，二段负荷低，生物膜生长不佳，没有充分发挥净化功能。为此可采用交替式二段生物滤池，两种流程定期交替运行。图8-30 单池高负荷生物滤池流程 图8-31 二段法高负荷生物滤池系统（三）生物转盘生物转盘是在生物滤池基础上发展起来的一种高效、经济的污水生物处理设备。它具有结构简单、运转安全、电耗低、抗冲击负荷能力强，不发生堵塞的优点。目前已广泛运用到我国的生活污水以及许多行业的工业废水处理中、并取得良好效果。1生物转盘的结构及净化作用原理(1)生物转盘构造生物转盘污水处理装置由生物转盘、氧化槽和驱动装置组成，构造如图8-32所示。生物转盘由固定在一根轴上的许多间距很小的圆盘或多角形盘片组成，盘片是生物转盘的主体，作为生物膜的载体要求具有质轻、强度高、耐腐蚀、防老化、比表面积大等特点，氧化槽位于转盘的正下方，一般采用钢板或钢筋混凝土制成与盘片外形基本吻合的半圆形，在氧化槽的两端设有进出水设备，槽底有放空管。(2)净化原理生物转盘在旋转过程中，当盘面某部分浸没在污水中时，盘上的生物膜便对污水中的有机物图8-32 生物转盘构造进行吸附；当盘片离开液面暴露在空气中时，盘上的生物膜从空气中吸收氧气对有机物进行氧化。通过上述过程，氧化槽内污水中的有机物减少，污水得到净化。转盘上的生物膜也同样经历挂膜、生长、增厚和老化脱落的过程，脱落的生物膜可在二次沉淀池中去除。生物转盘系统除有效地去除有机污染物外，如运行得当可具有硝化、脱氮与除磷的功能。2生物转盘的组合形式及工艺流程根据生物转盘的转轴和盘片的布置形式，生物转盘可以是单轴单级形式(图8-32)以组合成单轴多级(图8-33)或多轴多级(图8-34)形式。图8-33 单轴多级生物转盘示意图 图8-34 多轴多级生物转盘示意图图8-36 生物转盘二级污水处理工艺流程城市污水生物转盘系统的基本工艺流程如图8-35所示。对于高浓度有机废水可采用图8-36所示的工艺加油流程，该流程能够将BOD值由数千mg/L降至20mg/L。图8-35 生物转盘污水处理系统基本工艺流程根据上述的工艺流程，生物转盘污水处理系统具有如下特征：微生物浓度高，特别是最初几级生物转盘，这是生物转盘效率高的主要原因；反应槽不需要曝气，污泥勿需回流，因此动力消耗低，这是本法最突出的特征，耗电量为0.7kWh/kg BOD5，运行费用低；生物膜上微生物的食物链长，产生污泥量少，在水温为520的范围内，BOD的去除率为90时，去除1kgBOD的污泥产量为0.25kg。六 厌氧生物处理法厌氧生物处理是在无氧的情况下，利用兼性菌和厌氧菌的代谢作用，分解有机物的一种生物处理法。是一种低成本的废水处理技术，它能在处理废水过程中回收能源。厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥和高浓度有机废水，也用于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点。(1)应用范围广 好氧法因供氧限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的、如固体有机物、着色剂蒽酿和某些偶氮染料等。(2)能耗低 好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要允氧，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。(3)负荷高 通常好氧法的有机容积负荷为24kgBOD/m3.d，而厌氧法为210kg COD/m3.d，高的可达50kgCODm3.d。(4)剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好 好氧法每去除1kg COD将产生0.40.6 kg生物量，而厌氧法去除1kg COD只产生0.020.1kg 生物量，其剩余污泥量只有好氧法的520。同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。(5)氮、磷营养需要量较少 好氧法一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法的BOD：N：P为100：2.5：0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。(6)厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。(7)厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。与好氧反应器相比，在停止运行一段时间后，能较迅速启动。但是，厌氧生物处理法也存在下列缺点：(1)厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理时间比好氧设备长。(2)处理后的出水水质差，往往需进一步处理才能达标排放。1. 厌氧消化原理复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态及物性变化，可分为以下三个阶段。第一阶段为水解阶段。废水中的不溶性大分子有机物(如蛋白质、多糖类、脂类等)经发酵细菌水解后，分别转化为氨基酸、葡萄糖和甘油等水溶性的小分子有机物。水解过程通常较缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。由于简单碳水化合物的分解产酸作用，要比含氮有机物的分解产氨作用迅速，故蛋白质的分解在碳水化合物分解后产生。含氮有机物分解产生的NH3除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，形成NH4HCO3，具有缓冲消化液pH值的作用，故有时也把继碳水化合物分解后的蛋白质分解产氨过程称为酸性减退期，反应为：第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2，如：第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲院，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的13，后者约占23，反应为：上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤；简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡，这种动态平衡一旦被pH值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，其至会导致整个厌氧消化过程停滞。2. 影响厌氧处理的因素（1）温度 温度是影响微生物生命活动最重要的因素之一，其对厌氧微生物及厌氧消化的影响尤为显著。各种微生物都在一定的温度范围内生长，根据微生物生长的温度范围，习惯上将微生物分为三类：(a)嗜冷微生物，生长温度为520 ；(b)嗜温微生物，生长温度2042；(c)嗜热微生物，生长温度4275。相应地厌氧废水处理也分为低温、中温和高温三类。这三类微生物在相应的适应温度范围内还存在最佳温度范围，当温度高于或低于最佳温度范围时其厌氧消化速率将明显降低。在工程运用中，中温工艺中以3040 最为常见，其最佳处理温度在3540；高温工艺以5060 最为常见，最佳温度为55。在上述范围里，温度的微小波动(例如13)对厌氧工艺不会有明显的影响，但如果温度下降幅度过大，则由于微生物活力下降，反应器的负荷也将降低。（2）pH值 产甲烷菌对pH值变化适应性很差，其最佳范围为6.87.2，超出该范围厌氧消化细菌会受到抑制。（3）氧化还原电位 绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，产甲烷菌的最适氧化还原电位为150400mV，培养甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于330mV。（4）营养 厌氧微生物对碳、氮等营养物质的要求略低于好氧微生物，需要补充专门的营养物质有钾、钠、钙等金属盐类，它们是形成细胞或非细胞的金属络合物所需要的物质，同时也应加入镍、铝、钴、钼等微量金属，以提高若干酶的活性。（5）有机负荷 在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量(kg COD/m3.d)。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kg COD/(Kg 污泥.d)；在污泥消化中，有促负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即kg MLVSS/(m3.d)。有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位重量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。对于具体应用场合，进料的有机物浓度是一定的，有机负荷或投配率的提高意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，势必使单位重量物料的产气量减少。但因反应器相对的处理量增多了，单位容积的产气量将提高。有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水废物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，采用常规厌氧消化工艺，中温处理高浓