矿业环境工程十二

1、 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物共同作用，使在厌氧条件下由多种微生物共同作用，使有机物分解并生成有机物分解并生成CH4和和CO2 的过程。的过程。 这种过程广泛存在于自然界。这种过程广泛存在于自然界。 1881年法国报道了罗伊斯年法国报道了罗伊斯莫拉斯莫拉斯(LouisBouras)发明的发明的“自动净化器自动净化器”，人类开，人类开始始了利用厌氧消化处理废水的历史，至今已有了利用厌氧消化处理废水的历史，至今已有100多年。多年。 第九节第九节 废水的生物处理废

2、水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 1. 厌氧消化的三阶段理论厌氧消化的三阶段理论 1979年布利安特(Bryant)等人提出了厌氧消化的三阶段理论厌氧消化的三阶段理论，认为厌氧消化过程是按以下三步进行的： 第一阶段：水解、发酵阶段。第一阶段：水解、发酵阶段。 复杂有机物在微生物作用下进行水解和发酵。 例如: 多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙酸和脂肪酸，如丙酸、丁酸、乳酸等； 蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 1. 厌氧消化的三阶段理论厌氧消化的三阶段理论 第二阶段：产氢、

3、产乙酸阶段。第二阶段：产氢、产乙酸阶段。 是由一类专门的细菌，称为产氢产乙酸细菌，将丙酸、丁酸等脂 肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和CO2。 第三阶段：产甲烷阶段第三阶段：产甲烷阶段。 由产甲烷细菌利用乙酸和H2、CO2，产生CH4。 研究表明，厌氧生物处理过程中约有70CH4产自乙酸的分解， 其余少量则产自H2和CO2的合成。 三阶段理论已被公认为对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 2. 厌氧消化微生物厌氧消化微生物 发酵细菌发酵细菌(产酸细菌产酸细菌)：主要包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌属和 双歧杆菌

4、属等。 这类细菌的主要功能：先通过胞外酶的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机 物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。 产氢产乙酸细菌：产氢产乙酸细菌：多年来的研究所发现的产氢产乙酸细菌包括互营单胞菌 属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属等。 这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。其反应如下： 上述反应只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很低时才能完成。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 2.厌氧消化微生物厌氧消化微生物 产甲烷细菌产甲烷细菌: 产甲烷菌大致可分为两类：一类主要利用乙酸产生甲烷，另一类数量较少，利用氢和CO2的合成生成甲烷。也

5、有极少量细菌，既能利用乙酸，也能利用氢。 最常见的是产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产甲烷八叠球菌、产甲烷螺菌和产甲烷丝菌等。 以下是两个典型的产甲烷反应： 产甲烷菌都是绝对厌氧细菌产甲烷菌都是绝对厌氧细菌，要求生活环境的氧化还原电位在-150-400mV范围内。氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用,有报道溶解氧0.01mg/L产甲烷菌被完全抑制。 产甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期长，甚至达4-6天， 因此在一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的控制阶段。在一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的控制阶段。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 2.厌氧消化微生物厌氧消化微生物

6、 厌氧微生物群体间的关系厌氧微生物群体间的关系 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pHpH值值 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 3.厌

7、氧生物处理的影响因素厌氧生物处理的影响因素 (1)温度：温度： 对厌氧微生物及厌氧消化的影响显著对厌氧微生物及厌氧消化的影响显著。 由图可见，厌氧消化速率随温度的变化比较复杂，在厌氧消化过程中存在着两个不同的最佳温度范围，一为55左右，一为35左右。 随着各种新型厌氧反应器的开发，温度对厌氧消化的影响由于生物量的增加而变得不再显著. 因此处理废水的厌氧消化反应常在常温条件处理废水的厌氧消化反应常在常温条件(2025)下进行，以节省能下进行，以节省能量的消耗和运行费用。量的消耗和运行费用。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理 二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 3.厌氧生物处理的影响因素厌

8、氧生物处理的影响因素 (2) pH值值 产甲烷菌对产甲烷菌对pH值变化的适应性很差值变化的适应性很差，其最适最适pH值范围为值范围为 6.87.2。在pH6.5以下或8.2以上的环境中，厌氧消化会受到严重的抑制，这主要是对产甲烷菌的抑制。 水解细菌和产酸菌也不能承受低水解细菌和产酸菌也不能承受低pH值的环境。值的环境。 (3) 氧化还原电位氧化还原电位 绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，用氧化还原电位表示厌 氧反应器中的气氛: 不产甲烷菌可以在氧化还原电位为不产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100-100mV的环境下进行正常的的环境下进行正常的生理活动，生理活动， 产甲烷菌的最适氧

9、化还原电位为产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150-400mV。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 3.厌氧生物处理的影响因素厌氧生物处理的影响因素 (4)营养营养 厌氧微生物对碳、氮等营养物质的要求略低于好氧微生物，但大多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能。为了保证细菌的增殖和活动，还需要补充某些专门的营养。 厌氧过程中，微生物对氮、磷的需要量比例：厌氧过程中，微生物对氮、磷的需要量比例：BOD：N：P100：0.5：0.1 (5)食料微生物比食料微生物比 厌氧生物处理可采用较好氧生物处理高得多的有机负荷，一般可达 5-10kgCOD/(

10、m3.d)，也有的甚至可高达50kgCOD/(m3.d) 。 (6)有毒物质有毒物质 最常见的抑制性物质为硫化物、氨氮、重金属、氰化物以及某些人工合成的有机物。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 4. 与好氧生物处理相比，厌氧生物处理的主要特征与好氧生物处理相比，厌氧生物处理的主要特征 (1)能量需求大大降低，还可产生能量。能量需求大大降低，还可产生能量。 这是因为厌氧生物处理不要求供给氧气，相反却能生产出含有5070甲烷(CH4)的沼气，含有较高的热值(2100025000KJm3)，可以用作能源。 去除l kg COD，好氧生物处理一般需消耗0.5

11、-1.0kWh电能，而厌氧生物处理每去除l kg COD约能产生3.5kW.h电能。 (2)污泥产量极低污泥产量极低。 这是因为厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。好氧生物处理的污泥产量为250600g VSSkg COD(去除)，而厌氧生物处理的污泥产量为20180gVSS /kg COD(去除)。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 4.与好氧生物处理相比，厌氧生物处理的主要特征与好氧生物处理相比，厌氧生物处理的主要特征 (3)对温度、对温度、pH等环境因素更为敏感。等环境因素更为敏感。 厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类，其适宜的温度范围分别为

12、55 左右和35 左右。如温度降至10以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下。而好氧微生物对温度的适应能力较强，在5 以上的温度条件下均能较好地发挥作用。产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为小。 (4)处理后废水有机物浓度高于好氧处理处理后废水有机物浓度高于好氧处理。 (5)厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解(或部分降解或部分降解)。 (6)处理过程的反应较复杂。处理过程的反应较复杂。 厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物学过程，远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。 第九节第九节 废水的生物处

13、理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 5. 厌氧生物处理应用厌氧生物处理应用 厌氧消化池、厌氧接触法、厌氧生物滤池、厌氧污泥床反应器、厌氧附着膜膨胀床、厌氧消化池、厌氧接触法、厌氧生物滤池、厌氧污泥床反应器、厌氧附着膜膨胀床、厌氧流化床等。厌氧流化床等。 例例 厌氧生物滤池厌氧生物滤池 厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料表面有以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的孔隙中则截留了大量悬浮生长的微生物，废水通过滤料层时，有机物被截留、吸附及代谢分解，最后达到稳定化。 （1）滤料）滤料 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 5. 厌氧生

14、物处理应用厌氧生物处理应用 例例 厌氧生物滤池厌氧生物滤池 （2）构造）构造 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理二、厌氧生物处理二、厌氧生物处理 5. 厌氧生物处理应用厌氧生物处理应用 例例 厌氧生物滤池厌氧生物滤池 （3）运行特征）运行特征 生物膜厚14mm，生物量浓度沿滤料层高度而变化。 适用于不同类型、不同浓度的有机废水，其有机负荷一般为0.2-16kgCOD/(m3.d)，取决于被处理废水的性质。 （4）应用实例）应用实例 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理三、废水生物脱氮技术三、废水生物脱氮技术 1. 水中氮的存在形式水中氮的存在形式 氨氮在水中是以NH3或NH4+两

15、种形式存在，即： 氨在25C时的离解常数Ka=5.610-10，当水的pH=8时，计算可知，此时NH4+所占的比例为94.6。若水的pH=7， NH4+所占的比例为99.4。 可见，在大部分污水生物处理设备中，氨氮主要是以在大部分污水生物处理设备中，氨氮主要是以NH4+的形式存在的形式存在。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理三、废水生物脱氮技术三、废水生物脱氮技术 2. 生物脱氮原理生物脱氮原理 生物脱氮是污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-, 最后再由反硝化细菌将N03- 还原转化为N2，从而达到脱氮的目的。

16、 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理三、废水生物脱氮技术三、废水生物脱氮技术 2生物脱氮原理生物脱氮原理 (1)氨化反应氨化反应 在氨化菌的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例，反应式为： 由于氨化反应速度很快，在一般的生物处理设备中均能完成，故一般不作特殊考虑。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理三、废水生物脱氮技术三、废水生物脱氮技术 2生物脱氮原理生物脱氮原理 (2)生物硝化反应生物硝化反应 在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化。 首先是亚硝酸细菌作用下，将氨氮转化为亚硝酸氮，反应式为： 随后，亚硝酸氮(NO2N)在硝酸细菌的作用下，进一步转化为硝酸

17、氮，反应式为： 将上两式合并，得到硝化的总反应式为： 式中的C5H7O2N为亚硝酸细菌和硝酸细菌的细胞。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理三、废水生物脱氮技术三、废水生物脱氮技术 2生物脱氮原理生物脱氮原理 (3)生物反硝化反应生物反硝化反应 生物反硝化是指污水中的硝态氮(NO3N)和亚硝态氮(N02N)，在无氧或低氧条件下，被微生物还原转化为氮气N2的过程。 参与这一生化反应的微生物是反硝化细菌。土壤微生物中约有50是这一类具有还原硝酸能力的细菌。在有氧存在的条件下，反硝化细菌利用氧进行呼吸，氧化分解有机物。在无分子氧的条件下，同时存在硝酸和亚硝酸离子时，它们能利用这些离子中的氧进

18、行呼吸。反硝化反应又叫做脱氮反应或硝酸呼吸。这个过程可以用下两式表示： 如果污水中的有机物可以用于反硝化反应，则不需另加有机物。如果不具备这种条件需另外投加有机物，一般投加甲醇。此时反硝化反应可写为： 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理三、废水生物脱氮技术三、废水生物脱氮技术 3. 生物脱氮工艺生物脱氮工艺 活性污泥法传统脱氮工艺、缺氧好氧活性污泥法、氧化沟硝化脱氮工艺、生物转活性污泥法传统脱氮工艺、缺氧好氧活性污泥法、氧化沟硝化脱氮工艺、生物转盘硝化脱氮工艺等盘硝化脱氮工艺等 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理 四、废水生物除磷技术四、废水生物除磷技术 1. 生物除磷原理生物

19、除磷原理 磷常以磷酸盐(H2PO4、HPO42和PO43)、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中。 生物除磷就是利用聚磷菌一类的细菌，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，生物除磷就是利用聚磷菌一类的细菌，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态贮藏在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。并将其以聚合形态贮藏在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。 （1）聚磷菌的磷过量摄取）聚磷菌的磷过量摄取 在好氧条件下在好氧条件下，聚磷菌营有氧呼吸，不断地从外部摄取有机物，加以氧化分解，并产生能量，能量为ADP (二磷酸腺苷)所获得，并结合H3PO4合成ATP(

20、三磷酸腺苷)，即： ADP + H3PO4 + 能量能量 ATP + H2O （2）聚磷菌的放磷）聚磷菌的放磷 在厌氧条件下在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP，即： ATP + H2O ADP + H3PO4 + 能量能量 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理四、废水生物除磷技术四、废水生物除磷技术 3. 生物除磷工艺生物除磷工艺 例：例： 厌氧好氧除磷工艺（厌氧好氧除磷工艺（A-O工艺）工艺） 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理四、废水生物除磷技术四、废水生物除磷技术 2. 影响生物除磷过程的主要因素影响生物除磷过程的主要因素 (1)溶解

21、氧溶解氧 在聚磷菌放磷的厌氧反应器内，应保持绝对厌氧的条件，NO3- 一类的化合态氧也不允许存在，但在聚磷菌摄磷的好氧反应器内却应保持充足的氧。 (2)污泥龄污泥龄 一般污泥龄短的系统产生的剩余污泥量较多，可以取得较高的除磷效果。污泥龄为30天时，除磷率为40，污泥龄为17天时，除磷率50，而当污泥龄降至5天时，除磷率高达87。 (3)温度与温度与pH值值 在530的范围内，都可以取得较好的效果。除磷过程适宜的pH值为68。 (4)BOD5负荷负荷 一般认为，较高的BOD5负荷可取得较好的除磷效果。有机基质不同也有影响，一般低分子易降解的有机物诱导磷释放的能力较强，高分子难降解的有机物诱导磷释

22、放的能力较弱。 (5)硝酸氮和亚硝酸氮硝酸氮和亚硝酸氮 硝酸氮和亚硝酸氮的存在会抑制细菌对磷的释放，从而影响在好氧条件下对磷的吸收。 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理五、同步脱氮除磷工艺五、同步脱氮除磷工艺 巴登福巴登福 同步脱氮除磷工艺同步脱氮除磷工艺 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理五、同步脱氮除磷工艺五、同步脱氮除磷工艺 AAO 同步脱氮除磷工艺同步脱氮除磷工艺 第九节第九节 废水的生物处理废水的生物处理五、同步脱氮除磷工艺五、同步脱氮除磷工艺 例：例：广州大坦沙废水处理厂广州大坦沙废水处理厂AAO 同步脱碳除磷工艺设计流量为同步脱碳除磷工艺设计流量为150000ms

23、d。 设计参和处理效果列于下表中。设计参和处理效果列于下表中。 第十节第十节 矿山废水处理矿山废水处理一、选矿废水的再生回用一、选矿废水的再生回用 1、要求、要求 对新建矿山的废水利用率要求对新建矿山的废水利用率要求: 有色：有色：75%； 其它：其它：90%； 回用废水的水质：回用废水的水质：无明确要求；无明确要求； 不影响生产效果、充分利用废水中的有用组分、不影响生产效果、充分利用废水中的有用组分、 废水处理费用低废水处理费用低 第十节第十节 矿山废水处理矿山废水处理一、选矿废水的再生回用一、选矿废水的再生回用 2、 国外选矿废水的常用处理方法：国外选矿废水的常用处理方法： 沉淀、氧化、电

24、渗析、离子交换、活性炭吸附、浮选等沉淀、氧化、电渗析、离子交换、活性炭吸附、浮选等 3、国内选矿废水再生回用技术、国内选矿废水再生回用技术 1）改进工艺，清洁生产）改进工艺，清洁生产 2）根据废水水质分别循环回用；）根据废水水质分别循环回用； 3）处理后回用：）处理后回用： 混凝斜板沉淀混凝斜板沉淀 混凝沉淀混凝沉淀-活性炭吸附活性炭吸附 第十节第十节 矿山废水处理矿山废水处理一、选矿废水的再生回用一、选矿废水的再生回用 4、 应用实例应用实例 1）德兴铜矿选矿废水处理）德兴铜矿选矿废水处理 2）金属矿山尾矿库废水处理）金属矿山尾矿库废水处理 1）德兴铜矿选矿废水处理）德兴铜矿选矿废水处理 （

25、1）废水来源与水质）废水来源与水质 1）德兴铜矿选矿废水处理）德兴铜矿选矿废水处理 （2）处理方案与参数）处理方案与参数碱一段除铁：pH=3.4 3.6 , 三价铁去除率97%；二段沉铜：pH= 3.7 4.0 , 铜回收率 99% ，铜 渣含铜品位30%；三段中和：pH = 6.5 7.5。 处理后的水质达到国家的排放标准。 到1999 年底，一共处理酸性污水1 196 104t，碱性污水4800104t，提供选矿回水 4800104 t，回收金属铜254t。 达到了环境效益和经济效益的统一。（3）运行效果评价运行效果评价 2）金属矿山尾矿废水处理）金属矿山尾矿废水处理 （1）处理方案）处理

26、方案浓缩处置法浓缩处置法（1）低浓度矿浆用浓缩设备浓缩后（一般浓度可达 40%60%）再送往尾矿库；（2）溢流水就近返回厂内使用，或作更深一步处理。 2）金属矿山尾矿废水处理）金属矿山尾矿废水处理 （2）溢流水处理方法）溢流水处理方法混凝沉淀法 根据废水及悬浮固体污染物的特性，选择混凝剂。 既可单独利用无机凝聚剂或有机高分子絮凝剂也可二者联合使用。中和沉淀法 2）金属矿山尾矿废水处理）金属矿山尾矿废水处理 （2）溢流水处理方法）溢流水处理方法硫化沉淀法 第十节第十节 矿山废水处理矿山废水处理二、矿山酸性废水（重金属废水）二、矿山酸性废水（重金属废水） 处理处理 1、 处理方法处理方法 1）沉淀

27、法：中和沉淀、硫化物沉淀、沉淀浮选）沉淀法：中和沉淀、硫化物沉淀、沉淀浮选 2）氧化还原法：含铜废水，铁屑置换铜）氧化还原法：含铜废水，铁屑置换铜 3）电解法：铁碳微电解法回收废水中的铜）电解法：铁碳微电解法回收废水中的铜 4）离子交换法：除去）离子交换法：除去/回收重金属离子回收重金属离子-南非南非 5）铁氧体法：）铁氧体法： 6）膜分离：反渗透、电渗析）膜分离：反渗透、电渗析 7）人工湿地：凡口）人工湿地：凡口 第十节第十节 矿山废水处理矿山废水处理二、矿山酸性废水（重金属废水）二、矿山酸性废水（重金属废水） 处理处理 2、 应用实例应用实例 1）小岭硫铁矿酸性废水处理工程）小岭硫铁矿酸性废水处理工程采选规模：采选规模：50万吨万吨/年；年；正常运行时井下涌水排放量平均约正常运行时井下涌水排放量平均约2230 m/d ,降雨季节废石场淋降雨季节废石场淋溶水按最大溶水按最大24h 降雨量计算为降雨量计算为1800m/d，总废水量为，总废水量为4030m/d。 采用石灰石石灰的两段中和法对井下涌水和废石场淋溶水进行采用石灰石石灰的两段中和法对井下涌水和废石场淋溶水进行治理，实现达标后外排。治理，实现达标后外排。 1）小岭硫铁矿酸性废水处理工程）小岭硫铁矿酸性废水处理工