安师院环境工程学课件03水的生物化学处理方法

第三章水的生物化学处理方法

第一节废水处理微生物基础第二节好氧悬浮生长处理技术第三节好氧附着生长处理技术

第四节厌氧生物处理技术不同种类的微生物都具有分解有机物质的能力。微生物将胶体的和溶解性的含碳有机物转化成CO2并合成新的微生物菌体。微生物菌体的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法将其从处理过的水中去除。微生物菌体本身即为有机物，以BOD的形式存在于出水中。因此如果被处理过的水中微生物菌体未被去除，则未达到完全处理。第一节废水处理微生物基础一、废水中的重要微生物废水中的重要微生物有细菌、真、藻类及轮虫与甲壳动物。其细胞内进行的分解代谢和合成代谢对废水处理具有重要意义。废水处理厂中，基质被氧化，释放出来的能量被传递并储存在能量载体中(如下图所示)，供微生物利用。由分解代谢所产生的化学物质，部分被用于微生物的生存。（1）好氧分解必须有分子氧作最终电子受体。天然水体中氧以DO形式存在。当氧是唯一电子受体时，有机物最终代谢物主要为CO2、水及新的细胞物质。二、污染物的分解在正常的天然水体中，好氧分解是水体自净的主要途径。由于好氧氧化过程中有大量的能量释放出来，大部分好氧微生物有很高的生长速率，比其它氧化系统中产生的新细胞多，因此污泥的产生量就多。好氧分解速度快、效率高，产生的臭味少，因此废水浓度较低（BOD5小于500mg/L）时可选用此法。当废水浓度过高时（BOD5大于1000mg/L），采用好氧处理不能得到足够的溶解氧，且有大量的生物污泥产生，因此一般不适合于采用该法处理。（1）好氧分解二、污染物的分解（2）缺氧分解在缺少分子氧时，一些微生物能够利用硝酸盐作为最终受体，此时的氧化过程称为反硝化过程。最终产物为氮气、二氧化碳、水及新细胞物质。反硝化产生的能量约等于好氧分解产生的能量。二、污染物的分解为进行厌氧分解，分子氧与硝酸盐不可作为电子受体。硫酸盐、二氧化碳及有机物在厌氧分解中作为最终电子受体而被还原。无氧参与，底物氧化不彻底。有机物的厌氧分解通常分为两个步骤：首先复杂的有机物发酵生成低分子量的脂肪酸（挥发性酸）；第二步这些有机酸转化成甲烷，二氧化碳作为电子受体。厌氧氧化时仅能释放出少量的能量，因此细胞的产生量即污泥的量很少。可利用此特性将好氧和缺氧过程产生的污泥通过厌氧分解加以稳定。目前，很多工厂利用此法处理污泥产生沼气，发电。如北京高碑店污水处理厂。（3）厌氧分解二、污染物的分解废水的厌氧生物处理优点：不需另加氧源，故运行费用低。缺点：反应速度慢，构筑物容积大。废水浓度较低时，不适合于利用厌氧分解直接处理。为提高厌氧分解的效率，必须提高废水温度。（3）厌氧分解二、污染物的分解最终电子受体大量营养物：合成细胞所需的碳源、氮源；ATP（能量载体）和DNA所需的磷；微量营养物：微量金属；某些细胞所需的维生素。适宜的环境：温度；湿度；pH。（1）细菌生长的环境要求微生物生长动力学

迟缓期：细菌不能立即繁殖，适应期；对数增长期：在延迟期的末端细菌开始分裂，数目逐渐增加，适应后，快速增殖，旺盛期。对数生长期细菌数目P经过n个世代周

期后可用下式表示：P=P02n

纯培养下的生长规律可用下述理论表达：减速增长期：营养物质逐渐减少，繁殖速度减慢；

内源呼吸期：营养物质明显不足，进行内源呼吸。（2）纯培养下的生长规律

微生物生长动力学S+E→ES→P+Eυ=υmaxρs/（Km+ρs

）该方程式表示酶促反应速度与底物浓度之间的定量关系。

Km(mol/L)：米氏常数。当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的底物浓度。

1）Km值只与酶的性质有关，与酶的浓度无关；

2）如果一个酶有几个底物，则对于一个底物有一个特定Km；

3）Km值最小的底物称为该酶的最适底物。(3)米歇里斯-门坦方程式（1913年）在废水处理系统中有两种极限情况：一、限制性基质过量，即S>>Ks时，

m=，菌体的生长速率为一级反应；二、当S<<Ks时，由于基质量的限制，菌体的生长速率为零级反应，与菌体浓度无关。废水或天然水体微生物的存在不是唯一的。生长动力学描述的是不同微生物在相互竞争中其质量或浓度随时间的变化。不同菌种对同一基质竞争的能力取决于菌种对基质的代谢能力。由于细菌的体积较小，单位质量的表面积较大，可迅速的将基质去除。当溶解性有机物缺乏时，细菌繁殖将减少，而扑食者则增加。在密闭系统中，最初添加混合微生物和基质后，细菌种群数量达到最大值后，因基质缺乏，微生物进入内源呼吸状态后而逐渐死亡。随后被其它种类的细菌分解。这个过程不断循环进行。（4）混合培养物下的生长微生物生长动力学

对大多数混合培养的微生物，莫诺德Monod方程（1942年)均可适应。该方程中微生物以质量表示而不是以生物数量表示。对数生长期微生物质量增加的速率可表示为：

为细菌比生长速率，t-1；X为菌体浓度(mg/L)。利用混合培养微生物不易直接测量

值。假设食物利用速率与菌体产生速率均受限于供给所需食物的酶反应速率，得到：式中，

m细菌最大比生长速率常数；S为限制性基质浓度，mg/L；Ks为半饱和常数，mg/L。当=0.5m时，Ks=S。莫诺德方程（5）混合培养物的生长规律Monod方程中生长速率与

限制性基质浓度的关系

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m/2Ks限制性基质浓度S生长速率常数

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m/2Ks限制性基质浓度S生长速率常数

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m/2Ks限制性基质浓度S生长速率常数

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m/2Ks限制性基质浓度S生长速率常数

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m/2Ks限制性基质浓度S生长速率常数Monod方程仅考虑微生物的生长，没考虑自然死亡，假设系统中所有基质均转化为菌体：设计废水处理过程的主要公式式中kd为内源衰减速率常数，t-1。式中，Y为食物转化菌体的比例，或合成系数，mg菌体/mg基质。第二节好氧悬浮生长处理技术

一、活性污泥法二、氧化塘

1、活性污泥生物相2、活性污泥法的基本原理3、影响活性污泥法处理效果的因素4、活性污泥的评价指标5、活性污泥法的分类6、活性污泥增长规律7、活性污泥法的数学描述8、曝气的方法与设备

1、活性污泥生物相由以下组分组成：

活性的微生物；微生物自身氧化的残留物；吸附在活性污泥上不能被生物降解的有机物和无机物。其中微生物是活性污泥的主要组成部分。这些微生物包括：细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体，组成一个生态系统。活性污泥法活性污泥通常为黄褐色絮状颗粒，直径一般0.02－2mm，含水率一般为99.2－99.8％，密度一般为1.002－1.006g/cm3。细菌是活性污泥组成和净化功能的中心，是微生物的最主要部分。活性污泥生物相2、活性污泥法的基本原理基本流程向生活污水注入空气进行曝气，持续一段时间以后，污水中即生成一种絮凝体，主要由大量微生物群体繁殖所构成，有巨大的表面积和很强的吸附性能。出水剩余污泥进水回流污泥空气曝气池二沉池出水剩余污泥进水回流污泥空气曝气池二沉池净化过程与机理（1）初期去除与吸附作用在很多活性污泥系统里，当污水与活性污泥接触后很短的时间（10－45min)内就出现了很高的有机物(BOD)去除率。这种初期高速去除现象是吸附作用所引起的。由于污泥表面积很大(可达2000－1000m2/m3混合液)，且表面具有多糖类粘质层，因此，污水中悬浮的和胶体的物质是被絮凝和吸附去除的。活性污泥法的基本原理净化过程与机理（2）微生物的代谢作用活性污泥中的微生物以污水中各种有机物作为营养，在有氧的条件下，将其中一部分有机物合成新的细胞物质(原生质)，对另一部分有机物则进行分解代谢，即氧化分解以获得合成新细胞所需要的能量，并最终形成CO2和H2O等稳定物质。活性污泥法的基本原理净化过程与机理（3）絮凝体的形成与凝聚沉降如果形成菌体的有机物不从污水中分离出去，这样的净化不能算结束。为了使菌体从水中分离出来，现多采用重力沉降法。如果每个菌体都处于松散状态，由于其大小与胶体颗粒大体相同，它们将保持稳定悬浮状态，沉降分离是不可能的。为此，必须使菌体凝聚成为易于沉降的絮凝体。絮凝体的形成是通过丝状细菌来实现的。活性污泥法的基本原理3、影响活性污泥法处理效果的因素(1)污泥负荷的影响污泥负荷：活性污泥法中，有机物（BOD5）与活性污泥(MLSS)的重量比值(foodtobioMass，F:M)，一般用N表示。污泥负荷又分为重量负荷和容积负荷。重量负荷(organicloadingrate,NS）即单位重量活性污泥在单位时间内所承受BOD5量，单位为kgBOD5/(kgMLSS

d)。容积负荷（volumetricloadingrate,NV）是曝气池单位有效容积在单位时间内所承受的BOD5量，单位为kgBOD5/(m3

d)。污泥负荷的计算公式：Q－废水的处理量，m3/d；V－曝气池的有效容积，m3；S0－进水BOD5浓度，kg/m3；X－活性污泥浓度，kgMLSS/m3污泥负荷的影响为了表示有机物的去除情况，也采用去除负荷Nr，即单位重量活性污泥在单位时间所去除的有机物重量。Nr－去除负荷；Se－出水BOD浓度。污泥负荷的影响污泥负荷与废水处理效率、活性污泥特性、污泥生成量、氧的消耗量有很大关系，是设计活性污泥法时的主要参数。污泥负荷影响活性污泥特性。采用不同的污泥负荷，微生物的营养状态不同，活性污泥絮凝和沉降性也就不同。实践表明，在一定的活性污泥法系统中，污泥的SVI值与污泥负荷之间有复杂的变化关系。污泥负荷的影响SVI与污泥负荷曲线是具有多峰的波形曲线，有三个低SVI的负荷区和两个高SVI的负荷区。如果在运行时负荷波动进入高SVI负荷区，污泥沉降性差，将会出现污泥膨胀。一般在高负荷时应选择在1.5-2.0kgBOD/kgMLSS·d范围内，中负荷时为0.2-0.4kgBOD/kgMLSS·d，低负荷时为0.03－0.05kgBOD/kgMLSS·d。污泥负荷的影响28(2)污泥龄和水力停留时间的影响污泥龄（sludgeage,

c)：曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的污泥量之比，也即新增长的污泥在曝气池中平均停留时间，或污泥增长一倍平均所需要的时间，也称固体平均停留时间或细胞平均停留时间。单位是d。污泥龄是影响活性污泥处理效果的重要参数。在运行稳定时，曝气池中活性污泥的量保持常数，每日排出的污泥量也就是新增长的污泥量。水力停留时间

：指水在处理系统中的停留时间，单位是d。

＝V/QV是曝气池的体积；Q是废水的流量。(2)污泥龄和水力停留时间的影响完全混合型曝气系统示意图Q,S0,X0进水曝气池V,Se,X二次沉淀池回流污泥RQ,Se,XrQ+RQSe,XQ-QwSe,Xe排放污泥IIQw,Xr,Se出水污泥龄影响的数学表达(以完全混合型为例)：假定有机物的降解仅在曝气池中发生，计算

c时只需考虑曝气池的容积。污泥龄影响的数学表达(以完全混合型为例)：进入和流出系统的微生物量和有机物量的质量平衡(3)溶解氧对于推流式活性污泥法，氧的最大需要量出现在污水与污泥开始混合的曝气池首端，常供氧不足。供氧不足会出现厌氧状态，妨碍正常的代谢过程，滋长丝状菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的浓度表示。活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此溶解氧浓度以2mg/L左右为宜。(4)营养物在活性污泥系统里，微生物的代谢需要一定比例的营养物，除以BOD表示的碳源外，还需要氮、磷和其他微量元素。生活污水含有微生物所需要的各种元素，但某些工业废水却缺乏氮、磷等重要元素。一般认为对氮、磷的需要应满足以下比例，即BOD:N:P=100:5:1。(5)pH值的影响对于好氧生物处理，pH值一般以6.5－9.0为宜。pH值低于6.5，真菌即开始与细菌竞争，降低到4.5时，真菌将占优势，严重影响沉降分离。pH值超过9.0时，代谢速度受到阻碍。需要指出的是pH值是指混合液而言。对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲作用。(6)水温在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内，水温上升就会使微生物活动旺盛，就能够提高反应速度。水温上升还有利于混合、搅拌、沉降等物理过程，但不利于氧的转移。对于生化过程，一般认为水温在20－30℃时效果最好，35℃以上和l0℃以下净化效果即降低。(7)有毒物质(toxicmaterials)对生物处理有毒害作用的物质很多。毒物大致可分为重金属、H2S等无机物质和氰、酚等有机物质。这些物质对细菌的毒害作用，或是破坏细菌细胞某些必要的生理结构，或是抑制细菌的代谢进程。毒物的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、有无其他毒物及微生物的数量或是否驯化等有很大关系。(8)污泥回流比的影响污泥回流比(ratioofreturnedsludge)是指回流污泥的流量与曝气池进水流量的比值，一般用百分数表示，符号为R。污泥回流量的大小直接影响曝气池污泥的浓度和二次沉淀池的沉降状况，所以应适当选择，一般在20％－50％之间，有时也高达150％。4、活性污泥法的分类(运行方式)按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式，活性污泥法可分为推流式（plugflowreactor）和完全混合式(completelymixedreactor)两大类。推流式活性污泥曝气池有若干个狭长的流槽，废水从一端进入，在曝气的作用下，以螺旋方式推进，流经整个曝气池，至池的另一端流出，随着水流的过程，污染物被降解。此类曝气池又可分为平行水流(并联)式和转折水流(串联)式两种。曝气池推流式曝气池示意图（平行水流式）

出水剩余污泥进水回流污泥空气二次沉淀池曝气池推流式曝气池示意图（转折水流式）

剩余污泥进水回流污泥空气二次沉淀池出水曝气池废水进入曝气池后在搅拌的作用下迅速与池中原有的混合液充分混合，混合液的组成、微生物群的量和质完全均匀一致，曝气池中所有部位的生物反应同样，氧吸收率相同。曝气池进水回流污泥剩余污泥出水二沉池(2)完全混合式

完全混合式的特点（a）抗冲击负荷的能力强，池内混合液能对废水起稀释作用。示意（b）由于全池需氧要求相同，能节省动力；（c）有时曝气池和沉淀池可合建，不需要单独设置污泥回流系统，便于运行管理；（d）连续进水、出水可能造成短路，易引起污泥膨胀。示意（e）池子体积不能太大，因此一般用于处理量比较小的情况，比较适宜处理高浓度的有机废水。示意接供氧方式，活性污泥可分为两类：

鼓风曝气式；

机械曝气式。鼓风曝气式：是采用空气(或纯氧)作氧源，以气泡形式鼓入废水中。它适合于长方形曝气池，布气设备装在曝气池的一侧或池底。气泡在形成、上升和破坏时向水中传氧并搅动水流。机械曝气式：用专门的曝气机械，剧烈地搅动水面，使空气中的氧溶解于水中。通常，曝气机兼有搅拌和充氧作用，使系统接近完全混合型。5、曝气的方法、原理与设备曝气的作用：供氧；搅拌混合作用，使活性污泥在混合液中保持悬浮状态，与废水充分接触混合。(1)

曝气的方法：鼓风曝气机械爆气鼓风机械曝气联合(2)

曝气原理气液传质过程通常遵循一定的传质扩散理论,目前工程和理论上应用较多的为双膜理论。双膜理论：在气-水界面上存在着气膜和液膜，气膜外和液膜外有空气和液体流动，属紊流状态，气膜和液膜间属层流状态，不存在对流。

层流液相主体C气相主体界面气膜液膜CspgpiPg表示气相中氧的分压Pi表示界面处氧的分压Cs表示界面处水中氧的浓度C表示水中氧的浓度曝气池内氧传递过程的数学表达式：dC/dt－氧的传递速率(氧进入水的速率)，mg/(L·h)；C－液相氧的实际浓度，mg/L；Cs－氧的饱和浓度，mg/L；KLa－液相总传质系数，1/h。曝气原理曝气时推动氧分子通过液膜的动力是水中氧的饱和浓度Cs和实际浓度C的差。Cs决定于空气中氧的分压，所以最终起决定作用的推动力是氧分压，而C值由微生物的耗氧速率确定。氧的传递速率同气、液两相的界面面积成正比，由于其面积难于估算，所以把它的影响包括在传质系数内，故KLa叫总传质系数。KLa的倒数单位是时间，可以把它看作是把溶解氧浓度从C增加到Cs所需的时间。曝气原理(3)曝气设备衡量曝气设备效能的指标：

动力效率EP、氧转移效率EA、充氧能力。动力效率：指消耗1kWh电能所转移到液体中去的氧量，单位为kg/kWh。氧转移效率：也称氧利用率，指鼓风曝气转移到液体中的氧占供给氧的百分数：EA=(Ro/W)×100％。

W－供氧量，kg/h；Ro－吸氧量，kg/h。对于鼓风曝气，各种扩散装置在标准状态下的EA值是事先通过脱氧清水的曝气试验测定得出的，一般为5％－15％左右。充氧能力：指叶轮或转刷在单位时间内转移到液体中的氧量kg/h。对曝气设备的要求：良好的曝气设备除应具有较高的动力效率和氧转移效率外，还应尽可能满足下列要求：（a）搅拌均匀；（b）构造简单；（c）能耗少；（d）价格低；（e）性能稳定，故障少；（f）不产生噪音及其它公害；（g）对某些工业废水耐腐蚀性强。曝气设备

鼓风曝气鼓风曝气是传统的曝气方法，它由三部分组成：

加压设备；

扩散装置；

管道系统。加压设备：一般采用回转式鼓风机，也有采用离心式鼓风机的，为了净化空气，其进气管上常装设空气过滤器，在寒冷地区，还常在进气管前设空气预热器。曝气方法扩散装置分为以下几类：小气泡扩散装置：扩散板、扩散管或扩散盘属小气泡扩散装置；中气泡扩散装置：穿孔管属中气泡扩散装置；大气泡扩散装置：竖管曝气属大气泡扩散装置；水力剪切扩散装置：倒盆式、撞击式和射流式属水力剪切扩散装置机械剪切扩散装置：涡轮式属机械剪切扩散装置。曝气设备

机械曝气设备的式样较多，大致可归纳为叶轮和转刷两大类。曝气叶轮：有安装在池中与鼓风曝气联合使用的，也有安装在池面的，后者称“表面曝气”。表面曝气具有构造简单，动力消耗小，运行管理方便，氧吸收率高的优点，故应用较多。常用的表面曝气叶轮有泵型，倒伞型和平板型。机械曝气几种叶轮曝气器不同形式的转刷曝气器不同形式的转刷曝气器曝气器的选择原则：鼓风曝气器优点：供应空气的伸缩性较大，曝气效果也较好，一般用于较大的曝气池。缺点：需要鼓风机和管道系统。曝气头易堵塞。机械曝气器优点：对于较小的曝气池能减少动力费用，并省去鼓风曝气所需的管道系统和鼓风机等设备，维护管理也比较方便。缺点：转速高，其动力消耗随曝气池的增大而迅速增大，所以曝气池不能太大。曝气器需要较大的表面积，因此曝气池的深度受到限制。此外，若曝气池中产生泡沫，将严重降低充氧能力。两种曝气器比较从混合液流型可分为：

推流式、完全混合式、循环混合式；从平面形状可分为：

长方廊道形、圆形或方形、环形跑道形；从采用的曝气方法可分为：

鼓风曝气式、机械曝气式、联合式；从曝气池与二次沉淀池的关系可分为：分建式、合建式。曝气设备曝气池的类型与构造推流式曝气池结构示意图曝气装置曝气总管曝气池壁曝气池壁完全混合式曝气池(圆形)完全混合式曝气池(方形)完全混合式曝气池(长方形)完全混合式曝气池(分建式)循环混合式曝气池多采用转刷供氧，其平面形状如环形跑道，如下图所示。循环混合式曝气池也称氧化渠或氧化沟（oxidationditch)，是一种简易的活性污泥系统，属于延时曝气法。氧化沟的平面图像跑道一样，转刷设置在氧化渠的直段上，转刷旋转时混合液在池内循环流动，流速保持在0.3m/s以上，使活性污泥呈悬浮状态。循环混合式曝气池氧化渠的典型布置（a）简化了预处理。氧化沟水力停留时间和污泥龄比一般生物处理法长，悬浮有机物可与溶解性有机物同时得到较彻底的去除，排出的剩余污泥已得到高度稳定，因此氧化沟可以不设初次沉淀池，污泥也不需要进行厌氧消化；（b）占地面积少。因在流程中省略了初次沉淀池、污泥消化池，有时还可省略二次沉淀池和污泥回流装置，使污水厂总占地面积不仅没有增大，相反还可缩小；氧化沟的特点：（c）从溶解氧的分布看，氧化沟具有推流特性，溶解氧浓度在沿池长方向形成浓度梯度，形成好氧、缺氧和厌氧条件。通过对系统合理的设计与控制，可以取得最好的除磷脱氮效果。另外，氧化沟的曝气方式也不限于转刷一种，也可以用其它方法曝气。氧化沟的构造形式也是多种多样的，根据不同的目的可以设计多种形式的氧化沟。氧化沟技术是近年来发展较快的生物水处理技术之一。6、活性污泥的评价指标（1）混合液悬浮固体(mixedliquorsuspensionsolid,MLSS)混合液是曝气池中污水和活性污泥混合后的混合悬浮液。混合液固体悬浮物数量是指单位体积混合液中干固体的含量，单位为mg/L或g/L，工程上还常用kg/m3，也称混合液污泥浓度（一般用X表示）。它是计量曝气池中活性污泥数量多少的指标。一般活性污泥法中，MLSS浓度一般为2－4g/L。（2）混合液挥发性悬浮固体

(mixedliquorvolatilesuspensionsolid,MLVSS)指混合液悬浮固体中的有机物的重量，单位为mg/L、g/L或kg/m3。把混合液悬浮固体在600℃焙烧，能挥发的部分即是挥发性悬浮固体，剩下的部分称为非挥发性悬浮固体。一般在活性污泥法中用MLVSS表示活性污泥中生物的含量。在一般情况下，MLVSS/MLSS的比值较固定，对于生活污水，常在0.75左右。对于工业废水，其比值视水质不同而异。6、活性污泥的评价指标（3）污泥沉降比(settlingvolume,sludgesedimentationratio,SV)污泥沉降比是指曝气池混合液在l00mL量筒中，静置沉降30min后，沉降污泥所占的体积与混合液总体积之比的百分数。所以也常称为30min沉降比。正常的活性污泥在沉降30min后，可以接近它的最大密度，故污泥沉降比可以反映曝气池正常运行时的污泥量。可用于控制剩余污泥的排放。它还能及时反映出污泥膨胀等异常情况，便于及早查明原因，采取措施。6、活性污泥的评价指标污泥沉降比测定比较简单，并能说明一定问题，因此它成为评定活性污泥的重要指标之一。（4）污泥体积指数

(sludgevolumeindex,SVI)污泥体积指数也称污泥容积指数，是指曝气池出口处混合液，经30min静置沉降后，沉降污泥体积中1g干污泥所占的容积的毫升数，单位为mL/g，但一般不标出。它与污泥沉降比有如下关系：SVI=(SV×10)/X式中：X的单位为g/L，SV以百分数代入。6、活性污泥的评价指标SVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度(活性)和凝聚、沉降性能。SVl值过低，说明污泥颗粒细小紧密，无机物多，缺乏活性和吸附力；SVI值过高，说明污泥难于沉降分离，并使回流污泥的浓度降低，甚至出现污泥膨胀(sludgebulking)，导致污泥流失等后果。一般认为，处理生活污水时SVI<100时，沉降性能良好；SVI为100-200时，沉降性能一般；SVI>200时，沉降性能不好。一般控制SVI为50－150之间较好。6、活性污泥的评价指标第三节好氧附着生长处理技术--------生物膜法一、生物膜法的基本原理二、生物膜法的主要特征三、生物滤池四、生物转盘五、生物接触氧化法六、生物流化床1、生物膜在载体上的生长过程：当有机污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，有进一步吸附、分解污水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。一、生物膜法的基本原理2、生物膜的降解机理(1)物质的传递①空气中的氧溶解于流动水层中，通过附着水层传递给生物膜；②有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜；③微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走；④CO2及厌氧层分解产物如H2S、NH3以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。(2)膜的生长与脱落

①生物膜降解有机物的过程，也是膜生长的过程；

②好氧层与厌氧层的平衡稳定关系；

③厌氧层加厚，生物膜老化、脱落。⑴生物相方面的特征：

①微生物多样化②生物的食物链长③能够存活世代时间较长的微生物④分段运行与优占种属二、生物膜的主要特征(2)处理工艺方面的特征：

①对水质、水量变动有较强的适应性

②污泥沉降性能良好，宜于固液分离

③能够处理低浓度的污水

④易于维护运行、节能

二、生物膜的主要特征(1)生物滤池法的特征：生物滤池法是在砂滤池的基础上发展起来的一种生物膜处理方法，它利用滤料表面形成的一层生物膜来净化污水。在滤池内，污水由于重力作用自上而下地连续流经滤料，滤料表面的微生物借助酶的作用，使被吸附和吸收的有机物在氧气的参与下进行氧化分解，同时微生物又以有机物为营养进行自身繁殖。老化的微生物附着力差，在污水冲刷会不断脱落，脱落后随水流出滤池，同时新的生物膜不断生长，因而处理可连续进行。三、生物滤池生物滤池处理过程，是一个复杂的物理化学、生物化学和水动力学的综合过程。(2)典型构造生物滤池主要由池壁、池底、滤料、布水器等部分组成。

滤料：组成滤层的过滤材料。常以花岗石、安山岩、闪绿岩等较硬的岩石以及无烟煤等材料制成。

布水器：将污水散布于滤层表面的装置，使用较多的是旋转式布水器，其次是固定喷嘴式布水器。三、生物滤池(3)影响生物滤池性能的主要因素----负荷率

水力负荷率：以滤料体积表示,m3(污水）/m3（滤料）·d。

有机负荷率：以进水有机污染物或特定污染物表示,kg(BOD5或特定污染物）/m3（滤料）·d。水力负荷率与生物膜更新的关系：水力负荷小，生物膜厚，易堵塞；水力负荷大于8m/d时，水力冲刷作用强，生物膜更新快，不易堵塞，生物活性好。但污水停留时间短，出水水质下降。三、生物滤池城市污水BOD5在200-300mg/L，处理效率要求80-90%时，低负荷生物滤池的有机负荷率：0.2kg/m3（滤料）·d，高负荷生物滤池的有机负荷率：1.1kg/m3（滤料）·d左右。普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池；曝气生物滤池(4)生物滤池的类型由于低密度滤料的使用，生物滤池突破了高度的限制，可达8～20m，外形像塔，故称之；塔身分为数层，每层设置格栅，承担滤料重量；水力负荷可高达20～200m/d，有机负荷2～3kg/m3d；可多段进水，但要加强预处理，防止堵塞；优点：占地大大缩小，能使用水质水量变化；缺点：废水提升费用高，滤池太高管理不便。塔式滤池20世纪80年代发展的高效、低成本、小体积的污水处理系统；主要分类：上流式和下流式；填料特性：高比表面积、低密度、硬度大、抗磨损、化学稳定性好；处理效果好：BOD5、SS、NH3-N可分别达到10、10、1mg/L；抗冲击能力强：可适应水质、水量的波动，即使长时间停用启用后也可迅速恢复。曝气生物滤池1.特点生物转盘是一种通过盘面转动，交替与污水和空气接触从而使污水净化的一种处理方法。它是在生物过滤法基础上发展起来一种高效处理新技术，也是生物膜法之一，具有运行简便，可根据不同的要求调节接触时间、耗电少等优点，很适于小规模的污水处理。四、生物转盘

生物转盘是由氧化槽支撑和水平轴固定的一系列间距很近的圆盘所组成。盘片由合成树脂（聚氯乙稀、玻璃钢）、金属（铅、钢）或竹材制成。氧化槽一般是与圆盘外形基本吻合的半圆形，由钢筋混凝土或钢板制成，由电动机和变速装置带动水平轴使盘片缓缓转动。

2.构造

转盘用人工方法或自然方法挂膜后，转盘表面就形成了类似生物滤池滤料那样的生物膜。转盘旋转时，浸入污水的部分，其上的生物膜吸附有机污染物，并吸收生物膜外水膜中的溶解氧，在生物酶的催化作用下，分解有机物，排出代谢产物，微生物在这一过程中以有机污染物为营养进行自身繁殖。转盘露出水面的部分，空气不断地溶解到水膜中取，增加其溶解氧量。生物膜交替地与污水和空气接触，形成一个连续的吸附－吸氧－氧化分解过程，使污水得到净化。3.工作原理

微生物浓度高。若把生物膜折算成曝气池污泥浓度，可达10000～20000mg/L；生物相分级，预留无该机的污水水质相适应。这对微生物生长，有机污染物降解有利；具有消化、反硝化、除磷功能。由于污泥泥龄长，可生长生长期较长的消化、反硝化菌；不回流污泥，除水可加混凝剂除磷；耐冲击负荷，可适应BOD5达10～10000mg/L

的有机废水；微生物食物链长，污泥量少，含水率低，易于处理。生物转盘的特征1.特点接触氧化法是在接触滤池和生物滤池的基础上发展起来的处理方法，具有介于生物滤池或活性污泥法的特征。即在不透水的池内，填充填料，下侧曝气。在生物膜固定和污水流动方面和生物滤池相同，以污水充满池内、用人工进行曝气而言，又和活性污泥法相似。又称接触曝气或淹没式生物滤池、或固定式活性污泥法。

四生物接触氧化法

生物接触氧化法与生物滤池的区别水流流态不同：生物膜表面直接与污水接触，提供更大污染物传质空间；水流稳定，加上充沛的溶解氧，适于微生物生长，微生物相丰富，能形成稳定的生态系；供氧方式不同：曝气供氧，传质快，效率高，污水中DO浓度大；容积负荷高且污泥产量低：污染物和氧气的传质条件好，单位容积生物量高于活性污泥法和生物滤池法（125g/m2填料表面，相当于MLSS13g/L)，故容积负荷高，并保持较低的F/M，；不需污泥回流，运行管理方便；耐冲击负荷和水质骤变：污泥浓度高，完全混合。生物接触氧化池的构造池体：用于放置填料，布水布气装置，设置支撑填料的栅板和格栅的构筑物，钢或钢筋混凝土结构，池底设置派你装置；填料：生物膜附着的载体，要求比表面积大、空隙率大、强度大、水力阻力小，化学与生物稳定性好。制作材料为聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、环氧玻璃钢等，形状为蜂窝状或波纹板状；此外还有纤维状软性填料，由尼龙、维纶、腈纶和涤纶等化学纤维编结成。布气管：分流式：中心曝气，侧面曝气；直流式：全面曝气。2.构造

五、生物流化床

在反应器中装入粒径较小、密度大于水的载体颗粒，通过污水以一定的流速自下而上的流动使载体成流化状态，污水中有机污染物通过与载体表面生长的生物膜相接触而达到去除的目的。生物流化床的类型两相生物流化床：流化床中只有固液两相，由液体流动托起固体颗粒，溶氧过程在另外的设备中完成。由于处于流态化工况下的水流流速难于使固体颗粒表面的生物膜脱落，故增加脱膜设备；三相生物流化床：流化床中同时有气、固、液三相，气、液两相同时流动托起固体颗粒，过程三相流，其中的气流同时起充氧作用，激烈湍动的气、液两相流使固体颗粒表面的生物膜脱落，故不必再设脱膜设备；第四节厌氧生物处理技术一、概述二、厌氧生物处理的机理三、影响厌氧生物处理的主要因素四、厌氧法的工艺和设备五、厌氧设备的运行管理六、两相厌氧处理系统七、厌氧制氢技术八、厌氧和好氧技术的比较和联合运用一、概述废水厌氧生物处理是环境工程与能源工程中的一项重要技术，是有机废水强有力的处理方法之一。过去，它多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料以及部分高浓度有机废水的处理。目前，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。很多工厂利用此法处理污泥产生沼气发电，如北京高碑店污水处理厂。

厌氧生物处理方法和基本功能有二：（1）酸发酵，目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质；（2）甲烷发酵，目的是为进一步降解有机物和生产气体燃料。二、厌氧生物处理的机理废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。厌氧消化过程划分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。第一阶段为水解酸化阶段。复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。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、CO2等组分。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。有机物厌氧分解的三个阶段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烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。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。三、影响厌氧生物处理的主要因素控制厌氧处理效率的基本因素有两类:一类是基础因素，包括微生物量(污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等；另一类是环境因素，如温度、pH值、有毒物质等。产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。（一）温度条件

据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为低温消化（5-15℃）、中温消化（30-35℃）和高温消化（50-55℃）三种类型。产甲烷菌对温度的变化十分敏感，在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40-45℃时，厌氧消化效率较低。温度对厌氧消化过程的影响温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复。（二）pH值每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0之间。产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.0-7.2。在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值最好在6.8-7.2的范围内。（三）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（kgCODcr/m3·d)。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kgCODcr/(kg污泥·d)。在污泥消化中，有机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有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水中污染物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2-3kgCODcr/(m3·d)，在高温下为4-6kgCOD/(m3·d)。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5-15kgCODcr/(m3·d)，可高达30kgCODcr/(m3·d)。在处理具体废水时，最好通过试验来确定其最适宜的有机负荷。（四）厌氧活性污泥厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉降性能。故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。（五）搅拌和混合通过搅拌可消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有料液相混匀。在传统厌氧消化工艺中，也将有搅拌的消化器称为高效消化器。搅拌程度与强度要适当。（六）废水的营养比厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。厌氧法中碳:氮:磷控制为200-300:5:1为宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明，合适的C/N为10-18:1。（七）有毒物质包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。四、厌氧法的工艺和设备按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)和厌氧生物膜法(anaerobicslime)。厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等；厌氧生物膜法包括厌氧滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。按投料、出料及运行方式分为分批式、连续式和半连续式。（一）普通厌氧消化池普通消化池又称传统或常规消化池，消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：(a)池内机械搅拌；(b)沼气搅拌；(c)循环消化液搅拌。螺旋桨搅拌的消化池普通消化池的特点是:可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液；厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单；对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题；温度不均匀，消化效率低。（二）厌氧接触法在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。厌氧接触法的特点:（a）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；（b）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCODcr/m3·d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；（c）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；（d）混合液经沉降后，出水水质好；（e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；（f）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。（三）厌氧滤池厌氧滤池（anaerobicfilter)又称厌氧固定膜反应器，是上世纪60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池；废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。厌氧生物滤池的特点（a）由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2-16kgCODcr/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强；（b）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；（c）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；（d）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短；（e）处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重，因此，进水悬浮物浓度不应超过200mg/L。（四）厌氧流化床厌氧流化床特点（a）载体颗粒细，比表面积大，可高达2000-3000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为10-40kgCODcr/m3·d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；（b）载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能；（c）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；（d）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；（e）结构紧凑、占地少以及基建投资省等；（f）但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。（六）上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G.Lettnga等人在上世纪70年代初研制开发的。污泥床反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化器。由反应区、沉淀区和气室三部分组成。上流式厌氧污泥床的池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，则一般为矩形，高度一般为3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构，上流式厌氧污泥床反应器的特点:

（a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层污泥浓度5-7g/L；污泥床中的污泥由活性生物量占70-80％的高度发展的颗粒污泥组成，颗粒的直径一般在0.5-5.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。（b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为10-20kgCODcr/（m3·d）；（c）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；（d）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；（e）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。（f）反应器内有短流现象，影响处理能力。进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞；（g）运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。(七)内循环厌氧反应器（InternalCirculation

）和厌氧污泥膨胀床反应器（ExpandedGranularSludgeBed

）IC反应器示意图

EGSB反应器示意图

内循环厌氧反应器（IC）由第一厌氧反应室和第二氧反应室叠加而成。每个厌氧反应室的顶部各设一个气、固、液三相分离器。第一级三相分离器主要分离沼气和水，第二级三相分离器主要分离污泥和水。内循环厌氧反应器COD容积负荷可达15-25kgCODcr/m3•d。内循环厌氧反应器借沼气内能提升实现内循环，不必外加动力，结构紧凑，节省占地面积。此外，内循环厌氧反应器抗冲击负荷能力强，出水稳定性好。厌氧颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）在结构形式、污泥形态等方面与UASB非常相似，EGSB中一般采用2.5-6m/h的液体表面上升流速（最高可达10m/h）。高的液体表面上升流速使颗粒污泥床层处于膨胀状态，不仅使进水能与颗粒污泥能充分接触，提高了传质效率，而且有利于基质和代谢产物在颗粒污泥内外的扩散、传送。厌氧颗粒污泥活性高，沉降性能好，粒径和强度较大，抗冲击负荷能力强，适用范围广，可用于SS含量高和对微生物有抑制性的废水处理。五、

两相厌氧处理系统厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应，如一为产酸阶段，另一为产甲烷