第三章废水的生物处理

第三章废水的生物处理第一节废水生物处理概述一、微生物的呼吸类型微生物的呼吸指微生物利用营养物质获取能量的生理功能。微生物的呼吸按呼吸过程与氧的关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。1.好氧呼吸（1）异养微生物的好氧呼吸：以有机物为底物，最终产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时释放能量。C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3KJC11H29O7N+14O2+H+→11CO2+13H20+NH4++能量（2）自养微生物好氧呼吸：以无机物为底物，其最终产物也是无机物，同时释放能量。H2S+2O2→H2SO4+能量NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量2.厌氧呼吸（1）发酵：指供氢体和受氢体都是有机物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物。（大分子→小分子）C6H12O6→2CH3COCOOH+4[H]2CH3COCOOH→2CO2+2CH3CHO4[H]+2CH3CHO→2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ（2）无氧呼吸：指以无机氧化物，如NO3-、NO2-、SO42-等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。如反硝化作用：C6H12O6+6H2O→6CO2+24[H]24[H]+4NO3-→2N2↑+12H20总反应式：C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6KJ同一种底物：通过呼吸释放的能量：好氧呼吸无氧呼吸发酵二、微生物的代谢与废水的生物处理好氧生物处理指有分子氧存在的条件下，好氧微生物降解有机物为无机物，使其稳定、无害化的处理方法。处理对象：以胶体或溶解态存在的有机物。适用范围：中、低浓度有机废水，或BOD5小于500mg/l的有机废水。特点：反应速度较快，所需反应时间较短，故处理构筑物容积小，处理过程散发臭气较少1、废水的好氧生物处理图3-1好氧生物处理过程中有机物转化示意图好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有机物分解为无机物，把2/3有机物合成为微生物自身，当活性污泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化和无害化。有机物+氧M分解代谢合成代谢原生质H2O、CO2、NH3+能量内源呼吸净增细胞物质M、O2H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43-+能量（有氧呼吸）1/32/3放热合成代谢方程式：CXHYOZ+NH3+O2→C5H7NO2+CO2+H2O-能量2、废水的厌氧生物处理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。适用范围：有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/l）特点：不需加氧，故运行费用低，剩余污泥少，可回收能量。缺点反应速度慢，反应时间长，处理构筑物容积大。I类产物甲酸甲醇甲胺乙酸等通过不同途径转化为CH4、CO2等废水或污泥中不溶态大分子有机物蛋白质多糖脂类氨基酸C6H12O6甘油脂肪酸II类产物丙酸丁酸乳酸乙醇等水解酸化产氢产乙酸产甲烷发酵菌甲烷菌产氢产乙酸菌CO2[H]乙酸发酵菌图3-2厌氧生物处理过程中有机物转化示意图废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机物（不溶性）→小分子有机物（溶解性）、无机物→有机酸、无机物→CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降解和稳定。三、微生物的生长规律和生长环境1、微生物的生长规律按微生物的生长速度，其生长可分为四个期：停滞期、对数期、静止期、衰老期。停滞期：微生物的生长速度从零逐渐开始增加，细菌总数增加。出现于污泥培养驯化阶段，或水质发生变化、停产后又生产阶段。对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快速增加。当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，可能处于对数期。处于对数期的微生物降解有机物速度快，但沉降性能差。静止期：微生物生长速度开始下降，细菌总数达到平衡。当废水中有机物浓度降低，污泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此时污泥絮凝性好，二沉池出水水质最好。衰老期：微生物生长速度变为负值，细菌总数下降。当有机物浓度低，营养物明显不足，则可能处于衰老期。此时污泥较松散，沉降性能好，出水中有细小泥花。2、微生物的生长环境1）.微生物的营养：碳源、氮源、磷源是微生物生长所需的必要营养物质，其比例一般为BOD5：N：P=100：5：1。2）.温度：按温度可把微生物分为低温性（5-20℃）、中温性（20-45℃）、高温性（45-80℃）三类。好氧生物处理中，以中温性微生物为主，所以适宜温度为25-40℃。厌氧生物处理甲烷菌为中温菌，其它阶段为高温菌，所以厌氧生物处理如果产甲烷温度控制在33-38℃，如果不产甲烷，只是发酵产酸温度控制在52-57℃比较适宜。3）.PH值：活性污泥最适宜的PH值范围是6.5-8.5。4）.溶解氧：是影响生物处理效果的重要因素。好氧生物处理溶解氧一般以2-3mg/L为宜。厌氧生物处理不能有氧。5）.有毒物质：重金属等有毒物质能使微生物细胞结构遭到破坏以及生物酶变性，失去活性。四、米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式米氏在一切生化反应都是在酶催化进行的前提下，提出微生物分解代谢的酶反应方程式：米氏方程式：式中：ν—酶反应速度νmax—最大酶反应速度CS—底物浓度Km—米氏常数（半速度常数）SmSmaxCKC图3-3酶反应速度与底物浓度的关系底物浓度CSKm酶反应速度ν1/2νmaxνmax0混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）一级反应区（n=1）SmSmaxCKC分析米氏方程式当CS很大时，即CS》Km时，ν=νmax，呈零级反应，此时酶与底物全部结合为，所以增加底物浓度，对酶反应速度无任何影响。当CS很小时，即CS《Km时，，呈一级反应，ν与CS成正比，此时部分酶与底物结合，所以增加底物浓度，可提高反应速度。当CS介于上述二者之间，由小到大增加时，ν与CS呈混合级反应，即n=0-1，增加CS，ν缓慢增加。SmmaxCK五、莫诺特（Monod）方程式莫诺特（Monod）方程式是Monod于1942年以纯菌种对单一底物的分批培养实验基础上提出了描述微生物增长的动力学方程。式中：μ—微生物的比增长速度，μmax—微生物的比增长速度；CS—底物浓度；CX—微生物浓度kS—饱和系数（半增长速度常数）q、qmax—底物的比降解速度及最大值。SSSmaxCkCXXCdt/dCSSSmaxCkCqq或XSCdt/dCq第二节活性污泥法一、基本概念二、气体传递原理和曝气池三、活性污泥法的发展和演变四、活性污泥法的设计计算五、活性污泥法系统设计和运行中的一些重要问题六、二次沉淀池一、基本概念活性污泥法是处理城市污水中最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解的和胶体的可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质。活性污泥法的基本流程：活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除系统所组成，见下图：进水曝气池二次沉淀池空气出水回流污泥剩余污泥活性污泥法的基本流程曝气池是一个生物反应器，通过曝气设备充入空气，空气中的氧融入污水使活性污泥混合液产生好氧代谢反应。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。菌胶团是由细菌分泌的多糖类将细菌包裹成的粘性团块，使细菌具有抵御外界不利因素的性能。菌胶团是活性污泥絮凝的主要组成部分。活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程中可分为两个阶段，吸附阶段和稳定阶段。1升混合液沉淀30分钟所对应的活性污泥的体积（ml）1升混合液中SS的干重（g）SV(ml/L)MLSS(g/L)SVI==SV污泥沉降比MLSS混合液的悬浮固体二、气体传递原理和曝气池1.气体传递原理1.1扩散过程物质从一相传递到另一相的过程，就是传质过程，也叫扩散。推动力——浓度差（浓度梯度）：扩散过程中单位路程长度上的浓度变化值称为浓度梯度。单位时间内通过单位面积的物质量的变化，即扩散速度。Ud=DL*dc/dy。扩散系数（DL）a.与物质本身有关b.与温度也有关温度增加，系数减小；c.与物质在什么样的介质中有关。1.2双膜理论双膜理论：1.存在两个膜，在气液相界面附近分别存在着层流运动的气膜和液膜，O2在两个膜内做分子扩散，在膜外做对流扩散。2.氧从气相主体传递液相主体，所有的传质阻力，仅存在于两层膜当中。3.氧是难溶气体，传递阻力在液膜而不在气膜。膜后δgδ1层流气体液体紊流气膜液膜分压或浓度内表面c1cpgpidm/dt=KgA(c1–c0)而dm=Vdc所以dc0/dt=KgA(c1–c0)/vKLa=KgA/v因此dc0/dt=KLa(c1–c0)KLa=2.3logc0–c1c0–c21t2-t1KLa的影响因素：1.水质修正系数a2.水的温度温暖上升，KLa随着上升，c0值下降3.压力压力上升，c0值增加。二.曝气设备曝气设备主要分为鼓风曝气和机械曝气。1.鼓风曝气扩散器是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。扩散器根据分散气泡的大小，扩散器又可分为：a.小气泡扩散器b.中气泡扩散器c.大气泡扩散器d.微气泡扩散器2.机械曝气鼓风曝气是水下曝气，机械曝气是表面曝气。机械曝气是用安装于曝气池表面的表面曝气机来实现的。表面曝气机分竖式曝气机和卧式两类。3.曝气设备性能指标a.氧转移率b.充氧能力c.氧利用率三.曝气池类型1.推流曝气池2.完全混合曝气池四.曝气设备的性能测试1.在清水中的测试2.在运行条件下的测试3.麦金尼方法三、活性污泥法的发展和演变1、推流式1）、传统推流式2）、渐减曝气3）分布曝气4).浅层曝气5).深层曝气2、完全混合法特点：a.微生物环境相同（种类、浓度相同）b.反应池内需氧供氧基本同步c.耐冲击负荷率强3、吸附再生活性污泥法接触稳定法流程4、延时曝气活性污泥法吸附池沉淀池再生池剩余污泥出水污泥回流进水5、氧化沟6、吸附—生物降解工艺（AB法）格栅沉砂吸附沉淀曝气沉淀A级B级出水污水剩余污泥回流污泥剩余污泥7、序批式活性污泥法（SBR法）格栅沉砂池初沉池间歇式曝气池出水原废水8、连续进水周期循环延时曝气活性污泥法四、活性污泥法的设计计算方法一：活性污泥负荷率（简称污泥负荷）污泥负荷率是指单位重量活性污泥在单位时间内所能承受的BOD5量。V=QSa/XNS式中：Q——与曝气时间相当的平均进水流量，m3/d；Sa——曝气池进水的平均BOD5值，mg/L;X——曝气池中的污泥浓度，mg/L；NS——污泥负荷率，（kgBOD5/kgMLSS·d）方法二：曝气区容积负荷率法（简称容积负荷）容积负荷是指单位容积曝气区在单位时间内所能承受的BOD5量，即Nv=QSa/V=XNSV=QSa/Nv式中：Nv——容积负荷率，kgBOD5/m3Q——与曝气时间相当的平均进水流量，m3/d；Sa——曝气池进水的平均BOD5值，mg/L;方法三：污泥龄法（θC）法微生物平均逗留时间，又称为污泥龄，是指：a.新生的微生物在反应器中平均逗留时间；b.反应系统中，工作着的微生物总量被全部更新一次所需时间；c.反应系统中,工作着的微生物总量同每日排放的剩余微生物量的比值V=θC·Q·y·(S0-Se)/Xa(1+KdθC)式中：Kd——内源代谢系数h-1y——合成系数，mgVSS/mgBOD5;s0——曝气池进水的平均BOD5值，mg/L;se——曝气池出水的平均BOD5值，mg/L;Xa——曝气池中的污泥浓度，mg/L；θC——微生物平均逗留时间，d。剩余污泥的计算：根据yobs定义以及物料平衡式有：Yobs=y/1+KdθCYobs是扣除了内源代谢后的净合成系数，称为表观合成系数。剩余污泥量PX为：PX=yobs·Q·(S