有机废水处理中的环境生物技术及其进展 7页

化学化工学院化学工程与工艺化工安全与环保结课论文选题类别:废水处理题0::有机废水处理中的环境生物技术及其进展姓名:n有机废水处理中的环境生物技术及其进展［摘要］环境生物技术，尤其足生化处理方法因其高效、低耗、处理量人、适川面广及安全的特点而成为世界各国奋机废水处理的主要方法。闸述了先物处理法的三种主要方法：好氧生物处理法、厌氧生物处理法、光合细苘生物处理的作用机理；综述了近年來活性污泥法、生物膜法、厌氧法等在我国轻工业冇机废水处理中的应用实例与研究进展.［关键词］有机废水；好氧工艺；厌氧工艺；生物塘；人工湿地；光合细荫生物处理废水处理的任务是采用芥种技术措施将废水中所含有的各种形态的污染物分离岀来或将K分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化.轻工业殷水含朽人:W:可降解的科机物质，如不经处理排入向然水体要消耗人fi的溶解氧，造成水体缺鉍，使鱼类和水生生物死亡，有些还含有有毐物质，因此，必须对外排的废水进行处理.现代废水处理技术按其作用原理和去除对象可分为物理法、化学法和生物法.生物法是利川水中的微生物的新陈代谢功能，使废水屮呈溶解和胶状的奋机物被降解，丼转化为无害的物质，废水得以净化.中物法具有能耗小，处理效率高，二次污染少，可产生有利用价位的科机人分子等特点，具有良好的应用与开发前景.一、生化处理技术体系生化处理是菇于微生物消化和分解冇机污染物，从中获取碳与能源的原理建立起来的技术体系。由于生化反应的过程、条件和参与反应的微生物种类不同，生化处理可简单地分为好氧与厌氧降解两大类，两类生化反应的基本过程如下好賦降解：有机物+氣气+好氧微生物/酶一水+二氧化碳+无机养分+能量；厌氧降解：有机物+厌氧与兼氧微生物/酶一降解的杏机产物+无机养分+能朵。上述两类反应在不同种类微牛物的参与下进行。微牛.物分泌酶作为牛物催化剂來降低反应所需的活化能，提高反应速率，在分解大分子与难降解有机化合物时，酶的作用尤为i要。好氧降解中，有机物质被彻底氧化分解为水和二氧化碳。在厌氧反应中，原有机物质被改变化学结构，降解为小分子屮间产物。好氧与厌氧分解均释放能景和无机养分，为微屯物生长所利用。好氣降解不仅彻底，反疢速率也较高，因此成为生化处理技术的主体。厌氧反应较缓慢，冇机物质转化所需的时间较氏，但厌氧过程冇两个重要作用：一足可以降低废水中有机物质的浓度；二是可以转化-些好氧微生物难以直接分解利用的难降解有机物质。因此，厌氧技术在高浓度和难降解有机废水处理中具有十分重要的地位。1.好氧降解技术好氧降解技术有活性污泥法和牛.物膜法。（1）活性污泥法活性污泥法是最传统的好氧牛.物处理技术。所谓活性污泥是指微生物利川废水中的有机物质生长与繁殖ifij形成的絮凝体。这一絮凝物质具有W个基本特性：一是吸附勾分解有机物质的能力强；二是自身的凝聚与沉降性好。因此，活性污泥法的工作原理是：在科机废水屮通过曝气供氧，促进微牛物生长形成活性污泥，利川活性污泥的吸附、氧化分解、凝聚和沉降性能来净化废水中的有机污染物。处理过程屮，有机降解是依赖活性污泥的吸附与氧化分解能九而水泥分离则是利用活性污泥的凝聚和沉降性能。决定活性污泥处理系统功能和效果的因子很多，例如奋机负份、水力负份与反应吋间（决定反应器功能），污泥性质与泥龄（决定生物种类、活性与沉降性能）以及溶解氧水平、温度、水压等（影响处理效率）。活性污泥法中冇两项鉍难木的技术措施：一是通过曝气来提高反成器水体屮溶解氣的水平；二是通过污泥回流来保证反成器屮的生物景与活性。因此，n后人在研究和改进充氧方式和污泥回流的基础上,发展IliY系列新型工艺。基r活性污泥法原理的新型生化处理技术中，较为典型和成功的要属间歇式活性污泥法和氧化沟。(2)生物膜法生物膜法是在处理废水的反应器中添加介质(填料)作为微生物附着的载体，在分解有机污染物过程中，微生物在介质的表則上生长繁殖，逐步形成粘液状的膜，然P，利用固着在介质表面的这种微屯物膜來净化污水。在分解奋机污染物的过程屮，载体上微中物的屯长会使膜逐步增厚，形成表层好氧、P、j层兼氧和厌氧的微生态环境，因此生物膜法其有一•定的厌鉍降解功能。生物膜增厚至一足程度会向动脱落，成污泥，残衍或新附着在介质表則的微生物将继续生长繁殖，形成新的生物胶。W此生物胶法具杏无需污泥回流、胶的生物活性高、反应稳定等优点。(3)光合细菌生物处理法光合细菌是进行不放氧光合作用的一大类细菌总称.光合细菌可以利用光能进行高效的能量代谢(即使微弱的光照也能进行).迕有氧条件卜分解有机物，通过氧化磷酸化取得能:W:,外且能随生长条仲的变化而灵活地改变代谢类型.如红螺菌科的红假单孢菌诚的球形红假单孢歯和荚膜红假单孢歯等.这类光介细歯在厌鉍光照、好铽光照或好鉍黑暗条件下都能利用低分子有机物迅速增殖.1.厌氧生物处理技术厌氧消化工艺在其它领域(例如发酵工业、酿泗、制酱等)的应用ft有悠久的历史。20世纪70年代起，厌氧消化工艺由于兼备产能和低能耗的双重优点引起人们的重视，继而研制和幵发出一人批类似好氧降解技术的厌氧反应器，如厌氧滤池(AP)、升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧流化床(AFB)、厌氧附着膨胀床(AAFEB)、厌氧生物转盘(ABKD)和厌氧折流板反应器(ABK)等。新型厌氧反应器的井同特点是冇机负荷大(20〜60kgVSS/m3)与反应时间(HRT)相对短(由原来数天、数I•天缩短至数十小时，其至数小时)。近年来，厌氧技术的应用范围己扩展到高、中、低浓度的多类工、农、养殖业有机废水和牛活污水的处理。厌氧生物技术仍然存在的主要缺陷是：出水水质难以达到直接排放标准，巾此引发出“后处理”的问题。二、生物自然净化技术生物自然净化技术是通过人工措施来强化自然界屮水体、土壤和生物的物理(过滤、吸附、沉淀等)、化学(氧化分解、转化等)与牛.物(吸收、消化降解等)功能，川以净化污水和保护水体。这一技术体系毡括水体生物处理系统和土地处理系统。水体生物处理系统有生物塘(厌氧塘、氧化塘)，土地处理系统主要是人工湿地。总体上，生物自然净化技术具冇投资少、运行费川低的优点，缺点主要是占地面积人，出水水质难以控制。1.生物塘屯物塘是在水体屮培植速生富集的水生植物，利川植物的吸收和收获带走污质來净化水体。氧化塘除了选育合适的水生植物外，还在水体(塘)中增加曝气系统，促进水体中生物的好铽降解。传统的生物塘占地而积人，污水停留时间长，处理效率较差，出水仍带冇一定景的藻类和污质。V；期，学术界的研究从两个方ifu入手:筛选、培竹高效水生净化植物(营建诸如水葫芦塘、芦苇塘、水莴苣塘等水牛.植物塘)；组合曝气、水牛植物、水产养殖多个生物处理单元的综合功能，营建生化一水生动拊物a合生态体系。这些措施增强了生物塘的处理功能，促进了这一水体生物处理技术的发展。生物塘技术在解决和缓解我国严峻的湖泊富营n养化问题中发挥了积极的作用。2.人工湿地人工湿地是20世纪70年代末在污灌基础上发展起来的污水净化技术，具有投资小，能耗低，节水、供肥、运行管理方便等特点。污水经一、二级处理后，川來灌溉土壤一植物系统，在美国被称之为“污水代三级处理”。湿地是水体与陆地的界面区域，是汛泽地、泥碳地、泥塘和水域(包括海洋、河流、湖泊、水库等)的边沿地带的总称。一定长的时间和高的频率被水饱和或淹没是湿地的特征和形成湿地的主要冈子。水体、在这种特殊水分条件下发育的土壤、与适应在这一•特殊环境生长的动植物，组合构成独特的湿.地生境。湿地被称之为物种宝库，具冇多项功能，如提供水生与水陆两柄生物生存环境，调节水域水位、减少早涝影响，净化与改良水质等。人工湿地则是基丁湿地的特点人工建造的模拟湿地功能的系统。当前世界各地建造人工湿地的主要目的是保护水资源和改善水屮态环境。人工況地大致有三种类型：表面流型，潜流型和垂直流型。应川较广的足禍直流型。现代人工湿地的特点是综合和强化了物理、化学和生物三种作用。湿地不仅是一个吸附过滤系统，也是各类无机与冇机物质进行多种化学反应的场所；土壤孔隙间、湿地填料表而和梢物根际提供了微生物的生长空微生物可在填料表血形成生物胶，也可与杏机污染物、根系分泌物、十壤微粒形成不同形状(类似于活性污泥颗粒)的聚合体；污水的间歇渗透使浞地处于干湿交替状态，加上根系传递输鉍的功能，湿地各层将呈现好鉍、缺氣和厌氧的交错分布，形成相当于多个组合的好氣和厌氣微处理单元；湿地填料清洗再生和更换，植物的收获可从湿地系统屮带走人景污质，维持系统的物流平衡和污水净化功能。湿地技术在江河、湖泊的合适地段和风光带、城镇公园与风景区、ft然保护区、生态旅游区等具有广阔的应用前景。当前在人工湿地方面，人们研究的重点主要是开发新型填料，选育合适的植物品种(例如超积累植物)和解决湿地系统堵塞及填料再生问题。三、研究与应用前沿动态提商处理效率与降低技术应用成本足环境生物技术改进与创新的总体0称。除此之外，在防治有机污染中，学术界和工程技术人员还致力于解决三大难题：一•足难降解有机物，这类物质可生化性低，微生物分解慢;二是高浓度冇机废水，这类废水冇机负荷大，采用常规生化处理方法难以达到排放标准；三是去氮除磷M题，现存的生物去氮除磷技术处理效率低，技术成本较高。当前在水处理领域中，环境生物技术研究开发的主攻方向可概括为五个方而:工艺优化组合,新型填料开发，生物试剂应用，资源W收利用，A动化模型化。1.工艺优化组合工艺优化纟fl合是生物降解技术发展的一人趋势，不同的工艺通过组合可克服个体技术的不足，实现优势互补。在实际应用中大致有如卜三个方而的工艺组合类型。(1)好氧与厌氧技术的组合好氧处理的难点是冇机负荷小与脱氮除磷效率低，而厌氧技术存在的14题是耗时与出水水质较差。先外，厌氣与缺氣水解酸化工艺可将难降解的复杂有机物转化为简单小分子、降低有机物浓度水〒，提高废水的可生化性，因此工艺被广泛应用于焦化、油田、炼汕废水以及苎麻、印染、造纸废水的处理中。(2)活性污泥法与生物脱法组合这方而的典型例子右复合式活性污泥生物脱反应器(HASBR)和序批式生物膜反应器(SBBR)等。(3)生物降解与其它技术组合这方面成功的事例很多，例如采用SBR+臭氧氧化工艺和物化气浮-接触氧化处理印染废水，采用混凝-气浮-厌氧-好氧处理苎麻废水、油111和炼油废水等。n1.新型填料开发填料与载体是生物膜反应器和人工湿地中的重要组成部分。新型材料的开发主要致力于改善载体的材质、粒校、比表血积与表活性特征。实践屮极用的填料种类繁多，如无机及生物陶粒、改性炉渣、活性炭、石英砂与碎焦炭等。当前研制的主要方向是开发高分子材料及生物改性材料等。2.生物试剂应用卞物试剂应川方面主要奋优势菌、牛.物酶试剂与细胞固定化技术。（1）优势菌技术微生物在消化奋机污染物过程屮聚合形成的悬浮菌胶团（活性污泥），或足附着在载体表而形成的生物膜,构成与废水有机污染物接触（传质）和反应（降解）的基本单元。因此，生物反应器的降解效率极大程度取决于生物歯种的品质与特性。优势歯冇两个含义：一是在反应器的微生物群体屮占优势的菌种；二是具有高分解能力的菌种，即高效降解菌种。在个体概念上，优势菌通常是指对特殊底物、或在特殊环境中K有高效降解力的菌种，具有底物和环境的专一性。而在群体概念上，优势菌则代表具有S合降解活力的组合井生代谢的微生物群,即有效微生物群（EM）。由于优势共生，卯具柯复合功能，因此能适疢废水有机组成与负荷的变化，具冇高效率、低成木的优点。优势齒中培育的方法主要冇四种：IM然筛选驯化，从期污染的土壤、水体、废水中筛选分离，在特殊条件下进行适应性驯化；混合培养，将分离出的不同优良菌株进行混合培养，得到新的混合群：细胞工程，将两种优良菌的原生质体融合，获得带奋双亲的DNA序列融合子；基因工程，将降解性质粒DNA重纟II，获得带奋多个质粒的新菌株。（2）生物酶试剂生物酶试剂是采用酶r程技术,借助生物反应装置，利用细胞成细胞器（以及酶）生产和相关工艺手段分离提纯所获得的产品。世界酶制剂工业于19世纪末诞生，现已由可溶酶试剂进入到固定化酶、固定化活菌酶和采用细胞融合、DXA重组等技术改良产酶菌种来生产生物工程酶阶段，酶试剂的应用也由¥期的食品工程、医药制药、各种鉍®酸、冇机酸、核苷酸、抗生素、人工合成淀粉、脂肪、缶0质的生产等，扩展到节能和环境保护领域。微生物消化有机物质离不开酶的催化作用，在有机污染物处理巾添加合适的酶试剂可显著地加速启动，提高反应效率。现阶段，固定化酶技术进一步扩大了酶试剂在工业、农业、养殖业冇机废水处理的应用范围。在环境保护领域，国内外生产的纯酶主要是水解酶类。还有许多种类的复合酶试剂，组成-•般乜括了筛选的菌种群落、酶和供细菌斗:长的营养物质。复合酶试剂的机理足，在奋机废水屮加入一种酶和产酶体系，使筛选的菌种在繁殖过程屮屯产更多的酶，创建连续的酶生产循环，以保证处理系统屮优势菌种与酶的活性水平。近年来，我国研制与生产的用以处理生活污水和垃圾渗透液的酶和生物歯种添加剂也进入市场。（3）细菌固定化技术利用物理、化学和生化手段将高效歯（以及酶）固定构成反应器难木单元称为细齒的固定化技术，基木?y法柯表血吸附、键联岡定、细胞ti交联、多聚体包埋、微滤胶截贸等。细胞固定化后可提高和保持反应器内优势菌的比率与活力，因此月＜有反应启动快、优势菌浓度高、处理效果好、产污泥量少、固液相分离简单、对有莓物质承受和降解能力强、系统操作稳定的优点。生物试剂在应用屮也存在一些不可忽视的问题。例如窈效菌筛选与环境安全问题，其要求筛选的蔺种必须足非病源细阐，生长过稈屮不导致病毒和不产生有毒气体等;生物工程菌培育的生态安全性问题，其要求在利用细胞工程和基因工程技术培育新菌种吋，n必须考虑新菌种可能对芄它生物和生态环境带來的负囬影响；其次是牛.物试剂应用的成本问题，包拈试剂的牛.产成本和使川成本，其决定生物试剂在水处理屮的应川前贵。当前国内外在这一领域的研究仍然集屮于菌种的筛选驯化与优势组合，固定载体上生物的生长与繁殖规律，以及技术的经济性、实用性和对操作性等方衡。1.资源冋收利用资源冋收利用也括水资源的冋收利用和残贸污泥的开发利用。水资源的冋收主要是采用组合工艺，在生物处理的®础上利川深度处理技术进一步净化水质，以达到回收用水的质景杯准。水的深度处理技术种类很多，例如离子交换、活性碳吸附、膜技术、氧化、光化学氧化、等离子体技水等。水的深度处理技术成本较高，但水的回用补偿了部分经济效益,同时在节水和水环境保护方面也冇显著的社会和生态效益。污泥处理是冇机废水处理的一个重要组成部分，若处理不当会带来二次污染，相反，若能有效利用则可带来可观的经济效益，相对降低了废水处理的成本。常规的污泥处理系统山发酵池(重力浓缩池)、压力溶气气浮(DAF)浓缩系统和离心脱水没备纟II成。发酵池后的初沉污泥和经压力溶气气浮浓缩后的剩余污泥进入离心脱科机废水污泥富含有机物质，-K可以作为生产科机化肥的基质，也可以作为底肥直接施用在农田和林地上。但污泥是否可以作为冇机肥料，要看冇机废水的种类及其污泥的化学组成。用污泥生产沼气是污泥资源回收的另一有效途径。在欧洲，许多城扣生活废水处理厂都配置了污泥厌賦处理沼气塔。2.自动化模型化废水处理的自动化与模型化足一个必然趋势。然而，当前£)动化技术在废水处理屮的应用主要限于常规运行、検测和管理方而，而对于如何自动凋节最佳反应条件(如有机负荷、水力负荷、溶解氧、水压、温度、酸碱度等)、提高反应速率及保证出水质S(BOD、COD、N、P等)等方血，自动化技术在疲水处理屮的渗透不够。最佳反应条件是多W子的组合，涉及到废水处理的运行模式及模式的可控和可调性。国内外在活性污泥模型的计算机动态模拟，以及将DO、pH、温度等作为反应时间控制参数，在SBR反应时间程序的计算机控制方而作了一些有益的探讨。可以预见，自动化理论与技术在有机废水处理的试验研究与工程实践屮将会发挥更大的作用。四、结束语现代生物技术的发展,给环境生物技术的纵深发展增添了强大的动力，环境生物技术无论是在生态环境保护方面,还是在污染防治方血和环境监测方时，都显示了独特的功能和优越性。现代环境生物技术面临的主要任务是：(1)高效降解污染物的某W工程菌和抗污染型转基因棺物的研究。(2)无害化或无污染生物生产工艺技术研究。(3)生物反应器和固定化技术髙效处理废水的工业应川研究。(4)废物资源化工程研究。(5)引入DNA扩增和其他生物技术的环境监测方法研究。n［参考文[1]顾润南.[2]国家环保[3]戴树桂.[4]王玉庆.[5]蒋展鹏.[6]张希衡.[7]贺延龄，[8]唐世荣,1996,4(12):[9]郭江峰.68.[10]王庆仁，报，2001,21([11]吴桐.318-329[12]张敬东.献］46-47.3-10.顾润南.我聞城市生活污水处理方法述评［J］.环境保护，2001(9)国家环保总局.2001年中国环境状况公报［J］.环境保护,2002(6)戴树桂.环境化学［M］.北京：高等教育出版社，2000.1-187.王玉庆.中国主要环境污染问题和对策［J］.世界环境，1994(3):3-6.环境工程学［M］.北京：高等教育出版社，2002.45-214.水污染控制工程［M］.北京：冶金工业出版社，1999.1-19，20-252.贺延龄，陈爱侠.环境微生物学［M］.北京：中国轻工业出版社，2001.198-228.唐世荣，黄昌勇，朱祖祥.利用植物修复重金属污染十壤［J］.环境科学进展，10-15.郭江峰.污染土壤生物治理的研究方法［J］.环境科学进展，1995，3(5):62-王庆仁，崔岩山，董艺婷.棺物修笈一重金属污染土壤整治有效途径［J］.生态学:326-331.吴桐.中国城市垃圾、污水处理技术实物［M］.北京：世界知识出版社，2001.9张敬东.污水处理技术的新发展［J］•环境技术，1997(6):28-32.