废水处理-生物反应器原理 61页

废水处理n第一节　概述水是人类生活和生产活动中不可缺少的物质资源。水资源在使用过程中由于丧失了使用价值而被废弃外排，并以各种形式使受纳水体受到影响，这种水就称为废水。n目前，我国的湖泊大多呈富营养化，面积也不断萎缩，近海水域亦因受污染，赤潮频发。我国水污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化”。n一、发酵工业废水来源随着行业经济的快速发展，发酵生产中产生的废水、废气和废渣也明显增加，主要面临问题之一就是发酵工业废水的处理。发酵行业耗水量很大，每1吨产品消耗水量在30~250吨之间不等。n发酵工业的主要废渣水来自原料处理后剩下的废渣（如蔗渣、甜菜粕、大米渣、麦糟、玉米浆渣、纤维渣、葡萄皮渣和薯干渣等）、分离与提取主要产品后废母液与废糟（如玉米、薯干、糖蜜酒精糟，味精发酵废母液，白酒糟，葡萄酒糟，柠檬酸中和废液等）以及加工和生产过程中各种冲洗水、洗涤剂和冷却水。n发酵工业采用玉米、薯干、大米等作为主原料，并不是利用这些原料的全部，而只是利用其中的淀粉，其余部分（脂肪、蛋白和纤维素等）限于投资、技术、设备和管理等原因，很多企业尚未加以很好的利用。n如果按粮食原料淀粉含量70%计，按生产工艺的淀粉利用率为40%计，则整个行业全年有近1000多万吨原料转化为废渣水，其中又有相当一部分随洗涤水、冷却水等排入环境中，既浪费资源，又严重污染环境，破坏生态。n二、发酵废水排放标准废水排放标准主要有两种形式：浓度标准和总量控制标准。浓度标准规定了企业、车间或设备排出口排放污染物的浓度限值，其单位一般为mg/L。浓度标准的好处是任务比较明确（对每个污染物质都遵从一个标准），因此管理起来比较简单。n但由于并未考虑企业排放量的大小，接受水体的环境容量大小、性状和要求等，因此并不能保证水体的环境质量。当排放总量超过水体的环境容量时，水体水质则不能达到要求。另外企业可以通过稀释来降低排放水中的污染物浓度，这对可用水来说是个浪费。n总量控制标准是以与某级水环境质量标准相适应的水体自净能力为依据，综合考虑所在地区的污染源，并在可能的条件下利用水质，进行污染源许可排放总量的分配。这种标准可以保证水体的水质要求，不过这提高了对技术的要求，并且往往要与排放许可证制度相结合，加大了管理难度。n排放的污染物按其性质及控制方式分为两类：第一类污染物，不分行业和污水排放方式，也不分受纳水体的功能类别，一律在车间或车间处理设施排放口取样，其最高允许排放浓度必须达到本标准要求（采矿行业的尾矿坝排出口不得视为车间排放口），这类污染物毒性大，影响深远，故要求较高；n第二类污染物在排污单位排放口取样，按污水排放受纳水体的不同等级分别执行一级、二级、三级标准，此类污染物危害相对较小。n发酵工业废水污染物排放标准值n第二节　废水的水质废水的水质指标主要分三类：第一类是物理性指标，包括温度、色度、臭味、浑浊度等；第二类是化学性指标，包括溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、总有机氮（TOC)、有机物、无机物和气体的含量；第三类是生物学水质指标，包括细菌总数、各种病原菌等。n一、废水的物理性质1.温度水温对废水的生物及物理、化学处理均有影响。废水的温度一般较原水温高，因为在生活、工业、商业等用水过程中往往有热量释放到水中。n2.气味气味是判断水质优劣的感官指标之一，清洁水是无臭的，受到污染后才产生臭味。同时废水的气味还有助于辨别废水所处的条件和处理工艺的运行状况。污水厂的进水除了正常的粪臭外，有时在集水井附近有臭鸡蛋味，臭鸡蛋味说明有H2S存在，是有机物厌氧腐败分解后释放出来。在好氧处理中发现有臭鸡蛋味说明运行控制失败，应及时予以调整。n生活污水的臭味主要由有机物腐败产生的气体造成，主要来源于还原性硫和氮的化合物，工业废水的臭味主要由挥发性化合物造成。臭味主要有鱼腥臭[胺类，如CH3NH2，(CH3)3N]，氨臭(NH3)，腐肉臭[二元胺类，如NH2(CH2)4NH2]，腐蛋臭(H2S)，腐甘蓝臭[有机硫化物，如(CH3)2S]，粪臭(甲基吲哚C8H5NHCH3)以及某些工业污水的特殊气味（如酚等）。n3.色度废水的颜色通常由悬浮态、胶体态和溶解态物质形成，由悬浮态物质形成的色度称为表色，由胶体态及溶解态物质形成的色度称为真色。工业废水的颜色由工业废水成分决定。含色度的废水排入天然水体后对水体透明度影响较大，影响环境的景观。n4.悬浮物水中的污染物质根据它的物理状况可分为漂浮物、可沉物、胶体物和溶解物等几类。悬浮物一般可用较简单的方法，如筛滤、沉淀等，使它们与废水分离。悬浮物的去除率是衡量废水处理效果和沉淀效果的重要指标。n二、废水的化学性指标1.DO——溶解氧（DO）是指溶解于水中的氧的含量，它以每升水中氧气的毫克数表示。溶解氧不是一种污染物质，而是水体净化的重要因素之一，是一个普遍应用的水质指标。溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解较缓慢。n水被有机物污染后，由于好氧菌作用使其氧化，消耗掉溶解氧。如果得不到空气中氧的及时补充，那么水中的溶解氧就减少，最终导致水体变质，所以把溶解氧作为水质污染程度的一项指标。溶解氧越少，表明污染程度越严重。n2.BOD——生物化学需氧量目前最广泛使用的污染指标和净化度指标是BOD，它是指1L废水中的有机污染物在耗氧微生物作用下进行氧化分解时所消耗的溶氧量。n废水中的有机物分解一般分为两个阶段进行。在第一阶段，主要是将有机物氧化分解为水、二氧化碳和氨，称碳氧化阶段；在第二阶段，氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐，称硝化阶段。n在20℃下，要完全完成有机物的生化降解，需要100天以上，为了简便，并考虑到耗氧分解速度一般在最开始的几天最快，所以以水样在20℃下培养五天消耗的溶氧量作为衡量依据，即BOD5。n3.COD——化学需氧量COD是指用强氧化剂在酸性条件下，将有机物氧化为CO2和H2O所消耗的氧量称为化学需氧量，用COD表示nCOD的测试需要时间较短，一般需几个小时即可测得，较测得BOD方便。但只测得COD值，只能反映总有机物的含量，并不能判别易于被生物降解的有机物和难于被生物降解的有机物所占的比例，所以，在工程实际中BOD与COD要同时测试两项指标作为污水处理领域的重要指标。n同一种废水，COD值与BOD值之间常常有一定的比例关系，故可以经过一段时期对COD和BOD的平行测试后，算得它们之间的比值，然后可从水样的COD值来推算BOD的近似值。当废水含有毒物质而不能测定BOD时，也可通过测定COD来弥补不能测定BOD的缺陷。nBOD5/COD可作为污水是否适宜采用生物化学法处理的一个衡量标准，所以把BOD5/COD叫做可生化性指标。比值越大，越容易被生化处理。一般认为BOD5/COD大于0.3的污水才适于采用生化处理。n4.TOC——总有机碳为了快速测定废水浓度，产生了测定水样TOC值的方法。TOC系指废水中所有有机物的含碳量。在TOC测定仪中，当样品在950℃下燃烧时，样品中所有的有机碳和无机碳生成CO2，此即为总碳（TC）。当样品在150℃中燃烧时只有无机碳转化成CO2，此即为总无机碳（TIC）。总碳与总无机碳之差，即TOC︰TOC=TC－TIC。n5.固体物质总固体（TS)：TS指单位体积的水样，在103~105℃蒸发烘干后，残留物质的重量。废水经过滤器过滤后即将TS分成两部分，被过滤器截留的固体称为悬浮固体SS；通过过滤器进入滤液中的固体称为溶解性固体DS。n悬浮固体（SS）与溶解性固体（DS）：悬浮固体SS，也称悬浮物，是污水的一项重要指标。悬浮物包括漂于水面的漂浮物，多为油脂、木屑、果核等；悬于水中的悬浮物如浮化油等，而沉于底部的沉淀物如砂、泥、石、纸、布、食物质等。悬浮物是将污水过滤、把滞留在过滤材料上的物质，通过烘干、称重测得。通过过滤器进入滤液中的固体称为溶解性固体DS。n挥发性固体（VS）和非挥发性固体（FS）：将水样中的固体置于马福炉中，于650℃灼烧1h，固体中的有机物即被气体挥发，此即为挥发性固体VS，残剩的固体即为非挥发性固体FS。后者大体上是砂、石、无机盐等类无机盐组分。n溶解固体的浓度与成分对污水处理效果有直接影响，悬浮固体含量较高能使管道系统产生淤积和堵塞现象，也可使污水泵站的设备损坏。如果不经处理直接排入受纳水体，能造成水生动物窒息，破坏生态。n6.氮废水中氮以如下几种形式存在：有机氮，如蛋白质、氨基酸、尿素、尿酸、偶氮染料等物质中所含的氮；氨氮（NH3-N及NH4-N）；亚硝酸氮（NO2-N）；硝酸氮（NO3-N）。n总氮是污水中各类有机氮和无机氮的总和。亚硝酸氮不稳定，它可还原成NH3或氧化成NO3-N。水中氮含量过高可引起水体富营养化。废水的净化主要是通过氧化达到无机化、稳定化，所以总氮含量中有机氮和氨氮量的减少，硝态氮所占比例的增加以及总氮的去除率乃是重要的净化度指标。n7.磷磷是生物体中的重要元素之一，在生化处理中，磷同氮一样是微生物的营养物质，故在废水处理中对碳氮比有一定的要求。磷在生物处理中化合价不产生变化。在自然界中，磷可在无机磷和有机磷之间、可溶性磷和不溶性磷之间相互转化。在水中磷含量过多可引起水体富营养化，因此它也是废水污染度与净化度的指标之一。n三、生物学指标废水中生物污染物是指污水中存在的致病微生物，以细菌和病毒为主此外还有一些寄生虫卵。处理前后微生物数量的变化是评价水质净化度的指标之一，部分生活污水处理厂以及所有医院污水处理系统排放的出水还应予以消毒，以杀灭处理后残存的病原微生物。n第三节　工厂废水处理法选择排放废水要达到国家、地方的排放标准，这就需要进行废水处理.所谓废水处理就是采用物理的、化学的、生物化学的方法和技术，将废水中的污染物质分离除去、回收利用或将有害物转化为无害物，最终将水净化。n一、废水处理方法按照处理结果可分为两类，一类是把有害物从废水中分离出来，进行资源化控制；另一类是将有害物转化为无害物。n1．物理处理方法主要是利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变污染物的化学性质。常用的有采用格栅、筛网、砂滤等方法截留各类漂浮物、悬浮物等；利用沉淀、气浮和离心等方法分离比重与不同种类 的污染物质等。n2．化学或物理化学处理法利用化学反应的作用，通过改变污染物的性质，降低其危害性或有利于污染物的分离除去。n包括向废水中投加各类絮凝剂，使之与水中的污染物起化学反应，生成不溶于水或难溶于水的化合物，析出沉淀，使废水得到净化的化学沉淀法；利用中和作用处理酸性或碱性废水的中和法；利用液氮、臭氧等强氧化剂氧化分解废水中污染物的化学氧化法；利用电解的原理，在阴阳两极分别发生氧化和还原反应，使水质达到净化的电解法等。n3．生物处理法也称为生物化学法，简称为生化法。生化处理法是处理废水中应用最久、最广和比较有效的一种方法，它是利用自然界中存在的各种微生物，将废水中污染物进行分解和转化，达到净化的目的。n主要可分为两大类。一类是好氧生物处理法，即好氧微生物在有氧环境中利用碳氧化或氮氧化作用将水中的碳、氮等转化，进行无害化处理或稳定化处理。主要工艺有活性污泥法和生物膜法两种。n另一类是厌氧生物处理法，即在厌氧状态下，厌氧菌将水中的碳、氮、磷等进行无害化处理，多用于高浓度有机污水和污水处理过程中产生污泥的处理，随着对该法研究的深入，现在也可以用于处理城市污水和低浓度有机污水。n二、废水处理工艺流程的选定废水处理工艺流程是指对废水处理所采用的一系列处理单元的组合形式。一般应与废水处理厂厂址的选择同时考虑，其最主要的依据是原废水的水质、处理应达到的程度与其他自然条件等。n一般来说，废水处理工艺流程的选择应当主要考虑以下几个方面的问题。1.原废水水质工业废水种类繁多，应去除的污染对象庞杂，工业废水处理所采用的处理工艺繁多n2．废水的处理程度主要是受纳水体的功能、水环境质量要求，污染状况与自净能力，以及处理后的废水是否回用等影响因素。如果处理后的废水将回用，就必须使处理水的水质满足用户要求。根据水体自净能力来确定废水处理程度时，既要考虑利用水体的自净容量，又要防止水体的生态平衡受到破坏。同时，还要全面地考虑水系流域污染物防治规划和区域的总体规划等。n3.工程造价与运行费用一般来说，在进行废水处理工艺系统最优化设计时，应以原废水水质、水量与其他自然条件作为原始条件，以要求的处理水水质作为约束条件，以处理系统最低的总费用为目标n4.当地的自然条件当地的地形、气候、水资源等自然条件，也对废水处理工艺流程的选择有较大影响。如当地有废弃的旧河道、池塘、洼地、河滩、沼泽地与山谷等地域，则可优先考虑采用工程造价低廉的稳定塘废水自然净化技术。n寒冷地区应当采用耐低温、冬季能正常运行的处理工艺，而且应尽可能将处理设施建在室外，以节省基建与运行费用。此外，当地的建筑材料与电力能源供应等具体情况，也是工艺流程选择的因素。n5.废水水量及其变化动态水质水量变化大的工业废水应当考虑设置均质池、调节池或事故储水池，或者选用耐冲击负荷能力较强的处理工艺；n6.运行管理与施工在选择运行管理复杂的工艺时应在充分的可行性研究的基础上决定。地下水位较高与地质条件较差的地区不宜选择施工难度大的处理构筑物。n第四节　发酵工业废水的生物处理一、废水生物处理的基本原理天然水体受到污染后，在没有人为干预的条件下，可借助水体自身的能力使之得到净化，这种现象称为水体自净。水体自净过程主要包括稀释、沉降、扩散等物理作用，氧化、还原、分解、絮凝等化学作用和生物降解作用，其中生物降解，即生物净化作用是水体自净作用的主要动力。n废水生物处理法是天然水体生物自净原理的人工强化和具体应用。该方法通过创造适宜的条件，使微生物高浓度地富集在特定的构筑物，即废水处理装置中，充分利用微生物的作用，高速度、高效率地分解、转化废水中的污染物，从而使水体得到净化。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，可将废水生物处理分为好氧处理与厌氧处理两大类。n二、发酵工业废水的好氧生物处理（一）活性污泥法活性污泥法实质上是从废水的自净原理发展起来的。不同的是系统中分解有机成分的微生物群体是人为定向培养而成，水体中天然的溶氧根本满足不了微生物代谢的需要。因此，必须设置一个鼓风曝气或机械曝气系统，这个系统被称为曝气池。曝气池中具有分解有机物能力的生物群体即为活性污泥。n废水经曝气池停留一段时间后，废水中大部分有机物被活性污泥吸附、氧化分解，随后进入沉淀池。在沉淀池中，活性污泥下沉，上清液即可排放。n（二）生物膜法生物膜是指以生长在固体（称为载体或填料）表面的生物成膜(biologicalfilm或biofilm)生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料或粘附在生物转盘盘片上的一层带黏性、薄膜状的微生物混合群体n老化的生物膜和游离细菌被滤池扫除生物（轮虫、线虫、颗粒体虫等）吞食，废水得到净化。生物膜法比活性污泥法具有生物密度大、耐污染力强、动力消耗较小、无需污泥回流与不发生污泥膨胀等特点，其运转管理较方便。但它不如活性污泥法中的絮状体易于凝聚沉降，从而影响处理水的透明度，这是生物膜法的不足之处n三、发酵工业废水的厌氧生物处理厌氧生物处理法是在厌氧条件或缺氧条件下，利用厌氧性微生物（包括兼性微生物）分解废水中的有机物的方法。n厌氧生物处理的基本原理厌氧处理是在多种微生物种群的共同作用下，利用密闭的厌氧环境将有机物转变为甲烷和二氧化碳。