印染废水处理第四章生物处理-安刚课件 98页

轻化工废水处理第四章废水的生物处理法材料与化学工程系安刚第四章废水的生物处理n一、废水处理中的微生物二、生物处理的生化过程三、生物处理法对废水水质的要求四、活性污泥法五、生物膜法☆本章主要内容：第四章废水的生物处理n第四章废水的生物处理法在自然界中存在大量以有机物为食物的微生物，它们具有将有机物氧化分解成无机物的功能。若人为地为微生物创造一个良好的生活环境，以废水中的有机物作为它们的食料，则废水中的有机物在微生物的作用下，氧化分解成为无机物，从而使废水得以净化。这种利用微生物的氧化分解作用，除去废水中有机物的方法成为废水生物处理法。第四章废水的生物处理n自然界中以细菌分解有机物的能力最强，因此，废水生物处理所利用的微生物主要是细菌。根据生化反应中氧气的需求与否，可把细菌分为好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌，其中主要依赖好氧菌和兼性厌氧菌的生化作用来完成处理过程的工艺，称为耗氧生物处理法；主要依赖厌氧菌和兼性厌氧菌的生化作用来完成处理过程的工艺，称为厌氧生物处理法。目前。对纺织印染废水处理多采用生物处理法，并获得良好效果。第四章废水的生物处理n第一节废水处理中的微生物☆一、微生物的定义微生物是一类形体微小、结构简单、必须借助显微镜才能看清其面目的生物。它们既包括细菌、放线菌、支原体、衣原体等原核微生物，也包括酵母菌、霉菌、原生动物、微型藻类等真核微生物，还包括非细胞型的病毒和类病毒，因此微生物是一切微小生物的总称。第四章废水的生物处理n☆二、微生物的特点☆（一）个体小、种类多、分布广微生物的大小用微米量度。因为微生物极小、极轻，易随风飞扬，所以它们分布在江河湖海、高山、雪地、人和动物体内外等各种场合，，在地球上，微生物的分布无所不在。☆（二）代谢强度大、代谢类型多样由于微生物形体微小，表面积大，有利于细胞吸收营养物质和加强新陈代谢。利用这一特性，可使废水中的污染物迅速降解。第四章废水的生物处理n☆（三）繁殖快:在生物界中，微生物具有最高的繁殖速度，在适宜的环境中，微生物繁殖的时间很短，快的只有20min，慢的也不过几小时。☆（四）数量多:因为微生物繁殖速度快，因此，其数量巨大。☆（五）易变异:微生物的个体一般呈单细胞或接近于单细胞，，由于大多数微生物为无性繁殖，整个细胞与环境接触，易受外界环境条件的影响，因此，微生物具有易变异的特点。利用此特点，在环境保护中的废水生物处理时可进行活性污泥的驯化，此外，也可利用此特点，选育特定的微生物，来分解难降解的有机物。第四章废水的生物处理n☆三、废水生物处理中主要的微生物类群在废水生化处理中，可通过处理系统中微生物的代谢活动，将废水中的有机物氧化分解为无机物，从而使废水得到净化。处理后出水水质的好坏都与微生物的种类、数量及其代谢活力有关。在生物处理污水中，细菌起着最重要的作用，此外，还有原生动物和后生动物等微型动物，在某些废水中有时还可见到酵母菌以及微型藻类。第四章废水的生物处理n☆1、细菌：是最重要的环境微生物之一，细菌的细胞壁用来保护体内原生质免受渗透压引起的破裂，维持细胞体的形状，选择性地吸收环境中物质进入细胞体内。在细胞壁外围形成的一层多糖类物质称为荚膜，对细胞具有保护作用。当环境中缺乏营养时，荚膜中的糖类临时当作能源代谢，多个细菌的荚膜相互融合成一体时就形成一个细菌细胞集团，称为菌胶团.第四章废水的生物处理n菌胶团细菌是构成活性污泥絮凝体的主要成分，有很强的吸附、氧化分解有机物的能力。细菌形成菌胶团后可防止被微型动物所吞噬，并在一定程度上可免受毒物的影响，有很好的沉降性能，使混合液在二沉池中迅速完成泥水分离。☆2、丝状细菌：有较发达的菌丝，菌丝体可以有分支和分隔，丝状体的形状和多支的特征是用来区分丝状菌种属的特征。丝状细菌同菌胶团细菌一样，是活性污泥的重要组成部分。丝状细菌有很强的氧化分解有机物的能力，有一定的净化作用。在有些情况下，它在数量上可超过菌胶团细菌，使污泥絮凝体沉降性能变差，严重时可引起活性污泥膨胀，造成出水质量下降。第四章废水的生物处理n☆3、真菌：是一类较特别的生物，有单细胞和多细胞结构。活性污泥中的真菌，主要为丝状菌。真菌在活性污泥中出现一般与水质有关，它常常出现在某些含碳较高或pH值较低的工业废水处理系统中。☆4、微型动物：包括原生动物和后生动物。原生动物是动物中最原始、最简单的单细胞动物，其生理功能同动物相似，有摄食、消化、呼吸、排泄、生长、繁殖等功能。原生动物常见的类群有肉足虫类、鞭毛虫类和纤毛虫类。第四章废水的生物处理n☆由于动物的型体较细菌大得多，借助显微镜就可将他们区分开。可根据污泥中动物的种类、营养特性与净化程度之间存在一定的关系来判断系统运行情况，使其在处理中起指示作用。在水质突变或污泥中毒时，即可根据生物相的变化，及时发现问题，采取必要的措施。☆5、微型藻类：是低等植物的统称，其结构简单，无根、茎、叶的分化。污水处理中常见的藻类有蓝藻、绿藻、硅藻三类。藻类一般是无机营养的，其细胞内含有叶绿素及其它辅助色素，能进行光合作用。在活性污泥中，藻类数量和品种较少，在沉淀池边缘、出水槽等阳光暴露处较多见。第四章废水的生物处理n第二节生物处理的生化过程☆一、微生物的生长曲线废水中的生物处理过程实际可看作是微生物的连续培养过程。微生物的生长规律可用细菌的生长曲线来反映，如图5-2所示此曲线可划分为四个生长时期：第四章废水的生物处理图4-1细菌生长曲线n☆（一）停滞期这是细菌培养的最初时期。在这个时期，细菌刚接入新鲜的培养液中，对新的环境还有一个适应过程，因此，在此时期细菌的数量基本不增加，生长速率接近于零。在污水生物处理过程中，这一时期一般在细菌的培养驯化或处理水质突然发生变化后出现，能适应的细菌则能生存，否则被淘汰，此时细菌数量可能减少。第四章废水的生物处理n☆（二）对数增长期细菌的活动经调整，适应了新的培养环境，由于环境中的营养物质相当丰富，细菌的生长不受营养物质的限制，以最大的速度增大，生物量按几何级数增加，故称对数增长期。在此期间，废水中的有机物以最大的速率进行氧化和合成，污泥的增长速率与生物量成正比，与有机物的浓度无关。第四章废水的生物处理n此阶段的活性污泥处于新生期，活性最大，氧化能力最强，但凝聚沉淀性能很差。在对数增长期，细菌对污水处理能力强，处理速度快，运行效率高，可缩短处理时间，减少处理容积，但要维持在对数增长期，必然要供给细菌较多的营养，就要求进水有机物含量高，因此，出水有机物含量也相应较多，出水水质较差。第四章废水的生物处理n☆（三）静止期（生长率下降阶段）在此阶段，环境中的营养物质急剧下降，因此微生物的生长直接受到营养物质的浓度限制，其增长速率与有机物的浓度成正比，并随有机物浓度的减少而不断下降，细菌总数达到最大值。但由于培养基中底物逐渐消耗，并对细菌产生抑制和毒害作用，导致细菌开始死亡。虽然仍有新分裂的细菌产生，但细菌总数基本保持不变，呈现一个动态平衡。在此阶段，污泥量达到最大值，其氧化能力减弱，但凝聚和沉降性能增强。第四章废水的生物处理n此阶段对营养和氧的要求低，运行稳定，废水中有机物的消耗比较彻底，有机物除去率较高，处理效果好，污泥处理量小，但由于污水在处理装置中需要停留时间长，设备的容积要大，占地面积也大，电耗高，因此投资和运行费用都较高。第四章废水的生物处理n☆（四）内源呼吸期在此阶段，食物已经耗尽，代谢产物大量积累，对细菌的毒害也越来越大，造成细菌大量死亡，细菌只能大量分解自己细胞内的营养物质，使污泥量不断减少，生长曲线显著下降。此时的污泥处于衰弱期，活性较差。本阶段初期，污泥的凝聚沉淀性能好，絮凝体形成迅速，到了后期，因污泥中无机成分大量增加，污泥易碎，活性差，凝聚和沉淀性能差。第四章废水的生物处理n上述的生长曲线只是反映了细菌的生长与底物浓度之间的依赖关系。在污水处理中，污泥的增长规律取决于有机物的浓度（C）和生物量（M）的比例关系。不同生长阶段的污泥，其要求的C/M值也不一样，因此，只要控制C/M值，就可以使污泥处于某一个生长阶段，因此，选择与控制适宜的C/M值，成为废水生物处理的重要指标。第四章废水的生物处理n☆二、生物处理的生化过程生物处理的生化过程是通过微生物的新陈代谢来完成的。微生物在生命活动过程中不断从外界环境中摄取营养物质，并通过复杂的酶催化反应将其加以利用，提供能量并合成新的生物体。同时有不断向外界环境排泄废物。这种为了维持生命活动与繁殖下一代而进行的各种化学变化称为微生物的新陈代谢。第四章废水的生物处理n根据能量的释放与吸收，可将代谢分为分解代谢和合成代谢。在分解代谢过程中，结构复杂的大分子有机物或高能化合物被分解为简单的低分子物质或低能化合物，逐级释放出其固有的能量。在合成代谢中，微生物把从外界环境中摄取的营养物质，通过一系列的生化反应合成新的细胞物质，在微生物的生命活动过程中，两种代谢不是单独进行的，而是相互依赖、共同进行的，两者的密切配合推动微生物的生命运动。第四章废水的生物处理n(一)分解代谢高能化合物分解为低能化合物，物质由复杂到简单并逐级释放能量的过程叫分解代谢。一切生物进行生命活动所需要的物质和能量都是通过分解代谢提供的，因此分解代谢是新陈代谢的基础。根据分解代谢过程对氧的要求，可分为好氧代谢和厌氧代谢。废水的好氧生物处理，是在有氧存在的条件下，在好氧微生物和兼性微生物的参与下，使有机物降解的无害化处理方法。第四章废水的生物处理n废水中存在的各种有机物作为微生物的营养源，这些高能有机物经过一系列的生化反应，释放出能量，最后以低能的无机物稳定下来，达到无害化的目的。耗氧分解过程中，有机物的分解比较彻底，最终产物是水和二氧化碳，释放能量最多，代谢速度快，代谢产物稳定。第四章废水的生物处理n废水的厌氧代谢（即厌氧生物处理）是指在无氧存在的条件下，在厌氧微生物和兼氧微生物的作用下对有机物进行分解的处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机物被降解为简单、稳定化合物，同时释放能量。其中大部分能量以甲烷的形式出现，可回收利用，仅有少量有机物转化合成为新的细胞组成部分，故厌氧法相对于好氧，污泥量较少。厌氧分解代谢中有机物氧化不彻底，最终产物中还含有大量的能量，因此释放能量少，代谢速度慢。第四章废水的生物处理n☆（二）合成代谢微生物从外界获得能量，将低能化合物合成生物体的过程叫合成代谢，在此过程中，微生物合成所需的能量和物质由分解代谢提供。第四章废水的生物处理n第三节生物处理法对废水水质的要求近年来，新合成的有机化合物不断问世，有些是可以被微生物降解的，而有些是难被微生物降解。当有毒物质进入废水生物处理系统后不仅得不到理想的处理效果，而且对微生物产生毒害作用，影响正常的生物处理。因此必须首先通过实验判断废水用生物处理的可能性。第四章废水的生物处理n其目的在于了解污染物的分子结构能否在生物作用下分解到环境所允许的结构形式，以及是否有足够快的分解速度。如果废水的可生化性能较好，为了取得预期的处理效果，还必须为微生物的生长繁殖创造一个适宜的环境。☆一、温度：微生物的全部生长过程都取决于化学反应，而这些化学反应的速率又都受到温度的影响，因此环境中的温度除影响微生物总量增长外，也影响微生物增长速率。对任何一种微生物都有一个最适宜的温度，在一定的温度范围内，随着温度的升高，微生物生长加速，一般温度每提高10℃，微生物的生长速度可增加一倍。第四章废水的生物处理n此外，还有最低温度和最高生长温度，所谓最低生长温度，是指低于这一温度，微生物的生长就停止了，但并未死亡，人们就利用此特性在低温下保存菌种。最高温度是指高于这个温度微生物生长停止，并最终导致死亡。对大多数细菌而言，其适宜的温度范围为20～40℃，温度低于10℃或高于40℃，处理效果明显下降。因此生物处理法必须控制处理时的废水温度。第四章废水的生物处理n☆二、溶解氧DO：好氧生化过程需要氧，而氧必须溶解于水中成为溶解氧才能为好氧微生物利用，只有在有氧的情况下，好氧微生物才能生长和繁殖，一般要求溶解氧维持在0.5～2mg/L。厌氧微生物在有氧的情况下，生长反而受到抑制，甚至死亡。第四章废水的生物处理n☆三、pH值：废水中H+浓度对微生物的生长有直接影响。生物体内的生化反应都是在酶的参与下进行，酶反应需要合适的pH值范围，因此废水的酸碱度对微生物的代谢活力有很大的影响。微生物的生长都有一个最佳pH值范围，对于好氧生物处理，pH值宜在6～9范围内。厌氧生物处理的pH值范围为6.5～8，因为甲烷细菌生长最佳pH值范围较狭窄，pH值低于6或高于8时，对甲烷细菌都不利。第四章废水的生物处理n☆四：营养物质：微生物的生长、繁殖及代谢活动都离不开营养，而且微生物代谢需要一定比例的营养物质。所需营养物质主要有碳源、氮源及磷、硫和微量的钾、镁、铁、钙、维生素等。在某些工业废水中含有的营养成分不一定完全适合或满足微生物的需要，因此就要靠外加营养。对好氧生物处理，废水中的营养物质一般应满足BOD5：N；P=100：5：1。第四章废水的生物处理n☆五、有毒物质：凡是在废水中存在的、对细菌具有抑制或杀死作用的物质都是有毒物质。主要毒物有金属离子（如锌、铜、铅、铬等）和一些非金属化合物（如酚、醛、硫化物等），这些有毒物质或是破坏细菌细胞内某些必要的物理结构，或是抑制其它物质的生物氧化。因此，在废水处理中，应防止超过允许浓度的有毒物质进入，对有毒物质浓度较高的废水应采用适当方法进行予处理。第四章废水的生物处理n第四节活性污泥法废水的生物处理法是在19世纪末出现的。生物处理法包括活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法是生物处理法的主要方法。☆一、活性污泥的定义和组成所谓活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混合在一起形成的具有很强吸附分解有机物能力的絮状颗粒。第四章废水的生物处理n活性污泥是以细菌、原生动物和后生动物组成的活性微生物为主体，还包括一些无机物、未被微生物分解的的有机物和微生物自身代谢的残留物等四部分组成。活性污泥结构疏松，表面积很大，对有机污染物有很强的吸附凝聚和氧化分解能力。☆二、活性污泥的形成及其性质含有有机物和细菌的污水，不断曝气，维持足够的溶解氧，经过一定时间后，就会产生絮状的污泥。第四章废水的生物处理n在显微镜下观察，可见到各种微生物、细菌、真菌、原生动物和后生动物，把这种充满微生物的絮状泥粒称为活性污泥。活性污泥的性能决定着净化效果的好坏，其性能可用以下几项指标表示：☆（一）污泥浓度：指曝气池中单位体积混合液所含悬浮固体的重量，用MLSS表示。单位为“g/L”或“mg/L”表示。它包括活性污泥的四种成分，工程上把它作为活性污泥生物量的近似指标，同时也可用单位体积混合液中挥发性悬浮固体的重量即MLVSS表示。它不包括污泥中的无机成分，也是活性污泥生物量的近似指标，但比MLSS精确。污泥浓度的大小间接反映混合液中微生物量的多少。第四章废水的生物处理n☆（二）污泥沉降比：是指曝气池混合液在100mL量筒中，静止沉淀30min后，沉淀污泥与原混合液的体积比，以SV％表示。对于正常的活性污泥，经静止沉淀30min后，可接近最大密度，因此，污泥沉降比可表示曝气池中正常运行时的污泥量。由于SV％测定方法简单、迅速，因此常用它来指导活性污泥系统的运行。它不仅可作为剩余污泥排放的控制指标，还可反映污泥沉降性能的变化。如果污泥沉降比突然急剧变大，预示污泥即将发生膨胀或已经发生膨胀。第四章废水的生物处理n☆（三）污泥容积指数（SVI）：简称污泥指数，是指曝气池出口混合液静置沉降30min后，1g干污泥所占的容积，以SVI表示，单位为：mL/g。污泥指数确定过程虽然很复杂，但它能比较准确地反映出活性污泥沉降性能的好坏。对于某一个特定废水水质，有一个对应的最佳SVI值，如果SVI值过低说明污泥颗粒细小紧密，可能是无机物较多，此时污泥活性较差，如果SVI值过高，说明污泥的沉降性能不好，污泥可能要发生膨胀或已经解体，此时污泥往往是丝状菌占了优势。不同的废水水质，SVI值是不同的。生活污水正常的SVI值为50～150，最佳的SVI值为100，印染废水是SVI远高于100，正常的SVI值为100～300。第四章废水的生物处理n☆（四）污泥龄（TS）：也称为细菌平均停留时间或污泥滞留时间。是指曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排除的剩余污泥量的比值，单位为d（日）。在稳定运行条件下，剩余污泥量就是新增长的污泥量。所以污泥龄也是新增长污泥在曝气池内的平均停留时间，或曝气池工作污泥增长一倍平均所需时间。第四章废水的生物处理n☆三、活性污泥法的基本流程和净化过程☆（一）基本流程活性污泥法的形式多种多样，但都具有共同的特征。其基本流程如图5-2所示4-2活性污泥法基本流程第四章废水的生物处理n活性污泥法是在废水的自净作用原理下发展而来的。废水经予处理后进入一个人工建造的池子，池内有无数能氧化分解有机污染物的微生物，在池内设置人工供氧系统进行充氧，给停留在曝气池内的大量微生物提供足够的氧气，此池称为曝气池。废水在曝气池停留一段时间后，废水中的有机物绝大多数被微生物吸附、氧化分解成无机物，随后进入沉淀池。在沉淀池中，活性污泥下沉，处理后的水溢流排出。因此活性污泥法的主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。第四章废水的生物处理n同时，一部分沉淀下来的活性污泥要不断回到曝气池，以保持曝气池内足够的生物量，用来分解氧化废水中的有机物，由于有机物被除去的同时不断产生一定量的活性污泥，为了维持处理系统中一定的微生物量，必须不断把多余的活性污泥从二沉池中排除，排除的活性污泥称为剩余污泥。活性污泥法净化废水的能力强、效率高、占地面积少、臭味轻。但产生剩余污泥量大，对水质水量的变化比较敏感、缓冲能力弱。第四章废水的生物处理n☆(二)有机物的净化过程在活性污泥系统中，有机物的净化过程经过吸附、生物氧化和絮凝沉淀三个阶段。其中前两个阶段在曝气池中完成，后一阶段在二沉池内完成。☆1、活性污泥吸附阶段在这一阶段废水中的有机物除去主要是通过活性污泥的吸附作用。由于处于内源呼吸状态（即饥饿状态）的活性污泥中的微生物对食物的需求，且活性污泥是一种絮凝体，具有巨大的表面积，一旦与废水接触，对废水中呈悬浮状和胶体状有机颗粒立即产生强烈的吸附作用，且吸附速度很快。通过吸附，废水中的有机物会减少很多。第四章废水的生物处理n吸附一般在10～20min内就能完成，表现在处理初期废水中的BOD和COD浓度大幅下降。但由于吸附时间短，通过吸附作用，有机物只是从水中转移到污泥上，其性质并未立即发生变化，多数吸附的有机物来不及被氧化分解，当活性污泥表面吸附的有机颗粒到达饱和后，活性污泥的吸附能力随之消失，转入有机物的生物氧化阶段，但吸附和氧化并非截然分开的。吸附阶段有机物的除去效率与废水水质、泥水混合条件和活性污泥的性质有关。第四章废水的生物处理n吸附作用主要是非溶解性的有机物吸附在污泥絮凝体上，因此。当废水中的有机物主要以悬浮状和胶体状存在时，吸附作用剧烈，有机物除去效率高，反之，当废水中有机物以溶解状态存在时，吸附作用不明显，除去效率低。第四章废水的生物处理n☆2、生物氧化合成阶段吸附阶段基本结束后，微生物要对大量被吸附的有机物进行氧化分解，并利用有机物进行自身繁殖，同时还要继续吸附废水中残存的有机物。活性污泥对有机物的氧化过程，即被吸附和吸收的有机物，在细菌内外酶的作用下，经过氧化和合成两个过程，使有机物得以降解，使此阶段进行得很缓慢，曝气池中大部分时间是在进行有机物的氧化和微生物的细胞合成。第四章废水的生物处理n氧化和合成的速度取决于有机物的浓度。经过氧化合成阶段，废水中的有机物发生了质的变化，一部分被分解为无机物，另一部分变成微生物细胞即活性污泥。通过氧化合成阶段，除去了被吸附的大量有机物，污泥又重新呈现活性，恢复了吸附和氧化能力，因此氧化合成阶段又可称为污泥再生阶段。第四章废水的生物处理n☆3、生物絮凝沉淀阶段由于进入二次沉淀池的活性污泥本身具有良好的凝聚性能，可以很快地絮凝成较大的絮凝体而沉淀。但有机物氧化程度过低，污泥中有机物含量大，污泥结构松散，沉淀性能差；有机物氧化程度过高，污泥中无机成分大，污泥颗粒细小，活性差，凝聚和沉淀性能也差。因此控制曝气池中有机物的氧化程度，对污泥的凝聚和沉淀性能有重大作用，所以，在活性污泥系统中，有机物的除去是通过以上三个阶段共同完成的，其除去效率包括曝气池和二次沉淀池两部分。第四章废水的生物处理n☆四、活性污泥法的运行方法按废水在曝气池内的流动状态和泥水混合的特征，把活性污泥的运行方法分为推流式和完全混合式两种类型。☆（一）推流式活性污泥法☆1、传统活性污泥法：又称普通活性污泥法，是活性污泥法的最早的形式.第四章废水的生物处理n在正常运行的普通活性污泥法曝气池中，在曝气池的前端，回流的活性污泥与刚进入的废水接触，由于有机物浓度相对较高，即供给活性污泥微生物的食料较多，活性污泥将大量吸附废水中的有机物，因此，微生物的生长一般处于生长曲线的对数生长后期或静止期。第四章废水的生物处理n有机物浓度沿池长逐渐降低，需氧量也是沿池长逐渐降低，随着曝气池混合液中有机物的不断被分解及微生物细胞的不断合成，水中的有机物浓度越来越低，C/M也越来越小，由于普通活性污泥法曝气时间较长，到了池子的末端，废水中有机物几乎被耗净，微生物的生长已进入内源呼吸期，它们的活动能力减弱了，因此在沉淀池中容易沉淀，且出水中残留的有机物数量较少，而处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能强烈吸附和氧化有机物，所以普通活性污泥法具有处理效率高，出水水质好，剩余污泥量少等优点.第四章废水的生物处理n但也存在不足：☆（1）耐冲击负荷差：因为其流程为推流式，进入池中的污水与回流污泥在理论上是不与池内原有的混合液相混合，而是自己从池子前端涡流流向末端，泥水在池内只有横向混合，没有纵向混合，进水水质的变化对活性污泥的影响较大，容易损害活性污泥，因此进水浓度尤其是有抑制物质的浓度不能高，因此也就限制了某些工业废水是应用。第四章废水的生物处理n☆（2）供氧不能充分利用：因为在曝气池前端废水水质浓度较高，污泥负荷高，生化反应剧烈，需氧量很大，而后端则相反，生化反应较弱，需氧量小，而空气的分布确是均匀的，这就形成了前端无足够的溶解氧，后端氧的供应大大超过需要，造成氧过剩浪费，动力消耗大。☆（3）容积负荷率低：在处理同样水量时，同其它类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大，占地面积大，基建费用高。为此，在传统活性污泥法的基础上进行改进，出项了多种新的运行方式。第四章废水的生物处理n☆2、阶段曝气法阶段曝气法又称逐步曝气法，它是除传统法以外使用较广的一种活性污泥法。也是普通活性污泥法的一个简单的改进。如图５-3所示。图５-３　　阶段曝气法流程及特点第四章废水的生物处理n废水并不是集中在池端进入曝气池，而是沿曝气池长分段多点进水，使有机物在曝气池中的分配较为均匀，因而氧的需要也较为均匀，避免了前段供氧不足，后段供氧过剩的缺点，同时微生物在食物较均匀的条件下，能充分发挥氧化分解有机物的能力。阶段曝气法的另一个特点是活性污泥浓度不均匀，污泥浓度沿池长逐步降低，前段高于平均浓度，后段低于平均浓度，而在普通活性污泥法曝气池中污泥浓度大致上是均匀的。这样曝气池流出的混合液浓度较低，可减轻二次沉淀池的负荷，对二次沉淀池的运行有利。第四章废水的生物处理n实践表明：阶段曝气法可以提高空气利用率和曝气池的工作效率。普通活行污泥法很容易地改变成多点进水法，且可根据具体情况改变进水点的位置、点数和水量，运转较为灵活。阶段曝气法的曝气池的容积与普通活性污泥法相比可缩小近1/3，因此更适合于大型曝气池及浓度较高的污水。但由于最后一点进入曝气池的废水在池中的停留时间很短，所以出水水质较普通活性污泥法稍差。第四章废水的生物处理n☆3、渐减曝气法此法是为改进传统法中前部供氧不足以及后部供氧剩余问题而提出来的，它的工艺流程与传统法一样，只是供气量沿池长方向递减，使供气量与需氧量基本一样。具体措施是从池前到池末所安装的空气扩散设备逐渐减少，曝气池中的有机物浓度随污水向前推进不断降低，污泥需氧量也不断下降，曝气量也相应减少，这种供气形式使通入池内的空气得到了有效利用，如图５-4所示第四章废水的生物处理n图５－４　渐减曝气法流程及特点渐减曝气法由于解决了供氧与需氧的矛盾，在供氧相同的情况下，改善了曝气池中溶解氧的分布，提高了氧的利用率，从而可节省运行费用，提高处理效果。第四章废水的生物处理n☆4、吸附再生活性污泥法活性污泥净化废水的第一阶段主要是靠污泥的吸附作用。良好的活性污泥同废水混合后在短时间内就能够完成吸附作用，吸附再生法就是根据这一发现而发展起来的。此法主要用于处理含悬浮或胶体物较多的废水。废水与活性污泥在吸附池内充分接触，使污泥吸附大部分的悬浮物、胶体状的有机物和一部分溶解性有机物，然后混合流入二沉池进行固液分离，此时的出水已经达到很高的净化程度。第四章废水的生物处理n从二沉池排出的回流污泥先在再生池内进行生物代谢，池中曝气但不进废水，使污泥吸附的有机物进一步氧化分解。恢复了活性的污泥随后再次进入吸附池中同新进入的废水接触，并重复以上过程，多余的活性污泥要定期排除。吸附池和再生池在结构上可分建，也可合建。合建时，有机物的吸附和污泥的再生是在同一个池内的两部分进行的，，即前部分为再生段，后部分为吸附段。污水由吸附段进入池内。第四章废水的生物处理n吸附再生法具有以下特点：（1）由于吸附时间短，而污泥的代谢是在与水分离后，并在排除了剩余活性污泥的情况下单独在再生池内进行的且污泥浓度高，因此在污泥负荷率变化不大的情况下，容积负荷率可成倍提高，同时由于污泥对悬浮物、胶体状态有机物特别有效，因此，一般可不设初次沉淀池，而回流污泥量最多是进水量的100％左右，所以吸附和再生两个池的总容积比普通活性污泥法曝气池容积小得多，可减小50％左右，从而可大大节省基建投资。第四章废水的生物处理n☆（2）由于生物吸附法回流污泥量大，且大量污泥集中在再生池，当吸附池内污泥遭到破坏，可迅速又再生池的污泥代替，因此其适应负荷变化的能力比普通活性污泥法强，具有较强的耐冲击负荷能力。☆（3）由于吸附再生法污水与污泥接触的曝气时间比传统法短得多，因此除去率较普通活性污泥法低，特别是对溶解性较多的有机工业废水，处理效果更差，同时，为了更好地吸附废水中的污染物质，吸附再生活性污泥法所用的回流污泥量比普通活性污泥法多，剩余活性污泥的稳定性比普通活性污泥差，增大了回流设备的容积。第四章废水的生物处理n☆（二）完全混合式活性污泥法完全混合式活性污泥法是目前采用较多的活性污泥法，它与传统法的主要区别在于：混合液在池内充分混合循环流动，因而污水与回流污泥进入曝气池后立即与池内原有混合液充分混合，进行吸附和代谢活动，并代替等量的混合液流至二次沉淀池。完全混合式活性污泥法的特点如下：☆1、由于进水能和池中混合液立即得到完全混合，亦即得到稀释，因此完全混合式活性污泥法可以处理高浓度的废水，只要适当延长曝气时间，即可使曝气池维持正常的工作，所以进水水质的变化对活性污泥的影响将降低到很小的程度，能较好地承受冲击负荷，最适合于处理工业废水，目前国内印染废水生物处理多采用此法。第四章废水的生物处理n☆2、池内各点水质均匀一致，微生物群的性质和数量基本也相同，因此曝气池各部分的工作状态几乎完全一致，用活性污泥增长曲线来表示，C/M值和微生物都是不断变化的，所以完全混合式活性污泥法可以通过改变C/M值得到所期望的某种水质，也有可能把整个池子工作情况控制在良好的条件下进行，有利于微生物的吸附与氧化能力的充分发挥，因而它是一种灵活的污水处理方法。在处理效果相同的情况下，它的污泥负荷率将高于其它活性污泥法，同时由于池内需氧均匀，还能节省动力费用。第四章废水的生物处理n完全混合式活性污泥法有曝气池和沉淀池两者合在一起的合建式和两者分开的分建式。完全混合曝气沉淀池的池子是圆形或方形，入口在中心，出口在池周。常采用叶轮供氧，使曝气池内的混合液处于不断循环流动中。当废水和回流污泥进入曝气池后，立即与池内原有混合液完全混合，曝气池出水与池内混合液的成分完全相同。它由曝气区、导流区、沉淀区和回流区四部分组成。曝气区是活性污泥降解废水中有机物的场所，使进入池内的废水和回流污泥立即完全混合后从回流窗口流入导流区。第四章废水的生物处理n为了控制回流污泥量，曝气区流出窗口设有活门，以调节窗孔的大小。导流区是混合液从曝气区到沉淀区的过渡区，它的作用是使污泥凝聚并使气水分离，为沉淀创造条件。混合液进入导流区后，流速降低，使混在液体中的气泡逸出，污泥絮凝成较大的颗粒后进入沉淀区。沉淀区是泥水分离场所。沉淀区内水流上升流速很小，使泥水得以分离。澄清水从池周边的溢流堰溢入环形集水槽后排出。第四章废水的生物处理n沉淀污泥贮存在污泥区，污泥区的沉淀污泥借助于曝气叶轮抽力造成的压差，使污泥沿吸气筒底部四周的回流缝连续进入曝气区。多余的污泥由排泥管排出池外。曝气筒下端设池裙，以免死角，设顺流圈以增加阻力，减少混合液和气泡甩入沉淀区的可能。由于曝气区和沉淀区两部分合建在一起，这类池子称“合建式完全混合曝气池”。它布置紧凑，流程短，有利于新鲜污泥及时回流，并省去一套污泥回流设备，因此在小型污水处理厂得到广泛应用。完全混合法的主要缺点是连续进出水，可能产生短流，出水水质不及传统法理想，易发生污泥膨胀等。第四章废水的生物处理n第五节活性污泥的培养和驯化☆（一）活性污泥的培养所谓活性污泥的培养，就是为活性污泥的微生物提供一定的生长繁殖条件，即在合适的营养物质、溶解氧、温度和酸碱等条件下，经过一段时间，就会有活性污泥形成，并且在数量上逐渐增长，最后达到处理废水所需的污泥浓度。培养活性污泥，首先要解决菌种和营养，对城市污水或与之类似的工业废水，由于营养和菌种都已具备，可用其初步沉淀水在曝气池内连续曝气，一般在15～20℃下经一周左右就会出现活性污泥絮体，并及时地换水和排放剩余污泥，以补充营养和排除代谢产物。按补充营养物质和排除代谢产物的方式不同，活性污泥培养法分为间歇法和连续法两种。第四章废水的生物处理n间歇法是通过间歇性换水培养污泥，即混合液从曝气到开始出现活性污泥絮体后，停止曝气静置1～1.5h，排放约占总体积60％～70％的上清夜，再补充生活污水或粪便水，继续曝气，直到满足混合液污泥浓度。第一次换水后，应每天换水一次，如此重复7～10天便可使活性污泥成熟。此时，污泥具有良好的凝聚和沉淀性能。连续法是通过连续进水、出水和回流的方式培养污泥。当池容积大，采用间断换水有困难时，可改用连续换水，即当池中出现活性污泥絮体后，可连续向池中投加生活污水，并连续地出水和回流，其投加量可控制在池内每天换水一次的程度。当水温在15～20℃时，污泥经两周左右即可培养成熟。第四章废水的生物处理n但在实际工作中，一般把这两种方法结合起来，先间歇后连续。对于其它工业废水，如印染废水，菌种的来源很多，如同类处理厂排出的剩余污泥、城市污水处理厂污泥、排水沟淤泥等。营养物质有化肥、粪便水、生活污水等。☆（二）驯化:在工业废水处理系统的培菌阶段后期，将生活污水和外加营养量逐渐减少，工业废水比例逐渐增加，最后全部接纳工业废水，这个过程称为驯化。如果工业废水的性质和生活污水相差很大时，就应对活性污泥进行必要的驯化，使活性污泥微生物群体逐渐形成适合代谢特定工业废水的酶系统。在驯化过程中，使能分解工业废水的微生物数量增加，不能适应的微生物则逐渐被淘汰，从而使驯化过的活性污泥具有处理该种工业废水的能力。第四章废水的生物处理n活性污泥的培养和驯化可分为异步培驯法、同步培驯法和接种培驯法三种。异步法即先培养后驯化，同步法则培养和驯化同时进行，接种法则利用其它适合工厂处理设备的剩余污泥，在进行适当培训。注意：在驯化时使工业废水比例逐渐增加，生活污水比例逐渐减少，每变化一次配比时须保持一段时间，待运行稳定后方可再次变动配比，直至驯化结束第四章废水的生物处理n第六节生物膜法☆一、生物膜法生物膜法是根据土壤自净的原理发展起来的。土壤自净是土壤依靠自身的组分、功能和特性，通过物理、化学和生物化学的一系列变化，使污染物分解转化掉，从而保持一定程度的稳定状态。最早人们利用污水灌溉农田，发现了土壤渗滤作用对污水中的有机物有净化作用。因此用人工方法建造了间歇砂滤池及接触滤池，继而采用较大颗粒的滤料，建造了所谓的滴滤池，现称为生物滤池。第四章废水的生物处理n生物膜法是与活性污泥法并列的另一种好氧生物处理法。从微生物对有机物降解过程的基本原理上分析生物膜法与活性污泥法是相同的，两者的主要不同点在于微生物在处理构筑物中存在的形式不同。在活性污泥法中，主要是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来分解有机物的，而生物膜法则依靠固着于载体表面的微生物膜来净化有机物，生物膜是覆盖在滤料或填料表层，长满了各种微生物的黏膜。利用生物膜净化废水的装置统称为生物膜反应器。第四章废水的生物处理n☆二、生物膜法的净化机理☆（一）工作原理污水通过滤池时，滤料截留了污水中悬浮物质，并把污水中的胶体物质吸附在自己的表面上，它们中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进一步吸附了污水中呈溶解状态的物质，填料表面逐渐形成了一层生物膜。生物膜主要由菌胶团和大量的真菌丝组成，其中还有许多原生动物和较高等动物生长。第四章废水的生物处理n生物膜不仅具有很大的表面积，能大量吸附污水中的有机物，而且具有很强的降解有机物的能力。当有足够的溶解氧时，生物膜就能分解氧化所吸附的有机物。在有机物被降解的同时，微生物不断进行自身的繁殖，当生物膜的厚度达到一定值时，由于氧传递不到较厚的生物膜中，使好氧菌死亡并发生厌氧作用，厌氧微生物开始生长。当厌氧层不断加厚，由于水力冲刷和生物膜自重的作用，再加上滤池中某些动物的活动，生物膜将会从滤料表面脱落下来，随污水流出池外，因此，生物膜的形成是不断发展变化、不断新陈代谢的。去除有机物的活性生物膜，主要是表层的一层好氧膜，其厚度视充氧条件而定。第四章废水的生物处理n☆（二）生物膜除去有机物的过程如图5-5所示，滤料表面的生物膜可分为厌氧层和好氧层，在好氧层的表面是一层附着水层，通过布水装置流到处理设备的废水，以滴流形式下落，或以一定流速流过填料表面，由于微生物的作用，在填料表面慢慢形成一层水膜，这就是附着水层，其余废水则以薄层状流过其表面，成为流动水层，因为附着水层直接与微生物接触，其中的有机物大多已被微生物所氧化，因此有机物的浓度很低。而流动水层，即进入生物滤池的待处理废水，有机物浓度很高。第四章废水的生物处理n图5-5生物膜结构示意图92第四章废水的生物处理n生物膜去除有机物的过程包括：有机物从流动水中通过扩散作用转移到附着水中，同时氧也通过流动水、附着水进入生物膜的好氧层中，生物膜中生长着大量好氧微生物，形成了有机污染物→细菌→原生动物（后生动物）的食物链。通过细菌的代谢活动，有机物被降解，使附着水层得到净化，代谢产物如水及二氧化碳等无机物沿相反方向排至流动水层及空气中，而在传质的作用下，流动水层的有机物传递给附着水层，从而使流动水层在流动过程中逐步得到净化。第四章废水的生物处理n内部厌氧层的厌氧菌利用死亡的好氧菌及部分有机物进行厌氧代谢，代谢产物如有机酸等转移到好氧层或流动水层中。生物膜成熟的标志是生物膜沿填料长度垂直分布具有一定厚度，生物膜是细菌和各种微生物组成的一个稳定生态系统，有机物的降解功能达到了平衡和相对稳定状态。生物膜成熟后，微生物仍继续增殖，使膜的厚度不断增加。但当厌氧性膜过厚，代谢产物过多，两种膜间的平衡失调，好氧性膜上的生态系统遭到破坏，生物膜呈老化状态而脱落，新的生物膜又重新形成。生物膜法就是通过生物膜的挂膜→成熟→老化→脱落的周期周而复始地进行着，从而使废水得到净化的。第四章废水的生物处理n☆（三）生物膜法处理的构筑物在纺织印染废水处理中常用的生物膜法主要有生物接触氧化法、生物转盘和生物活性碳法等。☆1、生物接触氧化法70年代以来，由于塑料工业的发展为接触氧化法提供了轻质高强比表面大的填料，使生物接触氧化法得到广泛的应用。由于生物接触池内采用与曝气池相同的曝气方法，提供微生物氧化有机物所需达到氧量，并起搅拌混合作用，所以由称为接触曝气池。而氧化池内的填料，全部淹没在废水中，相当于浸没于废水中的生物滤池，所以也称淹没式滤池，可见，生物接触氧化法是一种具有活性污泥法特点的生物膜法。它综合了曝气池和生物滤池的优点，避免了两者的缺点。第四章废水的生物处理n☆（1）生物接触氧化池的构造：生物接触氧化法系统由接触氧化池和二沉池组成，常用的接触氧化池按不同的曝气方式有两种形式，即鼓风曝气生物接触氧化池和表面曝气生物接触氧化池，如图5-6，5-7所示。鼓风曝气生物接触氧化池按曝气装置位置不同，又分为分流式接触氧化池和直流式接触氧化池，分别见图5-8，5-9所示。第四章废水的生物处理n图5-6鼓风曝气生物接触氧化池1-空气2-进水3-配水室4-集水槽5-出水6-填料7-多孔管98第四章废水的生物处理n图5-7表面曝气生物接触氧化池1-曝气叶轮2-充气间3-填料间4-出水5-进水98第四章废水的生物处理n图5-8分流式接触氧化池98第四章废水的生物处理n图5-9直流式接触氧化池98第四章废水的生物处理n分流式接触氧化池，曝气器设在池子的一侧，填料设在池子另一侧，污水在池内不断循环。由于水流的冲刷作用小，生物膜只能自行脱落，更新速度慢，且易堵塞。直流式氧化池，在塑料填料下面直接布气，生物膜受气流和水流同时搅动，不仅供氧充足，而且对生物膜起到搅拌作用，加速了生物膜的更新，使生物的活性提高。由于该方法平均泥龄低，微生物总是处在很高的活力下工作，且不易堵塞。第四章废水的生物处理n目前，国内纺织印染废水多采用直流式接触氧化池。而表面曝气接触氧化池由充氧间和填料间组成，废水在池内循环流动，气、水和生物膜三者得到充分接触，水中的溶解氧较高，处理效果较好，主要作为三级处理和给水的予处理。☆（2）生物接触氧化法的特点a：接触氧化池生物膜中的微生物很丰富，除细菌外，球衣菌等丝状菌，还有多种原生动物和后生动物，形成一个复杂的生态系统，其生物量比活性污泥法多几倍，所以生物接触氧化法是一种高效能的废水生物处理方法，而且对进水冲击负荷的适应力强。但生物膜的厚度随负荷的增高而增大，负荷过高，则生物膜过厚，易引起填料堵塞。因此负荷不易过高，同时要有防堵塞的冲洗措施。第四章废水的生物处理n☆b：处理时间短，在处理水量相同的条件下，所需要装置的设备较小，因而占地面积小，但布气、布水不易均匀，填料及支架等导致建设费用增加。☆C：克服污泥膨胀。生物接触氧化法与其它生物膜法一样，不存在污泥膨胀问题，容易在活性污泥法中产生膨胀的菌种，在接触氧化法中，不仅不产生膨胀，而且能充分发挥其分解氧化能力强的优点，而且还特别适合间歇运转。第四章废水的生物处理n☆D：维护管理方便，不需要回流污泥。由于微生物是附着在填料上形成生物膜的，生物膜是剥落与增长可以自动保持平衡，因此无需回流污泥，运转十分方便，且剩余污泥量少。但大量产生的后生动物容易造成生物膜瞬时大快脱落，影响出水水质。☆（3）填料的类型：填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体，同时也有截留悬浮物的作用，因此。载体填料是接触氧化池的关键，直接影响生物接触氧化法的效能。第四章废水的生物处理n载体填料的要求是易于生物膜附着，比表面积大，孔隙率大，水流阻力小，强度大，化学和生物稳定性好，经久耐用，截留悬浮物能力强，不溶出有毒物质，不引起二次污染，与水的比重相差不大，避免氧化池负荷过重，能使填料间形成均一的流速，价廉易得，运输和施工方便。目前，国内主要采用合成树脂类作填料，如硬聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、环氧玻璃钢等蜂窝型硬性填料；还开发出多种新颖的软性填料、半软性填料、弹性填料以及漂浮填料等多种形式的填料。第四章废水的生物处理n☆2、生物转盘生物转盘是从20世纪50年代发展起来的一种生物膜废水处理设备。由于它具有很多优点，受到人们的重视，并迅速在各种废水的处理上得到应用。☆（1）结构：生物转盘主体部分由盘片、转轴和氧化槽等组成。氧化槽的断面为半圆形，盘片的盘面近一半浸没在废水水面之下，盘片上长着生物膜。盘片在与之垂直是水平轴带动下缓慢转动，浸入废水中的那部分盘片上的生物膜便吸附废水中的有机物同时也分解所吸附的有机物，当盘面转出水面时，生物膜又从大气中吸收所需的氧气而不必进行人工曝气，并继续氧化所吸附的有机物，随着盘片的不断转动，盘片上的生物膜交替与废水和大气相接触，使废水中有机物在好氧微生物作用下不断进行吸附、吸氧和氧化降解等过程，最后得到净化。第四章废水的生物处理n☆要求转盘的材质轻、高强、耐腐、不易变形和比表面大等。在处理过程中，盘片上的生物膜不断地生长、增厚，过剩的生物膜靠盘片在废水中旋转时产生的剪切力剥落下来，如果盘片的间距适中就可防止相邻盘片之间空隙的堵塞，因为间距过大，转盘的有效表面积减小，间距太小，通风不良，易于堵塞。脱落下的生物膜悬浮在氧化槽中随水流出到二沉池除去，并进一步处理，但不需要回流。☆常用的盘片材料为聚氯乙烯塑料、聚苯乙烯塑料和玻璃钢等。生物转盘的布置方式一般有单相单级、单轴多级和多轴多级等，如图5-10所示。采用多级的生物转盘可以提高处理效果。一般认为采用3级或4级，有机物的处理效率可达90％～95％，级数再多就没有必要了，因此一般不宜超过4级。第四章废水的生物处理n图4-10生物转盘结构111114第四章废水的生物处理n☆（2）特点：与活性污泥法相比，生物转盘具有很多特有的优越性，如不会发生污泥膨胀的现象，因此可以用来处理高浓度的有机废水，废水与盘片上生物膜的接触时间较长，可忍受负荷的突变；脱落的生物膜比活性污泥法易沉淀；管理特别方便，运转费用省。但由于国内塑料价格较高，所以基建投资还相当高，占地面积也较大，因此往往在废水量小的治理工程中采用生物转盘法来处理。☆（3）技术条件：生物转盘的转动速度是重要的运行参数，须选择合适。转速过大，有损于设备的机械强度，耗电量大，而且由于转速过大而引起较大的剪切力，易使生物膜过早剥离。第四章废水的生物处理n☆（4）生物膜的培养与驯化：生物膜的培养称为挂膜，亦即接种，就是使微生物吸附在固体支撑物（滤料、盘片等）上。但只接种，即使接种量再大也不能说形成了生物膜，因为吸附在固体支撑物上的污泥或菌种不牢固，易被水冲走，所以接种后应创造条件，使已接种的微生物大量繁殖，牢固地吸附在固体支撑物上，这就需要连续不断地供给营养物。在挂膜过程中应同时投加菌液和营养物，待挂膜结束后才逐步提高水力负荷。挂膜后应对生物膜进行驯化，使之适应所处理污水是环境。在挂膜过程中，应经常对生物相进行镜检，观察生物相的变化，挂膜驯化后，系统即可进行试运转，测定生物膜法处理设备的最佳运行条件，并在最佳条件下转入正常运行。第四章废水的生物处理n☆3、生物活性炭法生物净化法和活性炭吸附法是两种有效的水处理技术，具有各自的优、缺点。如生物净化法去除废水中有机物的效率高，运行费用低，但运行管理较复杂，处理程度受到限制。活性炭吸附法虽然有很高的处理程度，但价格昂贵，吸附容量小，在使用中受到一定限制。在同一装置内，活性炭对有机物的吸附和微生物的氧化相互促进，可以大大提高其处理能力，是一种经济有效的方法.此方法在城市废水、纺织印染、化工染料等工业废水中已取得良好效果。按不同的运行方式，生物活性炭法分为粉状炭活性污泥法和粒状炭生物膜法，纺织印染废水主要采用后者（粒状炭生物膜法）。第四章废水的生物处理n采用该法处理废水，在废水净化初期，主要是靠活性炭的吸附作用去除有机物，将废水中的有机物、溶解氧和微生物富集于其表面，为微生物的生长繁殖创造一个良好的环境。因此，在很短的时间内可以取得较高的处理效果。随着微生物的繁殖，在活性炭表面形成不连续的生物膜占据部分吸附表面，有机物去除率下降。第四章废水的生物处理n随着生物活性逐渐加强，活性炭的吸附与生物氧化协同进行，处理效率上升并趋于稳定，该法增加了系统对冲击负荷和温度变化的稳定性，同时，由于活性炭的吸附作用，大大延长了有机物与微生物的接触时间，使一些较难降解的有机物也能获得氧化分解，提高了难生物降解有机物的去除率和出水水质。由于活性炭与生物氧化协同进行，采用炭膜法处理印染废水，可大大延长活性炭使用周期。第四章废水的生物处理