1、第四講 廢水生物處理工程 一 廢水處理中的幾個概念 二 廢水的好氧生物處理 三 廢水的厭氧生物處理 微生物的脫氮除磷 4用生物法處理廢水對水質的要求 主要內容 v廢水生物處理法：利用微生物處理廢水的方法。 根據對氧氣的要求 好氧生物處理 厭氧生物處理 v生物處理單元： 處理廢水的微生物 處理構筑物 處理系統 v 生態系統：生物與生物、生物與非生物（環境）之間的相 互關系。 各類處理系統中的微生物都為混合培養的微生物系統， 一 廢水生物處理中的一些概念 二 廢水的好氧生物處理 1 概念： 在有氧的條件下借好氧微生物的作用處理廢水。 又叫廢水生物處理。 廢水中 有機物好氧 微生物 無機物，隨水排出

2、 微生物 細胞物質 有機物充足 微生物增多 有機物少 菌體死亡 與廢水 分離 O2 通過物理凝聚作用在沉淀池中沉淀下來。 （一）廢水的好氧生物處理概述 2 廢水好氧生物處理作用對象 溶解的有機物直接滲入細胞內被吸收 固體的、膠體的有機物間接吸收 附在菌體外，由細菌所分泌的胞外酶分解為溶解 性物質，滲入細胞。 3 廢水好氧生物處理的優缺點 優點：無臭氣、時間短。條件適宜可除去BOD5 8090 缺點：設備復雜 4 廢水好氧生物處理的方法 活性污泥法、生物膜法（生物濾池法、生物轉盤法） 氧化塘（生物塘）法、污水灌溉。 什么是活性污泥？ 活性污泥中起主要作 用的是什么物質？ ？ 曝氣池中形成的污泥（

3、土壤微生物群）！ 菌膠團！ 活性污泥法是一種應用最廣的廢水好氧生物處理技術 （二） 好氧活性污泥法中的微生物 n好氧活性污泥是在曝氣狀態下由多種多樣的好氧微生 物和兼性厭氧微生物(兼有少量的厭氧微生物)與污 (廢)水中有機的和無機固體物混凝交織在一起，形成 的絮狀體或稱絨粒。 n活性污泥的形成是一種自然現象。 n例如，如果向一桶含糞便污水中不斷地加入空氣，并 持續維持水中的溶解氧，那么經過一段時間后，就會 產生褐色絮花狀的泥粒，在顯微鏡下會看到，污泥里 充滿了各種各樣的微生物，這就是典型的好氧活性污 泥。 n微生物在設備中呈懸浮狀態 （1）組成 n好氧微生物和兼性厭氧微生物(兼有少量的厭氧微生

4、物) 與其上吸附的有機的和無機的固體雜質組成。 （2）好氧活性污泥的性質 n顏色以為佳 黑色說明厭氧、白色說明無機物過多 n含水率在99左右 密度為10021006 n大小為00202mm 比表面積為20100cm2ml之間 n弱酸性(pH約為67) 當進水改變時，對進水pH的變化有一定的 承受能力。 是能起絮凝作用的細菌形成的，在其 上生長著其他微生物。如酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、原生 動物和某些微型后生動物(輪蟲及線蟲等)。 A菌膠團 n在微生物學領域里，將動膠菌屬形成的細菌團塊稱為 菌膠團。 n在水處理工程領域內，則將所有具有莢膜或粘液的絮 凝性細菌互相絮凝聚集成的菌膠團塊都稱為菌膠團

5、。 提問：菌膠團有哪些功能？ 吸附和氧化分解有機物； 菌膠團是細菌的存在形式，細菌占到活性污泥中微生物總量 的99%, 有107108個/ml ，他們是生物處理的主力軍，一旦菌 膠團受到各種因素的影響和破壞，則活性污泥法對有機物去除率 明顯下降，甚至無去除能力。 菌膠團對有機物的吸附和分解，為原生動物和微型后 生動物提供了良好的生存環境； 例如菌膠團本身為原生動物、微型后生動物提供附著場所； 菌膠團中的細菌可以去除毒物、自身作為動物食料。 為什么細菌會形成菌膠團？ ？ 粘性多糖的粘著作用 很多細菌莢膜相互間粘著時就會形成一個由許多細菌共有的大莢 膜，當細菌進入壯年后，細菌分泌的的粘稠多糖聚合物

6、增多，更 加速了細菌大莢膜的增大，這樣就形成了菌膠團的雛形。 b. 菌膠團的形成機理 纖維素性質多糖的勾連作用 n將菌膠團置于電子顯微鏡下觀察時發現，在大莢膜增大的同時，在 其外側出現了許多類似于纖維素網狀的物質，據分析這些物質的成 分也是多糖，如圖所示 活性污泥菌膠團外的纖維絲電鏡照片 提問：這些纖維素從何而來？ 細菌的胞外分泌物 原生動物分泌的胞外粘液的粘著作用； 實驗證明小口鐘蟲、累枝蟲和尾草履蟲等纖毛蟲能 分泌一些促進凝聚的糖類，在促進自身粘附在活性污 泥上的同時，加速菌膠團的進一步增大； 小口鐘蟲 菌膠團中的細菌來源于土壤、水。它們多數是革 蘭氏陰性菌，如動膠菌屬和叢毛單胞菌屬，它們

7、 可占70，生活污水好氧處理時菌膠團中的主要細 菌見下表 細細菌菌名名稱稱細細菌菌名名稱稱細細菌菌名名稱稱 動動膠膠團團屬屬 (優優勢勢菌菌)短短桿桿菌菌屬屬微微球球菌菌屬屬 叢叢毛毛單單胞胞菌菌屬屬 (優優勢勢菌菌)固固氮氮菌菌屬屬黃黃桿桿菌菌屬屬 產產堿堿桿桿菌菌屬屬 (較較多多)亞亞硝硝化化單單胞胞菌菌屬屬無無色色桿桿菌菌屬屬 棒棒狀狀桿桿菌菌屬屬 (較較多多)假假單單胞胞菌菌屬屬節節桿桿菌菌屬屬 芽芽孢孢桿桿菌菌屬屬病病原原細細菌菌 （偶偶爾爾） 大大腸腸埃埃希希氏氏菌菌 產產氣氣桿桿菌菌屬屬 工業廢水處理中的菌膠團細菌組成與之類似，但優勢菌主要 是對特定工業廢物起主要降解作用的細菌

8、在菌膠團上層居住的是放線菌、真菌及原生動物、 后生動物。它們的數量相比較細菌而言要少得多， 通常包括少量的球衣菌、諾卡氏菌、發硫菌、頭孢 霉、地霉菌、酵母菌等，以及原生動物中的鐘蟲、 蓋纖蟲、等枝蟲、草履蟲和原生動物中的輪蟲。這 些微生物與菌膠團細菌構成了穩定的生態體系，它 們之間存在著復雜的相互關系，它們的種類、數量 隨營養條件(廢水種類、化學組成、濃度)、溫度、供 氧、pH等環境條件改變也在不停的發生著變化。 好氧活性污泥的凈化作用機理見下圖好氧活 性污泥吸附和降解 n用框圖表示見下圖 后處理 生物處理 （二級處理） 化學營養物 曝氣池 沉淀池 污泥回流 凈水外排 預處理 （一級處理） 污

9、泥及余渣消化罐 n活性污泥的優勢： n（1）可以連續反復使用 n好氧活性污泥由于是由有生命的微生物組成，能自 我繁殖，且易于分離，而化學藥劑只能一次使用， 故活性污泥比化學混凝劑優越。 n（2）可以降解水中的溶解性有機物， 這也是物理化學方法難以做到的。 泥水分 離良好 ，出水 清澈 常見故障：二次沉淀池中固液分離（泥水分離）出現問題。 起因：污泥絮狀體的結構不正常。 正常的絮狀體的結構有兩類： 微結構：直徑18，長泥齡（9天）利于該菌生長。 微結構絮體造成 A A 不凝聚 B 起泡沫（厚、棕色泡沫） 在過度曝氣時，紊流剪切絮塊成碎塊。 概念：活性污泥的性能發生變化，絮塊漂浮水面， 比重減輕，

10、隨著水流而排出。該異常現象稱之。 由絲狀細菌和其它絲狀微生物大量增殖引起。 造成的結果：稀薄污泥回流至曝氣池。 出水BOD5升高。 C C 污泥膨脹 BOD;N及BOD:P很高， 特別N不足 （BOD:N:P=100:5:1) 進水中低分子碳水化合 物過多 水溫低 溶氧低 低pH 重金屬等有毒物流入多。 調節水的酸堿度 將沉淀污泥和消化污泥攪拌混合 添加鐵鹽（FeCl2550mg/L)、 鋁鹽(10100mg/L)、 氯(1020mg/L、 H2O2)(40200mg/L）， 前兩者連續添加，后兩者間歇 添加。 對回流污泥在曝氣。 產生原因： 防止措施： （五） 生物濾池中的微生物（生物膜法）

11、 包括： 生物濾池（以此為例） 生物轉盤 生物接觸氧化法 生物流化床 生物膜法又稱固定膜法。主要去除廢水 中溶解的和膠體的有機污染物。 微生物為附著型 1 生物濾池的結構 三個主要部分 濾床 布水系統 排水系統 池體 濾料 生物濾池的結構圖 1 旋轉布水器 2 濾料 3 集水溝 4 總排水溝 5 滲水裝置 v 濾料 濾料是生物膜賴以生存的載體。 濾料應具備以下特性： （1）能為微生物的棲息提供大量的表面積。 （2）能使廢水以液膜狀均勻分布在其表面。 （3）有足夠大的孔隙率，使生物膜能隨水通過孔 隙流到池底。保證有良好的通風。 （4）適合于生物膜的形成與黏附 （5）有較好的機械強度，不易變形與破

12、碎。 濾料的材料：碎石、卵石、爐渣。 近年使用塑料濾料（聚氯乙稀、聚苯乙烯） 1 生物濾池的結構 v 布水系統 作用 是將廢水均勻地噴灑在濾料上。 v 排水系統 濾床底部，作用是收集。排出處理后的廢水 保證濾池通風。 旋轉布水器示意圖 1 生物濾池的結構 2 生物濾池工作的基本原理 在濾池內設置固定的濾料， 當廢水自上而下濾過時，由于廢水 不斷與濾料接觸，微生物在濾料表 面繁殖，逐漸形成生物膜。生物膜 是由多種微生物組成的一個生態系 統。 當生物膜形成并達到一定厚 度時，氧就無法透入生物膜內層， 造成內層的厭氧狀態，使生物膜的 附著力減弱。此時，在水流的沖刷 下，生物膜開始脫落。隨后在濾料 上

13、又會生長新的生物膜。如此循環 往復，廢水流經生物膜后得以凈化。 生物濾池的結構圖 3 什么是生物膜？ 微生物在濾料表面繁殖形成的膜狀結構。是一個生態 系統。 結構由兩部分組成 附著生物體 液膜 好氧微生物（膜外層） 厭氧微生物（接觸濾料） 附著水層 流動水層 膜內生物不停挖洞，膜多孔。 大量有機物在好氧區被分解。 厭氧區增厚使膜脫落，新膜形成 濾料 4 生物濾池中的微生物 污水中含有生物膜所需的各種微生物。夏季 24周形成生物膜。冬季需2個月。 細菌：多數為G-，能形成菌膠團。無色桿菌、黃 桿菌、極毛桿菌、球衣細菌、貝氏硫桿菌 真菌：鐮刀菌、青霉、毛霉、地霉、多種酵母菌 藻類：小球藻、藍藻、綠

14、藻（僅在濾池表面） 原生動物：鐘蟲、蓋纖蟲、等枝蟲、草履蟲 后生動物：輪蟲、線蟲。 （六） 好氧生物處理技術進展 1 活性污泥系統的進展 （1）氧化溝 又稱循環曝氣池，是活性污泥法的一種變形。 荷蘭衛生工程研究所于20世紀50年代研制開發的。 第一座氧化溝是1954年由巴斯維爾（Pasveer）設 計并投入運行。一般主要用于日處理水量在5000m3 以下的城市廢水和有機廢水。 優點： 對水溫、水質、水量的變動有較強適應性。 產泥量低，排泥量少。 充分曝氣處理，水質良好。 原廢水 格柵 沉砂池 氧化溝 回流污泥 處理水 二次 沉淀池 以氧化溝為單元的廢水處理流程 氧化溝的平面圖 1 活性污泥系統

15、的進展 （2）AB法廢水處理工藝 又叫吸附生物降解（Adsorption Biodegradation）工 藝的簡稱。德國20世紀70年代中期開創的。 格柵 沉砂池 中間沉淀池 吸附池 曝氣池 二次沉淀池 預處理段 A段 B段 回流污泥回流污泥 AB法廢水處理工藝流程 原廢水處理水 2 生物膜法的進展 生物流化床 20世紀70年代開發出的一種新型生物膜法廢水處理構筑物。 采用相對密度1的細小惰性顆 粒（砂、焦炭、陶粒、活性 炭等）為載體，微生物生長 于載體表面形成生物膜，廢 水（先經充氧或在床內充氧）自 下向上流動，使載體處于流化狀 態，其上附著的生物膜可與載體、 廢水充分接觸。流化床內生物固

16、 體濃度很高，氧和有機物的傳遞 效率也高。高效。 生物流化床示意圖 載體 （六） 好氧生物處理技術進展 兩項生物流化床工藝 載體 三 廢水的厭氧生物處理 （一） 厭氧生物處理的基本原理及參加的微生物 （二） 厭氧微生物群體間的關系 （三） 厭氧生物處理的影響因素 （四） 厭氧法處理廢水的特征 （五） 厭氧法處理廢水的應用 （一） 厭氧生物處理的基本原理及參加的微生物 廢水的厭氧生物處理： 在無氧的條件下，借多種厭氧微生 物的作用處理廢水。又叫厭氧消化。 1881年法國報道了羅伊斯.莫拉斯（Louis Mouras）發明的“自動凈化器”。開始了利用 厭氧消化處理廢水的歷史。至今已100多年。 1

17、979年布利安特（Bryant）等人提出厭氧消化的 三階段4 類群理論。 發酵細菌作用階段（水解發酵階段） 產醋酸細菌作用階段（產氫、產乙酸階段） 產甲烷階段 三階段4類群理論 1 發酵細菌作用階段 碳水化合物 蛋白質 類脂 （1）原理： 胞外酶 單糖 氨基酸 脂肪酸 發酵 醇 低級脂肪酸 （2）參加的微生物： 發酵細菌群 梭菌屬（Clostridium) 丁酸弧菌屬（Butyrivibrio） 擬桿菌屬（Bacteroides) 大多專性厭氧；適宜pH4.58 （3）特性 2 產醋酸細菌作用階段 上階段產物 （丙酸、丁酸、醇等） 醋酸、甲胺 CO2、H2 （1）原理 （2）參加的微生物 產氫

18、產乙酸細菌群 同型產乙酸細菌群 互營單胞菌屬 互營桿菌屬 梭菌屬 暗桿菌屬 絕對厭氧菌獲兼性厭氧菌； 適宜pH 4.58 三階段4類群理論 （3）特性： 3 產甲烷細菌作用階段 （厭氧消化的控制階段） （1）原理 H2、CO2、CH3COOH CH3NH2、CH3OH CH4 （2）參加的微生物 產甲烷細菌群 產甲烷桿菌屬 產甲烷短桿菌屬 產甲烷球菌屬 嚴格厭氧菌 中溫菌對溫度敏感 pH 適宜6.87.2 增殖速率慢 三階段4類群理論 （3）特性： 厭氧消化三階段四類群 廢水中有機物 脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇類 乙酸H2 + CO2 發酵性細菌 產氫產乙酸細菌 同型產乙酸細菌 產甲烷細菌 CH

19、4 不產甲烷細菌和產甲烷細菌相互依賴、相互制約。 表現在： 1 不產甲烷細菌為產甲烷細菌提供生長和產甲烷所需的的 基質。 不產甲烷細菌的產物氫、二氧化碳、乙酸提供給產 甲烷細菌。產甲烷細菌為厭氧環境有機物分解食物鏈最 后環節。 2 不產甲烷細菌為產甲烷細菌創造適宜的氧化還原條件。 厭氧發酵初期的加料等帶入的空氣中的氧被不產甲烷 細菌的代謝所利用，使發酵液的氧化還原電位不斷下降 （氧減少），為產甲烷細菌提供生長條件。 （二） 厭氧微生物群體間的關系 3 不產甲烷細菌為產甲烷細菌清除有毒物質 苯環、氰化物可被不產甲烷細菌降解。 4 產甲烷細菌為不產甲烷細菌的生化反應解除反饋抑制。 不產甲烷細菌的發

20、酵產物可以抑制其本身的不斷形成。 如氫的積累抑制產氫細菌的產氫，酸的積累抑制產酸細 菌的產酸。而產甲烷細菌可以利用氫、乙酸、二氧化碳 等，解除反饋。 5 不產甲烷細菌和產甲烷細菌共同維持環境中適宜的pH值。 不產甲烷菌分解糖等產生酸，降低pH 產甲烷菌分解酸產生甲烷，pH 上升 （二） 厭氧微生物群體間的關系 對厭氧生物及厭氧消化的影響尤為顯著。 厭氧消化 最佳溫度 55左右嗜熱菌（高溫消化） 35左右嗜溫菌（中溫消化） 取舍： 高溫消化的反應速率為中溫消化 的1.51.9倍，但甲烷在氣體中占 比例低。消化不徹底。 高溫消化需較多的能量，不經濟。 一般選擇中溫35 消化。 1 溫度 溫度對厭氧

21、消化的影響 （三） 厭氧生物處理的影響因素 不產甲烷細菌適宜pH 4.58 產甲烷細菌適宜pH 6.87.2 在pH8.2的環境 中，厭氧消化會受到嚴重 抑制。主要對甲烷細菌的 抑制。 厭氧消化的最佳pH 值為6.87.2. 2 pH 值 （三） 厭氧生物處理的影響因素 有機污泥不溶性有機質、纖維素含量高的污水。 高濃度有機廢水一般先厭氧處理去污物，后好氧處理。 大量稀釋或降低好氧處理進水量，則處理費用較昂貴。 1 處理對象：有機污泥和高濃度的有機廢水 2 時間長：3035 ，需15天。 生化需氧量去除率5090 與好氧處理法比較 （四） 厭氧法處理廢水的特征 4 污泥產量極低 厭氧微生物的增

22、殖速率比好氧微生物低得多。 5 處理后有機物濃度高于好氧處理 6 有臭氣產生 S 、SO42- O2 還原 H2S 7 設備較簡單 3 能量需求大大降低 不需供給氧氣，同時還可產生甲烷 每去除1kg COD好氧生物處理一般需消耗0.51.0 kW.h電能。 每去除1kg COD 厭氧生物處理約產生3.5 kW.h電能。 厭氧消化池 主要用于處理城市廢水廠的污泥和固體含量很高的廢水。 沼氣 穩定性好的腐殖質。 污泥體積減少1/2以上。 我國常用的為圓柱形。鋼筋混凝土 浮蓋式消化池 （五） 厭氧法處理廢水的應用 四 廢水的生物脫氮除磷技術 （一） 水體的富營養化 （二） 廢水的生物脫氮 （三） 廢

23、水的生物除磷 （四） 生物脫氮和除磷的影響因素 （一） 水體的富營養化 水體富營養化（eutrophication） 由于N 、P在水體中含量過高，而引起藻類、 某些細菌大量繁殖，其它生物種類減少，以至水質 惡化。 是近30年在廢水處理中才出現的一個術語。 開始富營養化的條件 水體中可溶性磷 0.01mg/L N :P5:1 N ：是富營養化的主要因素（NH4+、 NO3-、 NO2-、 有機N） P: 可溶性磷酸鹽 與不溶性磷酸鹽相互轉化。 N:P比例取決于 （1）生物轉化（有機N和無機N間轉化） （2）流入水體的水（出水的N、P超標） （二） 廢水的生物脫氮 1 生物脫氮的基本原理 生物脫

24、氮是污水中的含氮有機物，在生物處理 過程中被異養型微生物氧化分解，轉化為氨氮，然 后由自養型硝化細菌將其轉化為NO3-，最后再由反 硝化細菌將NO3-還原為N2，從而達到脫氮的目的。 含氮有機物 異養型 微生物 NH4+-N 氨化 作用 亞硝酸 細菌 NO2-N 硝酸 細菌 NO3-N 硝化作用有O2 反硝化 細菌 反硝化 作用無O2 N2、NO2 最終完成生物脫氮 （二） 廢水的生物脫氮 2 參與生物脫氮的微生物 氨化細菌 硝化細菌 亞硝酸細菌 硝酸細菌 反硝化細菌 3 生物脫氮工藝 活性污泥法脫氮傳統工藝 缺氧好氧活性污泥法脫氮系統 氧化溝硝化脫氮工藝 生物轉盤硝化脫氮工藝 （二） 廢水的

25、生物脫氮 活性污泥法脫氮傳統工藝分單級、2級、3級流程 是由巴茨（Barth）開創的活性污泥法脫氮流程。它是以 氨化、硝化、反硝化 3 相反應過程為基礎建立的。 （1）活性污泥法脫氮傳統工藝 活性污泥法傳統脫氮工藝（3級）流程示意圖 曝氣池 去除BOD 第二級硝 化曝氣池 反硝 化 反應器 原 廢 水 污泥回流 剩余污泥 堿 污泥回流 剩余污泥 CH3OHN2 處 理 水 污泥回流 剩余污泥 有機污水進入系統后，首先在第一級曝氣池中進行好氧分 解，主要功能是氨化（使有機氮轉化為NH3、NH4+），去 除BOD、COD的值可降至1520 mg/L。經過沉淀后，進 入第二級硝化曝氣池，使NH4+-

26、N氧化為NO3N（硝化）， 此級的硝化過程要消耗堿度，會使pH值下降，影響硝化反 應速度，因此要投加堿以防pH值下降。第三級為反硝化反 應器，采取厭氧好氧交替運行方式。由于第三級中的反 硝化細菌是異養型兼性菌，需有機物作為碳源，而經過第 一、第二級處理后，污水中有機物已經很少，故在此要投 加有機物，可投加CH3OH（甲醇），也可以引入原廢水。 為了去除由于投加甲醇而帶來的BOD值，故在系統后設曝 氣池和沉淀池。 活性污泥法傳統脫氮工藝（3級）流程原理 優點：A 氨化、硝化、反硝化反應分別在各自的反應器 內進行，反應進行速度快且徹底； B 不同性質的污泥分別在不同的沉淀池分離和回流， 運行管理方

27、便，易于掌握，靈活性大，效果好。 缺點：處理設備多，造價高，管理工作量較大。 2級生物脫氮系統是在第一級中，同時完成去除BOD、 氨化和硝化等過程。沉淀后在第二級中進行反硝化脫氮。 減少了一個曝氣池和一個沉淀池。 2級活性污泥脫氮系統 1級活性污泥脫氮系統 無中間沉淀池，只有一個終沉淀池。在運行穩定性和 效果上不如多級系統，但較經濟實用，管理運行方便， 在實際工程應用中采用較多。 20世紀80年代初期開創。 主要特點：反硝化反應器放在系統之首。又稱 “前置式反硝化生物脫氮系統” 目前采用較為廣泛。 （2）缺氧好氧活性污泥法脫氮系統 反硝化 反應器 （缺氧） 硝化反應器 BOD5去除， （好氧） 缺氧好氧活性污泥法脫氮系統 原廢水 N2 堿 內循環 （硝化液回流） 回流污泥 剩余污泥 處理水 本系統的特征： 反硝化反應器在前，BOD去除、硝化兩項反應 的綜合反應