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1、第4章 水處理的生物化學(xué)處理技術(shù)4.1 廢水生物處理技術(shù)的發(fā)展與前景一、概述1、幾個第一 世界上公認的第一座生物反應(yīng)器：法國人發(fā)明的Moris池（封閉的地下水池，利用微生物在厭氧下進行工作），也是第一座厭氧池； 世界上第一座生物濾池：英國人1893年首次采用； 世界上第一座活性污泥法處理池：英國人1914年首次采用； 2、生物處理技術(shù)在世界發(fā)達國家的應(yīng)用 美國：18000座，其中84%為二級生物處理廠； 英國：3000座，幾乎100%為二級生物處理廠； 日本：城市污水處理廠703座，村鎮(zhèn)污水處理廠2000座，二級生物處理廠和三級污水處理廠99%； 瑞典：1540座， 91%為生物污水處理廠。
2、二、廢水生物處理技術(shù)的原理及其功能分析1、生物法處理的定義 利用微生物自身新陳代謝的生理功能，并采取一定的人工技術(shù)措施，創(chuàng)造有利于微生物生長、繁殖的良好環(huán)境，加速微生物的增殖及其新陳代謝生理功能，從而使污水中的有機性污染物質(zhì)得以降解、去除的污水處理技術(shù)。 2、生物法處理的基本要素（1）作用者：微生物（以細菌為主）好氧菌、兼性菌、厭氧菌（2）作用對象：大多數(shù)情況下為廢水中可生化降解的有機污染物，個別情況下為無機物（氨、硝酸鹽等）。（3）環(huán)境條件：廢水中的溶解氧、pH、溫度、有機物濃度、有毒有害物等。 3、處理系統(tǒng)中生物轉(zhuǎn)化的雙基質(zhì)模型慢速可降解有機物快速可降解有機物生物量水解惰性物質(zhì)生物生長衰減
3、水解過程微生物生長過程： 異養(yǎng)菌的好氧生長 異養(yǎng)菌的缺氧生長 異養(yǎng)菌的厭氧生長 自養(yǎng)菌的好氧生長衰減過程 4、生物處理系統(tǒng)中的選擇作用活性污泥中可能的微生物死于饑餓 活性污泥微生物流失好氧？利用一級基質(zhì)？沉淀與絮凝特性？死亡是否利用二級基質(zhì)？是否否在污水溫度下生存？增長速率足夠高？因冷/熱死亡流失否否否是是是是活性污泥系統(tǒng) 中的選擇作用（適者生存原則） 5、生化處理的基本類型（1）根據(jù)微生物新陳代謝對溶解氧需求的不同劃分1）好氧生物處理：水中存在溶解氧的條件下（即水中存在分子氧）進行的生物處理過程。2）無氧生物處理：水中無分子氧存在，但存在如硝酸鹽等化合態(tài)氧的條件下進行的生物處理過程。3）厭氧
4、生物處理：水中即無分子氧存在又無化合態(tài)氧存在的條件下進行的生物處理過程。 （2）根據(jù)生物處理工藝劃分1）懸浮生長工藝： 通過適當(dāng)?shù)臄嚢枳饔檬钩袚?dān)處理作用的微生物懸浮在液體中。2）附著生長工藝： 承擔(dān)處理作用的微生物附著生長在一種惰性填料上。 6、微生物的新陳代謝和呼吸類型（1）微生物的新陳代謝新陳代謝 = 分解代謝 + 合成代謝（2）微生物的能量代謝 微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能（即分解代謝過程）。根據(jù)與氧氣的關(guān)系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。 （3）微生物的呼吸 1）好氧呼吸 好氧呼吸：是在有分子氧（O2）參與的生物氧化，反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。 異氧型微生物：以有機物為底物（電子供體
5、），終點產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等，同時放出能量。C6H12O6 + 6O26CO2 + 6H2O + 2817.3kJC11H29O7N + 14O2 + H+11CO2 + 13H2O + NH4+ + 能量 自養(yǎng)型微生物：以無機物為底物，終點產(chǎn)物也是無機物，同時放出能量。H 2S + 2O2H2SO4 + 能量NH4+ +2O2NO3 +2H+ +H2O + 能量 2）厭氧呼吸 厭氧呼吸是在無分子氧的情況下進行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。 發(fā)酵：指供氫體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機物）。C6H12O6 2CH
6、3COCOOH + 4H2 CH3COCOOH 2 CO2 + 2CH3CHO4H + 2CH 3CHO 2CH3CH2OH總反應(yīng)式：C6H12O6 2CH3CH2OH + 2 CO2 + 92.0kJ 無氧呼吸：是指以無機氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。 C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H24H + 4 NO3- 2N2 + 12 H2O總反應(yīng)式：C6H12O6 + 4NO3-6 CO2 + 6H2O + 2N2 + 1755.6 kJ 三種呼吸方式獲得的能量水平比較呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸分子
7、氧C6H 12O6 + 6O26CO2 + 6H 2O + 2817.3 kJ無氧呼吸無機物C6H 12O6 + 4 NO3-6 CO2 + 6H 2O + 2N2 + 1755.6 kJ發(fā)酵有機物C 6H 12O6 2CH 3CH 2OH + 2 CO2 + 92.0kJ 三、污水的好氧生物處理 結(jié)論： 當(dāng)廢水中營養(yǎng)物質(zhì)充足，即微生物既能獲得足夠的能量，又能大量合成新的原生質(zhì)時，微生物就不斷增長；當(dāng)廢水中營養(yǎng)缺乏時，微生物只能依靠分解細胞內(nèi)貯藏的物質(zhì)，甚至把原生質(zhì)也當(dāng)成營養(yǎng)物質(zhì)利用，以獲得生命活動所需的最低限度的能量。這種情況下，微生物無論重量還是數(shù)量都是不斷減少的。 四、污水的厭氧生物處理
8、厭氧的基本過程：水解、產(chǎn)酸產(chǎn)氫、產(chǎn)氣階段。 五、好氧生物處理與厭氧生物處理的比較1、起作用的微生物群不同：好氧生物處理是由一大類群好氧微生物一次完成的，而厭氧生物處理是由兩大類群的厭氧微生物接替完成的。2、產(chǎn)物不同：好氧生物處理中，有機物被轉(zhuǎn)化成CO2、H2O、NH3、PO43-、SO42-等無機物，且基本無害。厭氧生物處理中，有機物依次被轉(zhuǎn)化為為數(shù)眾多的中間有機物，以及CO 2、H2、H2S、NH3等，產(chǎn)物復(fù)雜，有異臭，一些氣態(tài)產(chǎn)物可作燃料。 3、反應(yīng)速率不同：好氧生物處理要求速率快，處理單位廢水所需處理設(shè)備較?。粎捬跎锾幚矸磻?yīng)速率慢，處理單位廢水所需設(shè)備大。4、對環(huán)境條件要求不同 好氧生
9、物處理要求充分供氧，對其它環(huán)境條件要求不太嚴格；厭氧生物處理要求絕對厭氧環(huán)境，對其它環(huán)境條件（如pH值，溫度等）要求甚嚴。 5、實際應(yīng)用 好氧生物處理和厭氧生物處理都能完成對有機污染物的穩(wěn)定化，但在實際中究竟采用哪種方法，視具體情況而定。一般廢水中有機物濃度若低于1000mg/l，比較適于好氧生物處理；濃度更高時，可考慮采用厭氧生物處理。 六、生物脫氮除磷基礎(chǔ)理論1、生物脫氮（1）氨化反應(yīng) 微生物分解有機氮化合物產(chǎn)生氨的過程，即可在好氧下進行，也可在厭氧下進行。（2）硝化反應(yīng) 在亞硝化菌和硝化菌的作用下，將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽和硝酸鹽的過程。在好氧條件下進行。 （3）反硝化反應(yīng) 在缺氧條件下，
10、亞硝酸鹽和硝酸鹽在反硝化菌的作用下被還原成氮氣的過程。（4）同化作用 污水中一部分氮（氨氮或有機氮）被同化成微生物細胞的組成成分，并以剩余污泥的形式得以從污水中排除。 2、生物除磷 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧條件下對污水中溶解性磷酸鹽過量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。 厭氧環(huán)境中：污水中的有機物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內(nèi)積聚的聚磷分解，分解產(chǎn)生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動吸收乙酸苷轉(zhuǎn)化為PHB(聚羥基丁酸)的形態(tài)儲藏于體內(nèi)。聚磷分解形成的無機磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。 好氧環(huán)境中：進入好氧狀態(tài)后，聚磷菌將儲
11、存于體內(nèi)的PHB進行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動，部分供其主動吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內(nèi)，這就是好氧吸磷。 普通活性污泥法通過同化作用可去除磷1220。而具生物除磷功能的處理系統(tǒng)排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重56，去除率基本可滿足排放要求。 PH B(聚羥基丁酸) 七、廢水生物處理技術(shù)的發(fā)展1、工藝上的發(fā)展 廢水生物處理技術(shù)問世一百多年以來的發(fā)展，大致可以分為三個階段：（1）第一階段（1881-1915年）：早期階段。此階段的主要發(fā)明為Moris池（1881年）、生物濾池（1893年）和活性污泥法（1914年）。 （2）第二階段（1915-1960年）：廢水
12、生物處理的普及階段。此階段生物處理技術(shù)大量應(yīng)用，先后有化糞池、生物濾池、活性污泥法和處理污泥的消化池等。 對活性污泥法的改良：階段曝氣法、生物接觸穩(wěn)定法、完全混合曝氣法、延時曝氣法、高率曝氣法、純氧曝氣法等新工藝。 普通生物濾池的發(fā)展：高負荷生物濾池、塔式生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法等新工藝。 厭氧生物處理：從傳統(tǒng)的低率消化池逐步發(fā)展出了高率消化池、二級消化池、兩相消化池等新工藝。 （3）第三階段（1961-今）：生物處理技術(shù)發(fā)展的新時期1）在好氧處理方面，出現(xiàn)了氧化溝、A-B法、SBR反應(yīng)器、高濃度活性污泥法、深井曝氣法、好氧生物流化床等新工藝；出現(xiàn)了高效曝氣器、新型填料等；發(fā)展了復(fù)合
13、式反應(yīng)器（將懸浮生長和附著生長的生物系統(tǒng)放在一個反應(yīng)器中），如投加載體的活性污泥法；出現(xiàn)了新型生物處理系統(tǒng)的固液分離裝置，如膜-生物反應(yīng)器。 2）在厭氧處理方面，出現(xiàn)了厭氧接觸法、厭氧生物濾池、厭氧附著膜膨脹床、升流式厭氧污泥層反應(yīng)器、厭氧生物流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等。3）由于發(fā)現(xiàn)了厭氧生物處理技術(shù)的巨大潛力，出現(xiàn)了一系列的厭氧與好氧相結(jié)合的生物處理系統(tǒng)，擴大了生物處理的范圍。4）在自然生物凈化系統(tǒng)方面也有了巨大的發(fā)展，出現(xiàn)了廢水穩(wěn)定塘系統(tǒng)、廢水土地處理系統(tǒng)、濕地凈化系統(tǒng)。 2、在廢水處理微生物學(xué)方面的進步（1）關(guān)于活性污泥法微生物的研究 對活性污泥中絲狀菌特性和作用的研究，對污泥膨脹原因和控制
14、有了更為深入的認識；對活性污泥中細菌和原生動物的不同特性和協(xié)同作用的研究，促進了A-B工藝的發(fā)展。（2）關(guān)于硝化和反硝化菌的研究 硝化菌和反硝化菌的特性；同時硝化和反硝化菌群的發(fā)現(xiàn)（在缺氧條件下，利用硝酸鹽中的氧使氨得到氧化）。 （3）關(guān)于除磷細菌的研究 聚磷菌的研究。（4）關(guān)于厭氧微生物種群和特性的研究 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌的種群和特性。（5）關(guān)于高效菌的篩選、培養(yǎng)和固定化的研究（6）關(guān)于微生物降解難降解有機物途徑的研究 3、廢水生物處理反應(yīng)器的發(fā)展 反應(yīng)器是微生物棲息生長的場所，應(yīng)為微生物創(chuàng)造適宜的條件，使微生物的生長狀態(tài)最好，其作用得以最大的發(fā)揮。 化工原理和設(shè)備的進步，推動了廢水生物
15、處理反應(yīng)器的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列新型的廢水生化處理反應(yīng)器，其共同的特點是：（1）可以提高反應(yīng)器中微生物固體的濃度，以提高其處理能力；（2）改變水力特征，改善傳質(zhì)條件，以加快反應(yīng)速率；（3）創(chuàng)造良好的環(huán)境使微生物生長狀態(tài)得到改善。 八、廢水生物處理技術(shù)的前景1、微生物的潛力無窮 通過培養(yǎng)馴化及其他先進的生物技術(shù)，可以充分挖掘出微生物降解有機物的潛力。特別對那些難生物降解的有機物，通過采取各種措施，完全可能轉(zhuǎn)變成易被降解的有機物；緩慢降解的，轉(zhuǎn)變成快速降解的。 2、反應(yīng)設(shè)備的發(fā)展和進步飛速 設(shè)計合理的反應(yīng)設(shè)備，可以成倍地甚至數(shù)十倍地提高反應(yīng)效果，廢水處理裝置如能更多地吸取反應(yīng)設(shè)備的這些進步，其能力必將得到飛躍。
生物法水處理技術(shù)
