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1、第4章 水处理的生物化学处理技术4.1 废水生物处理技术的发展与前景一、概述1、几个第一 世界上公认的第一座生物反应器：法国人发明的Moris池（封闭的地下水池，利用微生物在厌氧下进行工作），也是第一座厌氧池；世界上第一座生物滤池：英国人1893年首次采用；世界上第一座活性污泥法处理池：英国人1914年首次采用；,2、生物处理技术在世界发达国家的应用 美国：18000座，其中84%为二级生物处理厂；英国：3000座，几乎100%为二级生物处理厂；日本：城市污水处理厂703座，村镇污水处理厂2000座，二级生物处理厂和三级污水处理厂99%；瑞典：1540座，91%为生物污水处理厂。,二、废水生物
2、处理技术的原理及其功能分析1、生物法处理的定义 利用微生物自身新陈代谢的生理功能，并采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物生长、繁殖的良好环境，加速微生物的增殖及其新陈代谢生理功能，从而使污水中的有机性污染物质得以降解、去除的污水处理技术。,2、生物法处理的基本要素（1）作用者：微生物（以细菌为主）好氧菌、兼性菌、厌氧菌（2）作用对象：大多数情况下为废水中可生化降解的有机污染物，个别情况下为无机物（氨、硝酸盐等）。（3）环境条件：废水中的溶解氧、pH、温度、有机物浓度、有毒有害物等。,3、处理系统中生物转化的双基质模型,慢速可降解有机物,快速可降解有机物,生物量,水解,惰性物质,生物生长,衰
3、减,水解过程微生物生长过程：异养菌的好氧生长 异养菌的缺氧生长 异养菌的厌氧生长 自养菌的好氧生长衰减过程,4、生物处理系统中的选择作用,活性污泥中可能的微生物,死于饥饿,活性污泥微生物,流失,好氧？,利用一级基质？,沉淀与絮凝特性？,死亡,是,否,利用二级基质？,是,否,否,在污水温度下生存？,增长速率足够高？,因冷/热死亡,流失,否,否,否,是,是,是,是,活性污泥系统 中的选择作用（适者生存原则）,5、生化处理的基本类型（1）根据微生物新陈代谢对溶解氧需求的不同划分1）好氧生物处理：水中存在溶解氧的条件下（即水中存在分子氧）进行的生物处理过程。2）无氧生物处理：水中无分子氧存在，但存在如
4、硝酸盐等化合态氧的条件下进行的生物处理过程。3）厌氧生物处理：水中即无分子氧存在又无化合态氧存在的条件下进行的生物处理过程。,（2）根据生物处理工艺划分1）悬浮生长工艺：通过适当的搅拌作用使承担处理作用的微生物悬浮在液体中。2）附着生长工艺：承担处理作用的微生物附着生长在一种惰性填料上。,6、微生物的新陈代谢和呼吸类型（1）微生物的新陈代谢新陈代谢=分解代谢+合成代谢（2）微生物的能量代谢 微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能（即分解代谢过程）。根据与氧气的关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。,（3）微生物的呼吸,1）好氧呼吸 好氧呼吸：是在有分子氧（O2）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。
5、异氧型微生物：以有机物为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同时放出能量。C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+11CO2+13H2O+NH4+能量 自养型微生物：以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时放出能量。H2S+2O2H2SO4+能量NH4+2O2NO3+2H+H2O+能量,2）厌氧呼吸 厌氧呼吸是在无分子氧的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。发酵：指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。C6H12O6 2CH3COCOOH+4H2
6、 CH3COCOOH 2 CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO 2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6 2CH3CH2OH+2 CO2+92.0kJ,无氧呼吸：是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。C6H12O6+6H2O 6CO2+24H24H+4 NO3-2N2+12 H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-6 CO2+6H2O+2N2+1755.6 kJ,三种呼吸方式获得的能量水平比较,三、污水的好氧生物处理,结论：当废水中营养物质充足，即微生物既能获得足够的能量，又能大量合成新的原生质时，微生物就
7、不断增长；当废水中营养缺乏时，微生物只能依靠分解细胞内贮藏的物质，甚至把原生质也当成营养物质利用，以获得生命活动所需的最低限度的能量。这种情况下，微生物无论重量还是数量都是不断减少的。,四、污水的厌氧生物处理,厌氧的基本过程：水解、产酸产氢、产气阶段。,五、好氧生物处理与厌氧生物处理的比较1、起作用的微生物群不同：好氧生物处理是由一大类群好氧微生物一次完成的，而厌氧生物处理是由两大类群的厌氧微生物接替完成的。2、产物不同：好氧生物处理中，有机物被转化成CO2、H2O、NH3、PO43-、SO42-等无机物，且基本无害。厌氧生物处理中，有机物依次被转化为为数众多的中间有机物，以及CO2、H2、H
8、2S、NH3等，产物复杂，有异臭，一些气态产物可作燃料。,3、反应速率不同：好氧生物处理要求速率快，处理单位废水所需处理设备较小；厌氧生物处理反应速率慢，处理单位废水所需设备大。4、对环境条件要求不同 好氧生物处理要求充分供氧，对其它环境条件要求不太严格；厌氧生物处理要求绝对厌氧环境，对其它环境条件（如pH值，温度等）要求甚严。,5、实际应用 好氧生物处理和厌氧生物处理都能完成对有机污染物的稳定化，但在实际中究竟采用哪种方法，视具体情况而定。一般废水中有机物浓度若低于1000mg/l，比较适于好氧生物处理；浓度更高时，可考虑采用厌氧生物处理。,六、生物脱氮除磷基础理论1、生物脱氮（1）氨化反应
9、 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程，即可在好氧下进行，也可在厌氧下进行。（2）硝化反应 在亚硝化菌和硝化菌的作用下，将氨态氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。在好氧条件下进行。,（3）反硝化反应 在缺氧条件下，亚硝酸盐和硝酸盐在反硝化菌的作用下被还原成氮气的过程。（4）同化作用 污水中一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分，并以剩余污泥的形式得以从污水中排除。,2、生物除磷 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。厌氧环境中：污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分
10、解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚羟基丁酸)的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。,好氧环境中：进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。普通活性污泥法通过同化作用可去除磷1220。而具生物除磷功能的处理系统排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重56，去除率基本可满足排放要求。,PHB(聚羟基丁酸),七、废水生物处理技术的发展1、工艺上的发展 废水生物处理技术问世一百多年以来的发展，大致可以分为
11、三个阶段：（1）第一阶段（1881-1915年）：早期阶段。此阶段的主要发明为Moris池（1881年）、生物滤池（1893年）和活性污泥法（1914年）。,（2）第二阶段（1915-1960年）：废水生物处理的普及阶段。此阶段生物处理技术大量应用，先后有化粪池、生物滤池、活性污泥法和处理污泥的消化池等。对活性污泥法的改良：阶段曝气法、生物接触稳定法、完全混合曝气法、延时曝气法、高率曝气法、纯氧曝气法等新工艺。普通生物滤池的发展：高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法等新工艺。厌氧生物处理：从传统的低率消化池逐步发展出了高率消化池、二级消化池、两相消化池等新工艺。,（3）第三阶
12、段（1961-今）：生物处理技术发展的新时期1）在好氧处理方面，出现了氧化沟、A-B法、SBR反应器、高浓度活性污泥法、深井曝气法、好氧生物流化床等新工艺；出现了高效曝气器、新型填料等；发展了复合式反应器（将悬浮生长和附着生长的生物系统放在一个反应器中），如投加载体的活性污泥法；出现了新型生物处理系统的固液分离装置，如膜-生物反应器。,2）在厌氧处理方面，出现了厌氧接触法、厌氧生物滤池、厌氧附着膜膨胀床、升流式厌氧污泥层反应器、厌氧生物流化床、厌氧生物转盘等。3）由于发现了厌氧生物处理技术的巨大潜力，出现了一系列的厌氧与好氧相结合的生物处理系统，扩大了生物处理的范围。4）在自然生物净化系统方面
13、也有了巨大的发展，出现了废水稳定塘系统、废水土地处理系统、湿地净化系统。,2、在废水处理微生物学方面的进步（1）关于活性污泥法微生物的研究 对活性污泥中丝状菌特性和作用的研究，对污泥膨胀原因和控制有了更为深入的认识；对活性污泥中细菌和原生动物的不同特性和协同作用的研究，促进了A-B工艺的发展。（2）关于硝化和反硝化菌的研究 硝化菌和反硝化菌的特性；同时硝化和反硝化菌群的发现（在缺氧条件下，利用硝酸盐中的氧使氨得到氧化）。,（3）关于除磷细菌的研究 聚磷菌的研究。（4）关于厌氧微生物种群和特性的研究 产氢产乙酸菌和产甲烷菌的种群和特性。（5）关于高效菌的筛选、培养和固定化的研究（6）关于微生物降
14、解难降解有机物途径的研究,3、废水生物处理反应器的发展 反应器是微生物栖息生长的场所，应为微生物创造适宜的条件，使微生物的生长状态最好，其作用得以最大的发挥。化工原理和设备的进步，推动了废水生物处理反应器的发展，出现了一系列新型的废水生化处理反应器，其共同的特点是：（1）可以提高反应器中微生物固体的浓度，以提高其处理能力；（2）改变水力特征，改善传质条件，以加快反应速率；（3）创造良好的环境使微生物生长状态得到改善。,八、废水生物处理技术的前景1、微生物的潜力无穷 通过培养驯化及其他先进的生物技术，可以充分挖掘出微生物降解有机物的潜力。特别对那些难生物降解的有机物，通过采取各种措施，完全可能转变成易被降解的有机物；缓慢降解的，转变成快速降解的。,2、反应设备的发展和进步飞速 设计合理的反应设备，可以成倍地甚至数十倍地提高反应效果，废水处理装置如能更多地吸取反应设备的这些进步，其能力必将得到飞跃。,
