1水处理工程第二篇 废水物化处理的原理与工艺（讲义）左剑恶清华大学环境科学与工程系2003 年 7 月主要参考书目：1） 水处理工程 ，第一版，顾夏声等，清华大学出版社，19852)现代废水生物处理新技术 ，钱易等，中国科技出版社，19933） 排水工程 ，第三版，张自杰等，中国建筑工业出版社，19964） 水污染治理工程 ，黄铭荣、胡纪萃，高教出版社，19955） 废水生物处理数学模型 ，第二版，顾夏声，清华大学出版社，19956） 水处理微生物学 ，第三版，顾夏声等，中国建筑工业出版社，1998第一章 废水生物处理概述第一节 废水生物处理简介一、废水生物处理的目的和重要性1、废水生物处理的目的废水生物处理的主要目的有以下 3 点： 絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物； 稳定和去除废水中的有机物； 去除营养元素氮和磷。2、废水生物处理的重要性 城市污水中约有 60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济； 废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法； 目前世界上已建成的城市污水处理厂有 90%以上是生物处理法； 大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。二、微生物在废水生物处理中的作用微生物在废水生物处理中主要有三个作用： 去除溶解性有机物（以COD或BOD 5表示）（将其转化成CO 2和H 2O），去除其它溶解性无机营养元素如N（最终转化为N2气）、P（转化为富含磷的剩余污泥从水中分离出来）等； 絮凝沉淀和降解胶体状固体物（某些难降解颗粒或胶体状有机物，可以通过微生物产生的胞外多聚物等具有絮凝效果的物质发生沉淀，与剩余污泥一同被排出系统；或通过吸附较长期地滞留在系统内而被缓慢降解）；2 稳定有机物（某些有毒有害难降解有机物可以被微生物初步分解或部分降解，而减轻毒性作用或得到部分稳定，或最终被完全转化为无机物而得到稳定）。三、微生物代谢过程简介1、废水生物处理过程中微生物代谢过程示意图2、微生物代谢的基本要素 能源：化学能，或光能化能营养型、光能营养型； 碳源：有机碳，或无机碳异养型、自养型； 无机营养元素又分为宏量元素，如：N 、P 、S、K、C a、M g等，在处理工业废水时，N、P元素与所需要去除的有机污染物之间的营养平衡问题有时会很关键，必要时就需要在进行中投加一定量的N、P；以及微量元素，如 Fe、Co 、Ni、Mo等，微量元素对于某些特殊的细菌如产甲烷细菌等的生长十分重要，因此在设计和运行厌氧生物反应器时，应给予足够的重视，否则会出现所谓的“微量元素缺乏症”； 特殊有机营养物（也称生长因子，如维生素、生物素等）：对于某些特殊细菌，某些特殊的维生素对其生长的影响会很大，因此，在必要时应考虑补充。3、废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有： 化能异养型代谢：在废水生物处理中最主要的代谢形式，主要用于对废水中有机物的去除，包括主要的好氧细菌和厌氧细菌； 化能自养型代谢：也是废水生物处理中常见的一种代谢形式，主要包括硝化细菌（将氨氮氧化为亚硝酸盐，或进一步氧化为硝酸盐）、氢细菌（对其的应用还处在研究阶段）、铁细菌等； 光合异养型代谢：利用光合细菌以高浓度有机废水为基质生产菌体蛋白； 光合自养型代谢：在废水生物处理中少有应用。四、废水生物处理中的微生物1、细菌：主要包括真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria) ；是废水生物处理工程中最主要的微生物；根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌化能自养菌、化能异养菌；根据生长温度的不同：低温菌(10C15 C)、中温菌(15 C 45 C)和高温菌(45 C)2、真菌：真菌的三个主要特点： 能在低温和低pH值的条件生长； 在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2 ）； 能降解纤维素。真菌在废水处理中的应用： 处理某些特殊工业废水；有机物 微生物新的细胞物质CO2、H 2O生物残渣内源呼吸分解合成3 固体废弃物的堆肥处理3、原生动物、后生动物：原生动物主要以细菌为食；其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物。后生动物以原生动物为食；也可作为指示生物。第二节 生物处理工艺在废水处理中的地位一、有机污染物在废水中的存在形式及其主要去除方法1、颗粒状有机物(1 m)：可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物；2、胶体状有机物(1nm100nm)：不能采用机械沉淀法进行去除的较小的有机颗粒物；3、溶解性有机物(8.2 时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化；厌氧体系中的 pH 值受多种因素的影响：进水 pH 值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等） 、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等；厌氧体系是一个 pH 值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制；一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积） ，将消耗 ，使 pH 下降；但产3HCO甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生 ，使系统的 pH 值回升。3HCO碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的 pH 值；厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。3、氧化还原电位：严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件；非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100 -100mv 的环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150 -400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv；4、营养要求：厌氧微生物对 N、P 等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求 COD：N：P = 200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：K、Na 、Ca 等金属盐类；微量元素 Ni、Co 、Mo 、Fe 等；有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。5、F/M 比：厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达 510kgCOD/m3.d，甚至可达 5080 kgCOD/m3.d；无传氧的限制；可以积聚更高的生物量。产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷；高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷；高的有机容积负荷可以缩短 HRT，减少反应器容积。6、有毒物质：常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物；硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物；可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；投加某些金属如 Fe 可以去除 S2-，或从系统中吹脱 H2S 可以减轻硫化物的抑制作用。11氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂；但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度为50200mg/l，但驯化后，适应能力会得到加强。重金属：使厌氧细菌的酶系统受到破坏。氰化物：有毒有机物：四、厌氧生物处理的主要特征1、厌氧生物处理过程的主要优点： 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气） ； 污泥产量很低；厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率 Y 为 0.150.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率 Y 为 0.03kgVSS/kgCOD 左右，而好氧微生物的产率约为 0.250.6kgVSS/kgCOD。 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解； 反应过程较为复杂厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；2、厌氧生物处理过程的主要缺点： 对温度、pH 等环境因素较敏感； 处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理； 气味较大； 对氨氮的去除效果不好；等等第三节 废水生物脱氮原理一、废水生物脱氮的基本过程氨化（Ammonificaton）：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；硝化（Nitrification）：废水中的氨氮在好氧自养型微生物（统称为硝化菌）的作用下被转化为NO2 和 NO3的过程；反硝化（Denitrification ）：废水中的 NO2 和/ 或 NO3在缺氧条件下在反硝化菌（异养型细菌）的作用下被还原为 N2 的过程。12二、硝化反应（Nitrification）1、硝化反应的基本原理硝化反应分为两步进行： ； 。24NOH32NO是由两组自养型硝化菌分两步完成的： 亚硝酸盐细菌（或称为氨氧化细菌） （Nitrosomonas） ； 硝酸盐细菌（或称为亚硝酸盐氧化细菌） （Nitrobacter ） ；到目前为止，还未发现有任何一种细菌可以直接将氨氮通过一步氧化到硝酸盐。这两种硝化细菌的特点： 都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌； 强烈好氧，不能在酸性条件下生长； 无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机 C（CO 2 或 HCO3）为碳源； 化能自养型； 生长缓慢，世代时间长。2、硝化反应过程及反应方程式 亚硝化反应： HONH25.1224如果加上细胞合成，则： 3222275324 10457409765 COHNOCN 亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/g NH4+-N（113/55/14） ；氧化 1mg NH4+-N 为 NO2-N，需氧 3.16mg（7632/55/14） ；氧化 1mg NH4+-N 为 NO2-N，需消耗 7.08mg 碱度（以 CaCO3 计） （10950/55/14） 硝化反应： 3225.0NO如果加上细胞合成，则： 32275233242 403194 NOHOCHC硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO 2-N(113/400/14)氧化 1mg NO2-N 为 NO3N，需氧 1.11mg(195*32/400/14)几乎不消耗碱度总的硝化反应： HOH2234如加上细胞合成，则： 3232275324 8.19.04.1)0.18.(98.16. COHNONCCONH 总的细菌产率是： 0.02g/gNO2-N(113/400/14)；氧化 1mg 为 ，需氧 4.27mg(1.86*32/14)；N4313氧化 1 mg 为 ，需消耗碱度 7.07mg(以 CaCO3 计)；NH4O3污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致 pH 值下降，使反应速率减缓或停滞；如果不考虑合成，则：氧化 1 mg NH4+-N 为 NO3-N，需氧 4.57mg，其中亚硝化反应 3.43mg，硝化反应 1.14mg，需消耗碱度 7.14mg(以 CaCO3 计)3、硝化反应所需要的环境条件两种硝化菌对环境的变化都很敏感，要求较苛刻，主要如下： 好氧条件(DO 不小于 1mg/l)，并能保持一定的碱度以维持稳定的 pH 值( 适宜的 pH 为 8.08.4)； 进水中的有机物的浓度不宜过高，一般要求 BOD5 在 1520mg/l 以下； 硝化反应的适宜温度是 2030C，15C 以下时，硝化反应的速率下降，小于 5C 时，完全停止； 硝化菌在反应器内的停留时间即污泥龄，必须大于其最小的世代时间(一般为 310 天) ； 高浓度的氨氮、亚硝酸盐或硝酸盐、有机物以及重金属离子等都对硝化反应有抑制作用。三、反硝化反应（Denitrification）1、反硝化反应及反硝化细菌反硝化反应是指硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N 2）的过程；反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，并不是一类专门的细菌，它们大量存在