1、1,第6讲 废水生物处理技术,2/57,概述,生物处理是废水处理中应用最广泛的技术 活性污泥法于1913年在英国成功应用,生物处理革新技术举例,3/57,1 生物脱氮,废水中氮的主要形式为蛋白质、氨基酸和氨氮，有机氮可以通过氨化作用转化为氨氮 生物脱氮由硝化和反硝化组成 硝化反应：自养好氧微生物将氨氮氧化为硝酸盐 亚硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐NH4+1.382O2+1.982HCO3-0.982NO2-+1.036H2O+1.891H2CO3+0.018C5H7O2N 硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐NO2-+0.488O2+0.01HCO3-+0.003NH4+NO3-+0.008H2O+0.
2、003C5H7O2N 总反应式： NH4+1.86O2+1.982HCO3- 0.982NO3-+1.004H2O+0.021C5H7O2N,4/57,亚硝化菌和硝化菌的特征,亚硝化菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属 硝化菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属,5/57,反硝化反应：异养微生物在无分子氧条件下将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气 NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO30.47N2+1.68H2O +HCO3-+0.056C5H7O2N NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO30.48N2+1.23H2O + HCO3-+0.04C5H7O2N 反硝化细菌包括假单胞菌
3、属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等 反硝化过程产生的碱度：3.47 gCaCO3/gNO3-N,6/57,生物脱氮工艺,a: 有机物的氧化和硝化反应在两个构筑物中完成，为单独硝化工艺或分级硝化工艺 b&c: 含碳有机物去除与硝化反应在同一反应器中完成，为碳氧化-硝化联合处理工艺,生物脱氮工艺的三种基本类型,7/57,单独硝化系统和联合氧化-硝化处理工艺都可以采用微生物悬浮型生长构筑物、附着生长型构筑物或复合生长构筑物,两种硝化工艺特性的比较,8/57,多级生物脱氮工艺流程,反硝化单元进水含碳有机物浓度较低，需补充甲醇 硝化过程中pH下降，需补充碱度,9/57,废水中磷的存在形态常为磷酸盐
4、、聚磷酸盐和有机磷 有机物的生物降解伴随着微生物菌体的合成，活性污泥含磷量一般为干重的1.5%-2.3%，通过剩余污泥排放可以获得10%-30%的除磷效果 污水生物除磷就是利用微生物吸收的磷量超过微生物正常生长所需要的磷量的现象，使细胞含磷量高的菌体取得优势 污水生物除磷工艺中，剩余污泥的含磷量可达干重的3%-7%，出水含磷量明显下降,2 生物除磷,10/57,除磷技术的发展,20世纪50、60年代，发现生物超量吸磷现象 证明了除磷作用的生物学本质和生物诱导化学沉淀的辅助作用 好氧区之前设置厌氧接触区，污泥进行厌氧-好氧交替循环，开发生物除磷工艺流程，应用于工程 阻止缺氧或好氧性电子受体（硝态
5、氮或溶解氧）进入厌氧区，优化工艺技术和运行技术 加入低分子量基质，定量化模拟和优化生物除磷技术 建立污水生物除磷的数学模式,11/57,生物强化除磷工艺,生物强化除磷工艺（Enhanced biological phosphate removal process, EBPR），指微生物以聚磷酸盐的形式超量储存磷 微生物在好氧区和厌氧区之间循环，废水自厌氧区进入系统，聚磷菌在此系统中具有选择优势 聚磷菌（PAOs）在厌氧区从废水中摄取碳源并将其以聚羟基烷酸盐的形式储存，同时降解体内的聚磷释放正磷酸盐；在好氧区利用储存的聚羟基烷酸盐作为碳源和能源，摄取正磷酸盐将其转化为聚磷酸盐,12/57,EBP
6、R系统中磷的循环与累积模式,13/57,生物除磷过程中的生物代谢,14/57,EBPR脱磷的生物学及生物化学性质,不动菌属不是起脱磷作用的优势菌种，系统中的生物群体是多样的 形成聚羟基烷酸盐的还原能主要来自内部储存的糖原的降解，可能部分来自于三羧酸循环 内部储存糖原是保持微生物体内的氧化还原电位平衡以利于厌氧摄取多种有机物的关键 部分聚磷菌可利用硝酸盐氮作为电子受体 非聚磷糖原微生物代谢途径与聚磷菌类似，唯一区别是前者厌氧代谢基质时，利用体内储存糖原为唯一能源 现有的形态学及生理学资料表明聚磷菌与非聚磷糖原微生物是不同的微生物,15/57,生物处理过程除磷小结,超量除磷是生物作用的结果，但生物
7、超量除磷不能完全解释某些条件下出现的除磷性能 生物诱导的化学除磷可能是生物除磷的补充 生物除磷系统中可能的磷的去除途径 生物超量除磷，污泥含磷量3%-7% 正常磷的同化作用，微生物合成消耗磷 正常液相沉淀，pH、离子浓度、沉淀剂等作用 加速液相沉淀，厌氧条件下高磷浓度，加速化学沉淀 生物膜沉淀，细菌反硝化作用，膜内pH升高，磷从液相进入无机相,16/57,生物除磷工艺要点,设置厌氧区，供聚磷菌吸收基质，产生选择性增殖 多数污水除磷工艺构造基于硝化和反硝化的考虑，使系统在硝化的情况下保证良好除磷 主流除磷工艺：Bardenpho，A/O，SBR等，同时具有除磷脱氮功能 测流除磷工艺：Phostr
8、ip工艺为代表，厌氧池不在污水的主流方向上，大部分磷通过化学沉淀去除,17/57,3 几种典型的脱氮除磷工艺,改良Ludzack-Ettinger（MLE）工艺 厌氧/好氧（A/O）工艺 Phostrip工艺 A2/O脱氮除磷工艺 UTC脱氮除磷工艺 VIP脱氮除磷工艺 Bardenpho脱氮除磷工艺,18/57,3.1 MLE工艺,有回流的前置反硝化生物脱氮系统，前置反硝化在缺氧条件下进行，含碳有机物的去除、含氮有机物的氨化和氨氮的硝化在好氧条件下进行 也称为缺氧-好氧（A/O）生物脱氮流程,19/57,MLE工艺特点,流程简单，基建费低，运转费低，电耗低 以原污水中的含碳有机物和内源代谢产
9、物作为反硝化碳源，不需补充碳源 好氧池在缺氧池之后可以进一步去除有机物 硝化反应主要在好氧池完成，出水硝氮浓度较高 前置缺氧池具有生物选择器的作用，有利于改善污泥的沉淀性能 缺氧池中的反硝化过程可以补充部分碱度，调节pH 系统总氮去除率可达88%,20/57,3.2 A/O工艺,又称没有硝化的A/O工艺，是最简单的生物除磷工艺 系统厌氧区的存在有利于聚磷菌的选择性增殖，且能抑制丝状菌的生长 污泥含磷量可达干重的6%,21/57,3.3 Phostrip工艺,出水总磷浓度低于1mg/L，受进水有机物浓度干扰小 大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除 分流到厌氧释磷池的测流流量为进水流量的10%-30%
10、，污泥停留时间为8-12h,22/57,3.4 A2/O脱氮除磷工艺,在A/O工艺的厌氧池后增加一个缺氧池，并将沉淀池污泥回流到厌氧池 总停留时间相当的情况下，具有同时脱氮除磷功能,23/57,3.5 UTC脱氮除磷工艺,沉淀池污泥不回流到厌氧池，而是缺氧池 防止硝酸盐氮进入厌氧池，影响除磷效率 增加缺氧池到厌氧池的混合液回流，提高系统抗冲击负荷的能力,24/57,改良UTC脱氮除磷工艺,在厌氧池和好氧池之间再增加一个缺氧池 减少了进入厌氧池的硝氮量 第一缺氧池利用污水中的含碳有机物对回流入的硝氮进行反硝化 第二缺氧池对好氧池回流的硝氮进行反硝化 提高好氧池至第二缺氧池的回流比提高系统的脱氮能
11、力 第一缺氧池的回流减少硝氮对厌氧池除磷功能的干扰,25/57,3.6 VIP脱氮除磷工艺,与UCT工艺相同，也是单级活性污泥系统，同时去除水中的氮和磷，区别是： VIP中厌氧、缺氧、好氧反应器分别由两个或多个完全混合的单池构成，可以提高磷的吸收和释放速率 泥龄短、负荷高、运行速率高，污泥中活性生物的比例增加，除磷速率较高（设计泥龄为5-10d，UCT的泥龄通常为13-25d）,26/57,3.7 Bardenpho脱氮除磷工艺,在MLE工艺的好氧池后增加一个缺氧池，称为四阶段的Bardenpho工艺,27/57,在四阶段Bardenpho工艺的前端再增加一个缺氧池，即成为五阶段Bardenp
12、ho工艺 所增加的厌氧池使之具有脱氮除磷功能，无除磷要求时工艺前端的厌氧池可以作为生物选择器，抑制丝状菌的繁殖 运行负荷较低，以提高脱氮率,28/57,4 生物脱氮原理的新认识及相应工艺,已有废水脱氮除磷工艺的问题 硝化菌群增殖速度慢、生物浓度低，水力停留时间长，有机负荷低，基建投资和运行费用高 同时进行污泥回流和硝化液回流，动力消耗及运行费用高 抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长 为中和消化过程产生的酸度，需要加碱中和，增加了费用 发现的新现象 某些异养菌也可以参加硝化作用 某些微生物好氧条件下也可进行反硝化作用 厌氧反应器中出现氨氮减少,29/57,4.1 SHARON
13、工艺,Single reactor high activity ammonia removal over nitrite 基本原理为简捷硝化-反硝化 将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化,简捷硝化-反硝化节省消耗的碳源和能源,30/57,SHARON工艺的基本特点 硝化与反硝化两个阶段在同一个反应器中完成，简化流程 硝化产生的酸度可部分地有反硝化产生的碱度中和 可以缩短水力停留时间，减小反应器体积和占地面积 将硝化过程控制在亚硝化阶段的优点 可节省反硝化过程需要的外加碳源，以甲醇为例，亚硝氮反硝化比硝氮反硝化可节省碳源40% 可减少供气量25%左右，节省了动力消耗 在全混反应器中通过控制
14、温度（高温下硝化菌生长速率低于亚硝化菌）和停留时间，可以将硝化菌从反应器中冲洗出去，使反应器中亚硝化菌占绝对优势，从而将氨氧化控制在亚硝化阶段 通过间歇曝气，可以达到反硝化的目的,31/57,4.2 ANAMMOX工艺,在厌氧条件下，以硝氮为电子受体，将氨转化为氮气 该菌是自养菌，不需要添加有机物来维持反硝化,ANAMMOX工艺的可能途径,32/57,4.3 全自养脱氮工艺,Autotrophic ammonia removal，目前仍处于实验室阶段，参与脱氮过程的微生物均为自养微生物 De-ammonification工艺：限制溶氧，低有机碳条件下，氨氮由自养菌转化为氮气,氨转化为亚硝氮和氮
15、气的可能途径,33/57,SHARON工艺与ANAMMOX工艺结合实现全自养脱氮,SHARON工艺可以通过控制温度、HRT、pH等条件，在亚硝化自养菌作用下氨部分转化为亚硝氮，使出水氨氮和亚硝氮比例为1:1 ANNAMOX工艺是在自养菌作用下，以亚硝氮为电子受体，将氨氧化为氮气 以SHARON工艺作为硝化反应器，而ANNAMOX工艺作为反硝化反应器可实现全自养生物脱氮 优点是 污泥停留时间短 无需控制pH 值 运行费用可减少90% 不产生N2O等有害气体，不需添加有机物 几乎不产生污泥，节省占地50% COD和氮的去除各自分开,34/57,限氧自养硝化-反硝化工艺,Oxygen-limited
16、 autotrophic nitrification and denitrification, OLAND 部分硝化与厌氧氨氧化相耦联 脱氮可在较低温度下进行 两种反应器：一体化生物膜反应系统和两阶段悬浮式膜生物反应系统 关键是控制溶解氧在0.1-0.3mg/L，使部分氨被氧化成亚硝氮，未氧化的氨则以生成的亚硝氮为电子受体，被还原为氮气 反应机理为由亚硝化菌催化的亚硝氮的歧化反应,35/57,OLAND工艺与传统的硝化-反硝化工艺化学反应式及比较,36/57,CANON工艺,Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite, CANON
17、一体化完全自养脱氮系统，与OLAND工艺可认为是同一种脱氮工艺 实质上属于生物膜法，通过控制溶氧浓度，使不同厚度生物膜分别处于好氧或厌氧状态 环境中的氨氮与溶氧是决定CANON工艺的关键因素,37/57,同步硝化反硝化,利用硝化菌和反硝化菌在同一反应器中同时实现硝化和反硝化得以脱氮 硝化反应的产物直接作为反硝化的底物，避免了硝化过程中亚硝氮的积累对硝化反应的抑制，加速了硝化反应的速度 反硝化反应中所释放出的碱度可部分补偿硝化反应所消耗的碱，使系统pH相对温度 硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统下进行，简化了操作难度 简化生物脱氮工艺并提高效率，节省投资,38/57,5 高效生物膜处理系统
18、,生物反应器内添加具有高比表面积的载体供微生物附着生长形成生物膜 生物膜具有较高的容积负荷、较短的水力停留和较小的体积 流化生物膜反应器可以避免脱落生物膜的堵塞，并加速基质在液相及生物膜内部的传质速率,39/57,流化生物膜反应器的主要型式,40/57,生物膜反应器特征,微生物相多样化：环境较为稳定 单位容积负荷高，净化能力强：生物量密度高 污泥量少且沉淀性能好：悬浮生物量少，脱落生物膜比重大 耐冲击负荷且能处理低浓度废水：微生物不易流失 易于管理：不易堵塞，避免了污泥膨胀，出水水质易控制，一般不需污泥回流,41/57,5.1 曝气生物滤池,Biological aerated filter,
19、 BAF 可同时完成生物处理和固液分离,下向流曝气生物滤池,BAF处理系统流程,42/57,5.2 两相流化床,以污水为动力使载体流化，膨胀率为20%-70%,43/57,流化床常用载体,44/57,两相流化床（好氧）工艺流程,45/57,5.3 三相流化床,以气体为动力使载体流化，一般需出水回流,46/57,5.4 厌氧流化床,不设充氧设备的两相流化床 流化床密闭，并设沼气收集装置,47/57,6 膜-生物反应器,膜-生物反应器于20世纪60年代末用于污水处理 把膜分离技术与生物技术相结合，采用膜组件取代常规二级生化处理工艺中二沉池、砂滤、消毒等单元，用超（微）滤膜对曝气池出水直接进行过滤，
20、活性污泥混合液中的悬浮固体可以被完全截流并回流到反应器中 泥龄长，出水水质稳定，一般无须消毒 没有污泥流失，不受污泥膨胀影响，操作管理简便,48/57,膜-生物反应器的型式,49/57,膜-生物反应器工艺的特点,污染物去除率高，抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定，无须再次消毒 反应器污泥龄和水力停留时间分离，设计、操作简化 避免了微生物损失，污泥浓度高，体积负荷高，占地面积小 反应器有“污泥硝化池”作用，污泥量少，处理费用低 环境有利于硝化菌等增殖慢的微生物，硝化能力强，难降解大分子有机物的处理效率高 污泥絮体平均尺寸较小，污泥浓度高，传质效率好 易于实现一体化，自动化控制 经济性问题是制约其发展
21、的关键因素,50/57,7 序批式反应器,Sequencing batch reactor, SBR 构造简单，操作灵活,SBR反应工序,51/57,SBR反应工序特点,进水工序 限制性：曝气进行好氧反应 半限制性：搅拌或间歇曝气创造缺氧条件 限制性：静置无搅拌和曝气 反应工序：去除BOD及除磷脱氮 沉淀工序：相当于二沉池 排水工序：排出上清和过剩的污泥 闲置工序：可搅拌或曝气以保持污泥活性,52/57,SBR特点,工艺流程简单，构筑物少，造价低，占地省，设备及管理费用低 空间上完全混合，时间上完全推流。不需调节流量，静置沉淀，分离效果好，出水水质好 运行方式灵活，可生成多种工艺路线，达到多种
22、处理目的 同一反应器改变工艺参数可处理不同废水 可在一个反应器内同时实现脱氮除磷 耐冲击负荷高。进水结束后，进水水质水量的变化对反应器不影响。间歇进水、排放及每次进水只占反应器体积的2/3左右，稀释作用进一步提高耐冲击负荷能力 污泥活性高，易沉降，不易产生污泥膨胀。有利于非丝状菌生长，兼性菌占优势,53/57,8 升流式厌氧污泥床,Upflow anaerobic sludge blanket, UASB 生物量大，承受容积负荷高，处理能力强 主要由进水配水系统、反应区、三相分离器、气室和处理排水装置等组成,54/57,UASB成功的关键是污泥床内厌氧颗粒污泥的形成 颗粒污泥的形成，有利于代谢
23、物的交换，特别是有利于种间氢的转移，促进有机物的降解 颗粒污泥易于与水分离，保证良好的出水水质 颗粒污泥的形成机理有多种假说，但无定论 三相分离器是USAB结构中的关键部位,55/57,9 折流式厌氧反应器,Anaerobic baffled reactor, ABR,56/57,在反应器内设置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室 每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床系统，其中的污泥以颗粒化形式或以絮状形式存在 水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除,57/57,ABR的特点,UASB可以近似看作是一种全混式反应器，而ABR更接近于推流式工艺 独立的反应室内驯化培养与该处环境条件相适应的微生物群落 ABR的推流式特性可以确保较好的出水水质，运行较为稳定，对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的缓冲适应能力，补充了传统厌氧反应器的不足 不利的方面是第一个反应室承受的局部负荷较大,
