廢水的生化處理方法
廢水的生化處理方法
廢水生物處理是19世紀末出現(xiàn)的治理污水的技術(shù)，發(fā)展至今已成為世界各國處理城市生活污水和工業(yè)廢水的主要手段。目前，國內(nèi)己有近萬座污水生物處理廠(站)投入運行。
生物化學處理法簡稱生化法，是利用自然環(huán)境中的微生物，并通過微生物體內(nèi)的生物化學作用來分解廢水中的有機物和某些無機毒物(如氰化物、硫化物)，使之轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害物質(zhì)的一種水處理方法。
1916年在英國出現(xiàn)了**座人工處理的曝氣池，利用人工培養(yǎng)的微生物來處理城市生活污水，開始了生化處理的新時代。由于生化法處理廢水效率高、成本低、投資省、操作簡單，因此在城市污水和工業(yè)廢水的處理中都得到廣泛的應用。生化法的缺點是有時會產(chǎn)生污泥膨脹和上浮，影響處理效果；該法對要處理水的水質(zhì)也有一定要求，如廢水成份、pH值、水溫等，因而限制了它的使用范圍，另外，生化法占地面積也較大。
屬于生化處理法的有活性污泥法、生物過濾法、生物膜法、生物塘法和厭氧生物法等。
一、微生物及其生化特性
迄今為止，已知的環(huán)境污染物達數(shù)十萬種之多，其中大量的是有機物。所有的有機污染物，可根據(jù)微生物對它們的降解性，分成可生物降解、難生物降解和不可生物降解三大類。
廢水的生物處理就是利用微生物的新陳代謝作用處理廢水的一種方法。微生物與其它生物一樣，為了進行自身的生理活動，必須從周圍環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)并加以利用。這些營養(yǎng)物質(zhì)在微生物體內(nèi)，通過一系列的生物化學反應，使微生物獲得需要的能量，同時微生物本身也得到繁殖、數(shù)量得到增加。在廢水中存在著各種有機物和無機物。這些物質(zhì)大部分都可以被微生物作為營養(yǎng)物質(zhì)而加以利用。廢水的生物處理實質(zhì)就是將廢水中含有的污染物質(zhì)作為微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)被微生物代謝、利用、轉(zhuǎn)化，將原有的高分子有機物轉(zhuǎn)化為簡單有機物或無機物，使得廢水得到凈化。
作為一個整體，微生物分解有機物的能力是驚人的?？梢哉f，凡自然界存在的有機物，幾乎都能被微生物所分解。有些種類，如蔥頭假單胞菌甚至能降解90種以上的有機物，它能利用其中任何一種作為**的碳源和能源進行代謝。有毒的氰(腈)化物、酚類化合物等，也能被不少微生物作為營養(yǎng)物質(zhì)利用、分解。
半個多世紀以來，人工合成的有機物大量問世，如殺蟲劑、除草劑、洗滌劑、增塑劑等，它們都是地球化學物質(zhì)家族中的新成員。尤其是不少合成有機物的研制開發(fā)時的目的之一，就是要求它們具有化學穩(wěn)定性。因此，微生物一接觸這些陌生的物質(zhì)，開始時難以降解也是不足為怪的。但由于微生物具有極其多樣的代謝類型和很強的變異性，近年來的研究，已發(fā)現(xiàn)許多微生物能降解人工合成的有機物，甚至原以為不可生物降解的合成有機物，也找到了能降解它們的微生物。因此，通過研究，有可能使不可降解的或難降解的污染物轉(zhuǎn)變?yōu)槟芙到獾?，甚至能使它們迅速、高效地去除?/span>
化學結(jié)構(gòu)與生物降解的相關(guān)性歸納起來主要有以下幾點：
（1）烴類化合物
一般是鏈烴比環(huán)烴易分解，直鏈烴比支鏈烴易分解，不飽和烴比飽和烴易分解。
（2）主要分子鏈
主要分子鏈上的C被其他元素取代時，對生物氧化的阻抗就會增強，也就是說，主鏈上的其他原子常比碳原子的生物利用度低，其中氧的影響*顯著(如醚類化合物較難生物降解)，其次是s和N。
（3）碳氫鍵
每個C原子上至少保持一個氫碳鍵的有機化合物，對生物氧化的阻抗較小，而當C原子上的H都被烷基或芳基所取代時，就會形成生物氧化的阻抗物質(zhì)。
（4）官能團的性質(zhì)及數(shù)量
官能團的性質(zhì)及數(shù)量對有機物的可生化性影響很大。例如，苯環(huán)上的氫被羥基或氨基取代，形成苯酚或苯胺時，它們的生物降解性將比原來的苯提高。鹵代作用則使生物降解性降低，尤其是間位取代的苯環(huán)，其抗生物降解更明顯。
（5）分子量大小對生物降解性的影響很大
高分子化合物，由于微生物及其酶難以擴散到化合物內(nèi)部，襲擊其中*敏感的反應鍵，因此使生物可降解性降低。
由于廢水中污染物的種類繁多，相互間的影響錯綜復雜，所以一般應通過實驗來評價廢水的可生化性，判斷采用生化處理的可能性和合理性。
二、有機污染物生物降解性的評定方法
1．BOD5/COD值法
BOD5和COD是廢水生物處理過程中常用的兩個水質(zhì)指標，用BOD5/COD值評價廢水的可生化性是廣泛采用的一種*為簡易的方法。在一股情況下，BOD5/COD值愈大，說明廢水可生物處理性愈好。綜合國內(nèi)外的研究結(jié)果，可參照表8-4中所列數(shù)據(jù)評價廢水的可生化性。
表8-4 廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)
BOD5/COD | >0.45 | 0.3~0.45 | 0.2~0.3 | <0.2 |
可生化 | 好 | 較好 | 較難 | 不宜 |
在使用此法時，應注意以下幾個問題。
①某些廢水中含有的懸浮性有機固體容易在COD的測定中被重鉻酸鉀氧化，并以COD的形式表現(xiàn)出來。但在BOD反應瓶中受物理形態(tài)限制，BOD數(shù)值較低，致使BOD5/COD值減小。而實際上懸浮有機固體可通過生物絮凝作用去除，繼之可經(jīng)胞外酶水解后進入細胞內(nèi)被氧化，其BOD5/COD值雖小，可生物處理性卻不差。
②COD測定值中包含了廢水中某些無機還原性物質(zhì)(如硫化物、亞硫酸鹽、亞硝酸鹽、亞鐵離子等)所消耗的氧量，BOD5測定值中也包括硫化物、亞硫酸鹽、亞鐵離子所消耗的氧量。
但由于COD與BOD5測定方法不同，這些無機還原性物質(zhì)在測定時的終態(tài)濃度及狀態(tài)都不盡相同，亦即在兩種測定方法中所消耗的氧量不同，從而直接影響BOD5和COD的測定值及其比值。
?重鉻酸鉀在酸性條件下的氧化能力很強，在大多數(shù)情況下，COD值可近似代表廢水中全部有機物的含量。但有些化合物如吡啶不被重鉻酸鉀氧化，不能以COD的形式表現(xiàn)出需氧量，但卻可能在微生物作用下被氧化，以BOD5的形式表現(xiàn)出需氧量，因此對BOD5/COD值產(chǎn)生很大影響。
綜上所述，廢水BOD5/COD值不可能直接等于可生物降解的有機物占全部有機物的百分數(shù)，所以，用BOD5/COD值來評價廢水的生物處理可行性盡管方便，但比較粗糙，欲做出準確的結(jié)論，還應輔以生物處理的模型實驗。
2．BOD5/TOD值法
對于同一廢水或同種化合物，COD值一般總是小于或等于TOD值，不同化合物的COD/TOD值變化很大，如吡啶為2％，甲苯為45％，甲醇為100％，因此，以TOD代表廢水中的總有機物含量要比COD準確，即用BOD5/TOD值來評價廢水的可生化性能得到更好的相關(guān)性。
通常，廢水的TOD由兩部分組成，其一是可生物降解的TOD(以TODB表示)，其二是不可生物降解的TOD(以TODNB表示)，即：
TOD＝TODB+TODNB (12-19)
在微生物的代謝作用下，TODB中的一部分氧化分解為CO2和H2O，一部分合成為新的細胞物質(zhì)。合成的細胞物質(zhì)將在內(nèi)源呼吸過程中被分解，并有一些細胞殘骸*終要剩下來。采用BOD5/TOD值評價廢水可生化性時，有些研究者推薦采用表8-5所列標準。
表8-5 廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)
BOD5/TOD | >0.4 | 0.2~0.4 | <0.2 |
可生化性 | 易生化 | 可生化 | 難生化 |
三、生化處理方法概述
生物處理法在城市污水的處理中使用得比較廣泛。城市污水的處理分為三個級別，分別稱為污水**處理、污水二級處理和污水三級處理。污水**處理就是使用物理處理方法，如格柵、沉淀池等去除水中不溶解的污染物。二級處理應用生物處理法，通過微生物的代謝作用進行物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，將廢水中的復雜有機構(gòu)氧化降解為簡單的物質(zhì)。三級處理是用生物法、離子交換法等去除水中的氮和磷，并用臭氧氧化、活性炭吸附等去除難降解有機物，用反滲透法去除鹽類物質(zhì)，用氯化法對水進行**。我國目前正在努力普及二級處理，而二級處理中生物處理是*常采用的方法。
不同的**對氧的反應變化很大，一些**只能在有氧存在的環(huán)境中生長，稱需氧**(或稱好氧**)，利用此類微生物的作用來處理廢水稱為好氧生物處理法。另一些**只能在無氧的環(huán)境中生長，叫厭氧**，相應的處理方法叫厭氧生物處理。介于兩者之間的還有兼性微生物(在有氧或無氧的環(huán)境中均可生長)，但它們在廢水處理中不起主要作用。
按微生物的代謝形式，生化法可分為好氧法和厭氧法兩大類；按微生物的生長方式可分為懸浮生物法和生物膜法，現(xiàn)歸納如下：
圖8-16 生物處理方法分類
（一）廢水的好氧生物處理
在充分供氧的條件下，利用好氧微生物的生命活動過程，將有機污染物氧化分解成較穩(wěn)定的無機物的處理方法，在工程上稱為廢水的好氧生物處理。
微生物對有機污染物進行好氧分解的過程如下：溶解態(tài)的有機物可以直接透過**的細胞壁進入細胞內(nèi)。固體或膠體的有機物先被**吸附，靠**所分泌的外酶作用，分解成溶解性的物質(zhì)，然后，再滲入**細胞內(nèi)，通過**自身的生命活動，在內(nèi)酶的作用下，進行氧化、還原和合成過程。一部分被吸收的有機物氧化分解成簡單的無機物，如有機物中的碳被氧化成二氧化碳，氫與氧化合成水，氮被氧化成氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽，磷被氧化成磷酸鹽，硫被氧化成硫酸鹽等。與此同時釋放出能量，作為**自身生命活動的能源，并將另一部分有機物作為其生長繁殖所需要的構(gòu)造物質(zhì)，合成新的原生質(zhì)。
好氧生物處理時，有機物的轉(zhuǎn)化過程如圖8-17所示。
圖8-17 有機物的好氧分解圖示
在廢水好氧處理過程中，必須不間斷地供給溶解氧。因為氧是有機物的*后氫受體，正是由于這種氫的轉(zhuǎn)移，才使能量釋放出來，成為**生命活動和合成新細胞物質(zhì)的能源。
有機物的好氧合成過程，也可以用下列生化反應式表示：
（1）有機物的氧化分解(有氧呼吸)：
（8-7）
（2）原生質(zhì)的同化合成(以氨為氮源)：
（8-8）
（3）原生質(zhì)的氧化分解(內(nèi)源呼吸)：
（8-9）
由此可以看出，當廢水中營養(yǎng)物質(zhì)充足，即微生物既能獲得足夠的能量，又能大量地合成新的原生質(zhì)肘，微生物就不斷增長。當廢水中營養(yǎng)物質(zhì)缺乏時，微生物只得依靠細胞內(nèi)貯藏的物質(zhì)，甚至把原生質(zhì)也作為營養(yǎng)物質(zhì)利用，以獲得生命活動所需的*低限度得能源，這種情況下，微生物無論重量還是數(shù)量都是不斷減少的?？梢?，要保證廢水處理得效果， 首先必須有足夠數(shù)量的微生物，同肘，還必須有足夠數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)。
在好氧生物處理過程中，有機物用于氧化與合成的比例，隨廢水中有機物性質(zhì)而異。對于生活污水或與之相類似的工業(yè)廢水，所產(chǎn)生的新細胞物質(zhì)，約占全部有機物干重的50～60％。
（二）廢水的厭氧生物處理
在斷絕供氧的條件下，利用厭氧微生物的生命活動過程，使廢水中的有機物轉(zhuǎn)化成較簡單的有機物和無機物的處理過程，在工程上稱為廢水的厭氧生物處理。
有機物的厭氧分解過程分為兩個階段。在**階段中，產(chǎn)酸**把存在于廢水中的復雜有機物轉(zhuǎn)化成較簡單的有機物(如有機酸、醇類等)和CO2、NH3、H2S等無機物。在**階段中，甲烷**接著將簡單的有機物分解成甲烷和二氧化碳等。厭氧分解過程可用圖8-18的簡單圖式來說明。
圖8-18 有機物厭氧分解圖示
厭氧分解過程中，由于缺乏氧作為氫受體，所以，對有機物的分解不徹底，貯于有機物中的化學能未全部釋放出來。一般說來，微生物的厭氧生長條件比較嚴格。
（三）好氧生物處理與厭氧生物處理的區(qū)別
1．起作用的微生物群不同 好氧生物處理是由一大群好氧菌和兼性***起作用的；而厭氧生物處理是兩大類群的微生物起作用，先是***和兼性***，后是另一類***。
2．產(chǎn)物不同 好氧生物處理中，有機物被轉(zhuǎn)化成CO2、H2O、NH3、
-、
等，且基本無害。厭氧生物處理中，有機物先被轉(zhuǎn)化成為數(shù)眾多的中間有機物(如有機酸、醇、醛等)，以及CO2、H2O等；其中有機酸、醇、醛等有機物又被另一群被稱為甲烷菌的***繼續(xù)分解。由于能量的限制，其終產(chǎn)物受到較少的氧化作用，如有機碳常形成CH4，而不是CO2；有機氮形成氨、胺化物或氮氣，而不是亞硝酸鹽或硝酸鹽；硫形成H2S，而不是SO2或
等。產(chǎn)物復雜，有異臭，一些產(chǎn)物可作燃料。
3．反應速率不同 好氧生物處理由于有氧作為氫受體，有機物轉(zhuǎn)化速率快，需要時間短?？捎幂^小的設備處理較多的廢水；厭氧生物處理反應速率慢，需要時間長，在有限的設備內(nèi)，僅能處理較少量廢水或污泥。
4．對環(huán)境要求條件不同 好氧生物處理要求充分供氧，對環(huán)境條件要求不太嚴格；厭氧生物處理要求**厭氧的環(huán)境，對環(huán)境條件(如PH值、溫度)要求甚嚴。
好氧生物處理與厭氧生物處理都能完成有機污染物的穩(wěn)定化，但在實際中究竟采用哪種方法，要視具體情況而定。采用厭氧法處理廢水，除需要時間長外，處理水發(fā)黑，有臭味，且BOD濃度仍然很高；如果廢水的BOD5濃度較低，所需的處理設備將很龐大。所以，一般廢水中有機物濃度若超過1%(約l0000毫克/升)，才用厭氧生物處理。目前的厭氧生物處理多用于處理沉淀池的有機污泥和高濃度有機廢水(象屠宰、釀造工業(yè)、食品工業(yè)等生產(chǎn)廢水)。而好氧生物處理則多用于處理有機污染物濃度較低或適中的廢水。
四、活性污泥法
活性污泥法是當前應用*為廣泛的一種生物處理技術(shù)，活性污泥就是生物絮凝體，上面棲息、生活著大量的好氧微生物，這種微生物在氧分充足的環(huán)境下，以溶解型有機物為食料獲得能量、不斷生長，從而使廢水得到凈化。該方法主要用來處理低濃度的有機廢水。本方法的主要設備為反應裝置和提供氧氣的曝氣設備。
1．活性污泥法基本原理
(1) 活性污泥法的基本流程
傳統(tǒng)的活性污泥法由初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、供氧裝置以及回流設備等組成，基本流程如圖8-19所示。由初沉池流出的廢水與從二沉池底部流出的回流污泥混合后進入曝氣池，并在曝氣池充分曝氣產(chǎn)生兩個效果：①活性污泥處于懸浮狀態(tài)，使廢水和活性污泥充分接觸；②保持曝氣池好氧條件，保證好氧微生物的正常生長和繁殖。廢水中的可溶性有機物在曝氣池內(nèi)被活性污泥吸附、吸收和氧化分解，使廢水得到凈化。二次沉淀的作用有兩個：①將活性污泥與已被凈化的水分離；②濃縮活性污泥，使其以較高的濃度回流到曝氣池。二沉池的污泥也可以部分回流至初沉池，以提高初沉效果。
圖8-19 活性污泥法基本流程
活性污泥系統(tǒng)有效運行的基本條件是：①廢水中含有足夠的可溶性易降解有機物，作為微生物生理活動必需的營養(yǎng)物質(zhì)；②混合液含有足夠的溶解氧；③活性污泥在池內(nèi)呈懸浮狀態(tài)，能夠充分與廢水相接觸；④活性污泥連續(xù)回流、及時地排除剩余污泥，使混合液保持一定濃度的活性污泥；⑤沒有對微生物有毒害作用的物質(zhì)進入。
(2) 活性污泥的性能及其評價指標
1)活性污泥的組成
活性污泥由四部分物質(zhì)組成：①具有活性的微生物群體(Ma)；②微生物自身氧化的殘留物質(zhì)(Me)；③原污水挾入的不能為微生物降解的惰性有機物質(zhì)(Mi)；④原污水挾入的無機物質(zhì)(Mii)。
2)活性污泥評價指標
性能良好的活性污泥應松散(有利吸附和氧化有機物)并具有良好的凝聚沉淀性能(利于處理后的清水分離)，通常用下列幾個指標來評價活性污泥的優(yōu)劣，以便控制系統(tǒng)的正常運行。
①污泥濃度(MLSS) 又稱混合液懸浮固體濃度，是指曝氣區(qū)內(nèi)1升混合液所含懸浮物量，以mg/L表示。它表示混合液中活性污泥的濃度，在單位體積混合液內(nèi)所含有的活性污泥固體物的總重量，即
MLSS＝Ma＋Me＋Mi＋Mii （8-10）
MLSS反映出活性污泥所含微生物多少和處理有機物能力的強弱。包括具有活性的微生物群體、自身氧化殘留物、微生物不能降解的有機物和無機物等四部分。適宜的濃度應根據(jù)具體情況確定，一般廢水處理可取2×103~4×103 mg/L。
②混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS) 表示活性污泥中有機性固體物質(zhì)的濃度，即
MLVSS＝Ma+Me+Mi (8-11)
在一定條件下，MLVSS/MLSS值較穩(wěn)定，城市污水的活性污泥介于0.75~0.85之間。
活性污泥的性能主要表現(xiàn)為沉淀性和絮凝性，活性污泥的沉降經(jīng)歷絮凝沉淀、成層沉淀，并進入壓縮過程。性能良好具有一定濃度的活性污泥在30min內(nèi)即可完成絮凝沉淀和成層沉淀過程，為此建立了以活性污泥靜置30min為基礎(chǔ)的指標表示其沉降－濃縮性能。
?污泥沉降比(SV%) 1L混合液靜置沉降30min后，沉淀污泥占混合液的體積百分比。它反映出污泥的凝聚-沉淀性能和污泥量的多少，以便控制污泥排除時間和排除數(shù)，一般取15％～40％。
④污泥體積指數(shù)(污泥指數(shù))(SVI) 污泥指數(shù)也稱污泥容積指數(shù)，是指混合液經(jīng)30min沉降后，1g干污泥在濕的時候所占體積，以mL/g計。
（mL/g） (8-12)
它反映出污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。該值越低，則說明污泥顆粒小而緊密易沉降，但活性和吸附力低，含無機物多；過高則太松散，難以沉淀，將要或已經(jīng)發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象。對于城市污水的活性污泥SVI值為50～150之間。
…污泥齡 活性污泥在曝氣池內(nèi)的平均停留時間，即曝氣池內(nèi)活性污泥的總量與每日排放污泥量之比，污泥齡是活性污泥系統(tǒng)設計與運行管理的重要參數(shù)，它能夠直接影響曝氣池內(nèi)活性污泥的性能和功能。
通過調(diào)節(jié)廢棄污泥量就可以改變污泥齡的值，把它控制在適宜于**增殖的時間范圍內(nèi)，一般為3～14天。
2．活性污泥法的運行方式
活性污泥法已應用了80余年，為了適應不同處理要求，降低費用,經(jīng)過不斷發(fā)展，已形成了多種運行方式，下面做簡單介紹。
（1）普通活性污泥法
普通活性污泥法也稱傳統(tǒng)活性污泥法，是在廢水的自凈作用原理下發(fā)展而來的。廢水在經(jīng)過沉砂、初沉等工序進行**處理，去除了大部分懸浮物和部分BOD后即進人一個人工建造的池子，池子猶如河道的一段，池內(nèi)有無數(shù)能氧化分解廢水中有機污染物的微生物。同天然河道相比，這一人工的凈化系統(tǒng)效率極高，大氣的天然復氧根本不能滿足這些微生物氧化分解有機物的耗氧需要，因此在池中需設置鼓風曝氣或機械翼輪曝氣的人工供氧系統(tǒng)，池子也因此而被稱為曝氣池。
廢水在曝氣池停留一段時間后，廢水中的有機物絕大多數(shù)被曝氣池申的微生物吸附、氧化分解成無機物，隨后即進入另一個池子－沉淀池。在沉淀池中，成絮狀的微生物絮體-活性污泥下沉，處理后的出水－上清液即可溢流而被排放。
為了使曝氣池保持高的反應速率，必須使曝氣池內(nèi)維持足夠高的活性污泥微生物濃度。為此，沉淀后的活性污泥又回流至曝氣池前端，使之與進入曝氣池的廢水接觸，以重復吸附、氧化分解廢水中的有機物。
在連續(xù)生產(chǎn)(連續(xù)進水)條件下，活性污泥中微生物不斷利用廢水中的有機物進行新陳代謝，由于合成作用的結(jié)果，活性污泥數(shù)量不斷增長，因此曝氣池中活性污泥的量愈積愈多，當超過一定的濃度時，應適當排放一部分，這部分被排去的活性污泥常稱作剩余污泥。普通活性污泥法工藝流程見圖8-20。
圖8-20 普通活性污泥法的工藝流程
曝氣池中污泥濃度一般控制在2～3g/L，廢水濃度高時采用較高數(shù)值。廢水在曝氣池中的停留時間常采用4～8h，視廢水中有機物濃度而定?；亓魑勰嗔考s為進水流量的25%～50%，視活性污泥含水率而定。
曝氣池中水流是縱向混合的推流式。在曝氣池前端，活性污泥同剛進入的廢水相接觸，有機物濃度相對較高，即供給活性污泥微生物的食料較多，所以微生物生長一般處于生長曲線的對數(shù)生長期后期或穩(wěn)定期。由于普通活性污泥法曝氣時間比較長，當活性污泥繼續(xù)向前推進到曝氣池末端時，廢水中有機物已幾乎被耗盡，污泥微生物進入內(nèi)源代謝期，它的活動能力也相應減弱，因此，在沉淀池中容易沉淀，出水中殘剩的有機物數(shù)量較少。處于饑餓狀態(tài)的污泥回流入曝氣池后又能夠強烈吸附和氧化有機物，所以普通活性污泥法的BOD和懸浮物去除率都很高，可達到90~95%。
普通活性污泥法也有它的不足之處，主要是:對水質(zhì)變化的適應能力不強;?所供的氧不能充分利用，因為在曝氣池前端廢水水質(zhì)濃度高、污泥負荷高、需氧量大，而后端則相反，但空氣往往沿池長均勻分布，這就造成前端供氧量不足、后端供氧量過剩的情況(見圖8-21)。因此，在處理同樣水量時，同其他類型的活性污泥法相比，曝氣池相對龐大，占地多，能耗費用高。
圖8-21 曝氣池中供水量和需氧量之間的關(guān)系
（2）階段曝氣法
階段曝氣法也稱為多點進水活性污泥法，它是普通活性污泥法的一個簡單的改進，可克服普通活性污泥法供氧同需氧不平衡的矛盾。圖8-21圖示了普通活性污泥法與階段曝氣法的曝氣池中供氧量和需氧量之間的關(guān)系。
階段曝氣法的工藝流程如圖8-22所示。從圖中可見，階段曝氣法中廢水沿池長多點進入，這樣使有機物在曝氣池中的分配較為均勻，從而避免了前端缺氧、后端氧過剩的弊病，從而提高了空氣的利用效率和曝氣池的工作能力;并且由于容易改變各個進水口的水量，在運行上也有較大的靈活性。經(jīng)實踐證明，曝氣池容積同普通活性污泥法比較可以縮小30%左右。
圖8-22 階段曝氣法的工藝流程
（3）漸減曝氣法
克服普通活性污泥法曝氣池中供氧、需氧不平衡的另一個改進方法是將曝氣池的供氧沿活性污泥推進方向逐漸減少，這即為漸減曝氣法。該工藝曝氣池中的有機物濃度隨著向前推進不斷降低，污泥需氧量也不斷下降，曝氣量相應減少，如圖8-23所示。
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吸附再生活性污泥法系根據(jù)廢水凈化的機理、污泥對有機污染物的初期高速吸附作用，
將普通活性污泥法作相應改迸發(fā)展而來。圖8-24所示為這一工藝的基本流程。
曝氣池被一隔為二，廢水在曝氣池的一部分－ 吸附池內(nèi)停留數(shù)十分鐘，活性污泥同廢水充分接觸，廢水中有機物被污泥所吸附，隨后進入二沉池，此時，出水已達很高的凈化程度。
泥水分離后的回流污泥再迸入曝氣池的另一部分－再生池，池中曝氣但不進廢水，使污泥中吸附的有機物進一步氧化分解?；謴土嘶钚缘奈勰嚯S后再次迸入吸附池同新進入的廢水接觸，并重復以上過程。
為了更好地吸附廢水中的污染物質(zhì)，吸附再生活性污泥法所用的回流污泥量比普通活性污泥法多，回流比一般為50%～10%。此外，吸附池和再生池的總?cè)莘e比普通活性污泥法的曝氣池小得多，空氣用量并不增加，因此，減少了占地和降低了造價。由于其回流污泥量較多，又使之具有較強的調(diào)濟平衡能力，以適應進水負荷的變化。它的缺點是去除率較普通活性污泥法低，尤其是對溶解性有機物較多的工業(yè)廢水(活性污泥對溶解性有機物的初期吸附作用效果較差)，處理效果不理想。
（5）完全混合活性污泥法
完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同，但廢水和回流污泥進入曝氣池時，立即與池內(nèi)原先存在的混合液充分混合。依構(gòu)筑物的曝氣池和沉淀池合建或分建的不同可分成兩種類型。其流程見圖8-25。
（6）批式活性污泥法
批式活性污泥法(又稱序批式反應器,Sequencing Batch Reactor，簡稱SBR)是國內(nèi)外近年來新開發(fā)的一種活性污泥法，其工藝特點是將曝氣池和沉淀池合而為一，生化反應呈分批進行，基本工作周期可由進水、反應、沉降、排水和閑置五個階段組成(圖8-26)。
進水期是指反應器從開始進水到達到反應器*大體積的一段時間，這時已同時進行著生物降解反應。在反應期中，反應器不再進水，廢水處理逐漸達到預期的效果。進人沉降期時，活性污泥沉降，固、液分離，上清液即為處理后的水，并于排放期外排。這以后的一段時期直至下一批廢水進入之前即為閑置期，活性污泥在此階段進行內(nèi)源呼吸，反硝化**亦可利用內(nèi)源碳進行反硝化脫氮。
與其他活性污泥工藝相比較，SBR具有下述特點:
1）構(gòu)造簡單，投資節(jié)省
SBR的曝氣、沉淀在同一池內(nèi)，省去了二沉池、回流裝置和調(diào)蓄池等設施，因此，基建投資較低，是特別適合于鄉(xiāng)村地區(qū)或僅設常日班的工廠的廢水處理系統(tǒng)。
2）控制靈活，可滿足各種處理要求
在SBR的運行過程中，一個周期中各個階段的運行時間，總停留時間、供氣量等都可按照進水水質(zhì)和出水要求而加以調(diào)節(jié)。
3）活性污泥性狀好、污泥產(chǎn)率低
由于SBR在進水初期有機物濃度高，污泥絮體內(nèi)部的菌膠團**也能獲得充足的營養(yǎng)，因此，有利于菌膠團**的生長，污泥結(jié)構(gòu)緊密，沉降性能良好。此外，在沉降期，幾乎是在靜止狀態(tài)下沉降，因此污泥沉降時間短，效率高。
SBR的運行周期中有一閑置期，污泥處于內(nèi)源呼吸階段，因此，污泥產(chǎn)率比較低。
4）脫氮效果好
SBR系統(tǒng)可通過控制合適的充氣、停氣為硝化**和反硝化**創(chuàng)造適宜的好氧、缺氧反硝化脫氮條件，此外，反硝化**在閑置期還能進行內(nèi)源反硝化，因此去氮效果好。
五、生物膜法
生物膜法和活件污泥法一樣，同屬好氧生物處理方法。但活性污泥法是依靠曝氣池中懸浮流動著的活件污泥來分解有機物的，而生物膜法則主要依靠固著于載體表面的微生物膜來凈化有機物。
與活性污泥法相比，生物膜法具有以下特點：
a) 生物膜對污水水質(zhì)、水量的變化有較強的適應性，管理方便，不會發(fā)生污泥膨脹；
b) 微生物固著在載體表面、世代時間較長的**微生物也能增殖，生物相更為豐富、穩(wěn)定，產(chǎn)生的剩余污泥少；
c) 能夠處理低濃度的污水；
d) 生物膜法也存在有不足之處：生物膜載體增加了系統(tǒng)的投資；載體材料的比表面積小，反應裝置容積負荷有限、空間效率低，在處理城市污水時處理效率比活性污泥法低，因此，生物膜法主要適用于中小水量污水的處理。
生物膜法設備類型很多，按生物膜與廢水的接觸方式不同，可分為填充式和浸漬式兩類。在填充式生物膜法中，廢水和空氣沿固定的填料或轉(zhuǎn)動的盤片表面流過，與其上生長的生物膜接觸，典型設備有生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤。在浸漬式生物膜法中，生物膜載體完全浸沒在水小，通過鼓風曝氣供氧。如載體固定，稱為接觸氧化法；如載體流化則稱為生物流化床。
目前所采用的生物膜法多數(shù)是好氧裝置，少數(shù)是厭氧形式，如厭氧濾池和厭氧流化床等。
本章主要討論好氧生物膜法。根據(jù)裝置的不同，可分為生物濾池，生物轉(zhuǎn)盤和生物接觸氧化法等三種。
（一）生物膜法處理廢水的機理
生物膜法處理廢水就是使廢水與生物膜接觸，進行固、液相的物質(zhì)交換，利用膜內(nèi)微生物將有機物氧化，使廢水獲得凈化，同時，生物膜內(nèi)微生物不斷生長與繁殖。生物膜在載體上的生長過程是這樣的：當有機廢水或由活性污泥懸浮液培養(yǎng)而成的接種液流過載體時，水中的懸浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有機底物而生長繁殖，逐漸在載體表面形成一層粘液狀的生物膜。這層生物膜具有生物化學活性，又進一步吸附、分解廢水中呈懸浮、膠體和溶解狀態(tài)的污染物。
為了保持好氧性生物膜的活性，除了提供廢水營養(yǎng)物外，還應創(chuàng)造—個良好的好氧條件，亦即向生物膜供氧。在填充式生物膜法設備中常采用自然通風或強制自然通風供氧。氧透入生物膜的深度取決于它在膜中的擴散系數(shù)，固－液界面處氧的濃度和膜內(nèi)微生物的氧利用率。對給定的廢水流量和濃度，好氧層的厚度是—定的。增大廢水濃度將減小好氧層的厚度，而增大廢水流量則將增大好氧層的厚度。
生物膜中物質(zhì)傳遞過程加圖8-27所示。由于生物膜的吸附作用，在膜的表面存在—個很薄的水層(附著水層)。廢水流過生物膜時，有機物經(jīng)附著水層向膜內(nèi)擴散。膜內(nèi)微生物在氧的參加下對有機物進行分解和機體新陳代謝。代謝產(chǎn)物沿底物擴散相反的方向，從生物膜傳遞返回水相和空氣中。
隨著廢水處理過程的發(fā)展，微生物不斷生長繁殖，生物膜厚度不斷增大，廢水底物及氧的傳遞阻力逐漸加大，在膜表層仍能保持足夠的營養(yǎng)以及處于好氧狀態(tài)，而在膜深處將會出現(xiàn)營養(yǎng)物或氧的不足，造成微生物內(nèi)源代謝或出現(xiàn)厭氧層，此處的生物膜因與載體的附著力減小及水力沖刷作用而脫落。老化的生物膜脫落后，載體表面又可重新吸附、生長、增厚生物膜直至重新脫落，從吸附到脫落，完成一個生長周期。在正常運行情況下，整個反應器的生物膜各個部分總是交替脫落的，系統(tǒng)內(nèi)活性生物膜數(shù)量相對穩(wěn)定，膜厚2～3mm，凈化效果良好。過厚的生物膜并不能增大底物利用速度、卻可能造成堵塞，影響正常通風。因此，當廢水濃度較大時，生物膜增長過快，水流的沖刷力也應加大，如依靠原廢水不能保證其沖刷能力時，可以采用處理出水回流，以稀釋進水和加大水力負荷，從而維持良好的生物膜活性和合適的膜厚度。
生物膜中的微生物主要有**(包括好氧、厭氧及兼性**)、**、放線面、原生動物(主要是纖毛蟲)和較高等的動物，其中藻類、較高等生物比活性污泥法多見。微生物沿水流方向在種屬和數(shù)目上具有一定的分布。在塔式生物濾池中，這種分層現(xiàn)象更為明顯。在填料上層以異養(yǎng)**和營養(yǎng)水平較低的鞭毛蟲或肉足蟲為主，在填料下層則可能出現(xiàn)世代期長的硝化菌和營養(yǎng)水平較高的固著型纖毛蟲。**在生物膜中普遍存在，在條件合適時，可能成為優(yōu)勢種。在填充式生物膜法裝置中，當氣溫較高和負荷較低時，還容易孽生灰蠅，它的幼蟲色白透明，頭粗尾細，常分布在生物膜表面，成蟲后在生物膜周圍翔棲。
生物相的組成隨有機負荷、水力負荷、廢水成分、pH值、溫度、通風情況及其他影響因素的變化而變化。
（二）生物濾池
生物濾池是以土壤自凈原理為依據(jù)，在污水灌溉的實踐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的人工生物處理技術(shù)，是對上述過程的強化。生物濾池的基本工藝如圖8-28所示。進入生物濾池的污水需經(jīng)過預處理去除懸浮物等可能堵塞濾料的污染物，并使水質(zhì)均化，在生物濾池后設二沉池，以截留污水中脫落的生物膜、保證出水水質(zhì)。
圖8-28 生物膜法基本工藝流程
生物濾池的主要特征是池內(nèi)濾料是固定的，廢水自上而下流過濾料層。由于和不同層面微生物接觸的廢水水質(zhì)不同，因而微生物組成也不同，使得微生物的食物鏈長，產(chǎn)生污泥量少。當負荷低時，出水水質(zhì)可高度硝化。生物濾池運行簡易，且依靠自然通風供氧，運行費用低，生物濾池在發(fā)展過程中，經(jīng)歷了幾個階段，從低負荷發(fā)展為高負荷，突破了傳統(tǒng)采用濾料層高度；擴大了應用范圍。目前使用較多的生物濾池有普通生物濾池、高負荷生物濾池和塔式生物濾池(超速濾池)三種，表8-6為性能比較表。
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1.普通生物濾池
普通生物濾池又叫滴濾池，是生物濾池早期的類型，即**代生物濾池。
(1)構(gòu)造
由池體、濾床、布水裝置和排水系統(tǒng)組成，其構(gòu)造如圖8-29所示。
①池體 普通生物濾池池體的平面形狀多為方形、矩形和圓形。池壁一般采用磚砌或混凝土建造，有的池壁上帶有小孔，用以促進濾層的內(nèi)部通風，為防止風吹而影響廢水的均勻分布，池壁頂應高出濾層表面0.4~0.5m，濾池壁下部通風孔總面積不應小于濾池表面積的1%。
②濾床 濾床由濾料組成，濾料對生物濾池工作有很大的影響，對污水起凈化作用的微生物就是生長在濾料表面上。濾料應采用強度高、耐腐蝕、質(zhì)輕、顆粒均勻、比表面積大、空隙率高的材料。過去常用球狀濾料，如碎石、爐渣、焦炭等。一般分成工作層和承托層兩層：工作層粒徑為25～40mm，厚度為1.3~1.8m；承托層粒徑為60~100mm，厚度為0.2m。近年來，常采用塑料濾料，其表面積可達100~200m2/m3，孔隙率高達80%~90%；濾料粒徑的選擇對濾池工作影響較大，濾料粒徑小，比表面積大，但孔隙率小，增加了通風阻力，相反粒徑大，比表面積小，影響污水和生物膜的接觸面積。粒徑的選擇還應綜合考慮有機負荷和水力負荷的影響，當負荷較高時采用較大的粒徑。
③布水裝置 布水裝置的作用是將污水均勻分配到整個濾池表面，并應具有適應水量變化、不易堵塞和易于清通等特點。根據(jù)結(jié)構(gòu)可分成固定式和活動式兩種。
④排水系統(tǒng) 排水系統(tǒng)設于池體的底部，包括滲水裝置、集水渠和總排水渠等。
普通生物濾他的特點
普通生物濾池的優(yōu)點有：(a)處理效果好，BOD5的去除率可達95％以上；(b)運行穩(wěn)定、易于管理、節(jié)省能源。其主要缺點是負荷低、占地面積大、處理水量小、濾池易堵塞、易產(chǎn)生池媽蠅散發(fā)臭味、衛(wèi)生條件差。一般適用于處理每日污水量不高于1000m3的小城鎮(zhèn)污水和工業(yè)有機污水。
2.高負荷生物濾池
高負荷生物濾池是為解決普通生物濾池在凈化功能和運行中存在的實際負荷低、易堵塞等問題而開發(fā)出來的。高負荷生物濾池是通過限制進水BOD5值和在運行上采取處理水回流等技術(shù)來提高有機負荷率和水力負荷率，分別為普通生物濾池的6～8倍和10倍。
(1)高負荷生物濾池的工藝流程
高負荷生物濾池的工藝流程設計主要采用處理水回流技術(shù)來保證進入的BOD5值低于200mg/L，處理水回流后具有下列作用：(a)均化與穩(wěn)定進水水質(zhì)；(b)加大水力負荷，及時沖刷過厚和老化的生物膜，加速生物膜的更新，抑制厭氧層發(fā)育，使生物膜保持較高的活性；(c)抑制池蠅的滋長；(d)減輕臭味的散發(fā)。
采取處理水回流措施，使高負荷生物濾池具有多種多樣的流程，圖8-30為單池系統(tǒng)的幾種有代表性的流程。流程(1)將生物濾池出水直接回流，二沉池的生物污泥回流到初沉池有助于生物膜接種、促進生物膜更新；同時對初沉池的沉淀效果將有所提高。但回流的生物膜易堵塞濾料。流程(2)和流程(1)相比可避免加大初沉池的容積，流程(3)能提高初沉池效果，但提高了初沉池的負荷。流程(4)的特點是不設二沉池，濾池出水(含生物污泥)直接回流到初沉池，這樣能提高初沉池效果，并使其兼行二沉他的功能，本工藝適用于含懸浮固體量較高而溶解性有機物濃度較低的廢水。
當原污水濃度較高或?qū)μ幚硭|(zhì)要求較高時，可以考慮二段濾池處理系統(tǒng)，其主要工藝流程如圖8-31所示。二段生物濾池的有機物去除率可達90％以上，但負荷不均是其主要缺點：一段負荷高，生物膜生長快，脫落的生物膜易于沉積并產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，二段負荷低，生物膜生長不佳，沒有充分發(fā)揮凈化功能。為此可采用交替式二段生物濾池，兩種流程定期交替運行。
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生物轉(zhuǎn)盤是在生物濾池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效、經(jīng)濟的污水生物處理設備。它具有結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)**、電耗低、抗沖擊負荷能力強，不發(fā)生堵塞的優(yōu)點。目前已廣泛運用到我國的生活污水以及許多行業(yè)的工業(yè)廢水處理中、并取得良好效果。
1．生物轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)及凈化作用原理
(1)生物轉(zhuǎn)盤構(gòu)造
生物轉(zhuǎn)盤污水處理裝置由生物轉(zhuǎn)盤、氧化槽和驅(qū)動裝置組成，構(gòu)造如圖8-32所示。生物轉(zhuǎn)盤由固定在一根軸上的許多間距很小的圓盤或多角形盤片組成，盤片是生物轉(zhuǎn)盤的主體，作為生物膜的載體要求具有質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕、防老化、比表面積大等特點，氧化槽位于轉(zhuǎn)盤的正下方，一般采用鋼板或鋼筋混凝土制成與盤片外形基本吻合的半圓形，在氧化槽的兩端設有進出水設備，槽底有放空管。
(2)凈化原理
生物轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)過程中，當盤面某部分浸沒在污水中時，盤上的生物膜便對污水中的有機物進行吸附；當盤片離開液面暴露在空氣中時，盤上的生物膜從空氣中吸收氧氣對有機物進行氧化。通過上述過程，氧化槽內(nèi)污水中的有機物減少，污水得到凈化。轉(zhuǎn)盤上的生物膜也同樣經(jīng)歷掛膜、生長、增厚和老化脫落的過程，脫落的生物膜可在二次沉淀池中去除。生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)除有效地去除有機污染物外，如運行得當可具有硝化、脫氮與除磷的功能。
2．生物轉(zhuǎn)盤的組合形式及工藝流程
根據(jù)生物轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)軸和盤片的布置形式，生物轉(zhuǎn)盤可以是單軸單級形式(圖8-32)以組合成單軸多級(圖8-33)或多軸多級(圖8-34)形式。
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根據(jù)上述的工藝流程，生物轉(zhuǎn)盤污水處理系統(tǒng)具有如下特征：
①微生物濃度高，特別是*初幾級生物轉(zhuǎn)盤，這是生物轉(zhuǎn)盤效率高的主要原因；
②反應槽不需要曝氣，污泥勿需回流，因此動力消耗低，這是本法*突出的特征，耗電量為0.7kWh/kg BOD5，運行費用低；
③生物膜上微生物的食物鏈長，產(chǎn)生污泥量少，在水溫為5－20℃的范圍內(nèi)，BOD的去除率為90％時，去除1kgBOD的污泥產(chǎn)量為0.25kg。
