好氧活性污泥法在水处理中的应用

好氧活性污泥法在水处理中的应用 华北水利水电学院环境化学结课论文 好氧活性污泥法在水处理中的应用 摘要:活性污泥是当前应用最为广泛的一种生物处理技术。将空气连续鼓入大量溶解有机污染物的废水中。经 过一段时间，水中形成絮凝体——活性污泥。在活性污泥上栖息，生活着大量的好氧微生物，这种微生物以溶 解性有机物为食料，获得能量，并不断增长，使废水得以净化处理。活性污泥处理的关键在于具有足够能量和 性能良好的污泥，活性污泥对废水中有机物具有很强的吸附和氧化分解能力。 关键词:活性污泥;污水处理;好氧微生物 Abstract: The active sludge is a biological treatment technology with the most widespread .Enters the the air continual drum the waste water with massive dissolved organic pollutant.After period of time, it will become the flocculation body - active sludge. The massive good oxygen microorganism is living on the active sludge and this kind of microorganism take the soluble organic matter as flood, obtains the energy and unceasingly grows, enables the waste water to purify. The active sludge processing lies in it has the enough energy and the good sludge, the active sludge has the very strong adsorption with the organic matter and the oxygenolysis ability to the waste water. Key words: Active sludge;Sewage treatment; Oxygen microorganism 我国是世界上水污染最为严重国家之一。全国每年污水排放达360亿吨，仅10, 的生活污水 和70,的工业废水得到处理，其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放。其 他未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重危害。因此，研究一种高效， 安全，无毒无害的彻底的水污染处理方法迫在眉睫。目前，通常采用的好氧活性污泥法处污水 能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染的安全而彻底的方法。 1. 活性污泥法的基本原理 [1]活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理废水的一类好氧生物处理方法，生物絮体称 活性污泥。由好氧微生物(包括真菌、细菌、原生动物及后生动物)及其代谢和吸附的有机物， 无机物组成，显示生物化学活性，具有降解废水中有机污染物的能力。活性污泥法处理废水中 有机物可分为两个阶段，即生物吸附阶段和生物氧化阶段。 [2,3]1.1 生物吸附阶段 废水与活性污泥微生物充分接触，形成悬浊混合液，废水的污染物被比表面积巨大，且表面 含有多糖类黏性物质的微生物吸附和黏连，呈胶体的大分子有机物被吸附后，首先在水解酶作 用下，分解为小分子物质，然后这些小分子与溶解性有机物在酶的作用下或浓度差推动下选择 性渗入细胞体内，使废水中的有机物含量下降而得到净化。 [4,5]1.2 生物氧化阶段 被吸附和吸收的有机物质继续被氧化，这个阶段需要很长时间，进行非常缓慢。在生物吸附 阶段，随着有机物吸附量的增加，污泥的活性逐渐减弱。当吸附饱和后，污泥失去吸附能力， 经过生物氧化阶段吸附的有机物被氧化分解后，活性污泥又呈现活性，恢复吸附能力。 - 1 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 2. 活性污泥组成 2.1 生物组成 活性污泥中富含多种微生物，包括菌胶团细菌，以及在其上生长的其他微生物，如酵母菌、 [6]霉菌、放线菌、藻类、原生动物和某些微型后生动物(轮虫及线虫等)。活性污泥的主体菌属是革兰氏阴性菌，如动胶菌属和丛单胞菌属，可占70, ，还有其他的革兰氏阴性菌和阳性菌。迪亚斯(Dias)等。确证活性污泥的微生物种群如表1所示。 [7]表1 构成正常活性菏泥的主要微生物 细菌名称 细菌名称 动胶团属(Zoogloea)(优势菌) 短杆菌属(Brevibactefium) 丛毛单胞菌属(Comanmonas) (优势菌) 固氮菌属(Azotobacter) 傲球菌属(Micrococcns)(较多) 微丝菌属(Microthrix)(少量) 棒状杆菌属(Corynebaetefium) 大肠埃希氏菌(Escherichiacdi) 黄杆菌属(Flavobactefium) 产气杆菌属(Aembacter) 无色杆菌属(Achromobactex) 诺卡氏菌属(Nocardia) 芽孢杆菌属(Bacillus) 节杆菌属(Arthrobacter) 假单胞菌属(Pseudomonas)(较多) 螺菌属(Spirillum) 亚硝化单胞菌属(Nitromonns) 酵母菌(Yeast) 产碱杆菌属(Alcaligenes)(较多) 浮游球衣菌(Sphaeailus nalans)(少量) 构成活性污泥的微生物种群相对稳定，但当营养条件(废水种类、化学组成、浓度)、温度、供氧、pH值等环境条件改变。会导致主要细菌种群(优势菌)改变。 2.2 化学组成 [8]柳树芬等用化学分析、红外光谱及热天平分析了活性污泥的化学组成及有关的特性。研究表明，活性污泥中含有c、H、0、N、S,P等元素，以脂肪性结构为主，含有丰富的官能团，如: [9]-NH、一NH、一OH、一C=0、C=C或芳环双键、CH一、CH 一等。有人将污泥中活性生物黏绒体232 的分子式表示为CHNO。日本学者高桥俊三提出活性污泥具有酸性，并认并认为这种酸性是由572 于细菌细胞壁表面覆盖的荚膜中所含物质所致。荚膜是细胞分泌物及排泄物所形成的一层松散的黏液性物质。以前人们认为这种物质主要为黏多糖式多肽，最近也有人认为是以聚β一羟基丁酸(PHB)为主体。 [10]3(好氧活性污泥法的基本流程 活性污泥法的基本流程由曝气池、二次沉淀池、曝气系统(含空气或氧气的加压设备，管道系统和空气扩散装置)以及污泥回流系统组成。曝气池与二次沉淀池是活性污泥系统的基本构筑物。由初次沉淀池流出的废水与从二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，其混合体 - 2 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 成为混合液。在曝气池的作用下，混合液得到足够的溶解氧，并使活性污泥和废水充分接触。废水中的可溶性有机污染物为活性污泥所吸附，并被微生物群体所分解，使废水得到净化。在二次沉淀池内，活性污泥与已被净化的废水分离，处理水排放，活性污泥在污泥区内进行浓缩，并以较高浓度回流曝气池。由于活性污泥不断增长，部分污泥作为剩余污泥从系统中排出。 活性污泥法系统有效运行的基本条件是: (1)废水中含有足够的可溶性易降解有机物，作为微生物理活动所必需的营养物质。 (2)混合液含有足够的溶解氧。 (3)活性污泥在池内呈悬浮态，能够充分的与废水接触。 (4)活性污泥连续回流，及时地排除剩余污泥，是混合液保持一定浓度的活性污泥。 (5)没有对微生物有毒害作用的物质进入。 4(好氧活性污泥法的常用指标参数 4.1 污泥浓度(MISS) 指1L混合液所含的悬浮固体的质量，单位为g,L或mg,L。污泥浓度的大小可间接的反映废水 中微生物的浓度。一般普通活性污泥曝气池内MLSS在2,3g,L之间。对于完全混合和吸附再生 法则控制在4,6g,L左右。 4.2 污泥沉降比(SV) 指一定量的曝气池混合液静置30rain后，沉降污泥与废水体积比，用,表示。沉降污泥比反映了污泥的沉淀和凝聚性能的好坏。污泥沉降比越大，越有利于活性污泥与水迅速分离，性能良好的污泥，一般沉降比可达15, ,3O, 。 4.3 污泥客积指数(SVL) 指一定量的曝气池混合液经30min沉淀后，l g干污泥所占沉淀污泥容积的体积，单位为mg,L。 污泥指数反映活性污泥的松散程度。污泥指数越大，污泥松散程度也就越大。 4.4 生化需氧量(BOD) 又称“生物需氧量”，是水中有机物含量的一个间接指标。一般指在l I 污水或水样中所含的一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化分解时，所消耗的水中溶解氧毫克数(mg,L)。BOD的测定条件一般在2O?下5昼夜，故常用BOD 表示。 4.5 化学需氧量(COD) 指1L污水中所含有机物在用强氧化剂将它氧化后所消耗氧的克数。 4.6 总需氧量(TOD) 指污水中能被氧化的物质，在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需氧量。 5(好氧活性污泥法的系统运行方式 [11]5.1 传统活性污泥法 - 3 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 传统活性污泥法工艺是最早采用的活性污泥法，它具有以下几个特点:曝气池为推流式，采用空气曝气且沿池长均匀曝气，有机负荷F,M在0(2,0(5KgBOD,(KgMLVSS?d)之间(传统活性污泥法处理效果较好，BOD 去除率可达90, ,95, ，适用于处理净化程度和稳定程度要求较高的废水;对废水的处理程度比较灵活(但是传统活性污泥法曝气池容积较大，占地面积多;在曝气池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象，增加动力费用;并且对冲击负荷适应性较弱(北京市高碑店污水厂一期就用此工艺，于1993年l2月竣工投产，现在运行良好(传统活性污泥工艺有时也称为标准活性污泥工艺或普通活性污泥工艺。 5.2 完全混合性污泥法 混合液在曝气池内充分混合，循环流动，基本完成有机物降解反应，只是尚未进行泥水分离。通过对F,M制的调整，有可能将完全混合曝气池内的有机物降解反应控制在最佳状态。本工艺适于处理工业废水，特别是高浓度有机废水。 5.3 吸附一再生活性污泥法 又称生物吸附或接触稳定法。该运行方式的主要特点是将活性污泥对有机污染物降解的两个过程—— 吸附、代谢分别在各自反应器内进行。主要缺点是对废水的处理效果低于传统活性污泥法。此外，对溶解性有机物含量较多的废水，处理效果更差一些。 [12]5.4 AB法(即吸附生物氧化或吸附生物降解) AB法是吸附生物降解法(Adsorption Bioderation)的简称，是原西德亚琛大学B(Bohnke教授于20世纪70年代中期开发，80年代初开始应用于工程实践的(该法是在传统两段活性污泥法和高负荷活性污泥法的基础上开发的一种新工艺，属于高负荷活性污泥法的范畴，在技术上有所突破。 [13]AB法的工艺流程: A级以高负荷或超高负荷运行(污泥负荷>2.0kgBOD ,kgMLSS(d)，B级以低负荷运行(污泥负荷一般为0(1,0.3kgBOD ,kgMLSS(d)(A级曝气池停留时间短，30,60min，5 B级停留时间为2,4h(该系统不设初沉池，A级是一个开放性的生物系统。A、B两级各自有独立的污泥回流系统，两级的污泥互不相混。该工艺处理效果稳定，具有抗冲击负荷、pH值变化的能力，在德国以及欧洲有广泛的应用。 该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。例如，可先建A级，以削减污水中的大量有机物，达到优于一级处理的效果，等条件成熟，再建B级以满足更高的处理要求(近年来，AB法在我国的青岛海泊河污水处理厂、淄博污水处理厂、新疆乌鲁木齐市河东污水处理厂等有应用。 [14]5.5 SBR法(即间歇式活性污泥法，也称序批式活性污泥法) 间歇式活性污泥法(SBR法)是从Fill&Draw(充排式)反应器发展而来的，其工作过程是:在较短的时间内把污水加入到反应器中，并在反应器充满水后开始曝气，污水中的有机物通过生物降解达到排放要求后停止曝气，沉淀一定时间将上清液排出(上述过程可概括为:短时间进水 - 4 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 一曝气反应一沉淀一短时间排水一进入下一个工作周期。 从SBR法的发展过程来看，作为该工艺的最初形式，Fill& Draw反应器比连续流活性污泥法产生还早，主要用于间歇排放的工厂或农村的污水处理，它具有工艺简单、运行稳定等特点。20世纪20年代末(随着工业化的迅猛发展和城市化进程的加快，生活污水和工业废水排放量剧增，采用Fill&Draw污水处理系统常需要多个反应池交替运行，当时的自动控制技术和设备还比较落后，进水、曝气、沉淀、排水等操作十分麻烦，使得间歇式活性污泥法逐渐被连续式活性污泥法所代替(因此，SBR法在一段时间内未能得到推广应用。 [15]为了解决连续式活性污泥法所固有的一些问，美国Natre Dame大学的Robert Irvine教授首先发起，对间歇式活性污泥法重新进行了研究和评价，并于1979年发表了第一篇关于采用SBR法进行污水处理的论著(其后13本、澳大利亚等国都对该工艺进行了应用研究(随着研究的不断深人，人们对该工艺的机理和优越性有了全新的认识。 [16]1980年在美国国家环保局的资助下，印地安纳州Culver城投建了世界上第一个SBR工艺的污水处理厂。1984年美国国家环保局通过了SBR技术评价，此后，由于联邦政府的资助，SBR工艺 [17]成为美国中小型污水处理厂的首选工艺。1985年13本下水道理事会公布对间歇式活性污泥法的技术评价报告书，充分肯定了该工艺的优点。至今，13本采用SBR法的小型污水处理厂数量仍保持着世界第一的记录(在澳大利亚，公用事业部引入SBR工艺用于城市污水处理，SBR法已成为城市污水处理的主导工艺，近10年来，已建成SBR污水处理厂近600座(我国自1985年在上海建成首座处理肉类加工污水的SBR系统后，陆续在城市污水及工业废水处理领域得以推广应用，同时，在全国也掀起了研究SBR的热潮。 6(好氧活性污泥法存在的问题及控制方法 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。采用此法处理工业废水在国内已得到普遍的应用。但在处理过程中，池内常会产生大量泡沫，出现污泥膨胀和污泥时上浮等现象，如不及时采取适当，会影响微生物的生长降低水处理效果，严重的会导致微生物的大量死亡。因此，有必要弄清其发生的原因，研究相应的措施和对策。 6.1 污泥膨胀 污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。非丝状菌膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷较高的时候，此时细菌吸附了大量有机物，来不及代谢，在胞外积贮大量高粘性的多糖物质，使得表面附着物大量增加，很难沉淀压缩。当氮严重缺乏时，也有可能产生污泥膨胀。因为氮缺乏，微生物不能充分利用碳源合成细胞物质，过量的碳源将被转变为多糖类胞外贮存物，这种贮存物是高度亲水型化合物，易形成结合水，从而影响污泥的沉降性能，产生高粘性的污泥 [18]膨胀。非丝状菌污泥膨胀发生时其生化处理效能仍较高，出水也比较清澈，污泥镜检无丝状菌。这种情况较少发生，且危害不严重，本文不着重讨论。 - 5 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 丝状菌污泥膨胀较为常见，成因也很复杂。活性污泥是一个混合培养系统，其中至少存在着3O种可能引起污泥膨胀的丝状菌。丝状菌在与活性胶团系统共生的关系中是不可缺少的一类微生物，它的存在对污水的净化起着重要作用;另外，丝状菌对保持污泥的絮体结构及生化处理的净化效率等也有重要意义。事实证明，在丝状菌与菌胶团细菌平衡时是不会产生污泥膨胀的，只有当丝状菌大大超过菌胶团细菌时，才会出现污泥膨胀现象。。影响丝状菌污泥膨胀的因素如下: 6.1.1 污泥负荷对污泥膨胀的影响 一般认为活性污泥中的微生物的增长都是符合Monod方程的: ,,,，gS/KS，，maxS 式中: —生长限制性基质浓度，mg,L; S ,—微生物比增长速度，d一1; ,,,/2K—饱和常数，其值为时的基质浓度，mg,L; Smax ,—在饱和浓度中微生物的最大比增长速率，d—l; max ,菌胶团和丝状菌在生物处理系统中是一种竞争关系，具有低Ks和。和 一值的丝状菌在max ,低基质浓度条件下具有高的增长速率，而具有高Ks和 值的菌胶团在高基质浓度条件下才max [19]占优势。同样，认为低负荷对于丝状菌生长有利的理论还有表面积、容积比(A,V)假说，这里的表面积和容积，是指活性污泥中微生物的表面积与体积。该假说认为伸展于絮凝体之外的丝状菌的比表面积(A,V)要大大超过菌胶团细菌的比表面积。当微生物处于受基质限制和控制的状态时，比表面积大的丝状菌在取得底物方面要比菌胶团有利，结果在曝气池内丝状菌就变 [20]成了优势菌。 低负荷易导致污泥膨胀这一观点在理论和实际上都有较成熟的解释。但在我国，生化反应的负荷设计大都较高，很多污泥膨胀问题是在高负荷条件下发生的。事实上，高负荷条件下的污泥膨胀往往是由于供氧不足、曝气池内溶解氧(D0)浓度降低引起的。 6.1.2 溶解氧浓度(D0)对污泥膨胀的影响 微生物对有机物的降解过程实质上就是对氧的利用过程。溶解氧在活性污泥法的运行中是一个重要的控制参数，曝气池中D0浓度的高低直接影响有机物的去除效率和活性污泥的生长。低D0浓度被认为是引起丝状菌污泥膨胀的主要因素之一。丝状菌由于具有较大的比表面积和较低的氧饱和常数，在低D0浓度下比絮状菌增殖得快，从而导致丝状菌污泥膨胀。根据各方面的研究，DO 浓度影响污泥膨胀的临界值不确定。D0浓度的要求与污泥负荷有关，负荷越高，则对应 - 6 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 的临界值就越大。这一临界值与工艺、池型及进水类型密切相关，必须根据实际情况结合实验才可以得出。 6.1.3 污水水质对污泥膨胀的影响 丝状菌对糖类物质有特别的嗜好，糖类物质含过多的废水，如豆制品、糖类加工废水，易出现污泥膨胀。在此类废水中N、P含量相对不足，由于丝状菌的表面积大于一般细菌的表面积，故丝状菌易吸收废水中少量的N、P，使自身增殖。 6.1.4 污水温度对污泥膨胀的影响 温度是影响微生物生长和生存的重要因素之一。温度过低，微生物活性不足;温度过高，细胞中生物化学反应速率和生长速率加快。通常温度每升高1O? ，生物化学反应速率增加1倍。另一方面，细胞的重要组成如蛋白质、核酸等对温度较敏感，温度的升高可能使其遭受不可逆的破坏。适宜活性污泥微生物生长的温度范围为15?,35? 。 6.1.5 污水PH值对污泥膨胀的影响 活性污泥是一个动态的微生态系统，其中不同种属的微生物对PH值有不同的适宜范围。过高或 过低的PH值会影响外酶及存在于细胞质和细胞壁的内酶的催化作用，还会影响微生物对营养物质的吸收，改变生长环境中营养物质的可给性以及有毒物质的毒性，从而影响底物的降解速率。丝状细菌宜在酸性环境(PH值为4(5,6(5)中生长，活性污泥的菌胶团宜在PH值为6,8的环境中生长。 6.2 丝状菌污泥膨胀的解决办法 6.2.1 应急措施 主要方法是投加药物增强污泥沉降性能或直接杀死丝状菌。实验显示:投加铁盐铝盐等混凝剂可以直接提高污泥的压密性，保证沉淀出水;在回流污泥中投加一些化学药剂，如氯气，也可以消除污泥膨胀。另外，实验中加入过氧化氢和臭氧能有效抑制丝状菌的繁殖。以上方法能较快降低SVI值，但并没有从根本上控制丝状菌的繁殖，一旦停止加药，丝状菌就会大量繁殖，污泥膨胀现象就又会发生。而且投药可能破坏生化系统的微生物生长环境，导致处理效果降低，所以，这种办法只能在应急时使用。 [21]6.2.2 改善生化环境 污水厂发生污泥膨胀的时候，一般无法靠工艺流程、池型和曝气方式等方面的改变来解决，只能在运行流程的基础上通过改变生化池内的微生物生长环境来抑制或消除丝状菌的过度繁殖。在不同的工艺和水质的情况下，没有固定的解决，只有做好各参数的控制工作，才能有效的避免污泥膨胀。 6.2.2.1(污水性质的控制 首先应该测定和调整PH值。实验证实:当PH值低于5时，不仅可能产生污泥膨胀，而且对正常 - 7 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 的生化反应也有一定的危害，所以当PH值偏低时应及时调整。另外，在北方寒冷地区一定应注意冬季水温，若水温偏低时应加热，因为实验显示:低温也会导致污泥膨胀。在冬季，采用鼓风曝气能有效地保持较高的水温。当污水中营养成份不足或失衡时，应补充投加所需营养物质，通常N、P含量应控制在B0D :N :P=100:5:1左右。若污水处理生化系统前已有消化现象的发生，产生的低分子有机酸将有利于丝状菌的生长，这时可以采取对调节池内废水预曝气的方法来改善，这种方法能使调节池的废水保持新鲜，并能有效防止厌氧反应中臭气的产生。 6.2.2.2 溶解氧的控制 保持池内足够的溶解氧对于高负荷的生化系统特别重要，实验证实:溶解氧(Do)浓度应大于2mg,L。 6.2.2.3 污泥的控制 沉淀池内的污泥应及时排出或回流，防止其发生厌氧反应。若发生厌氧反应，产生的各种气体吸附在污泥上，也会使污泥上浮，沉降性能变差，而且发生厌氧反应的污泥回流也会引发丝状菌的大量繁殖。出现这种情况时，应及时排泥和清除沉淀池内的死角，缩短污泥在池内的停留时间，提高曝气池DO值，使出人沉淀池的水保持较高的溶解氧。 7(结论 综上所述，用好氧活性污泥法治理水污染，通常可以一步到位，避免了污染物的多次转移，是一种高效，安全，无毒无害的彻底的水污染处理方法。随着人们对废水生物处理新工艺新技术的研究，开发和应用，已经出现了许多新兴的活性污泥法，它们各有利弊，因此在实践中处理某一类型的水污染，一定要选用合适的活性污泥法。对于一些性质与生活废水相差较大的工业废水和城市废水，需要通过试验来确定有关的设计数据。在选定处理工艺流程时，还要综合考虑当地的地理位置，地区条件，气候条件及施工水平等，综合分析本工艺在技术上的可行性和先进性及经济上的可能性和合理性等。特别是对工程量大，建设费用高的工程，需要进行多种工艺流程比较之后才能确定，以期工程系统达到优化。 - 8 - 华北水利水电学院环境化学结课论文 参考文献 [1]周群英，高廷耀等(环境微生物学[M](北京:高等教育出版社，1998( [2]美A(N阁拉，二介堂弘(微生物生物技术[M](北京:科学出版社，2004( [3]杨颐康等(微生物[M](北京:高等教育出版社，1997( [4]李军，杨秀山，彭永臻等(微生物与水处理工程[M](北京:化学工业出版社，1999( [5]黄修理等(微生物学[M](北京:高等教育出版社，2002( [6]杨跃平，徐新华，刘传富等(废水处理工程纪实例分析[M](北京:化学工业出版社，2001( [7]伦世仪等(环境生物工程[M](北京:化学工业出版社，2002( [8]柳树芬。赵树昌，邓贻钊(活性污泥化学组成的分析(环境科学，l996，ll(2):45—48 [9]林海等(环境工程微生物学[M](北京:北京科技大学出版社，2002， [1O]林海(水污染处理技术[M](北京:北京科技大学出版社(2002( [11] 周群英，高廷耀(环境工程微生物学(北京:高等教育出版社，2000(224 [12]陈欢林等(环境生物技术与工程[M](北京:化学工业出版社，2001( [13] 北京地区给排水技术情报网(污水处理十一讲(北京:中国建筑出版社，1979(13 [14]高廷耀，顾国维主编(水污染控制工程，下册(第二版)，北京:高等教育出版社，1999. 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