第三篇 污染物的生物化学转化技术.docx
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第三篇污染物的生物化学转化技术
第三篇污染物的生物化学转化技术
第八章生物膜法
第六节 生物转盘
第三篇
第八章生物膜法
第六节 生物转盘
一、构造
生物转盘是一种润壁型旋转式处理设备，以生物膜附着在一组转动着的圆盘上而得名。
它主要由三部分组成：
转动部分、固定部分和传动部分，图8-12
是其构造简图。
生物转盘的转动部分包括轴和固定在其上的圆盘组。
圆盘是生物转盘的主体，它是按膜介质。
制作圆盘的材料有塑料板、玻璃钢板、铝板等，一殷要求质轻、坚固、抗蚀和无毒。
圆盘直径多为l～3m，厚度为0.7～20mm。
直径过大者，制作困难，且易挠曲变形。
厚度过大者，将占用过多的有效容积。
圆盘组平行安装于轴上，盘问净距采用15～25mm。
净距过小，两盘面的生物膜有可能互相搭接，妨碍正常的通风，净距过大，同样会占用过多的有效容积。
多级处理时，前面两级的盘间净距可以较大些，在利用藻类进行废水高级处理的场合，为了有利于阳光透射盘面，盘间净距应加大到50～60mm。
直径大者，净距也应适当加大。
当直径大到易引起盘面变形时，可在盘面加肋条，或用3～4根钢筋将圆盘互相串联固定起来。
转轴必须坚固耐用，不产生弯曲变形。
固定部分包括废水槽和进出水设备。
废水槽位于转盘组的正下方，小型者可用钢板制作或砖石砌筑，大型者多采用混凝土或钢筋混凝土结构。
废水槽的断面最好和圆盘相适应，采用半圆形，以防产生死角，造成局部淤积或水质腐化。
转盘和槽面之间的距离一般为20～50mm。
楷内水面应维持在转轴以下15～20mm处。
水面超过转轴，会使靠轴处的盘面无法接触空气；水面过低，会减少转盘的有效挂膜面积。
槽底应设放空管。
进水槽可设于废水槽的一侧或一端，通过溢流堰控制槽内水位和出水的均匀性。
当采用单轴多级处理装置时，各级之间应有连接渠。
传动部分包括电机和变速装置。
圆盘的转速采用0.8～3rpm，最线速以不超过20m／min为宜。
二、工作过程
在转盘旋转过程中，当盘面某部分浸没在废水中时，盘上的生物膜便对废水中的有机物进行吸附；当其暴露于空气中时，氧气就溶入盘面的水层中。
这样就为微生物的生长繁殖创造了良好条件，使之在盘面形成生物膜，使废水得以净化。
转盘上的生物膜也经历生长、增厚和老化脱落的过程。
脱落的主要原因是水对盘面的剪切作用。
脱落的生物膜转化为污泥，可在二次沉淀池中除去。
生活在转盘上的微生物群随废水而异，一般城市污水、生物膜厚度为1～3min，呈褐色，主要净化微生物是茵胶团、球衣菌、真菌、藻类及多种原生动物。
三、组合型式及处理流程
组合型式有：
单轴单级、单轴多级和多轴多级。
单轴单级处理时，废水从槽的一侧流入，平行于盘面流动，从槽的另一侧流出。
单轴多级处理时，则前一级的出水流入后一级。
多轴多级处理时，废水经第一轴转盘处理后，再进入第二轴生物转盘。
究竟采用哪种组合和布置方式，需视水质、水量、处理要求、场地条件等而定。
经验表明，对同一废水，盘面总面积不变，如将转盘分威多级串联，可以提高出水水质和溶解氨含量。
对于城市污水和印染废水，需2～3级串联，处理要求高的，至少得4级。
生物转盘处理废水的流程同样包括预处理设施，初次沉淀池、生物转盘、二次沉淀池，其中无需污泥回流。
处理高浓度废水时，也可采用如下流程：
初次沉淀池、一级转盘池、中间沉淀池、二级转盘池、二次沉淀池。
处理结果可使BOD5由3000～4000mg／L降至10mg／L。
四、处理特点
转盘上生长的微生物量很大，处理城市污水时，单位面积转盘上的微生物量最高可达5mg／cm2，折算成氧化槽（废水槽）混和液浓度大体为10000～20000mg／L。
所以BOD5负荷可达10～20g／m2（盘面）·d，转盘水槽容积负荷达1.5～3.0kg/m3·d，高出活性污泥法一倍多。
另外，由于微生物浓度高，所以F／M值低，一般在0.002～0.5左右。
微生物基本地于内源呼吸期，脱落污泥量少。
生物转盘对冲击负荷的适应力也强。
可适应pH值在4.8～9.5范围内的变化，但pH值若急剧变化，则会破坏转盘的工作。
温度在13～23℃范围内时，对处理效果影响不大；在此温度范围之外，若按正常条件设计，则盘片面积应乘以温度校正系数f，见图8～13
。
此外，生物转盘还有工作可靠、不易堵塞、污泥不易膨胀、氧利用率高等特点，适于处理流量小的工业废水。
五、设计
生物转盘目前尚无成熟的计算方法，一般以BOD负菏或水力负荷进行估算，以停留时间进行校核。
（1）转盘面积（F）转盘面积按下式计算：
（8-19）
式中 Sr--每平方米盘面上每天所能去除的BOD量，g／m2·d。
盘片面积亦可按单位面积盘片有机物负荷（N1）来计算：
（8-20）
式中的Nl与式（8-19）中的Sr的关系如下：
当Nl＜30g／m2·d时，
（8-21）
当N1＝30～80g／m2·d时，
（8-22）
以上各式适于原废水或沉淀废水。
（2）转盘片数（m）转盘片数的计算方法如下：
（8-23）
式中 D--转盘的直径，m，注意每一个转盘有两个表面积。
（3）废水槽的有效长度（L）废水槽的有效长度按下式计算：
（8-24）
式中 a--盘片厚度，m；
b--两盘片的净距，m。
（4）废水槽的有效容积（W）废水槽的有效容积按下式计算：
（8-25）
K是系数，由转盘轴线与水面的距离h和转盘直径D的相对大小来确定：
当h／D＝0.1时，K＝0.294；当h／D＝0.08时，K＝0.355。
h取10～25mm。
占为转盘边缘到槽壁间的距离，一般取δ＝10～20mm。
（5）转盘的最小转速（n）转盘每分钟的转数n按下式计算：
r/min （8-26）
qV是废水槽水力容积负荷（m3（废水）／m3（槽）·d）。
一般认为，转盘的线速度以控制在20m／min以内为宜。
（6）停留时间（t）t按下式计算：
h （8-27）
一般t不宜小于0.2h。
例8-2 今有一废水BOD含量为200mg／L，水量为500m3／d，决定用生物转盘处理，盘片面积5000m2，浸水面积40%，试求处理水的BOD浓度和BOD降解率。
解
（1）生物转盘的BOD负荷量：
（2）单位面积盘片去除的BOD量（Sr）：
由于Nl＝20g（BOD）／m2（盘片）·d＜30g（BOD）／m2·d，所以用公式（8-21）即得：
Sr＝1.146×200.9043=1.146×15.01
＝17.2（g（BOD）／m2（盘片）·d）
（3）单位面积盘片上残留的BOD负荷（Ne）为：
20－17.2＝2.8（g（BOD）／m2（盘片）·d）
（4）处理水BOD浓度：
（5）BOD降解率：
六、生物转盘的实践
在我国，生物转盘主要用于处理工业废水，在化学纤维、石油化工、印染、皮革和煤气发生站簿行业的工业废水处理方面均得到应用，效果良好，并取得一定的操作运行经验。
表8-5为国内部分生物转盘处理工业废水的运行资料。
表8-5 部分工业废水设计负荷
废水类型
进水BOD
（mg/L）
进水COD
（mg/L）
水力负荷
（m3/m2.d）
BOD负荷
（m/m.d）
COD负荷
（g/m2.d）
停留时间
（h）
废水水温
（θ）
含酚废水
印染废水
煤气站含酚废水
酚醛废水
酚氰废水
苯胺废水
苎麻煮炼黑液
酚50~250
（152）
100~280
（158）
130~765
（365）
442~700
（600）
酚40~90
CN20~40
苯胺53
367
280~676
（495）
250~500
（392）
531
0.05~0.113
（0.070）
0.04~0.24
（0.12）
0.019~0.1
（0.055）
0.031
0.1
0.03
0.066
12~23.2
（16.2）
12.2
7.15~22.6
（15.7）
15.5~35.5
（22.8）
10.3~43.9
（28.1）
26.40
11.7~24.5
（17.8）
1.5~2.7
（2.6）
0.6~1.3
1.3~4.0
（2.95）
3.0
2.0
2.3
1.6
θ>15
（10.5）
>10
>20
=24
=2128
生物转盘的主要优点是动力消耗低、抗冲击负荷能力强、无需回流污泥、管理运行方便；缺点是占地面积大、散发臭气、寒冷地区保温困难影响处理效率。
第三篇污染物的生物化学转化技术
第八章生物膜法
第七节 其它型式生物膜法
第三篇
第八章生物膜法
第七节 其它型式生物膜法
一、接触氧化法
接触氧化法是一种浸没型生物膜法，实际上是生物滤池和暇气池的综合体。
生物接触氧化法又称浸没曝气式生物滤池（图8-14）
。
在池中装满各种挂膜介质，全部滤料浸没在废水中。
在滤料文承下部设置曝气管，用压缩空气鼓泡充氧，废水中的有机物被吸附（接触）于滤料表面的生物膜上，被微生物分解氧化。
和其它生物膜一样，该法的生物膜也经历挂膜、生长、增厚、脱落等更替过程。
一部分生物膜脱落后变成活性污泥，在循环流动过程中，吸附和氧化分解废水．中的有机物，多余的脱落生物膜在二次沉淀池中除去。
空气通过设在池底的穿孔布气管进入水流，当气泡上升时向废水供应氧气，有时并借以回流池水（图8-15）
。
接触氧化法的优点是：
容易管理，忍受负荷、水温变动的冲击力强；剩余污泥量少；比较容易去除难分解和分解速度怪的物质。
它的缺点是滤料间水流缓慢，接触时间长，水力冲刷力小，生物膜只能自行脱落；剩余污泥往往恶化处理水质；动力费高。
为了防止堵塞，可采用全面曝气式（图8-14），使生物膜直接受上升气流的强烈搅动，以加速生物膜更新。
由于微生物栖息填料上，因此，不需回流污泥，不产生活泥膨胀问题。
填料的材料，要求比表面积大、空隙率大、水力阻力小、强度大、化学和生物稳定性好、能经久耐用。
目前常采用的填料是聚氯乙烯塑料，环氧玻璃钢等做成的蜂窝状和波纹板状填料。
这些填料的缺点是：
在局部平滑面上生物膜附着较慢，稍有冲击即剥离，填料之间不具备通道，使水流单调。
把接触填料做成网状塑料组件（图8-16）
，采用正向排列，即可防止堵塞，又可提高接触效率。
二、生物流化床
生物流化床是以砂、焦炭、活性炭等颗粒材料为裁体，裁体表面附着生物膜。
充氧废水白下而上以一定速度流动，使载体处于流化状态，生物膜与废水充分接触，并降解废水中有机污染物。
其优点是可防止生物膜引起的堵塞现象。
图8-17
为其流程图。
生物流化床主要工艺有空气流化床工艺、纯氧流化床工艺、三相流化床工艺和厌氧-兼性流化床工艺。
流化床处理城市污水达二级标准时，BOD5容积负荷可达7kg／m3·d以上。
三、活性生物稳池
活性生物滤池将生物滤塔、曝气池和二沉池结合为一体，其特点是将生物滤塔的部分出水回流，汇同二沉池的回流污泥一起进入生物滤塔，其工艺流程见图8-18
。
该工艺用于生活污水和食品加工废水处理的试验可知，具有处理效率高、BOD容积负荷大、不发生污泥膨胀和耐冲击负荷等优点。
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第九章厌氧生物处理法
第一节厌氧消化原理
第三篇
第九章厌氧生物处理法
第一节厌氧消化原理
在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。
若有机物的降`解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。
若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。
厌养生物处理法的处理对象是：
高浓度有机工业废水.城镇污水的污泥.动植物残体及粪便等。
朝期的处理构筑物有双层沉淀池、普通消化池和高速消化池。
近年来又发展了一些新型的工艺，如厌氧接触系统、厌氧生物滤池、厌氧污泥床等。
厌氧生物处理的方法和基本功能有二：
（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；
（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。
完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。
一、厌氧消化的生化阶段
复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的细菌群接替完成。
跟据复杂有机物在此过程中的物态及物性变化，可分三个阶段（表9－1）。
表9-1 有机物厌氧消化过程
生化阶段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
物态变化
液化（水解）
酸化
（1）
酸化
（2）
气化
生化过程
不溶态 溶解态
大分子有
小分子有
机物 机物
菌群
发酵细菌
产氢产乙酸细菌
甲烷细菌
发酵工程
甲烷发酵
酸发酵
在第一阶段（既水解阶段），废水及污泥中的不溶性大分子有机物如蛋白质.多糖类.脂类等经发酵细菌水解后，分别转化为氨基酸.葡萄糖和甘油等水溶性的小分子有机物。
紧接着是第二生化阶段（既酸化阶段），它包括两次酸化过程。
在酸化
（1）中，发酵细菌将小分子有机物进一步转化为以下两类简单有机物：
第1类为能被甲烷细菌直接利用的有机物,如丙酸.丁酸.乳酸.乙酸等。
不完全厌氧消化或酸发酵到此结束。
在第二生化阶段的酸化
（2）中，产氢产乙酸菌将上述的第2类有机物进一步转化为氢气和乙酸。
在第三生化阶段中，甲烷细菌把甲酸.乙酸.甲胺.甲醇和（CO2+H2）等基质通过不同的径路转化为甲烷其中最主要的为乙酸和（CO2+H2）。
从发酵原料的物形变化来看，水解的结果使悬浮的固体态有机物溶解了，称之为"液化"。
发酵细菌和产氢产乙酸细菌依次将水解产物转化为有机酸，使溶液显酸性，称之为"酸化"。
甲烷细菌将乙酸等转化为甲烷和二氧化碳等气体，称之为"气化"。
一般而言，在水解和酸化阶段，废水中的BOD或COD值变化不大。
仅在气化阶段，由于构成BOD或COD的有机碳多以CO2和CH4的形式逸出，才使废水中的BOD或COD值始有明显降低。
参与厌氧消化的细菌，除以上三种群外，还有一个同型产乙酸细菌种群。
这类细菌可将中间代谢产物的H2和CO2（甲烷细菌能直接利用的一组基质）转化为乙酸（甲烷细菌能直接利用的另一种基质）。
由于它是中间产物的横向转换，因而没有将它算作独立的有机物纵向降解的阶段。
参与厌氧消化的四个微生物种群和转化有机物的全过程见图9-1。
二.发酵的控制条件
以下重点讨论甲烷发酵的控制条件。
酸发酵的控制条件参看第三节的两相厌氧消化系统。
（一）营养与环境条件
废水污泥及废料中的有机物种类繁多，只要未达到抑制浓度，都可连续进行厌氧生物处理。
对生物可降解性有机物的浓度并无严格限制，但如浓度太低，比耗热量高，经济上不合算；水利停留时间短，生物污泥易流失，难以实现稳定的运行。
一般要求COD大于1000mg/L。
和好氧生物处理一样，厌氧生物处理也要求供给全面的营养。
但前者的细菌增殖快，约50～60%的BOD用于细菌增生，故对氮和磷要求高；而后者的细菌增殖慢，供应的BOD中仅有5～10%用于合成菌体，故对氮磷要求低，即COD:
N:
P=200:
5:
1或C:
N=12～16。
厌氧生物处理过程对环境条件的要求比较严格，主要的环境条件如下。
（1）氧化还原电位（ORP或He） 厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。
厌氧环境，主要以体系中的氧化还原电位反映。
一般情况下，氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电位升高的最主要和最直接的原因。
但是，除氧以外，其它一些氧化剂或氧化态物质的存在（如某些工业废水中含有的Fe3+.Cr2O72-.NO3-.SO42-以及酸性废水中的H+等），同样能使体系中的氧化还原电位升高。
当其浓度达到一定程度时，同样会危害厌氧消化过程的进行。
不同的厌氧消化系统要求的氧化还原的电位不尽相同。
同一系统中，不同细菌要求的氧化还原电位也不尽相同。
有些研究资料表明，高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300～-380mV。
产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。
就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。
（2）温度 温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一。
温度主要影响微生物的生化反应速度，因而与有机物的分解速率有关。
经过许多科学家的不懈努力，得出的最重要的结论是：
好氧生物处理过程只有一个最适温度，而厌氧消化过程存在两个最适温度。
由图9-2
可以看出，在5～35度的范围内,好氧过程的产气量（主要为CO2）随温度的上升而上升。
温度高于35度之后，生化速率迅猛下降，并在接近45度时，基本上停止了正常的生化反应。
但是，厌氧消化过程在35度和60度附近各出现一个产气量（CH4和CO2）高的最适温度区,明显地形成一条产气量随温度而变化的双峰曲线，且后一峰高于前一峰。
两峰之间存在一个产气低。
工程上控制的中温消化温度为30～38度（以33～35度为多）,高温消化温度为50～55度。
厌氧消化对温度的突变也十分敏感，要求日变化小于±2度。
温度突变幅度太大，会招致系统的停止产气。
（3）pH值及酸碱度 由于发酵系统中的CO2分压很高（20.3～40.5kpa），发酵液的实际pH值比在大气条件下的实测值为低。
一般认为，实测值应7.2～7.4之间为好。
低于7.0时，pH值并不稳定，有继续下降的趋势。
低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。
PH值主要取决于三个生化阶段的平衡状态，与原水或污泥的pH值也有一定关系。
如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。
最终使气化速率锐减，甚止停止。
如果原液pH值高于9或低于5，会导致处理系统的pH值很快偏移。
一般希望原液的pH值为6～8。
系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不超过3000mg/L为佳。
重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。
高的碱度具有较强的缓冲能力，对保持稳定的pH值有重要作用。
一般要求系统中碱度在2000mg/L以上,氨氮浓度以介于50～200ng/L为佳。
（4）毒物 凡对厌氧过程起抑制或毒害作用的物质，都可称为毒物。
一些研究表明，无机酸的浓度不应使消化液的pH值降到6.8以下；氨氮浓度不宜高于1500mg/L。
其它化学物质的抑制浓度见表9-2。
一般来说，多数毒物对甲烷细菌的毒性比对其它细菌的毒性要大。
表9-2 一些化学物质的一直浓度
物 质
抑制浓度
物 质
抑制浓度
S2-
Cl-
Cr+6
Cu2+
Cr3+
CN-
100
200
3
100~250
25
2~10
Al
TNT
Na2S2O3
去垢剂
去垢剂
HCHO-
50
60
200
100（阳离子型）
500（阴离子型）
<100
（二）工业操作条件
（1）生物量 参与厌氧处理的微生物结成絮体存在于反应器内。
当反应器内无填料时，生物絮体或聚集于池底或悬浮于液内。
当有填料时，便在填料表面生成生物膜；有时还以泥粒型式截留于填料间隙。
一般而言，消化液中的游离细菌为数较少。
生物量的大小以泥污浓度表示，他对消化装置处理能力的影响很大。
一般而言，泥污浓度大的时候，消化装置的最大处理能力也大。
图9-3
为酒精蒸馏废液的试验资料。
由图知，不论是高温消化还是中温消化，有机物的最大去除能力，在相当宽的范围内都和泥污浓度（以污泥体积沉降比表示）成正比。
如果各种试样污泥沉降层中的含水率保持一定，则单位重量污泥固体能去除的有机物量为一常数。
显然，污泥活性和环境条件好的消化装置，这一常数值较大。
图9-3的折线表明，当污泥浓度超过某一限度后，单位重量污泥所能去除的有机物量就不再升高。
这表明，存在着一个最大污泥浓度（该图中约为20%）。
各种反应器要求的污泥浓度不尽相同，一般节于10～30gVSS/L之间。
为了保持反应器的生物量不致因流失而减少，可采用多种措施，如安装三相分离器.设置挂膜介质.降低水流速度和回流污泥量等。
（2）负荷率 负荷率是表示消化装置处理能力的一个参数。
负荷率有三种表示方法：
容积负荷率、污泥负荷率、投配率。
反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，称为容积负荷率，单位为kg/m3·d或g/L·d。
有机物量可用COD.BOD.S和VSS表示。
反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，称为污泥负荷率，单位为kg/kg·d或g/g·d。
每天向单位有效容积投加的新料的体积，称为投配率，单位为m3/m·d。
投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d。
投配率有时也可用百分数表示，例如，0.07m3/m3·d的投配率也可表示为7%。
负荷率既然反映有机物（食物）与
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