废水生物处理基本原理

——好氧生物处理原理

1.1.1 好氧生物处理的基本生物过程

所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，主要包括大部分微生物、动物以及我们人类；

所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等。

在细菌生长过程中，除吸进体内的一部分有机物被氧化外，同时放出能量。这样原生质的氧化被称为内源呼吸。当有机物（食料）充足时，原生质大量合成，内源呼吸是不显着的。但当有机物几乎耗尽时，内源呼吸就会成为供应能量的主要方式，最后细菌由于缺乏能量而死亡。下列方程式表示有机物（以CxHyOz表示）氧化和合成：

① 分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）

② 合成反应（也称合成代谢、同化作用）

③ 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）

如式所示为有机物的氧化（即分解代谢），式为原生质的合成（即合成代谢）（以NH3为氮源），式中的NH3可以是细菌所吸入的含氮有机物的分解产物或是吸入的铵盐，如果没有含氮物质吸收，则不可能合成原生质。当废水中有机物较多时（超过微生物生活所需），合成部分增多，微生物总量增加较快（即污泥增长较快，因为合成代谢的产物为新的微生物），有机物氧化分解也快。当废水中有机物不足时，内源呼吸成为提供能量的主要方式，一部分微生物就会因食料贫乏而死亡，微生物总量减少。好氧生物处理中微生物所需的“食物”的最佳比例为：C:N:P为100:5:1。

在好氧微生物废水处理中，微生物的活性与微生物的生长环境有关，特别是氧的供应、温度环境、pH环境等。当然微生物毒害物质的存在与否以及污泥负荷等因素也会影响到微生物的活性。因此，微生物废水处理技术可以说是为了能够最大程度上降解掉废水中的污染物而为废水处理的微生物群营造一个最佳的微生物生活生长环境的技术。

分解与合成的相互关系：

1）二者不可分，而是相互依赖的；a、分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础；b、分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。

2)对有机物的去除，二者都有重要贡献；3）合成量的大小，对后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的40?50%）。

不同形式的有机物被生物降解的历程也不同：

一方面：结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁；结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞内。

另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同，如：糖类；脂类；蛋白质

1.1.2 影响好氧生物处理的主要因素

溶解氧（DO）： 约1~2mg/l；

水温：是重要因素之一，在一定范围内，随着温度的升高，生化反应的速率加快，增殖速率也加快；细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或降并超过一定限度时，会有不可逆的破坏；最适宜温度 15?30?C； ?40?C 或? 10?C后，会有不利影响。

营养物质：细胞组成中，C、H、O、N约占90?97%；其余3?10%为无机元素，主要的是P；生活污水一般不需再投加营养物质；而某些工业废水则需要，一般对于好氧生物处理工艺，应按BOD ? N ? P = 100 ? 5 ? 1 投加N和P；其它无机营养元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素： Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

pH值：一般好氧微生物的最适宜pH在?之间；pH ? 时，真菌将占优势，引起污泥膨胀；另一方面，微生物的活动也会影响混合液的pH值。

有毒物质（抑制物质）：重金属；氰化物；H2S；卤族元素及其化合物；酚、醇、醛等；

有机负荷率：污水中的有机物本来是微生物的食物，但太多时，也会不利于微生物；

氧化还原电位：好氧细菌：+300 ? 400 mV， 至少要求大于+100 mV；厌氧细菌：要求小于+100 mV，对于严格厌氧细菌，则?-100 mV，甚至?-300 mV。

系统环境温度的上升会导致氨气和硝酸的释放，并且使系统环境的pH值下降。因此，硝化菌生长的最佳pH环境一般为中性偏碱性（pH ）。因此在填埋场渗滤液处理过程中如果生化系统（反硝化、硝化）pH下降而现场无保持系统pH稳定的化学药剂（碱液）时，只有通过提高系统的反硝化率来保持系统pH平衡。

而提高系统反硝化率的最直接办法是向反硝化（或进水）中投加外加碳源，但外加碳源的投加对系统pH值的影响有限，如采用甲醇和乙醇溶液作为外加碳源仅能使系统pH值得到维持或轻微的提高，而乙酸溶液能够使系统pH值轻微的下降。外加碳源投加的量与处理的废水水质以及其耐酸碱体系（能力）有关。

甲醇

理论化学方程式:

5CH3OH + 6NO3 ?? 5HCO3 + OH + 7H2O + 3N2

乙醇

理论化学方程式:

5C2H5OH + 12NO3 ?? 10HCO3 + 2OH + 9H2O + 6N2

乙酸

理论化学方程式:

5CH3COOH + 8NO3 ?? 8HCO3 +2CO2 + 6H2O + 4N2

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~；

进水中的有机物的浓度不宜过高，一般要求BOD5在15~20mg/l以下；

硝化反应的适宜温度是20~30?C，15?C以下时，硝化反应的速率下降，小于5?C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3~10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。

1.1.3 反硝化反应（Denitrification）

1.1.3.1 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（N2）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，它们大量存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞菌等，土壤微生物中有50%是这一类具有还原硝酸盐能力的细菌；

反硝化菌能在缺氧条件下，以或为电子受体，以有机物为电子供体，而将氮还原；

在反硝化菌的代谢活动下，或中的N可以有两种转化途径： 同化反硝化，即最终产物是有机氮化合物，是菌体的组成部分； 异化反硝化，即最终产物是氮气（N2）或笑气（N2O）。

1.1.3.2 反硝化反应过程及反应方程式

① 反应过程示意图：

② 反应方程式：

以[H]为电子供体：

第一步：

第二步：

总反应：

以甲醇为电子供体：

第一步：

第二步：

总反应：

由以上反应方程式可以看出，反硝化是在缺氧的环境下进行的。在该反应中硝酸根取代了氧进行反应。通过计算可以得知在反硝化作用中1 g NO3-N相当于 g O2用于降解废水中的有机物。从pH稳定角度来看，反硝化过程中一个硝酸根离子将消耗掉一个氢根离子，而硝化过程产生一硝酸根离子则释放了两个氢根离子，而氨化作用释放氢氧根离子，从理论上来讲系统的pH可以保持平衡。但在渗滤液中约有有2/3的氮已经是以氨氮的形式存在了。

1.1.3.3 反硝化反应的影响因素

① 碳源：一是原废水中的有机物，当废水的BOD5/TKN大于3~5时，可认为碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；

② pH值：适宜的pH值是~，pH值高于8或低于6，反硝化速率将大大下降；

③ 溶解氧：反硝化菌适于在缺氧条件下发生反硝化反应，但另一方面，其某些酶系统只有在有氧条件下才能合成，所以反硝化反应宜于在缺氧、好氧交替的条件下进行，溶解氧应控制在l以下；

④ 温度：最适宜温度为20~40?C，低于15?C其反应速率将大为降低。

1.1.3.4 反硝化设计

在前置反硝化污水处理工艺中，由于污泥回流会造成部分溶解氧回至反硝化阶段，但由于硝酸根离子浓度较高并且碳源的补充（进水或外加碳源），回流污泥中的溶解氧将会在很短的时间内消耗掉，因此前置反硝化工艺在很大程度上是在缺氧的情况下进行的。

总而言之，反硝化反应的前提条件如下：

∙ 缺氧环境

∙ 充分的养份供应，特别是足够碳和磷

∙ 在反硝化阶段需要足够的水力逗留时间 (约 0,5 h)

∙ 适当的硝酸盐回流

(1) 反硝化设计

图：反硝化设计的几种情况

反硝化的设计有以下几种形式：前置反硝化、同步反硝化、间歇式反硝化和后置式反硝化。如果在好氧区（硝化区）供氧充足，氨氮被硝化菌群氧化成硝酸盐氮，然后混合液一般被回流至前置式缺氧段（反硝化区）；在缺氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐氮和原污水中的有机物完成反硝化过程，达到脱氮的目的。而在后置式反硝化场合，因为活性污泥中有机物的缺乏，一般还需要人工投加碳源，但脱氮效果可高于前置式，理论上可达到近于百分之百的脱氮。

（2）外加碳源的投加

外加碳源的投加量取决于硝化池的pH值是否稳定和废水中有机物的可生化型以及系统所需的反硝化率。完全反硝化所需的BOD5/NDN比为4:1，也就是说废水中的BOD5必须是所需脱氮的硝酸根的四倍。而在许多垃圾填渗滤液中氮化合物往往比BOD5要高，因此在处理过程中需要投加外加碳源，外加碳源通常有以下几种：

表：各外加碳源参数表

外加碳源通常是可生化型很好的碳水化合物，这样才能保证较高的反硝化率。由于需要形成足够的微生物量，因此外加碳源实际需要的投加量要比理论计算的投加量要高。

1.1.4 生物脱氮反应过程中各项生化反应特征