污水生物膜处理技术与应用

1绪论 1.1污水生物处理技术概述 自然界中广泛分布着微生物，它们虽然个体微小，但在生态系统中却起到了至关重要的作用，它们代谢能力和适应性都极强，可以氧化分解有机物并将其转化为无机物。污水生物处理的原理是微生物在酶的催化作用下，通过自身的新陈代谢活动，将污水中的污染物分解转化为自身所需的细胞质和简单小分子，达到净化水质的效果。在污水处理厂中，生物处理技术主要去除污水中溶解态的有机物，同时降低水中的氮磷含量。污水经生物处理后，在重力沉降或外力作用下进行泥水分离，从而净化污水。根据微生物对溶解氧的需求不同，污水生物处理技术分为好氧生物处理、缺氧生物处理和厌氧生物处理技术。在好氧条件下污水中的有机物*终形成二氧化碳和水等小分子无机物，在厌氧条件下分解为甲烷、二氧化碳、硫化氢、氮气、氢气和水以及小分子有机酸和醇等，在缺氧条件下将污水中的亚硝酸盐氮及硝酸盐氮通过反硝化作用生成氮气并释放。由于生物处理法具有高效、经济的优点，因此生活污水和工业废水普遍都采用生物处理工艺进行处理。 1.1.1　污水好氧生物处理技术原理 好氧型微生物可以在有溶解氧时分解去除有机物，在增加生物量的同时去除水中的污染物。污水中的污染物与活性污泥或生物膜表面接触后，被吸附到微生物细胞表面，通过透膜酶，微生物直接摄入小分子有机物；淀粉、蛋白质等大分子有机物则无法直接透过细胞壁，需要在水解酶的催化作用下，水解为小分子后再进入微生物体内。微生物可以把摄入的物质作为营养源进行合成代谢，合成细胞物质；还可以发生分解代谢，有机物被分解为二氧化碳（CO2）和水（H2O）等代谢产物，并产生能量，继续参与合成代谢。同时，微生物发生内源呼吸（内源代谢），细胞质被氧化分解。污水处理过程中微生物降解有机物的过程如图1-1所示。当有机物浓度较高时，发挥主要功能的是微生物的合成代谢，而发生内源呼吸的概率较小。当有机底物不足时，微生物主要发生内源呼吸代谢，维持自身生命活动。 实现好氧生物高效处理污水中污染物的关键在于同步控制掌握有机物的分解速率、微生物的增殖规律和溶解氧的供应与消耗。而根据所选的生物处理工艺的不同，这三个关键点都有一定的差异。 图1-1　微生物降解污水中有机物过程的代谢示意图 1.1.2　污水厌氧生物处理技术原理 污水厌氧生物处理工艺是指在无氧环境中，不同种类的厌氧微生物通过代谢过程分解有机物为无机物和少量细胞物质的过程。这些无机物主要是大量生物气即甲烷（CH4）、二氧化碳和水。其中产生的气体主要成分比例是2/3的CH4和1/3的CO2。 随着水环境污染问题的加剧和科技的推动，在20世纪六七十年代，研究学者和工程师对厌氧微生物及其代谢活动的研究取得了丰厚的成果，并推动了污水厌氧生物处理技术。 1. 厌氧生物分解有机物的过程 如图1-2所示，厌氧微生物处理结构复杂的有机物的过程一般划分为4个过程。 1）水解阶段 首先是水解阶段，发酵细菌产生的胞外酶具有水解作用，可以将结构复杂的有机物水解为结构简单的溶解性有机物。如纤维素酶可以将纤维素分解为纤维二糖与葡萄糖，蛋白酶水解蛋白质为短肽与氨基酸。水解阶段进程比较慢，是厌氧生物去除复杂有机物的限速步骤。 图1-2　有机物厌氧分解过程 2）发酵（酸化）阶段 经过水解阶段后，产生的结构简单的溶解性有机物进入发酵菌（酸化菌）胞内，胞内酶能够将其催化分解为挥发性脂肪酸（volatile　fatty　acid，VFA）和醇类，如丙酸、丁酸及乳酸，还产生CO2、氨气（NH3）、硫化氢（H2S）等无机物气体，同时合成自身所需的细胞质。发酵阶段中简单有机物同时充当电子供、受体，被生物利用。发酵阶段中大多溶解性有机物被分解为VFA产物，因此这一过程也被称为酸化阶段。发酵（酸化）过程中发挥作用的是不同种属的发酵细菌。其中拟杆菌（Bacteriodes）和梭状芽孢杆菌（Clostridium）发挥着重要作用，这些优势微生物绝大多数是严格厌氧的。在厌氧环境中生存着大约1%的兼性厌氧微生物，它们能够保护严格厌氧菌（如产甲烷菌）免受氧的影响。 3）产乙酸阶段 发酵（酸化）阶段的末端产物，如VFA和乙醇，在产氢产乙酸阶段经产氢产乙酸菌作用分解为氢气、二氧化碳和乙酸。 4）产甲烷阶段 在产甲烷阶段，产甲烷菌利用氢气、二氧化碳和乙酸生成甲烷。主要途径有两条：一是利用氢气作为电子供体，将二氧化碳还原为甲烷；二是利用乙酸生成甲烷。以乙酸为底物的优势产甲烷菌主要包括两种增殖速率不同的细菌，即巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina　barkeri）和索氏甲烷丝菌（Methanothrix　soehngenii）。厌氧生物处理阶段中约70%的甲烷产量来源于乙酸分解［见式（1-1）］，30%的甲烷产生来自于CO2还原［见式（1-2）］。 （1-1） （1-2） 作为一种严格厌氧菌，产甲烷菌所处的生活环境的氧化还原电位需要在150～400 mV范围，溶解氧和氧化剂都会对产甲烷菌产生毒害作用。 尽管厌氧生物分解有机物是分阶段的反应，但在厌氧反应器中，这些处理过程是同时发生的。此外，有些文献合并了厌氧生物处理阶段的水解、酸化和产乙酸阶段，合称为酸性发酵阶段，将剩下的产甲烷阶段称为甲烷发酵阶段。 2. 水解处理 水解处理是指将厌氧生物处理过程控制在水解或酸化阶段，兼性的水解产酸菌可以将复杂有机物分解为简单的有机物。这不仅能降低污染物的复杂性，还可以提高污水的可生化性，增强下一阶段好氧生物处理的效率。 3. 缺氧处理 当环境中缺乏分子氧时，一些脱硫、脱氮的微生物可以利用化合态氧，如硫酸盐、亚硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐等无机盐作为电子受体，维持代谢过程。 1）硫酸盐还原 在厌氧处理含硫酸盐或亚硫酸盐的有机污染物废水时，硫酸盐还原菌（sulfate　reduction　bacteria，SRB）会利用硫酸盐或亚硫酸盐作为电子受体，得到还原产物，即硫化氢。SRB会与产酸菌和产甲烷菌竞争底物，硫酸盐还原反应会降低甲烷产量。 依据厌氧环境中微生物利用的基质，一般将SRB分为三类，即氧化乙酸的硫酸盐还原菌（acetic　acid　utilized-SRB，ASRB）、氧化氢的硫酸盐还原菌（hydrogen　utilized-SRB，HSRB）和氧化较高级脂肪酸的硫酸盐还原菌（fatty　acid　utilized-SRB，FASRB）。一部分FASRB能够将高级脂肪酸完全分解为CO2、H2O和H2S；另一些细菌主导不完全氧化反应，主要产生的物质为乙酸。 2）反硝化反应 微生物通过发生反硝化反应进行生物脱氮。脱氮微生物更倾向于利用氧气作为电子受体。当水中的溶解氧被消耗完时，脱氮微生物开始利用硝酸盐作为电子受体，即在缺氧条件下发生脱氮作用。 在污水处理厂的生物处理工艺中，好氧微生物、兼性微生物和厌氧微生物各司其职。污水处理构筑物具有良好的工艺和方法，可以选择不同种类的微生物并控制相应的代谢过程。但在天然或半天然处理设施中，无法人为控制各分解过程发生的顺序。因而实际处理过程中发生的生物降解过程往往是十分复杂的，原理远不似理想状态下那么简单。 1.2　生物处理法的传统工艺 1.2.1　活性污泥法 1.2.1.1　基本概念及特点 近些年来，随着国家经济的发展、生活水平的提高，市政、工业的污水产生量也在迅猛地增长，同时污水中的各组分也变得越来越复杂，这对污水处理工艺提出了新的挑战。目前常用的污水处理技术是活性污泥法，这种方法被广泛应用于工业污水和市政污水的处理中。相关数据表明，95%以上的城市污水处理采用活性污泥法，活性污泥法在减少水体污染和加强水体保护等方面起着重要的作用。 活性污泥法是指以细菌、原生动物、有机颗粒和一些无机物等絮凝成的活性污泥为主体的一种废水生物处理技术。这种技术是将活性污泥和废水充分混合进行连续培养，并适当曝气，利用废水中存在的有机污染物为基质，在一定的溶解氧条件下，依靠活性污泥中的微生物的吸附、代谢作用来去除水体中的有机污染物，并进行泥水分离，沉淀处理后的废水排除，沉淀后的污泥大部分回流，剩余的污泥排除系统。 活性污泥法*早是由英国的两位科学家Edward　Ardern和William　T. Lockett在1913年提出，随后在欧美各国得到了广泛发展。而我国的活性污泥法的发展相对较慢，一直到1970年代才开始建设污水处理厂，1990年代污水处理行业才得到发展，活性污泥法才在我国得到广泛应用。而在当今年代，相关的科研工作者在活性污泥法相关理论的基础上探索出更多种多样的处理技术，使得污水处理工艺得到蓬勃发展。 活性污泥法可以有效降解废水中有机物和悬浮固体，同时还能脱氮除磷等，是一种应用非常广泛的技术。活性污泥法只需要沉淀池和回流系统，设计简便、成本较低，另外它不仅可以高效去除水体中的有机物，还可以实现脱氮除磷。但是它也有能耗高、副产物多、培养条件复杂、抗冲击能力差等缺点，如需要消耗大量电能，不仅会大幅增加运营成本，同时也会产生大量的碳排放，处理污水时也会产生大量的污泥，且这些污泥由于可能含有重金属等物质，不容易被简单处理。此外，在使用活性污泥法时需要保证适当的pH、温度、溶解氧等条件，不然会出现污泥上浮、膨胀等问题。 1.2.1.2　活性污泥法基本流程 活性污泥法处理装置主要是由四个构件组成的，包括曝气池、沉淀池、污泥回流、污泥排除。其中曝气池是反应主体，活性污泥去除污染物主要在这个单元中进行；沉淀池主要进行泥水分离，将处理后的废水排出，同时将污泥部分进行处置；污泥回流主要是将部分污泥回流，以保证一定量的污泥浓度；污泥排除主要是将产生的多余污泥排出活性污泥系统，并进行进一步的处置。 活性污泥法处理过程主要分为生物吸附、生物稳定和絮凝沉降三个过程。生物吸附是指絮状的活性污泥吸附水体中有机污染物的过程，大分子的有机物被吸附后在生物酶的作用下变成小分子物质。生物稳定是指生成的小分子物质在细胞内氧化分解，*终实现对废水中的有机污染物的去除。絮凝沉降是指菌体分泌胞外聚合物形成菌胶团，然后絮状污泥裹挟着污染物絮凝沉降的过程。 具体的处理流程是：首先将废水排入曝气池中，并使活性污泥和废水充分混合后进行连续培养，成为悬浮混合液。在这个过程中需要一定的曝气量，空气压缩机将空气输送到池底，并通过空气扩散装置将气体均匀地分布到废水中，从而保证悬浮混合液包含一定量的溶解氧。污水经活性污泥处理后，进入沉淀池中，污泥等固体物质与污水分离，处理后的污水排出污水处理厂，剩余的污泥大部分回流到曝气池当中，以保证充足的污泥浓度。此外，剩余的污泥还需要进行进一步的处置后排出，以保证活性污泥系统的稳定性。 在活性污泥法的应用中需要控制各条件参数，例如pH、温度、溶解氧、营养物质、有毒物质、污泥负荷、污泥回流比、污泥龄等条件。如果控制条件不满足就会导致活性污泥沉降性能变差，进而导致污泥上浮、污泥膨胀、出现泡沫等问题。 1.2.1.3　活性污泥法中微生物群落 活性污泥中生长着菌胶团细菌、丝状菌、真菌、微型动物（原生动物和后生动物）以及藻类等。其中丝状菌构成了活性污泥的骨架，对活性污泥絮体的形成起到了重要作用；真菌可以分解污水中的碳水化合物、脂肪、蛋白质等含氮化合物，活性污泥中常见的真菌包括毛霉、青霉、曲霉、镰刀霉、木霉、芽枝霉和状孢霉等，其出现也与水质状况有关；活性污泥中的微型动物具有促进菌胶团形成、吞噬游离细菌和微小颗粒、分解代谢废水中的有机物以及作为指示生物的作用。研究表明，纤毛虫在水处理过程中能起到比细菌更大的絮凝作用，可促进菌胶团形成，且