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          废水生化处理方法
废水生物处理是19世纪末出现治理污水技术, 发展至今已成为世界各国处理城市生活污水和工业废水关键手段。现在, 中国己有近万座污水生物处理厂(站)投入运行。
生物化学处理法简称生化法, 是利用自然环境中微生物, 并经过微生物体内生物化学作用来分解废水中有机物和一些无机毒物(如氰化物、 硫化物), 使之转化为稳定、 无害物质一个水处理方法。
19在英国出现了第一座人工处理曝气池, 利用人工培养微生物来处理城市生活污水, 开始了生化处理新时代。因为生化法处理废水效率高、 成本低、 投资省、 操作简单, 所以在城市污水和工业废水处理中都得到广泛应用。生化法缺点是有时会产生污泥膨胀和上浮, 影响处理效果; 该法对要处理水水质也有一定要求, 如废水成份、 pH值、 水温等, 所以限制了它使用范围, 另外, 生化法占地面积也较大。
属于生化处理法有活性污泥法、 生物过滤法、 生物膜法、 生物塘法和厌氧生物法等。

一、 微生物及其生化特征
迄今为止, 已知环境污染物达数十万种之多, 其中大量是有机物。全部有机污染物, 可依据微生物对它们降解性, 分成可生物降解、 难生物降解和不可生物降解三大类。
废水生物处理就是利用微生物新陈代谢作用处理废水一个方法。微生物与其它生物一样, 为了进行本身生理活动, 必需从周围环境中摄取营养物质并加以利用。这些营养物质在微生物体内, 经过一系列生物化学反应, 使微生物取得需要能量, 同时微生物本身也得到繁殖、 数量得到增加。在废水中存在着多种有机物和无机物。这些物质大部分都能够被微生物作为营养物质而加以利用。废水生物处理实质就是将废水中含有污染物质作为微生物生长营养物质被微生物代谢、 利用、 转化, 将原有高分子有机物转化为简单有机物或无机物, 使得废水得到净化。
作为一个整体, 微生物分解有机物能力是惊人。能够说, 凡自然界存在有机物, 几乎都能被微生物所分解。有些种类, 如葱头假单胞菌甚至能降解90种以上有机物, 它能利用其中任何一个作为唯一碳源和能源进行代谢。有毒氰(腈)化物、 酚类化合物等, 也能被不少微生物作为营养物质利用、 分解。
半个多世纪以来, 人工合成有机物大量问世, 如杀虫剂、 除草剂、 洗涤剂、 增塑剂等, 它们都是地球化学物质家族中新组员。尤其是不少合成有机物研制开发时目之一, 就是要求它们含有化学稳定性。所以, 微生物一接触这些陌生物质, 开始时难以降解也是不足为怪。但因为微生物含有极其多样代谢类型和很强变异性, 多年来研究, 已发觉很多微生物能降解人工合成有机物, 甚至原认为不可生物降解合成有机物, 也找到了能降解它们微生物。所以, 经过研究, 有可能使不可降解或难降解污染物转变为能降解, 甚至能使它们快速、 高效地去除。
化学结构与生物降解相关性归纳起来关键有以下几点:
（1）烃类化合物
通常是链烃比环烃易分解, 直链烃比支链烃易分解, 不饱和烃比饱和烃易分解。
（2）关键分子链
关键分子链上C被其她元素替换时, 对生物氧化阻抗就会增强, 也就是说, 主链上其她原子常比碳原子生物利用度低, 其中氧影响最显著(如醚类化合物较难生物降解), 其次是s和N。
（3）碳氢键
每个C原子上最少保持一个氢碳键有机化合物, 对生物氧化阻抗较小, 而当C原子上H都被烷基或芳基所替换时, 就会形成生物氧化阻抗物质。
（4）官能团性质及数量
官能团性质及数量对有机物可生化性影响很大。比如, 苯环上氢被羟基或氨基替换, 形成苯酚或苯胺时, 它们生物降解性将比原来苯提升。卤代作用则使生物降解性降低, 尤其是间位替换苯环, 其抗生物降解更显著。
（5）分子量大小对生物降解性影响很大
高分子化合物, 因为微生物及其酶难以扩散到化合物内部, 攻击其中最敏感反应键, 所以使生物可降解性降低。
因为废水中污染物种类繁多, 相互间影响错综复杂, 所以通常应经过试验来评价废水可生化性, 判定采取生化处理可能性和合理性。
二、 有机污染物生物降解性评定方法
1．BOD5/COD值法
BOD5和COD是废水生物处理过程中常见两个水质指标, 用BOD5/COD值评价废水可生化性是广泛采取一个最为简易方法。在一股情况下, BOD5/COD值愈大, 说明废水可生物处理性愈好。综合中国外研究结果, 可参考表8-4中所列数据评价废水可生化性。

表8-4 废水可生化性评价参考数据
BOD5/COD
>0.45
0.3~0.45
0.2~0.3
<0.2
可生化
好
很好
较难
不宜

在使用此法时, 应注意以下多个问题。
①一些废水中含有悬浮性有机固体轻易在COD测定中被重铬酸钾氧化, 并以COD形式表现出来。但在BOD反应瓶中受物理形态限制, BOD数值较低, 致使BOD5/COD值减小。而实际上悬浮有机固体可经过生物絮凝作用去除, 继之可经胞外酶水解后进入细胞内被氧化, 其BOD5/COD值虽小, 可生物处理性却不差。
②COD测定值中包含了废水中一些无机还原性物质(如硫化物、 亚硫酸盐、 亚硝酸盐、 亚铁离子等)所消耗氧量, BOD5测定值中也包含硫化物、 亚硫酸盐、 亚铁离子所消耗氧量。
但因为COD与BOD5测定方法不一样, 这些无机还原性物质在测定时终态浓度及状态都不尽相同, 亦即在两种测定方法中所消耗氧量不一样, 从而直接影响BOD5和COD测定值及其比值。
ƒ重铬酸钾在酸性条件下氧化能力很强, 在大多数情况下, COD值可近似代表废水中全部有机物含量。但有些化合物如吡啶不被重铬酸钾氧化, 不能以COD形式表现出需氧量, 但却可能在微生物作用下被氧化, 以BOD5形式表现出需氧量, 所以对BOD5/COD值产生很大影响。
总而言之, 废水BOD5/COD值不可能直接等于可生物降解有机物占全部有机物百分数, 所以, 用BOD5/COD值来评价废水生物处理可行性尽管方便, 但比较粗糙, 欲做出正确结论, 还应辅以生物处理模型试验。
2．BOD5/TOD值法
对于同一废水或同种化合物, COD值通常总是小于或等于TOD值, 不一样化合物COD/TOD值改变很大, 如吡啶为2％, 甲苯为45％, 甲醇为100％, 所以, 以TOD代表废水中总有机物含量要比COD正确, 即用BOD5/TOD值来评价废水可生化性能得到愈加好相关性。
通常, 废水TOD由两部分组成, 其一是可生物降解TOD(以TODB表示), 其二是不可生物降解TOD(以TODNB表示), 即:
TOD＝TODB+TODNB (12-19)
在微生物代谢作用下, TODB中一部分氧化分解为CO2和H2O, 一部分合成为新细胞物质。合成细胞物质将在内源呼吸过程中被分解, 并有部分细胞残骸最终要剩下来。采取BOD5/TOD值评价废水可生化性时, 有些研究者推荐采取表8-5所列标准。

表8-5 废水可生化性评价参考数据
BOD5/TOD
>0.4
0.2~0.4
<0.2
可生化性
易生化
可生化
难生化

三、 生化处理方法概述
生物处理法在城市污水处理中使用得比较广泛。城市污水处理分为三个等级, 分别称为污水一级处理、 污水二级处理和污水三级处理。污水一级处理就是使用物理处理方法, 如格栅、 沉淀池等去除水中不溶解污染物。二级处理应用生物处理法, 经过微生物代谢作用进行物质转化, 将废水中复杂有机构氧化降解为简单物质。三级处理是用生物法、 离子交换法等去除水中氮和磷, 并用臭氧氧化、 活性炭吸附等去除难降解有机物, 用反渗透法去除盐类物质, 用氯化法对水进行消毒。中国现在正在努力普及二级处理, 而二级处理中生物处理是最常采取方法。
不一样细菌对氧反应改变很大, 部分细菌只能在有氧存在环境中生长, 称需氧细菌(或称好氧细菌), 利用这类微生物作用来处理废水称为好氧生物处理法。另部分细菌只能在无氧环境中生长, 叫厌氧细菌, 对应处理方法叫厌氧生物处理。介于二者之间还有兼性微生物(在有氧或无氧环境中均可生长), 但它们在废水处理中不起关键作用。
按微生物代谢形式, 生化法可分为好氧法和厌氧法两大类; 按微生物生长方法可分为悬浮生物法和生物膜法, 现归纳以下:

图8-16 生物处理方法分类
（一）废水好氧生物处理
在充足供氧条件下, 利用好氧微生物生命活动过程, 将有机污染物氧化分解成较稳定无机物处理方法, 在工程上称为废水好氧生物处理。
微生物对有机污染物进行好氧分解过程以下: 溶解态有机物能够直接透过细菌细胞壁进入细胞内。固体或胶体有机物先被细菌吸附, 靠细菌所分泌外酶作用, 分解成溶解性物质, 然后, 再渗透细菌细胞内, 经过细菌本身生命活动, 在内酶作用下, 进行氧化、 还原和合成过程。一部分被吸收有机物氧化分解成简单无机物, 如有机物中碳被氧化成二氧化碳, 氢与氧化合成水, 氮被氧化成氨、 亚硝酸盐和硝酸盐, 磷被氧化成磷酸盐, 硫被氧化成硫酸盐等。与此同时释放出能量, 作为细菌本身生命活动能源, 并将另一部分有机物作为其生长繁殖所需要结构物质, 合成新原生质。
好氧生物处理时, 有机物转化过程如图8-17所表示。

图8-17 有机物好氧分解图示
在废水好氧处理过程中, 必需不间断地供给溶解氧。因为氧是有机物最终氢受体, 正是因为这种氢转移, 才使能量释放出来, 成为细菌生命活动和合成新细胞物质能源。
有机物好氧合成过程, 也能够用下列生化反应式表示:
（1）有机物氧化分解(有氧呼吸):
（8-7）
（2）原生质同化合成(以氨为氮源):
（8-8）
（3）原生质氧化分解(内源呼吸):
（8-9）
由此能够看出, 当废水中营养物质充足, 即微生物既能取得足够能量, 又能大量地合成新原生质肘, 微生物就不停增加。当废水中营养物质缺乏时, 微生物只好依靠细胞内贮藏物质, 甚至把原生质也作为营养物质利用, 以取得生命活动所需最低程度得能源, 这种情况下, 微生物不管重量还是数量都是不停降低。可见, 要确保废水处理得效果, 首先必需有足够数量微生物, 同肘, 还必需有足够数量营养物质。
在好氧生物处理过程中, 有机物用于氧化与合成百分比, 随废水中有机物性质而异。对于生活污水或与之相类似工业废水, 所产生新细胞物质, 约占全部有机物干重50～60％。

（二）废水厌氧生物处理
在断绝供氧条件下, 利用厌氧微生物生命活动过程, 使废水中有机物转化成较简单有机物和无机物处理过程, 在工程上称为废水厌氧生物处理。
有机物厌氧分解过程分为两个阶段。在第一阶段中, 产酸细菌把存在于废水中复杂有机物转化成较简单有机物(如有机酸、 醇类等)和CO2、 NH3、 H2S等无机物。在第二阶段中, 甲烷细菌接着将简单有机物分解成甲烷和二氧化碳等。厌氧分解过程可用图8-18简单图式来说明。

图8-18 有机物厌氧分解图示

厌氧分解过程中, 因为缺乏氧作为氢受体, 所以, 对有机物分解不根本, 贮于有机物中化学能未全部释放出来。通常说来, 微生物厌氧生长条件比较严格。

（三）好氧生物处理与厌氧生物处理区分
1．起作用微生物群不一样 好氧生物处理是由一大群好氧菌和兼性厌氧菌起作用; 而厌氧生物处理是两大类群微生物起作用, 先是厌氧菌和兼性厌氧菌, 后是另一类厌氧菌。
2．产物不一样 好氧生物处理中, 有机物被转化成CO2、 H2O、 NH3、 -、 等, 且基础无害。厌氧生物处理中, 有机物先被转化成为数众多中间有机物(如有机酸、 醇、 醛等), 以及CO2、 H2O等; 其中有机酸、 醇、 醛等有机物又被另一群被称为甲烷菌厌氧菌继续分解。因为能量限制, 其终产物受到较少氧化作用, 如有机碳常形成CH4, 而不是CO2; 有机氮形成氨、 胺化物或氮气, 而不是亚硝酸盐或硝酸盐; 硫形成H2S, 而不是SO2或等。产物复杂, 有异臭, 部分产物可作燃料。
3．反应速率不一样 好氧生物处理因为有氧作为氢受体, 有机物转化速率快, 需要时间短。可用较小设备处理较多废水; 厌氧生物处理反应速率慢, 需要时间长, 在有限设备内, 仅能处理较少许废水或污泥。
4．对环境要求条件不一样 好氧生物处理要求充足供氧, 对环境条件要求不太严格; 厌氧生物处理要求绝对厌氧环境, 对环境条件(如PH值、 温度)要求甚严。
好氧生物处理与厌氧生物处理都能完成有机污染物稳定化, 但在实际中到底采取哪种方法, 要视具体情况而定。采取厌氧法处理废水, 除需要时间长外, 处理水发黑, 有臭味, 且BOD浓度仍然很高; 假如废水BOD5浓度较低, 所需处理设备将很庞大。所以, 通常废水中有机物浓度若超出1%(约l0000毫克/升), 才用厌氧生物处理。现在厌氧生物处理多用于处理沉淀池有机污泥和高浓度有机废水(象屠宰、 酿造工业、 食品工业等生产废水)。而好氧生物处理则多用于处理有机污染物浓度较低或适中废水。
四、 活性污泥法
活性污泥法是目前应用最为广泛一个生物处理技术, 活性污泥就是生物絮凝体, 上面栖息、 生活着大量好氧微生物, 这种微生物在氧分充足环境下, 以溶解型有机物为食料取得能量、 不停生长, 从而使废水得到净化。该方法关键用来处理低浓度有机废水。本方法关键设备为反应装置和提供氧气曝气设备。
1．活性污泥法基础原理
(1) 活性污泥法基础步骤
传统活性污泥法由首次沉淀池、 曝气池、 二次沉淀池、 供氧装置以及回流设备等组成, 基础步骤如图8-19所表示。由初沉池流出废水与从二沉池底部流出回流污泥混合后进入曝气池, 并在曝气池充足曝气产生两个效果: ①活性污泥处于悬浮状态, 使废水和活性污泥充足接触; ②保持曝气池好氧条件, 确保好氧微生物正常生长和繁殖。废水中可溶性有机物在曝气池内被活性污泥吸附、 吸收和氧化分解, 使废水得到净化。二次沉淀作用有两个: ①将活性污泥与已被净化水分离; ②浓缩活性污泥, 使其以较高浓度回流到曝气池。二沉池污泥也能够部分回流至初沉池, 以提升初沉效果。

图8-19 活性污泥法基础步骤

活性污泥系统有效运行基础条件是: ①废水中含有足够可溶性易降解有机物, 作为微生物生理活动必需营养物质; ②混合液含有足够溶解氧; ③活性污泥在池内呈悬浮状态, 能够充足与废水相接触; ④活性污泥连续回流、 立刻地排除剩下污泥, 使混合液保持一定浓度活性污泥; ⑤没有对微生物有毒害作用物质进入。

(2) 活性污泥性能及其评价指标
1)活性污泥组成
活性污泥由四部分物质组成: ①含有活性微生物群体(Ma); ②微生物本身氧化残留物质(Me); ③原污水挟入不能为微生物降解惰性有机物质(Mi); ④原污水挟入无机物质(Mii)。
2)活性污泥评价指标
性能良好活性污泥应松散(有利吸附和氧化有机物)并含有良好凝聚沉淀性能(利于处理后清水分离), 通常见下列多个指标来评价活性污泥优劣, 方便控制系统正常运行。
①污泥浓度(MLSS) 又称混合液悬浮固体浓度, 是指曝气区内1升混合液所含悬浮物量, 以mg/L表示。它表示混合液中活性污泥浓度, 在单位体积混合液内所含有活性污泥固体物总重量, 即
MLSS＝Ma＋Me＋Mi＋Mii （8-10）
MLSS反应出活性污泥所含微生物多少和处理有机物能力强弱。包含含有活性微生物群体、 本身氧化残留物、 微生物不能降解有机物和无机物等四部分。适宜浓度应依据具体情况确定, 通常废水处理可取2×103~4×103 mg/L。
②混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS) 表示活性污泥中有机性固体物质浓度, 即
MLVSS＝Ma+Me+Mi (8-11)
在一定条件下, MLVSS/MLSS值较稳定, 城市污水活性污泥介于0.75~0.85之间。
活性污泥性能关键表现为沉淀性和絮凝性, 活性污泥沉降经历絮凝沉淀、 成层沉淀, 并进入压缩过程。性能良好含有一定浓度活性污泥在30min内即可完成絮凝沉淀和成层沉淀过程, 为此建立了以活性污泥静置30min为基础指标表示其沉降－浓缩性能。
ƒ污泥沉降比(SV%) 1L混合液静置沉降30min后, 沉淀污泥占混合液体积百分比。它反应出污泥凝聚-沉淀性能和污泥量多少, 方便控制污泥排除时间和排除数, 通常取15％～40％。
④污泥体积指数(污泥指数)(SVI) 污泥指数也称污泥容积指数, 是指混合液经30min沉降后, 1g干污泥在湿时候所占体积, 以mL/g计。
（mL/g） (8-12)
它反应出污泥松散程度和凝聚、 沉降性能。该值越低, 则说明污泥颗粒小而紧密易沉降, 但活性和吸附力低, 含无机物多; 过高则太松散, 难以沉淀, 将要或已经发生污泥膨胀现象。对于城市污水活性污泥SVI值为50～150之间。
…污泥龄 活性污泥在曝气池内平均停留时间, 即曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比, 污泥龄是活性污泥系统设计与运行管理关键参数, 它能够直接影响曝气池内活性污泥性能和功效。
经过调整废弃污泥量就能够改变污泥龄值, 把它控制在适宜于细菌增殖时间范围内, 通常为3～14天。
2．活性污泥法运行方法
活性污泥法已应用了80余年, 为了适应不一样处理要求, 降低费用,经过不停发展, 已形成了多个运行方法, 下面做简单介绍。
（1）一般活性污泥法
一般活性污泥法也称传统活性污泥法, 是在废水自净作用原理下发展而来。废水在经过沉砂、 初沉等工序进行一级处理, 去除了大部分悬浮物和部分BOD后即进人一个人工建造池子, 池子如同河道一段, 池内有没有数能氧化分解废水中有机污染物微生物。同天然河道相比, 这一人工净化系统效率极高, 大气天然复氧根本不能满足这些微生物氧化分解有机物耗氧需要, 所以在池中需设置鼓风曝气或机械翼轮曝气人工供氧系统, 池子也所以而被称为曝气池。
废水在曝气池停留一段时间后, 废水中有机物绝大多数被曝气池申微生物吸附、 氧化分解成无机物, 随即即进入另一个池子－沉淀池。在沉淀池中, 成絮状微生物絮体-活性污泥下沉, 处理后出水－上清液即可溢流而被排放。
为了使曝气池保持高反应速率, 必需使曝气池内维持足够高活性污泥微生物浓度。为此, 沉淀后活性污泥又回流至曝气池前端, 使之与进入曝气池废水接触, 以反复吸附、 氧化分解废水中有机物。
在连续生产(连续进水)条件下, 活性污泥中微生物不停利用废水中有机物进行新陈代谢, 因为合成作用结果, 活性污泥数量不停增加, 所以曝气池中活性污泥量愈积愈多, 当超出一定浓度时, 应合适排放一部分, 这部分被排去活性污泥常称作剩下污泥。一般活性污泥法工艺步骤见图8-20。

图8-20 一般活性污泥法工艺步骤
曝气池中污泥浓度通常控制在2～3g/L, 废水浓度高时采取较高数值。废水在曝气池中停留时间常采取4～8h, 视废水中有机物浓度而定。回流污泥量约为进水流量25%～50%, 视活性污泥含水率而定。
曝气池中水流是纵向混合推流式。在曝气池前端, 活性污泥同刚进入废水相接触, 有机物浓度相对较高, 即供给活性污泥微生物食料较多, 所以微生物生长通常处于生长曲线对数生长久后期或稳定时。因为一般活性污泥法曝气时间比较长, 当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时, 废水中有机物已几乎被耗尽, 污泥微生物进入内源代谢期, 它活动能力也对应减弱, 所以, 在沉淀池中轻易沉淀, 出水中残剩有机物数量较少。处于饥饿状态污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物, 所以一般活性污泥法BOD和悬浮物去除率都很高, 可达成90~95%。
一般活性污泥法也有它不足之处, 关键是:对水质改变适应能力不强;‚所供氧不能充足利用, 因为在曝气池前端废水水质浓度高、 污泥负荷高、 需氧量大, 以后端则相反, 但空气往往沿池长均匀分布, 这就造成前端供氧量不足、 后端供氧量过剩情况(见图8-21)。所以, 在处理一样水量时, 同其她类型活性污泥法相比, 曝气池相对庞大, 占地多, 能花费用高。

图8-21 曝气池中供水量和需氧量之间关系
（2）阶段曝气法
阶段曝气法也称为多点进水活性污泥法, 它是一般活性污泥法一个简单改善, 可克服一般活性污泥法供氧同需氧不平衡矛盾。图8-21图示了一般活性污泥法与阶段曝气法曝气池中供氧量和需氧量之间关系。
阶段曝气法工艺步骤如图8-22所表示。从图中可见, 阶段曝气法中废水沿池长多点进入, 这么使有机物在曝气池中分配较为均匀, 从而避免了前端缺氧、 后端氧过剩弊病, 从而提升了空气利用效率和曝气池工作能力;而且因为轻易改变各个进水口水量, 在运行上也有较大灵活性。经实践证实, 曝气池容积同一般活性污泥法比较能够缩小30%左右。

图8-22 阶段曝气法工艺步骤

（3）渐减曝气法
（a）工艺步骤

（b）曝气池中供氧量和需氧量之间关系

图8-23 渐减曝气法

克服一般活性污泥法曝气池中供氧、 需氧不平衡另一个改善方法是将曝气池供氧沿活性污泥推进方向逐步降低, 这即为渐减曝气法。该工艺曝气池中有机物浓度伴随向前推进不停降低, 污泥需氧量也不停下降, 曝气量对应降低, 如图8-23所表示。
图8-24 吸附再生活性污泥工艺步骤

（4）吸附再生活性污泥法
吸附再生活性污泥法系依据废水净化机理、 污泥对有机污染物早期高速吸附作用, 将一般活性污泥法作对应改迸发展而来。图8-24所表示为这一工艺基础步骤。
曝气池被一隔为二, 废水在曝气池一部分－ 吸附池内停留数十分钟, 活性污泥同废水充足接触, 废水中有机物被污泥所吸附, 随即进入二沉池, 此时, 出水已达很高净化程度。
泥水分离后回流污泥再迸入曝气池另一部分－再生池, 池中曝气但不进废水, 使污泥中吸附有机物深入氧化分解。恢复了活性污泥随即再次迸入吸附池同新进入废水接触, 并反复以上过程。
为了愈加好地吸附废水中污染物质, 吸附再生活性污泥法所用回流污泥量比一般活性污泥法多, 回流比通常为50%～10%。另外, 吸附池和再生池总容积比一般活性污泥法曝气池小得多, 空气用量并不增加, 所以, 降低了占地和降低了造价。因为其回流污泥量较多, 又使之含有较强调济平衡能力, 以适应进水负荷改变。它缺点是去除率较一般活性污泥法低, 尤其是对溶解性有机物较多工业废水(活性污泥对溶解性有机物早期吸附作用效果较差), 处理效果不理想。
（5）完全混合活性污泥法
完全混合活性污泥法步骤和一般活性污泥法相同, 但废水和回流污泥进入曝气池时, 立刻与池内原先存在混合液充足混合。依构筑物曝气池和沉淀池合建或分建不一样可分成两种类型。其步骤见图8-25。

图8-25 完全混合活性污泥法

（6）批式活性污泥法
批式活性污泥法(又称序批式反应器,Sequencing Batch Reactor, 简称SBR)是中国外多年来新开发一个活性污泥法, 其工艺特点是将曝气池和沉淀池合而为一, 生化反应呈分批进行, 基础工作周期可由进水、 反应、 沉降、 排水和闲置五个阶段组成(图8-26)。

图8-26 批式活性污泥法运行周期

进水期是指反应器从开始进水抵达成反应器最大致积一段时间, 这时已同时进行着生物降解反应。在反应期中, 反应器不再进水, 废水处理逐步达成预期效果。进人沉降期时, 活性污泥沉降, 固、 液分离, 上清液即为处理后水, 并于排放期外排。这以后一段时期直至下一批废水进入之前即为闲置期, 活性污泥在此阶段进行内源呼吸, 反硝化细菌亦可利用内源碳进行反硝化脱氮。
与其她活性污泥工艺相比较, SBR含有下述特点:
1）结构简单, 投资节省
SBR曝气、 沉淀在同一池内, 省去了二沉池、 回流装置和调蓄池等设施, 所以, 基建投资较低, 是尤其适合于乡村地域或仅设常日班工厂废水处理系统。
2）控制灵活, 可满足多种处理要求
在SBR运行过程中, 一个周期中各个阶段运行时间, 总停留时间、 供气量等都可根据进水水质和出水要求而加以调整。
3）活性污泥性状好、 污泥产率低
因为SBR在进水早期有机物浓度高, 污泥絮体内部菌胶团细菌也能取得充足营养, 所以, 有利于菌胶团细菌生长, 污泥结构紧密, 沉降性能良好。另外, 在沉降期, 几乎是在静止状态下沉降, 所以污泥沉降时间短, 效率高。
SBR运行周期中有一闲置期, 污泥处于内源呼吸阶段, 所以, 污泥产率比较低。
4）脱氮效果好
SBR系统可经过控制适宜充气、 停气为硝化细菌和反硝化细菌发明适宜好氧、 缺氧反硝化脱氮条件, 另外, 反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化, 所以去氮效果好。

五、 生物膜法
生物膜法和活件污泥法一样, 同属好氧生物处理方法。但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着活件污泥来分解有机物, 而生物膜法则关键依靠固着于载体表面微生物膜来净化有机物。
与活性污泥法相比, 生物膜法含有以下特点:
a)         生物膜对污水水质、 水量改变有较强适应性, 管理方便, 不会发生污泥膨胀;
b)        微生物固着在载体表面、 世代时间较长高级微生物也能增殖, 生物相更为丰富、 稳定, 产生剩下污泥少;
c)        能够处理低浓度污水;
d)        生物膜法也存在有不足之处: 生物膜载体增加了系统投资; 载体材料比表面积小, 反应装置容积负荷有限、 空间效率低, 在处理城市污水时处理效率比活性污泥法低, 所以, 生物膜法关键适适用于中小水量污水处理。
生物膜法设备类型很多, 按生物膜与废水接触方法不一样, 可分为填充式和浸渍式两类。在填充式生物膜法中, 废水和空气沿固定填料或转动盘片表面流过, 与其上生长生物膜接触, 经典设备有生物滤池和生物转盘。在浸渍式生物膜法中, 生物膜载体完全浸没在水小, 经过鼓风曝气供氧。如载体固定, 称为接触氧化法; 如载体流化则称为生物流化床。
现在所采取生物膜法多数是好氧装置, 少数是厌氧形式, 如厌氧滤池和厌氧流化床等。
本章关键讨论好氧生物膜法。依据装置不一样, 可分为生物滤池, 生物转盘和生物接触氧化法等三种。

（一）生物膜法处理废水机理

生物膜法处理废水就是使废水与生物膜接触, 进行固、 液相物质交换, 利用膜内微生物将有机物氧化, 使废水取得净化, 同时, 生物膜内微生物不停生长与繁殖。生物膜在载体上生长过程是这么: 当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成接种液流过载体时, 水中悬浮物及微生物被吸附于固相表面上, 其中微生物利用有机底物而生长繁殖, 逐步在载体表面形成一层粘液状生物膜。这层生物膜含有生物化学活性, 又深入吸附、 分解废水中呈悬浮、 胶体和溶解状态污染物。
为了保持好氧性生物膜活性, 除了提供废水营养物外, 还应发明—个良好好氧条件, 亦即向生物膜供氧。在填充式生物膜法设备中常采取自然通风或强制自然通风供氧。氧透入生物膜深度取决于它在膜中扩散系数, 固－液界面处氧浓度和膜内微生物氧利用率。对给定废水流量和浓度, 好氧层厚度是—定。增大废水浓度将减小好氧层厚度, 而增大废水流量则将增大好氧层厚度。
图8-27 生物膜中物质传输

生物膜中物质传输过程加图8-27所表示。因为生物膜吸附作用, 在膜表面存在—个很薄水层(附着水层)。废水流过生物膜时, 有机物经附着水层向膜内扩散。膜内微生物在氧参与下对有机物进行分解和机体新陈代谢。代谢产物沿底物扩散相反方向, 从生物膜传输返回水相和空气中。
伴随废水处理过程发展, 微生物不停生长繁殖, 生物膜厚度不停增大, 废水底物及氧传输阻力逐步加大, 在膜表层仍能保持足够营养以及处于好氧状态, 而在膜深处将会出现营养物或氧不足, 造成微生物内源代谢或出现厌氧层, 此处生物膜因与载体附着力减小及水力冲刷作用而脱落。老化生物膜脱落后, 载体表面又可重新吸附、 生长、 增厚生物膜直至重新脱落, 从吸附到脱落, 完成一个生长周期。在正常运行情况下, 整个反应器生物膜各个部分总是交替脱落, 系统内活性生物膜数量相对稳定, 膜厚2～3mm, 净化效果良好。过厚生物膜并不能增大底物利用速度、 却可能造成堵塞, 影响正常通风。所以, 当废水浓度较大时, 生物膜增加过快, 水流冲刷力也应加大, 如依靠原废水不能确保其冲刷能力时, 能够采取处理出水回流, 以稀释进水和加大水力负荷, 从而维持良好生物膜活性和适宜膜厚度。
生物膜中微生物关键有细菌(包含好氧、 厌氧及兼性细菌)、 真菌、 放线面、 原生动物(关键是纤毛虫)和较高等动物, 其中藻类、 较高等生物比活性污泥法多见。微生物沿水流方向在种属和数目上含有一定分布。在塔式生物滤池中, 这种分层现象更为显著。在填料上层以异养细菌和营养水平较低鞭毛虫或肉足虫为主, 在填料下层则可能出现世代期长硝化菌和营养水平较高固着型纤毛虫。真菌在生物膜中普遍存在, 在条件适宜时, 可能成为优势种。在填充式生物膜法装置中, 当气温较高和负荷较低时, 还轻易孽生灰蝇, 它幼虫色白透明, 头粗尾细, 常分布在生物膜表面, 成虫后在生物膜周围翔栖。
生物相组成随有机负荷、 水力负荷、 废水成份、 pH值、 温度、 通风情况及其她影响原因改变而改变。
（二）生物滤池
生物滤池是以土壤自净原理为依据, 在污水浇灌实践基础上发展起来人工生物处理技术, 是对上述过程强化。生物滤池基础工艺如图8-28所表示。进入生物滤池污水需经过预处理去除悬浮物等可能堵塞滤料污染物, 并使水质均化, 在生物滤池后设二沉池, 以截留污水中脱落生物膜、 确保出水水质。

图8-28 生物膜法基础工艺步骤
表8-6一般生物滤池、 高负荷生物滤池和塔式生物滤池性能比较

生物滤池关键特征是池内滤料是固定, 废水自上而下流过滤料层。因为和不一样层面微生物接触废水水质不一样, 所以微生物组成也不一样, 使得微生物食物链长, 产生污泥量少。当负荷低时, 出水水质可高度硝化。生物滤池运行简易, 且依靠自然通风供氧, 运行费用低, 生物滤池在发展过程中, 经历了多个阶段, 从低负荷发展为高负荷, 突破了传统采取滤料层高度; 扩大了应用范围。现在使用较多生物滤池有一般生物滤池、 高负荷生物滤池和塔式生物滤池(超速滤池)三种, 表8-6为性能比较表。

1.一般生物滤池
一般生物滤池又叫滴滤池, 是生物滤池早期类型, 即第一代生物滤池。
(1)结构
由池体、 滤床、 布水装置和排水系统组成, 其结构如图8-29所表示。
①池体 一般生物滤池池体平面形状图8-29 一般生物滤池结构示意图

多为方形、 矩形和圆形。池壁通常采取砖砌或混凝土建造, 有池壁上带有小孔, 用以促进滤层内部通风, 为预防风吹而影响废水均匀分布, 池壁顶应高出滤层表面0.4~0.5m, 滤池壁下部通风孔总面积不应小于滤池表面积1%。
②滤床 滤床由滤料组成, 滤料对生物滤池工作有很大影响, 对污水起净化作用微生物就是生长在滤料表面上。滤料应采取强度高、 耐腐蚀、 质轻、 颗粒均匀、 比表面积大、 空隙率高材料。过去常见球状滤料, 如碎石、 炉渣、 焦炭等。通常分成工作层和承托层两层: 工作层粒径为25～40mm, 厚度为1.3~1.8m; 承托层粒径为60~100mm, 厚度为0.2m。多年来, 常采取塑料滤料, 其表面积可达100~200m2/m3, 孔隙率高达80%~90%; 滤料粒径选择对滤池工作影响较大, 滤料粒径小, 比表面积大, 但孔隙率小, 增加了通风阻力, 相反粒径大, 比表面积小, 影响污水和生物膜接触面积。粒径选择还应综合考虑有机负荷和水力负荷影响, 当负荷较高时采取较大粒径。
③布水装置 布水装置作用是将污水均匀分配到整个滤池表面, 并应含有适应水量改变、 不易堵塞和易于清通等特点。依据结构可分成固定式和活动式两种。
④排水系统 排水系统设于池体底部, 包含渗水装置、 集水渠和总排水渠等。
一般生物滤她特点
一般生物滤池优点有: (a)处理效果好, BOD5去除率可达95％以上; (b)运行稳定、 易于管理、 节省能源。其关键缺点是负荷低、 占地面积大、 处理水量小、 滤池易堵塞、 易产生池妈蝇散发臭味、 卫生条件差。通常适适用于处理每日污水量不高于1000m3小城镇污水和工业有机污水。

2.高负荷生物滤池
高负荷生物滤池是为处理一般生物滤池在净化功效和运行中存在实际负荷低、 易堵塞等问题而开发出来。高负荷生物滤池是经过限制进水BOD5值和在运行上采取处理水回流等技术来提升有机负荷率和水力负荷率, 分别为一般生物滤池6～8倍和10倍。
(1)高负荷生物滤池工艺步骤
高负荷生物滤池工艺步骤设计关键采取处理水回流技术来确保进入BOD5值低于200mg/L, 处理水回流后含有下列作用: (a)均化与稳定进水水质; (b)加大水力负荷, 立刻冲刷过厚和老化生物膜, 加速生物膜更新, 抑制厌氧层发育, 使生物膜保持较高活性; (c)抑制池蝇滋长; (d)减轻臭味散发。
采取处理水回流方法, 使高负荷生物滤池含有多个多样步骤, 图8-30为单池系统多个有代表性步骤。步骤(1)将生物滤池出水直接回流, 二沉池生物污泥回流到初沉池有利于生物膜接种、 促进生物膜更新; 同时对初沉池沉淀效果将有所提升。但回流生物膜易堵塞滤料。步骤(2)和步骤(1)相比可避免加大初沉池容积, 步骤(3)能提升初沉池效果, 但提升了初沉池负荷。步骤(4)特点是不设二沉池, 滤池出水(含生物污泥)直接回流到初沉池, 这么能提升初沉池效果, 并使其兼行二沉她功效, 本工艺适适用于含悬浮固体量较高而溶解性有机物浓度较低废水。
当原污水浓度较高或对处理水质要求较高时, 能够考虑二段滤池处理系统, 其关键工艺步骤如图8-31所表示。二段生物滤池有机物去除率可达90％以上, 但负荷不均是其关键缺点: 一段负荷高, 生物膜生长快, 脱落生物膜易于沉积并产生堵塞现象, 二段负荷低, 生物膜生长不佳, 没有充足发挥净化功效。为此可采取交替式二段生物滤池, 两种步骤定时交替运行。

图8-30 单池高负荷生物滤池步骤 图8-31 二段法高负荷生物滤池系统

（三）生物转盘
生物转盘是在生物滤池基础上发展起来一个高效、 经济污水生物处理设备。它含有结构简单、 运转安全、 电耗低、 抗冲击负荷能力强, 不发生堵塞优点。现在已广泛利用到中国生活污水以及很多行业工业废水处理中、 并取得良好效果。
1．生物转盘结构及净化作用原理
(1)生物转盘结构
生物转盘污水处理装置由生物转盘、 氧化槽和驱动装置组成, 结构如图8-32所表示。生物转盘由固定在一根轴上很多间距很小圆盘或多角形盘片组成, 盘片是生物转盘主体, 作为生物膜载体要求含有质轻、 强度高、 耐腐蚀、 防老化、 比表面积大等特点, 氧化槽位于转盘正下方, 通常采取钢板或钢筋混凝土制成与盘片外形基础吻合半圆形, 在氧化槽两端设有进出水设备, 槽底有放空管。
(2)净化原理
生物转盘在旋转过程中, 当盘面某部分浸没在污水中时, 盘上生物膜便对污水中有机物图8-32 生物转盘结构

进行吸附; 当盘片离开液面暴露在空气中时, 盘上生物膜从空气中吸收氧气对有机物进行氧化。经过上述过程, 氧化槽内污水中有机物降低, 污水得到净化。转盘上生物膜也一样经历挂膜、 生长、 增厚和老化脱落过程, 脱落生物膜可在二次沉淀池中去除。生物转盘系统除有效地去除有机污染物外, 如运行适当可