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第三章 廢水生物處理技術(shù),,第五節(jié) 厭氧生物處理,一、厭氧處理的基本原理 指在無(wú)氧條件下，通過(guò)厭氧微生物（或兼氧微生物）的作用，將廢水中的有機(jī)物分轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過(guò)程，又稱(chēng)厭氧發(fā)酵或厭氧消化。 厭氧生物處理法的處理對(duì)象是：高濃度有機(jī)工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水的污泥、動(dòng)植物殘?bào)w及糞便等。 主要依靠三大類(lèi)群的細(xì)菌，即水解產(chǎn)酸細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌的聯(lián)合作用。,,甲烷發(fā)酵理論先后提出了二階段、三階段和四階段發(fā)酵理論。 目前應(yīng)用較多的仍是布賴(lài)恩特(Bryant)于1979年提出的四階段的發(fā)酵理論：,,厭氧消化兩階段,厭氧消化兩階段,,（1）酸發(fā)酵的目的是為進(jìn)一步進(jìn)行生物處理提供易生物降解的基質(zhì)； （2）甲烷發(fā)酵的目的是進(jìn)一步降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃料。,厭氧消化三階段,,厭氧消化四階段,,,水解和發(fā)酵性細(xì)菌群將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸： 水解發(fā)酵階段是將大分子不溶性復(fù)雜有機(jī)物在細(xì)胞外酶的作用下，水解成小分子溶解性高級(jí)脂肪酸(醇類(lèi)；醛類(lèi)、酮類(lèi)等)，然后滲入細(xì)胞內(nèi)， 纖維素、淀粉等水解為單糖，再酵解為丙酮酸； 將蛋白質(zhì)水解為氨基酸，脫氨基成有機(jī)酸和氨； 脂類(lèi)水解為各種低級(jí)脂肪酸和醇，例如乙酸、丙酸、丁酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氫、氨和硫化氫等。,第一階段：有機(jī)酸的產(chǎn)生,,微生物群落是水解、發(fā)酵性細(xì)菌群， 有專(zhuān)性厭氧的: 梭菌屬(Clostridium) 擬桿菌屬(Bacteriodes) 丁酸弧菌屬(Butyrivibrio) 真細(xì)菌(Eubacterium) 雙歧桿菌屬(Bifidobacterium) 革蘭氏陰性桿菌 兼性厭氧的有:是消耗掉污水帶來(lái)的溶解氧，為專(zhuān)性厭氧細(xì)菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。 鏈球菌 腸道菌,此外還有真菌以及原生動(dòng)物等?？山y(tǒng)稱(chēng)為水解發(fā)酵菌。,,據(jù)研究，每mL下水污泥中含有水解、發(fā)酵性細(xì)菌108109個(gè)，每克揮發(fā)性固體含10101011個(gè)，其中蛋白質(zhì)水解菌有107個(gè)，纖維素水解菌有105個(gè)。,,產(chǎn)酸脫氫階段是將第一階段的產(chǎn)物降解為簡(jiǎn)單脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等)并脫氫。奇數(shù)碳有機(jī)物還產(chǎn)生C02，主要產(chǎn)物是簡(jiǎn)單脂肪酸，C02，碳酸根HCO3-，銨鹽NH4+和HS-，H+等。此階段速率較快。 微生物群落： 微生物群落為產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸細(xì)菌； 只有少數(shù)被分離出來(lái)。 硫酸還原菌和其他產(chǎn)乙酸和氫氣的細(xì)菌；,第二階段：產(chǎn)酸脫氫階段,,第三階段：甲烷的產(chǎn)生,產(chǎn)甲烷階段是將第二階段的產(chǎn)物還原成CH4,參與作用的微生物是絕對(duì)厭氧菌(甲烷菌)。 微生物：兩組生理不同的專(zhuān)性厭氧的產(chǎn)甲烷菌群 一組將H2和CO2合成CH4或CO和H2合成CH4； 另一組將乙酸脫羧生成CH4和CO2；或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解為CH4。,,上述3個(gè)階段，以產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)速度最慢，為厭氧消化的限制階段。與好氧氧化相比，厭氧生物處理產(chǎn)生的污泥量遠(yuǎn)少于好氧氧化。,,參與厭氧反應(yīng)的細(xì)菌，酸化階段的統(tǒng)稱(chēng)產(chǎn)酸或酸化細(xì)菌，幾乎包括所有的兼性細(xì)菌；甲烷化階段的統(tǒng)稱(chēng)甲烷細(xì)菌，已經(jīng)證實(shí)的已有80多種 產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)酸菌的特性,,二、厭氧生物處理的主要影響因素,一類(lèi)是基礎(chǔ)因素，包括微生物量（污泥濃度）、營(yíng)養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機(jī)負(fù)荷等； 另一類(lèi)是周?chē)h(huán)境，如溫度，pH、氧化還原電位、有毒物質(zhì)的含量等。 產(chǎn)甲烷菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，產(chǎn)甲烷階段是厭氧過(guò)程速率的限制步驟,,（1）溫度 產(chǎn)甲烷菌適宜溫度是3538（中溫）和5255（高溫），各有一個(gè)最適溫度。 厭氧消化對(duì)溫度的突變也十分敏感，要求日變化小于2。溫度突變幅度太大，會(huì)招致系統(tǒng)的停止產(chǎn)氣。,,溫度與有機(jī)物負(fù)荷和產(chǎn)氣量關(guān)系,,溫度與消化時(shí)間關(guān)系,（2）pH 產(chǎn)甲烷菌pH值：應(yīng)在6.87.2之間。產(chǎn)酸細(xì)菌對(duì)酸堿度不及甲烷細(xì)菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。 在厭氧法處理廢水的應(yīng)用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間嚴(yán)格的共生關(guān)系：,pH值對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性的影響,,甲烷菌專(zhuān)性厭氧，且處理系統(tǒng)中不能含有濃度過(guò)高的SO42-，SO32-。,,（3）營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境條件 廢水、污泥及廢料中的有機(jī)物種類(lèi)繁多，只要未達(dá)到抑制濃度，都可連續(xù)進(jìn)行厭氧生物處理。對(duì)生物可降解性有機(jī)物的濃度并無(wú)嚴(yán)格限制，但若濃度太低，比耗熱量高，經(jīng)濟(jì)上不合算；水力停留時(shí)間短，生物污泥易流失，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。一般要求COD大于1000mg/L。 CODNP=20051,,（4）毒物 凡對(duì)厭氧處理過(guò)程起抑制或毒害作用的物質(zhì)，都可稱(chēng)為毒物。,,四、污水的厭氧生物處理方法,有代表性的厭氧生物處理工藝和設(shè)備有：普通厭氧消化池、厭氧濾池、厭氧膨脹床和流化床、上流式厭氧污床(UASB）等。,,（1）常規(guī)消化池或普通消化池（conventional digester）主要用于處理城市污水的沉淀污泥。普通消化池多建成加頂蓋的筒狀。 污水間歇地或連續(xù)地從池頂進(jìn)入，通過(guò)攪拌與池內(nèi)污泥混合，進(jìn)行厭氧消化。分解后的污泥從池底排出。產(chǎn)生的生物氣從池頂收集。普通消化池需要加熱，以維持高的生化速率?；钚晕勰酀舛炔桓?，一般5。,,主要應(yīng)用： A）城市污水處理廠污泥的穩(wěn)定化處理； B）高濃度、難生物降解有機(jī)工業(yè)廢水的處理； C）高懸浮物濃度有機(jī)廢水的處理。,,優(yōu)點(diǎn)：可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，消化反應(yīng)和固液分離在同一個(gè)池時(shí)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：無(wú)法保持或補(bǔ)充厭氧活性污泥，消化池內(nèi)難以保持大量的微生物；無(wú)攪拌的消化池會(huì)出現(xiàn)料液分離現(xiàn)象，微生物不能與料液均勻接觸，消化效果極差。,,（2）厭氧接觸消化池(anaerobic contact digester) 在常規(guī)消化池后設(shè)沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，污泥濃度增至10甚至20左右，效率較高，同時(shí)出水中污泥的含量少，水質(zhì)穩(wěn)定停留時(shí)間約為110d。,,厭氧接觸法的特點(diǎn)： 1）消化池內(nèi)污泥濃度較高，耐沖擊能力強(qiáng)； 2）有機(jī)負(fù)荷較高，中溫消化時(shí)，水力停留時(shí)間縮短，一般小于10天； 3）可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液； 4）出水水質(zhì)好，但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設(shè)備,,厭氧接觸消化池的主要缺點(diǎn)：設(shè)備大。能量消耗大。微生物流失，使消化池內(nèi)微生物濃度較低。,（3）厭氧濾池(anaerobic filter, AF) 反應(yīng)器內(nèi)全部或部分填充填料供微生物附著生長(zhǎng)，填料有較大的比表面積和較高的孔隙度。 一般為上升式，需要在過(guò)濾器后設(shè)沉淀分離裝置分離生物膜。停留時(shí)間一般約0.53d。,,厭氧生物濾池的特點(diǎn)： 1）微生物持有量較高，生物膜停留時(shí)間長(zhǎng)，可承受的有機(jī)溶積負(fù)荷較高。 2）廢水與生物膜兩相接觸面大，有機(jī)物去除速度快；,,3）微生物以附著生長(zhǎng)為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設(shè)備； 4）啟動(dòng)或停止后再啟動(dòng)比其他厭氧工藝時(shí)間短。 主要用于高濃度有機(jī)廢水，及污泥等固體廢棄物處理等。,,（4）升流式厭氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB) 反應(yīng)器是一個(gè)無(wú)填料的空容器，運(yùn)行時(shí)污水以一定流速自下進(jìn)入反應(yīng)器，通過(guò)一個(gè)懸浮的污泥層，料液和污泥菌體接觸反應(yīng)并產(chǎn)生沼氣小氣泡，氣泡托起使污泥上升，在上部有一個(gè)關(guān)鍵裝置氣液固三相分離器，使污泥下沉，氣水分離。 折流式厭氧反應(yīng)器(ABR)，效率更高。,,,UASB最大特點(diǎn)是能在反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)污泥顆?；w粒污泥的粒徑一般為0.1-0.2cm，具有良好的沉降性能和產(chǎn)甲烷活性。,,UASB的優(yōu)點(diǎn)： 1）容積負(fù)荷率高，水力停留時(shí)間短，因?yàn)槲勰嗫梢詫?shí)現(xiàn)污的顆粒化，使污泥床內(nèi)有大量的生物存在； 2）氣固液的分離實(shí)現(xiàn)了一體化，處理能力和處理效率大為提高； 3）能耗低，成體低，具有處理費(fèi)用低、電耗低、投資少、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)；,,4）污泥產(chǎn)量低，一般運(yùn)行1-2年才能有剩余污泥產(chǎn)生，而這些污泥又是新厭氧系統(tǒng)運(yùn)行所必需的菌種； 5）能夠回收生物能沼氣。,,,沼氣發(fā)酵實(shí)例,農(nóng)村沼氣池產(chǎn)生的沼氣成為農(nóng)村重要的能源物質(zhì)； 大型養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽廢水處理采用沼氣發(fā)酵消除污染； 高濃度的生活污水亦可采用沼氣發(fā)酵技術(shù)去除有機(jī)污染物；,,優(yōu)點(diǎn) （1）厭氧消化動(dòng)力消耗少，運(yùn)行無(wú)須攪拌和供氧，能節(jié)省大量的電力能源。 （2）有機(jī)負(fù)荷高，去除率高。 可以直接處理高濃度有機(jī)廢水，不需要大量水稀釋。 BOD去除率可達(dá)90%以上，COD去除率約為7090。 能降解許多在好氧條件下難以降解的合成化學(xué)品。如原配類(lèi)染料、偶氮染料、含氯農(nóng)藥等。 (3)厭氧消化工藝產(chǎn)生大量含甲烷60-80的沼氣，是很好的能源物質(zhì)，可用于發(fā)電和家庭燃?xì)狻?(4)厭氧工藝產(chǎn)生的剩余污泥量比好氧工藝要少得多。,,厭氧處理的不足 1）技術(shù)不是很成熟；有一定的局限性； 2）出水COD濃度高于好氧處理 3）對(duì)有毒物質(zhì)比較敏感； 4）初次起動(dòng)較慢，周期較長(zhǎng)。,五、好氧處理與厭氧處理的區(qū)別 1）好氧處理由好氧微生物和兼性微生物起作用的；厭氧處理先是厭氧菌和兼性菌，后是另一類(lèi)厭氧菌； 2）好氧處理中，有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3或NO2-、NO3-、PO43-、SO42-等，且基本無(wú)害，處理后廢水無(wú)異臭； 厭氧處理中，有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為CH4、NH3、胺化物或N2、H2S等，產(chǎn)物復(fù)雜，出水有異臭。,3）好氧處理中，有機(jī)物分解比較徹底，釋放的能量多，故有機(jī)物轉(zhuǎn)化率快，在處理設(shè)備內(nèi)停留的時(shí)間短，設(shè)備體積??； 厭氧處理中，有機(jī)物氧化不徹底，釋入的能量少，所以有機(jī)物轉(zhuǎn)化速率慢，需要時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積龐大；,,4）好氧處理要求充分供氧，對(duì)環(huán)境條件要求不太嚴(yán)格；厭氧處理要求絕對(duì)厭氧的環(huán)境，對(duì)環(huán)境條件如溫度、pH要求甚嚴(yán)。,,第六節(jié) 水的富營(yíng)養(yǎng)化處理,1971年的某一天早晨，日本瀨戶(hù)內(nèi)海的漁民正要出海打魚(yú)，忽然發(fā)現(xiàn)了一種奇妙的景象：海水在一夜之間由蔚藍(lán)色變成了赤紅色，好像是在海灣上鋪了一塊碩大無(wú)比的紅地毯，一時(shí)間，消息不脛而走，附近的人們都來(lái)觀看這聞所未聞的奇景，有的人還贊不絕口，為自己大開(kāi)眼界而高興。,,殊不知，這并不是什么奇景，而是一場(chǎng)災(zāi)難。沒(méi)過(guò)多久，海風(fēng)帶來(lái)陣陣難聞的惡臭，死魚(yú)大批漂向岸邊，這時(shí)，漁民們才恍然大悟：啊呀，我們的生計(jì)完了！,(參考圖)兇惡赤潮“劫”走4萬(wàn)鮑魚(yú),這就是 赤潮海洋的災(zāi)難,早在公元732年,日本便記錄了赤潮現(xiàn)象. 20世紀(jì)以來(lái)，赤潮發(fā)生的次數(shù)逐年增多，如日本瀨戶(hù)內(nèi)海在1955年以前的幾十年期間，赤潮只出現(xiàn)5次，19551976年竟多達(dá)326次。,,一、概念 水的富營(yíng)養(yǎng)化,富營(yíng)養(yǎng)化是一種氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量過(guò)多所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。 生物所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類(lèi)及其它浮游生物迅速繁殖，大量死亡的水生生物沉積到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水體溶解氧含量急劇降低，水質(zhì)惡化，以致影響到魚(yú)類(lèi)的生存，魚(yú)類(lèi)及其它生物大量死亡，大大加速了水體的富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程。,,太湖的富營(yíng)養(yǎng)化,,巢湖的水,,無(wú)錫市太湖黿頭渚風(fēng)景區(qū),遠(yuǎn)處是著名的睡美人西山,水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象時(shí)，由于浮游生物大量繁殖，往往使水體呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等，這種現(xiàn)象在江河湖泊中叫水華（水花），在海中叫赤潮。在發(fā)生赤潮的水域里，一些浮游生物暴發(fā)性繁殖，使水變成紅色，因此叫“赤潮”。,,,武漢漢江下游因出現(xiàn)水華現(xiàn)象而導(dǎo)致漢川自來(lái)水廠被迫關(guān)閉，宗關(guān)自來(lái)水廠的凈化工序困難，反沖增加，制水成本增加,,,這些藻類(lèi)有惡臭、有毒，魚(yú)不能食用。 水體富營(yíng)養(yǎng)化包括淡水的水華和海水的赤潮，根本原因都是富含氮磷的生活工業(yè)污水大量排放導(dǎo)致水中藻類(lèi)大量繁殖。藻類(lèi)的繁殖過(guò)程中會(huì)有很多死亡的，好氧細(xì)菌在處理他們的時(shí)候會(huì)耗盡水中氧氣，從而致使水中其他生物大量死亡，惡性循環(huán)使水面一片死氣，水中缺氧，水質(zhì)惡化，直至發(fā)臭！,撫河水污染,,二、案例,我國(guó)湖泊、水庫(kù)和江河富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展趨勢(shì)非常迅速。 從上世紀(jì)年代到現(xiàn)在的近年間，全國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化面積增長(zhǎng)了約倍。 （1）五大湖：太湖、巢湖已是中度富營(yíng)養(yǎng)化，洞庭湖、鄱陽(yáng)湖也具備一定程度的富營(yíng)養(yǎng)化條件。,,我國(guó)的武漢東湖、杭州西湖、南京玄武湖、濟(jì)南大明湖、撫順的大伙房水庫(kù)，都曾受到富營(yíng)養(yǎng)作用的影響。 隨著太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，夏季水華頻繁發(fā)生，水廠停水，水鄉(xiāng)居民喝污水的現(xiàn)象，同時(shí)，水中的有機(jī)物和氨氮含量嚴(yán)重超,,(2) 1998年春天，一股來(lái)勢(shì)洶涌的赤潮橫掃了香港海和廣東珠江口一帶海域。赤潮過(guò)處，海水泛紅，腥臭難聞，水中魚(yú)類(lèi)等動(dòng)物大量死亡。當(dāng)?shù)氐母黝?lèi)養(yǎng)殖場(chǎng)損失慘重。香港漁民損失近1億港元；大陸珍貴養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)死亡逾300噸，損失超過(guò)4000萬(wàn)元。,太湖,巢湖,1998年 ,渤海，赤潮面積約5000平方公里，范圍遍及遼東灣，造成經(jīng)濟(jì)損失約5億元,2000年，長(zhǎng)江口舟山海域，特大赤潮面積7000多平方公里,1998年，粵港海域,赤潮面積自香港西貢海面到長(zhǎng)州等特大面積造成大量魚(yú)苗及養(yǎng)殖魚(yú)死亡, 其中包括名貴魚(yú)種石斑魚(yú)等,共損失達(dá)3.5億元,近年危害較嚴(yán)重的赤潮事件,,（3）武漢水富營(yíng)養(yǎng)化 “百湖之市”的武漢處于“優(yōu)于水而憂(yōu)于水”的尷尬境地。 1992年，漢江流域首次發(fā)現(xiàn)水華現(xiàn)象，迄今已爆發(fā)過(guò)7次。其中，第1次爆發(fā)的時(shí)間和第2次相隔5年，而第2次和第3次、第4次水華間隔時(shí)間僅為2至3年。2008年和2009年，更是連續(xù)發(fā)生，間隔時(shí)間越來(lái)越近。 漢江水華爆發(fā)年 武大櫻花提前開(kāi),東湖,上世紀(jì)八十年代以前，墨水湖湖水清澈見(jiàn)底，魚(yú)類(lèi)豐富，是一個(gè)環(huán)境優(yōu)美的生態(tài)湖泊；此后，墨水湖富營(yíng)養(yǎng)化顯現(xiàn)出來(lái)且日趨嚴(yán)重，墨水湖水體開(kāi)始發(fā)黑、發(fā)臭，部分湖面呈現(xiàn)沼澤化，尤其是1997年5月6日發(fā)生的一次死魚(yú)五十多萬(wàn)公斤的環(huán)保事件， 墨水湖水體營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)多為超類(lèi)，總磷（TP）、總氮（TN）和氨氮（NH4）是造成水體水質(zhì)惡化的主要污染物質(zhì)，水體極度缺氧,墨水湖水體呈極度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；另外水體中總磷、總氮總體上逐年增大，水體透明度逐年減小，墨水湖水體水質(zhì)污染有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。,（1）,市區(qū)多數(shù)湖泊水質(zhì)還在四類(lèi)及以下。如東湖、菱角湖、紫陽(yáng)湖、湯遜湖、青菱湖、后官湖、銀湖等水質(zhì)為四類(lèi)。 水質(zhì)為五類(lèi)或劣五類(lèi)的，有水果湖、沙湖、南湖、野芷湖、黃家湖、楊春湖、塔子湖、月湖、龍陽(yáng)湖、三角湖、墨水湖等。 水質(zhì)類(lèi)別解析 一類(lèi)：主要適用于源頭水、國(guó)家自然保護(hù)區(qū)； 二類(lèi)：主要適用于集中式生活飲用水水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)、珍稀水生生物棲息地等； 三類(lèi)：主要適用于集中式生活飲用水水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、漁業(yè)及游泳等；四類(lèi)：主要適用于工業(yè)用水及人體非直接接觸的娛樂(lè)用水； 五類(lèi)：主要適用于農(nóng)業(yè)用水及一般景觀要求水域。,,“小瓶裝飲用水，我只買(mǎi)農(nóng)夫山泉”，湖南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)生王惠說(shuō)。“農(nóng)夫山泉有點(diǎn)甜” 千島湖農(nóng)夫山泉的水源地之一，2010年1月份的水質(zhì)已被列入第類(lèi)。,對(duì)我國(guó)河流污染情況分析，各污染指標(biāo)排序?yàn)椋喊钡?、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、糞大腸菌。湖泊各污染指標(biāo)排序則是：總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)。 2010年，環(huán)保部科技標(biāo)準(zhǔn)司副司長(zhǎng)劉志全，“十一五”期間，COD的控制按預(yù)期進(jìn)行，總體進(jìn)展較大，氮磷污染則有加重趨勢(shì)?？偟呐袛嗍牵覈?guó)水環(huán)境存在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染和重金屬污染同時(shí)存在的情況，有55%的國(guó)控?cái)嗝婵偟瑯?biāo)，河流水系中氨氮污染尤其嚴(yán)重。,,三、水體富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理,水體富營(yíng)養(yǎng)化引起藻類(lèi)及其它浮游生物迅速繁殖。 在淡水中，磷酸鹽是植物生長(zhǎng)的限制因素，而在海水中是氨氮和硝酸鹽限制植物的生長(zhǎng)以及總的生產(chǎn)量。導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的物質(zhì)，往往是這些水系統(tǒng)中含量有限的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 在淡水中，增加磷酸鹽會(huì)導(dǎo)致植物的過(guò)度生長(zhǎng)， 在海水中磷是不缺的，含氮污染物加入就會(huì)出現(xiàn)植物的過(guò)度生長(zhǎng)。,,水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程與氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相關(guān)。反映營(yíng)養(yǎng)鹽水平的指標(biāo)總氮、總磷，反映生物類(lèi)別及數(shù)量的指標(biāo)葉綠素a和反映水中懸浮物及膠體物質(zhì)多少的指標(biāo)透明度作為控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一組指標(biāo)。,有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)總磷濃度超過(guò)0.1mg/l（如果磷是限制因素）或總氮濃度超過(guò)0.3mg/l（如果氮是限制因素）時(shí)，藻類(lèi)會(huì)過(guò)量繁殖。 經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）提出富營(yíng)養(yǎng)湖的幾項(xiàng)指標(biāo)量為：平均總磷濃度大于0.035mg/l；平均葉綠素濃度大于0.008mg/l；平均透明度小于3m。,,四、產(chǎn)生原因,富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生最主要的影響因素可以歸納為以下幾個(gè)方面： 總氮總磷等營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)比較充足； 鐵，硅等含量比較適度； 適宜的溫度，光照條件和溶解氧含量； 緩慢的水流流態(tài)，水體更新周期長(zhǎng)。,,藍(lán)藻爆發(fā)必須要具備三個(gè)條件 :水體污染、持續(xù)高溫、水體靜止 水體污染:湖內(nèi)水體污染嚴(yán)重，其中氮、磷等污染物超標(biāo)尤其重要，氮與磷之間的比例要在17左右的范圍，才會(huì)造成藍(lán)藻爆發(fā)。,,1、化學(xué)因素 2、物理因素 3、生物因素,,水體富營(yíng)養(yǎng)化的具體原因： 1 農(nóng)田化肥 2 牲畜糞便 3 污水灌溉 4 城鎮(zhèn)地表徑流 5 礦區(qū)地表徑流,6 大氣沉降 7 水體人工養(yǎng)殖 8工業(yè)廢水排入水體,,五、危害,水體富營(yíng)養(yǎng)化的危害主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。 (1)富營(yíng)養(yǎng)化造成水的透明度降低，陽(yáng)光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用和氧氣的釋放，同時(shí)浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧嚴(yán)重不足， 而水面植物的光合作用，則可能造成局部溶解氧的過(guò)飽和。 溶解氧過(guò)飽和以及水中溶解氧少，都對(duì)水生動(dòng)物(主要是魚(yú)類(lèi))有害，造成魚(yú)類(lèi)大量死亡。,,(2)富營(yíng)養(yǎng)化水體底層堆積的有機(jī)物質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生的有害氣體，以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素(如石房蛤毒素)也會(huì)傷害水生動(dòng)物。 (3)富營(yíng)養(yǎng)化水中含有亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長(zhǎng)期飲用這些物質(zhì)含量超過(guò)一定標(biāo)準(zhǔn)的水，會(huì)中毒致病等等。,,氮、磷為植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能助長(zhǎng)藻類(lèi)和水生生物，引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，將惡化水質(zhì)、影響飲用水水源、降低水資源的使用價(jià)值。湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程也就是老化和消失的過(guò)程。,六、富營(yíng)養(yǎng)化的防治 防治是水污染治理中十分棘手而又代價(jià)昂貴的困難問(wèn)題原因有三： 污染源的復(fù)雜性：導(dǎo)致水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)既有天然源，又有人為源；既有外源性，又有內(nèi)源性；這給控制污染源帶來(lái)了顯而易見(jiàn)的困難。 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除難度高。至今還沒(méi)有任何單一的生物學(xué)、化學(xué)和物理措施能夠徹底去除廢水中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。通常的二級(jí)生化處理方法，只能去除 30%50%的氮和磷。 某些處理措施在理論上或者在一定的條件下是可行的，但是，在實(shí)際上或者在大范圍內(nèi)，則往往達(dá)不到預(yù)期效果。,,水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制,（1）控制N、P的排放； （2）對(duì)廢水作深度處理； （3）打撈藻類(lèi)，人工曝氣； （4）疏浚底泥； （5）引水（不含營(yíng)養(yǎng)物）稀釋?zhuān)?（6）使用化學(xué)藥劑或引入病毒殺死藻類(lèi)等。,,氮磷的去除可用化學(xué)法或生物法。 化學(xué)法處理費(fèi)用較高，而且大量的污泥產(chǎn)生，而傳統(tǒng)的生物法去除效率較差，難以滿(mǎn)足水質(zhì)排放的要求。 目前已在活性污泥法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出多種流程，提高處理效果。,,在巴納德博士發(fā)明生物脫氮除磷技術(shù)之前，一般的供水回收廠都是使用化學(xué)物質(zhì)來(lái)去除氮和磷。這個(gè)方法不只成效有限，而且成本比起生物脫氮除磷方法貴了好幾倍。 加拿大籍的巴納德博士（75歲）出生于南非，他發(fā)明的“生物脫氮除磷”（Biological Nutrient Removal，簡(jiǎn)稱(chēng)BNR）技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是以天然微生物來(lái)去除廢水中的氮（nitrogen）和磷（phosphorus），確保被排放到湖泊與河流的水質(zhì)潔凈，不會(huì)對(duì)天然生態(tài)構(gòu)成威脅，也促進(jìn)了水的再循環(huán)使用。,經(jīng)過(guò)40年的努力，現(xiàn)在全球有上千個(gè)廢水處理廠采用了巴納德博士發(fā)明的生物脫氮除磷技術(shù)，而我國(guó)在清除廢水中的氮也采納了巴納德博士的技術(shù)。他獲得了11年的李光耀水源獎(jiǎng)。 李光耀水源獎(jiǎng)的評(píng)審之一、中國(guó)清華大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)陳吉寧教授認(rèn)為，要好好保護(hù)水資源，關(guān)鍵不在治水，更多在于人為管理和心態(tài)。 陳教授相信，只有當(dāng)人們學(xué)會(huì)如何謹(jǐn)慎用水后，水資源的危機(jī)才能真正解決。,水污染到了非常嚴(yán)重的程度,,國(guó)際較為流行的生物修復(fù)法一般是采用食藻動(dòng)物或菌群來(lái)控制藻類(lèi)的生長(zhǎng)速度和總量,,七、廢水生物脫氮技術(shù),廢水中的氮以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在 1、微生物脫氮原理 異養(yǎng)型微生物將污水的含氮有機(jī)物氧化分解為氨氮，然后通過(guò)自養(yǎng)型硝化細(xì)菌將其轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮， 再經(jīng)反硝化細(xì)菌將硝態(tài)氮還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。 氨化反應(yīng)：有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮 硝化作用： 反硝化作用：,,1）氨化作用 含氮有機(jī)物經(jīng)微生物降解釋放出氨的過(guò)程。 RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3 好氧或厭氧 細(xì)菌、霉菌,硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過(guò)程。,總反應(yīng)式為：,硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)率低，對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有機(jī)負(fù)荷等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。,2）硝化反應(yīng)：,,常見(jiàn)的亞硝酸細(xì)菌： 亞硝化單胞菌、嚴(yán)硝化球菌、亞硝化管菌、亞硝化黏菌、亞硝化球膽菌等。 常見(jiàn)的硝酸細(xì)菌： 硝化菌、硝化球膽菌、硝化球菌、硝化螺旋菌等。,,反硝化反應(yīng)是指在無(wú)氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。,反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在有氧存在時(shí)，它會(huì)以O(shè)2為電子進(jìn)行呼吸；在無(wú)氧而有NO3-或NO2-存在時(shí)，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。,總反應(yīng)式為：,3）反硝化反應(yīng)：,,在反硝化菌代謝活動(dòng)的同時(shí)，伴隨著反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，即菌體合成過(guò)程，反應(yīng)如下：,式中：C5H7O2N為反硝化微生物的化學(xué)組成。 反硝化還原和微生物合成的總反應(yīng)式為：,從以上的過(guò)程可知，約96的NO3-N經(jīng)異化過(guò)程還原，4經(jīng)同化過(guò)程合成微生物。,,在反硝化反應(yīng)中，最大的問(wèn)題就是污水中可用于反硝化的有機(jī)碳的多少及其可生化程度。,,2、影響脫氮的因素 溶解氧、溫度、酸堿度、污泥齡以及碳源等。 1）溶解氧 硝化過(guò)程須在好氧條件下進(jìn)行。在低溶解氧條件下，易產(chǎn)生大量的N2O等代謝產(chǎn)物，應(yīng)保持在1.22.0mg/L 。反硝化過(guò)程需在較為嚴(yán)格的缺氧條件下進(jìn)行，溶解氧應(yīng)控制在0.5 mg/L以下。,,2）溫度 硝化反應(yīng)的最適溫度為30-35，15以下時(shí)，硝化反應(yīng)速度下降，5時(shí)完全停止；反硝化過(guò)程最宜溫度為35-45度，低于3度，幾乎停止。 3）酸堿度 硝化過(guò)程pH下降，反硝化過(guò)程pH上升。硝化的適宜pH為7.5-8.5、反硝化的為6.5-7.5。一般控制生物脫氮系統(tǒng)在6.58.0之間。,4）碳源 硝化菌是化能自養(yǎng)菌，一般不需要有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物。反硝化時(shí)碳源種類(lèi)不同影響反硝化速率。甲醇、乙醇、葡萄糖為碳源，反硝化速率快。 5）污泥齡 生物脫氮過(guò)程中，污泥齡一般控制在3-5天，最高時(shí)可達(dá)10-15天。污泥齡較長(zhǎng)可增加微生物硝化能力，減輕有毒物質(zhì)的抑制作用，但也會(huì)降低污泥的活性。,,3、污水脫氮工藝,在污水處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化過(guò)程可與各種方式組合在一起。主要包括六個(gè)組成部分。缺氧反應(yīng)器是脫氮的主體，細(xì)菌在這里以外加的有機(jī)物作為電子給體，以硝酸鹽氮作為電子受體將氮去除。 需氧反應(yīng)器的作用有三個(gè)。 吹脫水中氮?dú)?，以防沉淀池污泥上?。?在需氧條件下去除水中剩余的有機(jī)物，以提高出水水質(zhì)； 提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀池中產(chǎn)生脫氮作用。,,有機(jī)物投加設(shè)備是脫氮系統(tǒng)中特有的，目的是提供足夠的電子給體 按工藝中硝化反應(yīng)器類(lèi)型，分為微生物懸浮生長(zhǎng)型（活性污泥法及其改良）和微生物附著型（生物膜反應(yīng)器）。,（4）生物脫氮的工藝流程 、傳統(tǒng)脫氮工藝,活性污泥法傳統(tǒng)脫氮工藝 （三級(jí)生物脫氮系統(tǒng)）,第一級(jí)曝氣池的功能： 碳化去除BOD5、COD； 氨化使有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮； 第二級(jí)是硝化曝氣池，投堿以維持pH值； 第三級(jí)為反硝化反應(yīng)器，可投加甲醇作為外加碳源或引入原廢水。 優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)物降解菌、硝化菌和反硝化菌分別在各自的反應(yīng)池內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，并且有各自的沉淀池和回流設(shè)施，氨化、硝化、反硝化分別在各自的反應(yīng)池中進(jìn)行，反應(yīng)速率較快且較徹底； 缺點(diǎn)是處理設(shè)備多，造價(jià)高，運(yùn)行管理較為復(fù)雜。,、兩級(jí)活性污泥法脫氮工藝,兩級(jí)活性污泥法脫氮系統(tǒng) （兩級(jí)生物脫氮系統(tǒng)）,將前兩級(jí)BOD去除和硝化兩道反應(yīng)過(guò)程合在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，第一級(jí)池去除BOD，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3、NH4+，同時(shí)使NH3、NH4+進(jìn)一步氧化成NOx-N。第二級(jí)池在缺氧條件下，將NOx-N還原為氮?dú)狻?碳源，既可投加CH3OH（甲醇）亦可引入原廢水作為碳源。 優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)速率大，而且比較徹底。 缺點(diǎn)是處理設(shè)施多，占地面積大，造價(jià)高，管理不夠方便，因此在實(shí)踐中采用比較少。,、缺氧好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)（AO工藝）,將反硝化反應(yīng)器放在了系統(tǒng)的前端。 反硝化、硝化和去碳在兩個(gè)不同的反應(yīng)器分別完成。,特點(diǎn) （1）進(jìn)行反硝化反應(yīng)時(shí)，利用原廢水中的有機(jī)物直接作為有機(jī)碳源，將從好氧反應(yīng)器回流回來(lái)的含有硝酸鹽的混合液中的硝酸鹽反硝化成為氮?dú)猓?（2）反硝化反應(yīng)器中產(chǎn)生的堿度進(jìn)入好氧硝化反應(yīng)器，補(bǔ)償硝化反應(yīng)過(guò)程中所需消耗堿度的一半左右；,,（3）硝化反應(yīng)器設(shè)置在后端，也可以使反硝化過(guò)程中殘留的有機(jī)物得以進(jìn)一步去除，無(wú)需增建后曝氣池。 在A/O工藝中，回流比的控制非常重要，回流比過(guò)低，會(huì)使脫氮池中的BOD/NO3-過(guò)高，導(dǎo)致反硝化菌因無(wú)充足的NO3-作電子受體而影響反硝化的速率，更重要的是出水硝態(tài)氮濃度高；反之，若回流比過(guò)高，則BOD/NO3-過(guò)低，反硝化的作用因得不到足夠的碳源而受抑制。一般控制回流比為35Q。,,,優(yōu)點(diǎn)： 工藝中只設(shè)一個(gè)污泥回流系統(tǒng)，好氧菌、硝化菌和反硝化菌都處于缺氧好氧交替的環(huán)境中，構(gòu)成一個(gè)混合菌群，有利于改善污泥沉降性能，控制污泥膨脹； 可得用前置的反硝化過(guò)程所產(chǎn)生的堿度補(bǔ)償約50%的硝化過(guò)程所消耗的堿度，因此對(duì)含氮濃度不高的廢水可不必另行投藥調(diào)節(jié)pH值。 缺點(diǎn)：是二沉池中可能發(fā)生反硝化反應(yīng)，使污泥上浮，影響出水水質(zhì)。,,、氧化溝工藝,氧化溝功能分區(qū)示意圖,由于氧化溝的運(yùn)行工藝特征，會(huì)在其反應(yīng)溝渠內(nèi)的不同部位分別形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)，使得氧化溝內(nèi)的活性污泥分別經(jīng)過(guò)好氧區(qū)和缺氧區(qū)，從而可以實(shí)現(xiàn)生物脫氮功能。,,C、生物膜脫氮法 包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、生物流化床等，但是技術(shù)不是太成熟，多處于小試、中試及半生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)階段。一般將硝化和反硝化分離開(kāi)來(lái)。,