废水生物处理基本原理-好氧生物处理原理

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。

微生物 CO2、H 内源呼吸 生物残渣 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，内源呼吸是不显著的。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①式所示为有机物的氧化（即分解代谢），②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

① 溶解氧（DO）： 约1~2mg/l；

② 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

响。

③ 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；

④ pH值：一般好氧微生物的最适宜pH在6.5~8.5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。

⑤ 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；

⑥ 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；

⑦ 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

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 6.0-8.0）。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 −→

乙醇

理论化学方程式:

5C2H5OH + 12NO3 −→

乙酸

理论化学方程式: 5HCO3 + OH + 7H2O + 3N2 10HCO3 + 2OH + 9H2O + 6N2

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：

① 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8.0~8.4)；

② 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；

③ 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；

④ 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)；

⑤ 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NO2--N或NO3--N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，NO2--N或NO3--N中的N可以有两种

转化途径：① 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；② 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：NO3-+2[H]→NO2-+H2O

第二步：2H++2NO2-+6[H]→N2↑+4H2O

总反应：2H++2NO3-+10[H]→N2↑+6H2O

以甲醇为电子供体：

第一步：3NO3-+CH3OH→3NO2-+2H2O+CO2

第二步：2H++2NO2-+CH3OH→N2↑+3H2O+CO2

总反应：6H++6NO2-+5CH3OH→3N2↑+13H2O+5CO2

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2.9 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6.5~7.5，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0.5mg/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1.2.3-1：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