第五章污水处理新技术实践
第一节生物强化技术实践
1.什么是生物强化技术？
生物强化技术就是为了提高废水处理系统的处理能力而向废水生物处理系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法。它通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增加生物量，以强化对某一特定环境或特殊污染物的去除作用。投入的菌种与基质之间的作用主要有直接作用和共代谢作用。
2.高效菌种的作用机理是什么？
高效菌种的作用是通过高效菌种的直接作用和微生物的共代谢作用共同来完成的。
(1)高效菌种的直接作用这种作用机制首先需要通过驯化、筛选、诱变和基因重组等生物技术手段得到1株以目标降解物质为主要碳源和能源的高效微生物菌种，再经培养繁殖后，投放到具有目标降解物质的废水处理系统中。因此，当原处理系统中不含高效菌种时，如果投入一定量的高效菌种，则可有针对性地去除废水中的目标降解物质；当原处理系统中只存在少量高效菌种时，那么投加高效菌种后，可大大缩短微生物驯化所需要的时间。在水力停留时间不变的情况下，能达到较好的去除效果。
(2)微生物的共代谢作用所谓微生物的共代谢作用是指只有在初级能源物质存在时，才能进行的有机物的生物降解过程。共代谢过程不仅包括微生物在正常生长代谢过程中对非生长基质的共同氧化，而且也包括了休止细胞对不可利用基质的氧化代谢。微生物的共代谢作用可分为以下几种。
①以易降解的有机物为碳源和能源，提高共代谢菌的生理活性。
②利用目标污染物的降解产物、前体作为酶的诱导物，提高酶活性。
③不同微生物之间的协同作用。共代谢虽然能提高难降解有机物的去除效果，但机理十分复杂，迄今有很多问题尚处于研究阶段。许多难降解有机物的去除是通过共代谢途径进行的。
3.生物强化技术功能菌发挥作用有哪些方式？
在生物强化中，功能菌可通过直接作用实现强化，也可通过水平基因转移(HGT)间接实现强化。
(1)直接作用直接作用是指特定功能微生物加入生物处理系统后，通过自身的增殖和代谢去除目标污染物以改善系统处理能力。这种方式最普遍，研究较多，就目前研究成果来看，也最具应用价值。按功能菌投加到处理系统后存在的形式，可简单分为简单投加、与载体联合及包埋固定三种工艺。
①简单投加实现强化简单投加是指在以活性污泥为功能单位的工艺及反应器中投加功能菌种，投加后这些菌种以游离或悬浮状态存在。这种工艺简单、易于操作，在进行操作时既可用单一微生物进行投加，也可用混合菌投加。用单一菌进行生物强化，具有菌种培养简单、成本相对较低等优点，并且在效果评价及工艺改进方面也较方便，受到了一些研究者的青睐。
但当废水中含有较多种类难降解污染物时，混合菌或微生物制剂可能更有优势。这是由于混合菌不仅可以通过协同作用降解单一菌种不能完全降解的污染物，并且在混合菌中相同功能的微生物之间，在一种失去作用时，另一种可继续维持对目标物的降解，这都预示着混合菌有更强的降解能力和对环境的适应能力。
简单投加方式可明显提高系统对目标物去除能力和增强系统耐负荷冲击能力，并且在提升系统整体处理能力方面也有很好的表现，能满足一些现有污水处理厂升级及应急的需要。同时它也有自身的不足，例如投加菌种流失密度高，与土著微生物竞争时处于劣势或被其他微生物(如原生动物)吞噬等。这都会影响强化菌在处理系统中的稳定存在，致使强化效果不能稳定保持，常需要周期性补加强化菌种。
②与载体联合实现强化与载体联合是指强化菌引入处理系统后附着在载体上，结合载体所形成阻滞及剪切作用共同提高系统的整体处理能力。该工艺功能有以下几个。
a.载体不仅可为微生物附着和生存提供支持物，且形成生物膜后由于膜的附着和截流作用，还能极大减少微生物的流失密度，使系统能维持较高的生物量，缩短系统启动时间和使其获得稳定的处理能力。
b.形成膜后功能菌附着于载体上，出水中强化菌的流失密度极大减少，降低了生态风险，为基因工程菌在废水处理中的应用提供了支持和途径。
c.载体所形成的剪切作用可使气泡、溶解性物质及胶体悬浮物更充分地分散，使微生物与营养和污染物更好地接触，提高系统处理效率。此工艺的关键点是载体上强化菌的数量。为了增加载体上强化菌的数量，研究者多是通过在废水生物处理系统安装或者投加载体后，在尽量除去其他微生物的前提下，再配以合适的营养及环境条件让功能菌在载体上挂膜，之后再应用到废水处理中。
③包埋固定实现强化包埋固定通常是利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋于其内部形成，该法操作简单，对细胞活性影响较小，制作的固定化细胞球的强度较高，是目前研究最广泛的固定化方法。此技术的应用不仅能提高系统处理能力，也能增强系统对环境条件变化的适应性。原因可能有以下几个。
a.固定剂形成的微球囊结构并不影响营养物质和小分子污染物的进出，但可阻止强化菌流出和土著微生物进出，从而减少强化菌的流失和被原生动物的吞噬作用能维持较高的生物量。
b.微球囊结构对水质、环境条件的变化还能起到一定的缓冲作用。可以想象包埋固定技术相当于是由几乎不相互作用的两部分菌群共同在发挥作用，即微球囊中的功能菌和原废水处理系统中的土著微生物。
(2)利用HGT间接实现生物强化HGT是指不同的生物个体之间或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。能够发生HGT，且能够在受体细胞中稳定地表达传代的遗传物质称为可移动遗传因子(mobilegeneticelements)，一般分为质粒和线状DNA两大类，包括有噬菌体类DNA、质粒、转座DNA和基因岛等。
用其进行生物强化是指将含有降解基因的微生物加入生物处理体系后，利用微生物之间的HGT作用使土著微生物获得所投加菌的降解特性，从而实现生物强化。由于土著微生物对处理系统环境及水质条件有很好的适应性，可克服直接强化时强化菌流失及对新环境的不适应性等缺点，因而，HGT被认为是一个在原位改进微生物特性、提升原废水处理系统性能的有效方式。
由于受引起HGT条件的制约，对HGT的研究主要集中在土壤体系和生物膜废水处理系统。这是因为细胞间的紧密接触和接触时间是影响HGT的关键因素。然而，由于操作条件的复杂性和人们对环境中基因转移的速率、环境因子对基因转移的影响了解不深入，目前，即使是在有利于HGT的生物膜处理系统上的研究进展也很缓慢。多数研究处于实验室阶段，在中试规模的实验中成功的例子很少。
4.生物强化有哪些作用？
(1)提高对目标污染物的去除效果。
(2)改善污泥性能，增强污泥活性，减少污泥产量。
(3)提高了系统的抗负荷冲击能力和稳定性。
(4)加快系统的启动速度。
5.在生产实践中如何进行高效菌制剂的培养及驯化？
向生化池中投加菌体活化制剂、高效菌制剂及营养物质，其间采用间歇式进水方式，直至达到设计水位；并适当调整进水量及曝气方式，进行高效菌种的培养和驯化。20d后实现连续进水，实现了系统的成功启动。连续进水期间，通过合理调控工艺运行条件，创造出高效菌生长和增殖的必要环境，使高效菌在很短的时间内就适应了多变的水质、水量变化，为进一步提高生化池出水水质提供保证。
6.在生物强化技术中的指示微生物与普通活性污泥法中的有何区别？
在生产调试过程中作者获得了一批珍贵的镜检照片，直观地给出了投加了高效工程菌制剂的在其中一系列生化系统(图4-1)与未经生物强化的二系列生化系统(图4-2)生物的存在状态及丰富程度。
7.如何控制生物膜反应器中生物膜的厚度以达到最佳的处理效果？
生物膜反应器中生物膜的厚度与反应器中气、水的冲刷强度有关。气与水的冲刷强度持续较大，则生物膜的机械脱落加快，厚度降低。而如果冲刷强度维持在一个适中的范围时，保持稳定的冲刷因素，则生物膜也会逐渐适应这种冲刷，其厚度也会维持在一个相对稳定的范围内。当生物膜的厚度超过一定厚度后，生物膜的内部将出现厌氧区，厌氧区的出现容易造成
8.生物强化技术在生产实践中的处理效果有哪些？
对有机污染物的处理效能有明显提高。通过对生化系统总进水和系列二次沉淀池出水进行的GC-MS分析、测定，可以得到投加高效菌种的系列比未投加高效菌种的系列对特征污染物具有更高的处理能力的结论。
由表4-1中可以很明显地看出，废水中有机物的种类和浓度经过生物强化工艺处理后都大大降低了，一系列出水中有机物的种类由进水中的种减少到28种，比运行状态最好的二系列多去除9种；其中炔烃类、芳香烃类、醚类、硝基苯类及腈类物质在出水中检测不到，充分说明了生物强化工艺污染物去除能力是相当强的。
9.生物强化有哪些主要控制参数？
生物强化技术的成功应用要充分考虑投菌量、投菌方式、水质、营养物质、反应器类型、生物安全性、可行性验证等多种因素。
10.生物强化技术在水污染治理中应用失败有何原因？
利用优势菌种对生化反应处理污水进行强化提高，该技术已提出多年。但实践证明，如果没有投加营养源或通过特殊反应器提供优势反应条件，单纯地靠接种驯化后难以保持生化系统的连续稳定运行，无法达到试验期间的运行效果。
(1)废水成分复杂，用生物强化技术的优势菌种本身不一定适应所有污染物，很难达到预期的目标和效果。
(2)连续运行生化反应系统进水的底质难以维持优势菌的生长所需。
(3)共存生物通过捕食竞争营养源等方式抑制了优势菌的生长繁殖。
(4)投菌量以及投菌方式、运行方式的不当导致了菌体的流失。
(5)pH值、环境温度等不利环境因素的影响都会造成优势菌种的损失。
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第二节生物倍增技术实践
11.生物倍增技术的基本原理是什么？
生物倍增(Bio-Dopp)工艺技术是德国恩格拜环保技术公司在污水处理领域内30多年的科学研究和实践经验积累的基础上开发出的一项世界领先的污水处理技术。
生物倍增工艺主要是通过采用德国恩格拜环保技术公司研发的特殊材料制成的可防止堵塞的Bio-Dopp曝气系统、Bio-Dopp生物磷系统、Bio-Dopp空气提升系统及Bio-Dopp快速澄清装置，将生物硝化、反硝化、释磷、吸磷、有机物氧化、污泥消化、稳定，即生物脱氮除磷、有机物的氧化去除、污泥的消化稳定等各工艺全部协调在同一反应池内同时进行。
生物倍增工艺曝气池有两种基本形式：一种是普通曝气池，无填料；另一种是固定床结构。Bio-Dopp固定床由单一的分装置构成，由平直和波纹聚丙烯带焊接而成。在专用框架的支撑下，分装置也用作曝气软管的导向装置，这保证固定床范围内的曝气几乎百分之百地重新均匀分配。在运行过程中，在水流中向上流动的细小气泡不断更新其接触表面，使气体交换(即输入氧气而输出二氧化碳)增加到理想程度。Bio-Dopp曝气器，连同Bio-Dopp固定床，在处理池内形成各自分开的间隔，这些装置的安装形式驱使无数细小气泡同时均匀地通过固定床的槽沟。即使在负荷极高的污水处理厂内，这种特别的设计也能避免堵塞现象的发生。在固定床表面长成的生物泥，可轻易地在曝气器软管的清洗等过程中被冲洗干净。池内的水可能含有适量浓度的污泥，但不会影响固定床内生物泥的厚度。Bio-Dopp快速澄清器组合，能够浓缩池中悬浮的活性污泥，使处理性能达到常规工艺的两倍。组合内特别设计的槽沟构造改善了对向上流动的水流的过滤效果，使出水具有良好的澄清度，从而大大改善流出水的水质。
(1)生物倍增工艺的主要理论基础生物倍增工艺废水生物处理，主要有4个基本原则。
①在较高浓度的活性污泥中，培养尽可能多、生长速度慢的特殊菌种，来降解废水中难降解的有机物。
②进行大比例回流循环，并在每个循环过程中处理尽可能少的有机物，同时使进水与出水的浓度差尽可能达到最小，处理难度最低。
③由于微生物菌群和特性的改变，以及水力结构和快速澄清系统的特性，使得生物池中活性污泥浓度均匀稳定地达到8g/L以上。
④溶解氧浓度稳定地控制在0.3mg/L以下，溶解氧浓度的控制是通过溶解氧监测仪自控回路控制鼓风机风量来实现。
(2)除碳生物倍增工艺去除COD的理论基础和传统的好氧活性污泥反应的理论基础基本相同，都是微生物群体，利用水中的溶解氧，降解水中的有机物来提供自身能量并进行繁殖，从而使废水得到净化的过程。其反应动力学也符合莫诺模式，但工艺本身也对传统的好氧生物法进行了较大的改进。
有机物的氧化分解反应式如下：
原生物的同化合成(以氨为氮源)反应式如下：
(3)脱氮在生物倍增曝气池前半段，溶解氧都被微生物降解有机物所消耗，溶解氧浓度基本都为0～0.05mg/L，在池子后半段，负荷降低，溶解氧开始有富余，溶解氧为0.05～0.3mg/L，这样的溶解氧浓度条件，给硝化反硝化同时进行提供了一个最佳条件。氨氮硝化反硝化过程有短程硝化反硝化和全程硝化反硝化两种。全程硝化反硝化就是反硝化菌群利用
短程同时硝化反硝化生物脱氮过程，除了具备同时生物脱氮过程的一系列优点外，与全程硝化反硝化相比，还具备特有的一些优点。
①硝化阶段可减少25%左右的耗氧量，降低了能耗。
②反应时间短。
③具备较高的反硝化速率,
而全程硝化反硝化主要反应式如下：
生物倍增工艺去除COD的理论基础和传统的好氧活性污泥反应理论基本相同，都是微生物群体利用水中的溶解氧降解水中的有机物来提供自身能量并进行繁殖，从而使废水得到净化的过程。但工艺本身也对传统的好氧生物法进行了较大的改进。在生物倍增池内曝气区各处溶解氧均控制在0.3mg/L左右，均质的低溶解氧浓度环境给同步硝化反硝化同时进行提供了一个最佳的条件，在曝气区实现了彻底的脱氮过程，生物倍增池内的同步硝化反硝化以短程为主，从而在保证脱氮的前提下进一步降低了氧气和碳源的需求。
(4)除磷生物倍增工艺的生物除磷是靠污水中存在的一定量的某些细菌种群的生化作用来完成的。这些细菌包括不动杆菌属、假单胞菌属、气单胞菌属和棒杆菌属等，均属于异养型细菌，由于具有吸取磷的功能统称为聚磷菌，也称嗜磷菌。嗜磷菌交替地处于厌氧与好氧条件下，在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H3PO4和能量，吸收、黏附、吸附可溶性低分子量的可生化有机物(即碳源)，作为好氧吸取磷的能量贮存在细胞内；好氧状态时，碳源有机物被细菌所氧化，提供能量使嗜磷菌的细胞迅速增长和繁殖，从外部环境中将H3PO4摄入体内，摄入的H3PO4一部分用于合成ATP，另一部分则用于合成聚磷酸盐贮存在细胞内。嗜磷菌既释放又摄取磷的生理机能是靠其细胞所特有的酶来实现的，由于摄取的磷在数量上远远大于释放的磷量，在运行中将吸取了大量磷的细胞随污泥排掉，则达到生物除磷的目的。生物倍增池中分别设置厌氧段、好氧段，创造出一个好的厌氧—好氧—沉淀排放的循环过程，将污水中的磷随污泥排放。并且在厌氧和好氧状态下使活性污泥与污水充分混合，活性污泥始终处于悬浮状态，促使嗜磷菌的细胞与所要吸取的物质充分接触，以增加反应速率和加大吸取量。同时，曝气区良好的脱氮效果使得回流液中化合态氧
生物倍增工艺流程如图4-3所示。
12.生物倍增工艺的特点有哪些？
生物倍增工艺将整个污水处理过程巧妙地安排在一个反应池内进行，旨在为微生物提供良好的生存环境，提高效率。概括而言，生物倍增工艺具有以下特征。
(1)一体化结构使得建设污水处理厂占地减少，并节省土建投资。
(2)低溶解氧控制方式实现了同步脱氮。
(3)高效曝气系统及低溶解氧控制方式大大节省能耗。
(4)具有自清洗、防堵塞、不停车更换等特点的曝气系统。
(5)大比例循环稀释技术大大提高了工艺的耐冲击性。
(6)运行和监控过程简化使得运行高效、安全稳定。
13.生物倍增技术的工艺控制条件有哪些？
(1)溶解氧控制在生物倍增池中溶解氧浓度控制在0.3mg/L左右，溶解氧浓度主要是通过溶氧仪-鼓风机控制回路控制供风量的大小来对其进行控制。
(2)污泥浓度控制生物倍增反应池中的污泥浓度控制在6～10g/L。
(3)混合液回流控制通过调整空气推流器的气量来调整混合液回流比，正常情况下回流比大于30。在进水浓度较高时，空气推流器气量会增大，增大回流比，过程全部为自控，无需人工调节。
14.生物倍增工艺运行调试需要注意哪些方面？
(1)接种污泥首先开启试验装置鼓风机，开启曝气。将潜水泵放入配泥井，打开潜水泵电源开关，进水阀全开，将接种污泥引入试验池中，当液位淹没空气推流器的矮墙10cm时，开启空气推流器，使得池内能够进行循环流动，观察曝气系统、空气推流系统和快速澄清系统各个系统的运行状况。当池中泥水混合液充满有效容积达到80%时,关闭潜水泵电源开关，停止进泥。进泥过程中连续曝气，对进入池内的活性污泥进行闷曝，进泥结束后将潜水泵移回配水井准备开始进水。
(2)进水及联动试验打开潜水泵电源开关，进水阀微开，维持进少量污水(0.1m3/h)。
(3)监测开始进水后，应对试验系统水质进行监测，主要有COD、氨氮、pH值等指标。当池内可以进行循环时，还应在取样点1(空气推流器后)、取样点2(快速澄清区进水前)，分别取水样进行监测。
(4)出水监测所述数据，当取样点2的监测值达到计划出水要求时，开始少量进水，进水量应从设计水量的20%开始，逐渐上升(如每隔5d提高设计负荷的10%～20%，具体根据现场实际情况决定)，若上升过程中出现取样点2监测值大于设计出水要求，则减少进水量，将进水控制在0.2m3/h左右，当取样点2监测值达到设计出水要求时，逐渐增加进水量，使之至满负荷运转。
(5)系统调试在上述调试步骤的同时还应同时进行以下几项调试。
①空气推流系统调试。空气推流系统对于生化系统的回流量起决定作用，根据调试期间进水水质的变化逐步增大空气推流器的控制阀门开度，增大回流量，直至达到预期处理负荷后则不再手动调节空气推流系统，仅通过总气量的变化实现空气推流器和整个曝气系统的协同变化。
②框架式空气推流器需风量和淹没高度的确定。空气推流器的高低也决定推流能力的大小，但过深和过浅都影响整体的推流效果。通过观察曝气区隔板处水流速度调整空气推流器的合适高度。
③空气调节、溶氧仪测试及仪表系统调试。利用溶氧仪的读数调整供气管道调节阀，摸索阀门开度及流量与溶氧间的规律。为日后的稳定溶氧做好基本测试。
④快速澄清区反冲洗系统的测试。
第三节催化氧化技术
15.什么是高级氧化技术？
高级氧化技术是利用反应中产生的强氧化性的·OH作为主要氧化剂氧化分解有机物，进而处理有机废水的氧化方法，它具有如下特点。
(1)反应过程中产生大量活泼的·OH，其氧化还原电位为2.80V，·OH是反应的中间产物，可以诱发后面的链反应，·OH的电子亲和能是.3kJ/mol，可将饱和烃的H抽提出来，形成有机物的自身氧化，从而使有机物降解，这是各类氧化剂单独使用都做不到的。
(2)反应速率快，氧化速率常数一般为～m-1·s-1。
(3)适用范围广。
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