城市生活污水的生物处理及检测

城市生活污水的生物处理及检测_生物工艺学实验指

实验四　城市生活污水的生物处理及COD/BOD检测

一、背景知识

（一）城市生活污水简介

生活污水（Domestic sewage）是指城市里的机关、学校和居民在日常生活中产生的废水，包括厕所粪尿、洗衣洗澡水、厨房等家庭排水以及商业、医院和游乐场所的排水等。人类生活过程中产生的污水，是水体的主要污染源之一。主要是粪便和洗涤污水。城市每人每日排出的生活污水量为150～400L，每人污水的排放量与生活水平、生活习惯和生活区域密切相关。生活污水中含有大量有机物污染，如纤维素、淀粉、糖类、脂肪和蛋白质等；生物污染，如病原菌、病毒、寄生虫和虫卵等；无机物污染，如氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐、钠、钾、钙和镁等。由于生活污水中含有较高的氮、硫和磷等元素，排放到水体中会造成富营养化，造成水体二次污染。生活污水在厌氧微生物的作用下，易生成恶臭物质，对空气环境产生不良影响。随着人民生活水平的提高和环保意识的加强，对生活污水处理的需求也与日俱增，对污水处理的技术需求也日益急迫，利用微生物对污水中的污染物进行无害化降解甚至资源化利用，前景广阔。

（二）城市生活污水的危害

城市污水来源广泛，不同来源的污水存在不同的潜在危害，主要包括：

1.水体和土壤污染

有机物进入水体后，通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质（二氧化碳和水），在分解过程中需要消耗水中的溶解氧，在缺氧条件下污染物就发生腐败分解、恶化水质。水体中需氧有机物越多，耗氧也越多，水质也越差，水体污染越严重。污水中的氮、磷等物质还会造成水体的富营养化污染，水生生态系统的富营养化通过两种途径发生：一种是含植物无机营养物质的化学污染物直接向水体排放；另一种是通过分解者对化学污染物的作为而使得有机物增加。酸、碱污染，破坏水体中pH缓冲作用，消灭或抑制原生态环境中微生物的生长，妨碍水体自净，还可腐蚀桥梁、船舶、渔具等。酸与碱同时进入同一水体，中和之后可产生某些盐类，又形成了水体的新污染物，并影响水的硬度。无机盐的增加可改变水体渗透压，影响淡水生物的正常生长。在盐碱化地区，地表水和地下水中的盐将进一步危害土壤质量。污染水的排放和自流同时会造成土壤的污染，进而影响农作物产品的质量，甚至造成农作物污染。

2.空气污染

恶臭是一种普遍的污染危害，它也发生于污染水体中。人能嗅到的恶臭多达四千多种，危害大的有几十种。恶臭的危害主要体现在：妨碍正常呼吸功能，使消化功能减退；精神烦躁不安，工作效率降低，判断力、记忆力降低；长期在恶臭环境中工作和生活会造成嗅觉障碍，损伤中枢神经、大脑皮层的兴奋和调节功能；某些水产品染上了恶臭无法食用、出售；恶臭水体不能游泳、养鱼、饮用，破坏了水的用途和价值；恶臭中的硫化氢和甲醛等挥发性物质还会造成对人体的直接毒害。

3.病原物及有毒物污染

病原物污染源主要来自城市生活污水、医院污水、垃圾及地面径流等。病原微生物的主要特点是：数量大，分布广，存活时间较长，繁殖速度快，易产生抗性，难以消灭。传统的二级生化污水处理及加氯消毒后，某些病原微生物、病毒仍能大量存活。此类污染物还可通过多种途径进入人体，引起个体的疾病和群体传播。包括重金属和有机物等有毒物质污染种类繁多，其共同特点是对生物有机体的毒性危害。

（三）城市生活污水主要处理工艺

随着人们生活水平的提高，生活污水排放越来越严重，也相应地衍生出了各种针对性的处理工艺，并不断改进和完善。主要包括：

1.化学强化生物除磷污水处理工艺

我国的主要河流和湖泊受磷污染，富营养化严重，中华人民共和国环保部为控制和减低磷污染，对磷排放制定了比较严格的标准。本工艺以除去污水中有机污染物和各种形态的磷为主，将化学除磷和生物除磷一体化进行，通过厌氧消化生物系统中活性污泥产生挥发性有机酸，作为聚磷菌生长的营养物，使聚磷菌在活性污泥中选择性增殖，并将其回流到生物系统中，使生物污水处理系统保持在高效除磷状态，同时污泥在厌氧条件下产生的磷释放，通过化学除磷消除。

2.循环间歇曝气污水处理工艺

循环间歇曝气工艺具有高负荷氧化沟处理效率高的优点，又能充分利用序批式活性污泥污水处理工艺出水好的特点，保证了系统出水除去有机污染物的国家污水排放一级标准的要求。在投资和运行费用上比通常以除去有机污染物为主的二级生物污水处理系统降低30%左右，适合环保资金投入相对较少地区的污水处理工艺要求。

3.旋转接触氧化污水处理工艺

在生物转盘技术基础上，结合生物接触氧化技术优势发展起来的新一代好氧生物膜处理技术。该工艺技术和成套设备整个污水处理系统中的转轴是唯一的转动部分，便于机械人员维修。系统生物量可根据有机负荷量而自动补偿。当污水中的有机物增加时，附在转盘上的微生物随之增加，反之，随之减少。由于生物系统中生长的微生物种类多，能够高效处理各种难降解工业污水。该污水处理系统的工作效果不容易受到流量和负荷的突然变化和停电的影响，运行费用低，占地面积小。

4.连续循环曝气系统工艺（Continuous Cycle Aeration System，CCAS工艺）

该工艺是一种连续进水式SBR（Sequencing Batch Reactor，序批式处理法）曝气系统，是在SBR的基础上改进而成。SBR工艺由于人工操作管理太烦琐、监测手段落后及曝气器易堵塞等问题而难以在大型污水处理厂中推广应用，曾被普遍认为适用于小规模污水处理厂。随着自动控制技术和监测技术的飞速发展，新型不堵塞的微孔曝气器研制成功，为广泛采用间歇式处理法创造了条件，随着技术的革新和进步，目前CCAS已成为最先进的电脑控制的生物除磷、脱氮处理工艺。该种处理工艺都有微生物的参与。微生物是一个具有多功能的化学反应的群体，能够完成各种各样的化学反应，对于污水中难降解的污染物具有联合降解的群体优势，所以，微生物对污水的净化具有巨大的潜力。微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡自然界中存在的有机物，几乎都能被微生物所分解。

化学需氧量（COD）反映了水中受还原性物质污染的程度，这些还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等，是水中有机物相对含量的指标之一。生活污水与工业废水含有大量有机物，这些有机物在水体中分解时要消耗大量溶解氧，从而破坏水体中氧的平衡，使水质恶化。生化需氧量（BOD）是属于利用水中有机物在一定条件下所消耗的氧，用来表示水体中有机物的含量的一个重要指标。

二、实验目的

1.掌握COD/BOD测定的基本原理。

2.学会COD/BOD测定的流程和方法。

三、实验原理

城市生活污水具备微生物生长繁殖的条件和营养物质，因而微生物能从污水中获取养分，同时利用和降解有害物质，从而使污水得到净化。微生物在污水净化和治理中得到广泛应用，具有效率高、成本低、处理彻底等优势。

生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD），又称生化耗氧量（5日化学需氧量），是一种环境监测指标，主要用于监测水体中有机物的污染状况。表示水中有机物等需氧污染物质含量的一个综合指示。BOD是指在规定的条件下，微生物分解水中的某些可氧化的物质，特别是分解有机物的生物化学过程消耗的溶解氧，如果水中的溶解氧不足以供给微生物的需要，水体就处于污染状态。通常情况下是指水样充满完全密闭的溶解氧瓶中，在20℃的暗处培养5d，分别测定培养前后水样中溶解氧的质量浓度，由培养前后溶解氧的质量浓度之差，计算每升样品消耗的溶解氧量，以BOD5形式表示。其单位用ppm或mg/L表示。其值越高，说明水中有机污染物质越多，污染也越严重。

化学需氧量（COD）是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时所消耗的氧化剂的量，是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等，这些是造成水体污染的主要成分。COD包括可生化和不可生化有机物，还有可还原性无机物氧化所需的氧，BOD/COD的数值小于1。

COD和BOD是评价水污染程度和排放标准的重要指标。

四、实验材料

1.材料及试剂

活性污泥（或复合菌群）、模拟生活污水（或环境中生活污水）、葡萄糖、可溶性淀粉、蛋白胨、酵母膏、KH2PO4、mgSO4、FeSO4·7H2O、Na2CO3、Na3PO4、（NH4）2SO4、尿素。

2.仪器及器皿

生化恒温培养箱、水浴恒温振荡器、BOD测定仪、COD多参数测定仪、烧杯、分析天平、紫外分光光度计等。

五、实验方法与步骤

（一）实验步骤

1.复合微生物菌群的扩大培养

在微生物处理污水前，应对复合微生物菌群进行活化和扩大培养，促进其生长繁殖，提高其活性和浓度，从而能够更好地应用于污水处理。

亦可直接将活性污泥加入模拟生活污水（或环境中生活污水）进行生化处理。

2.生活污水的生化处理

配制模拟生活污水，加入微生物反应器内并加入一定量的菌悬液（或活性污泥），搅拌通气，观察微生物的运行效果，并测定不同时间段的COD/BOD值，记录变化数据。

3.校园湖水水样COD/BOD的测定

在校园各水域取样，测量各水样的COD/BOD，并比较各取水点的水质情况。

（二）实验方法

1.模拟生活污水的配制

按照表2-4-1的配比配制生活污水。配制完成后需要实测其水质参数。实际配置是按照理论各物质量的10倍处理，试验用每份2L。将所配溶液均分为5份。

表2-4-1　模拟城市生活污水各组分配比

2.复合微生物菌群的扩大培养

配制扩大培养基：蛋白胨5.0173g，酵母膏4.9987g，去离子水1L。取1个250mL的锥形瓶，加入扩大培养基200mL，调节pH 6～8，用滴管吸取一滴微生物母液，放入锥形瓶中，搅拌均匀后放入水浴恒温振荡器中25℃培养1d，即可作为接种菌悬液。

3.化学需氧量（COD）的测定

COD是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，用氧的mg/L表示。COD反映了水中受还原性物质污染的程度。这些还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐和硫化物等。COD是水中有机物相对含量的指标之一。COD利用重铬酸钾法进行测定。

（1）原理

在水样中加入已知量的重铬酸钾溶液，在强酸介质下，以银盐作催化剂，用试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵溶液滴定水样中未被还原的重铬酸钾由消耗的硫酸亚铁铵的量换算成消耗氧的质量浓度。

在酸性重铬酸钾条件下，芳烃及吡啶难以被氧化，其氧化率较低。在硫酸银催化作用下，直链脂肪族化合物可有效地被氧化。

（2）干扰及消除

氯离子能被重铬酸盐氧化，并且能与硫酸银作用产生沉淀，影响测定结果，故在回流前向水样中加入硫酸汞，使成为络合物以消除干扰.

（3）仪器

回流装置：带250mL锥形瓶的全玻璃回流装置，包括磨口锥形瓶、冷凝管、电炉或电热板和橡胶管。

50mL酸式滴定管。

（4）试剂

重铬酸钾溶液（1/6K2Cr2O7＝0.25mol/L）：称取预先在105℃烘干2h的基准或优级纯重铬酸钾12.258g，溶于水中，移入1000mL的容量瓶中稀释至1000mL。

试亚铁灵指示液：称取1.485g邻菲啰啉（C12H8N2·H2O），0.695g硫酸亚铁溶于水中，稀释至100mL，贮于棕色瓶中。

硫酸亚铁铵标准溶液［（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O≈0.1mol/L］：称取39.5g硫酸亚铁铵溶于水中，边搅拌边缓慢加入20mL浓硫酸，冷却后移入1000mL的容量瓶中，稀释至标线，摇匀。用前，用重铬酸钾标定。标定方法为：准确吸取10mL重铬酸钾标液于250mL锥形瓶中，加水稀释至100mL左右，缓慢加入30mL浓硫酸，混匀。冷却后，加入3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵溶液滴定，溶液颜色由黄色经蓝绿至红褐色即为终点。记录下硫酸亚铁铵溶液的消耗量（mL）。

硫酸亚铁铵标准滴定溶液浓度的计算：

式中：V—滴定时消耗的硫酸亚铁铵标准溶液的用量，mL；

　硫酸—硫酸银：于500mL浓硫酸中加入5g硫酸银，放置1～2d使溶解；

　硫酸汞：结晶或粉末。

（5）测定步骤

取20mL混匀水样置回流锥形瓶中→加入约0.4g硫酸汞→准确加入10.00mL重铬酸钾标液和小玻璃珠→再缓慢加入30mL硫酸—硫酸银溶液→摇匀，连接冷凝管，加热沸腾回流2h→冷却后，从冷凝管加入90mL蒸馏水→取下锥形瓶，加入3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标液滴定由黄色经蓝绿色至红褐色为终点。记录硫酸亚铁铵标液的用量。计算公式如下：

式中：V0—取样的体积，mL；

　C—硫酸亚铁铵标准滴定溶液的浓度，mol/L；

　V1—滴定空白时消耗硫酸亚铁铵标准滴定溶液的量，mL；

　V2—滴定水样时消耗硫酸亚铁铵标准滴定溶液的量，mL；

　8000—1/4O2的摩尔质量以mg/L为单位的换算值，g/mol。

（6）微生物COD的去除率计算

微生物COD的去除率是指污水加入微生物后，一定时间以后，微生物降低COD值与加入微生物后COD的比值。

注意：加入H2SO4-Ag2SO4前，一定要加玻璃珠，以免引起暴沸。

COD的结果要保留三位有效数字。

对未经稀释的水样COD大于700时，要进行适当稀释后再进行测定。

用邻苯二甲酸氢钾标准溶液检查试剂的质量和操作水平，由于每克邻苯二甲酸氢钾的理论COD值为1.176g，所以溶解0.4251g干燥过的邻苯二甲酸氢钾（HOOCC6H4COOK）于重蒸馏水中，转入1000mL容量瓶中，稀释至标线，使之成为500mg/L CODCr标准溶液。

4.五日生化需氧量（BOD5）的测定

生活污水与工业废水含有大量有机物，这些有机物在水体中分解时要消耗大量溶解氧，从而破坏水体中氧的平衡，使水质恶化。生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand after 5days，BOD5）是在规定条件下，水中有机物和无机物在生物氧化作用下所消耗的溶解氧（以质量浓度表示）的量，用来表示水体中有机物的含量的一个重要指标。BOD5的经典测定方法是稀释接种法。

（1）方法原理

将水样注满培养瓶，塞好后应不透气，将瓶置于恒温培养箱内培养5d，分别测定样品培养前后的溶解氧，两者之差可算出每升水消耗掉氧的质量，即BOD5值，以氧的mg/L表示。

在测定BOD5的同时，需用葡糖糖和谷氨酸标准溶液完成验证试验。

本方法适用于测定BOD5范围在2mg/L＜CBOD5＜6000mg/L，当大于6000mg/L时，会因稀释带来误差，有必要对测定结果作慎重说明。

（2）仪器

恒温培养箱；5～20L细口玻璃瓶；1000～2000mL量筒；玻璃棒；溶解氧瓶（碘量瓶），250～300mL。

（3）试剂

磷酸盐缓冲溶液：将8.5g磷酸二氢钾（KH2PO4），21.75g磷酸氢二钾（K2HPO4），33.4g七水合磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）和1.7g氯化铵（NH4Cl）溶于水中，稀释至1000mL，此溶液pH值为7.2。

硫酸镁溶液：将22.5g七水合硫酸镁（mgSO4·7H2O）溶于水中，稀释至1000mL。

氯化钙溶液：将27.5g无水氯化钙溶于水中，稀释至1000mL。

氯化铁溶液：将0.25g六水合氯化铁（FeCl3·6H2O）溶于水，稀释至1000mL。

盐酸溶液（0.5mol/L）：将40mL浓盐酸溶于水，稀释至1000mL。

氢氧化钠溶液（0.5mol/L）：将20g氢氧化钠溶于水，稀至1000mL。

葡萄糖-谷氨酸标准溶液：将葡萄糖和谷氨酸在103℃干燥1h后，各称取150mg溶于水中，移入1000mL容量瓶中稀释至标线，临用前配制。

稀释水：在5～20L玻璃瓶中装入一定量的水，控制水温在20℃左右，用曝气机曝气2～8h，使稀释水中的溶解氧接近饱和。瓶口盖两层纱布，置于20℃培养箱内放置数小时，使水中溶解氧含量达到8mg/L左右。临用前向每升水中加入氯化钙、硫酸镁、氯化铁、磷酸缓冲液各1mL，混匀。

（4）接种液可选用以下几种

①一般生活污水，放置一昼夜，取上清液。

②表层土壤水，取100g花园或植物生长土壤，加1L水，静置10min，取上清液。

③污水厂出水。

④含有城市污水的河水或湖水。

（5）接种稀释水

每升稀释水中接种的加入量：生活污水1～10mL；表层土壤水20～30mL；河水或湖水10～100mL。接种稀释水pH值为7.2，配制后应立即使用。

（6）水样的测定

①不经稀释的水样的测定。

将混匀水样转移入两个溶解氧瓶中（转移中不要出现气泡），溢出少许，加塞，瓶内不应留气泡。

其中一瓶随即测定溶解氧，另一瓶口水封后放入培养箱，在（20±1）℃下培养5d。

5d后，测定溶解氧。

②经稀释水样的测定。

一般稀释法：

按选定的稀释比例，在1000mL量筒内引入部分稀释水；

加入需要量的混匀水样，再引入稀释水（或接种稀释水）至800mL；

用带胶板的玻璃棒上下搅匀。搅拌时胶板不要露出水面，防止产生气泡；

将水样装入两个溶解氧瓶内，测定当天溶解氧和培养5d后的溶解氧。

稀释水同样培养作空白实验，测定5d前后的溶解氧。

（7）结果计算

被测定溶液若满足以下条件，则能获得可靠的测定结果。培养5d后，剩余DO≥1mg/L；消耗DO≥1mg/L。若不能满足以上条件，一般应舍掉该组结果。

5日生化需氧量（BOD5）以每升消耗氧的毫克数表示，由下式算出：

式中：C1—在初始计时一种试验水样的溶解氧浓度，mg/L；

　C2—培养5d时同一种水样的溶解氧浓度，mg/L；

　C3—在初始计时时空白溶液的溶解氧，mg/L；

　C4—培养5d时空白溶液的溶解氧，mg/L；

　Ve—制备该试验水样用去的样品体积，mL；

　Vt—该试验水样的总体积，mL。

若有几种稀释比所得数据皆符合“培养5d后，剩余DO≥1mg/L，消耗DO≥1mg/L”的条件，则几种稀释比所得结果皆有效，以其平均值表示检测结果。

（8）微生物BOD的去除率

微生物BOD的去除率是指污水加入微生物一定时间以后，微生物降低BOD值与加入微生物后BOD的比值。

注意：

水样pH值应在6.5～7.5，若超出可用盐酸或氢氧化钠调节pH近于7。

水样在采集和保存及操作过程中不要出现气泡。

水样稀释倍数超过100时，要预先在容量瓶中用蒸馏水稀释，再取适量进行稀释培养。

检查稀释水和接种液的质量和化验人员的水平，可将20mL葡萄糖-谷氨酸标液用稀释水稀至1000mL，按BOD的步骤操作，测得的值应在180～230mg/L，否则，应找出原因所在。

在培养过程中注意及时添加封口水。

六、实验结果与分析

1.污水生化处理期间，每天观察现象、做好记录。

2.由COD和BOD的测量学会分析水质的不同品质和对生活污水的处理程度进行表征。