廢水生物處理的基本概念及生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).ppt

1、水污染控制工程,第3章 廢水生物處理的基本概念 和生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),目錄,第一節(jié) 廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理 第二節(jié) 微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境 第三節(jié) 反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù) 第四節(jié) 米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten） 方程式 第五節(jié) 莫諾特（Monod）方程式 第六節(jié) 廢水生物處理工程的基本數(shù)學(xué)摸式,第一節(jié) 廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理,一、微生物的呼吸類型 二、廢水的好氧生物處理 三、廢水的厭氧生物處理,一、微生物的呼吸類型,微生物的呼吸指微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)獲取能量的生理功能。 微生物的呼吸按呼吸過程與氧的關(guān)系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。,微生物的呼吸類型,二、廢水的

2、好氧處理,好氧生物處理指有分子氧存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物為無機(jī)物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。 處理對象：以膠體或溶解態(tài)存在的有機(jī)物。 適用范圍：中、低濃度有機(jī)廢水，或BOD5小于500mg/l的有機(jī)廢水。 特點(diǎn)：反應(yīng)速度較快，所需反應(yīng)時(shí)間較短，故處理構(gòu)筑物容積小，處理過程散發(fā)臭氣較少,圖11-1 好氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化示意圖,好氧生物處理是利用微生物的新陳代謝功能，把1/3有機(jī)物分解為無機(jī)物，把2/3有機(jī)物合成為微生物自身，當(dāng)活性污泥進(jìn)入二沉池時(shí)，作為剩余污泥排放，達(dá)到了有機(jī)物的穩(wěn)定化和無害化。,合成代謝方程式： CXHYOZ+NH3+O2 C5H7NO2+CO2+H2O-能

3、量,三、廢水的厭氧生物處理,在斷絕與空氣接觸的條件下，依賴兼性厭氧菌和專性厭氧菌的生物化學(xué)作用，對有機(jī)物進(jìn)行生物降解的過程，稱為厭氧生物處理法或厭氧消化法。 厭氧生物處理法的處理對象是：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。 適用范圍：有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（一般BOD52000mg/l） 特點(diǎn)：不需加氧，故運(yùn)行費(fèi)用低，剩余污泥少，可回收能量。缺點(diǎn)反應(yīng)速度慢，反應(yīng)時(shí)間長，處理構(gòu)筑物容積大。,圖3-2 厭氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化示意圖,廢水的厭氧生物處理可分為三個(gè)階段，大分子有機(jī)物（不溶性）小分子有機(jī)物（溶解性） 、無機(jī)物有機(jī)酸、無機(jī)物CH4、CO2、NH3、H2S，使有機(jī)

4、物得以降解和穩(wěn)定。,第二節(jié) 微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境,一、微生物的生長規(guī)律 按微生物的生長速度，其生長可分為四個(gè)期： 停滯期、 對數(shù)期、 靜止期、 衰老期。,停滯期：微生物的生長速度從零逐漸開始增加，細(xì)菌總數(shù)增加。出現(xiàn)于污泥培養(yǎng)馴化階段，或水質(zhì)發(fā)生變化、停產(chǎn)后又生產(chǎn)階段。 對數(shù)期：微生物以最大速度增長，細(xì)菌總數(shù)快速增加。當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，可能處于對數(shù)期。處于對數(shù)期的微生物降解有機(jī)物速度快，但沉降性能差。,靜止期：微生物生長速度開始下降，細(xì)菌總數(shù)達(dá)到平衡。當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度降低，污泥濃度較高時(shí)，微生物可能處于靜止期。此時(shí)污泥絮凝性好，二沉池出水水質(zhì)最好。 衰老期：微生物生長

5、速度變?yōu)樨?fù)值，細(xì)菌總數(shù)下降。當(dāng)有機(jī)物濃度低，營養(yǎng)物明顯不足，則可能處于衰老期。此時(shí)污泥較松散，沉降性能好，出水中有細(xì)小泥花。,二、微生物的生長環(huán)境,1.微生物的營養(yǎng)：碳源、氮源、磷源是微生物生長所需的必要營養(yǎng)物質(zhì)，其比例一般為BOD5：N：P=100：5：1(COD:N:P=800:5:1)。 2.溫度：按溫度可把微生物分為低溫性（5-20）、中溫性（20-45）、高溫性（45-80 ）三類。好氧生物處理中，以中溫性微生物為主，所以適宜溫度為25-40 。厭氧生物處理甲烷菌為中溫菌，其它階段為高溫菌，所以厭氧生物處理如果產(chǎn)甲烷溫度控制在33-38 ，如果不產(chǎn)甲烷，只是發(fā)酵產(chǎn)酸溫度控制在52-5

6、7 比較適宜。,3.PH值：活性污泥最適宜的PH值范圍是6.5-8.5。 4.溶解氧：是影響生物處理效果的重要因素。好氧生物處理溶解氧一般以2-4mg/L為宜。厭氧生物處理不能有氧。 5.有毒物質(zhì)：重金屬等有毒物質(zhì)能使微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞以及生物酶變性，失去活性。,生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容及任務(wù),任務(wù)： 1研究各種因素對反應(yīng)速度的影響。 2研究反應(yīng)機(jī)理。 內(nèi)容： 1底物降解速率與底物濃度、微生物量等因素之間的關(guān)系。 2微生物的增長速率與底物濃度、微生物量等因素之間的關(guān)系。,第三節(jié) 反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù),一、反應(yīng)速度 二、反應(yīng)速率方程和反應(yīng)級數(shù),一、反應(yīng)速度,在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間單位體積

7、內(nèi)底物的減少量、細(xì)胞質(zhì)或產(chǎn)物的增加量。例生化反應(yīng)：SyX+z P 反應(yīng)速度： 如果反應(yīng)過程V恒定，則反應(yīng)速度： 三個(gè)組分的反應(yīng)速度之間的關(guān)系：,二、反應(yīng)速率方程和反應(yīng)級數(shù),等溫恒容不可逆反應(yīng)： aA+Bb+cCdD+Ee+ 反應(yīng)速率方程 反應(yīng)級數(shù)： x+y+z=0 零級反應(yīng) x+y+z=1 一級反應(yīng) x+y+z=2 二級反應(yīng) x+y+z=3 三級反應(yīng),第四節(jié) 米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式,米氏在一切生化反應(yīng)都是在酶催化進(jìn)行的前提下，提出微生物分解代謝的酶反應(yīng)方程式： 米氏方程式： 式中：酶反應(yīng)速度 max最大酶反應(yīng)速度 CS底物濃度 Km米氏常數(shù)（半速度常數(shù)）,圖1

8、1-10酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系,底物濃度CS,Km,酶反應(yīng)速度 ,1/2max,max,0,混合級反應(yīng)區(qū) （0n1）,零級反應(yīng)區(qū) （n=0）,一級反應(yīng)區(qū) （n=1）,分析米氏方程式,當(dāng)CS很大時(shí)，即 CSKm時(shí)，= max，呈零級反應(yīng)，此時(shí)酶與底物全部結(jié)合為ES，所以增加底物濃度，對酶反應(yīng)速度無任何影響。 當(dāng)CS很小時(shí)， 即CSKm時(shí)， ，呈一級反 應(yīng)， 與CS 成正比，此時(shí)部分酶與底物結(jié)合，所以增加底物濃度，可提高反應(yīng)速度。 當(dāng)CS介于上述二者之間，由小到大增加時(shí)， 與CS 呈混合級反應(yīng)，即n=0-1，增加CS， 緩慢增加。,米氏方程式動(dòng)力學(xué)系數(shù),米氏常數(shù)（ Km）的物理意義： Km是 時(shí)的底物濃度，它與酶和底物有關(guān)，一個(gè)酶和一個(gè)底物對應(yīng)一個(gè)Km，1/ Km表示酶與底物的親和力， 1/ Km越大，親和力越大。 米氏方程式動(dòng)力學(xué)系數(shù)確定法：蘭維福-布克（Lineweaver-Burk）作圖法（雙倒數(shù)作圖法）,圖11-11 作圖法求km和max示意,第五節(jié) 莫諾特（Monod）方程式,莫諾特（Monod）方程式是Monod于1942年以純