第七章廢水生物化學(xué)處理基礎(chǔ)

當(dāng)代給水與廢水處置原理安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院高良敏博士、教授第七章廢水生物化學(xué)處置根底1947年，初次出現(xiàn)了“生物化學(xué)工程〞(Biochemicalengineering)一詞。1965年Aiba等人的專著<物化學(xué)工程>(BiochemicalEngineering)出版，標(biāo)志著這一學(xué)科的正式出現(xiàn)。1971年Coulson及Richardson等著述的化學(xué)工程規(guī)范教材新添了第三卷，其中包括了一章生物化學(xué)反響工程，標(biāo)志著生物化學(xué)工程已成為化學(xué)工程的—個新的組成部分。以后出版的生物化學(xué)工程專著有Atkinson的<生物化學(xué)反響器>(BiochemicalReactors，1974年)，Bailey及ollis的<生物化學(xué)工程根底>(BiochemicalEngineeringFundamentals．1977年)等書。生物化學(xué)工程中運用的發(fā)酵器有兩種根本類型，一種是利用微生物絮體的作用，這與廢水處置中的活性污泥法相類似；另一種是利用微生物膜的作用，這與廢水處置中的生物濾池法相類似。本章主要內(nèi)容：§7-1單個細(xì)菌的模型§7-2細(xì)菌的延續(xù)增殖§7-3細(xì)菌增殖速率與底物耗費速率關(guān)系式§7-4BOD與TbOD§7-5微生物集團(tuán)的模型§7-6微生物膜的阻力與厚度第七章廢水生物化學(xué)處置根底§7-1單個細(xì)菌的模型底物普通是經(jīng)過細(xì)胞的粘液層、細(xì)胞壁與細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的，而代謝作用只發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)部的細(xì)胞質(zhì)區(qū)。發(fā)生代謝作用后，底物也就消逝了。這里，我們假設(shè)：①不思索復(fù)雜的代謝過程；②把底物的消逝援用流膂力學(xué)中“匯〞的概念來解釋；③粘液層、細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等作為底物傳送的邊境。這樣就得到一個細(xì)菌的簡化模型，如圖7-1所示?！?-1單個細(xì)菌的模型分散區(qū)指細(xì)胞壁外粘液層的部分，其外表積為adcm2，，底物經(jīng)過分散區(qū)時服從Fick的第一分散定律，即底物的通量為：Nd=－D

分散區(qū)的內(nèi)面為透酶區(qū)。這一區(qū)指細(xì)胞膜的透酶所起的運輸作用。透酶是細(xì)腦膜內(nèi)的一類立體專注性載體分子，這類分子也是一種蛋白質(zhì)，取名透酶以示區(qū)別于代謝酶。透酶區(qū)的通量可用以下公式來表示：

代謝區(qū)指細(xì)胞膜內(nèi)的區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)雖然產(chǎn)生了許多極復(fù)雜的代謝途徑，但組成代謝途徑的每一個反響都是由酶控制的，因此服從于Michaelis—Menten方程。代謝區(qū)內(nèi)底物耗費速率可以表示為：

§7-1單個細(xì)菌的模型當(dāng)代謝區(qū)耗費底物的速率恰好和底物經(jīng)過兩個運輸區(qū)的速率相等時，便得到一個穩(wěn)定的形狀，這時存在以下關(guān)系：

當(dāng)?shù)孜锊恍柰该竻^(qū)的運輸時，式〔7-4〕簡化為：

當(dāng)包含透酶區(qū)時，由式〔7-4〕看出底物的耗費速率完全由運輸過程來控制，即由以下關(guān)系控制：§7-2細(xì)菌的延續(xù)增殖簡單的恒化器見圖7—3，是一個任務(wù)容積可以小至100mL的容器。進(jìn)入恒化器的滅菌培育液的流量為fmL/h，恒化器的溢流流量也是frnL/h，恒化器內(nèi)液體容積為V．并不斷供應(yīng)滅菌空氣，以保證細(xì)菌的需氧過程。培育液處在不斷攪拌過程巾，以保證培育液的成分均勻。就整個體系而言，當(dāng)?shù)竭_(dá)每秒鐘添加的細(xì)菌個數(shù)與每秒鐘排掉的細(xì)菌個數(shù)相等時，恒化器即處于穩(wěn)定形狀。圖7—3所示的恒化器實踐可看作是一個CSTR?！?-2細(xì)菌的延續(xù)增殖每小時經(jīng)過溢流量f所排掉的細(xì)菌質(zhì)量為：f×1mL中的細(xì)菌質(zhì)量=f×=Dx由于細(xì)菌的增殖率可表示為dx/dt=μx，所以當(dāng)恒化器處于穩(wěn)定條件下時得：

在恒化器中，Monod方程可寫為：

§7-2細(xì)菌的延續(xù)增殖由圖7-5可知，當(dāng)生物處置設(shè)備的進(jìn)水有機(jī)物濃度在一定范圍內(nèi)動搖時不會引起微生物特性很大的變化，因此系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)能處于穩(wěn)定形狀。根據(jù)Monod方程，可以求得恒化器穩(wěn)態(tài)條件的營養(yǎng)物濃度ρ為：

§7-3細(xì)菌增殖速率與底物耗費速率關(guān)系式把底物的耗費速率分成兩部分．一部分是由于細(xì)菌生長新的細(xì)胞物質(zhì)而產(chǎn)生的，以表示，另一部分是為維持細(xì)菌處于活的形狀所需的能量而產(chǎn)生的，以表示，這就得：〔7-13〕由：式中，Yc稱為真產(chǎn)率因數(shù)。維持能量所需的耗費速率應(yīng)該與細(xì)菌的質(zhì)量x成正比，可以表示為：式中，m稱為維持系數(shù)，量綱為時間-1。這樣〔7-13〕可以寫成：

生化需氧量〔BOD〕水中有機(jī)物經(jīng)過微生物的氧化變成簡單無機(jī)化合物的過程中，對水中溶解氧的耗費速率，稱為它的生化需氧量(BOD)?！?-4BOD與TbOD細(xì)菌以有機(jī)物為食物而生長，在生長過程中，一部分有機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成為新的細(xì)菌細(xì)胞，同時產(chǎn)生二氧化碳和水等。當(dāng)水中食物缺乏時，細(xì)菌又從本身物質(zhì)中汲取能量以維持生命．這一景象稱為內(nèi)源代謝(endogenousmetabalism)或內(nèi)源呼吸(endogenousrespiration)。細(xì)菌死后．又以有機(jī)物的方式作為細(xì)菌的食物而反復(fù)上述過程。另外，活的細(xì)菌與死的細(xì)菌又是原生動物和其它較高級微生物的食物，原生動物這類微生物因此稱為捕食微生物。生化需氧量〔BOD〕§7-4BOD與TbOD圖7—7給出了新穎生活廢水的生化需氧量歷時曲線方式和溫度對歷時曲線的影響。第一階段：由于含碳有機(jī)物的分解所需求的生化需氧量，也稱碳質(zhì)BOD〔carbonaceousBOD〕；第二階段：〔硝化階段〕代表含氮有機(jī)物硝化過程的需氧量，稱為氮質(zhì)BOD(nitrogenousBOD)。生化需氧量〔BOD〕§7-4BOD與TbOD當(dāng)?shù)湫偷奶荚次镔|(zhì)葡萄糖完全氧化時可以寫成：那么可以為生化需氧量等于2.67×有機(jī)物碳原子的質(zhì)量濃度。細(xì)菌細(xì)胞的合成可以寫成：由此可計算，每合成1g干細(xì)菌，約需單體氧0.985g。細(xì)菌的氧化分解可以寫成：按這一反響計算，每克干細(xì)菌的完全氧化約需單體氧1.42g。生化需氧量〔BOD〕§7-4BOD與TbOD含碳有機(jī)物完全氧化成二氧化碳及水的生化需氧量稱為總生化需氧量，以BODL或BODu表示。硝化BOD的反響可表示為：按這兩個反響，可得：硝化BOD=4.57(有機(jī)氮+氨氮)mg/L+1.14〔NO2-氮〕mg/L這里特別指出：上述生化需氧量概念為其原始涵義，與生化需氧量實驗所測得的生化需氧量完全不是一個同一概念。BOD實驗從圖7-8中看出，接種細(xì)菌的生長過程中有一個滯后期，在這一段時間內(nèi)．細(xì)菌的濃度沒有變化，接種的細(xì)菌在滯后期中雖然也要攝取一定食物及溶解氧．但是量甚少，所以有機(jī)物濃度可以視作無變化。BOD值應(yīng)為零，只是當(dāng)細(xì)菌開場增殖后，有機(jī)物濃度才開場下降，當(dāng)細(xì)菌濃度達(dá)最大值時，有機(jī)物濃度也降為零。在有機(jī)物濃度為零以后．細(xì)菌靠內(nèi)源呼吸以及死的細(xì)菌以獲得營養(yǎng)物。在這一階段，由于有足夠的細(xì)菌為食料，原生動物也開場增殖起來。細(xì)茵的內(nèi)源呼吸以及原生動物的生長代謝都同時攝人氧。包括在這一階段的BOD值中?！?-4BOD與TbOD圖7-8反映了BOD實驗所存在的兩方面的問題：①BOD5與總BOD值不會具有一定的數(shù)量關(guān)系。②按曲線經(jīng)過原點的一級反響來處置BOD數(shù)據(jù)的方法xianran是不嚴(yán)厲的。TbODBOD坪值〔BODplateau〕：在微生物不斷攝取有機(jī)物底物增殖的過程中，微生物處于對數(shù)生長期。有機(jī)底物必然會迅速地減少，表現(xiàn)為生化需氧量迅速地增長，當(dāng)?shù)孜锖馁M完后，微生物生出息入靜止期，生化需氧量的增長必然很快地緩慢下來，這在生化需氧量歷時曲線上會出現(xiàn)一個臺階，這一點的BOD值稱為BOD坪值?！?-4BOD與TbODGrady及Busch提出，有機(jī)底物的總BOD等于BOD坪值加上在坪值點所產(chǎn)生的細(xì)菌量的實際BOD值。即：總BOD=BOD坪值+細(xì)菌的BOD實際值TbOD實驗方法：(1)獲取馴化后的細(xì)菌懸浮液，并用自來水洗去其中所含剩余有機(jī)物。(2)測定細(xì)菌懸浮液的COD及質(zhì)量濃度。(3)測定廢水的COD值。(4)將細(xì)菌懸浮液amL與廢水bmL混合后并進(jìn)展曝氣，以促進(jìn)細(xì)菌的代謝作用．并堅持試樣成分均勻，作為實驗的別問0點。(5)按一定的時間間隔取水樣，測定混合液的COD、經(jīng)0.45μm孔徑濾膜過濾后的濾液COD以及懸浮固體量。§7-4BOD與TbOD(6)計算TbOD實驗結(jié)果TbOD實驗結(jié)果可繪成圖7—10所示的曲線。當(dāng)混合液的COD曲線變程度后，表示了水中有機(jī)物曾經(jīng)耗費光，其值CODm與混合液初始COD之差CODmi—CODm代表了BOD坪值，即廢水中的有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化成細(xì)菌物質(zhì)后所需的氧量。當(dāng)濾液的COD曲線變成程度后，CODfi—CODf代表了由于微生物作用所去除的氧的總需求量，這個量按定義也就是有機(jī)物的總BOD值(BODL)?！?-4BOD與TbOD在生物化學(xué)過程中，微生物集團(tuán)(microbialmass)的形狀有：固定在填料壁上的微生物膜或者在液相內(nèi)處于懸浮形狀的微牛物絮體?！?-5微生物集團(tuán)的模型為要進(jìn)展微生物集團(tuán)模型的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，需求做出下面假定：(1)微生物集團(tuán)的成分是穩(wěn)定的，即不隨時間而變化；(2)微生物細(xì)胞的功能也是不隨時間變化的，細(xì)胞的總性質(zhì)只是部分環(huán)境的函數(shù)；(3)在微生物集團(tuán)整體中，菌齡分布以及其它微生物的生活特性也是不隨時間變化的。某一點濃度ρ是指這一點附近的無窮小空間內(nèi)濃度的平均值，按這個濃度所定義的分散系數(shù)稱為有效分散系數(shù)De?！?-5微生物集團(tuán)的模型微生物膜的微分方程式膜或絮體中所含的活微生物的比外表積a：微生物膜的厚度為L，在膜與液體界面處的底物濃度為ρb。把膜按一個單向的底物分散過程來處置。底物在y方向上分散。在穩(wěn)定形狀時取dy厚度，面積為dxdz的體積微元dxdydz內(nèi)的物料衡算關(guān)系得：經(jīng)整理得：邊境條件為：y=L時，y=0時，§7-5微生物集團(tuán)的模型根本方程的解

引入有效系數(shù)E當(dāng)無分散阻力時，通量Nb應(yīng)該等于面積1cm2、厚L體積中所含微生物的總外表積上在單位時間內(nèi)所耗費的底物量：在有分散阻力的條件下，通量可表示為：

§7-5微生物集團(tuán)的模型微生物絮體的解Atkinson等把球形絮體的特征長度定義為：絮體的通量表達(dá)式：對絮