污水生物處理的基本1

第十一章廢水生物處理的根本概念和生化反響動力學(xué)根底掌握微生物的呼吸類型、生長規(guī)律及其影響因素、和莫假設(shè)特方程掌握生化反響級數(shù)確實定方法、廢水好氧處理與厭氧處理的優(yōu)缺點了解廢水生物處理工程的根本數(shù)學(xué)模型本章重點學(xué)時：4學(xué)時主要內(nèi)容第二節(jié)污水生物處理根本原理第三節(jié)微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境第四節(jié)反響速率和反響級數(shù)第五節(jié)微生物生長動力學(xué)第一節(jié)概述第一節(jié)概述污水生物處理方法是利用自然界中廣泛分布的個體微小、代謝營養(yǎng)類型多樣、適應(yīng)能力強的微生物的新陳代謝作用，對污水進行凈化的處理方法。建立在環(huán)境自凈作用根底上的人工強化技術(shù)創(chuàng)造出有利于微生物生長繁殖的良好環(huán)境，增強微生物的代謝功能，促進微生物的增殖，加速有機物的無機化，增進污水的凈化進程根據(jù)參與代謝活動的微生物對溶解氧的需求不同，污水生物處理技術(shù)分為好氧生物處理〔溶解氧〕、缺氧生物處理〔化合態(tài)氧〕和厭氧生物處理〔無氧〕。應(yīng)用：好氧----城鎮(zhèn)污水處理的主要方法厭氧----高濃度有機污水處理缺氧+好氧----生物脫氮厭氧+好氧-----生物除磷根據(jù)微生物生長方式的不同，生物處理技術(shù)又分為懸浮生長法〔活性污泥法〕和附著生長法〔生物膜法〕適當?shù)幕旌戏椒ㄊ刮⑸镌谏锾幚順?gòu)筑物中保持懸浮狀態(tài)，與污水中的有機物充分接觸微生物附著在某種載體上生長，并形成生物膜，污水流經(jīng)時，微生物與有機物接觸，并對其凈化第二節(jié)污水生物處理根本原理微生物的新陳代謝污水生物處理：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，在酶的催化作用下，對污染物進行分解和轉(zhuǎn)化。新陳代謝：是物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)發(fā)生一系列復(fù)雜生化反響的總稱。底物：或基質(zhì)，可被微生物利用的物質(zhì)，包括大局部有機物和局部無機物微生物的新陳代謝分解代謝〔異化〕：生物氧化，一局部底物在酶的催化作用下降解，并同時釋放出能量的過程。分解復(fù)雜營養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，獲得能量。合成代謝〔同化〕：利用另一局部底物或分解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，在合成酶的作用下合成生物細胞的過程，其能量來源于分解代謝過程。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡單物質(zhì)簡單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝生物氧化最終電子受體不同分解代謝利用底物不同呼吸發(fā)酵好氧呼吸異養(yǎng)：利用有機物自養(yǎng)：利用無機物缺氧呼吸定義：微生物將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量，生成不同的代謝產(chǎn)物

發(fā)酵特點：這種生物氧化作用不徹底，有機物只是局部氧化；氧化與復(fù)原過程偶聯(lián)在一起，被復(fù)原的有機物來自初始發(fā)酵的分解代謝，無需外界提供電子受體；只能釋放出一小局部能量，合成少量ATP；為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多原因：1〕底物碳原子只被局部氧化2〕初始電子供體和最終電子受體復(fù)原電勢相差不大

發(fā)酵丁酸型發(fā)酵丙酸型發(fā)酵末端產(chǎn)物：丁酸+乙酸H2、CO2少量CO2氣體甚至無氣體產(chǎn)生末端產(chǎn)物：丙酸+乙酸少量丙酸含可溶性碳水化合物，如葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉等的污水發(fā)酵常出現(xiàn)丁酸發(fā)酵微生物的呼吸微生物在降解底物過程中，將釋放的e電子載體：

NAD(P)+(輔酶Ⅱ)FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黃素單核苷酸）等電子傳遞系統(tǒng)外源電子受體水或其他還原型產(chǎn)物+能量微生物的呼吸類型微生物的呼吸作用好氧呼吸缺氧呼吸電子受體為O2、據(jù)電子供體的不同某些厭氧和兼性微生物在無分子氧時自養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等含氧化合物根據(jù)電子受體的不同分為最終電子受體是O2電子供體〔底物〕不同可分為自養(yǎng)微生物異養(yǎng)微生物

好氧呼吸異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物以有機物為底物〔電子供體〕，其終點產(chǎn)物為CO2、氨和水等無機物，同時放出能量。如下式所示：有機廢水的好氧生物處理如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等屬于這種類型的呼吸。2.自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物以無機物為底物〔電子供體〕，其終點產(chǎn)物也是無機物，同時放出能量。大型合流制排水管渠和污水排水管渠中存在該式所示的生化反響是引起管道腐蝕的主要原因氨的氧化生物脫氮工藝中的生物硝化過程某些厭氧和兼性微生物在無分子氧條件下進行缺氧呼吸最終電子受體為如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等含氧化合物，在反硝化作用中，電子受體為NO3-，可用下式所示：總反響式：在缺氧呼吸過程中，供氫體和受氫體之間也需要細胞色素等中間電子傳遞體，伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，能量得以分級釋放，故無氧呼吸也產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。但由于局部能量隨著電子傳遞給最終電子受體，故生成的能量少于好氧呼吸。缺氧呼吸

好氧呼吸、缺氧呼吸、發(fā)酵三種分解代謝方式，產(chǎn)能結(jié)果不同，如下表所示。分解代謝方式最終電子受體化學(xué)反應(yīng)式及產(chǎn)能結(jié)果好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ缺氧呼吸化合態(tài)氧C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ好氧生物處理是在有分子氧存在的條件下，利用好氧微生物〔包括兼性微生物，但主要是好氧細菌〕降解有機物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。微生物利用污水中存在的有機污染物〔以溶解狀與膠體狀的為主〕為底物進行好氧代謝。這些高能位的有機物質(zhì)經(jīng)過一系列的生化反響，逐級釋放能量，最終以低能位的無機物穩(wěn)定下來，到達無害化的要求，以便返回自然環(huán)境或進一步處置。好氧生物處理廢水好氧生物處理的最終過程可用以下圖表示。有機物被微生物攝取后，通過代謝活動約有1/3被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動所需的能量；約有2/3被轉(zhuǎn)化，合成為新的細胞物質(zhì)，即進行微生物自身生長繁殖。好氧生物處理是污水生物處理中的活性污泥或生物膜的增長部分—-----剩余污泥或生物膜，又稱生物污泥特點：好氧生物處理的反響速度較快，所需的反響時間較短，故處理構(gòu)筑物容積較小。且處理過程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對中、低濃度的有機廢水，或者說BOD5濃度小于500mg/L的有機廢水，根本上采用好氧生物處理法。好氧生物處理厭氧生物處理厭氧生物處理是在沒有分子氧及化合態(tài)氧存在的條件下，兼性細菌與厭氧細菌降解和穩(wěn)定有機物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復(fù)雜的有機化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡單的化合物，同時釋放能量。由于僅少量有機物用于合成，故相對于好氧生物處理法，其污泥增長率小得多。厭氧生物處理在這個過程中，有機物的轉(zhuǎn)化分為三局部進行：局部轉(zhuǎn)化為CH4，這是一種可燃氣體，可回收利用；還有局部被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機物，并為細胞合成提供能量；少量有機物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成局部。厭氧生物處理優(yōu)點：不需另外提供電子受體，運行費用低；剩余污泥量少；可回收能量〔甲烷〕；缺點：反響速率慢，反響時間較長；處理構(gòu)筑物容積大；為維持較高的反響速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源有機污泥和高濃度有機污水〔BOD5大于2000mg/L〕均可采用厭氧生物處理法好氧生物處理厭氧生物處理分子氧存在的條件兼性細菌及好氧細菌產(chǎn)物CO2、H2O、NH3、SO42-、P43-等約有1/3被分解，2/3被轉(zhuǎn)化合成新的細胞反響速率較快，反響時間較短構(gòu)筑物容積較小，散發(fā)臭氣較少剩余污泥量大中低濃度的有機污水BOD5小于500mg/L沒有分子氧及化合態(tài)氧兼性細菌與厭氧細菌產(chǎn)物CO2、H2O、NH3、CH4、H2S等；少量有機物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成局部反響速率較慢，時間較長，構(gòu)筑物容積較大，有H2S生成，可回收甲烷剩余污泥量少有機污泥和高濃度有機污水BOD5大于2000mg/L污水的脫氮除磷將在下一章重點給大家介紹第三節(jié)微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境微生物的生長規(guī)律

微生物的生長--------采用群體生長的概念群體生長------在適宜的條件下，微生物細胞在單位時間內(nèi)數(shù)目或細胞總質(zhì)量的增加，實質(zhì)是細胞的繁殖研究微生物群體生長的傳統(tǒng)方法：分批培養(yǎng)法將少量純種微生物細胞接種到一定體積的培養(yǎng)液中，隨著時間延長觀察其生長情況。培養(yǎng)過程中營養(yǎng)物質(zhì)〔底物〕隨時間延長而消耗，生長曲線微生物的生長規(guī)律

微生物的生長規(guī)律一般是以生長曲線來反映。表示不同培養(yǎng)環(huán)境下生長情況及其生長過程按微生物生長速率，其生長可分為四個生長期延遲期（適應(yīng)期）對數(shù)增長區(qū)穩(wěn)定期（減速增長期）衰亡期（內(nèi)源呼吸期）微生物細胞剛進入新環(huán)境的時期。細胞開始吸收營養(yǎng)物質(zhì)，合成新的酶系。這個時期一般不繁殖，活細胞數(shù)目不會增加，甚至由于不適應(yīng)新的環(huán)境，接種活細胞可能有所減少，但細胞體積顯著增大。延遲期持續(xù)時間的長短隨菌種特性、接種量、菌齡與移植至新鮮培養(yǎng)基前后所處的環(huán)境條件是否相同等因素有關(guān)，短那么幾分鐘，長那么幾小時延遲期〔適應(yīng)期〕如果活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中〔營養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段〕，或污水處理廠因故中斷運行后再運行，那么可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過假設(shè)干時間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。延遲期是否存在或延遲期的長短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長條件等因素有關(guān)。延遲期〔適應(yīng)期〕經(jīng)過延遲期的適應(yīng)后，開始以根本恒定的生長速率進行繁殖。細胞的形態(tài)特征與生理特征比較一致〔即細胞的大小、形態(tài)及生理生化反響比較一致〕細胞增殖數(shù)量與培養(yǎng)時間根本上呈直線關(guān)系--------這個時期大量消耗了限制性底物細胞內(nèi)代謝物質(zhì)也豐富的積累了此時期的細胞是作為研究工作的理想材料對數(shù)增長期當廢水中有機物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，那么活性污泥可能處在對數(shù)生長期。處于對數(shù)生長期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機物濃度較高，活性強沉淀不易，用濾紙過濾時，濾速很慢。對數(shù)增長期穩(wěn)定期〔減速增長期〕一定容積的培養(yǎng)液中，細菌不可能按對數(shù)增長期的恒定速率無限期的生長下去，這個時候：營養(yǎng)物質(zhì)不斷被消耗代謝物質(zhì)不斷積累環(huán)境條件改變不利于微生物的生長，出現(xiàn)了所謂的穩(wěn)定期表現(xiàn)為：細胞生長速率下降，死亡速率上升，新增加的細胞數(shù)與死亡細胞數(shù)趨于平衡穩(wěn)定期〔減速增長期〕一定的培養(yǎng)時間內(nèi)，細菌生長對數(shù)值幾乎不變由于活動能力降低，菌膠團之間易于相互黏附，分泌物增多，活性污泥絮體開始形成。這個時期的污泥不但具有一定的氧化有機物的能力，而且還具有良好的沉降性能。衰亡期〔內(nèi)源呼吸期〕營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)耗盡，微生物細胞靠內(nèi)院呼吸代謝以維持生存。這個時候：生長速率為零死亡速率隨時間延長而加快細胞形態(tài)多呈衰退型許多細胞出現(xiàn)自溶由于能量水平低，絮凝體吸附有機物的能力顯著，但污泥活性降低，污泥較松散當污水中有機物濃度較低，營養(yǎng)物明顯缺乏時，那么可能出現(xiàn)衰亡期。在廢水生物處理中，微生物是一個混合群體，它們也有一定的生長規(guī)律。有機物多時,以有機物為食料的細菌占優(yōu)勢,數(shù)量最多；當細菌很多時，出現(xiàn)以細菌為食料的原生動物;而后出現(xiàn)以細菌及原生動物為食料的后生動物。污水生物處理構(gòu)筑物中的微生物群體組成了具有一定食物鏈關(guān)系的微生物生態(tài)系統(tǒng)研究說明，這種群體的生長情況從總體上看與純種生長有相似性，所以生長曲線仍可以用于描述群體的生長主要的營養(yǎng)物質(zhì)：碳、氮、磷等，是細胞化學(xué)成分的骨架，一般估算營養(yǎng)比例：

BOD5:N:P=100:5:1生活污水大多含有微生物能利用的碳源，N、P含量也較高，可滿足微生物的營養(yǎng)需求某些含C或N、P低的工業(yè)廢水，可能需要另加碳源、氮源或磷源如：投加生活污水、米泔水、淀粉漿料等補充碳源；尿素、硫酸銨等補充氮源；磷酸鉀、磷酸鈉等補充磷源

微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)

溫度pH值

溶解氧

有毒物質(zhì)水：組成局部，代謝過程的溶劑。細菌約80%的成分為水。碳源：碳素含量占細胞干物質(zhì)的50％左右，碳源主要構(gòu)成微生物細胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長、繁殖和運動所需要的能量，一般污水中含有足夠碳源。氮源：提供微生物合成細胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。無機元素：主要有磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素。作用：構(gòu)成細胞成分，酶的組成成分,維持酶的活性，調(diào)節(jié)滲透壓，提供自養(yǎng)型微生物的能源。磷：核酸、磷脂、ATP轉(zhuǎn)化。硫：蛋白質(zhì)組成局部，好氧硫細菌能源。鉀：激活酶。鈣：穩(wěn)定細胞壁，激活酶。鎂：激活酶，葉綠素的重要組成局部生長因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等。微生物的營養(yǎng)各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃。此溫度范圍，可分為最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度〔是指微生物生長速度最快時溫度〕。依微生物適應(yīng)的溫度范圍，微生物可以分為中溫性〔20～45℃〕、高溫性〔45℃以上〕和低溫性〔20℃以下〕三類。當溫度超過最高生長溫度時，會使微生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴重者可使微生物死亡。低溫會使微生物代謝活力降低，進而處于生長繁殖停止狀態(tài)，但仍保存其生命力。

微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)

溫度pH值

溶解氧

有毒物質(zhì)好氧生物處理厭氧生物處理不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細菌、放線菌、藻類和原生動物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適pH范圍。當廢水的pH變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。

微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)

溫度pH值

溶解氧

有毒物質(zhì)

微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以2～3mg/L為宜。缺氧反硝化一般應(yīng)控制溶解氧在0.5mg/L以下。厭氧磷釋放則要求溶解氧低于0.3mg/L。微生物的營養(yǎng)

溫度pH值

溶解氧

有毒物質(zhì)

微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)

溫度pH值

溶解氧

有毒物質(zhì)在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)。主要表現(xiàn)在破壞細胞的正常結(jié)構(gòu)以及使菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。砷、鉛、鎘、鉻、鐵、銅、鋅等在廢水生物處理時，對這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴加控制。第四節(jié)反響速率和反響級數(shù)生物化學(xué)反響是一種以生物酶為催化劑在反響器內(nèi)進行的化學(xué)反響。污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件去得到希望的反響速度。生化反響動力學(xué)目前的研究內(nèi)容：(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(2)微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(3)反響機理研究，從反響物過渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。生化反響動力學(xué)在生化反響中，反響速率是指單位時間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時間里底物的減少或細胞的增加來表示生化反響速率。

圖中的生化反響可以用下式表示：

即該式反映了底物減少速率和細胞增長速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反響過程的一個重要規(guī)律。

反應(yīng)速率及式中：反響系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，g〔生物量〕/g〔降解的底物〕一級反響：反響速率與一種反響物A的濃度SA成正比時二級反響：反響速率與二種反響物A、B的濃度SA、SB成正比時，或與一種反響物A的濃度SA的平方〔SA2〕成正比時。三級反響：反響速度與SA·SB2成正比時，稱這種反響為三級反響；也可稱這種反響是A的一級反響或B的二級反響。在生化反響過程中，底物的降解速度和反響器中的底物濃度有關(guān)。

反應(yīng)級數(shù)設(shè)生化反響方程式為：現(xiàn)底物濃度以S表示，那么生化反響速率：式中：k——反響速率常數(shù)，隨溫度而異；n——反響級數(shù)。上式亦可改寫為：該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反響級數(shù)n?；騦gvlgS反響速率不受反響物濃度的影響時，稱這種反響為零級反響。在溫度不變的情況下，零級反響的反響速度是常數(shù)。對反響物A而言，零級反響：式中：v——反響速率；t——反響時間；k——反響速度常數(shù),受溫度影響。在反響過程中，反響物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反響常數(shù)為負值。零級反響示意圖對反響物A而言，一級反響：

式中：v——反響速度；t——反響時間；k——反響速度常數(shù),受溫度影響。

在反響過程中，反響物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反響常數(shù)為負值。對反響物A而言，二級反響：式中：v——反響速度；t——反響時間；k——反響速度常數(shù),受溫度影響。在反響過程中，反響物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反響常數(shù)為負值。第五節(jié)微生物生長動力學(xué)微生物群體增長速率和微生物本身的濃度、底物濃度之間的關(guān)系是廢水生物處理中的一個重要課題。微生物群體增長的決定條件為營養(yǎng)當外部電子受體、適宜的物理、化學(xué)環(huán)境條件都具備的時候，微生物增長速率與現(xiàn)有的微生物濃度成正比，即：式中：dX/dt——微生物群體增長速率；

μ——比例常數(shù)，比增長速率，即單位生物量的增長速率

X——現(xiàn)有微生物群體濃度，mg/L微生物群體的增長速率有多種模式反映微生物比增長速率與底物濃度之間的函數(shù)關(guān)系式，當前公認的是莫諾特方程式：式中：S——限制微生物增長的底物濃度，mg/L；μ——微生物比增長速率μmax——μ的最大值，在限制增長的底物到達飽和濃度時的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物的增長速率；KS——飽和常數(shù)，即時的底物濃度。莫諾特〔Monod〕方程式可通過實驗，及圖解法求得

目前，一般用的圖解求μmax、

KS值法為蘭微福－布克作圖法或稱雙倒數(shù)作圖法。先將莫諾特方程取倒數(shù)得：微生物群體的增長速率實驗時，選擇不同的底物濃度S，測定對應(yīng)的μ。求出兩者的倒數(shù)，以1/μ對1/S作圖即可得出如以下圖的直線。直線在縱坐標上的截距為1/μmax，斜率為KS/μmax，就可以求出μmax、KS污水生物處理的目的是對污染物質(zhì)的降解，所以，底物的利用或降解速率比微生物量的增長速率更為重要和實用。雖然污水生物處理過程很復(fù)雜，但仍可以利用單一底物純菌種培養(yǎng)的成果。底物利用速率與現(xiàn)存微生物群體濃度

X成正比：式中：dS/dt——底物利用速率；

X——現(xiàn)存微生物群體濃度；

r——比例常數(shù)，比底物利用速率底物利用速率微生物的增長是底物降解的結(jié)果，彼此之間存在著一個定量關(guān)系。如設(shè)ΔX為利用底物ΔS產(chǎn)生的微生物增量，那么二者比值為：式中：Y——產(chǎn)率系數(shù)，g〔生物量〕/g〔降解的底物〕經(jīng)過