第四章 污水的生物处理 基础知识回顾.ppt

BiologicalTreatmentofWastewater 废水生物处理基础知识回顾 废水生物处理目的及其重要性生物处理中的重要微生物生物处理法的分类微生物的新陈代谢微生物的呼吸类型废水的好氧和厌氧生物处理微生物的生长规律微生物的组成微生物的生长环境 废水生物处理的目的 絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物稳定和去除废水中的有机物去除营养元素氮和磷 废水生物处理的重要性 城市污水中约有60 以上的有机物只有用生物法去除才最经济废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法目前世界上已建成的城市污水处理厂有90 以上是生物处理法大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的 生物处理中的重要微生物 细菌 真细菌 eubacteria 和古细菌 archaebacteria 需氧情况 好氧细菌 兼性细菌和厌氧细菌能源碳源利用情况 光合细菌 光能自养菌 光能异养菌 非光合细菌 化能自养菌 化能异养菌生长温度 低温菌 10 15 C 中温菌 15 45 C 和高温菌 45 C 真菌 特点 能在低温和低pH值的条件生长在生长过程中对氮的要求较低 是一般细菌的1 2 能降解纤维素原生动物 后生动物 原生动物主要以细菌为食 其种属和数量随处理出水的水质而变化 可作为指示生物 后生动物以原生动物为食 也可作为指示生物 活性污泥中的微生物 B 其它微生物 原生动物 在活性污泥中大约为103个 ml A 细菌 活性污泥净化功能最活跃的成分主要菌种有 动胶杆菌属 假单胞菌属 微球菌属 黄杆菌属 芽胞杆菌属 产碱杆菌属 无色杆菌属等 特征 1 多属好氧和兼性异养型的原核细菌 2 在有氧条件下 具有较强的分解有机物的功能 3 具有较高的增殖速率 其世代时间为20 30分钟 4 其中的动胶杆菌具有将大量细菌结成为 菌胶团 的功能 生物处理法的分类 微生物的新陈代谢 新陈代谢 微生物不断从外界环境中摄取营养物质 通过生物酶催化的复杂生化反应 在体内不断进行物质转化和交换的过程 分解代谢 分解复杂营养物质 降解高能化合物 获得能量 合成代谢 通过一系列的生化反应 将营养物质转化为复杂的细胞成分 机体制造自身 底物降解 污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质 微生物的呼吸类型 微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能 异养型微生物异养型微生物以有机物为底物 电子供体 其终点产物为二氧化碳 氨和水等无机物 同时放出能量 如下式所示 异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物 化能异氧微生物 氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物 光能异氧微生物 以光为能源 以有机物为供氢体还原CO2 合成有机物的一类厌氧微生物 有机废水的好氧生物处理 如活性污泥法 生物膜法 污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸 2 自养型微生物自养型微生物以无机物为底物 电子供体 其终点产物也是无机物 同时放出能量 大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应 生物脱氮工艺中的生物硝化过程 微生物的呼吸类型 好氧呼吸 废水好氧生物处理中异养微生物的代谢过程 发酵指供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用 最终受氢体无需外加 就是供氢体的分解产物 有机物 这种生物氧化作用不彻底 最终形成的还原性产物 是比原来底物简单的有机物 在反应过程中 释放的自由能较少 故厌氧微生物在进行生命活动过程中 为了满足能量的需要 消耗的底物要比好氧微生物多 例如 葡萄糖的发酵过程 总反应式 无氧呼吸是指以无机氧化物 如NO3 NO2 SO42 S2O32 CO2等代替分子氧 作为最终受氢体的生物氧化作用 在反硝化作用中 受氢体为NO3 可用下式所示 总反应式 在无氧呼吸过程中 供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体 并伴随有磷酸化作用 底物可被彻底氧化 能量得以分级释放 故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动 但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中 故释放的能量不如好氧呼吸的多 好氧呼吸 无氧呼吸 发酵三种呼吸方式 获得的能量水平不同 如下表所示 废水的好氧和厌氧生物处理 所谓 好氧 是指这类生物必须在有分子态氧气 O2 的存在下 才能进行正常的生理生化反应 主要包括大部分微生物 动物以及我们人类 所谓 厌氧 是能在无分子态氧存在的条件下 能进行正常的生理生化反应的生物 如厌氧细菌 酵母菌等 废水的好氧生物处理 AerobicbiologicalTreatment 微生物 异氧微生物 分解反应 又称氧化反应 异化代谢 分解代谢 CHONS O2CO2 H2O NH3 SO42 能量 有机物的组成元素 合成反应 也称合成代谢 同化作用 C H O N S 能量C5H7NO2 内源呼吸 也称细胞物质的自身氧化 C5H7NO2 O2CO2 H2O NH3 SO42 能量 废水的厌氧生物处理1 AnaerobicbiologicalTreatment 在厌氧条件下由多种 厌氧或兼性 微生物的共同作用下 使有机物分解并产生CH4和CO2的过程 厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段我国高浓度有机工业废水排放量巨大 这些废水浓度高 多含有大量的碳水化合物 脂肪 蛋白质 纤维素等有机物 我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N P的污染 目前的形势是 能源昂贵 土地价格剧增 剩余污泥的处理费用也越来越高 厌氧工艺的突出优点是 能将有机污染物转变成沼气并加以利用 运行能耗低 有机负荷高 占地面积少 污泥产量少 剩余污泥处理费用低 等等 厌氧工艺的综合效益表现在环境 能源 生态三个方面 废水的厌氧生物处理2 AnaerobicbiologicalTreatment 微生物的生长规律1 将一定数的细菌接种到适当培养基后 研究细菌生长过程的规律 以培养时间为横坐标 培养物中活菌数的对数以纵坐标 可得出一条生长曲线 可分为停滞期 对数期 静止期和衰老期 1 迟缓期 Lagphase 细菌接种至培养基后 对新环境有一个短暂适应过程 不适应者可因转种而死亡 此期曲线平坦稳定 因为细菌繁殖极少 迟缓期长短因菌种 接种菌量 菌龄以及营养物质等不同而异 一般为1 4小时 此期中细菌体积增大 代谢活跃 为细菌的分裂增殖合成 储备充足的酶 能量及中间代谢产物 微生物的生长规律2 2 对数期 Logarithmicphase 又称指数期 Exponentialphage 此期生长曲线上活菌数直线上升 细菌以稳定的几何级数极快增长 可持续几小时至几天不等 视培养条件及细菌代时而异 此期细菌形态 染色 生物活性都很典型 对外界环境因素的作用敏感 因此研究细菌性状以此期细菌最好 微生物的生长规律3 3 稳定期 Stationaryphase 该期的生长菌群总数处于平坦阶段 但细菌群体活力变化较大 由于培养基中营养物质消耗 毒性产物 有机酸 H2O2等 积累 PH下降等不利因素的影响 细菌繁殖速度渐趋下降 相对细菌死亡数开始逐渐增加 此期细菌增殖数与死亡数渐趋平衡 细菌形态 染色 生物活性可出现改变 并产生相应的代谢产物如外毒素 内毒素 抗生素 以及芽胞等 微生物的生长规律4 4 衰亡期 Declinephase 随着稳定期发展 细菌繁殖越来越慢 死亡菌数明显增多 活菌数与培养时间呈反比关系 此期细菌变长肿胀或畸形衰变 甚至菌体自溶 难以辩认其形 生理代谢活动趋于停滞 污泥松散 沉降性能好 微生物的生长规律5 停滞期 对数期 静止期 衰老期 如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中 营养类型发生变化 污泥培养驯化阶段 或污水处理厂因故中断运行后再运行 可能出现停滞期 污泥需经过若干时间后才能适应新的废水 或从衰老状态恢复 停滞期长短或是否存在与接种活性污泥的数量 废水性质 生长条件等因素有关 当废水中有机物浓度高 且培养条件适宜 则活性污泥可能处在对数生长期 处于对数生长期的污泥絮凝性较差 镜检能看到较多的游离细菌 混合液沉淀后其上层液混浊 含有机物浓度较高 活性强沉淀不易 当污水中有机物浓度较低 污泥浓度较高时 污泥则有可能处于静止期 处于静止期的活性污泥絮凝性好 处理效果好的活性污泥法构筑物中 污泥处于静止期 当污水中有机物浓度较低 则可能出现衰老期 处于衰老期的污泥松散 沉降性能好 混合液沉淀后上清液清澈 但有细小泥花 微生物的组成 细胞分子式 C5H7O2N 有机部分 细胞分子式 C60H87O23N12P 考虑磷 一般估算营养比例 BOD N P 100 5 1 各类微生物所生长的温度范围不同 约为5 80 此温度范围 可分为最低生长温度 最高生长温度和最适生长温度 是指微生物生长速度最快时温度 依微生物适应的温度范围 微生物可以分为中温性 20 45 好热性 高温性 45 以上 和好冷性 低温性 20 以下 三类 当温度超过最高生长温度时 会使微生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破坏而失活 严重者可使微生物死亡 低温会使微生物代谢活力降低 进而处于生长繁殖停止状态 但仍保存其生命力 微生物的生长环境 影响微生物生长的环境因素 微生物的营养 温度 pH 溶解氧 有毒物质 1 水 组成部分 代谢过程的溶剂 细菌约80 的成分为水分 2 碳源 碳素含量占细胞干物质的50 左右 碳源主要构成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长 繁殖和运动所需要的能量 一般污水中含有足够碳源 3 氮源 提供微生物合成细胞蛋白质的物质 4 无机元素 主要有磷 硫 钾 钙 镁等及微量元素 作用 构成细胞成分 酶的组成成分 维持酶的活性 调节渗透压 提供自养型微生物的能源 磷 核酸 磷脂 ATP转化 硫 蛋白质组成部分 好氧硫细菌能源 钾 激活酶 钙 稳定细胞壁 激活酶 镁 激活酶 叶绿素的重要组成部分 5 生长因素 氨基酸 蛋白质 维生素等 微生物的营养 微生物的生长环境 影响微生物生长的环境因素 微生物的营养 温度 pH 溶解氧 有毒物质 微生物的生长环境 影响微生物生长的环境因素 微生物的营养 温度 pH 溶解氧 有毒物质 微生物的生长环境 影响微生物生长的环境因素 微生物的营养 温度 pH值 溶解氧 有毒物质 米 门方程式 Michaelis Menton提出酶的 中间产物 学说 米 门方程式1 Michaelis Menton提出酶的 中间产物 学说 通过理论推导和实验验证 提出了含单一基质单一反应的酶促反应动力学公式 即米 门公式 v 酶促反应中产物生成的反应速率 vmax 产物生成的最高速率 Km 米氏常数 又称饱和常数 半速常数 S 基质浓度 Km是时的底物浓度 米 门方程式2 当底物浓度S很大时 Km S S 酶反应速度最大 为零级反应 当底物浓度较小时 Km S Km 反应呈一级反应 米 门方程式3 米氏常数KmKm时酶的特征常数之一 只与酶的性质有关 与酶的浓度无关 如果一个酶有几种底物 对每一种底物 有一个特定的Km 莫诺特 Monod 方程式 Monod于1942年和1950年曾两次进行了单一基质的纯菌种培养实验 也发现了与上述酶促反应类似的规律 进而提出了与米门公式想类似的表达微生物比增殖速率与基质浓度之间的动力学公式 即莫诺德模式 微生物的比增殖速率 基质达到饱和浓度时 微生物的最大比增殖速率 t 1 反应器内的基质浓度 mg l 饱和常数 也是半速常数 为当 0 5 max时的底物浓度 莫诺特 Monod 方程式 随后发现 用由混合微生物群体组成的活性污泥对多种基质进行微生物增殖实验 也取得了符合这种关系的结果 可以假定 在微生物比增殖速率与底物的比降解速率之间