化学05废水生物处理的基本概念和

1、 废水的生化处理概述 第五章 废水生物处理基本原理 第六章 好氧生物处理工艺活性污泥法 第七章 好氧生物处理工艺生物膜法 第八章 好氧生物处理工艺其它工艺 第九章 厌氧生物处理工艺 第十章 营养元素的生物去除（原理与工艺） 什么是“废水生物处理”？ “废水生物处理”的主要内容是什么？ 学习“废水生物处理”后，能做什么？ 什么是什么是“废水废水生物处理生物处理”？ 废水中不同类型的污染物需要采用不 同的处理方法和工艺进行处理； 废水生物处理的对象主要是： 两大类污染物：有机物； 营养元素氮和磷 两大类废水： 生活污水或城市污水 有机工业废水 废水生物处理的主体是微生物 例例1 1：生活污水或城市

2、污水的处理：生活污水或城市污水的处理 进水水质进水水质： COD 400mg/l BOD 200mg/l SS 200mg/l 出水水质出水水质： COD 40mg/l BOD 15mg/l SS 20mg/l 排放标准排放标准： COD 60mg/l BOD 20mg/l SS 20mg/l 例例1 1：生活污水或城市污水的处理：生活污水或城市污水的处理 污泥的厌氧消化 活性污泥系统 高碑店污水处理厂的高碑店污水处理厂的 工艺流程图工艺流程图 初沉池 曝气池 二沉池 一期 二期 污泥 处理 曝气池曝气池 活性污泥活性污泥 好氧微生物好氧微生物 生物生物 0.1m m 钟虫 小口钟虫 草履虫

3、盖纤虫 肾形虫 变形虫 活性污泥中的后生动物 轮虫线虫 活性污泥中的原生动物 活性污泥中的菌胶团 曝气池曝气池 好氧生物处理新工艺好氧生物处理新工艺 办公楼办公楼 二期预留地二期预留地 进水泵房进水泵房 SBR池池 格栅、沉砂格栅、沉砂 鼓风机房鼓风机房 污泥污泥 井井 污泥脱污泥脱 水机房水机房 锅炉房锅炉房 SBR工艺、CAST工艺 SBR工艺工艺 SBR池池 鼓风机房鼓风机房 滗水滗水 器器 污泥脱污泥脱 水机房水机房 锅炉房锅炉房 滗水滗水 器器 好氧生物处理新工好氧生物处理新工 艺艺 氧化沟工艺(ORBAL 氧化沟) 曝气转刷 曝气转刷曝气转刷 曝气转碟曝气转碟 Carrousel

4、氧化沟 曝气叶轮曝气叶轮 好氧生物处理新工艺曝气生物滤池（BAF） 格栅间格栅间 预处理预处理 一级曝气一级曝气 生物滤池生物滤池 一级曝气一级曝气 生物滤池生物滤池 二级曝气二级曝气 生物滤池生物滤池 进水泵房进水泵房 曝气生物滤池（曝气生物滤池（BAF工艺）工艺） 二级曝气二级曝气 生物滤池生物滤池 一级曝气一级曝气 生物滤池生物滤池 例2：啤酒废水的生物处理 进水水质：进水水质： COD 2500mg/l BOD 1200mg/l SS 200mg/l 排放标准：排放标准： COD 150mg/l BOD 30mg/l SS 70mg/l 出水水质：出水水质： COD 50mg/l BO

5、D 50mg/l SS 50mg/l 例2：啤酒废水的生物处理 武汉东湖啤酒厂废水处理工程的工艺流程图 格栅井 调节池 污泥脱水机房 泥饼外运 沼气贮柜 图例 UASB反应器 氧化沟 污水管线 污泥管线 沼气管线 回流管线 沉淀池 浓缩池集泥井 武汉欧联东西湖啤酒废水处理流程图武汉欧联东西湖啤酒废水处理流程图 出水 水封罐 脱硫塔 原废水 厌氧生物处理 好氧生物处理 沼气收集 污泥处理 武汉东西湖啤酒厂 厌氧UASB反应器 好氧氧化沟 武汉东西湖啤酒厂武汉东西湖啤酒厂 UASB的工作原理图Paques公司 颗粒污泥成熟后的扫描电镜照片（运行180天） 介绍废水生物处理的基本原理理论知识: 几种

6、主要废水生物处理方法的几种主要废水生物处理方法的基本原理基本原理； 废水生物处理过程的废水生物处理过程的主要影响因素主要影响因素； 废水处理过程中的废水处理过程中的反应动力学反应动力学；等。；等。 介绍各种废水生物处理工艺工艺常识： 各种废水生物处理的各种废水生物处理的工艺流程工艺流程、特点特点及及典型参数典型参数；等。等。 介绍与废水生物处理有关的设计计算、工程设计以及有关的工程 实例工程实践： 生物反应池的生物反应池的有效容积、污泥浓度、曝气量、产气量、剩余污泥有效容积、污泥浓度、曝气量、产气量、剩余污泥 产量；产量；等等。 主要内容 废水的生化处理概述 第五章 废水生物处理基本原理 第六

7、章 好氧生物处理工艺活性污泥法 第七章 好氧生物处理工艺生物膜法 第八章 好氧生物处理工艺其它工艺 第九章 厌氧生物处理工艺 第十章 营养元素的生物去除（原理与工艺） 废水生物处理的基本概念废水生物处理的基本概念 1 生物处理的基本概念 2 生物处理法在废水处理中的地位 3 生物处理法的分类 1 生物处理的基本概念生物处理的基本概念 1.1 生物处理的目的和重要性 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稳定和去除废水中的有机物 去除营养元素氮和磷去除营养元素氮和磷 1 生物处理的基本概念生物处理的基本

8、概念 废水生物处理的重要性： 城市污水中约有城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济；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；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；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。大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。 1.2 微生物在废水生物处理中的作用 去除有机物（以COD或BOD5表示），去除其它无 机营养元素如N、P等 絮凝沉淀和降解胶体状固体物 稳定有机物 1.3 微生物代谢过程简介 有机

9、物有机物 微生物微生物 新细胞物质新细胞物质 CO2、H2O 生物残渣生物残渣 内源呼吸内源呼吸 分解分解 合成合成 微生物代谢所需要的几个基本要素：微生物代谢所需要的几个基本要素： 能源； 碳源； 无机营养元素N、P、S、K、Ca、Mg等 有机营养物（生长因子，如维生素、生物素等） 废水生物处理涉及的微生物废水生物处理涉及的微生物代谢过程代谢过程： 化能异养型代谢 化能自养型代谢 光能自养型代谢 光能异养型代谢 化能异养型代谢化能异养型代谢 有机碳有机碳 终产物终产物 营养物质营养物质 细胞细胞 物质物质 能量能量 有机有机 残渣残渣 内源呼吸内源呼吸 分解代谢分解代谢 合成代谢合成代谢 化

10、能自养型代谢化能自养型代谢 无机碳无机碳 终产物终产物 营养物质营养物质 细胞细胞 物质物质 能量能量 有机有机 残渣残渣 还原态无机物还原态无机物氧化态无机物氧化态无机物 内源呼吸内源呼吸 分解代谢分解代谢 合成代谢合成代谢 光能自养型代谢光能自养型代谢 无机碳无机碳 营养营养 物质物质 细胞细胞 合成合成 太阳光太阳光 能量能量 终产物终产物 有机有机 残渣残渣 内源呼吸内源呼吸 光合作用光合作用 合成代谢合成代谢 1.4 废水生物处理中的重要微生物 微生物微生物 非细胞形态的微生物非细胞形态的微生物 细胞形态的微生物细胞形态的微生物 病毒、噬菌体病毒、噬菌体 真核生物真核生物 酵母菌酵母

11、菌 原生动物原生动物 后生动物后生动物 原核生物原核生物 细菌细菌 放线菌放线菌 蓝藻（蓝细菌）蓝藻（蓝细菌） 真菌真菌 霉菌霉菌 藻类藻类 1.4 生物处理中的重要微生物 细菌 是废水生物处理工程中最主要的微生物 真细菌(eubacteria)、古细菌(archaebacteria) 根据需氧情况不同： 好氧细菌、兼性细菌、厌氧细菌； 根据能源碳源利用情况的不同： 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 根据生长温度的不同： 低温菌(1015 C)、中温菌(15 45 C)、高温菌(45 C) 1.4 生物处理中的重要微生物 真菌： 特点：特点： 1) 能在低温和

12、低pH值的条件生长 2) 在生长过程中对氮的要求较低（1/2） 3) 能降解纤维素。 应用：应用： 1) 处理某些特殊工业废水 2) 固体废弃物的堆肥处理 1.4 生物处理中的重要微生物 原生动物： 原生动物主要以细菌作为食物；原生动物主要以细菌作为食物； 种属与数量的变化，与出水水质相关，可作为种属与数量的变化，与出水水质相关，可作为指示生物指示生物。 后生动物： 后生动物以原生动物和细菌作为食物；后生动物以原生动物和细菌作为食物； 也可作为也可作为指示生物指示生物。 2 生物处理法在废水处理中的地位 2.1 有机物在废水中的存在形式及其主要 去除方法 颗粒状有机物(1m)： 可采用机械沉淀

13、法去除 胶体状有机物(1nm100nm)： 不能用机械沉淀法去除 溶解性有机物(1nm)： 以分散的分子状态存在于水中 2.2 废水处理程度的分级 一级处理预处理或前处理； 二级处理生物处理； 三级处理深度处理 城市污水处理厂的典型流程 北京市酒仙桥污水处理厂 一级处理 二级处理 城市污水处理厂的典型流程 污泥回流 原废水粗细格栅进水泵房沉砂池初沉池曝气池二沉池接触池出水 泥饼外运 集泥井 污泥回流 泵房 污泥 浓缩池 一级 消化池 二级 消化池 污泥脱水 机房 空气CL2或其它消毒剂 絮凝剂 上清液回流 二级处理二级处理 一级处理一级处理 三级处理三级处理 2.2 废水处理程度的分级 一级处

14、理： 去除效果：EBOD 30%, ESS 50% 功能： 去除大颗粒状有机物，以减轻后续生物处理的去除大颗粒状有机物，以减轻后续生物处理的 负担；负担； 调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。 主要方法：物化法 沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却 等 2.2 废水处理程度的分级 二级处理： 去除效果：EBOD 8590%，ESS 90% 功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放 方法：各种形式的生物处理工艺 2.2 废水处理程度的分级 三级处理： 目的： 去除二级处理出水中残存的去除二级处理出水中残存的SS、有机物

15、，、有机物， 脱色、杀菌，脱色、杀菌， 脱氮、除磷脱氮、除磷防止水体富营养化防止水体富营养化 方法： 物化法物化法超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等； 生物法生物法生物脱氮除磷、生物陶粒、生物活性炭、曝气生物生物脱氮除磷、生物陶粒、生物活性炭、曝气生物 滤池等滤池等 废水排放量巨大 总废水量达400亿m3(1.1 108m3/d)，其中工业废水和城市生活 污水各近50%，处理率低 主要污染物是有机物和氮磷营养盐 我国城市污水处理概况 年份年份污水厂污水厂处理能力处理能力处理率处理率 1921 上海北区污水厂上海北区污水厂 4 104m3/

16、d 1926上海东、西区污水厂上海东、西区污水厂 到到1980 全国全国238个城市个城市, 仅有仅有16 个建有个建有39个污水厂个污水厂 85 104m3 /d 1.7% 其中二级处理厂其中二级处理厂19.3万万m3/d0.39% 到到1985年底年底 33个城市，个城市，63个污水厂个污水厂 220 104m3 /d2.2% 其中一级处理厂其中一级处理厂20个个73 104m3 /d0.66% 二级处理厂二级处理厂43个个147 104m3 /d1.54% 到到1996年底年底 全国全国640多个城市多个城市,共建有共建有 160多个污水厂多个污水厂 812 104m3 /d6.7% 目

17、前，在全国范围内已经建成很多城市废水处理厂，估目前，在全国范围内已经建成很多城市废水处理厂，估 计目前我国的计目前我国的城市废水处理率城市废水处理率已经达到已经达到20%20%。 我国已有的大型污水处理厂 年份年份污水厂污水厂处理能力处理能力 1985天津纪庄子污水厂天津纪庄子污水厂26 104m3 /d 1990北京高碑店污水厂北京高碑店污水厂 50 104m3 /d (一期，一期，9093) 100 104m3 /d (二期，二期，9599) 1994天津东郊污水厂天津东郊污水厂34 104m3 /d 其它其它 西安大白杨污水厂西安大白杨污水厂32 104m3 /d 南京污水厂南京污水厂2

18、6 104m3 /d 上海天山污水厂上海天山污水厂10.5 104m3 /d 杭州四堡污水厂杭州四堡污水厂20 104m3 /d 福州洋里污水厂福州洋里污水厂20 104m3 /d 污染物的主要来源： 生活污水：C O D = 4 0 0 5 0 0m g / l, B O D 5 = 200300mg/l 工业废水：轻工、食品、石油化工等 啤 酒 废 水 ： 8 2 0m 3 废 水 /m 3 酒 , C O D = 20003500mg/l 酒精废水：1215 m 3废水/m3酒, COD = 36 万 mg/l 味精废水：2535 m3废水/吨味精, COD = 610 万mg/l 造纸

19、黑液：120600 m 3废水/吨纸浆, COD = 1015万mg/l 生物处理与物化处理的比较 去除对象 工程造价 运行费用 操作灵活性 间歇 要求的技术水平 3 生物处理法的分类 生物处理法生物处理法 天然生物处理天然生物处理 人工生物处理人工生物处理 生物稳定塘生物稳定塘 土地处理系统土地处理系统 好氧好氧生物处理生物处理 厌氧厌氧生物处理生物处理 活性污泥法活性污泥法 生物膜法生物膜法 传统厌氧消化传统厌氧消化 现代高速厌氧反应器现代高速厌氧反应器 第五章 废水生物处理基本原理 第一节 微生物的呼吸作用 第二节 废水好氧生物处理原理 第三节 废水厌氧生物处理原理 第四节 废水可生化性

20、原理及其判别 第五节 微生物生长规律及其应用 第六节 反应动力学基础 第一节第一节 微生物的呼吸作用微生物的呼吸作用 呼吸作用即微生物的异化作用，是微生物获取生命活动所需能量的途径。 有氧气参与的呼吸作用，称为好氧呼吸； 没有氧气参与的呼吸作用，称为厌氧呼吸。 呼吸作用是一系列的氧化/还原反应。 氧化物 在生化反应中被成为“受氢体”或“电子受体”。 还原物 在生化反应中被成为“供氢体”或“电子供体” 。 在有机物的分解和合成中，存在着氢原子的转移，因此呼吸作用按受氢体的不同来划分。 第一节第一节 微生物的呼吸作用微生物的呼吸作用好氧呼吸 特征： 受氢体是分子氧。 最终的产物是无机物，反应彻底，

21、因此也被称为矿化。 多数释放能量水平高。 实质：好氧呼吸是脱氢和氧活化相结合的过程。 根据供氢体不同，将好氧呼吸分为： 异养型好氧呼吸 自养型好氧呼吸 异养型好氧呼吸和自养型好氧呼吸 以有机物为底物（基质）的好氧呼吸。 以无机物为底物（基质）的好氧呼吸。 6126222 6662817.3kJC H OOCOH O+ 4232 22410NHONOH OHkJ +-+ + 第一节第一节 微生物的呼吸作用微生物的呼吸作用厌氧呼吸厌氧呼吸 特征： 受氢体非分子氧。 氧化不彻底，多数仅仅只是分子结构简化，产物多是有机物。 多数释放能量水平低。 实质：多数的厌氧呼吸仅仅只是脱氢的过程。 根据受氢体不同

22、，将厌氧呼吸分为： 发酵 无氧呼吸 第一节第一节 微生物的呼吸作用微生物的呼吸作用发酵和无氧呼发酵和无氧呼 吸吸 发酵：供氢体和受氢体均为有机物。产物为比原先底物 结构简单的有机物。为了满足能量需求，必然消耗更多 的底物，或合成更少的新细胞物质。 无氧呼吸：以无机氧化物为受氢体（分子氧的替代品）。 612642 3 H3C30kJC H OCO+ - 61263222 4NO6H O6C2N1755.6kJC H OO+ 不同呼吸作用的比较 从能量级看不同微生物的竞争优势 异养型好氧呼吸 自养型好氧呼吸 发酵 无氧呼吸 6126222 6662817.3kJC H OOCOH O+ 4232

23、22410NHONOH OHkJ +-+ + 612642 3 H3C120kJC H OCO+ - 61263222 4NO6H O6C2N1755.6kJC H OO+ 好氧、厌氧和兼性微生物 由于生存环境的不同，微生物可分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性微 生物。 好氧微生物必须生活在有氧环境中，在有氧条件下，将有机物分解成二氧化碳和 水。这个过程称之为有机物的好氧分解。污水好氧处理就是好氧分解。（矿化） 厌氧微生物必须生活在无氧环境中，在无氧条件下，将复杂的有机物分解成有机 酸和二氧化碳等产物，这个过程称为厌氧分解。污水的厌氧处理和污泥的厌氧消 化是厌氧分解过程。 兼性微生物既能在有氧环

24、境中生活，也能在无氧环境中生长。在有氧环境中，对 有机物进行好氧分解，在厌氧环境中，它们则能对有机物进行厌氧分解。 第二节第二节 好氧生物处理的基本原理好氧生物处理的基本原理 三要素 目标：稳定化、无害化 好氧生物处理 一、好氧生物处理的基本生物过程： 各类微生物细胞物质的各类微生物细胞物质的实验分子式实验分子式分别是：分别是： 细菌细菌：C5H7NO2；真菌真菌：C16H17NO6；藻类藻类：C5H8NO2； 原生动物原生动物：C7H14NO3；后生动物后生动物： C60H87O23N12P；C5H7O2NP0.06S0.1 CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42

25、- +能量 (有机物) 内源呼吸内源呼吸（也称细胞物质的（也称细胞物质的自身氧化自身氧化） C、H、O、N、S + 能量 C5H7NO2 C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +能量 合成反应合成反应（也称（也称合成代谢合成代谢、同化作用）、同化作用） 分解反应分解反应（又称氧化反应、异化作用、（又称氧化反应、异化作用、分解代谢分解代谢） 废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径 内源呼吸产物 + 能量 (CO2、H2O、NH3、SO42-) 污水中的可 降解有机物 新细胞物质 （C5H7NO2） 代谢产物 (CO2、H2O、NH3、SO42-) (1/3)

26、分解代谢 (2/3) 合成代谢 + 异养微生物 O2 能量 净增细胞物质 内源呼吸 80% 20% 内源呼吸残留物 O2 无机代谢产物无机代谢产物 少量能量少量能量 剩余污泥剩余污泥 三要素三要素 废水好氧生物处理中自养微生物的代谢途 径 新的细胞物质 （C5H7NO2） 代谢产物 + （N02 、NO3 、SO42 、Fe3+ ） 氧化 合成 污水中的无机污染物 (NH3、NO2 、H2S、Fe2+) + 自养菌 O2 能量 内源呼吸 内源呼吸产物 + 能量 （CO2、H2O、NH3、SO42 ） 内源呼吸残留物 O2 CO2 净增细胞物质 无机代谢产物无机代谢产物 少量能量少量能量 剩余污

27、泥剩余污泥 分解与合成的相互关系： 1）二者相互依赖，不可分： a）分解过程为合成提供能量和前体物，而合成则为分解提供物质基础； b）分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。 能量能量 能量能量 ATP ADP + Pi 分解分解 合成合成 分解代谢分解代谢 能量能量 ATP ADP + Pi ATPADP + Pi 2)对对废水中废水中有机物的去除，二者都有重要贡献；有机物的去除，二者都有重要贡献； 3)合成量的大小，对于后续污泥的处理有直接影响合成量的大小，对于后续污泥的处理有直接影响 （污泥的处理费用约占整个城市污水处理厂的（污泥的处理费用约占整个城市污水处理厂的40 50%）

28、。）。 不同形式的有机物被生物降解的历程也不同： 一方面： 结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁； 结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附， 随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞 内。 另一方面： 有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同： 如： 糖类 脂类 蛋白质 TCA循环 二、影响好氧生物处理的主要因素二、影响好氧生物处理的主要因素 1）溶解氧（DO）： 约12 mg/l 2 2）水温水温：是重要因素之一，是重要因素之一， l在一定范围内，随着温度的升高，反在一定范围内，随着温度的升高，反 应、增殖速率加快；应、增殖速率加快； 一般，温度每

29、升高一般，温度每升高10 10 C C ， 反应速率会增高反应速率会增高1 1倍倍 l细胞内的如蛋白质、核酸等对温度很细胞内的如蛋白质、核酸等对温度很 敏感，温度敏感，温度突升突升或或突降突降并超过一定并超过一定 限度时，会有不可逆的破坏；限度时，会有不可逆的破坏； l最适宜温度最适宜温度 15 15 3030 C C； 4040 C C 或或 1010 C C后，会有不利影响后，会有不利影响 注：图中的纵标为相对活性，以注：图中的纵标为相对活性，以25 C为基准。为基准。 中温 带 好氧细菌 厌氧细菌 厌氧细菌 温度（ C） 高温 带 相对活相对活 性性 影响好氧生物处理的主要因素（续） 3

30、)营养物质： 细胞组成中，C、H、O、N约占9097%， 其余310%为无机营养元素，其中主要的有P 生活污水一般不需再投加营养物质； 某些工业废水需要投加营养物质： 好氧生物处理，应按BOD5 N P = 100 5 1 投加N和 P 厌氧生物处理，应按COD N P = 400 5 1 投加N和P CODBD : N : P 约为 350 : 5 : 1 或 C : N : P130 : 5 : 1 其它无机营养元素：K、Mg、Ca、S、Na等； 微量元素： Fe、Co、Ni、Mo等； 影响好氧生物处理的主要因素（续）影响好氧生物处理的主要因素（续） 4）pH值： 一般好氧微生物的最适宜p

31、H在6.58.5之间； pH 4.5时，真菌将占优势，引起污泥膨胀； 另一方面，微生物的活动也会影响混合液的pH值。 5）有毒物质（抑制物质）有毒物质（抑制物质） 重金属：重金属： 蛋白质的沉淀剂（变性；失活）蛋白质的沉淀剂（变性；失活） 氰化物：氰化物： H2S或硫化物：或硫化物： 卤族元素及其化合物：卤族元素及其化合物： 酚、醇、醛：酚、醇、醛： 使蛋白质变性或脱水使蛋白质变性或脱水 染料：染料： 活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度： 有毒物质有毒物质允许浓度允许浓度(mg/l)有毒物质有毒物质允许浓度允许浓度(mg/l) 铜化合物铜化合物(以Cu计)0.51.0苯10 锌化合物(以Zn

32、计)513氯苯氯苯10 镍化合物(以Ni计)2对苯二酚对苯二酚15 铅化合物(以Pb计)1.0间苯二酚450 锑化合物(以Sb计)0.2邻苯二酚100 镉化合物(以Cd计)15间苯三酚100 钒化合物(以V计)5邻苯三酚100 银化合物(以Ag计)0.25苯胺100 铬化合物(以Cr计)25二硝基甲苯12 (以Cr3+计)2.7甲醛160 (以Cr6+计)0.5乙醛1000 硫化物硫化物(以S2-计)525二甲苯7 (以H2S计)20甲苯7 氢氰酸氰化钾18氯苯10 硫氰化物36吡啶400 砷化合物(以As3+计)0.72.0烷基苯磺酸盐15 汞化合物(以Hg计)0.5甘油5 影响好氧生物处理

33、的主要因素（续） 6）有机负荷率： 概念：单位质量的微生物在单位时间内所承担的有机 物的量； 当有机负荷率超过微生物的能力范围时，不利于微生物的生长 和活性的发挥，也不利于有机污染物的降解。 7）氧化还原电位：氧化还原电位： 好氧细菌：好氧细菌： + 300 400 mV， 至少要求大于至少要求大于 + 100 mV。 厌氧细菌：厌氧细菌： +100 mV， 严格厌氧细菌：严格厌氧细菌： 100 mV，甚至，甚至 300 mV。 第三节第三节 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理 早期，被称为厌氧消化、厌氧发酵； 实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性厌 氧）微生物的共同作用下，使

34、有机物分解并产生 CH4和CO2的过程。 一、厌氧消化过程的基本生物过程一、厌氧消化过程的基本生物过程 厌氧反应过程中的阶段性 两阶段理论 三阶段理论 四阶段理论 厌氧消化的两阶段理论 水解细菌 产酸菌 有机物 小分子有机物 酸性发酵阶段 产甲烷菌 脂肪酸、醇类、 H2、CO2 CO2、CH4 碱性发酵阶段 l l发酵阶段，又称产酸阶段 或酸性发酵阶段； l l主要功能：水解和酸化， l l主要产物：脂肪酸、醇类、 CO2和H2等； l l主要的微生物：统称为发发 酵细菌酵细菌或产酸细菌产酸细菌； l l主要特点有： 1）生长快， 2）适应性（温度、pH等） 强。 水解细菌 产酸菌 有机物 小

35、分子有机物 酸性发酵阶段 产甲烷菌 脂肪酸、醇类、 H2、CO2 CO2、CH4 碱性发酵阶段 l l产甲烷阶段，又称碱性发 酵阶段； l l产甲烷菌利用前一阶段的 产物，并将其转化为CH4和 CO2； l l主要参与微生物统称为产产 甲烷细菌甲烷细菌； l l其特点有： 1）生长慢； 2）对环境条件（温度、pH、 抑制物等）非常敏感。 厌氧消化的两阶段理论厌氧消化的两阶段理论 厌氧消化的三阶段理论厌氧消化的三阶段理论 两阶段理论的存在问题：研究表明，产甲烷菌只能利 用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类 以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸 和甲醇以外的醇类。 70年代，

36、Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产 甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的， 一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌 利用H2和CO2产生CH 4；因而，提出了“三阶段理 论”。 三阶段理论 说明：说明：1)I、II、III为为三阶段理论三阶段理论， 2)I、II、III、IV为为四类群理论四类群理论； 产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌II 乙酸乙酸H2+CO2 同型产乙酸菌同型产乙酸菌 IV 脂肪酸、醇类脂肪酸、醇类 有机物有机物 发酵性细菌发酵性细菌I CH4+CO2 III 产甲烷菌产甲烷菌 厌氧消化的三阶段理论厌氧消化的三阶段理论 水解、酸化阶段： 产氢产乙酸阶段：产氢

37、产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化 为乙酸、H2/CO2； 产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4； 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余 的则产自H2和CO2。 三、厌氧消化过程的影响因素三、厌氧消化过程的影响因素 l产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物处理的影响 因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素； l主要因素有： 1、温度 温度对厌氧微生物的影响十分显著：厌氧细菌可分为嗜热 菌（高温菌）、嗜温菌(中温菌)；相应地，厌氧消化分为： 高温消化（55C左右）和中温消化（35C左右）。 高温消化 高温消化的反应

38、速率约为中温消化的高温消化的反应速率约为中温消化的1.51.9倍，产气率也较高，但倍，产气率也较高，但气体中甲气体中甲 烷含量较低烷含量较低； 当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果， 消化后污泥的脱水性能也较好；消化后污泥的脱水性能也较好； 随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的 影响不再非常重要（新型反应器内的生物量很大），因此可 以在常温条件下（2025C）进行，以节省能量和运行费 用。 2、pH值和碱度：值和碱度： pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素之一：产甲烷菌

39、对pH 值的变化非常敏感，最适pH值范围为6.87.2，在8.2 时，产甲烷菌会受到严重抑制，并可能导致整个厌氧消化过程的 恶化； 厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质 （有机物浓度、种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的 溶解平衡等； 厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制； 系统中脂肪酸含量的增加，将消耗HCO3-，使pH下降；但产甲 烷菌的作用可消耗脂肪酸，且还会产生HCO3- ，使系统的pH值 回升； 碱度的作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持pH值； 厌氧体系一旦发生酸败，则需要很长的时间才能恢复。 3、氧化还原电位(ORP)： l严

40、格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件。 非产甲烷菌可以在氧化还原电位为非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100 100mv的环境正常生长和活动；的环境正常生长和活动； 产甲烷菌的最适氧化还原电位为产甲烷菌的最适氧化还原电位为 150 400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于 330mv； 4、营养要求： l厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微 生物，其一般要求大于COD：N：P = 200：5：1； （文献表明800：5：1也可进行）配比的时候400： 5：1 l多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的 功能，

41、所以有时需要投加： K、Na、Ca等金属盐类； 微量元素Ni、Co、Mo、Fe等； 有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素 等。 5、F/M比： l厌 氧 生 物 处 理 的 有 机 负 荷 很 高 ， 达 5 10kgCOD/m3.d，甚至可达5080 kgCOD/m3.d； 无传氧的限制； 更高的生物量。 l产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，二者之间 的平衡不易控制，因此必须十分谨慎地选择有机负 荷； l高的有机容积负荷的前提是高的生物量，相应的污 泥负荷仍然较低； l高的有机容积负荷可缩短HRT，减小反应器容积。 6、有毒物质： 抑制性物质 硫化物或硫酸盐 氨氮 重金属 氰化物 某些

42、有机物 硫化物和硫酸盐： l硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还 原成硫化物； l可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要 是产甲烷过程产生抑制作用； l投加某些金属如F e可以去除S 2-，或从系统中吹脱H 2S 可以减轻硫化物的抑制作用。 氨氮：氨氮： l氨氮是厌氧消化的缓冲剂； l但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用； l抑制浓度为50200mg/l，但驯化后，适应能力会得 到加强。 其它抑制物: 重金属： 使厌氧细菌的酶系统受到破坏。 氰化物： 有毒有机物： 四、厌氧生物处理的主要特征四、厌氧生物处理的主要特征 主要优点： 污泥产量低； 厌氧微生物的增殖速率低

43、， 产酸菌的产率系数Y为0.150.34kgVSS/kgCOD， 产甲烷菌的产率系数Y为 0.03 kgVSS/kgCOD左右， 好 氧 微 生 物 的 产 率 系 数 约 为 0 . 5 0 . 6 kgVSS/kgCOD。 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的某些有机 物进行降解或部分降解； 能耗低，且还可能回收生物能（沼气）； 四、厌氧生物处理的主要特征四、厌氧生物处理的主要特征 主要缺点： 反应过程较为复杂厌氧消化是由多种不同性质、 不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程； 对温度、pH等环境因素较敏感； 出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理； 气味较大； 对氨氮的去除效

44、果不好；等 好氧与厌氧比较适用范围* 第三节 废水可生化性和可生化程度的判 别 定义： 1）某种废水或有机物能否用生物处理法进行处理；如果 可以处理，其难易程度如何？ 2）生物降解性能是指在微生物作用下，使某一物质改变 原来的化学和物理性质，在结构上引起的变化程度。 两个概念：两个概念： 某种废水的可生化性？某种废水的可生化性？ 某种有机物的可生化性？某种有机物的可生化性？ 有机物可生化性的分级： 1）初级生物降解 指有机物原来的化学结构发生了部分变化，改变了分 子的完整性； 2）环境可接受的生物降解 指有机物失去了对环境有害的特性； 3）完全降解 在好氧条件下，有机物被完全无机化； 在厌氧条

45、件下，有机物被完全转化为在厌氧条件下，有机物被完全转化为CH4、CO2等。等。 有机物或废水可生化性的分类： 易生物降解易于被微生物作为碳源和能源物质而利用； 可生物降解能够逐步被微生物所利用 难生物降解降解速率很慢或根本不降解。 判别废水可生化性的实验方法： 根据氧化所耗氧量 （1）水质指标法： BOD5/COD值或BOD28/ThOD； BOD5/COD值 0.4 易生化处理； 0.25 BOD5/COD值 0.4 可生化处理； BOD5/COD值 0.2 难生化处理。 优点：简单。优点：简单。 缺点：有时候出现偏差。缺点：有时候出现偏差。 （2 2）（）（相对）耗氧速率相对）耗氧速率法：

46、法： 基本原理：通过有机物或废水的生化呼吸线与内源呼吸线的比较，来判断 有机物或废水的可生化性。 仪器：瓦呼仪。 时间（h） 累积耗氧量 内源呼吸线内源呼吸线 抑制性物质抑制性物质 可生化物质可生化物质 无毒、不可生化无毒、不可生化 瓦呼仪示意图瓦呼仪示意图 根据有机物的去除效果： a）静置烧瓶筛选试验； b）振荡培养试验法； c）半连续活性污泥法； d）活性污泥模型试验 根据CO2产量： 斯特姆测试法：用活性污泥上清液作接种，28天，25C， 以CO2产量占理论CO2产量的百分率来进行判断 根据微生物生理生化指标： ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试 法等 影响有机物生物降解性

47、能的因素： 化学物质的自身性质，如：化学组成、理化性质、浓 度、与它种基质的共存情况等； 接种微生物的种类和性质，如：微生物的来源、数量、 种属间的关系等； 环境因素，如pH值、DO、温度、营养物等。 第五节 微生物生长规律及其应用 纯菌株培养条件下的生长曲线 微生物增殖与活性污泥的增长 实际应用生产指导意义 纯菌株培养条件下的生长曲线 按生长速度的情况，生长曲线可分为四 个时期，见图。 停滞期(调整期) 对数期(生长旺盛期) 静止期(平衡期) 衰老期(衰亡期) 对数期停滞期静止期衰老期 培养时间 细 菌 数 的 对 数 活菌数 总菌数 死菌数 微生物增殖与活性污泥的增长 微生物增殖： 在污水

48、处理系统或曝气池内微生物的增 殖规律与纯菌种的增殖规律相类似，即： 停滞期（适应期） 对数期 静止期（减速增殖期） 衰亡期（内源呼吸期） 对数期停滞期静止期衰老期 培养时间 细 菌 数 的 对 数 活菌数 总菌数 死菌数 微生物的增长与递变规律 由前至后： 污染物浓度不断降 低，水质逐步变好 微生物数量由对数 期逐步过渡至衰亡 期 微生物组成：由细 菌逐步过渡为轮虫 类似于水体自净这 一污水处理原型。 实际应用生产指导意义 合理应用微生物的生长阶段 驯化和接种 镜检 与其他指标(COD和BOD等）比较，具有以下特点： 快速及时； 价廉； 依赖经验； 仅是定性反映。 驯化后期污泥中菌胶团形态 第

49、六节 反应动力学基础 基础知识 反应速度和产率系数 反应级数 米门公式 莫诺德模式 反应速度和产率系数 反应速度 Substrate y*X + z*Product 产率系数y: mg(微生物）/mg(有机物） 1 dXdS v y dtdt = - 反应级数 定义： k反应速率常数，单位不定； n反应级数。 求解试验数据处理： 基本思路：线性化。 双对数法。lgvlgS 线性公式求解：最小二乘法 底物浓度S反应时间t 零级反应：S=S0-kt 一级反应：lgS=lgS0-kt 二级反应：S-1=S0-1+kt 米门公式 酶反应速率与底物浓度之间的关系 MichaelisMenton提出酶的“

50、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： SK Sv m max 其中：Km 饱和常数，或半速常数； vmax 最大反应速率。 E + S ES E + P ? 米-门公式的图示 vmax Km v = vmax/2 S 0 v Km的物理意义 稳态时的平衡常数。 l特征常数只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。 l如果酶有几种底物，则各有相应的特定的Km。 l最适底物或天然底物。 l1/Km 基质亲和力。 ? Km的测定 试验数据处理： 基本思路：线性化。 双倒数法。V-1S-1 线性公式求解：最小二乘法。 莫诺德模式 微生物生长与

51、底物浓度之间关系微生物生长与底物浓度之间关系 1942年和1950年，Monod根据 单一基质、纯菌种培养实验，研究微生物比增殖速率与基质单一基质、纯菌种培养实验，研究微生物比增殖速率与基质 浓度之间的关系；浓度之间的关系； 发现发现与酶促反应类似的规律。与酶促反应类似的规律。 提出微生物生长与底物浓度之间的动力学公式，即莫 诺德模式： SK S s max 式中：式中： 微生物的微生物的比比增殖速率增殖速率，kgVSS/kgVSS.d； max基质浓度饱和时，微生物的最大比增殖速率基质浓度饱和时，微生物的最大比增殖速率, kgVSS/kgVSS.d; S反应器内的基质浓度，反应器内的基质浓度

52、，mg/L； Ks饱和常数，也称半速常数。饱和常数，也称半速常数。 莫诺德模式的讨论 max KS影响生物处理构筑物运行的稳定性 易降解底物 max大， KS小 难降解底物 max小， KS大 莫诺德模式： 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。 在微生物比增殖速率与底物的比降解速率之间存在下列 比例关系： x dt dx / dkgVSSkgVSS/ () ds qx dt = - dkgVSSkgBOD 5 莫诺德模式 则与比增殖速率相对应的比底物降解速率也可以用类似公式表示，即： max S S qq KS = + 式中：

53、式中：S S 底物的浓度； 对于废水处理来说，有机物的降解是其基本目的，对于废水处理来说，有机物的降解是其基本目的， 因此上式的实际意义更大。因此上式的实际意义更大。 莫诺德模式的图示 一级反应区一级反应区 过渡区过渡区 零级反应区零级反应区 莫诺德方程式的推论： (1) 在高底物浓度的条件下，即SKs，呈零级反应，则 有： ， max max qq= max1 dS qXK X dt ?= max2 S S qqK S K =XSK dt dS 2 1max Kq= max 2 s q K K = 第七节第七节 生物产率系数的估算生物产率系数的估算* * * * 从生物力能学的角度估算各种条

54、件下的生物产率系数； 电子供体电子供体：在氧化还原反应中，失去电子的化合物，即被氧化的物质；：在氧化还原反应中，失去电子的化合物，即被氧化的物质； 电子受体电子受体：在氧化还原反应中，得到电子的化合物，即被还原的物质；：在氧化还原反应中，得到电子的化合物，即被还原的物质； 在废水的生物处理过程中，分解与合成作用的同时进行的，而且分解 的目的是为合成作用提供其所需要的能量； 从人类的角度，分解是第一位的；但从微生物的角度，合成才是第一 位的。 在废水的生物处理过程中，废水中污染物的去除是分解和合成的共同 作用的结果； 合成作用的基础是合适的碳源、氮源以及能量； 分解的基础则是作为氧化分解的物质，

55、即能源物质； 分解作用所产生的能量中一般只有60%左右被用于合成作用，其它则 散失在水中。 计算步骤计算步骤 确定电子供体和电子受体； 计算将碳源物质转化为细胞物质所需要的能量； 计算细菌所进行的氧化还原反应中所产生的能量； 根据能量平衡计算细胞的产率系数； 生物反应总反应方程式的计算； 电子供体和电子受体的确定电子供体和电子受体的确定 好氧条件下，有机物的去除； 厌氧条件下，有机物的去除； 好氧条件下，氨氮的氧化； 缺氧条件下，有机物的氧化与硝态氮的还原； 其它。 碳源物质合成细胞物质所需要能量的计算碳源物质合成细胞物质所需要能量的计算 细胞合成所需的能量与用于生长的碳源和氮源有关； 对于异

56、养细菌，多种有机物都能够作为碳源物质，但其能量效果 各异； 假设：丙酮酸是细胞合成的中间产物，因此能量的平衡需要根据 有机物相对于丙酮酸的能量变化来计算； 原因：丙酮酸是糖酵解的终点，又是三羧酸循环的起点； 对于自养细菌，是以CO2作为碳源，需要一定的能量，但其计算 与异养细菌的略有不同； 一般认为，微生物直接利用的氮源是氨氮，如果是其它氮源物质， 则需要消耗额外的能量将其首先转化为氨氮。 一、碳源物质合成细胞物质所需要能量的计算一、碳源物质合成细胞物质所需要能量的计算 对于异养细菌，以丙酮酸作为细胞合成的中产物时，其 合成代谢所需要的能量为： K G G K G G N c m p s 将将

57、1 1电子当量碳源转化为细胞物质所需的能量电子当量碳源转化为细胞物质所需的能量 将将1 1电子当量碳源转化为丙酮酸所需的能量电子当量碳源转化为丙酮酸所需的能量 将其它氮源转化为氨氮将其它氮源转化为氨氮 所需的能量所需的能量, ,分别为：分别为： 17.46(NO17.46(NO3 3- -) )、 13.61(NO13.61(NO2 2- -) )、15.86(N15.86(N2 2) )、 0(NH0(NH4 4+ +) ) 能量转化效率，约能量转化效率，约60% 符号系数符号系数 将将1 1电子当量丙酮酸转化为细胞物质所需的能量，电子当量丙酮酸转化为细胞物质所需的能量， 31.41kJ/e31.41kJ/e- -eqeq 碳源物质合成细胞物质所需要能量的计算碳源物质合成细胞物质所需要能量的计算 【例】：以乙酸为碳源，以NH4+为氮源，在好氧和厌氧条件下的合 成途径可以假设如下： 乙酸乙酸CO2/H2O丙酮酸丙酮酸细胞物质细胞物质 l其中第三步的能量变化即其中第三步的能量变化即Gc 31.41kJ/e31.41kJ/e- -eqeq ，所以，所以 只需计算前两步的能量变化；只需计算前两步的能量变化； eHHCOCOOHCOOCH 3223 8 1 8 1 8 3 8 1 -27.68 OHCOCOOCHeHHCOCO 2332 5 2 10 1