水污染课件版 第3章废水生物处理和生化反应

第三章废水生物处理和生化反应动力学基础3.1概述3.2废水生物处理基本原理3.3微生物的生长规律与生长环境3.4反应速度和反应级数3.5微生物生长动力学一、发酵与呼吸发酵（供氢体和受氢体都是有机物）呼吸

3.2废水生物处理基本原理生物氧化反应发酵—最终电子受体是氧化过程中的中间产物(简单的有机物)

最终产物：醇、有机酸、CO2、CH4及能量呼吸有氧呼吸—最终电子受体是O2

最终产物：CO2、H2O及能量

缺氧呼吸--最终电子受体是NO3-，SO42-、CO32-等含氧酸根最终产物：CO2、H2O、H2S、N2及能量

1.发酵(fermentation)有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等。2.呼吸微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。以氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobicrespiration）：无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体根据于与氧的关系可以将微生物的呼吸类型划分为好氧呼吸和缺氧呼吸1）好氧呼吸特点：有分子氧存在，反应的最终电子受体是氧。异养微生物（二氧化碳、水、氨）自养微生物（无机物）2）缺氧呼吸特点：没有氧存在的生化反应缺氧呼吸（最终电子受体是无机物含氧化合物）二、废水生物处理及其分类好氧生物处理：在有游离氧存在的条件下，好氧微生物降解有机物使其稳定无害化的处理方法。L好氧生物处理特点：反应速度快、处理构筑物容积小、处理过程的臭气较小。处理对象：低浓度有机废水厌氧生物处理：在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。厌氧过程L厌氧特点：运行费用低、剩余污泥量少、可以回收能源；但是反应速度慢、构筑物容积较大处理对象：有机物的好氧分解图示2/31/3为什么有机物的好氧分解产生的剩余污泥较多？有机污的氧化分解方程有机物的氧化分解（有氧呼吸）原生质的氧化分解（内源呼吸）原生质的同化合成（以氨为氮源）：

有机物的厌氧分解图示1、生物脱氮三、脱氮除磷基础理论含氮有机物氨氨化微生物亚硝化菌硝化菌亚硝酸盐、硝酸盐反硝化菌氮气厌氧释磷、好氧吸磷2、生物除磷1、氨的氧化NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源亚硝化细菌：硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量将亚硝氧化为硝酸并获得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。微生物处理分类自然条件下水体自净－天然水体和氧化塘生物处理法好氧生物法厌氧生物法人工条件下自然条件下人工条件下土壤净化－污水灌溉悬浮生物法－活性污泥法及其变种、氧化塘、氧化沟固着生物法－生物滤池、生物转盘、接触氧化、好氧生物流化床堆肥厌氧塘悬浮生物法－厌氧消化、上流式厌氧污泥床、高温堆肥、化粪池固着生物法－厌氧滤池、厌氧流化床3.3微生物的生长规律和生长环境一、微生物的生长规律生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体体积扩大的生物学过程。生长：生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。繁殖：生长是一个逐步发生的量变过程，繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。一个微生物细胞合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢。如果同化作用的速度超过了异化作用个体的生长原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就会发生繁殖，引起个体数目的增加。群体内各个个体的进一步生长群体的生长研究微生物生长的方法微生物的特点：个体微小肉眼看到或接触到的微生物是成千上万个单个的微生物组成的群体。微生物接种是群体接种，接种后的生长是微生物群体繁殖生长。对细菌群体生长规律的了解是对其进行研究与利用的基础将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获。分批培养（batchculture）or封闭培养（closedculture）培养基一次加入，不予补充，不再更换。生长曲线(GrowthCurve)：

细菌接种到定量的液体培养基中，定时取样测定细胞数量，以培养时间为横座标，以菌数为纵座标作图，得到的一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线。细菌的生长曲线一般用菌数的对数为纵坐标作图活性污泥中的微生物是多菌种的混合群体，其生长繁殖规律比较复杂，但可用其增长曲线表示一般规律。活性污泥的微生物增长过程可分为延迟期、对数增长期、减速增长期和内源呼吸期四个阶段。在每个阶段，有机物(BOD)的去除率、去除速率、氧的利用速度及活性污泥特征等都各不相同。一条典型的生长曲线至少可以分为

迟缓期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时期1.迟缓期(Lagphase)：将少量菌种接入新鲜培养基后，在开始一段时间内菌数不立即增加，或增加很少，生长速度接近于零。也称延迟期、适应期等。迟滞期的特点：分裂迟缓、代谢活跃

细胞形态变大或增长，一般来说处于迟缓期的细菌细胞体积最大。细胞内合成代谢活跃。对外界不良条件反应敏感。细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。2.对数生长期(Logphase)：又称指数生长期(Exponentialphase)特点：生长速率常数最大，繁殖数>死亡数。以最大的速率生长和分裂，细菌数量呈对数增加，细胞每分裂一次所需的增代时间（generationtime）或原生质增加一倍所需的倍增时间（doublingtime）最短.成分均匀。细菌内各成分按比例有规律地增加，表现为平衡生长。酶活力高，酶系活跃，代谢旺盛。3.稳定生长期(Stationaryphase)：由于营养物质消耗，代谢产物积累和pH等环境变化，逐步不适宜于细菌生长，导致生长速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数)。稳定生长期又称恒定期或最高生长期，此时培养液中活细菌数最高并维持稳定。特点：细胞数目不增加，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系细胞长、大代谢旺盛对不良条件敏感，抵抗力降低稳定期到来的原因主要是：营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物的比例失调，如C／N比值不合适；酸、醇、毒素或H20等有害代谢产物的累积；pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜。4.衰亡期(Decline或Deathphase)：特点：个体死亡的速度超过新生的速度(繁殖数<死亡数)，整个群体就呈现出负生长。细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶（autolysis）；有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物；影响因素环境不利，分解代谢速度>>合成速度

时间量对数增长期减速增长期内源呼吸期微生物细胞量氧利用率BOD浓度内源呼吸期丝状菌草履虫葡萄球菌鞭毛轮虫二、微生物的生长环境1、营养物(nutrients)在活性污泥系统里，微生物的代谢需要一定比例的营养物，除以BOD表示的碳源外，还需要氮、磷和其他微量元素。生活污水含有微生物所需要的各种元素，但某些工业废水却缺乏氮、磷等重要元素。一般认为对氮、磷的需要应满足以下比例，即BOD5:N:P=100:5:1。2、温度(temperature)在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内，水温上升就会使微生物活动旺盛，就能够提高反应速度。水温上升还有利于混合、搅拌、沉降等物理过程，但不利于氧的转移。对于生化过程，一般认为水温在20－30℃时效果最好，35℃以上和l0℃以下净化效果即降低。3、pH值对于好氧生物处理，pH值一般以6.5－9.0为宜。pH值低于6.5，真菌即开始与细菌竞争，降低到4.5时，真菌将占优势，严重影响沉降分离。pH值超过9.0时，代谢速度受到阻碍。需要指出的是pH值是指混合液而言。对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲作用。4、溶解氧(dissolvedoxygen,DO)对于推流式活性污泥法，氧的最大需要量出现在污水与污泥开始混合的曝气池首端，常供氧不足。供氧不足会出现厌氧状态，妨碍正常的代谢过程，滋长丝状菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的浓度表示。活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此溶解氧浓度以2-3mg/L左右为宜。5、有毒物质(toxicmaterials)对生物处理有毒害作用的物质很多。毒物大致可分为重金属、H2S等无机物质和氰、酚等有机物质。这些物质对细菌的毒害作用，或是破坏细菌细胞某些必要的生理结构，或是抑制细菌的代谢进程。毒物的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、有无其他毒物及微生物的数量或是否驯化等有很大关系。3.4反应速度和反应级数一、反应速率概念：单位时间那底物的减少量、最终产物或细胞的增加量底物S最终产物P细胞X合成分解二、反应级数反应速度方程零级一级二级K随温度而变化，n为反应级数3.5微生物生长动力学一、微生物群体增长速率Monod经过大量的试验研究，提出的微生物增长速度公式，也可以用来描述曝气池中活性污泥的增长速度。式中：－微生物的比增长速率，即单位生物量的增长速度X——微生物浓度m——

的最大值S——限制微生物增长的底物浓度Ks——半速率常数，饱和常数。半速度常数确定图示

mKsm/20S二、底物利用速率式中：r－底物比降解速率，即单位生物量的增长速度X——微生物浓度rm——r

的最大值S——限制微生物增长的底物浓度Ks——半速率常数，饱和常数三、微生物增长与有机底物降解活性污泥增长速度与BOD利用速度之间的关系式中：dX/dt－污泥的净增长速度，表示单位体积混合液内的活性污泥在单位时间内净增加的质量；Y－增殖利用系数，也称产率系数，无量纲，表示利用单位质量的BOD所生成的污泥质量。dS/dt－BOD降解的速度d－1；Kd－微生物的分解（死亡）系数，d－1；X－曝气池污泥浓度，kg/m3。工程中的实际应用在实际工程中常以实际测得的产率系数Yobs代替理论产率系数Y3.4米-门方程式

酶促反应特点：酶可加速反应速度，但不能改变反应的平衡条件，酶的性质和数量不变，并且具有比一般催化剂高得多的催化效率。酶的催化作用具有专一性。酶对有机物其作用的温度可分为三个最适宜温度范围：15~25℃的低温、25~37℃的中温、37~70℃的高温作用酶。由于酶是蛋白质，因此在高温、遇强酸、强碱及重金属离子时即丧失活性。米-门公式：3.5Monod方程Monod经过大量的试验研究，提出的微生物增长速度公式，也可以用来描述曝气池中活性污泥的增长速度。式中：－污泥的比增长速度，即单位质量的污泥在单位时间内的增长速度，