废水生物处理理论基础课件

第3篇污水的生物处理法第1章

污水生物处理理论基础第2章污水好氧生物处理（一）——活性污泥法第3章污水好氧生物处理（二）——生物膜法第4章污水厌氧生物处理第5章污水的自然生物处理7/31/20231第3篇污水的生物处理法第1章污水生物处理理论基础7/第1章废水生化处理理论基础1.1废水生化处理微生物基础1.2反应速度和酶促反应速度L1.3微生物的生长动力学L1.4

废水的可生化性L1.5

废水生化处理方法概述L7/31/20232第1章废水生化处理理论基础1.1废水生化处理微生物基1.1废水生化处理微生物基础废水生物处理是利用微生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物进行转化和稳定，使之无害化的处理方法。对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。微生物：借助显微镜才能看到的单细胞或多细胞生物。从狭义角度讲，主要是指菌类生物及病毒。从广义角度讲，除了菌类和病毒外，还包括藻类、原生动物、后生动物。7/31/202331.1废水生化处理微生物基础废水生物处理是利用微生物的新陈主要内容:微生物的新陈代谢微生物的生长规律微生物的生长环境7/31/20234主要内容:微生物的新陈代谢7/31/20234二、微生物的新陈代谢概念：微生物在生命活动过程中，不断从外界环境中摄取营养物质，并通过复杂的酶催化反应，将其加以利用，提供能量并合成新的生物体，同时又不断向外界环境排泄废物。这种为了维持生命活动过程与繁殖下代而进行的各种化学变化称为新陈代谢。分类：根据能量的释放和吸收，新陈代谢分为合成代谢和分解代谢。微生物增值合成代谢分解代谢微生物的新陈代谢能量复杂有机物分解为简单物质＋

释放（异化作用）（同化作用）7/31/20235二、微生物的新陈代谢概念：微生物在生命活动过程中，不断从外界1.分解代谢（1）概念：高能化合物分解为低能化合物，物质由繁到简并逐级释放能量的过程，或称异化作用。（2）类型：根据代谢过程中对氧的需求，分为：好氧分解代谢：是好氧微生物和兼性微生物参与，在有溶解氧的条件下，将有机物分解为CO2和H2O，并释放出能量的代谢过程。在有机物氧化过程中脱出的氢[H]是以氧作为受氢体。通常称为有氧（好氧）呼吸。7/31/202361.分解代谢（1）概念：高能化合物分解为低能化合物，物质由繁厌氧分解代谢：是厌氧微生物和兼性微生物参与，在无溶解氧的条件下，将复杂有机物分解成简单的有机物和无机物（如有机酸、CO2、H2O等),再被甲烷菌进一步转化为甲烷和CO2等，并释放能量的过程。按照代谢过程中受氢体的不同，又分为发酵和无氧呼吸。发酵：指供氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体是供氢体的分解中间产物（有机物）。发酵是一种厌氧状态。无氧呼吸：指以无机含氧化合物，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。无氧呼吸是一种缺氧状态。7/31/20237厌氧分解代谢：是厌氧微生物和兼性微生物参与，在无溶解氧的条件如葡萄糖（C6H12O6）的代谢情况：有氧代谢：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ厌氧代谢：无氧呼吸：C6H12O6+6H2O→6CO2+24[H]24[H]+4NO3-

→2N2+12H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-→

6H2O+6CO2+2N2↑+1755.6kJ发酵：C6H12O6

→

2CH3COCOOH+4[H]2CH3COCOOH→2CO2+2CH3CHO4[H]+2CH3CHO

→2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6

→2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ7/31/20238如葡萄糖（C6H12O6）的代谢情况：有氧代谢：7/31小结：好氧分解代谢过程中，有机物分解较为彻底，最终产物是含能量较低的CO2、H2O，因此释放能量多，代谢速度快。厌氧分解代谢过程中，有机物分解不彻底，释放能量少，因此，微生物为了获得同样多的能量，厌氧分解有机物的量要比好氧分解有机物的量多。从废水处理的角度，希望较短时间内，将废水有机物无机化、无害化，多采用好氧处理。只有当有机物浓度较高时（如处理高浓度有机废水、有机污泥时），用厌氧方式处理并回收甲烷。7/31/20239小结：好氧分解代谢过程中，有机物分解较为彻底，最终产物是含能2、合成代谢（1）概念：微生物从外界环境中获得能量，将低能化合物合成生物体的过程，又称同化作用。也就是微生物机体自身物质制造的过程。（2）在该过程中，微生物体合成所需的能量和物质由分解代谢提供。102、合成代谢（1）概念：微生物从外界环境中获得能量，将低能化三、微生物的生长规律

1、微生物的生长曲线适应期对数期平衡期衰老期培养时间微生物生长速率微生物量的对数培养时间总菌数活细菌数微生物生长曲线死细菌数7/31/202311三、微生物的生长规律1、微生物的生长曲线适应期对数期平衡1）适应期（停滞期）微生物培养的初期阶段，微生物刚刚接入新鲜培养液时，对新的环境有一个适应过程，所以在此时期微生物的数量基本不增加，生长速度接近于零。2）对数期经过适应期的调整，微生物适应了新环境，在营养丰富的条件下，微生物的生长繁殖不受底物限制，微生物的生长速度达到最大，细菌数量以几何级数的速度增加。3）平衡期（静止期）微生物经过对数期大量繁殖后，使培养液中的底物逐渐被消耗，再加上代谢产物的增加积累，从而造成不利于微生物生长繁殖的食物条件和环境条件，增长速率下降死亡速率上升，微生物数量趋于稳定。4）衰老期（内源呼吸期）培养液中的底物几乎被消耗殆尽，营养物明显不足，微生物只能利用细菌体内的物质或者以死细菌作为养料，进行内源呼吸。微生物数量急剧减少。7/31/2023121）适应期（停滞期）7/31/202312小结：在废水生物处理中，通过控制底物量(F)与微生物量(M)的比值F/M，使微生物处于不同的生长状况，从而控制微生物的活性和处理效果。在微生物的对数期，微生物具有繁殖快、活性大、对底物降解速度快的特点。在废水处理过程中，若控制微生物处于对数增长期，虽然反应速度快，但污泥絮凝性和沉降性较差，出水中有机物浓度高。显然，想要取得稳定的出水和较高的处理效果是很难的。通常控制F/M在较低范围内，利用平衡期和内源呼吸期的微生物处理废水，能够获得理想的出水水质，并且污泥沉降性能好。7/31/202313小结：在废水生物处理中，通过控制底物量(F)与微生物量(M)2、混合微生物群的生长规律在废水生物处理中，微生物是一个群体，它们也有一定的生长规律。个体生长曲线的形状和位置，与环境中的有机物变化以及微生物之间的相互依存情况有关。当有机物多时，则以有机物为食料的细菌占优势，数量最多；细菌多时，必然出现以细菌为食料的原生动物，而后才出现以细菌和原生动物为食料的后生动物。根据微生物群的生长规律，可推测废水处理中的水质情况。因此，在污水处理厂广泛使用镜检作为水质的定性检测手段。 7/31/2023142、混合微生物群的生长规律在废水生物处理中，微生物是一个群体微生物增长与递变7/31/202315微生物增长与递变7/31/202315四、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7/31/202316四、微生物的生长环境微生物的营养温度p

1、微生物的营养微生物的细胞组成L

微生物的营养：主要为C、N、P废水处理系统中微生物的营养需求好氧生物处理：BOD：N：P=100：5：1厌氧消化处理：C/N比值在（10～20）：1范围营养源的投加

对于含碳量低的工业废水，可投加生活污水、米泔水或者投加淀粉等补充碳源不足；对于含氮、磷低的工业废水，可投加尿素、硫酸铵等补充氮源；投加磷酸钠、磷酸钾作为磷源。生活污水所含营养比较齐全无需投加营养源，并且可作为其他工业废水处理时的最佳营养源。7/31/2023171、微生物的营养微生物的细胞组成L7/31/20微生物的组成微生物组成水80％干物质20％无机质10％有机物90％C53.1%,O28.3%,N12.4%,H6.2%P50%,S15%,Na11%,Ca9%,Mg8%,K6%,Fe1%等细胞化学式：C5H7O2N(有机部分)细胞化学式：C60H87O23N12P(考虑磷)7/31/202318微生物的组成微生物组成水干物质无机质有机物C53.1%,O2、温度类别最高温度(℃)最适温度(℃)最低温度(℃)高温性微生物中温性微生物常温性微生物低温性微生物70～8050403050～6030～4010～305～10301050各类微生物的生长范围不同，约为5～80℃，此温度范围可以划分为最高温度、最低温度、最适温度。最适温度是指微生物生长速度最高时的温度。根据微生物所适应的温度范围，其分类为：7/31/2023192、温度类别最高温度最适温度最低温度高温性微生物70～80结论：1、微生物的生长过程取决于生物化学反应，而化学反应速率受温度的影响。通常在最低温度和最适温度范围内，反应温度反应速率微生物增长速率温度过高，超过最高生长温度，使微生物的蛋白质变性而破坏酶系统，失去活性。低温不会造成微生物致死，但是将使微生物的代谢活力下降，处于生长繁殖的停止状态。2、在废水好氧生物处理中，以中温性微生物为主，控制水温在20～35℃；3、在废水厌氧生物处理中，以中温性和高温性微生物为主，常采用温度为33~38℃和52~57℃。20结论：1、微生物的生长过程取决于生物化学反应，而化学反应速率3、pH值不同的微生物有不同的pH值适应范围。一般细菌、真菌、藻类和原生动物的pH值适应范围在4~10。大多数细菌在中性和偏弱碱性(pH＝6.5~7.5)条件下范围生长最好。废水生物处理过程中应保持最适pH范围。一般好氧生化处理pH可在6.5~8.5之间变化；厌氧生化处理要求较为严格，pH在6.7~7.4之间。当废水的pH变化较大时，应设置调节池，使进入反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH范围。213、pH值不同的微生物有不同的pH值适应范围。214、溶解氧溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。在废水好氧生物处理中，如果DO不足，好氧微生物由于得不到足够的氧，其生物活性受抑制，影响系统运行。好氧生物处理的溶解氧一般以2.0~4.0mg/L为宜。在厌氧生物处理中，由于厌氧微生物对氧气很敏感。当有溶解氧存在时，它们就无法生长，因此厌氧反应设备中，要严格密封隔绝空气。7/31/2023224、溶解氧溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。7/31/205、有毒物质在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质，这类物质我们称之为有毒物质。重金属类：铅、镉、铬、砷、铜、铁、锌等；有机物类：酚、甲醛、甲醇、苯、氯苯等无机非金属类：硫化物、氰化物、氯化物、硫酸根、硝酸根等其毒害作用主要表现在细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。在废水生物处理时，对这些有毒物质应严加控制，但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。7/31/2023235、有毒物质在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制和杀害作一、反应速度1、定义：在生化反应中，反应速度是指单位时间内底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。2、反应速率的表示在容积为V的液体中的组分A，反应在dt时间内所产生的物质的量的变化为dnA，则A的反应速率可表示为：

…………..（1）………（2）A为产物A为反应物tCA1.2反应速度和酶促反应速度式中的nA可和V组合成A的浓度[A]，得：若A代表反应物时，由于其浓度是随时间下降的，反应速度为负值；若A代表产物时，则反应速度为正值。7/31/202324一、反应速度…………..（1）………（2）A为产物A为反应物3、生化反应速度

……（3）(3)式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系。它是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。了解这个规律，可以更合理地设计和管理生物处理过程。底物S细胞物质X最终产物P合成分解称产率系数，表示单位质量的底物减少量和细胞增长量之间的关系。单位为：mg（生物量）/mg（降解底物）生化反应底物变化示意图(3)式中反应系数图中的生化反应可以用下式表示：7/31/2023253、生化反应速度……（3）(3)式反映了底物减少速率和细胞二、反应级数对于一般化学方程式：如果通过试验数据的处理，得出产物P的反应速率表示为：产物P的反应称为反应物A的a级反应；反应物B的b级反应，总称为（a+b）级反应。K为反应的速率常数。（1）当a=0，b=0时，反应速率不受反应物A、B浓度的影响，是一个常数——零级反应（2）当a=0，b=1时，反应速率对反应物A是零级反应，对B是一级反应，即反应速度只受反应物B浓度的影响；当a=1，b=0时，反应速率不受反应物B浓度的影响，对反应物A是一级反应，即反应速度只受反应物A浓度的影响。（3）当a=1，b=1时，反应速率受反应物A、B浓度的影响，是A、B的二级反应。7/31/202326二、反应级数对于一般化学方程式：如果通过试验数据的处理，单组分反应：或由反应级数的确定：故，当n=0时，即零级反应，有：当n=1时，即一级反应，有：当n=2时，即二级反应，有：lgvAlgCAn=0n=2n=10A的初始浓度为CA0，k为反应速率常数，反应级数为n，则有：7/31/202327单组分反应：或由反应级数的确定：故，当n=0时，即零级反应，零级反应1kCAtCA00CAtCA00一级反应一级反应LgCAt斜率为-k/2.3030二级反应1/CAt0反应级数示意图7/31/202328零级反应1kCAtCA00CAtCA00一级反应一级反应Lgn=0混合反应区（0<n<1)底物浓度[S]酶反应速率Vmax零级反应区1、酶促反应速度与底物浓度的关系当底物浓度在较低范围时，反应速度v正比于S,为一级反应。2、中间产物学说

k1k2k3E+SESP+E式中S—底物；E—酶；ES—酶-底物中间产物；P—产物三、酶促反应速度生物酶催化下进行的生化反应，反应分为两步：（1）首先酶与底物反应生成中间络合物；（2）中间络合物分解为产物和游离酶。一级反应区(n=1)当底物浓度增加到一定限度时，酶反应速度达到最大值，再增加底物浓度对反应速度无影响，呈零级反应。酶被底物饱和。7/31/202329n=0混合反应区底物浓度[S]酶反应速率Vmax零级1、酶促3、米氏方程米凯利斯－门坦提出表示整个酶反应过程中底物浓度和酶促反应速度之间的关系式，即为米凯利斯－门坦方程式，简称米氏方程。式中：v——酶反应速率；

vmax—最大酶反应速率；

ρs——底物浓度；km——米氏常数。………..（1）由(1)式得：……..（2）即km是的底物浓度，故又称为半速度常数。n=0混合反应区（0<n<1)底物浓度[S]酶反应速率Vmax零级反应区Km1/2Vmax当底物浓度ρs很大时候，即ρs>>km

,则km+ρs≈ρs，此时酶反应速度达到最大，呈零级反应。即底物浓度不是酶反应速率的限制因素，再增加底物浓度对酶反应速率无任何影响。只有增加酶浓度才有可能提高反应速率。当ρs较小时，即ρs<<km

,则km+ρs≈km，酶反应速度与底物浓度ρs成正比，为一级反应。此时由于生物酶没有被底物饱和，故增加底物浓度可以提高酶反应速率。但是随着ρs增加，v与ρs不再成正比例关，，而呈现出混合级反应，即反应级数0<n<1。n=17/31/2023303、米氏方程米凯利斯－门坦提出表示整个酶反应过程中底物浓度和4、米氏常数的意义及测定（1）米氏常数的物理意义

Km是酶反应动力学中的一个重要的系数，也称为动力学系数。它是酶反应处于平衡时的平衡常数。其大小与酶的生物特性有关，物理意义为：Km是酶的特征常数，只与酶的性质有关与酶浓度无关；若一种酶有几种底物，则对每一种底物，各有一特定的Km值。同一种酶如果有几种底物，则相应有多个Km，其中最小的Km对应的底物称为该酶的最适底物或天然底物。（2）Km和vmax的测定（双倒数作图法）

先将米氏方程改成为：0-1/km1/vm试验中选择不同的底物浓度

测定相应的酶反应速度，作图。7/31/2023314、米氏常数的意义及测定（1）米氏常数的物理意义0-1/km一、微生物的增长速度二、莫诺特（Monod）方程三、微生物增长速度与底物利用速度1.3微生物生长动力学7/31/202332一、微生物的增长速度1.3微生物生长动力学7/31/20一、微生物的增长速度…….………….…….…….(1)……（2）引入比例系数μ，则（1）式改写为等式：微生物体增长的重要先决条件：碳源；能源；外部电子接受体(如果需要的话)；适宜的物理化学环境。如果微生物增长所需的必要条件都能得到满足，则对于某一时间增量△t，微生物浓度的增量△X与现存微生物浓度X成正比，即：（3）式可转化为：由(4)式可知，μ表示单位微生物量的增长速率，称为比增长速度（或称比增长率），单位是(时间)－1（2）式两边同除△t，并取极限△t→0，得…...（3）（3）式中为微生物的增长速度，即单位时间内单位体积反应器中微生物增长量。……………….……………(4)7/31/202333一、微生物的增长速度…….………….…….…….(1)……二、莫诺特（Monod）方程1、微生物比增长速度与底物浓度之间的关系式：注意：（1）该图反映限制生长的底物浓度与微生物增长速度的关系。与表示酶促反应速度的米氏方程形式相同，含义不同；（2）在使用monod方程时，Ps项必须是限制增长的营养物的浓度。2、关系图：n=0混合反应区（0<n<1)μmax零级反应区Ks1/2μmax一级反应区(n=1)底物浓度ρsμ07/31/202334二、莫诺特（Monod）方程1、微生物比增长速度与底物浓度之三、微生物增长速度与底物利用速度微生物代谢过程中，微生物通过分解代谢作用，将部分底物降解为低能化合物，微生物从中获取能量；通过合成代谢将一部分底物合成为新的细胞物质，使微生物量不断增加。微生物的增长是底物降解的结果。在微生物代谢过程中，不同性质的底物用于合成微生物体的比例不同，但是对某一特定废水，微生物的增长速度与底物的降解速度有一个比例关系:

式中：Y—微生物的产率系数；q——底物比降解速度，——微生物增长速率——底物利用速度或7/31/202335三、微生物增长速度与底物利用速度微生物代谢过程中，微生物通过式中qmax为最大底物比降解速度。并定义：可得：ks和qmax可通过试验，采用前面介绍的双倒数作图法求得。（7）和（5）式是废水生物处理工程中常用的二个基本的生化反应动力学方程式。7/31/202336式中qmax为最大底物比降解速度。并定义：可得：ks和qma例题：20℃时在完全混合反应器中进行连续微生物培养增长试验，获得试验数据如下，试确定最大比增长速率μm和饱和系数Ksμ（h-1）ρs（mg/l）0.6620.00.5010.00.406.60.385.00.284.0解：将Monod方程变形，改写称双倒数形式：把试验结果整理成下表：1/μ（h-1)1/ρs1.620.052.000.102.500.153.030.203.570.25+++++μmax=1Ks=1012340.100.200.3007/31/202337例题：20℃时在完全混合反应器中进行连续微生物培养增长试验，1.4废水的可生化性一、废水可生化性概述1、为什么分析废水的可生化性？2、废水可生化性的实质废水可生化性实质是废水中所含污染物通过微生物的新陈代谢活动所能改变污染物结构、稳定污染物的程度。只研究废水可否采用生化处理，并不研究废水中污染物最终分解成什么产物。3、注意事项：（1）污染物的毒性与浓度的关系（2）含有多种污染物的废水的可生化性问题（3）所接种的微生物的种属是极为重要的影响因素（4）pH、T、DO、重金属等环境因素的影响7/31/2023381.4废水的可生化性一、废水可生化性概述7/31/202二、废水可生化性的评价方法1、BOD5/CODcr值法BOD5/CODcr>0.450.3~0.450.2~0.3<0.2可生化性好较好较差不宜BOD5/TOD>0.40.2~0.4<0.2可生化性易生化可生化难生化2、BOD5/TOD值法废水可生化性评价参考数据废水可生化性评价参考数据7/31/202339二、废水可生化性的评价方法1、BOD5/CODcr值法BO3、耗氧速率法时间（d）耗氧量mg/lacbtaa——内源呼吸曲线b，c——基质耗氧曲线(1)若与a线吻合，则微生物处于内源呼吸期，废水中污染物难生物降解，但对微生物无毒性抑制；(2)若与b线吻合，则污染物是可生物降解的有机物；(3)若与c线吻合，则污染物难生物降解，且对微生物有抑制作用。微生物呼吸耗氧曲线7/31/2023403、耗氧速率法时间（d）耗氧量mg/lacbtaa——内源呼4、摇床试验又称振荡培养法。是一种间歇投配运行的生物处理装置。摇床试验是在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测有机物及无机盐类。在摇床上振摇，培养瓶中的混合液在摇床中不断更新液面，使得大气中的氧气不断进入溶液中，以供给微生物呼吸所需的氧气。经过一定时间后，对混合液体进行过滤或者离心分离。然后测定清液的COD或BOD,以考察待测物质的生物去除情况。摇床试验可一次进行多种条件试验，对于选择最佳操作条件非常有利。5、模型试验是指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。目的：确定废水或有机物的可生化性；确定废水处理工艺条件。7/31/2023414、摇床试验7/31/202341装置类型间歇式反应器模型：在间歇投配驯化活性污泥和待测物质及无机营养盐溶液的条件下连续曝气充氧来完成的。在选定的时间间隔内取样分析COD或BOD等水质指标，从而确定待测物质或废水的去除率及去除速率。连续流反应器模型：指连续进水、出水，连续回流污泥和排除剩余污泥的反应器。通过测定进、出水的COD等指标来确定废水中有机物的去除速率及去除率。优缺点优点：该法成熟、可靠，同时可进行生化处理条件的探索，求出废水的合理稀释度、废水处理时间反其他设计与运行参数。缺点：耗费的人力物力较大，需时较长。7/31/202342装置类型7/31/2023421.5废水生物处理方法概述一、废水生物处理的分类二、废水的好氧生物处理三、废水的厌氧生物处理四、好氧与厌氧生物处理的区别7/31/2023431.5废水生物处理方法概述一、废水生物处理的分类7/31/一、废水生物处理方法的分类

生物处理法好氧生物法厌氧生物法自然条件下人工条件下自然条件下人工条件下水体自净－天然水体和氧化塘土壤净化－污水灌溉悬浮生物法－活性污泥法及其变种固着生物法－生物滤池、生物转盘、接触氧化、好氧生物流化床高温堆肥厌氧塘悬浮生物法－厌氧消化