第3章废水生物处理和生化反应.ppt

1、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,生物处理目标：,1. 将溶解的及颗粒的可生物降解的组分转化为可接受的最终产物； 2. 将不易沉淀的胶体及悬浮固体截留并结合为生物絮凝体或生物膜； 3. 转化或去除营养物质； 4. 去除特殊的微量有机组分和化合物。,好氧生物处理,缺氧生物处理,微生物对氧的需求,生物处理技术分类,厌氧生物处理,悬浮生长工艺,附着生长工艺,微生物生长方式,生物处理技术分类,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

2、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

3、，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（aerobic respiration）：,无氧呼吸（anaerobic respiration）：,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

4、） 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

5、（以氨为氮源）：,分解代谢,O2,合成代谢,代谢产物 H2O,CO2,NH3,能量,微生物,内源呼吸,O2,内源呼吸,内源呼吸产物 H2O,CO2,NH3,微生物,内源呼吸残留物,合成细胞物质 C5H7NO2,有机物 （C,H,O,N,S,P）,能量,1/3,2/3,为什么有机物的好氧分解产生的剩余污泥较多？,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：,

6、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。,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

7、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。

8、,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（batch culture）or 封闭培养（closed culture）,培养基一次加入，不予补充，不再更换。,生长曲线 (Growth Curve)：,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

9、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 (Lag phase)：,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

10、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 (Log phase)：,又称指数生长期(Exponential phase),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（generation time）或原生质增加一倍所需的倍增时间（doubling time）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(Stationary phase)：,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

11、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 CN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Death phase)

12、：,特点： 个体死亡的速度超过新生的速度(繁殖数合成速度,微生物细胞量,氧利用率,BOD浓度,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

13、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2030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6.59.0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(dissolved oxygen, 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

14、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(toxic materials),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

15、、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,二、底物利用速率

16、,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 rmr 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/dtBOD降解的速度d1； Kd微生物的分解（死亡）系数，d1； 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Y,3.4 米-门方程式,酶促反应特

17、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：1525的低温、2537 的中温、3770 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：,3.5 Monod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，d1； m活性污泥的最大比增长速度，d1； S曝气池中的BOD浓度，mg/L； Ks半速度常数，mg/L，即污泥增长速度达到最大速度一半时的BOD浓度,半速度常数确定图示,底物的比降解速度,qBOD比降解速度，d1； S 底物浓度， kg/m3； qmaxBOD被利用的最大速度，d1，即单位质量的活性污泥在单位时间内利用BOD的量。 Ks饱和常数,3.6 废水生物处理工程的基本数学模型,一、推导废水处理工程数学模型的几点假定 1、整个系统处于稳定运行状态 2、反应器中的物