第7章廢水生物化學處理基礎(chǔ)

1、當代給水與廢水處理原理當代給水與廢水處理原理安徽理工大學地球與環(huán)境學院高良敏 博士、教授第七章 廢水生物化學處理基礎(chǔ) 1947年，首次出現(xiàn)了“生物化學工程”( Biochemical engineering)一詞。1965年Aiba等人的專著物化學工程(Biochemical Engineering)出版，標志著這一學科的正式出現(xiàn)。1971年Coulson及Richardson等著述的化學工程標準教材新添了第三卷，其中包括了一章生物化學反應(yīng)工程，標志著生物化學工程已成為化學工程的個新的組成部分。此后出版的生物化學工程專著有Atkinson的生物化學反應(yīng)器(Biochemical Reactor

2、s，1974年)，Bailey及ollis的生物化學工程基礎(chǔ)(Biochemical Engineering Fundamentals1977年)等書。 生物化學工程中應(yīng)用的發(fā)酵器有兩種基本類型，一種是利用微生物絮體的作用，這與廢水處理中的活性污泥法相類似；另一種是利用微生物膜的作用，這與廢水處理中的生物濾池法相類似。 本章主要內(nèi)容：7-1 單個細菌的模型7-2 細菌的連續(xù)增殖7-3 細菌增殖速率與底物消耗速率關(guān)系式7-4 BOD與TbOD7-5 微生物集團的模型7-6 微生物膜的阻力與厚度第七章 廢水生物化學處理基礎(chǔ)7-1 單個細菌的模型 底物一般是通過細胞的粘液層、細胞壁與細胞膜進入細胞內(nèi)

3、部的，而代謝作用只發(fā)生在細胞內(nèi)部的細胞質(zhì)區(qū)。發(fā)生代謝作用后，底物也就消失了。 這里，我們假設(shè)： 不考慮復雜的代謝過程； 把底物的消失引用流體力學中“匯”的概念來解釋； 粘液層、細胞壁、細胞膜等作為底物傳遞的邊界。 這樣就得到一個細菌的簡化模型，如圖7-1所示。 7-1 單個細菌的模型 擴散區(qū)指細胞壁外粘液層的部分，其表面積為ad cm2，底物通過擴散區(qū)時服從Fick的第一擴散定律，即底物的通量為： Nd= D dd 擴散區(qū)的內(nèi)面為透酶區(qū)。這一區(qū)指細胞膜的透酶所起的運輸作用。透酶是細腦膜內(nèi)的一類立體專一性載體分子，這類分子也是一種蛋白質(zhì)，取名透酶以示區(qū)別于代謝酶。透酶區(qū)的通量可用下列公式來表示：

4、 PpPKaN 代謝區(qū)指細胞膜內(nèi)的區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)雖然產(chǎn)生了許多極復雜的代謝途徑，但組成代謝途徑的每一個反應(yīng)都是由酶控制的，因而服從于MichaelisMenten方程。代謝區(qū)內(nèi)底物消耗速率可以表示為： m m Kadtd7-1 單個細菌的模型 當代謝區(qū)消耗底物的速率恰好和底物通過兩個運輸區(qū)的速率相等時，便得到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，這時存在下列關(guān)系： m mmppprdKaVKaaddDad 當?shù)孜锊恍柰该竻^(qū)的運輸時，式（7-4）簡化為： m pm pm m mmrda)K(aaVKaVddDad 當包含透酶區(qū)時，由式（7-4）看出底物的消耗速率完全由運輸過程來控制，即由下列關(guān)系控制： ppprdK

5、aaddDad7-2 細菌的連續(xù)增殖 簡單的恒化器見圖73，是一個工作容積可以小至100mL的容器。進入恒化器的滅菌培養(yǎng)液的流量為f mL/h，恒化器的溢流流量也是f rnL/h，恒化器內(nèi)液體容積為V并不斷供給滅菌空氣，以保證細菌的需氧過程。培養(yǎng)液處在不斷攪拌過程巾，以保證培養(yǎng)液的成分均勻。就整個體系而言，當達到每秒鐘增加的細菌個數(shù)與每秒鐘排掉的細菌個數(shù)相等時，恒化器即處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖73所示的恒化器實際可看作是一個CSTR。 7-2 細菌的連續(xù)增殖 每小時通過溢流量f所排掉的細菌質(zhì)量為： f 1mL中的細菌質(zhì)量 = f = Dx Vx 由于細菌的增殖率可表示為dx/dt=x，所以當恒化器處于

6、穩(wěn)定條件下時得： 在恒化器中，Monod方程可寫為： DxxdtdxsmaxKD7-2 細菌的連續(xù)增殖 由圖7-5可知，當生物處理設(shè)備的進水有機物濃度在一定范圍內(nèi)波動時不會引起微生物特性很大的變化，因而系統(tǒng)的運行能處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。 根 據(jù)Monod方程，可以求得恒化器穩(wěn)態(tài)條件的營養(yǎng)物濃度為： DDKmaxs7-3 細菌增殖速率與底物消耗速率關(guān)系式 把底物的消耗速率分成兩部分一部分是由于細菌生長新的細胞物質(zhì)而產(chǎn)生的，以 表示，另一部分是為維持細菌處于活的狀態(tài)所需的能量而產(chǎn)生的，以 表示，這就得： （7-13） 維持生長總 dtddtddtd生長 dtd維持 dtd 由：式中，Yc稱為真

7、產(chǎn)率因數(shù)。 維持能量所需的消耗速率 應(yīng)該與細菌的質(zhì)量x 成正比，可以表示為： 式中，m稱為維持系數(shù)，量綱為時間-1。 這樣（7-13）可以寫成： dtdxY1dtd 總dtdxY1dtdc 生長mxdtd 維持維持 dtdCY1mY1生化需氧量（生化需氧量（BOD） 水中有機物通過微生物的氧化變成簡單無機化合物的過程中，對水中溶解氧的消耗速率，稱為它的生化需氧量(BOD)。7-4 BOD與TbOD 細菌以有機物為食物而生長，在生長過程中，一部分有機構(gòu)轉(zhuǎn)化成為新的細菌細胞，同時產(chǎn)生二氧化碳和水等。當水中食物不足時，細菌又從本身物質(zhì)中吸取能量以維持生命這一現(xiàn)象稱為內(nèi)源代謝(endogenous m

8、etabalism)或內(nèi)源呼吸(endogenous respiration)。細菌死后又以有機物的形式作為細菌的食物而重復上述過程。另外，活的細菌與死的細菌又是原生動物和其它較高級微生物的食物，原生動物這類微生物因此稱為捕食微生物。生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD與TbOD 圖77給出了新鮮生活廢水的生化需氧量歷時曲線形式和溫度對歷時曲線的影響。 第一階段：由于含碳有機物的分解所需要的生化需氧 量 ， 也 稱 碳 質(zhì) B O D（carbonaceous BOD）； 第二階段：（硝化階段）代表含氮有機物硝化過程的需 氧 量 ， 稱 為 氮 質(zhì)BOD(nitrogenous BO

9、D)。 生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD與TbOD 當?shù)湫偷奶荚次镔|(zhì)葡萄糖完全氧化時可以寫成： 則可認為生化需氧量等于2.67有機物碳原子的質(zhì)量濃度。 細菌細胞的合成可以寫成：由此可計算，每合成1g干細菌，約需單體氧0.985g。 細菌的氧化分解可以寫成： 按這一反應(yīng)計算，每克干細菌的完全氧化約需單體氧1.42g。 OH6CO6O6OHC2226126OH110CO59NOHC17NH17O59OHC24222753261263222275NHOH2CO5O5NOHC生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD與TbOD 含碳有機物完全氧化成二氧化碳及水的生化需氧量稱為總生化需

10、氧量，以BODL或BODu表示。 硝化BOD的反應(yīng)可表示為： 按這兩個反應(yīng)，可得： 硝化BOD = 4.57(有機氮 + 氨氮) mg/L + 1.14 （NO2- 氮）mg/L 這里特別指出：上述生化需氧量概念為其原始涵義，與生化需氧量試驗所測得的生化需氧量完全不是一個同一概念。 OH2H2NO2O3NH22223H2NO2H2ONO2322BOD試驗試驗 從圖7-8中看出，接種細菌的生長過程中有一個滯后期，在這一段時間內(nèi)細菌的濃度沒有變化，接種的細菌在滯后期中雖然也要攝取一定食物及溶解氧但是量甚少，所以有機物濃度可以視作無變化。BOD值應(yīng)為零，只是當細菌開始增殖后，有機物濃度才開始下降，當

11、細菌濃度達最大值時，有機物濃度也降為零。在有機物濃度為零以后細菌靠內(nèi)源呼吸以及死的細菌以取得營養(yǎng)物。在這一階段，由于有足夠的細菌為食料，原生動物也開始增殖起來。細茵的內(nèi)源呼吸以及原生動物的生長代謝都同時攝人氧。包括在這一階段的BOD值中。7-4 BOD與TbOD圖7-8反映了BOD試驗所存在的兩方面的問題： BOD5與總BOD值不會具有一定的數(shù)量關(guān)系。 按曲線通過原點的一級反應(yīng)來處理BOD數(shù)據(jù)的辦法xianran 是不嚴格的。TbOD BOD坪值（BOD plateau）：在微生物不斷攝取有機物底物增殖的過程中，微生物處于對數(shù)生長期。有機底物必然會迅速地減少，表現(xiàn)為生化需氧量迅速地增長，當?shù)孜?/p>

12、消耗完后，微生物生長進入靜止期，生化需氧量的增長必然很快地緩慢下來，這在生化需氧量歷時曲線上會出現(xiàn)一個臺階，這一點的BOD值稱為BOD坪值。7-4 BOD與TbOD Grady及Busch提出，有機底物的總BOD等于BOD坪值加上在坪值點所產(chǎn)生的細菌量的理論BOD值。即：總BOD = BOD坪值 + 細菌的BOD理論值 TbOD試驗方法：試驗方法： (1)獲取馴化后的細菌懸浮液，并用自來水洗去其中所含殘余有機物。(2)測定細菌懸浮液的COD及質(zhì)量濃度。(3)測定廢水的COD值。(4)將細菌懸浮液a mL與廢水b mL混合后并進行曝氣，以促進細菌的代謝作用并保持試樣成分均勻，作為試驗的別問0點。

13、(5)按一定的時間間隔取水樣，測定混合液的COD、經(jīng)0.45m孔徑濾膜過濾后的濾液COD以及懸浮固體量。 7-4 BOD與TbOD (6)計算bba 稀釋系數(shù)COD-CODCODu混合液最小混合液初始COD-CODCODt濾液最小濾液初始bbaCODODTbbbaCODCODCODut）（細菌生長的TbOD試驗結(jié)果試驗結(jié)果 TbOD試驗結(jié)果可繪成圖710所示的曲線。當混合液的COD曲線變水平后，表示了水中有機物已經(jīng)消耗光，其值CODm與混合液初始COD之差CODmi CODm代表了BOD坪值，即廢水中的有機物完全轉(zhuǎn)化成細菌物質(zhì)后所需的氧量。當濾液的COD曲線變成水平后，CODfiCODf代表了

14、由于微生物作用所去除的氧的總需要量，這個量按定義也就是有機物的總BOD值(BODL)。 7-4 BOD與TbOD 在生物化學過程中，微生物集團(microbial mass)的形態(tài)有：固定在填料壁上的微生物膜或者在液相內(nèi)處于懸浮狀態(tài)的微牛物絮體。 7-5 微生物集團的模型 為要進行微生物集團模型的數(shù)學公式推導，需要做出下面假定： (1)微生物集團的成分是穩(wěn)定的，即不隨時間而變化； (2)微生物細胞的功能也是不隨時間變化的，細胞的總性質(zhì)只是局部環(huán)境的函數(shù)； (3)在微生物集團整體中，菌齡分布以及其它微生物的生活特性也是不隨時間變化的。 某一點濃度 是指這一點附近的無窮小空間內(nèi)濃度的平均值，按這個

15、濃度所定義的擴散系數(shù)稱為有效擴散系數(shù)De。7-5 微生物集團的模型微生物膜的微分方程式微生物膜的微分方程式 膜或絮體中所含的活微生物的比表面積a： 微生物膜的厚度為L，在膜與液體界面處的底物濃度為b。 把膜按一個單向的底物擴散過程來處理。底物在y方向上擴散。在穩(wěn)定狀態(tài)時取dy厚度，面積為dxdz的體積微元dxdydz內(nèi)的物料衡算關(guān)系得：經(jīng)整理得：邊界條件為： y=L 時，時， y=0 時，時， VVa微生物集團的體積面積中所含活微生物的總表dxdzN)adxdydz( rdxdzNydyy0KadydD22eb0dxd7-5 微生物集團的模型基本方程的解基本方程的解 引入有效系數(shù)E 當無擴散阻

16、力時，通量Nb應(yīng)該等于面積1cm2、厚L體積中所含微生物的總表面積上在單位時間內(nèi)所消耗的底物量：在有擴散阻力的條件下，通量可表示為： 0dYdf,0Y1f , 1Y0f )k(1f)Lk(dYfdb32222b3b3maxb3b331b3b331b31bbbbk1kNk1kkLkk1kkLkk1LkK1LKaKa)L1a (NbbbLyENdydDN 1y22LybLydYdfMB1B1LKDa)L/y(d)/(dB1LKadydDEb7-5 微生物集團的模型微生物絮體的解微生物絮體的解 Atkinson等把球形絮體的特征長度定義為： 絮體的通量表達式： 對絮體來說，底物的去除速率以按單位濕絮

17、體容積中的每克干微生物物質(zhì)所去除的量來表示較為方便，即：ppAVL )k1 (AkEVNb3pb1p)k1 (EkVNARb30b1p0pf 大量試驗證明，底物從主體液體傳遞入生物膜內(nèi)時受到兩層膜的阻力：生物膜自身的阻力及生物膜外的滯液膜(附面層)的阻力。生物膜自身的傳質(zhì)阻力稱內(nèi)傳質(zhì)阻力。生物膜外滯液膜的阻力稱外傳質(zhì)阻力，其值顯然與滯液膜的厚度有關(guān)。 7-6 微生物膜的阻力與厚度 在求解方程時如果考慮外傳質(zhì)阻力，便必須確定生物膜與液體界面處的底物濃度，而該濃度的測量十分困難。為解決這一問題，目前采用三種辦法： 不考慮外傳質(zhì)阻力。用易于測定的主體液體的底物濃度b來表示生物膜表面處的底物濃度s。用包括了內(nèi)、外傳質(zhì)阻力的全有效系數(shù)法來解式（7-26）。關(guān)于傳質(zhì)阻力關(guān)于傳質(zhì)阻力 生物膜的厚度是生物膜一個重要的特征量因為它既影響膜內(nèi)的微生物質(zhì)量又影響膜內(nèi)底物的傳遞阻力。 7-6