廢水生物處理和生化反應(yīng)

廢水生物處理和生化反應(yīng)第1頁/共86頁生物處理目標(biāo)：1.將溶解的及顆粒的可生物降解的組分轉(zhuǎn)化為可接受的最終產(chǎn)物；2.將不易沉淀的膠體及懸浮固體截留并結(jié)合為生物絮凝體或生物膜；3.轉(zhuǎn)化或去除營養(yǎng)物質(zhì)；4.去除特殊的微量有機(jī)組分和化合物。第2頁/共85頁第2頁/共86頁第3頁/共85頁第3頁/共86頁第4頁/共85頁第4頁/共86頁第5頁/共85頁第5頁/共86頁好氧生物處理

缺氧生物處理

微生物對氧的需求生物處理技術(shù)分類厭氧生物處理

第6頁/共85頁第6頁/共86頁懸浮生長工藝

附著生長工藝

微生物生長方式生物處理技術(shù)分類第7頁/共85頁第7頁/共86頁一、發(fā)酵與呼吸發(fā)酵（供氫體和受氫體都是有機(jī)物）呼吸

3.2廢水生物處理基本原理第8頁/共85頁第8頁/共86頁生物氧化反應(yīng)發(fā)酵—最終電子受體是氧化過程中的中間產(chǎn)物(簡單的有機(jī)物)

最終產(chǎn)物：醇、有機(jī)酸、CO2、CH4及能量呼吸有氧呼吸—最終電子受體是O2

最終產(chǎn)物：CO2、H2O及能量

缺氧呼吸—最終電子受體是NO3-，SO42-、CO32-等含氧酸根最終產(chǎn)物：CO2、H2O、H2S、N2及能量

第9頁/共85頁第9頁/共86頁1.發(fā)酵(fermentation)有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。有機(jī)化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的。被還原的有機(jī)物來自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有碳水化合物、有機(jī)酸、氨基酸等。第10頁/共85頁第10頁/共86頁2.呼吸微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。以氧化型化合物作為最終電子受體有氧呼吸（aerobicrespiration）：無氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作為最終電子受體第11頁/共85頁第11頁/共86頁根據(jù)于與氧的關(guān)系可以將微生物的呼吸類型劃分為好氧呼吸和缺氧呼吸1）好氧呼吸特點(diǎn)：有分子氧存在，反應(yīng)的最終電子受體是氧。異養(yǎng)微生物（二氧化碳、水、氨）自養(yǎng)微生物（無機(jī)物）2）缺氧呼吸特點(diǎn)：沒有氧存在的生化反應(yīng)缺氧呼吸（最終電子受體是無機(jī)物含氧化合物）第12頁/共85頁第12頁/共86頁二、廢水生物處理及其分類好氧生物處理：在有游離氧存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物使其穩(wěn)定無害化的處理方法。L好氧生物處理特點(diǎn)：反應(yīng)速度快、處理構(gòu)筑物容積小、處理過程的臭氣較小。處理對象：低濃度有機(jī)廢水厭氧生物處理：在沒有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解和穩(wěn)定有機(jī)物的生物處理方法。厭氧過程L厭氧特點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用低、剩余污泥量少、可以回收能源；但是反應(yīng)速度慢、構(gòu)筑物容積較大處理對象：第13頁/共85頁第13頁/共86頁有機(jī)污的氧化分解方程有機(jī)物的氧化分解（有氧呼吸）原生質(zhì)的氧化分解（內(nèi)源呼吸）原生質(zhì)的同化合成（以氨為氮源）：

第14頁/共85頁第14頁/共86頁分解代謝O2合成代謝代謝產(chǎn)物H2O,CO2,NH3能量微生物內(nèi)源呼吸O2內(nèi)源呼吸內(nèi)源呼吸產(chǎn)物H2O,CO2,NH3微生物內(nèi)源呼吸殘留物合成細(xì)胞物質(zhì)C5H7NO2有機(jī)物（C,H,O,N,S,P）能量1/32/3為什么有機(jī)物的好氧分解產(chǎn)生的剩余污泥較多？第15頁/共85頁第15頁/共86頁有機(jī)物的厭氧分解圖示第16頁/共85頁第16頁/共86頁1、生物脫氮三、脫氮除磷基礎(chǔ)理論含氮有機(jī)物氨氨化微生物亞硝化菌硝化菌亞硝酸鹽、硝酸鹽反硝化菌氮?dú)鈪捬踽屃?、好氧吸?、生物除磷第17頁/共85頁第17頁/共86頁1、氨的氧化NH3、亞硝酸（NO2-）等無機(jī)氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細(xì)菌用作能源亞硝化細(xì)菌：硝化細(xì)菌：將氨氧化為亞硝酸并獲得能量將亞硝氧化為硝酸并獲得能量這兩類細(xì)菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。第18頁/共85頁第18頁/共86頁微生物處理分類自然條件下水體自凈－天然水體和氧化塘生物處理法好氧生物法厭氧生物法人工條件下自然條件下人工條件下土壤凈化－污水灌溉懸浮生物法－活性污泥法及其變種、氧化塘、氧化溝固著生物法－生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化、好氧生物流化床堆肥厭氧塘懸浮生物法－厭氧消化、上流式厭氧污泥床、高溫堆肥、化糞池固著生物法－厭氧濾池、厭氧流化床第19頁/共85頁第19頁/共86頁第20頁/共85頁第20頁/共86頁3.3微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境一、微生物的生長規(guī)律第21頁/共85頁第21頁/共86頁生物個(gè)體物質(zhì)有規(guī)律地、不可逆增加，導(dǎo)致個(gè)體體積擴(kuò)大的生物學(xué)過程。生長：生物個(gè)體生長到一定階段，通過特定方式產(chǎn)生新的生命個(gè)體，即引起生命個(gè)體數(shù)量增加的生物學(xué)過程。繁殖：生長是一個(gè)逐步發(fā)生的量變過程，繁殖是一個(gè)產(chǎn)生新的生命個(gè)體的質(zhì)變過程。第22頁/共85頁第22頁/共86頁一個(gè)微生物細(xì)胞合適的外界條件，吸收營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行代謝。如果同化作用的速度超過了異化作用個(gè)體的生長原生質(zhì)的總量（重量、體積、大小）就不斷增加如果各細(xì)胞組分是按恰當(dāng)?shù)谋壤鲩L時(shí)，則達(dá)到一定程度后就會(huì)發(fā)生繁殖，引起個(gè)體數(shù)目的增加。群體內(nèi)各個(gè)個(gè)體的進(jìn)一步生長群體的生長第23頁/共85頁第23頁/共86頁研究微生物生長的方法微生物的特點(diǎn)：個(gè)體微小肉眼看到或接觸到的微生物是成千上萬個(gè)單個(gè)的微生物組成的群體。微生物接種是群體接種，接種后的生長是微生物群體繁殖生長。對細(xì)菌群體生長規(guī)律的了解是對其進(jìn)行研究與利用的基礎(chǔ)第24頁/共85頁第24頁/共86頁將微生物置于一定容積的培養(yǎng)基中，經(jīng)過培養(yǎng)生長，最后一次收獲。分批培養(yǎng)（batchculture）or封閉培養(yǎng)（closedculture）培養(yǎng)基一次加入，不予補(bǔ)充，不再更換。第25頁/共85頁第25頁/共86頁生長曲線(GrowthCurve)：

細(xì)菌接種到定量的液體培養(yǎng)基中，定時(shí)取樣測定細(xì)胞數(shù)量，以培養(yǎng)時(shí)間為橫座標(biāo)，以菌數(shù)為縱座標(biāo)作圖，得到的一條反映細(xì)菌在整個(gè)培養(yǎng)期間菌數(shù)變化規(guī)律的曲線。細(xì)菌的生長曲線一般用菌數(shù)的對數(shù)為縱坐標(biāo)作圖第26頁/共85頁第26頁/共86頁活性污泥中的微生物是多菌種的混合群體，其生長繁殖規(guī)律比較復(fù)雜，但可用其增長曲線表示一般規(guī)律。活性污泥的微生物增長過程可分為延遲期、對數(shù)增長期、減速增長期和內(nèi)源呼吸期四個(gè)階段。在每個(gè)階段，有機(jī)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。第27頁/共85頁第27頁/共86頁一條典型的生長曲線至少可以分為

遲緩期，對數(shù)期，穩(wěn)定期和衰亡期等四個(gè)生長時(shí)期第28頁/共85頁第28頁/共86頁1.遲緩期(Lagphase)：將少量菌種接入新鮮培養(yǎng)基后，在開始一段時(shí)間內(nèi)菌數(shù)不立即增加，或增加很少，生長速度接近于零。也稱延遲期、適應(yīng)期等。第29頁/共85頁第29頁/共86頁遲滯期的特點(diǎn)：分裂遲緩、代謝活躍

細(xì)胞形態(tài)變大或增長，一般來說處于遲緩期的細(xì)菌細(xì)胞體積最大。細(xì)胞內(nèi)合成代謝活躍。對外界不良條件反應(yīng)敏感。細(xì)胞處于活躍生長中，只是分裂遲緩在此階段后期，少數(shù)細(xì)胞開始分裂，曲線略有上升。第30頁/共85頁第30頁/共86頁第31頁/共85頁第31頁/共86頁2.對數(shù)生長期(Logphase)：又稱指數(shù)生長期(Exponentialphase)第32頁/共85頁第32頁/共86頁特點(diǎn)：生長速率常數(shù)最大，繁殖數(shù)>死亡數(shù)。以最大的速率生長和分裂，細(xì)菌數(shù)量呈對數(shù)增加，細(xì)胞每分裂一次所需的增代時(shí)間（generationtime）或原生質(zhì)增加一倍所需的倍增時(shí)間（doublingtime）最短.成分均勻。細(xì)菌內(nèi)各成分按比例有規(guī)律地增加，表現(xiàn)為平衡生長。酶活力高，酶系活躍，代謝旺盛。第33頁/共85頁第33頁/共86頁3.穩(wěn)定生長期(Stationaryphase)：由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗，代謝產(chǎn)物積累和pH等環(huán)境變化，逐步不適宜于細(xì)菌生長，導(dǎo)致生長速率降低直至零(即細(xì)菌分裂增加的數(shù)量等于細(xì)菌死亡數(shù))。穩(wěn)定生長期又稱恒定期或最高生長期，此時(shí)培養(yǎng)液中活細(xì)菌數(shù)最高并維持穩(wěn)定。第34頁/共85頁第34頁/共86頁特點(diǎn)：細(xì)胞數(shù)目不增加，即處于新繁殖的細(xì)胞數(shù)與衰亡的細(xì)胞數(shù)相等，或正生長與負(fù)生長相等的動(dòng)態(tài)平衡之中。菌體產(chǎn)量達(dá)到了最高點(diǎn)，而且菌體產(chǎn)量與營養(yǎng)物質(zhì)的消耗間呈現(xiàn)出一定的比例關(guān)系細(xì)胞長、大代謝旺盛對不良條件敏感，抵抗力降低穩(wěn)定期到來的原因主要是：營養(yǎng)物尤其是生長限制因子的耗盡；營養(yǎng)物的比例失調(diào)，如C／N比值不合適；酸、醇、毒素或H20等有害代謝產(chǎn)物的累積；pH、氧化還原勢等物化條件越來越不適宜。第35頁/共85頁第35頁/共86頁4.衰亡期(Decline或Deathphase)：第36頁/共85頁第36頁/共86頁特點(diǎn)：個(gè)體死亡的速度超過新生的速度(繁殖數(shù)<死亡數(shù))，整個(gè)群體就呈現(xiàn)出負(fù)生長。細(xì)胞形態(tài)多樣，例如會(huì)產(chǎn)生很多膨大、不規(guī)則的退化形態(tài)；有的微生物因蛋白水解酶活力的增強(qiáng)就發(fā)生自溶（autolysis）；有的微生物在這時(shí)產(chǎn)生或釋放對人類有用的抗生素等次生代謝產(chǎn)物；影響因素環(huán)境不利，分解代謝速度>>合成速度第37頁/共85頁第37頁/共86頁

時(shí)間量對數(shù)增長期減速增長期內(nèi)源呼吸期微生物細(xì)胞量氧利用率BOD濃度內(nèi)源呼吸期第38頁/共85頁第38頁/共86頁第39頁/共85頁第39頁/共86頁第40頁/共85頁第40頁/共86頁第41頁/共85頁第41頁/共86頁絲狀菌第42頁/共85頁第42頁/共86頁草履蟲第43頁/共85頁第43頁/共86頁第44頁/共85頁第44頁/共86頁葡萄球菌第45頁/共85頁第45頁/共86頁鞭毛第46頁/共85頁第46頁/共86頁輪蟲第47頁/共85頁第47頁/共86頁二、微生物的生長環(huán)境1、營養(yǎng)物(nutrients)在活性污泥系統(tǒng)里，微生物的代謝需要一定比例的營養(yǎng)物，除以BOD表示的碳源外，還需要氮、磷和其他微量元素。生活污水含有微生物所需要的各種元素，但某些工業(yè)廢水卻缺乏氮、磷等重要元素。一般認(rèn)為對氮、磷的需要應(yīng)滿足以下比例，即BOD5:N:P=100:5:1。第48頁/共85頁第48頁/共86頁2、溫度(temperature)在微生物酶系統(tǒng)不受變性影響的溫度范圍內(nèi)，水溫上升就會(huì)使微生物活動(dòng)旺盛，就能夠提高反應(yīng)速度。水溫上升還有利于混合、攪拌、沉降等物理過程，但不利于氧的轉(zhuǎn)移。對于生化過程，一般認(rèn)為水溫在20－30℃時(shí)效果最好，35℃以上和l0℃以下凈化效果即降低。第49頁/共85頁第49頁/共86頁3、pH值對于好氧生物處理，pH值一般以6.5－9.0為宜。pH值低于6.5，真菌即開始與細(xì)菌競爭，降低到4.5時(shí)，真菌將占優(yōu)勢，嚴(yán)重影響沉降分離。pH值超過9.0時(shí)，代謝速度受到阻礙。需要指出的是pH值是指混合液而言。對于堿性廢水，生化反應(yīng)可以起緩沖作用。對于以有機(jī)酸為主的酸性廢水，生化反應(yīng)也可以起緩沖作用。第50頁/共85頁第50頁/共86頁4、溶解氧(dissolvedoxygen,DO)對于推流式活性污泥法，氧的最大需要量出現(xiàn)在污水與污泥開始混合的曝氣池首端，常供氧不足。供氧不足會(huì)出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，妨礙正常的代謝過程，滋長絲狀菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的濃度表示?；钚晕勰嘈跄w的大小不同，所需要的最小溶解氧濃度也就不一樣。絮凝體越小，與污水的接觸面積越大，也越利于對氧的攝取，所需要的溶解氧濃度就小。反之絮凝體大，則所需的溶解氧濃度就大。為了使沉降分離性能良好，較大的絮凝體是所期望的，因此溶解氧濃度以2-3mg/L左右為宜。第51頁/共85頁第51頁/共86頁5、有毒物質(zhì)(toxicmaterials)對生物處理有毒害作用的物質(zhì)很多。毒物大致可分為重金屬、H2S等無機(jī)物質(zhì)和氰、酚等有機(jī)物質(zhì)。這些物質(zhì)對細(xì)菌的毒害作用，或是破壞細(xì)菌細(xì)胞某些必要的生理結(jié)構(gòu)，或是抑制細(xì)菌的代謝進(jìn)程。毒物的毒害作用還與pH值、水溫、溶解氧、有無其他毒物及微生物的數(shù)量或是否馴化等有很大關(guān)系。第52頁/共85頁第52頁/共86頁3.4反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù)一、反應(yīng)速率概念：單位時(shí)間那底物的減少量、最終產(chǎn)物或細(xì)胞的增加量底物S最終產(chǎn)物P細(xì)胞X合成分解第53頁/共85頁第53頁/共86頁二、反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速度方程零級(jí)一級(jí)二級(jí)K隨溫度而變化，n為反應(yīng)級(jí)數(shù)第54頁/共85頁第54頁/共86頁第55頁/共85頁第55頁/共86頁第56頁/共85頁第56頁/共86頁第57頁/共85頁第57頁/共86頁3.5微生物生長動(dòng)力學(xué)一、微生物群體增長速率Monod經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，提出的微生物增長速度公式，也可以用來描述曝氣池中活性污泥的增長速度。式中：－微生物的比增長速率，即單位生物量的增長速度X——微生物濃度m——

的最大值S——限制微生物增長的底物濃度Ks——半速率常數(shù)，飽和常數(shù)。第58頁/共85頁第58頁/共86頁第59頁/共85頁第59頁/共86頁半速度常數(shù)確定圖示

mKsm/20S第60頁/共85頁第60頁/共86頁二、底物利用速率式中：r－底物比降解速率，即單位生物量的增長速度X——微生物濃度rm——r

的最大值S——限制微生物增長的底物濃度Ks——半速率常數(shù)，飽和常數(shù)第61頁/共85頁第61頁/共86頁三、微生物增長與有機(jī)底物降解第62頁/共85頁第62頁/共86頁第63頁/共85頁第63頁/共86頁第64頁/共85頁第64頁/共86頁活性污泥增長速度與BOD利用速度之間的關(guān)系式中：dX/dt－污泥的凈增長速度，表示單位體積混合液內(nèi)的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)凈增加的質(zhì)量；Y－增殖利用系數(shù)，也稱產(chǎn)率系數(shù)，無量綱，表示利用單位質(zhì)量的BOD所生成的污泥質(zhì)量。dS/dt－BOD降解的速度d－1；Kd－微生物的分解（死亡）系數(shù)，d－1；X－曝氣池污泥濃度，kg/m3。第65頁/共85頁第65頁/共86頁工程中的實(shí)際應(yīng)用在實(shí)際工程中常以實(shí)際測得的產(chǎn)率系數(shù)Yobs代替理論產(chǎn)率系數(shù)Y第66頁/共85頁第66頁/共86頁第67頁/共85頁第67頁/共86頁第68頁/共85頁第68頁/共86頁第69頁/共85頁第69頁/共86頁第70頁/共85頁第70頁/共86頁3.4米-門方程式

酶促反應(yīng)特點(diǎn)：酶可加速反應(yīng)速度，但不能改變反應(yīng)的平衡條件，酶的性質(zhì)和數(shù)量不變，并且具有比一般催化劑高得多的催化效率。酶的催化作用具有專一性。酶對有機(jī)物其作用的溫度可分為三個(gè)最適宜溫度范圍：15~25℃的低溫、25~37℃的中溫、37~70℃的高溫作用酶。由于酶是蛋白質(zhì)，因此在高溫、遇強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及重金屬離子時(shí)即喪失活性。第71頁/共85頁第71頁/共86頁米-門公式：第72頁/共85頁第72頁/共86頁第73頁/共85頁第73頁/共86頁3.5Monod方程Monod經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，提出的微生物增長速度公式，也可以用來描述曝氣池中活性污泥的增長速度。第74頁/共85頁第74頁/共86頁式中：－污泥的比增長速度，即單位質(zhì)量的污泥在單位時(shí)間內(nèi)的增長速度，d－1；m－活性污泥的最大比增長速度，d－1；S－曝氣池中的BOD濃度，mg/L；Ks－半速度常數(shù)，mg/L，即污泥增長速度達(dá)到最大速度一半時(shí)的BOD濃度第75