污水的生物處理1課件

第四章污水水生物處理第一節(jié)概述第二節(jié)微生物的生長和動力學基礎第三節(jié)污水的好氧生物處理——活性污泥法第四節(jié)污水的好氧生物處理——生物膜法第五節(jié)污水的厭氧生物處理

第一節(jié)概述

污水生物處理是通過微生物的新陳代謝作用,將污水中有機物的一部分轉化為微生物的細胞物質,另一部分轉化為比較穩(wěn)定物質的方法。

生物處理的主要作用者是微生物，根據反應中氧氣的需求，可把細菌分為好氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌。

主要依賴好氧菌和兼性厭氧菌的生化作用來完成處理過程的工藝，稱為好氧生物處理法；主要依賴厭氧菌和兼性厭氧菌的生化作用來完成處理過程的工藝，稱為厭氧生物處理法。

一、污水生物處理的概念及類型新陳代謝：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質，通過生物酶催化發(fā)生復雜的生化反應，在體內不斷進行物質轉化和交換的過程。分解代謝：分解復雜營養(yǎng)物質，降解高能化合物，獲得能量。合成代謝：通過一系列的生化反應，將營養(yǎng)物質轉化為復雜的細胞成分，機體制造自身。二、生物處理的基本原理底物降解：污水中可被微生物通過酶的催化作用而進行生物化學變化的物質稱為底物或基質。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復雜物質分解為簡單物質簡單物質合成為復雜物質吸收能量釋放能量能量代謝物質代謝微生物的呼吸一切生物時刻都在進行著呼吸，沒有呼吸就沒有生命。呼吸作用的生物現象：呼吸作用中發(fā)生能量轉換：供細胞合成、其他生命活動，多余的能量以熱量形式釋放。通過呼吸作用，復雜有機物逐步轉化為簡單物質。呼吸作用過程中吸收和同化各種營養(yǎng)物質。好氧呼吸是營養(yǎng)物質進入好氧微生物細胞后，通過一系列氧化還原反應獲得能量的過程。有分子氧參與的生物氧化，反應的最終受氫體是分子氧。底物中的氫被脫氫酶活化，并從底物中脫出交給輔酶（遞氫體），同時放出電子，氧化酶利用底物放出的電子激活游離氧，活化氧和從底物中脫出的氫結合成水。NAD(P)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸過程實質上是脫氫和氧活化相結合的過程。在這個過程中，同時放出能量。依好氧微生物的類型不同，被其氧化的底物不同，氧化產物也不同。好氧呼吸有異養(yǎng)型微生物呼吸和自養(yǎng)型微生物呼吸兩種。好氧呼吸異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物以有機物為底物（電子供體），其終點產物為二氧化碳、氨和水等無機物，同時放出能量。如下式所示：

異氧微生物又可分為化能異氧微生物和光能異氧微生物。化能異氧微生物：氧化有機物產生化學能而獲得能量的微生物。光能異氧微生物：以光為能源，以有機物為供氫體還原CO2，合成有機物的一類厭氧微生物。有機廢水的好氧生物處理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等屬于這種類型的呼吸。2.自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物以無機物為底物（電子供體），其終點產物也是無機物，同時放出能量。大型合流污水溝道和污水溝道存在該式所示的生化反應生物脫氮工藝中的生物硝化過程

光能自養(yǎng)微生物：需要陽光或燈光作能源，依靠體內的光合作用色素合成有機物。CO2+H2O[CH2O]＋O2

化能自養(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)微生物不具備色素，不能進行光合作用，合成有機物所需的能量來自氧化NH3、H2S等無機物。光葉綠素1.發(fā)酵指供氫體和受氫體都參與有機化合物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產物（有機物）。這種生物氧化作用不徹底，最終形成的還原性產物，是比原來底物簡單的有機物，在反應過程中，釋放的自由能較少，故厭氧微生物在進行生命活動過程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的發(fā)酵過程：總反應式：2.無氧呼吸是指以無機氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。在反硝化作用中，受氫體為NO3-，可用下式所示：總反應式：在無氧呼吸過程中，供氫體和受氫體之間也需要細胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，能量得以分級釋放，故無氧呼吸也產生較多的能量用于生命活動。但由于有些能量隨著電子轉移至最終受氫體中，故釋放的能量不如好氧呼吸的多。好氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氫體化學反應式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ無氧呼吸無機物C6H12O6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機物C6H12O6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ廢水好氧生物處理的最終過程可用下圖表示。圖示表明，有機物被微生物攝取后，通過代謝活動，約有1/3被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動所需的能量；約有2/3被轉化，合成為新的原生質（細胞質），即進行微生物自身生長繁殖。好氧生物處理的反應速度較快，所需的反應時間較短，故處理構筑物容積較小。且處理過程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對中、低濃度的有機廢水，或者說BOD5濃度小于500mg/L的有機廢水，基本上采用好氧生物處理法。在廢水處理工程中，好氧生物處理法有活性污泥法和生物膜法兩大類。廢水的好氧生物處理廢水的厭氧生物處理是在沒有游離氧存在的條件下，兼性細菌與厭氧細菌降解和穩(wěn)定有機物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復雜的有機化合物被降解、轉化為簡單的化合物，同時釋放能量。在這個過程中，有機物的轉化分為三部分進行：部分轉化為CH4，這是一種可燃氣體，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機物，并為細胞合成提供能量；少量有機物被轉化、合成為新的原生質的組成部分。由于僅少量有機物用于合成，故相對于好氧生物處理法，其污泥增長率小得多。廢水的厭氧生物處理第二節(jié)微生物的生長和動力學基礎一、微生物的生長規(guī)律微生物的生長規(guī)律一般是以生長曲線來反映。按微生物生長速率，其生長可分為四個生長期停滯期（調整期）對數期（生長旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）

如果活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中（營養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運行后再運行，則可能出現停滯期。這種情況下，污泥需經過若干時間的停滯后才能適應新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)。停滯期是否存在或停滯期的長短，與接種活性污泥的數量、廢水性質、生長條件等因素有關。停滯期對數期當廢水中有機物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對數生長期。處于對數生長期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機物濃度較高，活性強沉淀不易，用濾紙過濾時，濾速很慢。在污水生物處理過程中，如果條件適宜，活性污泥的增長過程與純種單細胞微生物的增殖過程大體相仿。但由于活性污泥是多種微生物的混合群體,其生長受廢水性質、濃度、水溫、pH、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響，因此，在處理構筑物中通常僅出現生長曲線中的某一兩個階段。處于不同階段時的污泥，其特性又很大的區(qū)別。

在廢水生物處理中，微生物是一個混合群體，它們也有一定的生長規(guī)律。有機物多時,以有機物為食料的細菌占優(yōu)勢,數量最多；當細菌很多時，出現以細菌為食料的原生動物;而后出現以細菌及原生動物為食料的后生動物，如右圖所示。微生物要求的營養(yǎng)物質必須包括組成細胞的各種原料和產生能量的物質，主要有：水、碳素營養(yǎng)源、氮素營養(yǎng)源、無機鹽及生長因素。二、微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃

。此溫度范圍，可分為最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度（是指微生物生長速度最快時溫度）。依微生物適應的溫度范圍，微生物可以分為中溫性（20～45℃）、好熱性（高溫性）（45℃以上）和好冷性（低溫性）（20℃以下）三類。當溫度超過最高生長溫度時，會使微生物的蛋白質迅速變性及酶系統遭到破壞而失活，嚴重者可使微生物死亡。低溫會使微生物代謝活力降低，進而處于生長繁殖停止狀態(tài)，但仍保存其生命力。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質不同的微生物有不同的pH適應范圍。細菌、放線菌、藻類和原生動物的pH適應范圍是在4～10之間。大多數細菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應保持最適pH范圍。當廢水的pH變化較大時，應設置調節(jié)池，使進入反應器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以2～4mg/L為宜。微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學物質，這類物質我們稱之為有毒物質。其毒害作用主要表現在細胞的正常結構遭到破壞以及菌體內的酶變質，并失去活性。在廢水生物處理時，對這些有毒物質應嚴加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。微生物的營養(yǎng)溫度pH值溶解氧有毒物質生物化學反應是一種以生物酶為催化劑的化學反應。污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應速度。生化反應動力學目前的研究內容：(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系；(2)微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系；(3)反應機理研究，從反應物過渡到產物所經歷的途徑。三、微生物生長動力學1913年前后，米歇里斯和門坦提出了表示整個反應中底物濃度與酶促反應速度之間關系的式子，稱為米歇里斯－門坦方程式，簡稱米氏方程式，即：式中:v——酶促反應速度；vmax——最大酶反應速度；

ρS——底物濃度；Km——米氏常數。此式表明，當Km和vmax已知時，酶反應速度與酶底物濃度之間的定量關系。由上式得：該式表明，當vmax/v=2或v=1/2vmax時，Km=ρS，即Km是v=1/2vmax時的底物濃度，故又稱半速度常數。（一）微生物群體的增長速率

⑴當底物濃度ρS很大時，ρS?Km，Km+ρS≈ρS，酶反應速度達到最大值，即v=vmax,呈零級反應，在這種情況下，只有增大底物濃度，才有可能提高反應速度。

實際應用時，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過試驗，得出底物降解速度和底物濃度之間的關系式，類同米氏方程式，如下：式中：Ks為飽和常數，即當v=1/2vmax時的底物的濃度，故又稱半速度常數。

⑵當底物濃度ρS較小時，ρS?Km，Km+ρS=Km，酶反應速度和底物濃度成正比例關系，即呈一級反應。此時，增加底物濃度可以提高酶反應的速度。但隨著底物濃度的增加，酶反應速度不再按正比例關系上升，呈混合級反應。

米氏常數的意義

米氏常數Km是酶反應處于動態(tài)平衡即穩(wěn)態(tài)時的平衡常數。具有重要物理意義：Km值是酶的特征常數之一，只與酶的性質有關，而與酶的濃度無關。不同的酶，Km值不同。如果一個酶有幾種底物，則對每一種底物，各有一個特定的Km。并且，Km值不受pH及溫度的影響。因此，Km值作為常數，只是對一定的底物、pH及溫度條件而言。測定酶的Km值，可以作為鑒別酶的一種手段，但必須在指定的實驗條件下進行。同一種酶有幾種底物就有幾個Km值。其Km值最小的底物，一般稱為該酶的最適底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底物。1/Km可以近似地反映酶對底物親和力的大小，1/Km愈大，表明親和力越大，最適底物與酶的親和力最大，不需很高的底物濃度，就可較易地達到vmax。

米氏常數的測定

對于一個酶促反應，Km值的確定方法很多。實驗中即使使用很高的底物濃度，也只能得到近似的vmax值，而達不到真正的vmax值，因而也測不到準確的Km值。為了得到準確的Km值，可以把米氏方程的形式加以改變，使它成為直線方程式的形式，然后用圖解法定出Km值。目前，一般用的圖解求Km值法為蘭微福－布克作圖法或稱雙倒數作圖法。此法先將米氏方程改寫成如下的形式，即：實驗時，選擇不同的ρS，測定對應的v。求出兩者的倒數，作圖即可得出如下圖的直線。量取直線在兩坐標軸上的截距1/vmax和-1/Km，就可以求出Km及vmax。

米氏常數的測定微生物增長速度和微生物本身的濃度、底物濃度之間的關系是廢水生物處理中的一個重要課題。有多種模式反映這一關系。當前公認的是莫諾特方程式：式中：ρS——限制微生物增長的底物濃度，mg/L；

μ——微生物比增長速度，即單位生物量的增長速度。

ρX——微生物濃度，mg/L；

μmax——μ的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物的增長速度時的μ值；

KS——飽和常數。在一切生化反應中，微生物的增長是底物降解的結果，彼此之間存在著一個定量關系。現如以dρS（