第十二章 廢水生化處理理論基礎(chǔ)

第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)根據(jù)污水處理程度一級(jí)處理只去除漂浮物和易沉物。二級(jí)處理去除漂浮物和易沉物外，穩(wěn)定污水中的有機(jī)物，基本上消除污水的耗氧性能。深度處理降低出水中的氮、磷化合物濃度。根據(jù)污水處理原理物理方法格柵、篩網(wǎng)、過(guò)濾、沉淀、氣浮、離心分離、膜分離等.化學(xué)方法

混凝、中和、化學(xué)沉淀、氧化還原、消毒、電解等物理化學(xué)吸附、萃取、離子交換等生物處理

好氧生物處理、厭氧生物處理、好氧－厭氧生物處理等

廢水生物處理過(guò)程是污水自凈的人工化強(qiáng)化過(guò)程。有機(jī)物N、P溶解性膠體狀細(xì)菌原生動(dòng)物后生動(dòng)物處理出水增殖微生物食料移動(dòng)產(chǎn)物移動(dòng)反應(yīng)器分離提供條件主要參考書(shū)1、高廷耀、顧國(guó)維、周琪主編：水污染控制工程（第三版）高等教育出版社2、梅特卡夫和埃迪公司：廢水工程處理及回用化學(xué)工業(yè)出版社3、張自杰排水工程（下冊(cè)）（第四版）中國(guó)建筑工業(yè)出版社4、張自杰主編：廢水處理理論與設(shè)計(jì)中國(guó)建筑工業(yè)出版社5、張忠祥、錢(qián)易：廢水生物處理新技術(shù)清華大學(xué)出版社6、李軍、楊秀山、彭永臻：微生物與水處理工程化學(xué)工業(yè)出版社7、GradyC.P廢水生物處理（第二版）化學(xué)工業(yè)出版社8、R.E.斯皮斯著工業(yè)廢水的厭氧生物技術(shù)中國(guó)建筑工業(yè)出版社廢水生物處理污水的自然處理法（17章穩(wěn)定塘和污水的土地處理）污水的好氧生物處理－－活性污泥法（13章）廢水生化處理理論基礎(chǔ)（12章）污水的好氧生物處理－－生物膜法（14章）污水的厭氧生物處理法（15章)城市污水的深度處理（16章）污泥的處理和處置（19章）污水處理廠的設(shè)計(jì)（20章）污水處理處理后的再利用與排放（18章）第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)

第一節(jié)廢水處理微生物基礎(chǔ)第二節(jié)酶及酶反應(yīng)第三節(jié)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)第四節(jié)廢水的可生化性第五節(jié)廢水生化處理方法總論第一節(jié)廢水處理微生物學(xué)基礎(chǔ)一、微生物的新陳代謝新陳代謝：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)生物酶催化的復(fù)雜生化反應(yīng)，在體內(nèi)不斷進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換的過(guò)程。

分解代謝：分解復(fù)雜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，獲得能量。

合成代謝：通過(guò)一系列的生化反應(yīng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的細(xì)胞成分，機(jī)體制造自身。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡(jiǎn)單物質(zhì)簡(jiǎn)單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝磷酸根+能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(adenosinetriphosphate)AMP+～P→ADP+～P→ATPADP磷酸化生成ATP；ATP水解產(chǎn)生能量。低能化合物高能化合物ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP微生物的呼吸微生物呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸厭氧呼吸根據(jù)氧化底物、產(chǎn)物不同

按反應(yīng)過(guò)程最終受氫體不同

自養(yǎng)型微生物

無(wú)氧呼吸異養(yǎng)型微生物發(fā)酵根據(jù)受氫體的不同分為好氧呼吸、無(wú)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(xué)反應(yīng)式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ無(wú)氧呼吸無(wú)機(jī)物C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機(jī)物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ依據(jù)細(xì)胞炭源、電子供體、電子受體和最終產(chǎn)物對(duì)微生物分類(lèi)細(xì)菌類(lèi)型常用反應(yīng)名稱炭源電子供體（基質(zhì)）電子受體產(chǎn)物好氧異養(yǎng)菌好氧氧化有機(jī)化合物有機(jī)化合物O2CO2、H2O好氧自養(yǎng)菌硝化CO2NH3、NO2－O2NO2－、NO3－鐵氧化CO2Fe（Ⅱ）O2Fe（Ⅲ）硫氧化CO2H2S、S0、S2O32－O2SO42－兼性異養(yǎng)菌缺氧脫氮反應(yīng)有機(jī)化合物有機(jī)化合物NO2－、NO3－N2、CO2、H2O厭氧異養(yǎng)菌酸發(fā)酵有機(jī)化合物有機(jī)化合物有機(jī)化合物VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）鐵還原有機(jī)化合物有機(jī)化合物Fe（Ⅲ）Fe（Ⅱ）、CO2、H2O硫酸鹽還原有機(jī)化合物有機(jī)化合物SO42－H2S、CO2、H2O甲烷化有機(jī)化合物VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）CO2甲烷營(yíng)養(yǎng)物CO2＋H2O新生細(xì)胞有機(jī)化合物合成細(xì)菌能量O2a好氧、異養(yǎng)菌營(yíng)養(yǎng)物NO2－或NO3－新生細(xì)胞CO2合成細(xì)菌能量O2b好氧、自養(yǎng)菌NH4＋營(yíng)養(yǎng)物CO2＋CH4新生細(xì)胞有機(jī)化合物合成細(xì)菌能量c厭氧、異養(yǎng)菌細(xì)菌代謝類(lèi)型示意圖好氧生物處理中異養(yǎng)微生物代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可生物降解有機(jī)物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+異養(yǎng)微生物O2＋能量?jī)粼黾?xì)胞物質(zhì)內(nèi)源呼吸～80%～20%內(nèi)源呼吸殘留物O2無(wú)機(jī)代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥好氧生物處理中自養(yǎng)微生物代謝途徑新的細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物（N02

、NO3

、SO42

、Fe3+…）氧化合成污水中的無(wú)機(jī)污染物(NH3、NO2

、H2S、Fe2+…)+自養(yǎng)菌O2能量?jī)?nèi)源呼吸內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量（CO2、H2O、NH3、SO42

…）內(nèi)源呼吸殘留物O2CO2凈增細(xì)胞物質(zhì)無(wú)機(jī)代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥+水、碳素營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無(wú)機(jī)鹽、微量元素及生長(zhǎng)因子。影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素微生物的營(yíng)養(yǎng)二、微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)及影響因素微生物的組成細(xì)胞分子式：C5H7O2N(有機(jī)部分)細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)一般估算好氧微生物營(yíng)養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶1厭氧微生物營(yíng)養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝400∶5∶1各類(lèi)微生物所生長(zhǎng)的溫度范圍不同，約為5℃～80℃?？煞譃樽畹蜕L(zhǎng)溫度、最高生長(zhǎng)溫度和最適生長(zhǎng)溫度（是指微生物生長(zhǎng)速度最快時(shí)溫度）。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(lèi)。影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素

溫度

溫度超過(guò)最高生長(zhǎng)溫度時(shí)，蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴(yán)重者可使微生物死亡。低溫會(huì)使微生物代謝活力降低，生長(zhǎng)繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。

不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細(xì)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(guò)程中應(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素pH值影響微生物生長(zhǎng)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。

溶解氧

在工業(yè)廢水中，有時(shí)存在著對(duì)微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類(lèi)物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)。在廢水生物處理時(shí)，對(duì)這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。

有毒物質(zhì)第二節(jié)酶及酶反應(yīng)

酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的能在生物體內(nèi)和體外起催化作用的個(gè)物催化劑。酶所具有的獨(dú)特性能：①催化效率高。②專(zhuān)屬性。③對(duì)環(huán)境條件極為敏感。一、酶及其特點(diǎn)一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，為酶促反應(yīng)。反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。在底物足夠又不受其他因素影響時(shí)，酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時(shí)，這個(gè)反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，再增加底物的濃度對(duì)速度就無(wú)影響，是零級(jí)反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時(shí)所需的底物濃度并不相同，甚至差異有時(shí)很大。二、酶促反應(yīng)速度——濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響vmaxn=00<n<1n=1KS底物濃度[S]1/2vmax酶反應(yīng)速度v

中間產(chǎn)物假說(shuō)：酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行，即酶與底物先絡(luò)合成一個(gè)絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個(gè)絡(luò)合物再進(jìn)一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)酶，以下式表示：式中，S代表產(chǎn)物，E代表酶，ES代表酶－產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），P代表產(chǎn)物。

米氏方程式表示整個(gè)反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系，即：式中:V——酶促反應(yīng)速度；Vmax——最大酶反應(yīng)速度；

S——底物濃度；

Km——米氏常數(shù)。由上式得：該式表明，當(dāng)Vmax/V=2或V=1/2Vmax時(shí)，Km=S，即Km是V=1/2Vmax時(shí)的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。

米氏方程式

⑴當(dāng)?shù)孜餄舛萐很大時(shí)，S?Km，Km+S≈S，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即V=Vmax,呈零級(jí)反應(yīng)，在這種情況下，只有增大底物濃度，才有可能提高反應(yīng)速度。

⑵當(dāng)?shù)孜餄舛萐較小時(shí)，S?Km，Km+S=Km，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即

呈一級(jí)反應(yīng)。此時(shí)，增加底物濃度可以提高酶反應(yīng)的速度。但隨著底物濃度的增加，酶反應(yīng)速度不再按正比例關(guān)系上升，呈混合級(jí)反應(yīng)。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過(guò)試驗(yàn)，得出底物降解速度和底物濃度之間的關(guān)系式，類(lèi)同米氏方程式，如下：式中：Ks為飽和常數(shù)，即當(dāng)時(shí)的底物的濃度，故又稱半速度常數(shù)。1．米氏常數(shù)的意義①Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)②如果一種酶有幾種底物，則對(duì)每一種底物各有一個(gè)Km值.③同一種酶有幾種底物相應(yīng)有幾個(gè)Km值，其中Km值最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。

2.Km與Vmax的測(cè)定一般常用的圖解法為L(zhǎng)ineweaver-Burk作圖法，也稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程式改寫(xiě)為如下形式：關(guān)于米氏方程的幾點(diǎn)說(shuō)明第三節(jié)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)一、微生物的生長(zhǎng)規(guī)律在間歇反應(yīng)器中，微生物的生長(zhǎng)可分為四個(gè)生長(zhǎng)期停滯期（調(diào)整期）對(duì)數(shù)期（生長(zhǎng)旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）停滯期對(duì)數(shù)期

活性污泥被接種到與原來(lái)生長(zhǎng)條件不同的廢水中或污水處理廠因故中斷運(yùn)行后再運(yùn)行，可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過(guò)若干時(shí)間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

停滯期是否存在或停滯期的長(zhǎng)短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長(zhǎng)條件等因素有關(guān)。

當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機(jī)物濃度較高，活性強(qiáng)沉淀不易。

當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，營(yíng)養(yǎng)物明顯不足時(shí)，則可能出現(xiàn)衰老期。處于衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有細(xì)小泥花。注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)。平衡期衰老期

當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，污泥濃度較高時(shí)，污泥則有可能處于靜止期。處于靜止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上層液清澈。處理效果好的活性污泥法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。二、細(xì)菌生長(zhǎng)和生物體產(chǎn)量生物體產(chǎn)量：生物體的生產(chǎn)量與基質(zhì)消耗量的比值定義為生物體產(chǎn)量，與所利用的電子供體有關(guān)。在廢水好氧處理過(guò)程中，一般用葡萄糖代表廢水中的有機(jī)物，

有機(jī)物的好氧生物降解過(guò)程為：3(180)8(32)2(17)2(113)根據(jù)葡萄糖的消耗，計(jì)算微生物的產(chǎn)量：微生物細(xì)胞組織氧化分解的COD：同理，葡萄糖的COD通過(guò)其氧化反應(yīng)計(jì)算，有：用COD表示細(xì)菌的產(chǎn)量，有：Y＝0.39g細(xì)胞/g利用的COD在處理工藝中，實(shí)際觀測(cè)的產(chǎn)量將低于上述數(shù)值。三、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

在生物反應(yīng)器中，生物固體（活性污泥）通常以總懸浮固體（TSS）和揮