第十一章 污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础

第十一章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础第一节污水生物处理基本原理第二节微生物的生长规律和生长环境第三节反应速率和反应级数第四节微生物生长动力学11.1污水生物处理基本原理一、微生物的新陈代谢二、废水的好氧生物处理三、废水的厌氧生物处理一、微生物的新陈代谢微生物的能量代谢：微生物的新陈代谢新陈代谢=分解代谢+合成代谢根据氧化还原反应最终电子受体的不同，分解代谢分为发酵和呼吸两种类型。底物或基质（substrate）一、微生物的新陈代谢（一）发酵指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（中间产物）。C6H12O6——2CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH——2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO——2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ一、微生物的新陈代谢（二）好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（O2）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。异养型微生物以有机物为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同时放出能量。C6H12O6+6O2——6CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+——11CO2+13H2O+NH4++能量自养型微生物以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时放出能量。H2S+2O2——H2SO4+能量NH4++2O2——NO3－+2H++H2O+能量一、微生物的新陈代谢（三）缺氧呼吸是指在无分子氧但有化合态氧的情况下，以无机氧化物，如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-——2N2+12H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ一、微生物的新陈代谢呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸分子氧C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJ缺氧呼吸无机物C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ发酵有机物C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ三种代谢方式获得的能量水平比较二、废水的好氧生物处理内源代谢产物+能量CO2、H2O、NH3内源代谢残留物内源代谢80％20％(P143)''2VrVXbQSaO(P144)42.168.0)(02VXSeSQO可生物降解有机物呼吸氧化O2CO2、H2O、能量合成新细胞O2内源呼吸剩余污泥排出三、废水的厌氧生物处理无分子氧及化合态氧厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统厌氧跟好氧污泥产率的差别？好氧反应速度较快，反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5小于500mg/L的有机废水，基本采用好氧生物处理。由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧处理法。好氧生物处理与厌氧生物处理的比较：四、脱N除P基础理论（一）生物脱氮氨化硝化反硝化1.氨化反应在氨化微生物的作用下，有机N化合物可以在好氧或厌氧条件下分解转化为氨态氮。3222NHCORCOOHOCOOHRCHNH好氧氨化：322NHRCOOHOHCOOHRCHNH厌氧氨化：以氨基酸为例：在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌两种菌共同完成的。其反应如下：2NH4＋＋3O2→2NO2-＋2H2O＋4H＋2NO2-＋O2→2NO3-2.硝化反应化能自养型硝化细菌生长影响因子：硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。硝化反应的适宜温度为20℃～30℃。低于15℃时，反应速度迅速下降，5℃时反应几乎完全停止。由于硝化菌是自养菌，若水中BOD5值过高，将有助于异养菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化细菌生长影响因子：硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用的进行，泥龄应取大于硝化菌最小世代时间（3～10d）两倍以上。硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。在硝化反应过程中，有H+释放出来，使pH值下降。硝化菌受pH值的影响很敏感，为了保持适宜的pH值7～8，应在废水中保持足够的碱度，以调节pH值的变化。1g氨态氮(以N计)完全硝化，需碱度(以CaCO3计)7.1g。污水中的硝态氮NO3-－N和亚硝态氮NO2-－N，在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的过程。具体反应如下：6NO2-＋3CH3OH→3N2＋3CO2+3H2O＋6OH－6NO3-＋5CH3OH→3N2＋7H2O＋5CO2+6OH－3.反硝化作用反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子受体进行好氧呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度。当污水中BOD5／TKN3～5时，可认为碳源充足。不同的有机碳将导致反硝化速率的不同。碳源按其来源可分为三类：①外加碳源，多采用甲醇，因为甲醇被分解后的产物为CO2，H2O，不产生其它难降解的中间产物，但其费用较高；②原水中含有的有机碳；③内源呼吸碳源——细菌体内的原生物质及其贮存的有机物。反硝化反应的适宜pH值为6.5～7.5。pH值高于8或低于6时，反硝化速率将迅速下降。反硝化反应的温度范围较宽，在5℃～40℃范围内都可以进行。但温度低于15℃时，反硝化速率明显下降。4.同化作用污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分，并以剩余污泥的形式得以从污水中去除的过程，称为同化作用。以反硝化菌为例，在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程.用于细胞体(C5H7O2N)合成4%96%（二）生物除磷聚磷菌（PAOs）厌氧释磷好氧（缺氧）超量吸磷厌氧放磷：在厌氧状态下，兼性菌将溶解性有机物转化成VFA；活性污泥中的聚磷菌(PAOs)将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收易降解的COD（如VFA）转化为PHB（聚β羟基丁酸）的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧放磷。好氧吸磷：进入好（缺）氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。(正常细胞含磷1％～3％，聚磷菌吸磷量可达12％)11.2微生物的生长规律和生长环境一、微生物的生长规律1、停滞期2、对数期3、静止期4、衰老期实际运用中，将活性污泥控制在哪个生长期？为什么？11.2微生物的生长规律和生长环境后生动物原生动物511.2微生物的生长规律和生长环境二、微生物的生长环境（一）、微生物的营养水处理中微生物对C、N、P三大营养元素的要求：对好氧生物处理BOD5：N：P=100：5：1，对厌氧生物处理C/N=（10－20）：1碳源--异养菌利用有机碳源。氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。补充氮、磷：1）与生活污水混合；2）添加药剂：硫酸铵，硝酸铵，尿素（补充氮源）；磷酸钠、磷酸钾等（补充磷源）P277（二）、温度各类微生物生长的温度范围不同，约为5℃~80℃。此范围内可分成最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度。以微生物适应的范围，可分为：中温性（20-45℃）、高温性（45℃以上）、低温性（20℃以下）好氧生物处理中以中温菌细菌为主，最适温度20-37℃；厌氧生物处理中，中温性甲烷菌最适温度范围为25-40℃，高温性为50-60℃，厌氧处理常采用温度为33-38℃和52-57℃。（三）pH不同的微生物有不同的pH适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生物的pH值适应范围是在4—10之间；大多数细菌适宜中性或偏碱性环境（6.5-7.5）；氧化硫化杆菌，喜酸性环境，最适pH值为3；酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的环境中生活，最适pH为3.0—6.0。活性污泥法处理废水，曝气池混合液的最适pH宜为6.5-8.5。当废水的pH值变化较大时，应设置调节池。（四）溶解氧DO好氧生物处理中如果DO不足，由于得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降低，同时对氧要求低的微生物应运而生，影响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。好氧生物处理的溶解氧一般以2-4mg/L为宜。（五）有毒物质对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质(工业废水中)。其毒害作用主要表现于细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。如重金属离子（砷、铅、镉、铬、铁、铜、锌等）能与细胞内的蛋白质结合，使它变质，致使酶失去活性。11.2微生物的生长规律和生长环境11.3反应速度和反应级数一、反应速度dtdXYdtdSdtdSYdtdXPZXYS1)(底物浓度微生物浓度二、反应级数SASA、SBSASA2SA.SB2SSSSSSSS11.4微生物生长动力学一、细胞增长速率二、莫诺特（Monod）方程三、底物利用速率四、微生物生长与底物降解的基本关系式一、细胞增长速率微生物比增长速率μ的提出微生物的增长速率当微生物生长不受外界条件限制（营养充足）时，XdtdX现有微生物群体浓度二、莫诺特（Monod）方程1942年，现代细胞生长动力学奠基人Monod提出，在微生物生长曲线的对数期和平衡期，细胞的比生长速率与限制性底物浓度的关系可用下式表示：SKSsmaxμ——微生物比生长速率，（s-1）；μmax——微生物最大比生长速率，（s-1）；S——限制性底物浓度，（g/L）；Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度。Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：1)细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；2)培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长；3)细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。(1)当限制性基质浓度很低时，S＜＜KsSKsmax此时，SXKvsxmax(2)当S＞＞Ks时，此时，Xvxmax(3)当S处于两种情况之间时，XSKSvsxmaxMonod方程SKSsmaxμ=μmax三、底物利用速率rXdtdS微生物增长污染物（底物降解）比底物利用速率污水处理中关注点变化四、微生物生长与底物降解的基本关系式在一切生化反应中，微生物增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个定量关系，可通过下式表示：rvvdtdSdtdXdSdXYsXuT)/()(其中TdtdX)(udtdS)(dtdXX1dtdSXr1微生物总增长速度总底物利用速度微生物比增长速度比底物利用速度若定义rmax=μmax/Y，则可得SKSrrsmax其中，rmax—最大比底物降解速度或uTdtdSYdtdX)()(Lawrance-Mccarty方程四、微生物生长与底物降解的基本关系式在水处理中，为了获得较好的处理效果，通常控制微生物处于平衡期或内源代谢期。XKdtdXde)(Kd—微生物衰减系数因此，微生物体的净生长速率为XKdtdSYdtdXdug)()(esgdtdXdtdXdtdX)()