水污染控制工程第六章模型

第六章废水生物处理基本理论及动力学过程一、生物种群•a.细菌•b.真菌•C.藻类•d.原生动物•e.后生动物无色杆菌属Achromobacter生物滤池和活性污泥系统中的常见菌不动杆菌Acinetobacter具有生物除磷功能[6]的细菌种属之一产碱杆菌属Alcaligenes经常出现在生物滤池和活性污泥及污泥消化池中血红虫Bloodworm红色，长1～2cm，极易动的幼虫，可在生物滤池及处理厂的污泥中出现，也出现在污染严重的河流中摇蚊属Chironomus各种类型的水中幼虫甲壳纲Crustacea属于动物类，出现在低负荷活性污泥处理系统及池塘中水蚤Daphnia甲壳纲，可出现在低负荷活性污泥处理系统及池塘中脱硫弧菌属Desulfovibrio能还原硫酸盐的细菌，一般出现在污泥消化池中，若该菌数量过多，所产生的硫化氢会引起臭味和中毒问题[2]滤池蝇FilterfliesPsychodidae，双翼昆虫，2～5cm长，大量出现在低负荷生物滤池中。它们对滤池的功能并不重要，但对周围的环境有害黄杆菌属Flavobacterium一般出现在生物滤池、活性污泥处理系统及污泥消化池中地霉菌Geotrichum真菌类，出现在生物滤池和活性污泥处理系统微球菌属Micrococcus出现在生物滤池和活性污泥系统硝化菌Nitrobacter能将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的细菌，出现在低负荷生物处理系统中亚硝化菌Notrosomonas能将铵盐氧化为亚硝酸盐的细菌，出现在低负荷生物处理系统中诺卡氏菌属Nocardia活性污泥处理系统中的泡沫产生菌假单胞菌属Pseudomonas出现在生物滤池、活性污泥池、污泥消化池和反硝化系统中毛蠓科Psychodidae滤池蝇轮虫类Rotifera微型轮式动物，在低负荷活性污泥厂中很典型，可作为生物处理效果极佳的指示生物浮游球衣菌Sphaerotilusnatans丝状菌，对活性污泥的沉降性能有不利影响，此现象称之为污泥膨胀。在污染严重的河流也可以发现这种菌[5]颤引菌Tubifex3～4cm长的红色虫子，出现在生物滤池中，也可在严重污染的河流中出现[4]钟虫属Vorticella钟形，有纤毛，通常表明生物处理良好。浮游的纤毛用于捕食浮游的细菌，从而清洁水质。当附着的纤毛类占优势时，说明缺乏浮游性细菌食物，因此可以作为处理效果良好的指示生物[2]生枝动胶菌Zoogloearamigera出现于活性污泥系统及生物滤池中。由于能产生胶质粘液，因此该菌易于絮凝，对菌胶团的形成及活性污泥的絮凝非常重要菌胶团和钟虫进食中的钟虫豆形虫和草履虫累枝虫轮虫豆形虫二、选择作用•1.生物滤池中的选择•按照如下标准，生物滤池中出现的微生物选择作用的影响因素：a附着；b增长速率（基质、温度、pH、氧等等）。•2.活性污泥系统中的选择•活性污泥系统中的选择作用的影响因素：a.电子受体（例如：氧或硝酸盐）；b.基质；c.沉淀或絮凝特性；d.温度；e.生长速率；f.游离生物。第一节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理微生物的新陈代谢新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进行物质转化和交换的过程。分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量。合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转化为复杂的细胞成分，机体制造自身。底物降解：污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质。可生物降解有机物量：可通过生物的降解转化的量。可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。新陈代谢合成代谢(同化作用)分解代谢(异化作用)复杂物质分解为简单物质简单物质合成为复杂物质吸收能量释放能量能量代谢物质代谢能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosinetriphosphate)AMP+~P→ADP+~P→ATPADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。低能化合物高能化合物ATP能量生理需要细胞合成热能释放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+微生物的呼吸一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命。呼吸作用的生物现象：呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他生命活动，多余的能量以热量形式释放。通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。有分子氧参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。底物中的氢被脱氢酶活化，并从底物中脱出交给辅酶（递氢体），同时放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这个过程中，同时放出能量。依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产物也不同。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物呼吸两种。HNAD(P)HNAD(P)H2H2好氧呼吸微生物的呼吸类型微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能好氧呼吸厌氧呼吸根据氧化的底物、氧化产物的不同按反应过程中的最终受氢体的不同自养型微生物无氧呼吸异养型微生物发酵根据受氢体的不同分为1.异养型微生物异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终点产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。如下式所示：异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合成有机物的一类厌氧微生物。有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14ONOHC4222729112.自养型微生物自养型微生物以无机物为底物（电子供体），其终点产物也是无机物，同时放出能量。能量SOH2OSH4222能量OH2HNO2ONH2324大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应生物脱氮工艺中的生物硝化过程光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合作用色素合成有机物。CO2+H2O[CH2O]＋O2化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。光叶绿素厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量的可燃气体。厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。厌氧呼吸1.发酵指供氢体和受氢体都参与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（有机物）。这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：4[H]COCOOH2CHOHC36126CHO2CH2COCOCOOH2CH323OHCH2CHCHO2CH4[H]23392.0kJ2COOHCH2CHOHC22361262.无氧呼吸是指以无机氧化物，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。在反硝化作用中，受氢体为NO3-，可用下式所示：总反应式：在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。24[H]6COO6HOHC226126O12H2N4NO24[H]2231755.6kJ2NO6H6CO4NOOHC22236126好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ无氧呼吸无机物C6H12C6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ发酵能量利用率26％有机物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。废水的好氧生物处理图示表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有1/3被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有2/3被转化，合成为新的原生质（细胞质），即进行微生物自身生长繁殖。好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。废水的好氧生物处理废水的厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能量。在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH4，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，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。为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，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）可采用厌氧生物处理法。废水的厌氧生物处理•思考题：试比较好氧生物处理与厌氧生物处理？（从原理、产物、能耗、环境条件和适用范围等方面比较）污水生物脱氮处理过程中氮的转化主要包括氨化、硝化、反硝化作用。污水生物处理中氮的转化过程1、氨化反应氨化反应原理RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3氨化菌（一）生物脱氮原理五、脱氮除磷基础理论硝化反应原理总反应NH4++1.5O2NO2-+H2O+2H+-△F（△F=278.42kJ）NO2-+0.5O2NO3－-△F（△F=72.27kJ)亚硝酸菌硝酸菌NH4++2O2NO3－+H2O+2H+-△F（△F=351kJ）硝化菌2、硝化反应硝化反应的控制指标硝化菌对环境条件的变化极为敏感，所以有以下指标：①溶解氧：氧是电子受体，DO不能低于1.0mg/L硝化需氧量（NOD）——4.57g(氧)/g（N）②pH：硝化菌对PH变化敏感,最佳值8.0~8.4,效率最高③温度：适应20-30℃，15℃时硝化速度下降，低于5℃完全停止④有机物：BOD应低于15-20mg/L⑤有害物质：对硝化反应抑制，某些重金属，高浓度NH4+—N，高浓度NOx—N，有毒有机物、络合物阳离子。3、反硝化反硝化反应：指NO3--N和NO2-_N在反硝化菌的作用下，还原成气态N2