废水生物处理理论基础

2020/4/11第3篇污水的生物处理法第1章污水生物处理理论基础第2章污水好氧生物处理（一）——活性污泥法第3章污水好氧生物处理（二）——生物膜法第4章污水厌氧生物处理第5章污水的自然生物处理2020/4/12第1章废水生化处理理论基础1.1废水生化处理微生物基础1.2反应速度和酶促反应速度L1.3微生物的生长动力学L1.4废水的可生化性L1.5废水生化处理方法概述L2020/4/131.1废水生化处理微生物基础废水生物处理是利用微生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物进行转化和稳定，使之无害化的处理方法。对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。微生物：1)借助显微镜才能看到的单细胞或多细胞生物。2)从狭义角度讲，主要是指菌类生物及病毒。3)从广义角度讲，除了菌类和病毒外，还包括藻类、原生动物、后生动物。2020/4/14主要内容:微生物的新陈代谢微生物的生长规律微生物的生长环境2020/4/15二、微生物的新陈代谢概念：微生物在生命活动过程中，不断从外界环境中摄取营养物质，并通过复杂的酶催化反应，将其加以利用，提供能量并合成新的生物体，同时又不断向外界环境排泄废物。这种为了维持生命活动过程与繁殖下代而进行的各种化学变化称为新陈代谢。分类：根据能量的释放和吸收，新陈代谢分为合成代谢和分解代谢。微生物增值合成代谢分解代谢微生物的新陈代谢能量复杂有机物分解为简单物质＋释放（异化作用）（同化作用）2020/4/161.分解代谢（1）概念：高能化合物分解为低能化合物，物质由繁到简并逐级释放能量的过程，或称异化作用。（2）类型：根据代谢过程中对氧的需求，分为：好氧分解代谢：是好氧微生物和兼性微生物参与，在有溶解氧的条件下，将有机物分解为CO2和H2O，并释放出能量的代谢过程。在有机物氧化过程中脱出的氢[H]是以氧作为受氢体。通常称为有氧（好氧）呼吸。2020/4/17厌氧分解代谢：是厌氧微生物和兼性微生物参与，在无溶解氧的条件下，将复杂有机物分解成简单的有机物和无机物（如有机酸、CO2、H2O等),再被甲烷菌进一步转化为甲烷和CO2等，并释放能量的过程。按照代谢过程中受氢体的不同，又分为发酵和无氧呼吸。发酵：指供氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体是供氢体的分解中间产物（有机物）。发酵是一种厌氧状态。无氧呼吸：指以无机含氧化合物，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。无氧呼吸是一种缺氧状态。2020/4/18如葡萄糖（C6H12O6）的代谢情况：有氧代谢：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ厌氧代谢：无氧呼吸：C6H12O6+6H2O→6CO2+24[H]24[H]+4NO3-→2N2+12H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-→6H2O+6CO2+2N2↑+1755.6kJ发酵：C6H12O6→2CH3COCOOH+4[H]2CH3COCOOH→2CO2+2CH3CHO4[H]+2CH3CHO→2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ2020/4/19小结：好氧分解代谢过程中，有机物分解较为彻底，最终产物是含能量较低的CO2、H2O，因此释放能量多，代谢速度快。厌氧分解代谢过程中，有机物分解不彻底，释放能量少，因此，微生物为了获得同样多的能量，厌氧分解有机物的量要比好氧分解有机物的量多。从废水处理的角度，希望较短时间内，将废水有机物无机化、无害化，多采用好氧处理。只有当有机物浓度较高时（如处理高浓度有机废水、有机污泥时），用厌氧方式处理并回收甲烷。102、合成代谢（1）概念：微生物从外界环境中获得能量，将低能化合物合成生物体的过程，又称同化作用。也就是微生物机体自身物质制造的过程。（2）在该过程中，微生物体合成所需的能量和物质由分解代谢提供。2020/4/111三、微生物的生长规律1、微生物的生长曲线适应期对数期平衡期衰老期培养时间微生物生长速率微生物量的对数培养时间总菌数活细菌数微生物生长曲线死细菌数2020/4/1121）适应期（停滞期）微生物培养的初期阶段，微生物刚刚接入新鲜培养液时，对新的环境有一个适应过程，所以在此时期微生物的数量基本不增加，生长速度接近于零。2）对数期经过适应期的调整，微生物适应了新环境，在营养丰富的条件下，微生物的生长繁殖不受底物限制，微生物的生长速度达到最大，细菌数量以几何级数的速度增加。3）平衡期（静止期）微生物经过对数期大量繁殖后，使培养液中的底物逐渐被消耗，再加上代谢产物的增加积累，从而造成不利于微生物生长繁殖的食物条件和环境条件，增长速率下降死亡速率上升，微生物数量趋于稳定。4）衰老期（内源呼吸期）培养液中的底物几乎被消耗殆尽，营养物明显不足，微生物只能利用细菌体内的物质或者以死细菌作为养料，进行内源呼吸。微生物数量急剧减少。2020/4/113小结：在废水生物处理中，通过控制底物量(F)与微生物量(M)的比值F/M，使微生物处于不同的生长状况，从而控制微生物的活性和处理效果。在微生物的对数期，微生物具有繁殖快、活性大、对底物降解速度快的特点。在废水处理过程中，若控制微生物处于对数增长期，虽然反应速度快，但污泥絮凝性和沉降性较差，出水中有机物浓度高。显然，想要取得稳定的出水和较高的处理效果是很难的。通常控制F/M在较低范围内，利用平衡期和内源呼吸期的微生物处理废水，能够获得理想的出水水质，并且污泥沉降性能好。2、混合微生物群的生长规律在废水生物处理中，微生物是一个群体，它们也有一定的生长规律。个体生长曲线的形状和位置，与环境中的有机物变化以及微生物之间的相互依存情况有关。当有机物多时，则以有机物为食料的细菌占优势，数量最多；细菌多时，必然出现以细菌为食料的原生动物，而后才出现以细菌和原生动物为食料的后生动物。根据微生物群的生长规律，可推测废水处理中的水质情况。因此，在污水处理厂广泛使用镜检作为水质的定性检测手段。2020/4/115微生物增长与递变四、微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素微生物的营养温度pH溶解氧有毒物质1、微生物的营养1)微生物的细胞组成L2)微生物的营养：主要为C、N、P3)废水处理系统中微生物的营养需求1)好氧生物处理：BOD：N：P=100：5：12)厌氧消化处理：C/N比值在（10～20）：1范围4)营养源的投加对于含碳量低的工业废水，可投加生活污水、米泔水或者投加淀粉等补充碳源不足；对于含氮、磷低的工业废水，可投加尿素、硫酸铵等补充氮源；投加磷酸钠、磷酸钾作为磷源。生活污水所含营养比较齐全无需投加营养源，并且可作为其他工业废水处理时的最佳营养源。微生物的组成微生物组成水80％干物质20％无机质10％有机物90％C53.1%,O28.3%,N12.4%,H6.2%P50%,S15%,Na11%,Ca9%,Mg8%,K6%,Fe1%等细胞化学式：C5H7O2N(有机部分)细胞化学式：C60H87O23N12P(考虑磷)2020/4/1192、温度类别最高温度(℃)最适温度(℃)最低温度(℃)高温性微生物中温性微生物常温性微生物低温性微生物70～8050403050～6030～4010～305～10301050各类微生物的生长范围不同，约为5～80℃，此温度范围可以划分为最高温度、最低温度、最适温度。最适温度是指微生物生长速度最高时的温度。根据微生物所适应的温度范围，其分类为：20结论：1、微生物的生长过程取决于生物化学反应，而化学反应速率受温度的影响。通常在最低温度和最适温度范围内，反应温度反应速率微生物增长速率温度过高，超过最高生长温度，使微生物的蛋白质变性而破坏酶系统，失去活性。低温不会造成微生物致死，但是将使微生物的代谢活力下降，处于生长繁殖的停止状态。2、在废水好氧生物处理中，以中温性微生物为主，控制水温在20～35℃；3、在废水厌氧生物处理中，以中温性和高温性微生物为主，常采用温度为33~38℃和52~57℃。213、pH值不同的微生物有不同的pH值适应范围。一般细菌、真菌、藻类和原生动物的pH值适应范围在4~10。大多数细菌在中性和偏弱碱性(pH＝6.5~7.5)条件下范围生长最好。废水生物处理过程中应保持最适pH范围。一般好氧生化处理pH可在6.5~8.5之间变化；厌氧生化处理要求较为严格，pH在6.7~7.4之间。当废水的pH变化较大时，应设置调节池，使进入反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH范围。2020/4/1224、溶解氧溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。在废水好氧生物处理中，如果DO不足，好氧微生物由于得不到足够的氧，其生物活性受抑制，影响系统运行。好氧生物处理的溶解氧一般以2.0~4.0mg/L为宜。在厌氧生物处理中，由于厌氧微生物对氧气很敏感。当有溶解氧存在时，它们就无法生长，因此厌氧反应设备中，要严格密封隔绝空气。2020/4/1235、有毒物质在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质，这类物质我们称之为有毒物质。重金属类：铅、镉、铬、砷、铜、铁、锌等；有机物类：酚、甲醛、甲醇、苯、氯苯等无机非金属类：硫化物、氰化物、氯化物、硫酸根、硝酸根等其毒害作用主要表现在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。在废水生物处理时，对这些有毒物质应严加控制，但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。一、反应速度1、定义：在生化反应中，反应速度是指单位时间内底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。2、反应速率的表示•在容积为V的液体中的组分A，反应在dt时间内所产生的物质的量的变化为dnA，则A的反应速率可表示为：dtdnVvAA1…………..（1）dtdCdtAdvAA][………（2）A为产物A为反应物tCA1.2反应速度和酶促反应速度•式中的nA可和V组合成A的浓度[A]，得：•若A代表反应物时，由于其浓度是随时间下降的，反应速度为负值；若A代表产物时，则反应速度为正值。3、生化反应速度……（3）(3)式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系。它是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。了解这个规律，可以更合理地设计和管理生物处理过程。底物S细胞物质X最终产物P合成分解称产率系数，表示单位质量的底物减少量和细胞增长量之间的关系。单位为：mg（生物量）/mg（降解底物）生化反应底物变化示意图][][SdXdy(3)式中反应系数图中的生化反应可以用下式表示：PXSzydtSdydtxd][][tytdXd1dSd二、反应级数对于一般化学方程式：vQuPyBxAKbBaAppCCkdtdCdtPdv][如果通过试验数据的处理，得出产物P的反应速率表示为：产物P的反应称为反应物A的a级反应；反应物B的b级反应，总称为（a+b）级反应。K为反应的速率常数。（1）当a=0，b=0时，反应速率不受反应物A、B浓度的影响，是一个常数——零级反应（2）当a=0，b=1时，反应速率对反应物A是零级反应，对B是一级反应，即反应速度只受反应物B浓度的影响；当a=1，b=0时，反应速率不受反应物B浓度的影响，对反应物A是一级反应，即反应速度只受反应物A浓度的影响。（3）当a=1，b=1时，反应速率受反应物A、B浓度的影响，是A、B的二级反应。单组分反应：uPxAKnAAACkdtdCvkCnvAAlglglg或由nAACkdtdCdtCkdCnAAdtkCdCnAAktCCAA0tkCCAA303.2lglg0ktCCAA011反应级数的确定：故，当n=0时，即零级反应，有：当n=1时，即一级反应，有：当n=2时，即二级反应，有：lgvAlgCAn=0n=2n=10A的初始浓度为CA0，k为反应速率常数，反应级