第十二章--废水生化处理理论基础

第十二章废水生化处理理论基础废水处理工艺城市污水处理系统简介格栅沉砂一沉池消毒低效处理稳定塘曝气塘高效处理活性污泥生物滤池生物转盘二沉池消毒三级处理二级处理一级处理预处理溶解性固体反渗透电解蒸馏有机物活性炭吸附悬浮物化学絮凝过滤除磷化学沉淀脱氮硝化-反硝化离子交换折点氯化吹脱污泥处理生物处理浓缩、消化脱水、过滤离心、干化非生物处理浓缩、调理脱水、过滤离心、焚烧进水出水出水出水污泥处置消毒生物处理系统三个基本要素:作用者：微生物作用对象：可被微生物利用的污染物，如有机物环境条件：DO、pH、T、ORP、营养物质等污水生物处理类型（微生物对溶解氧的需求不同）好氧生物处理：水中存在溶解氧缺氧生物处理：水中无分子氧但有化合态氧厌氧生物处理：水中既无分子氧又无化合态氧污水生物处理类型（微生物生长方式不同）悬浮生长法典型代表：活性污泥法附着生长法典型代表：生物膜法主要参考书•1、高廷耀、顾国维、周琪主编：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：废水工程处理及回用化学工业出版社•3、张自杰排水工程（下册）（第四版）中国建筑工业出版社•4、张自杰主编：废水处理理论与设计中国建筑工业出版社•5、张忠祥、钱易：废水生物处理新技术清华大学出版社•6、R.E.斯皮斯著工业废水的厌氧生物技术中国建筑工业出版社•7、相关设计规范《室外排水设计规范》（GB50014-2006)(2011年修订版）环境保护技术规范(环保部网站）（）等环境生物技术•EnvironmentalBiotechnology•EnvironmentalBioengineering•现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科在解决环境污染问题中具有非常重要的作用。•环境生物技术的核心是微生物工程微生物对污染物降解的巨大潜力_____个体微小、比表面积大、代谢速率快较大的酵母菌，一般为椭圆形，宽1-5um,长5-30um。_____比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表面积约为人的30万倍，为营养物的吸收与代谢产物的排泄奠定了基础；______代谢速度快：发酵乳糖的细菌在1hr内可分解其自重的1000~10000倍；假丝酵母（Candidautilis）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍。种类繁多、分布广泛、代谢类型多样–W.B.Whitman(U.OfGeorgia)细菌普查，地球上存在51030个细菌,非常活跃的群体在海、陆、空等一般环境和极端环境中的极端环境微生物；–Pseudomonascepacia：能降解90种以上有机物;–甲基汞、有毒氰、酚类化合物等都能被微生物作为营养物质分解利用。繁殖快、易变异、适应性强•大肠杆菌在条件适宜时17min就分裂一次；有一种假单胞细菌在不到10min就分裂一次；•低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下可以快速适应；•对于进入环境中的“陌生”污染物，微生物可通过突变而改变原来的代谢类型而降解之•废水生物处理技术经历了百余年的发展和应用，发挥了巨大的作用，取得了很大的进步。•然而，由于工业和城市的飞速发展，在世界范围内，特别是发展中国家，水污染至今还没有得到有效的控制。污水处理技术离尽善尽美还相差很远。污水生物处理的历程及前景展望主要缺点：生化环境不够理想、微生物数量不够多、反应速率尚低、处理设施的基建投资和运行费用很高、运行不够稳定、难降解有机物处理效果差等。从可持续发展的战略观点来衡量：•废水生物处理有消耗大量有机碳、剩余污泥量大、释放较多二氧化碳等缺点。•利用微生物的无穷潜力和反应设备的发展及相关学科技术的进步，与其他工艺相交叉，利用协同作用。废水生物处理工艺必将取得更大的发展，发挥更大的作用。细菌的呼吸与生物氧化病毒（噬菌体）细菌的生理微生物代谢与合成真核细胞微生物分批培养物的生长规律需氧代谢厌氧代谢原核细胞微生物细菌的生物催化剂——酶细菌成分、营养与生长环境水处理中的微生物第十二章废水生化处理理论基础第一节水处理中的微生物•细菌：给水和废水处理中最重要的一类微生物–菌胶团：有些细菌的粘液层能粘结起来，使许多细菌成团块状生长，称为菌胶团。–菌胶团细菌：并非所有的细菌都能形成菌胶团，能够形成菌胶团的细菌称为菌胶团细菌。1、原核细胞生物仅有原始的核物质，无核膜与核仁的分化，也无细胞器•菌胶团：活性污泥和生物膜的重要组成部分–较强的吸附和氧化能力–活性污泥性能的好坏主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构紧密程度来判断。新生菌胶团颜色较浅旺盛的生命力氧化分解有机物能力强老化菌胶团颜色较深生命力较差氧化分解有机物能力弱为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好。细菌种类产碱杆菌属动胶菌属黄杆菌属假单胞菌属葡萄球菌属微球菌属埃希氏菌属芽孢杆菌属甲烷八叠球菌属甲烷杆菌属甲烷球菌属需氧性细菌。细菌中较大的菌属，在土壤和水体中极常见。有的能够利用硝酸盐通过厌氧呼吸进行反硝化。兼性厌氧化能异养型细菌。可分解蛋白质。•丝状菌（FilamentousBacteria）–维持废水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力。–在正常运行的废水生物处理系统中，丝状菌往往是生物絮体或生物膜的骨架，其上附着菌胶团，丝状细菌和菌胶团细菌形成互惠关系。污泥膨胀：丝状菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状菌的大量繁殖丝状菌种类贝日阿托氏菌铁细菌发硫细菌球衣菌专性需氧菌。构成生物膜的重要菌种。易于游离，发生污泥膨胀。（加设生物选择器控制）一般生活在含氧少、溶有较多铁质和二氧化碳的水中。易造成铁质水管腐蚀和堵塞•放线菌•单细胞微生物。具有分枝的丝状菌，介于真菌和细菌之间。–不少抗生素是由放线菌产生–放线菌中的诺卡氏菌属有分解无机氰化物和烃类化合物的能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起重要作用。蓝细菌有时列入藻类，也称为蓝藻。细胞结构为原核。海洋中的“赤潮”有时也是蓝细菌大量繁殖所致。•原生动物：单细胞动物–常被用作系统的指示生物（主要用于城市污水）。–其作用主要在于吞噬细菌——控制细菌的增殖速度，保持微生物群体的生态平衡。–还可直接吞食废水中的固体有机物，吸收溶解性有机物——直接发挥净化作用。2、真核细胞生物细胞核化程度较高，有核膜和核仁。•真菌•类似植物的低等生物，结构比细菌、放线菌复杂。–真菌形态有单细胞和多细胞两种。–与水的生物处理相关的是单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。藻类含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。自然生物处理技术（氧化塘）常利用藻类的光合作用。3、病毒没有细胞结构的唯一的微生物，大多数为核酸与蛋白质组成的大分子，只含有DNA或RNA一种类型的核酸。第二节微生物组成与生长环境因子1、微生物组成元素——细菌生长所必需的营养物质(必须包含该细胞物质中所含的元素），以及酶的活力及运输系统所必须的元素。•细菌所含的主要生物元素：C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Cl、Fe等；根据主要元素占细菌干重的比例，判断水质中含有的主要元素含量是否满足细菌生长需要量。•细菌所含的次要生物元素：Zn、Mn、Cu、Co等次要元素在细菌代谢中必不可少，起专一的催化或结构上的作用。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%等细菌的有机组成成分•Hoover实验式：C5H7NO2或C60H87O23N12P•Helmer实验式：C7H10NO3或C118H170O51N17P•为了便于写出反应大致的化学计量关系，对反应过程所需的物质量进行估算，采用下式代表细菌的成分：C5H7NO2一般估算好氧微生物营养比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶1厌氧微生物营养比例：BOD∶N∶P＝400∶5∶1各类微生物所生长的温度范围不同，约为5℃～80℃。可分为最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度（是指微生物生长速度最快时温度）。2、影响微生物生长的环境因素温度温度超过最高生长温度时，蛋白质迅速变性及酶系统遭到破坏而失活，严重者可使微生物死亡。低温会使微生物代谢活力降低，生长繁殖停止状态，但可能仍保存其生命力。类别生长温度（℃）备注最低最适最高低温性微生物-5～010～2025～30水生微生物中温性微生物5～1020～4045～50大多数腐生性微生物以及所有寄生性微生物高温性微生物25～4550～6070～80土壤、堆肥、温泉中的微生物不同的微生物有不同的pH适应范围。需要指出的是pH值是指混合液而言。对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲作用。pH值对细菌生长的影响，主要是可以改变底物和菌体酶蛋白的带电状态。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH适应范围是在4～10之间。大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH＝6.5～7.5）的环境。废水生物处理过程中应保持最适pH范围。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。影响微生物生长的环境因素pH值氧化还原电势：各种细菌生活时要求的氧化还原条件不同。氧化还原条件的高低可用氧化还原电势E来表示。一般需氧细菌要求E在0.3～0.4V左右，但E在0.1V以上均可生长；厌氧菌则需要E在0.1V以下才能生活；对于兼性细菌来说，E在0.1V以上，进行需氧呼吸，E在0.1V以下，则进行厌氧呼吸。在废水生物处理的一般运转情况下，需氧的活性污泥法系统，E常在200～600mV之间。生物滤池（高负荷）法滤池出水的E随着滤池处理效率的降低，自311mV降至-39mV，二次沉淀池出水E可降至-89mV，这是由于氧的消耗和还原性物质如氢的硫化氢的产生造成的。厌氧生物处理中污泥消化池中E值常保持在-100～-200mV的范围内。影响微生物生长的环境因素ORP影响微生物生长的环境因素溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。好氧微生物处理的溶解氧一般以2～4mg/L为宜；厌氧生物处理溶解氧在0.5mg/L以下。活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此溶解氧浓度以2-3mg/L左右为宜。溶解氧在工业废水中，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，主要包括人工合成有机物和重金属等。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。有毒物质影响微生物生长的环境因素驯化：废水生物处理中，有计划、有目的地控制细菌生长条件，件使细菌遗传性有利于处理废水的定向诱导过程。其目的是使微生物适应环境。吸收能量，进行合成反应将吸收的营养物转化为细胞物质的过程提供基质同化作用第三节微生物新陈代谢分解反应，放出能量，将自身细胞物质和细胞内的营养物质分解的过程。异化作用提供物质基础和能量来源1、对有机物的去除，二者都有重要贡献；2、合成量的大小，对后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的40~50%）。磷酸根+代谢过程中的能量循环能量循环：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