第3章20生物处理绪论

第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础城市污水处理系统的一般构成出水进水污泥消化池浓缩池二沉池生物池初沉池沉砂池格栅脱水车间处置污泥回流剩余污泥鼓风机内回流沼气利用一级处理二级处理（物理处理）（生物处理）主体。一般去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD）物质，多采用生物法处理单元，去除率可达到90%以上，一般能达到排放标准。什么叫生物处理法？•利用自然界中存在的微生物及其对有机物的氧化分解作用，采用一定的人工措施，创造微生物生长、繁殖和代谢的有利环境，使微生物大量争殖，以提高微生物降解有机物的效率的人工生物处理方法。第一节概述微生物：不是分类学上的概念，而是一切小生物的总称！我们的世界到处都被各种很小以至于肉眼看不见的生物所包围。我们只有通过显微镜才能看到他们的样子。微生物废水处理中的微生物细菌真菌藻类原生动物后生动物自养菌异养菌霉菌酵母菌•细菌（Bacteria）：包括了真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria)；★废水生物处理中最主要的微生物：好氧/厌氧、硝化/反硝化等等。★适应性强，增长速度快，世代期为20～30min古细菌（Archaea）：能在极端环境中生存，主要用于厌氧处理，如产甲烷菌。真核生物（Eucarya）：不是微生物群落的主要组成部分，对水处理的作用很大程度上还不是很确定。•原生动物：在活性污泥中大约为103个/ml最原始、低等的一类动物（单细胞）肉足类、鞭毛类、纤毛类（钟虫）•后生动物：多细胞动物，轮虫、线虫、甲壳虫等其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物变形虫草履虫固着型纤毛虫钟虫轮虫线虫污水生物处理的类型•根据参与代谢活动微生物对溶解氧的需求不同，污水生物处理技术分为：好氧生物处理、厌氧生物处理、缺氧生物处理；•根据微生物生长方式，污水生物处理分为：悬浮生长法和附着生长法。生物法处理的主要对象废水中的各类有机物、一些无机物：•废水中呈胶体状和溶解状态的有机物；•废水中溶解状态的营养元素N和P。第二节污水生物处理基本原理生物处理法的实质是通过微生物的新陈代谢作用,将废水中有机物的一部分转化为微生物的细胞物质,另一部分转化为比较稳定的化学物质(无机物或简单有机物)的方法。新陈代谢？微生物从污水中摄取营养物质，通过复杂的生物化学反应合成自身细胞和排出废物的过程叫新陈代谢，简称代谢。新陈代谢分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）简单物质释放能量吸收能量新细胞物质无机物＋能量残留物质内源呼吸•根据氧化还原反应中最终电子受体的不同，分解代谢分为发酵和呼吸两种类型；•微生物的呼吸：微生物获取能量的生理功能。根据与氧气的关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。厌氧呼吸根据最终受氢体不同，又可以分为发酵和无氧呼吸。一、发酵和呼吸1、发酵•指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受体无需外加，就是供氢体分解的产物。•氧化不彻底，能量少，故该类厌氧微生物消耗底物较多。发酵类型产物微生物酒精发酵乙醇、CO2酵母菌乳酸发酵乳酸乳酸菌、链球菌混合酸发酵乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2埃氏菌、沙门氏菌丁二醇发酵丁二醇、乙醇、乳酸、乙酸、CO2、H2好氧菌、零杆菌丁酸发酵丁酸、乙酸、CO2、H2酪酸梭装芽孢杆菌微生物的发酵类型2、呼吸没有呼吸。没有生命！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）好氧呼吸——•有分子氧（游离氧）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧；•好氧呼吸的类型：自养型微生物、异养型微生物•完全氧化的产物：CO2、H2O、有机酸、能量自养型微生物：以无机物为底物。异养型微生物：以有机物为底物（电子供体)C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+11CO2+13H2O+NH4++能量H2S+2O2H2SO4+能量NH4++2O2NO3-+2H++H2O+能量硫杆菌硝化菌(2)厌氧/缺氧呼吸——无分子氧参与下进行的生物氧化；以无机化合物/氧化物（如：NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等）、有机物替代分子氧，作为最终受体的生物氧化作用；根据最终受体不同，分为：发酵（厌氧）和缺氧呼吸。缺氧呼吸可以使有机底物被彻底氧化，能量得以分级释放，产生的能量要远大于发酵过程。分解代谢方式最终电子受体产能结果好氧呼吸缺氧呼吸发酵分子氧化合态氧有机物2817.3kJ1755.6kJ92kJ葡萄糖三种分解代谢方式的产能结果比较化学反应式C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJC6H12C6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJC6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ二、废水的好氧生物处理•在有游离氧存在的条件下，运用好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。有机物+氧+微生物（C、O、H、N、S、P）合成细胞物质+氧+微生物CO2,H2O,NH3,+能量SO42-,PO43-热随水排出分解合成2/31/3内源代谢产物（CO2、H2O、NH3）+能量内源代谢残留物内源代谢•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BOD浓度小于500mg／L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。•废水处理好氧工艺：活性污泥法和生物膜法三、废水的厌氧生物处理是在没有游离氧、化合态氧存在的条件下，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。厌氧生物处理过程中有机物转化示意图有机物微生物新细胞（微生物增长）分解合成有机酸，醇，CO2＋能NH3，H2S分解合成新细胞（微生物增长）CH4，CO2＋能NH3，H2S产酸阶段产气阶段有机物的转化过程分为三部分：①②③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。四、生物脱氮除磷原理总氮凯氏氮•生活污水中含的氮中，有机氮约占60%，氨氮约占40%。当污水中的有机物被生物降解氧化时，其中的有机氮被转化为氨氮---氨化。有机氮（Org-N）、：蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物等氨氮：NH3、NH4+，一般以前者为主亚硝酸、硝酸氮：（NO2--N）、NO3--N）。废水中的氮1、氮的存在形式与转化过程NNONNONNHNOrgTN323NNHNOrgKN3•生物脱氮：是在微生物的作用下，将有机氮和氨氮转化为N2、NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程3222NHCORCOOHOCOOHRCHNH氨化菌2、生物脱氮基本原理生物氧化-氨化先硝化后反硝化形成氮气硝化菌亚硝化细菌硝酸化菌反硝化菌自氧好氧(DO2)异氧厌氧兼性温度、PH敏感PH、碳源敏感OHOHNCOOHCHNOCOOHOHNOHCHNOOHCONOOHCHNO67355636333642626222332223222233反硝化菌亚硝酸还原菌硝酸还原菌总反应（2）缺氧反硝化kJHOHNOONH42.2782232224亚硝化菌kJNOONO27.7221322硝酸菌(1)好氧硝化HOHNOONH222324硝化菌3、磷的去除•化学法：磷酸盐和某些化合物反应生成不溶解的沉淀物，如：铝盐、铁盐、石灰（钙盐）等。•生物法：利用聚磷菌：厌氧放磷和好氧吸收磷交替而繁殖自身，通过剩余污泥排除而去除水中溶解性磷机理在厌氧区，在没有溶解氧和硝态氧存在的条件下，兼性菌将溶解性BOD转化为低分子发酵产物（VFA），而生物聚磷菌依靠聚磷的水解，吸收产生的VFA或来自源水的VFA以胞内碳能源存贮物（PHB／PHV）贮存，并释放磷酸盐。在好氧区，通过PHB／PHV的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收与聚磷菌的合成，并以聚磷酸高能键的形式捕集存贮能量。同时形成新的聚磷细胞，产生富磷污泥。因此，通过剩余污泥的排放，可以实现磷的去除。第三节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•生长速率常数等于零•细胞形态变大或增长：许多杆菌可长成长丝状。•合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶。•对外界不良条件例如NaCl溶液浓度、温度和抗生素等化学药物的反应敏感。2、对数期•生长速率常数最大•细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀•酶系活跃，代谢旺盛。3、稳定期•生长速率常数R等于0，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。•这时的菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系：生长产量常数Y4、衰亡期•个体死亡的速度超过新生的速度，因此，整个群体就呈现出负生长(R为负值)。•细胞形态多样二、微生物的生长环境第四节生化反应速度和反应级数•生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应生物反应包含两方面微生物增长（污泥产生）；基质降解（有机物去除）。这两个方面通过产率系数Y（Yield,constant）可方便地定量描述反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示生化反应速度PXSzytytdSddXdSdXdy产率系数：mg（生物量）/mg（降解的底物）该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。一般，０＜y＜１生物化学反应的基本模式反应级数v=dp/dt=ds/dt=ksn零级反应：kdtdvaktaa0一级反应：aakdtdv3.2lglg0ktaa二级反应：2aakdtdvktaa011第五节微生物生长动力学•酶（enzyme）：具有催化作用的蛋白质。•所有酶（除了核酸酶）都是蛋白质，有简单的也有结合蛋白质。•酶的特点除了具有加快反应速度、不改变化学反应的平衡、可降低反应活性等特点还有一些几个特点。（1）催化效率高（2）具有高度专一性（3）易失活（4）酶活力受调节控制（5）催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关，若除去，酶将失活。酶活力：一定条件下，酶所催化反应的反应速度称为酶活力。酶活力单位：1961年，国际酶学会议规定，1酶活力单位（U,activeunit）是指特定条件下（温度25度，其他条件采用最适条件），在一分钟内转化1μmol底物的酶量，或是转化底物中1μmol的有关基团的酶量。一、微生物群体的增长速率•1942年，Monod发现均衡生长的细菌的生长曲线与活性酶催化的生化反应曲线相似。1949年，Monod发表了一项在井台反应器中经过系统研究得出的结果，该研究将细胞比生长率和限制生长的基质浓度功能性的关联起来，这种关系与米氏方程有关酶反应的动力学模型是一致的。1、Michaelis-Menten方程生化反应，即酶促反应，反应速度受酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素影响。•中间产物假说：•酶促反应分为两步进行，第一步，酶与底物作用形成中间产物（此中间产物被看作稳定的过渡态物质）。第二步，中间产物分解形成产物，并释放出游离的酶。EPESSE][][maxsKsvvmvmaxn=00n1n=1KS底物浓度[S]1/2vmax酶反应速度v高有机物浓度(S