第十一章废水生物处理的基

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河北工业大学郭振华第一节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理一、微生物的呼吸类型概述：1）微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能。2）分类：好氧呼吸和厌氧呼吸。3）呼吸作用是生物氧化和还原的过程，存在着电子、原子转移，而在有机物的分解和合成过程中，都有氢原子的转移，因此，呼吸作用可按受氢体的不同来划分。1.好氧呼吸（1）定义：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。（2）过程：好氧呼吸是营养物质进人好氧微生物细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。【首先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。因此，好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这过程中，同时放出能量。】（3）分类：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。好氧呼吸分为：异氧型和自养型微生物。①异养型微生物异氧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。有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等都属于这种类型的呼吸。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。【大型合流污水沟道和污水沟道存在第一式所示的生化反应，是引起沟道顶部腐蚀的原因；第二式为生物脱氮工艺中的生物硝化过程。】特点：底物被氧化得比较彻底，获得的能量也较多。2．厌氧呼吸（1）定义：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。（2）过程：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。因此，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。（3）分类：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。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。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。(2)无氧呼吸是指以无机氧化物，如N03-，N02-，SO42-，S2O32-，CO2等替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。如在反硝化作用中N03可用下式所示：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。总结：获得的能量水平不同(以葡韵糖为例)：二、废水的好氧生物处理（1）定义：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，使其租定、无害化的处理方法。（2）过程：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，逐续释放能量，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量终过程可用图11—1表示。由图可看出：有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有三分之二被转化，合成为新的原生质(细胞质)，即进行微生物自身生长繁殖。应用：合成为新的原生质(细胞质)就是废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称其剩余活性污泥或生物膜，又称生物污泥。特点：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。范围：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。分类：好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法。三、废水的厌氧生物处理（1）定义：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。（2）过程：在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为筒单的化合物，同时释放能量。有机物的转化分为三部分：部分转化为CH4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。特点：①优点：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。②缺点：是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。但通过对新型构筑物的研究开发，其容积可缩小。此外，为维持较高的反应速度，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。范围：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。第二节微生物的生长规律和生长环境一、微生物的生长规律按微生物生长速度，其生长可分为四个生长期:停滞期(调整期)、对数期(生长旺盛期)、静止期(平衡期)和衰老期(衰亡期).如图11—3所示。在废水生物处理中，微生物是一个混合群体，它们也有一定的生长规律。有机物多时，以有机物为食料的细菌占优势，数量最多；当细菌很多时，出现以细菌为食料的原生动物；而后出现以细菌及原生动物为食料的后生动物，如图11—4所示食物链。污水生物处理，活性污泥的增长过程与微生物相同（分四期）。1．停滞期如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中(营养类型发生变化，污泥培养驯化阶段)，或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后，才能适应新的废水，或从衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。2．对数期当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长期。处于对数期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，用滤纸过滤时，滤速很慢。3．静止期当废水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止期，处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。4．衰老期当有机物浓度低，营养物明显不足时，则可出现衰老期。处于衰老期的污泥较松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花，以滤纸过滤时，滤速快。二、微生物的生长环境微生物的生长与环境条件关系极大。在废水生物处理过程中，应设法创造良好的环境，让微生物很好地生长、繁殖，以达到令人满意的处理效果以及经济效益。影响因素：营养、温度、pH值、溶解氧以及有毒物质。1．微生物的营养废水中大多含有微生物能利用的碳源。而有些含碳量低的工业废水，另加碳源，如生活污水、米泔水、淀粉浆料等。微生物除了需要碳营养外，还需要氮、磷营养，它们之间的比例，一般为BOD5∶N∶P＝100∶5∶1。生活污水的磷、氮含量较高，采用生物法处理时不需另外投加。但有些工业废水含磷、氮低，不能满足微生物需要，应考虑投加尿素、硫酸铵等含氮化合物或磷酸钾、磷酸钠等含磷化合物。2．温度各类微生物所生长的温度范围不同，约为5℃一80℃。废水好氧生物处理，以中温细菌为主，其生长繁殖的最适温度为20℃一37℃。当温度超过最高生长温度时，会使微生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破坏而失去活性，严重者可使微生物死亡。低温会使微生物代谢活力降低，进而处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生命力。厌氧生物处理常采用温度：中温33℃一38℃和高温52℃一57℃。3．pH值不同的微生物有不同的pH值适应范围。大多数细菌适宜中性和偏碱性(pH＝6.5～7.5)环境。活性污泥法处理废水，气池混合液的pH值宜为6.5-8.5，如果曝气池混合液pH值达到9.0时，原生动物将由活跃转为呆滞，菌胶团粘性物质解体，活性污泥结构遭到破坏，处理效果显著下降。如果进水pH值突然降低，曝气池混合液呈酸性，活性污泥结构亦会变化，二次沉淀池中将出现大量浮泥现象。当废水的pH值变化较大时，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值范围。4．溶解氧溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。废水的好氧生物处理中，如果溶解氧不足，好氧微生物由于得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降低，同时对溶解氧要求较低的微生物将应运而生，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。在这种情况下，活性污泥或生物膜的结构正常，沉降、絮凝性能好。5．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。其毒害作用主要表现细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质，井失去活性。如重金属高子（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。第三节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。一、反应速度在生化反应中，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。二、反应级数实验表明反应速度与一种反应物A的浓度PA成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。实验表明反应速度与二种反应物A、B的浓度PA、PB成正比时，或与一种反应物A的浓度PA的平方PA2成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度与PA·PB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。实验表明，在生化反应过程中，底物的降解速度和反应器中的底物浓度有关。讨论反应级数：反应速度不受反应物浓度影响时，称这种反应为零级反应。在温度不变的情况下，零级反应的反应速度是常数。式中：w——反应速度t--反应时间k--反应速度常数，受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，A为正值；反之，A为负值。在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。t-PA的图形如图11—7、11-8、11-9。第四节米歇里斯-门坦(Michaelis—Menten)方程式一、底物浓度对酶反应速度的影响一切生化反应都是在酶催化下进行的。这种反应亦可以说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的影响。二、米氏方程式1913年前后，米歇里斯和门坦(MichaelisandMentvn)在前人工作的基础上，用纯酶做了大量的动力学实验研究，并根据中间产物学说，提出整个反应过程中，底物与酶反应关系式，简称米氏方程式，即：（1)当底物浓度Ps很大时，PsKm，Km十Ps≈Ps，酶反应速度达最大值，V=Vmax，呈零级反应，此时，再增加底物浓度，对酶反应浓度无任何影响，因为酶已被底物所饱和，增加底物孟甚效用，在这种情况下；只有增加酶浓度，才有可能提高反应速度。(2)当底物浓度h较小时，PsKm，Km十Ps=Km，酶反应速度和底物浓成正比例关系，呈一级反应。此时，由于酶未被底物所饱和，故增加底物浓度，可提高酶反应速度。但随着底物浓度的增加，酶反应速度不再按正比关系上升，呈混合级反应，即反应级数介于0～1之间，是一级反应到零纽反应的过渡段。在废水生物处理工程中，米氏方程式是我们常用的一个反应动力学方程。三、米氏常数的意义及测定米氏常数Km(动力学系数、稳态平衡常数）1.物理意义：(1)Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。不同的酶，Km值不同。(2)如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的Km，Km值不受pH及温度的影响。(3)同一