水污染控制工程ppt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

第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础10.1废水的好氧生物处理和厌氧生物处理10.2微生物的生长规律和生长环境10.3反应速度和反应级数10.4米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式10.5莫诺特（Monod）方程式10.6废水生物处理工程的基本数学摸式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二、废水的好氧生物处理三、废水的厌氧生物处理一、微生物的呼吸类型微生物的呼吸指微生物利用营养物质获取能量的生理功能。微生物的呼吸按呼吸过程与氧的关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。1.好氧呼吸（1）异养微生物的好氧呼吸：以有机物为底物，最终产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时释放能量。C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3KJC11H29O7N+14O2+H+→11CO2+13H20+NH4++能量（2）自养微生物好氧呼吸：以无机物为底物，其最终产物也是无机物，同时释放能量。H2S+2O2→H2SO4+能量NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量2.厌氧呼吸（1）发酵：指供氢体和受氢体都是有机物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物。（大分子→小分子）C6H12O6→2CH3COCOOH+4[H]2CH3COCOOH→2CO2+2CH3CHO4[H]+2CH3CHO→2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ（2）无氧呼吸：指以无机氧化物，如NO3-、NO2-、SO42-等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。如反硝化作用：C6H12O6+6H2O→6CO2+24[H]24[H]+4NO3-→2N2↑+12H20总反应式：C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6KJ同一种底物：通过呼吸释放的能量：好氧呼吸无氧呼吸发酵(p60,表11-1）二、废水的好氧处理好氧生物处理指有分子氧存在的条件下，好氧微生物降解有机物为无机物，使其稳定、无害化的处理方法。处理对象：以胶体或溶解态存在的有机物。图3-1好氧生物处理过程中有机物转化示意图好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有机物分解为无机物，把2/3有机物合成为微生物自身，当活性污泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化和无害化。有机物+氧M分解代谢合成代谢原生质H2O、CO2、NH3+能量内源呼吸净增细胞物质M、O2H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43-+能量（有氧呼吸）1/32/3放热合成代谢方程式：CXHYOZ+NH3+O2→C5H7NO2+CO2+H2O-能量三、废水的厌氧生物处理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。I类产物甲酸甲醇甲胺乙酸等通过不同途径转化为CH4、CO2等废水或污泥中不溶态大分子有机物蛋白质多糖脂类氨基酸C6H12O6甘油脂肪酸II类产物丙酸丁酸乳酸乙醇等水解酸化产氢产乙酸产甲烷发酵菌甲烷菌产氢产乙酸菌CO2[H]乙酸发酵菌图3-2厌氧生物处理过程中有机物转化示意图废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机物（不溶性）→小分子有机物（溶解性）、无机物→有机酸、无机物→CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降解和稳定。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的生长速度，其生长可分为四个期：停滞期、对数期、静止期、衰老期。停滞期：微生物的生长速度从零逐渐开始增加，细菌总数增加。出现于污泥培养驯化阶段，或水质发生变化、停产后又生产阶段。对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快速增加。当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，可能处于对数期。处于对数期的微生物降解有机物速度快，但沉降性能差。静止期：微生物生长速度开始下降，细菌总数达到平衡。当废水中有机物浓度降低，污泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此时污泥絮凝性好，二沉池出水水质最好。衰老期：微生物生长速度变为负值，细菌总数下降。当有机物浓度低，营养物明显不足，则可能处于衰老期。此时污泥较松散，沉降性能好，出水中有细小泥花。二、微生物的生长环境1.微生物的营养：碳源、氮源、磷源是微生物生长所需的必要营养物质，其比例一般为BOD5：N：P=100：5：1。2.温度：按温度可把微生物分为低温性（5-20℃）、中温性（20-45℃）、高温性（45-80℃）三类。好氧生物处理中，以中温性微生物为主，所以适宜温度为25-40℃。厌氧生物处理甲烷菌为中温菌，其它阶段为高温菌，所以厌氧生物处理如果产甲烷温度控制在33-38℃，如果不产甲烷，只是发酵产酸温度控制在52-57℃比较适宜。3.PH值：活性污泥最适宜的PH值范围是6.5-8.5。4.溶解氧：是影响生物处理效果的重要因素。好氧生物处理溶解氧一般以2-4mg/L为宜。厌氧生物处理不能有氧。5.有毒物质：重金属等有毒物质能使微生物细胞结构遭到破坏以及生物酶变性，失去活性。第三节反应速度和反应级数一、反应速度二、反应速率方程和反应级数一、反应速度在生化反应中，反应速度是指单位时间单位体积内底物的减少量、产物或细胞质的增加量。例生化反应：S→y·X+z·P反应速度：如果反应过程V恒定，则反应速度：三个组分的反应速度之间的关系：VdtdnSSVdtdnXXVdtdnPPdtdCSSdtdCXXdtdCPPzy1PXS二、反应速率方程和反应级数等温恒容不可逆反应：aA+Bb+cC→dD+Ee+…反应速率方程反应级数：x+y+z=0零级反应x+y+z=1一级反应x+y+z=2二级反应x+y+z=3三级反应zCyBxAAACCkCdtdC第四节米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式米氏在一切生化反应都是在酶催化进行的前提下，提出微生物分解代谢的酶反应方程式：米氏方程式：式中：ν—酶反应速度νmax—最大酶反应速度CS—底物浓度Km—米氏常数（半速度常数）EPESESSmSmaxCKC图3-4酶反应速度与底物浓度的关系底物浓度CSKm酶反应速度ν1/2νmaxνmax0混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）一级反应区（n=1）SmSmaxCKC分析米氏方程式当CS很大时，即CS》Km时，ν=νmax，呈零级反应，此时酶与底物全部结合为ES，所以增加底物浓度，对酶反应速度无任何影响。当CS很小时，即CS《Km时，，呈一级反应，ν与CS成正比，此时部分酶与底物结合，所以增加底物浓度，可提高反应速度。当CS介于上述二者之间，由小到大增加时，ν与CS呈混合级反应，即n=0-1，增加CS，ν缓慢增加。SmmaxCK米氏方程式动力学系数米氏常数（Km）的物理意义：Km是时的底物浓度，它与酶和底物有关，一个酶和一个底物对应一个Km，1/Km表示酶与底物的亲和力，1/Km越大，亲和力越大。米氏方程式动力学系数确定法：兰维福-布克（Lineweaver-Burk）作图法（双倒数作图法）max21maxSmaxm1C1k1图3-5作图法求km和νmax示意1SC1max1bmaxmkk第五节莫诺特（Monod）方程式莫诺特（Monod）方程式是Monod于1942年以纯菌种对单一底物的分批培养实验基础上提出了描述微生物增长的动力学方程。式中：μ—微生物的比增长速度，μmax—微生物的比增长速度；CS—底物浓度；CX—微生物浓度kS—饱和系数（半增长速度常数）q、qmax—底物的比降解速度及最大值。SSSmaxCkCXXCdt/dCSSSmaxCkCqq或XSCdt/dCq第四节废水的可生化性一、废水可生化性①脂肪烃或正烷烃较芳香烃或环烷烃易降解；不饱和脂肪族化合物较易降解。②直链的中长链烃的降解比短链烃易。③烷烃中丙烷以上的碳化合物，随着碳原子数量的增多降解越容易。④不溶性物质，如矿物油类，抗降解能力大。⑤化合物的分子大小与可降解性有关，聚合物和复合物具有较大的抗降解能力，酶分子不能接近和破坏它们的内部结构。⑥有机化合物异构作用对可降解性有影响，化合物所含置换集团的性质、数量和位置影响着可降解性。⑦当化合物主链上有非碳元素时，降解十分困难。⑧酚类是易于降解的，酮类介于醛、醇之间，但丁烯酮降解困难。以酚为代表的决大部分有机物低浓度时可以降解但在高浓度时毒性大将抑制微生物的生命活动。⑨废水中污染物混合后若出现聚合，复合等现象将加大其抗降解能力。有毒物质之间的混合也会增大毒性作用。⑩自然界中原有物质较易降解，人工合成物质则较难。用BOD5／COD值评价废水的可生化性是广泛采用的一种最为简易的方法。在一般情况下，BOD5／COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。表12-5中所列数据评价废水的可生化性。BOD5/COD＞0.450.3—0.450.2—0.3＜0.2可生化好较好较难不宜二、废水可生化性的评价方法1、BOD5／COD值法表12-5废水可生化性评价参考数据以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确，即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。采用BOD5／TOD值评价废水可生化性时，有些研究者推荐采用表12-6所列标准。BOD5/TOD值＞0.40.2～0.4＜0.2废水可生化性易生化可生化难生化2、BOD5/TOD值法表12-6废水可生化性评价参考数据3、耗氧速率法与b类耗氧曲线相应的废水是可生物处理的，在某一时间内，b与a之间的间距愈大，废水中的有机污染物愈易于生物降解。曲线b上微生物进入内源呼吸时的时间tA，可以认为是微生物氧化分解废水中可生物降解有机物所需的时间。在tA时间内，有机物的耗氧量与内源呼吸耗氧量之差，就是氧化分解废水中有机污染物所需的氧量。(1)摇床试验在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机营养盐溶液，在摇床上振摇，培养瓶中的混合液在摇床振荡过程中不断更新液面，使大气中的氧不断溶解于混合液中，以供微生物代谢有机物之用，经过一定时间后，对混合液进行过滤或离心分离，然后测定清液的COD或BOD，以考察待测物质去除效果。(2)模型试验指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。模型装置通常可分为间歇流和连续流反应器两种。4、摇床试验与模型试验作业：P77：2、4、5、6、7、10