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第一节废水处理微生物基础第二节酶及酶反应第三节微生物生长动力学第四节废水的可生化性第五节废水生化处理方法总论海新河在河道中设置取水口，经由机械格栅去除水中大宗的悬浮物后，经由泵站提升进入混合分配井，在泵后设置加药装置，向污水中投加絮凝剂，使污水进入混合分配井时与絮凝剂在水力搅拌作用下充分混合，同时混合分配井把污水均匀分配至后续的沉淀池中，沉淀池出水通过明渠进入湿地，湿地采用进水堰槽布水，均匀布水、减缓流速，避免对湿地水生植物生长造成冲击，湿地占地面积约7公顷，四周采用毛石护坡，底部作防渗处理，湿地内栽种芦苇、茭白等水生植物，形成一定的生态景观，湿地出口处仍采用堰槽溢流进入明渠，然后由明渠重新汇入到海新河中。沉淀池中的污泥沉积到一定程度后排入污泥浓缩池浓缩，浓缩过程中投加絮凝剂，以增强泥水分离效果，浓缩后的污泥通过污泥泵输送至脱水机房进行机械脱水，脱水后的污泥外运处理。抚顺三宝屯污水处理厂原污水由厂外进水方涵进入厂区的粗格栅井，经粗格栅进入进水泵房。经过进水泵房提升后，污水进入两组沉砂池及计量槽。经过沉砂池处理后的污水，进入配水闸井，配水到反应池，污水通过三条d1200钢筋砼管进入设于厂区中部的三组DAT-IAT池，进行二级处理。SBR池出水进入接触池进行消毒处理，消毒后的污水排到厂外的李石河。另外为了节省自来水用量，降低运行费用，加氯用水采用处理后的二级出水，同时在水射器的进水管上串联了两组Y型过滤器，以防止管道堵塞。SBR池的剩余污泥由潜水排污泵提升，经管道流入污泥浓缩池。污泥浓缩后，由剩余污泥泵房中的螺杆泵抽升到脱水机房的混合池，然后进入离心脱水机进行脱水，脱水后的泥饼运到污水厂附近的垃圾填埋场进行卫生填埋。第一节废水处理微生物基础一、微生物的新陈代谢1．分解代谢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叫分解代谢或异化作用。2．合成代谢微生物从外界获得能量，将低能化合物合成生物体的过程叫合成代谢，或称同化作用。从参与对象、环境条件、分解产物、受氢体以及整个代谢过程等角度思考好氧分解代谢和厌氧分解代谢的区别？二、微生物生长的营养及影响因素营养物对微生物的作用是：（1）提供合成细胞物质时所需要的物质；（2）作为产能反应的反应物，为细胞增长的生物合成反应提供能源；（3）充当产能反应所释放电子的受氢体。所以微生物所需要的营养物质必须包括组成细胞的各种元素和产生能量的物质。根据所需碳的化学形式，可分为自养型和异养型微生物根据所需能源不同，可分为光营养型和化能营养型。影响微生物生长的因素最重要的是营养条件、温度、PH值、需氧量以及有毒物质。1．微生物的营养对好氧生物处理，BOD5:N:P=100:5:1，碳源以BOD5值表示，N以NH3-N计，P以PO43-中的P计；对厌氧消化处理，C/N比值在（1～20）：1的范围内时，消化效率最佳。2．反应温度微生物可分为高温性（嗜热菌）、中温性、常温性和低温性（嗜冷菌）四类，如表12-1所示。表12-1各类微生物生长的温度范围类别最低温度最适温度最高温度类别最低温度最适温度最高温度高温性中温性30℃10℃50～60℃30～40℃70～80℃50℃常温性低温性5℃O℃10～30℃5～10℃40℃3O℃3．pH值一般好氧生化处理pH值可在6.5～8.5之间变化，厌氧生物处理要求较严格，pH值在6.7～7.4之间。因此，当排出废水pH值变化较大时，应设置调节池。4．溶解氧好氧微生物在降解有机物的代谢过程中以分子氧作为受氢体，如果分子氧不足，降解过程就会因为没有受氢体而不能进行，微生物的正常生长规律就会受到影响，甚至被破坏。厌氧微生物对氧气很敏感，当有氧存在时，会形成H2O2积累，对微生物细胞产生毒害作用，使其无法生长。有毒物质对微生物的毒害作用，主要表现在使细菌细胞的正常结构遭到破坏以及使菌体内的酶变质，并失去活性。有毒物质可分为：①重金属离子（铅、铜、铬、砷、铜、铁、锌等）；②有机物类（酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等）；③无机物类（硫化物、氰化钾、氯化钠、硫酸根、硝酸根等）。return5.有毒物质酶是由活细胞产生的能在生物体内和体外起催化作用的个物催化剂。酶有单成分酶和双成分酶之分。单成分酶完全由蛋白质组成，双成分酶是由蛋白质和活性原子基团相结合而成，蛋白质部分为主酶，活性原子基团一般是非蛋白质部分。此部分若与蛋白质部分结合较紧密时，称之为辅基，结合不牢固时，称之为辅酶。酶所具有的独特性能：①催化效率高。②专属性。③对环境条件极为敏感。第二节酶及酶反应一、酶及其特点二、酶促反应速度I.单底物、单产物反应II.酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度IV.底物浓度远远大于酶浓度在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。[S]VVmaxEPESSEKKK321SKSVVmmax酶促反应分两步进行，首先酶与底物形成中间络合物（中间产物），这个反应是可逆反应，然后结合物再分解为产物和游离态酶。反应过程可用下式表示：米氏方程米凯利斯和门坦提出了表示整个反应过程中底物浓度与酶促反应速度之间的关系式，称为米凯利斯-门坦方程式，简称米氏方程，即米氏方程的推导121kkkESSESSEt令：Kmkkk121将（4）代入（3），则：SKSVvmmax1kES1kES2kEPESEtSES[ES]生成速度：SESEkvt11，[ES]分解速度：ESkESkv212即：ESkESkSESEkt211则：SSESESKmtE(1)经整理得：SKSEmtES由于酶促反应速度由[ES]决定，即ESkv22kvES，所以(2)将（2）代入（1）得：SKSEkvmt2SKSEkmt2v(3)当酶反应体系处于稳态时：21vv当[Et]=[ES]时，mVvtmEkV2(4)所以SKSVvmmax1．米氏常数的意义①Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关②如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个Km值.③同一种酶有几种底物相应有几个Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。关于米氏方程的几点说明Lineweaver–Burk的作图法—双倒数作图法。1Km11=+VVmax[S]Vmax取米氏方程式的倒数形式：-4-202468100.00.20.40.60.81.01/[S](1/mmol.L-1)1/v1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km2.Km与Vmax的测定三、酶制剂对酶制剂用于废水生物处理进行了大量研究，并得以应用。如日本研究将具有分解氰能力的产减杆菌和无色杆菌制成氰分解酶，使氰分解成氨和碳酸，对处理电镀含氰废水和丙烯腈废水很有效；利用脂肪酸、蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等混合酶处理生活污水等。目前还正寻找能分解有机汞、多氯联苯、塑料和环状有机化合物的酶。固相酶用于废水处理，主要是将固相酶置于反应器内，作为滤床，让废水通过滤床，污染物质被滤料上的酶催化分解。Pyrolase酶四、适应酶微生物具有变异的特性，即遗传的变异性。人们根据这一特点，人为地改变微生物的环境条件，使微生物在受到各种物理、化学等因素的影响后，发生变异，并在机体内产生适应新环境的酶，即适应酶。人们就利用这个特性为生产服务。如活性污泥的培养驯化就是利用了这一特性，即在活性污泥的培养驯化过程中，不适应废水的微生物逐渐死亡，适应该废水的微生物逐渐增加，并在该种废水的诱发下，在微生物的细胞内产生适应酶。按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为四个生长时期：第二节微生物生长动力学适应期对数期稳定期衰亡期一、微生物的生长规律1．微生物的增长速度Monod方程描述限制增长营养物的剩余浓度与微生物比增长率之间的关系为:式中μ——微生物比增长速度，时间-1；μm——微生物最大比增长速度，时间-1；S——溶液中限制生长的底物浓度，质量/容积；Ks——饱和常数。即当μ=μm/2时的底物浓度，故又称半速度常数，质量/容积。SKSSm二、微生物生长动力学2．微生物生长与底物利用速度微生物的增长速度与底物的降解速度有一个比例关系：式中：Y——微生物产率系数；——微生物总增长速度；——底物利用速度；q——比底物利用速度。将式（12－12）代入式（12－13），可得式中qmax为最大比底物利用速度。qYdtdSYdtdxuT或TdtdxudtdSSKSqqSmax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。2、BOD5/TOD值法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表12-6废水可生化性评价参考数据测定逐日BOD5和TOD，再以BOD5/TOD值与测定时间t作图3、耗氧速率法a为内源呼吸线，若废水中有机污染物的耗氧曲线与内源呼吸线重合时，说明有机污染物不能被微生物所分解，但对微生物也无抑制作用。b为可降解有机污染物的耗氧曲线，此曲线应始终在内源呼吸线的上方。起始时，微生物代谢速度快，耗氧速度也大，随着有机物浓度的减小，耗氧速度下降，耗氧曲线与内源呼吸线平行。c为对微生物有抑制作用的有机污染物的耗氧曲线。a类曲线相应的有机污染物不能被微生物分解，对微生物的活性亦无抑制作用。b类曲线相应的有机污染物是可生物降解的物质。c类曲线相应的有机污染物在一定浓度范围内可以生物降解，超过这一浓度范围时。则对微生物产生抑制作用。d类曲线相应的有机污染物不可生物降解，且对微生物具有毒害抑制作用。一些重金属离子也有与此相同的作用。%100baVVR(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C