第7章廢水生物化學(xué)處理基礎(chǔ)

1、當(dāng)代給水與廢水處理原理當(dāng)代給水與廢水處理原理安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院高良敏 博士、教授第七章 廢水生物化學(xué)處理基礎(chǔ) 1947年，首次出現(xiàn)了“生物化學(xué)工程”( Biochemical engineering)一詞。1965年Aiba等人的專著物化學(xué)工程(Biochemical Engineering)出版，標(biāo)志著這一學(xué)科的正式出現(xiàn)。1971年Coulson及Richardson等著述的化學(xué)工程標(biāo)準(zhǔn)教材新添了第三卷，其中包括了一章生物化學(xué)反應(yīng)工程，標(biāo)志著生物化學(xué)工程已成為化學(xué)工程的個(gè)新的組成部分。此后出版的生物化學(xué)工程專著有Atkinson的生物化學(xué)反應(yīng)器(Biochemical Reactor

2、s，1974年)，Bailey及ollis的生物化學(xué)工程基礎(chǔ)(Biochemical Engineering Fundamentals1977年)等書。 生物化學(xué)工程中應(yīng)用的發(fā)酵器有兩種基本類型，一種是利用微生物絮體的作用，這與廢水處理中的活性污泥法相類似；另一種是利用微生物膜的作用，這與廢水處理中的生物濾池法相類似。 本章主要內(nèi)容：7-1 單個(gè)細(xì)菌的模型7-2 細(xì)菌的連續(xù)增殖7-3 細(xì)菌增殖速率與底物消耗速率關(guān)系式7-4 BOD與TbOD7-5 微生物集團(tuán)的模型7-6 微生物膜的阻力與厚度第七章 廢水生物化學(xué)處理基礎(chǔ)7-1 單個(gè)細(xì)菌的模型 底物一般是通過細(xì)胞的粘液層、細(xì)胞壁與細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)

3、部的，而代謝作用只發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)部的細(xì)胞質(zhì)區(qū)。發(fā)生代謝作用后，底物也就消失了。 這里，我們假設(shè)： 不考慮復(fù)雜的代謝過程； 把底物的消失引用流體力學(xué)中“匯”的概念來解釋； 粘液層、細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等作為底物傳遞的邊界。 這樣就得到一個(gè)細(xì)菌的簡化模型，如圖7-1所示。 7-1 單個(gè)細(xì)菌的模型 擴(kuò)散區(qū)指細(xì)胞壁外粘液層的部分，其表面積為ad cm2，底物通過擴(kuò)散區(qū)時(shí)服從Fick的第一擴(kuò)散定律，即底物的通量為： Nd= D dd 擴(kuò)散區(qū)的內(nèi)面為透酶區(qū)。這一區(qū)指細(xì)胞膜的透酶所起的運(yùn)輸作用。透酶是細(xì)腦膜內(nèi)的一類立體專一性載體分子，這類分子也是一種蛋白質(zhì)，取名透酶以示區(qū)別于代謝酶。透酶區(qū)的通量可用下列公式來表示：

4、 PpPKaN 代謝區(qū)指細(xì)胞膜內(nèi)的區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)雖然產(chǎn)生了許多極復(fù)雜的代謝途徑，但組成代謝途徑的每一個(gè)反應(yīng)都是由酶控制的，因而服從于MichaelisMenten方程。代謝區(qū)內(nèi)底物消耗速率可以表示為： m m Kadtd7-1 單個(gè)細(xì)菌的模型 當(dāng)代謝區(qū)消耗底物的速率恰好和底物通過兩個(gè)運(yùn)輸區(qū)的速率相等時(shí)，便得到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)存在下列關(guān)系： m mmppprdKaVKaaddDad 當(dāng)?shù)孜锊恍柰该竻^(qū)的運(yùn)輸時(shí)，式（7-4）簡化為： m pm pm m mmrda)K(aaVKaVddDad 當(dāng)包含透酶區(qū)時(shí)，由式（7-4）看出底物的消耗速率完全由運(yùn)輸過程來控制，即由下列關(guān)系控制： ppprdK

5、aaddDad7-2 細(xì)菌的連續(xù)增殖 簡單的恒化器見圖73，是一個(gè)工作容積可以小至100mL的容器。進(jìn)入恒化器的滅菌培養(yǎng)液的流量為f mL/h，恒化器的溢流流量也是f rnL/h，恒化器內(nèi)液體容積為V并不斷供給滅菌空氣，以保證細(xì)菌的需氧過程。培養(yǎng)液處在不斷攪拌過程巾，以保證培養(yǎng)液的成分均勻。就整個(gè)體系而言，當(dāng)達(dá)到每秒鐘增加的細(xì)菌個(gè)數(shù)與每秒鐘排掉的細(xì)菌個(gè)數(shù)相等時(shí)，恒化器即處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖73所示的恒化器實(shí)際可看作是一個(gè)CSTR。 7-2 細(xì)菌的連續(xù)增殖 每小時(shí)通過溢流量f所排掉的細(xì)菌質(zhì)量為： f 1mL中的細(xì)菌質(zhì)量 = f = Dx Vx 由于細(xì)菌的增殖率可表示為dx/dt=x，所以當(dāng)恒化器處于

6、穩(wěn)定條件下時(shí)得： 在恒化器中，Monod方程可寫為： DxxdtdxsmaxKD7-2 細(xì)菌的連續(xù)增殖 由圖7-5可知，當(dāng)生物處理設(shè)備的進(jìn)水有機(jī)物濃度在一定范圍內(nèi)波動時(shí)不會引起微生物特性很大的變化，因而系統(tǒng)的運(yùn)行能處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。 根 據(jù)Monod方程，可以求得恒化器穩(wěn)態(tài)條件的營養(yǎng)物濃度為： DDKmaxs7-3 細(xì)菌增殖速率與底物消耗速率關(guān)系式 把底物的消耗速率分成兩部分一部分是由于細(xì)菌生長新的細(xì)胞物質(zhì)而產(chǎn)生的，以 表示，另一部分是為維持細(xì)菌處于活的狀態(tài)所需的能量而產(chǎn)生的，以 表示，這就得： （7-13） 維持生長總 dtddtddtd生長 dtd維持 dtd 由：式中，Yc稱為真

7、產(chǎn)率因數(shù)。 維持能量所需的消耗速率 應(yīng)該與細(xì)菌的質(zhì)量x 成正比，可以表示為： 式中，m稱為維持系數(shù)，量綱為時(shí)間-1。 這樣（7-13）可以寫成： dtdxY1dtd 總dtdxY1dtdc 生長mxdtd 維持維持 dtdCY1mY1生化需氧量（生化需氧量（BOD） 水中有機(jī)物通過微生物的氧化變成簡單無機(jī)化合物的過程中，對水中溶解氧的消耗速率，稱為它的生化需氧量(BOD)。7-4 BOD與TbOD 細(xì)菌以有機(jī)物為食物而生長，在生長過程中，一部分有機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成為新的細(xì)菌細(xì)胞，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和水等。當(dāng)水中食物不足時(shí)，細(xì)菌又從本身物質(zhì)中吸取能量以維持生命這一現(xiàn)象稱為內(nèi)源代謝(endogenous m

8、etabalism)或內(nèi)源呼吸(endogenous respiration)。細(xì)菌死后又以有機(jī)物的形式作為細(xì)菌的食物而重復(fù)上述過程。另外，活的細(xì)菌與死的細(xì)菌又是原生動物和其它較高級微生物的食物，原生動物這類微生物因此稱為捕食微生物。生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD與TbOD 圖77給出了新鮮生活廢水的生化需氧量歷時(shí)曲線形式和溫度對歷時(shí)曲線的影響。 第一階段：由于含碳有機(jī)物的分解所需要的生化需氧 量 ， 也 稱 碳 質(zhì) B O D（carbonaceous BOD）； 第二階段：（硝化階段）代表含氮有機(jī)物硝化過程的需 氧 量 ， 稱 為 氮 質(zhì)BOD(nitrogenous BO

9、D)。 生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD與TbOD 當(dāng)?shù)湫偷奶荚次镔|(zhì)葡萄糖完全氧化時(shí)可以寫成： 則可認(rèn)為生化需氧量等于2.67有機(jī)物碳原子的質(zhì)量濃度。 細(xì)菌細(xì)胞的合成可以寫成：由此可計(jì)算，每合成1g干細(xì)菌，約需單體氧0.985g。 細(xì)菌的氧化分解可以寫成： 按這一反應(yīng)計(jì)算，每克干細(xì)菌的完全氧化約需單體氧1.42g。 OH6CO6O6OHC2226126OH110CO59NOHC17NH17O59OHC24222753261263222275NHOH2CO5O5NOHC生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD與TbOD 含碳有機(jī)物完全氧化成二氧化碳及水的生化需氧量稱為總生化需

10、氧量，以BODL或BODu表示。 硝化BOD的反應(yīng)可表示為： 按這兩個(gè)反應(yīng)，可得： 硝化BOD = 4.57(有機(jī)氮 + 氨氮) mg/L + 1.14 （NO2- 氮）mg/L 這里特別指出：上述生化需氧量概念為其原始涵義，與生化需氧量試驗(yàn)所測得的生化需氧量完全不是一個(gè)同一概念。 OH2H2NO2O3NH22223H2NO2H2ONO2322BOD試驗(yàn)試驗(yàn) 從圖7-8中看出，接種細(xì)菌的生長過程中有一個(gè)滯后期，在這一段時(shí)間內(nèi)細(xì)菌的濃度沒有變化，接種的細(xì)菌在滯后期中雖然也要攝取一定食物及溶解氧但是量甚少，所以有機(jī)物濃度可以視作無變化。BOD值應(yīng)為零，只是當(dāng)細(xì)菌開始增殖后，有機(jī)物濃度才開始下降，當(dāng)

11、細(xì)菌濃度達(dá)最大值時(shí)，有機(jī)物濃度也降為零。在有機(jī)物濃度為零以后細(xì)菌靠內(nèi)源呼吸以及死的細(xì)菌以取得營養(yǎng)物。在這一階段，由于有足夠的細(xì)菌為食料，原生動物也開始增殖起來。細(xì)茵的內(nèi)源呼吸以及原生動物的生長代謝都同時(shí)攝人氧。包括在這一階段的BOD值中。7-4 BOD與TbOD圖7-8反映了BOD試驗(yàn)所存在的兩方面的問題： BOD5與總BOD值不會具有一定的數(shù)量關(guān)系。 按曲線通過原點(diǎn)的一級反應(yīng)來處理BOD數(shù)據(jù)的辦法xianran 是不嚴(yán)格的。TbOD BOD坪值（BOD plateau）：在微生物不斷攝取有機(jī)物底物增殖的過程中，微生物處于對數(shù)生長期。有機(jī)底物必然會迅速地減少，表現(xiàn)為生化需氧量迅速地增長，當(dāng)?shù)孜?/p>

12、消耗完后，微生物生長進(jìn)入靜止期，生化需氧量的增長必然很快地緩慢下來，這在生化需氧量歷時(shí)曲線上會出現(xiàn)一個(gè)臺階，這一點(diǎn)的BOD值稱為BOD坪值。7-4 BOD與TbOD Grady及Busch提出，有機(jī)底物的總BOD等于BOD坪值加上在坪值點(diǎn)所產(chǎn)生的細(xì)菌量的理論BOD值。即：總BOD = BOD坪值 + 細(xì)菌的BOD理論值 TbOD試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法： (1)獲取馴化后的細(xì)菌懸浮液，并用自來水洗去其中所含殘余有機(jī)物。(2)測定細(xì)菌懸浮液的COD及質(zhì)量濃度。(3)測定廢水的COD值。(4)將細(xì)菌懸浮液a mL與廢水b mL混合后并進(jìn)行曝氣，以促進(jìn)細(xì)菌的代謝作用并保持試樣成分均勻，作為試驗(yàn)的別問0點(diǎn)。

13、(5)按一定的時(shí)間間隔取水樣，測定混合液的COD、經(jīng)0.45m孔徑濾膜過濾后的濾液COD以及懸浮固體量。 7-4 BOD與TbOD (6)計(jì)算bba 稀釋系數(shù)COD-CODCODu混合液最小混合液初始COD-CODCODt濾液最小濾液初始bbaCODODTbbbaCODCODCODut）（細(xì)菌生長的TbOD試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果 TbOD試驗(yàn)結(jié)果可繪成圖710所示的曲線。當(dāng)混合液的COD曲線變水平后，表示了水中有機(jī)物已經(jīng)消耗光，其值CODm與混合液初始COD之差CODmi CODm代表了BOD坪值，即廢水中的有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化成細(xì)菌物質(zhì)后所需的氧量。當(dāng)濾液的COD曲線變成水平后，CODfiCODf代表了

14、由于微生物作用所去除的氧的總需要量，這個(gè)量按定義也就是有機(jī)物的總BOD值(BODL)。 7-4 BOD與TbOD 在生物化學(xué)過程中，微生物集團(tuán)(microbial mass)的形態(tài)有：固定在填料壁上的微生物膜或者在液相內(nèi)處于懸浮狀態(tài)的微牛物絮體。 7-5 微生物集團(tuán)的模型 為要進(jìn)行微生物集團(tuán)模型的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，需要做出下面假定： (1)微生物集團(tuán)的成分是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間而變化； (2)微生物細(xì)胞的功能也是不隨時(shí)間變化的，細(xì)胞的總性質(zhì)只是局部環(huán)境的函數(shù)； (3)在微生物集團(tuán)整體中，菌齡分布以及其它微生物的生活特性也是不隨時(shí)間變化的。 某一點(diǎn)濃度 是指這一點(diǎn)附近的無窮小空間內(nèi)濃度的平均值，按這個(gè)

15、濃度所定義的擴(kuò)散系數(shù)稱為有效擴(kuò)散系數(shù)De。7-5 微生物集團(tuán)的模型微生物膜的微分方程式微生物膜的微分方程式 膜或絮體中所含的活微生物的比表面積a： 微生物膜的厚度為L，在膜與液體界面處的底物濃度為b。 把膜按一個(gè)單向的底物擴(kuò)散過程來處理。底物在y方向上擴(kuò)散。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)取dy厚度，面積為dxdz的體積微元dxdydz內(nèi)的物料衡算關(guān)系得：經(jīng)整理得：邊界條件為： y=L 時(shí)，時(shí)， y=0 時(shí)，時(shí)， VVa微生物集團(tuán)的體積面積中所含活微生物的總表dxdzN)adxdydz( rdxdzNydyy0KadydD22eb0dxd7-5 微生物集團(tuán)的模型基本方程的解基本方程的解 引入有效系數(shù)E 當(dāng)無擴(kuò)散阻

16、力時(shí)，通量Nb應(yīng)該等于面積1cm2、厚L體積中所含微生物的總表面積上在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的底物量：在有擴(kuò)散阻力的條件下，通量可表示為： 0dYdf,0Y1f , 1Y0f )k(1f)Lk(dYfdb32222b3b3maxb3b331b3b331b31bbbbk1kNk1kkLkk1kkLkk1LkK1LKaKa)L1a (NbbbLyENdydDN 1y22LybLydYdfMB1B1LKDa)L/y(d)/(dB1LKadydDEb7-5 微生物集團(tuán)的模型微生物絮體的解微生物絮體的解 Atkinson等把球形絮體的特征長度定義為： 絮體的通量表達(dá)式： 對絮體來說，底物的去除速率以按單位濕絮

17、體容積中的每克干微生物物質(zhì)所去除的量來表示較為方便，即：ppAVL )k1 (AkEVNb3pb1p)k1 (EkVNARb30b1p0pf 大量試驗(yàn)證明，底物從主體液體傳遞入生物膜內(nèi)時(shí)受到兩層膜的阻力：生物膜自身的阻力及生物膜外的滯液膜(附面層)的阻力。生物膜自身的傳質(zhì)阻力稱內(nèi)傳質(zhì)阻力。生物膜外滯液膜的阻力稱外傳質(zhì)阻力，其值顯然與滯液膜的厚度有關(guān)。 7-6 微生物膜的阻力與厚度 在求解方程時(shí)如果考慮外傳質(zhì)阻力，便必須確定生物膜與液體界面處的底物濃度，而該濃度的測量十分困難。為解決這一問題，目前采用三種辦法： 不考慮外傳質(zhì)阻力。用易于測定的主體液體的底物濃度b來表示生物膜表面處的底物濃度s。用包括了內(nèi)、外傳質(zhì)阻力的全有效系數(shù)法來解式（7-26）。關(guān)于傳質(zhì)阻力關(guān)于傳質(zhì)阻力 生物膜的厚度是生物膜一個(gè)重要的特征量因?yàn)樗扔绊懩?nèi)的微生物質(zhì)量又影響膜內(nèi)底物的傳遞阻力。 7-6