第十一章 廢水生物處理的基本概念

第十一章

廢水生物處理的基本概念和生化反應動力學基礎第一節(jié)

廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理微生物的新陳代謝新陳代謝：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，通過生物酶催化的復雜生化反應，在體內(nèi)不斷進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和交換的過程。分解代謝：分解復雜營養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，獲得能量；合成代謝：通過一系列的生化反應，將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復雜的細胞成分，機體制造自身。底物降解：污水中可被微生物通過酶的催化作用而進行生物化學變化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)。可生物降解有機物量：有機物的降解轉(zhuǎn)化可生物降解底物量：包括有機的和無機的可生物利用物質(zhì)新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復雜物質(zhì)分解為簡單物質(zhì)簡單物質(zhì)合成為復雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(Adenosine

Triphosphate)AMP+~P→ADP+~P→ATPADP磷酸化生成ATP：ATP水解產(chǎn)生能量低能化合物高能化合物ATPADP磷酸根能量生理需要細胞合成熱能釋放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化微生物的呼吸一切生物時刻都在進行著呼吸，沒有呼吸就沒有生命呼吸作用的生物現(xiàn)象：呼吸作用中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換：供細胞合成、其它生命活動、多余以熱量形式釋放；通過呼吸作用，復雜有機物逐步轉(zhuǎn)化為簡單物質(zhì)；呼吸作用過程中吸收和同化各種營養(yǎng)物質(zhì)微生物的呼吸類型微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸厭氧呼吸根據(jù)氧化的底物、氧化產(chǎn)物的不同按反應過程中的最終受氫體的不同自養(yǎng)型微生物無氧呼吸異養(yǎng)型微生物發(fā)酵根據(jù)受氫體的不同分為好氧呼吸好氧呼吸是營養(yǎng)物質(zhì)進入好氧微生物細胞后，通過一系列氧化還原反應獲得能量的過程。有分子氧參與的生物氧化，反應的最終受氫體是分子氧。底物中的氫被脫氫酶活化，并從底物中脫出交給輔酶（遞氫體），同時放出電子，氧化酶利用底物放出的電子激活游離氧，活化氧和從底物中脫出的氫結(jié)合成水。NAD(P)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸過程實質(zhì)上是脫氫和氧活化相結(jié)合的過程。在這過程中，同時放出能量。依好氧微生物的類型不同，被其氧化的底物不同，氧化產(chǎn)物也不同。好氧呼吸有異養(yǎng)型微生物和自養(yǎng)型微生物兩種。異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物以有機物為底物（電子供體），其終點產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等無機物，同時放出能量。如下式所示：異氧微生物又可分為化能異氧微生物和光能異氧微生物：化能異氧微生物：氧化有機物產(chǎn)生化學能而獲得能量的微生物。光能異氧微生物：以光為能源，以有機物為供氫體還原CO2，合成有機物的一類厭氧微生物。有機廢水的好氧生物處理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等屬于這種類型的呼吸。2.自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物以無機物為底物（電子供體），其終點產(chǎn)物也是無機物，同時放出能量。大型合流污水溝道和污水溝道存在該式所示的生化反應生物脫氮工藝中的生物硝化過程光能自養(yǎng)微生物需要陽光或燈光作能源，依靠體內(nèi)的光合作用色素合成有機物。CO2+H2O[CH2O]＋O2

化能自養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物不具備色素，不能進行光合作用，合成有機物所需的能量來自氧化NH3、H2S等無機物。光葉綠素厭氧呼吸是在無分子氧（O2）的情況下進行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過程中，底物中的氫被脫氫酶活化，從底物中脫下來的氫經(jīng)輔酶傳遞給除氧以外的有機物或無機物，使其還原。厭氧呼吸的受氫體不是分子氧。在厭氧呼吸過程中，底物氧化不徹底，最終產(chǎn)物不是二氧化碳和水，而是一些較原來底物簡單的化合物。這種化合物還含有相當?shù)哪芰?，故釋放能量較少。如有機污泥的厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷，是含有相當能量的可燃氣體。厭氧呼吸按反應過程中的最終受氫體的不同，可分為發(fā)酵和無氧呼吸。厭氧呼吸1.發(fā)酵指供氫體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機物）。這種生物氧化作用不徹底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原來底物簡單的有機物，在反應過程中，釋放的自由能較少，故厭氧微生物在進行生命活動過程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如葡萄糖發(fā)酵的過程：總反應式：2.無氧呼吸是指以無機氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。在反硝化作用中，受氫體為NO3-可用下式所示：總反應式：在無氧呼吸過程中，供氫體和受氫體之間也需要細胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，能量得以分級釋放，故無氧呼吸也產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。但由于有些能量隨著電子轉(zhuǎn)移至最終受氫體中，故釋放的能量不如好氧呼吸的多。好氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氫體化學反應式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ無氧呼吸無機物C6H12C6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ好氧生物處理是在有游離氧（分子氧）存在的條件下，好氧微生物降解有機物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。微生物利用廢水中存在的有機污染物（以溶解狀與膠體狀的為主），作為營養(yǎng)源進行好氧代謝。這些高能位的有機物質(zhì)經(jīng)過一系列的生化反應，逐級釋放能量，最終以低能位的無機物質(zhì)穩(wěn)定下來，達到無害化的要求，以便返回自然環(huán)境或進一步處置。廢水好氧生物處理的最終過程可用圖示廢水的好氧生物處理圖示表明，有機物被微生物攝取后，通過代謝活動，約有三分之一被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動所需的能量；約有三分之二被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)（細胞質(zhì)），即進行微生物自身生長繁殖。好氧生物處理的反應速度較快，所需的反應時間較短，故處理構(gòu)筑物容積較小。且處理過程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對中、低濃度的有機廢水，或者說BOD5濃度小于500mg/L的有機廢水，基本上采用好氧生物處理法。在廢水處理工程中，好氧生物處理法有活性污泥法和生物膜法兩大類。廢水的好氧生物處理廢水的厭氧生物處理是在沒有游離氧存在的條件下，兼性細菌與厭氧細菌降解和穩(wěn)定有機物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復雜的有機化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡單的化合物，同時釋放能量。在這個過程中，有機物的轉(zhuǎn)化分為三部分進行：部分轉(zhuǎn)化為CH4，這是一種可燃氣體，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機物，并為細胞合成提供能量；少量有機物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分。由于僅少量有機物用于合成，故相對于好氧生物處理法，其污泥增長率小得多。由于廢水厭氧生物處理過程不需另加氧源，故運行費用低。此外，它還具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等優(yōu)點。其主要缺點是反應速度較慢，反應時間較長，處理構(gòu)筑物容積大等。為維持較高的反應速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源。對于有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧生物處理法。廢水的厭氧生物處理第二節(jié)微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境微生物的生長規(guī)律微生物的生長規(guī)律一般是以生長曲線來反映按微生物生長速率，其生長可分為四個生長期停滯期（調(diào)整期）對數(shù)期（生長旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）

如果活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中（營養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運行后再運行，則可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干時間的停滯后才能適應新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)。停滯期是否存在或停滯期的長短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長條件等因素有關。當廢水中有機物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對數(shù)生長期。處于對數(shù)生長期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機物濃度較高，活性強沉淀不易，用濾紙過濾時，濾速很慢。當污水中有機物濃度較低，污泥濃度較高時，污泥則有可能處于靜止期，處于靜止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上層液清澈，以濾紙過濾時濾速快。處理效果好的活性污泥法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。

當污水中有機物濃度較低，營養(yǎng)物明顯不足時，則可能出現(xiàn)衰老期。處于衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有細小泥花，以濾紙過濾時，濾速快。注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測產(chǎn)率系數(shù)。停滯期對數(shù)期靜止期衰老期在污水生物處理過程中，如果條件適宜，活性污泥的增長過程與純種單細胞微生物的增殖過程大體相仿。但由于活性污泥是多種微生物的混合群體，其生長受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、pH、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響，因此，在處理構(gòu)筑物中通常僅出現(xiàn)生長曲線中的某一、二個階段。處于不同階段時的污泥，其特性又很大的區(qū)別。在廢水生物處理中，微生物是一個混合群體，它們也有一定的生長規(guī)律。有機物多時，以有機物為食料的細菌占優(yōu)勢，數(shù)量最多；當細菌很多時，出現(xiàn)以細菌為食料的原生動物；而后出現(xiàn)以細菌及原生動物為食料的后生動物，如圖11－4所示。微生物要求的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營養(yǎng)源、氮素營養(yǎng)源、無機鹽及生長因素。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度

pH值溶解氧有毒物質(zhì)微生物的組成微生物組成水80％干物質(zhì)20％無機質(zhì)10％有機物90％C:53.1%,O:28.3%,N12.4%,H:6.2%P:50%,S:15%,Na:11%,Ca:9%,Mg:8%K:6%,Fe:1%等細胞分子式：C5H7O2N(有機部分)細胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)一般估算營養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶11.水：組成部分，代謝過程的溶劑.細菌約80%的成分為水分。2.碳源：碳素含量占細胞干物質(zhì)的50％左右，碳源主要構(gòu)成微生物細胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長、繁殖和運動所需要的能量，一般污水中含有足夠碳源。3.氮源：提供微生物合成細胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)4.無機元素：主要有：磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素，作用：構(gòu)成細胞成分、酶的組成成分維持酶的活性、調(diào)節(jié)滲透壓、提供自養(yǎng)型微生物的能源。

磷：核酸、磷脂、ATP轉(zhuǎn)化；硫：蛋白質(zhì)組成部分，好氧硫細菌能源；鉀：激活酶；鈣：穩(wěn)定細胞壁，激活酶；鎂：激活酶，葉綠素的重要組成部分5.生長因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等微生物的營養(yǎng)各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃

。此溫度范圍，可分為最低生長溫度、最高生長溫度、和最適生長溫度（是指微生物生長速度最高時溫度）。依微生物適應的溫度范圍，微生物可以分為中溫性（20℃～45℃）、好熱性（高溫性）（45℃以上）和好冷性（低溫性）（20℃以下）三類。當溫度超過最高生長溫度時，會使微生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴重者可使微生物死亡。低溫會使微生物代謝活力降低，進而處于生長繁殖停止狀態(tài)，但仍保存其生命力。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度

pH值溶解氧有毒物質(zhì)不同的微生物有不同的pH值適應范圍。細菌、放線菌、藻類和原生動物的pH值適應范圍是在4～10之間。大多數(shù)細菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應保持最適pH范圍。當廢水的pH值變化較大時，應設置調(diào)節(jié)池，使進入反應器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH值范圍。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度

pH值溶解氧有毒物質(zhì)微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以2～4mg/L為宜。微生物的營養(yǎng)溫度

pH值溶解氧有毒物質(zhì)微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害的化學物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱之有毒物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)在細胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。在廢水生物處理時，對這些有毒物質(zhì)應嚴加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。微生物的營養(yǎng)溫度

pH值溶解氧有毒物質(zhì)第三節(jié)反應速度和反應級數(shù)反應器類型

反應器類型

生物化學反應是一種以生物酶為催化劑的化學反應。污水生物處理中人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應速度。生化反應動力學目前的研究內(nèi)容：底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系(ds/dt=f(s,x,t…))微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關系(dx/dt=f(s,x,t…))反應機理研究，從反應物過度到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑(ds/dx

=f(s,x,t…))生化反應動力學生化反應動力學模型舉例摘自IAWQASM2模型

在生化反應中，反應速度是指單位時間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時間里底物的減少或細胞的增加來表示生化反應速度。

圖中的生化反應可以用下式表示：

即該式反映了底物減少速率和細胞增長速率之間的關系，是廢水生物處理中研究生化反應過程的一個重要規(guī)律。反應速度及式中：反應系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。實驗表明反應速度與一種反應物A的濃度SA成正比時，稱這種反應對這種反應物是一級反應。實驗表明反應速度與二種反應物A、B的濃度S

A、S

B成正比時，或與一種反應物A的濃度S

A的平方S

A2成正比時，稱這種反應為二級反應。實驗表明反應速度與S

A·S

B2成正比時，稱這種反應為三級反應；也可稱這種反應是A的一級反應或B的二級反應。在生化反應過程中，底物的降解速度和反應器中的底物濃度有關。

一般地：aA+bB→gG+hH如果測得反應速度：v＝dCA/dt=kCAa

·CBb

a+b=n,n為反應級數(shù)反應級數(shù)設生化反應方程式為現(xiàn)底物濃度ρS以[S]表示，則生化反應速度：

式中，k為反應速度常數(shù)，隨溫度而異，n為反應級數(shù)。上式亦可改寫為該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反應級數(shù)n值?；蚍磻俣炔皇芊磻餄舛鹊挠绊憰r，稱這種反應為零級反應。在溫度不變的情況下，零級反應的反應速度是常數(shù)。對反應物A而言零級反應：

式中：v―反應速度；

t－反應時間；

k－反應速度常數(shù)，受溫度影響。在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度與反應物濃度的一次方成正比關系，稱這種反應為一級反應。對反應物A而言一級反應：

式中：v―反應速度；

t－反應時間；

k－反應速度常數(shù)，受溫度影響。在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。反應速度與反應物濃度的二次方成正比，稱這種反應為二級反應。對反應物A而言二級反應：

式中：v―反應速度；

t－反應時間；

k－反應速度常數(shù)，受溫度影響。在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。第四節(jié)微生物生長動力學微生物增長速度和微生物本身的濃度、底物濃度之間的關系是廢水生物處理中的一個重要課題。微生物的增長速率與現(xiàn)有的微生物濃度成正比：dX/dt—微生物群體增長速率；

μ—比例常數(shù)，比增長速率；

X—現(xiàn)有微生物群體濃度。微生物群體增長速率有多種模式反應這一關系。當前公認的是莫諾特方程式：式中：ρS－限制微生物增長的底物濃度，mg/L；μ－微生物比增長速度，即單位生物量的增長速率。ρX－微生物濃度，mg/L；μmax

－μ的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物的增長速度時的μ值；

KS－飽和常數(shù)。即μ=

μmax

/2時的底物濃度

Monod是一位法國學者，于1942年采用純菌種在培養(yǎng)基稀溶液中，進行了微生物生長的實驗研究。1949年，在取得大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上，Monod發(fā)表了一項在靜態(tài)反應器中經(jīng)過系統(tǒng)研究得出的結(jié)果，提出了微生物生長過程中微生物比生長速度和限制生長的底物濃度之間的關系，它包括了微生物的典型生長模式曲線的對數(shù)期和靜止期。莫諾特方程的求解-蘭維福-布克圖解法取倒數(shù)得：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，作關系圖，如圖教材圖11－11所示例：設在完全混合反應器內(nèi)進行了連續(xù)流微生物生長試驗，反映溫度為20℃，實驗結(jié)果如下：試根據(jù)右示實驗結(jié)果定出KS和μmax值，以及μ－ρS關系式。解：根據(jù)莫諾特方程式μ－ρS的關系式為：圖中直線方程為：或

據(jù)以上整理的實驗結(jié)果，作關系圖，如圖11－11所示，得在一切生化反應中，微生物的增長是底物降解的結(jié)果，彼此之間存在著一個定量關系?，F(xiàn)如以dρS（微反應時段dt內(nèi)的底物消耗量）和dρX（dt內(nèi)的微生物增長量）之間的比例關系值，通過下式表示之：式中：Y－產(chǎn)率系數(shù)；ρX

－微生物濃度。

－微生物增長速度；

－微生物比增長速度；或或－底物降解速度；－底物比降解速度；底物的利用率以及代入式得：式中q及qmax為底物的比降解速度及其最大值；ρS為底物濃度；KS為飽和常數(shù)，也稱半速率常數(shù)。或或由式