廢水生化處理理論基礎(chǔ)

第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)廢水生物處理過程是污水自凈的人工強(qiáng)化過程。有機(jī)物N、P溶解性膠體狀細(xì)菌原生動(dòng)物后生動(dòng)物處理出水增殖微生物食料移動(dòng)產(chǎn)物移動(dòng)反應(yīng)器分離提供條件廢水生物處理污水的自然處理法（17章穩(wěn)定塘和污水的土地處理）污水的好氧生物處理－－活性污泥法（13章）廢水生化處理理論基礎(chǔ)（12章）污水的好氧生物處理－－生物膜法（14章）污水的厭氧生物處理法（15章)城市污水的深度處理（16章）污泥的處理和處置（19章）污水處理廠的設(shè)計(jì)（20章）污水處理處理后的再利用與排放（18章）第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)

第一節(jié)廢水處理微生物基礎(chǔ)第二節(jié)酶及酶反應(yīng)第三節(jié)微生物生長動(dòng)力學(xué)第四節(jié)廢水的可生化性第五節(jié)廢水生化處理方法總論第一節(jié)廢水處理微生物基礎(chǔ)一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(fù)雜生化反應(yīng)，在體內(nèi)不斷進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和交換的過程。分解代謝：分解復(fù)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(yīng)，將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的細(xì)胞成分，機(jī)體制造自身。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡單物質(zhì)簡單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝磷酸根+能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(adenosinetriphosphate)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ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP微生物的呼吸通過呼吸作用，復(fù)雜有機(jī)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)。呼吸作用中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換：供細(xì)胞合成、其他生命活動(dòng)，多余的能量以熱量形式釋放。呼吸作用的本質(zhì)是生物氧化和還原的統(tǒng)一微生物的呼吸類型微生物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)氧化底物、產(chǎn)物不同按反應(yīng)過程最終受氫體不同自養(yǎng)型微生物無氧呼吸異養(yǎng)型微生物發(fā)酵根據(jù)受氫體的不同分為分子氧參與生物氧化，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(shí)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(shí)質(zhì)上是脫氫和氧活化相結(jié)合的過程。在這個(gè)過程中，同時(shí)放出能量。好氧呼吸異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物以有機(jī)物為底物（電子供體），產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等無機(jī)物，同時(shí)放出能量。如下所示：

異氧微生物可分為化能異氧微生物和光能異氧微生物?；墚愌跷⑸铮貉趸袡C(jī)物產(chǎn)生化學(xué)能的微生物。光能異氧微生物：以光為能源，以有機(jī)物為供氫體還原CO2，合成有機(jī)物的微生物。自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物以無機(jī)物為底物（電子供體），最終產(chǎn)物也是無機(jī)物，同時(shí)放出能量。大型合流污水溝道和污水溝道存在生化反應(yīng)生物脫氮工藝中的生物硝化過程光能自養(yǎng)微生物：以光能作為能源，依靠體內(nèi)的光合作用色素合成有機(jī)物。CO2+H2O[CH2O]＋O2化能自養(yǎng)微生物：不具備色素，合成有機(jī)物所需的能量來自氧化NH3、H2S等無機(jī)物。光葉綠素好氧生物處理中異養(yǎng)微生物代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有機(jī)物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+異養(yǎng)微生物O2＋能量凈增細(xì)胞物質(zhì)內(nèi)源呼吸～80%～20%內(nèi)源呼吸殘留物O2無機(jī)代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥好氧生物處理中自養(yǎng)微生物代謝途徑新的細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物+（N02、NO3、SO42、Fe3+…）氧化合成污水中的無機(jī)污染物(NH3、NO2、H2S、Fe2+…)+自養(yǎng)菌O2能量內(nèi)源呼吸內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量（CO2、H2O、NH3、SO42…）內(nèi)源呼吸殘留物O2CO2凈增細(xì)胞物質(zhì)無機(jī)代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥厭氧呼吸是在無分子氧（O2）的情況下進(jìn)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，脫下來的氫經(jīng)輔酶傳遞給除氧以外的有機(jī)物或無機(jī)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，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。釋放能量較少。

如有機(jī)污泥的厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷，是含有相當(dāng)能量的可燃?xì)怏w。厭氧呼吸按反應(yīng)過程中的最終受氫體的不同，可分為發(fā)酵和無氧呼吸。厭氧呼吸發(fā)酵供氫體和受氫體都是有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受氫體就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機(jī)物）。有機(jī)物氧化不徹底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原來底物簡單的有機(jī)物，在反應(yīng)過程中，釋放的自由能較少，故厭氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)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，葡萄糖的發(fā)酵過程總反應(yīng)式：無氧呼吸是指以無機(jī)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。如反硝化過程，受氫體為NO3-，可用下式所示：總反應(yīng)式：

脫氮反硝化過程好氧呼吸、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(xué)反應(yīng)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(jī)物C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機(jī)物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+226kJ問題：在廢水的生物處理中如何利用微生物的呼吸類型主要有：水、碳素營養(yǎng)源、氮素營養(yǎng)源、無機(jī)鹽及生長因素。影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)二微生物生長的營養(yǎng)及影響因素微生物的組成細(xì)胞分子式：C5H7O2N(有機(jī)部分)細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)一般估算好氧微生物營養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶1厭氧微生物營養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝200∶5∶1各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為0℃～80℃。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快時(shí)溫度）。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。溫度超過最高生長溫度時(shí)，蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴(yán)重者可使微生物死亡。低溫會(huì)使微生物代謝活力降低，生長繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。影響微生物生長的環(huán)境因素溫度不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動(dòng)物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細(xì)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(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。影響微生物生長的環(huán)境因素

pH值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。溶解氧在工業(yè)廢水中，有時(shí)存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)。在廢水生物處理時(shí)，對這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。有毒物質(zhì)第二節(jié)酶及酶反應(yīng)酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的能在生物體內(nèi)和體外起催化作用的生物催化劑。酶所具有的獨(dú)特性能：①催化效率高。②專屬性。③對環(huán)境條件極為敏感。一、酶及其特點(diǎn)一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，為酶促反應(yīng)。反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。在底物足夠又不受其他因素影響時(shí)，酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時(shí)，這個(gè)反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，再增加底物的濃度對速度就無影響，是零級(jí)反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時(shí)所需的底物濃度并不相同，甚至差異有時(shí)很大。二、酶促反應(yīng)速度——濃度對酶反應(yīng)速度的影響vmaxn=00<n<1n=1KS底物濃度[S]1/2vmax酶反應(yīng)速度v中間產(chǎn)物假說：酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行，即酶與底物先絡(luò)合成一個(gè)絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個(gè)絡(luò)合物再進(jìn)一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)酶，以下式表示：式中，S代表產(chǎn)物，E代表酶，ES代表酶－產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），P代表產(chǎn)物。米氏方程式表示整個(gè)反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系，即：式中:V——酶促反應(yīng)速度；Vmax——最大酶反應(yīng)速度；

S——底物濃度；

Km——米氏常數(shù)。由上式得：該式表明，當(dāng)Vmax/V=2或V=1/2Vmax時(shí)，Km=S，即Km是V=1/2Vmax時(shí)的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。

米氏方程式

⑴當(dāng)?shù)孜餄舛萐很大時(shí)，S?Km，Km+S≈S，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即V=Vmax,呈零級(jí)反應(yīng)，在這種情況下，只有增大底物濃度，才有可能提高反應(yīng)速度。

⑵當(dāng)?shù)孜餄舛萐較小時(shí)，S?Km，Km+S=Km，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即

呈一級(jí)反應(yīng)。此時(shí)，增加底物濃度可以提高酶反應(yīng)的速度。但隨著底物濃度的增加，酶反應(yīng)速度不再按正比例關(guān)系上升，呈混合級(jí)反應(yīng)。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過試驗(yàn)，得出底物降解速度和底物濃度之間的關(guān)系式，類同米氏方程式，如下：式中：Ks為飽和常數(shù)，即當(dāng)時(shí)的底物的濃度，故又稱半速度常數(shù)。1．米氏常數(shù)的意義

①Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)

②如果一種酶有幾種底物，則對每一種底物各有一個(gè)Km值.③同一種酶有幾種底物相應(yīng)有幾個(gè)Km值，其中Km值最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。

2.Km與Vmax的測定一般常用的圖解法為Lineweaver-Burk作圖法，也稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程式改寫為如下形式：關(guān)于米氏方程的幾點(diǎn)說明三、酶制劑固相酶用于廢水處理，主要是將固相酶置于反應(yīng)器內(nèi)，作為濾床，讓廢水通過濾床，污染物質(zhì)被濾料上的酶催化分解。四、適應(yīng)酶在活性污泥的培養(yǎng)馴化過程中，不適應(yīng)廢水的微生物逐漸死亡，適應(yīng)該廢水的微生物逐漸增加，并在該種廢水的誘發(fā)下，在微生物的細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生適應(yīng)酶。第三節(jié)微生物生長動(dòng)力學(xué)一、微生物的生長規(guī)律按微生物生長速率，其生長可分為四個(gè)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）停滯期對數(shù)期活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中或污水處理廠因故中斷運(yùn)行后再運(yùn)行，可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干時(shí)間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)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(guān)。當(dāng)廢水中有機(jī)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(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機(jī)物濃度較高，活性強(qiáng)沉淀不易。當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，營養(yǎng)物明顯不足時(shí)，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(xì)小泥花。注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測產(chǎn)率系數(shù)。平衡期衰老期當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，污泥濃度較高時(shí)，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。處理效果好的活性污泥法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。

莫諾特方程：微生物增長速度和微生物本身的濃度、底物濃度之間的關(guān)系。

式中：S——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度。式中：x——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(shí)的μ值；

KS——飽和常數(shù)，即當(dāng)μ=μm/2時(shí)的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。

二、微生物生長動(dòng)力學(xué)——Monod方程1．微生物的增長速度vmaxn=00<n<1n=1KS底物濃度[S]1/2vmax酶反應(yīng)速度v速率與比速率的比較

絕對速率是單位時(shí)間單位反應(yīng)體積某一組分的變化量。比速率是以單位濃度細(xì)胞為基準(zhǔn)而表示的各個(gè)組分的變化速率。Cx、Cs、CO——分別為細(xì)胞、底物和氧的濃度細(xì)胞生長速率基質(zhì)消耗速率細(xì)胞生長比速率氧消耗速率基質(zhì)消耗比速率氧消耗比速率在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來表示生化反應(yīng)速度。圖中的生化反應(yīng)可以用下式表示：

即

該式反映了底物減少速率和細(xì)胞增長速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反應(yīng)過程的一個(gè)重要規(guī)律。及式中：反應(yīng)系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。2．微生物生長與底物利用速度在一切生化反應(yīng)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(gè)定量關(guān)系。現(xiàn)如以dS（微反應(yīng)時(shí)段dt內(nèi)的底物消耗量）和dx（dt內(nèi)的微生物增長量）之間的比例關(guān)系值，通過下式表示之：

式中：Y

——產(chǎn)率系數(shù)；

x——微生物濃度；

——微生物增長速度；

——微生物比增長速度；——底物降解速度；——底物比降解速度。或或以及代入式得：式中：q和qmax為底物的比降解速度及其最大值；

S為底物濃度；Ks為飽和常數(shù)。目前廢水生物處理工程中常用的兩個(gè)基本反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式由式或或四微生物增長與底物降解的基本關(guān)系式

式中：

Y——產(chǎn)率系數(shù)；

Kd——內(nèi)源呼吸（或衰減）系數(shù)；