廢水生化處理理論基礎(chǔ)

廢水生化處理理論基礎(chǔ)第1頁/共41頁廢水生化處理是利用生物的新陳代謝作用，對廢水中的污染物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定、使之無害化的處理方法。對污染物進行轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的主體是微生物。所謂微生物是肉眼不能看見，只能憑借顯微鏡才能觀察到的單細(xì)胞及多細(xì)胞生物。從狹義角度說主要是指菌類生物，包括細(xì)菌、放線菌、真菌以及病毒等。從廣義角度說，除了菌類生物及病毒外，還包括藻類、原生動物和一些后生動物。第2頁/共41頁第一節(jié)廢水處理微生物基礎(chǔ)

一、微生物的新陳代謝1．分解代謝高能化合物分解為低能化合物，物質(zhì)由繁到簡并逐級釋放能量的過程叫分解代謝或異化作用。2．合成代謝微生物從外界獲得能量，將低能化合物合成生物體的過程叫合成代謝，或稱同化作用。

圖12-1微生物的新陳代謝體系第3頁/共41頁代謝分為分解代謝和合成代謝。在分解代謝過程中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子有機物或高能化合物分解為簡單的低分子物質(zhì)或低能化合物，逐級釋放出其固有的自由能，微生物將這些能量轉(zhuǎn)變成三磷酸腺苷（ATP），以結(jié)合能的形式儲存起來。在合成代謝中，微生物把從外界環(huán)境中攝取的營養(yǎng)物質(zhì)，通過一系列生化反應(yīng)合成新的細(xì)胞物質(zhì)，生物體合成所需的能量從ATP的磷酸鹽鍵能中獲得。在微生物的生命活動過程中，這兩種代謝過程不是單獨進行的，而是相互依賴，共同進行的，分解代謝為合成代謝提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源，通過合成代謝又使生物體不斷增加，兩者的密切配合推動了一切生物的生命活動。第4頁/共41頁二、微生物生長的營養(yǎng)及影響因素

營養(yǎng)物對微生物的作用是：（1）提供合成細(xì)胞物質(zhì)時所需要的物質(zhì)；（2）作為產(chǎn)能反應(yīng)的反應(yīng)物，為細(xì)胞增長的生物合成反應(yīng)提供能源；（3）充當(dāng)產(chǎn)能反應(yīng)所釋放電子的受氫體。所以微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種元素和產(chǎn)生能量的物質(zhì)。影響微生物生長的因素最重要的是營養(yǎng)條件、溫度、pH值、需氧量以及有毒物質(zhì)。

第5頁/共41頁1．微生物的營養(yǎng)

對好氧生物處理，BOD5:N:P=100:5:1，碳源以BOD5值表示，N以NH3-N計，P以PO43-中的P計；對厭氧消化處理，C/N比值在（1～20）：1的范圍內(nèi)時，消化效率最佳。2．反應(yīng)溫度微生物可分為高溫性（嗜熱菌）、中溫性、常溫性和低溫性（嗜冷菌）四類，如表12-1所示。表12-1各類微生物生長的溫度范圍類別最低溫度最適溫度最高溫度類別最低溫度最適溫度最高溫度高溫性中溫性30℃10℃50～60℃30～40℃70～80℃50℃常溫性低溫性5℃O℃10～30℃5～10℃40℃3O℃第6頁/共41頁3．pH值一般好氧生化處理pH值可在6.5～8.5之間變化;厭氧生物處理要求較嚴(yán)格，pH值在6.7～7.4之間。因此，當(dāng)排出廢水pH值變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池。

4．溶解氧好氧微生物在降解有機物的代謝過程中以分子氧作為受氫體，如果分子氧不足，降解過程就會因為沒有受氫體而不能進行，微生物的正常生長規(guī)律就會受到影響，甚至被破壞。厭氧微生物對氧氣很敏感，當(dāng)有氧存在時，會形成H2O2積累，對微生物細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，使其無法生長。第7頁/共41頁

有毒物質(zhì)對微生物的毒害作用，主要表現(xiàn)在使細(xì)菌細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及使菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。有毒物質(zhì)可分為：①重金屬離子（鉛、銅、鉻、砷、銅、鐵、鋅等）；②有機物類（酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等）；③無機物類（硫化物、氰化鉀、氯化鈉、硫酸根、硝酸根等）。return

5.有毒物質(zhì)第8頁/共41頁酶是由活細(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。酶有單成分酶和雙成分酶之分。單成分酶完全由蛋白質(zhì)組成，這類酶蛋白質(zhì)本身就具有催化活性，多數(shù)可分泌到細(xì)胞體外催化水解，所以是外酶。雙成分酶是由蛋白質(zhì)和活性原子基團相結(jié)合而成，蛋白質(zhì)部分為主酶，活性原子基團一般是非蛋白質(zhì)部分。此部分若與蛋白質(zhì)部分結(jié)合較緊密時，稱之為輔基，結(jié)合不牢固時，稱之為輔酶。主酶與輔基或輔酶組成全酶，兩者不能單獨起催化作用，只有結(jié)合成全酶才能起催化作用，其中蛋白質(zhì)部分決定催化什么樣的底物以及在什么部位發(fā)生反應(yīng)，輔基或輔酶則決定催化什么樣的化學(xué)反應(yīng)。雙成分酶常保留在細(xì)胞內(nèi)部，所以是內(nèi)酶。第二節(jié)酶及酶反應(yīng)一、酶及其特點第9頁/共41頁酶所具有的獨特性能：①催化效率高。對于同一反應(yīng)，酶比一般化學(xué)催化劑的催化速度高106～1013倍。酶催化的高效性還表現(xiàn)在用極少量酶就可使大量反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。②專屬性。酶對其所作用的物質(zhì)即底物有著嚴(yán)格的選擇性。一種酶只能作用于一些結(jié)構(gòu)極其相似的化合物，甚至只能作用于一種化合物而發(fā)生一定的反應(yīng)。③對環(huán)境條件極為敏感。迄今為止，已知所有酶的化學(xué)組成與一般蛋白質(zhì)并沒有不同。它和蛋白質(zhì)一樣，在高溫、高壓、強酸、強堿、重金屬離子、紫外線及高強輻射等條件下，都會因蛋白質(zhì)變性而降低甚至喪失催化活性，也常因溫度、pH值等的變化或抑制劑的存在而使其活性發(fā)生變化。另外，酶能在常溫、常壓和中性環(huán)境下進行催化反應(yīng)，而一般非酶催化劑往往需要在高溫、高壓的環(huán)境下才能使催化反應(yīng)正常進行。第10頁/共41頁二、酶促反應(yīng)速度當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍時，反應(yīng)速度與底物濃度成正比，為一級反應(yīng)。當(dāng)廢物濃度增加到一定限度時，所有的酶全部與基質(zhì)結(jié)合后,酶反應(yīng)速度達到最大值，再增加底物對反應(yīng)速度無影響，呈零級反應(yīng)，說明酶已被廢物所飽和。所有的酶都有此飽和現(xiàn)象，但各自達到飽和時所需的底物濃度并不相同。有時甚至差異很大。圖12－2酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系第11頁/共41頁

對于圖12-2中的現(xiàn)象，曾提出過各種假設(shè)予以解釋，其中比較合理的是中間產(chǎn)物學(xué)說。根據(jù)這個學(xué)說,酶促反應(yīng)分兩步進行，首先酶與底物形成中間絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個反應(yīng)是可逆反應(yīng)，然后結(jié)合物再分解為產(chǎn)物和游離態(tài)酶。反應(yīng)過程可用下式表示：米氏方程式中，S代表底物；E代表酶；ES代表中間產(chǎn)物；P為產(chǎn)物；K1、K2、K3分別是各步反應(yīng)的速度常數(shù)。第12頁/共41頁

米凱利斯和門坦在分析中間產(chǎn)物學(xué)說的基礎(chǔ)上，提出了表示整個反應(yīng)過程中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間的關(guān)系式，稱為米凱利斯-門坦方程式，簡稱米氏方程，即式中V——酶反應(yīng)速度；

Vmax——最大酶反應(yīng)速度；

S——底物濃度；

Km——米氏常數(shù)[Km＝(K２＋K３)/K1]第13頁/共41頁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),而與酶的濃度無關(guān)。不同的酶具有不同的Km值，如表12-3所示。②如果一種酶有幾種底物，則對每一種底物各有一個Km值③同一種酶有幾種底物相應(yīng)有幾個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。關(guān)于米氏方程的幾點說明第14頁/共41頁第15頁/共41頁2.Km與Vmax的測定對一個酶促反應(yīng)，由于在確定Km值及Vmax值時,只能得到近似的Vmax值，同時Km也測不準(zhǔn)確,所以,一般常用圖解法。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：實驗時，選擇不同的Ｓ，測定相應(yīng)的Ｖ，以1/Ｖ對1/Ｓ作圖，可得如圖12-3所示直線，直線在縱坐標(biāo)上的截距為１/Vmax，直線的斜率為Km/Vmax

，由此可求出Km與Vmax值。第16頁/共41頁三、酶制劑近二三十年來，隨著生物化學(xué)和微生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們可從生物體中把酶分離提取出來，制成用于生產(chǎn)活動的酶制劑。如從動物胰臟提取胰蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。但由于動植物的來源有限，不能適應(yīng)生產(chǎn)上大量用酶的需要，故目前大多采用微生物發(fā)酵法來制取酶。目前市場上商品酶制劑品種已近200種，廣泛應(yīng)用于食品、紡織、制革、石油、醫(yī)藥等行業(yè)。如淀粉酶用于紡織品的退漿，可節(jié)約大量的堿并提高棉布質(zhì)量；蛋白堿用于制革工業(yè)的脫毛和軟化，既節(jié)省了時間，又改善了勞動衛(wèi)生條件；制絲業(yè)及照相器材業(yè)利用蛋白酶使生絲及底片脫膠等。對酶制劑用于廢水生物處理也進行了大量研究，并得以應(yīng)用。如日本研究將具有分解氰能力的產(chǎn)堿桿菌和無色桿菌制成氰分解酶，可使氰分解成氨和碳酸，對處理電鍍含氰廢水和丙烯腈廢水很有效；利用脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等混合酶處理生活污水；利用多酚氧化酶處理含酚廢水等。目前還正在尋找研制能分解有機汞、多氯聯(lián)苯、塑料和環(huán)狀有機化合物的酶。第17頁/共41頁四、適應(yīng)酶

微生物具有變異的特性，即遺傳的變異性。人們根據(jù)這一特點，人為地改變微生物的環(huán)境條件，使微生物在受到各種物理、化學(xué)等因素的影響后，發(fā)生變異，并在機體內(nèi)產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的酶，即適應(yīng)酶。人們就利用這個特性為生產(chǎn)服務(wù)。如活性污泥的培養(yǎng)馴化就是利用了這一特性，即在活性污泥的培養(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18頁/共41頁按微生物生長速度不同，生長曲線可劃分為四個生長時期：第二節(jié)微生物生長動力學(xué)緩慢期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期一、微生物的生長規(guī)律第19頁/共41頁1.適應(yīng)期（停滯期）這是微生物培養(yǎng)的最初階段。在這個時期，微生物剛接入新鮮培養(yǎng)液中時對新的環(huán)境有一個適應(yīng)過程，所以在此時期微生物的數(shù)量基本不增加，生長速度接近于零。第20頁/共41頁2.對數(shù)期微生物的代謝活動經(jīng)調(diào)整，適應(yīng)了新的培養(yǎng)環(huán)境后，在營養(yǎng)物質(zhì)較豐富的條件下，微生物的生長繁殖不受底物的限制，微生物的生長速度達到最大，菌體數(shù)量以幾何級數(shù)的速度增加，菌體數(shù)量的對數(shù)值與培養(yǎng)時間成直線關(guān)系，故有時亦稱對數(shù)期為等速生長期。在這種情況下，微生物體內(nèi)能量高，絮凝性和沉降性能均較差，出水中有機物濃度也很高，也就是說，在廢水生物處理過程中，如果控制微生物處于對數(shù)增長期，雖然反應(yīng)速率快，但想取得穩(wěn)定的出水以及較高的處理效果是比較困難的。第21頁/共41頁3.平衡期在微生物經(jīng)過對數(shù)期大量繁殖后，使培養(yǎng)液中的底物逐漸被消耗，再加上代謝產(chǎn)物的不斷積累，從而造成了不利于微生物生長繁殖的食物條件和環(huán)境條件，致使微生物的增長速度逐漸減慢，死亡速度逐漸加快，微生物數(shù)量趨于穩(wěn)定。第22頁/共41頁4.衰老期（內(nèi)源代謝期）在平衡期后，培養(yǎng)液中的底物近乎被耗盡，微生物只能利用菌體內(nèi)貯存的物質(zhì)或以死菌體作為養(yǎng)料，進行內(nèi)源呼吸，維持生命。在此時期，由內(nèi)源代謝造成的菌體細(xì)胞死亡速率超過新細(xì)胞的增長速率，使微生物數(shù)量急劇減少，生長曲線顯著下降，故衰老期也稱為內(nèi)源代謝期。第23頁/共41頁生物負(fù)荷率--F/M在廢水生物處理中，我們通過控制底物量(F)與微生物量(M)的比值F/M(此值稱為生物負(fù)荷率)，使微生物處于不同的生長狀況，從而控制微生物的活性和處理效果。一般在廢水處理中常控制F/M在較低范圍內(nèi)，利用平衡期或內(nèi)源代謝初期的微生物的生長活動，使廢水中的有機物穩(wěn)定化，以取得較好的處理效果。第24頁/共41頁1．微生物的增長速度

Monod方程描述限制增長營養(yǎng)物的剩余濃度與微生物比增長率之間的關(guān)系為:式中μ——微生物比增長速度(單位微生物量的增長

速率)，時間-1；

μm——微生物最大比增長速度，時間-1；

S——溶液中限制生長的底物濃度，質(zhì)量/容積；

Ks——飽和常數(shù)。即當(dāng)μ=μm/2時的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)，質(zhì)量/容積。二、微生物生長動力學(xué)（12－12）第25頁/共41頁2．微生物生長與底物利用速度微生物的增長速度與底物的降解速度有一個比例關(guān)系：式中：Y——微生物產(chǎn)率系數(shù)；——微生物總增長速度；

——底物利用速度；q——比底物利用速度。將式（12－12）代入式（12－13），可得式中qmax為最大比底物利用速度。（12－13）第26頁/共41頁第四節(jié)廢水的可生化性廢水可生化性的實質(zhì)是指廢水中所含的污染物通過微生物的生命活動來改變污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而改變污染物的化學(xué)和物理性能所能達到的程度。研究污染物可生化性的目的在于了解污染物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)能否在生物作用下分解到環(huán)境所允許的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及是否有足夠快的分解速度。第27頁/共41頁一、廢水可生化性

①脂肪烴或正烷烴較芳香烴或環(huán)烷烴易降解；不飽和脂肪族化合物較易降解。②直鏈的中長鏈烴的降解比短鏈烴易。③烷烴中丙烷以上的碳化合物，隨著碳原子數(shù)量的增多降解越容易。④不溶性物質(zhì)，如礦物油類，抗降解能力大。⑤化合物的分子大小與可降解性有關(guān)，聚合物和復(fù)合物具有較大的抗降解能力，酶分子不能接近和破壞它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

第28頁/共41頁⑥有機化合物異構(gòu)作用對可降解性有影響，化合物所含置換集團的性質(zhì)、數(shù)量和位置影響著可降解性。⑦當(dāng)化合物主鏈上有非碳元素時，降解十分困難。⑧酚類是易于降解的，酮類介于醛、醇之間，但丁烯酮降解困難。以酚為代表的絕大部分有機物低濃度時可以降解但在高濃度時毒性大將抑制微生物的生命活動。⑨廢水中污染物混合后若出現(xiàn)聚合，復(fù)合等現(xiàn)象將加大其抗降解能力。有毒物質(zhì)之間的混合也會增大毒性作用。⑩自然界中原有物質(zhì)較易降解，人工合成物質(zhì)則較難。

第29頁/共41頁用BOD5／COD值評價廢水的可生化性是廣泛采用的一種最為簡易的方法。在一般情況下，BOD5／COD值愈大，說明廢水可生物處理性愈好。表12-5中所列數(shù)據(jù)評價廢水的可生化性。二、廢水可生化性的評價方法1、BOD5／COD值法表12-5廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)BOD5/COD>0.450.3～0.450.2～0.3<0.2可生化好較好較難不宜第30頁/共41頁

以TOD代表廢水中的總有機物含量要比COD準(zhǔn)確，即用BOD5/TOD值來評價廢水的可生化性能得到更好的相關(guān)性。采用BOD5／TOD值評價廢水可生化性時，有些研究者推薦采用表12-6所列標(biāo)準(zhǔn)。2、BOD5/TOD值法表12-6廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)BOD5/TOD值

>0.40.2～0.4<0.2廢水可生化性

易生化可生化難生化第31頁/共41頁3、耗氧速率法

與b類耗氧曲線相應(yīng)的廢水是可生物處理的，在某一時間內(nèi)，b與a之間的間距愈大，廢水中的有機污染物愈易于生物降解。曲線b上微生物進入內(nèi)源呼吸時的時間tA，可以認(rèn)為是微生物氧化分解廢水中可生物降解有機物所需的時間。在tA時間內(nèi)，有機物的耗氧量與內(nèi)源呼吸耗氧量之差，就是氧化分解廢水中有機污染物所需的氧量。第32頁/共41頁(1)搖床試驗在培養(yǎng)瓶中加入馴化活性污泥、待測物質(zhì)及無機營養(yǎng)鹽溶液，在搖床上振搖，培養(yǎng)瓶中的混合液在搖床振蕩過程中不斷更新液面，使大氣中的氧不斷溶解于混合液中，以供微生物代謝有機物之用，經(jīng)過一定時間后，對混合液進行過濾或離心分離，然后測定清液的COD或BOD，以考察待測物質(zhì)去除效果。

(2)模型試驗指采用生化處理的模型裝置考察廢水的可生化性。模型裝置通常可分為間歇流和連續(xù)流反應(yīng)器兩種。4、搖床試驗與模型試驗第33頁/共41頁第五節(jié)廢水生化處理方法總論生化處理方法主要可分為好氧處理和厭氧處理兩種類型。一、生化處理方法分類第34頁/共41頁①起作用的微生物不同。好氧處理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厭氧處理是厭氧菌和兼性菌起作用。②產(chǎn)物不同。好氧處理中有機物被轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厭氧處理中有機物被轉(zhuǎn)化為CH4、NH3等。③反應(yīng)速率不同。好氧處理有機物轉(zhuǎn)化速率快，處理設(shè)備內(nèi)停留時間短、設(shè)備體積小。厭氧處理有機物轉(zhuǎn)化速率慢，需要時間長，設(shè)備體積龐大。④對環(huán)境要求條件不同。好氧處理要求充分供氧。厭氧處理要求絕對厭氧的環(huán)境，對環(huán)境條件要求甚嚴(yán)。好氧處理與厭氧處理的主要區(qū)別第35頁/共41頁

(1)活性污泥法的發(fā)展沿革

活性污泥法于1914年首先在英國被應(yīng)用。近二十多年來，隨著對其生物反應(yīng)和凈化機理的廣泛深入的研究，以及該法在生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)上的不斷改進和完善。使它得到了迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種工藝流程和工藝方法，使得該法的應(yīng)用范圍逐漸擴大，處理效果不斷提高，工藝設(shè)計和運行管理更加科學(xué)化。目前，活性污泥法已成為城市污水、有機工業(yè)廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。二、生化處理方法的發(fā)展沿革1．好氧生化法的發(fā)展沿革第36頁/共41頁(2)生物膜法的發(fā)展沿革第一個生物膜法處理設(shè)施1893年在英國試驗成功，1900年后開始付諸污水處理實踐，并迅速歐美得到廣泛應(yīng)用。50年代，在德國建造了塔式生物濾池，這種濾池高度大，具有通風(fēng)良好、凈化效能高、占地面