現(xiàn)代水處理原理與技術(shù)(1、2章)

第一篇污水的生物處理

第1章污水生化處理理論基礎(chǔ)

1.1污水的好氧生物處理和厭氧生物處理1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境1.3米歇里斯-門(mén)坦（Michaelis-Menten）方程式1.4微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)1.5廢水的可生化性1.1污水的好氧生物處理和厭氧生物處理

一、微生物的新陳代謝和呼吸類(lèi)型二、污水的好氧生物處理

三、污水的厭氧生物處理

一、微生物的新陳代謝和呼吸類(lèi)型

微生物的能量代謝：微生物的新陳代謝

新陳代謝=分解代謝+合成代謝微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能（即分解代謝過(guò)程）。根據(jù)與氧氣的關(guān)系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。一、微生物的新陳代謝和呼吸類(lèi)型

微生物的呼吸

一、微生物的新陳代謝和呼吸類(lèi)型

好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（O2）參與的生物氧化，反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。

異氧型微生物以有機(jī)物為底物（電子供體），終點(diǎn)產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等，同時(shí)放出能量。C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+——11CO2+13H2O+NH4++能量自養(yǎng)型微生物

以無(wú)機(jī)物為底物，終點(diǎn)產(chǎn)物也是無(wú)機(jī)物，同時(shí)放出能量。H2S+2O2——H2SO4+能量NH4++2O2——NO3－

+2H++H2O+能量一、微生物的新陳代謝和呼吸類(lèi)型

2.厭氧呼吸厭氧呼吸是在無(wú)分子氧的情況下進(jìn)行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒(méi)有氧化酶系統(tǒng)。（1）發(fā)酵

指供氫體和受氫體都是有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受氫體無(wú)需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機(jī)物）。C6H12O6——2CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH——2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO——2CH3CH2OH總反應(yīng)式：C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ（2）無(wú)氧呼吸

是指以無(wú)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。

C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-

——2N2+12H2O總反應(yīng)式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ一、微生物的新陳代謝和呼吸類(lèi)型

呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸分子氧C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJ無(wú)氧呼吸無(wú)機(jī)物C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ發(fā)酵有機(jī)物C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ三種呼吸方式獲得的能量水平比較二、污水的好氧生物處理

二、污水的好氧生物處理

有機(jī)物的氧化分解（有氧呼吸）：

原生質(zhì)的同化合成（以氨為氮源）：

原生質(zhì)的氧化分解（內(nèi)源呼吸）：

三、污水的厭氧生物處理

好氧生物處理與厭氧生物處理的比較：

好氧生物處理的反應(yīng)速度較快，所需的反應(yīng)時(shí)間較短，故處理構(gòu)筑物容積較小。且處理過(guò)程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對(duì)中、低濃度的有機(jī)廢水，或者說(shuō)BOD5小于500mg/L的有機(jī)廢水，基本采用好氧生物處理。由于厭氧生物處理不需另加氧源，故運(yùn)行費(fèi)用低。此外，它還具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容積大等。此外，需維持較高的反應(yīng)溫度，就要消耗能源。對(duì)于有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧處理法。

1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

一、微生物的生長(zhǎng)規(guī)律1、停滯期2、對(duì)數(shù)期3、靜止期4、衰老期

1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

二、微生物的生長(zhǎng)環(huán)境

1、微生物的營(yíng)養(yǎng)

水處理中微生物對(duì)C、N、P三大營(yíng)養(yǎng)元素的要求：對(duì)好氧生物處理BOD5：N：P=100：5：1，對(duì)厭氧生物處理C/N=（10—20）：1碳源--異氧型微生物利用有機(jī)碳源，自氧菌利用無(wú)機(jī)碳源。氮源--無(wú)機(jī)氮（NH3及NH4+）和有機(jī)氮（尿素，氨基酸，蛋白質(zhì)等）。補(bǔ)充氮，磷，鉀

：與生活污水混合添加藥劑：硫酸銨，硝酸銨，尿素（補(bǔ)充氮源）；磷酸鈉、磷酸鉀等（補(bǔ)充磷源）1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

二、微生物的生長(zhǎng)環(huán)境

2、溫度各類(lèi)微生物生長(zhǎng)的溫度范圍不同，約為5℃~80℃。此范圍內(nèi)可分成最低生長(zhǎng)溫度、最高生長(zhǎng)溫度和最適生長(zhǎng)溫度。以微生物適應(yīng)的范圍，可分為中溫性（20—45℃）、高溫性（45℃以上）、低溫性（20℃以下）好氧生物處理中以中溫菌細(xì)菌為主，最適溫度20—37℃；厭氧生物處理中，中溫性甲烷菌最適溫度范圍為25—40℃，高溫性為50—60℃，厭氧處理常采用溫度為33℃—38℃和52—57℃。1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

二、微生物的生長(zhǎng)環(huán)境

3.pH值不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類(lèi)和原生物的pH值適應(yīng)范圍是在4—10之間；大多數(shù)細(xì)菌適宜中性或偏堿性環(huán)境（6.5-7.5）；氧化硫化桿菌，喜歡在酸性環(huán)境，最適pH值為3；酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的環(huán)境中生活，最適pH為3.0—6.0?；钚晕勰喾ㄌ幚韽U水，曝氣池混合液的最適pH宜為6.5-8.5。當(dāng)廢水的pH值變化較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池。1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

二、微生物的生長(zhǎng)環(huán)境

4.溶解氧溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。例如，廢水的好氧生物處理中，如果溶解氧不足，由于得不到足夠的氧，其活性受到影響，新陳代謝能力降低，同時(shí)對(duì)氧要求低的微生物應(yīng)運(yùn)而生，影響正常的生化反應(yīng)過(guò)程，造成處理效果下降。好氧生物處理的溶解氧一般以2-4mg/L為宜。5.有毒物質(zhì)在工業(yè)廢水中，有時(shí)存在著對(duì)微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類(lèi)物質(zhì)稱(chēng)為有毒物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)于細(xì)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。如重金屬離子（砷、鉛、鎘、鉻、鐵、銅、鋅等）能與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，使它變質(zhì)，致使酶失去活性。1.2微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境

1.3米歇里斯-門(mén)坦（Michaelis-Menten）方程式

一、反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù)二、酶催化反應(yīng)的基本特征三、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響四、米氏方程式五、Km與Vmax的意義及測(cè)定一、反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù)

一、反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù)

二、酶催化反應(yīng)的基本特征

1、較高的催化效率2、有很強(qiáng)的專(zhuān)一性3、具有溫和的反應(yīng)條件4、酶易變性與失活三、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響

一切生化反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的。這種反應(yīng)宜可以說(shuō)是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH值、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。

式中，S代表底物，E代表酶，ES代表酶-底物中間產(chǎn)物，P代表產(chǎn)物。

中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系四、米氏方程式

對(duì)單一底物參與的簡(jiǎn)單酶反應(yīng)：根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)，其反應(yīng)機(jī)理可表示為根據(jù)質(zhì)量作用定律，P的生成率可表示為

根據(jù)上述假設(shè)有和或表示為反應(yīng)體系中酶的總濃度CE0為所以(A)(B)將(B)帶入(A)，得rP,max——P的最大生成速率，mol/(L·s)CE0——酶的總濃度，亦為酶初始濃度，mol/L即五、Km與Vmax的意義及測(cè)定米氏方程

其中（米氏常數(shù)）米氏常數(shù)是酶反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡，即穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡常數(shù)。其數(shù)值等于V=1/2Vmax時(shí)的底物濃度，故又稱(chēng)半速度常數(shù)。Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無(wú)關(guān)。不同的酶，Km值不同。如果一個(gè)酶有幾種底物，則對(duì)每一種底物，各有一個(gè)特定的Km值。同一種酶的幾種底物中，Km值最小的底物一般稱(chēng)為該酶的最適底物或天然底物。最大酶反應(yīng)速率rp,max=k+2CE0。它表示了當(dāng)全部的酶都成復(fù)合物狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)速率。

五、Km與Vmax的意義及測(cè)定

Km與Vmax的測(cè)定1.4微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

一、細(xì)胞反應(yīng)速率的定義二、莫諾特（Monod）方程三、微生物生長(zhǎng)與底物降解的基本關(guān)系式一、細(xì)胞反應(yīng)速率的定義

微生物比增長(zhǎng)速率μ的提出μ表示每單位微生物的增長(zhǎng)速度當(dāng)微生物生長(zhǎng)不受外界條件限制（對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期）時(shí)，一、細(xì)胞反應(yīng)速率的定義

絕對(duì)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(zhǎng)速率基質(zhì)消耗速率細(xì)胞生長(zhǎng)比速率氧消耗速率基質(zhì)消耗比速率氧消耗比速率二、莫諾特（Monod）方程1942年，現(xiàn)代細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)奠基人Monod提出，在微生物生長(zhǎng)曲線的對(duì)數(shù)期和平衡期，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與限制性底物濃度的關(guān)系可用下式表示：

μ——微生物比生長(zhǎng)速率，（s-1）；μmax——微生物最大比生長(zhǎng)速率，（s-1）；Cs——限制性底物濃度，（g/L）；Ks——飽和常數(shù)，即當(dāng)μ=1/2μmax時(shí)的底物濃度。Monod方程是典型的均衡生長(zhǎng)模型，其基本假設(shè)如下：細(xì)胞的生長(zhǎng)為均衡式生長(zhǎng)，因此描述細(xì)胞生長(zhǎng)的唯一變量是細(xì)胞的濃度；培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，而其他組分為過(guò)量，不影響細(xì)胞的生長(zhǎng)；細(xì)胞的生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。

(1)當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時(shí)，Cs＜＜Ks此時(shí)，(2)當(dāng)Cs＞＞Ks時(shí)，μ=μmax此時(shí)，(3)當(dāng)Cs處于兩種情況之間時(shí)，Monod方程三、微生物生長(zhǎng)與底物降解的基本關(guān)系式

在一切生化反應(yīng)中，微生物增長(zhǎng)是底物降解的結(jié)果，彼此之間存在著一個(gè)定量關(guān)系，可通過(guò)下式表示：其中微生物總增長(zhǎng)速度底物利用速度微生物比增長(zhǎng)速度比底物利用速度Y微生物產(chǎn)率系數(shù)若定義qmax=μmax/Y，則可得其中，qmax——最大比底物降解速度或三、微生物生長(zhǎng)與底物降解的基本關(guān)系式在水處理中，為了獲得較好的處理效果，通?？刂莆⑸锾幱谄胶馄诨騼?nèi)源代謝期。Kd——微生物衰減系數(shù)因此，微生物體的凈生長(zhǎng)速率為即在實(shí)際工程中，產(chǎn)率系數(shù)（或稱(chēng)微生物增長(zhǎng)系數(shù)）Y常以實(shí)際測(cè)得的觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)（或稱(chēng)微生物凈增長(zhǎng)系數(shù)）Yobs代替(A)(B)由(A)可得由(B)可得其中，μ′為微生物比凈增長(zhǎng)速率內(nèi)源呼吸時(shí)，微生物體的自身氧化速率與微生物濃度成正比：

1.5廢水的可生化性

第2章污水的好氧生物處理(一):

活性污泥法

2.1基本概念2.2氣體傳遞原理和曝氣池2.3廢水處理反應(yīng)器及動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.4活性污泥法的設(shè)計(jì)計(jì)算2.5活性污泥法的發(fā)展和演變2.6活性污泥法的運(yùn)行與管理

2.1基本概念

一、活性污泥有機(jī)廢水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的暴氣后，水中會(huì)產(chǎn)生一種以好氧菌為主體的茶褐色絮凝體，其中含有大量的活性微生物，這種污泥絮體就是活性污泥。活性污泥的組成

以細(xì)菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物所組成的活性微生物為主體，此外還有一些無(wú)機(jī)物，未被微生物分解的有機(jī)物和微生物自身代謝的殘留物?；钚晕勰嗟奶攸c(diǎn)結(jié)構(gòu)疏松，表面積很大，對(duì)有機(jī)物有著強(qiáng)烈的吸附凝聚和氧化分解能力。在條件適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，活性污泥還具有良好的自身凝聚和沉降性能，大部分絮凝體在0.02-0.2mm范圍內(nèi)。2.1基本概念

二、活性污泥法的基本流程

2.1基本概念

三、活性污泥降解污水中有機(jī)物的過(guò)程

吸附階段和穩(wěn)定階段2.1基本概念

三、活性污泥降解污水中有機(jī)物的過(guò)程

吸附階段和穩(wěn)定階段

三、活性污泥降解污水中有機(jī)物的過(guò)程

三、活性污泥降解污水中有機(jī)物的過(guò)程四、活性污泥指標(biāo)1、污泥沉降比（SV）污泥沉降比（SV）=混合液經(jīng)30min靜止沉淀后的污泥體積/混合液體積2、污泥濃度（MLSS,MLVSS）指1升混合液中所含的懸浮固體或揮發(fā)性懸浮固體的重量，g/L或mg/L3、污泥容積指數(shù)（SVI）指曝氣池混合液經(jīng)30min沉淀后，1g干污泥所占的沉淀污泥容積的毫升數(shù)，mL/g。SVI=SV的百分?jǐn)?shù)×10/MLSS(g/L)

四、活性污泥指標(biāo)

xR——回流污泥的懸浮固體濃度，mg/L;R——污泥回流比；x——混合液污泥濃度，mg/L2.2氣體傳遞原理和曝氣池

一、氣體傳遞原理二、曝氣設(shè)備三、曝氣池池型

一、氧傳遞原理

dm/dt——?dú)怏w傳遞速率；KL——?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù)；A——?dú)庖航缑娼佑|面積，m2Cs，——液相氧的飽和濃度,mg/L；CL——液相內(nèi)氧的實(shí)際濃度,mg/LKLa——總的傳質(zhì)系數(shù)一、氧傳遞原理

其中溫度、氣壓的影響若供氧速度=耗氧速度rr則氧吸收率W——實(shí)際供氣量二、曝氣設(shè)備

曝氣設(shè)備的類(lèi)型1、鼓風(fēng)曝氣（1）小氣泡擴(kuò)散器（2）中氣泡擴(kuò)散器（3）大氣泡擴(kuò)散器（4）微氣泡擴(kuò)散器衡量曝氣設(shè)備曝氣效率的兩個(gè)指標(biāo)氧吸收率（或利用率）：向混合液供給1千克氧時(shí)，水中所能獲得的氧千克數(shù)，多用于鼓風(fēng)曝氣裝置評(píng)價(jià)；動(dòng)力效率：?jiǎn)挝粍?dòng)力在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)移的氧量，多用于機(jī)械曝氣設(shè)備評(píng)價(jià)2、機(jī)械曝氣（1）豎式曝氣機(jī)（2）臥式曝氣刷

1、鼓風(fēng)曝氣（1）小氣泡擴(kuò)散器微孔材料（陶瓷，砂粒，塑料）

制成的擴(kuò)散板和擴(kuò)散管等，氣泡直徑在1.5mm以下，氧利用率高（在11%左右），但阻力大，易阻塞。（2）中氣泡擴(kuò)散器常用穿孔管，它的孔直徑為2～3mm，孔眼氣體流速不小于10m/s，以防堵塞，其特點(diǎn)是氧利用率低，但空氣壓力損失較??；

（3）大氣泡擴(kuò)散器常用的是曝氣豎管，直徑為15mm左右，底口敞開(kāi)，其特點(diǎn)是氣泡大（直徑3mm以上），分布不勻，氧利用率低，不易堵塞；

二、曝氣設(shè)備

鼓風(fēng)曝氣設(shè)備性能資料氣泡大小(mm)氧傳遞速率(mg/L.h)氧吸收率(%)動(dòng)力效率(kgO2/kW.h)

小氣泡(<1.5)

中氣泡(1.5~1.3)

大氣泡(>3)

微氣泡(<0.1)40~60

20~30

10~20

40~12011~12

6.2~7.9

6.2~7.11.6~2.6

1.0~1.6

0.6~1.2

1.2~2.4氧傳遞速率動(dòng)力效率二、曝氣設(shè)備

2、機(jī)械曝氣二、曝氣設(shè)備

注:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是用清水,水溫20℃,大氣壓力為101.325kPa,最初水中的溶解氧濃度為0?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用的是污水，水溫15℃，海拔150m，α=0.85，β=0.9。

三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

推流式曝氣池長(zhǎng)寬比一般大于4～5，寬深比不大于2，深度一般取3~5m。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由空氣凈化器，鼓風(fēng)機(jī)，空氣輸配管系統(tǒng)和擴(kuò)散器組成。

三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

淺層曝氣在氧轉(zhuǎn)移率相同的情況下，淺層曝氣耗電省。一般在曝氣池中設(shè)垂直導(dǎo)流板，上緣與曝氣管齊，下緣距池底0.6～0.8m。曝氣時(shí)混合液饒導(dǎo)流板循環(huán)流動(dòng)。淺層曝氣的供氣量為30～40m3/m3(水)·h。風(fēng)壓約1kPa,動(dòng)力效率2.3～2.9kg(O2)/kWh。淺層曝氣池與一般曝氣池相比，空氣量增大了，而風(fēng)壓僅為一般曝氣池的1/3～1/4,電耗略有下降，適于中小型污水廠采用。三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

深井曝氣三、曝氣池池型

2、葉輪曝氣與完全混合曝氣池（1）分建式曝氣池和沉淀池分別設(shè)置，既可使用表曝機(jī)，也可用鼓風(fēng)曝氣裝置。采用泵形葉輪時(shí)，曝氣池直徑與葉輪直徑之比為4.5~7.5。采用倒傘形和平板形葉輪時(shí)，曝氣池直徑與葉輪直徑之比為3~5。（2）合建式靠表曝機(jī)的提升力使污泥循環(huán)，一般回流比較大，R＞1，甚至達(dá)到5。三、曝氣池池型

鼓風(fēng)曝氣與葉輪曝氣的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件一般地說(shuō)，表面機(jī)械曝氣的氧吸收率高（約為15～25%），鼓風(fēng)曝氣低（僅為6～10%）,所以前者耗電較后者少。鼓風(fēng)曝氣所用設(shè)備較多。但是當(dāng)廢水量很大，曝氣池需要設(shè)置相當(dāng)多的曝氣葉輪時(shí)，則費(fèi)用劇增，超過(guò)鼓風(fēng)曝氣。因此，葉輪曝氣適用于水量較小的小型曝氣池，鼓風(fēng)曝氣適用于大水量的大型曝氣池。

當(dāng)廢水中存在大量的產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)（如表