第十一章污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础.ppt

第十一章第十一章 废水生物处理的基本概念废水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础和生化反应动力学基础第一节第一节 污水生物处理基本原理污水生物处理基本原理第二节第二节 微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律和生长环境第三节第三节 反应速率和反应级数反应速率和反应级数第四节第四节 微生物生长动力学微生物生长动力学11.111.1污水生物处理基本原理污水生物处理基本原理 一、微生物的新陈代谢一、微生物的新陈代谢二、废水的好氧生物处理二、废水的好氧生物处理三、废水的厌氧生物处理三、废水的厌氧生物处理一、微生物的新陈代谢一、微生物的新陈代谢微生物的能量代谢：微生物的能量代谢：微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢新陈代谢新陈代谢=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢 根据氧化还原反应最终电子受体的不同，分解根据氧化还原反应最终电子受体的不同，分解代谢分为发酵和呼吸两种类型。代谢分为发酵和呼吸两种类型。底物或基质（底物或基质（substrate）一、微生物的新陈代谢一、微生物的新陈代谢（一）发酵指指供氢体和受氢体都是有机化合物供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（中间最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（中间产物）。产物）。C6H12O62CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO2CH3CH2OH总反应式：总反应式：C6H12O62CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ一、微生物的新陈代谢一、微生物的新陈代谢 （二）好氧呼吸（二）好氧呼吸好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（是在有分子氧（O O2 2）参与的生物氧化，反应的最终受）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧氢体是分子氧。异养型微生物异养型微生物 以有机物为底物（电子供体），终点产物为二以有机物为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同时放出能量。氧化碳、氨和水等，同时放出能量。C C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 26CO6CO2 2+6H+6H2 2O+O+2817.3kJ2817.3kJC C1111H H2929O O7 7N+14ON+14O2 2+H+H+11CO11CO2 2+13H+13H2 2O+NHO+NH4 4+能量能量自养型微生物自养型微生物以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时放出能量。放出能量。H2S+2O2H2SO4+能量能量NH4+2O2NO3+2H+H2O+能量能量一、微生物的新陈代谢一、微生物的新陈代谢（三）缺氧呼吸（三）缺氧呼吸n是指在无分子氧但有化合态氧的情况下，以无机氧化物，是指在无分子氧但有化合态氧的情况下，以无机氧化物，如如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等代替分子氧，作为等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。最终受氢体的生物氧化作用。C6H12O6+6H2O6CO2+24H24H+4NO3-2N2+12H2On总反应式：总反应式：C6H12O6+4NO3-6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ可生物降解有机物可生物降解有机物呼吸氧化呼吸氧化O2COCO2 2、H H2 2O O、能量、能量合成新细胞合成新细胞O2内源呼吸内源呼吸剩余污泥排出剩余污泥排出三、三、废水的厌氧生物处理废水的厌氧生物处理 无分子氧及化合态氧无分子氧及化合态氧厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统厌氧跟好氧污泥产率的差别？好氧反应速度较快，反应时间较短，故处理构筑物好氧反应速度较快，反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。目前对中、容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。目前对中、低浓度的有机废水，或者说低浓度的有机废水，或者说BOD5小于小于500mg/L的有机的有机废水，基本采用好氧生物处理。废水，基本采用好氧生物处理。由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度，处理构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般般BOD52000mg/L）可采用厌氧处理法。）可采用厌氧处理法。好氧生物处理与厌氧生物处理的比较好氧生物处理与厌氧生物处理的比较：四、脱四、脱N N除除P P基础理论基础理论（一）生物脱氮（一）生物脱氮 氨化氨化 硝化硝化 反硝化反硝化1.氨化反应氨化反应n在氨化微生物的作用下，有机在氨化微生物的作用下，有机N N化合物可以化合物可以在好氧或厌氧条件下分解转化为氨态氮。在好氧或厌氧条件下分解转化为氨态氮。以氨基酸为例：以氨基酸为例：在在好好氧氧条条件件下下，将将NH4+转转化化为为NO2-和和NO3-的的过过程程。此此作作用用是是由由亚亚硝硝酸酸菌菌和和硝硝酸酸菌菌两种菌共同完成的。其反应如下：两种菌共同完成的。其反应如下：2NH43O22NO2-2H2O4H2NO2-O22NO3-2.硝化反应硝化反应化能自化能自养型养型硝化细菌生长影响因子：硝化细菌是化能硝化细菌是化能自养菌自养菌，生长率低，对环境条件变化，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等，有机负荷等都会对它产生影响。都会对它产生影响。硝化反应的适宜温度为硝化反应的适宜温度为2030。低于。低于15时，时，反应速度迅速下降，反应速度迅速下降，5时反应几乎完全停止。时反应几乎完全停止。由于硝化菌是自养菌，若水中由于硝化菌是自养菌，若水中BOD5值过高，将有助值过高，将有助于于异养菌异养菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化细菌生长影响因子：硝化细菌生长影响因子：硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用的进行，泥龄应取大于的进行，泥龄应取大于硝化菌最小世代时间（硝化菌最小世代时间（310d）两倍以上。两倍以上。硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的溶解氧量最好保持在溶解氧量最好保持在2mg/L以上。以上。在硝化反应过程中，有在硝化反应过程中，有H+释放出来，使释放出来，使pH值下降。值下降。硝化菌受硝化菌受pH值的影响很敏感，为了保持适宜的值的影响很敏感，为了保持适宜的pH值值78，应在废水中保持足够的碱度，应在废水中保持足够的碱度，以调节以调节pH值的变化。值的变化。1g氨态氮氨态氮(以以N计计)完全硝化，需碱度完全硝化，需碱度(以以CaCO3计计)7.1g。污污水水中中的的硝硝态态氮氮NO3-N和和亚亚硝硝态态氮氮NO2-N，在在无无氧氧或或低低氧氧条条件件下下被被反反硝硝化化细细菌菌还还原原成成氮氮气气的过程。具体反应如下：的过程。具体反应如下：n6NO2-3CH3OH3N23CO2+3H2O6OHn6NO3-5CH3OH3N27H2O5CO2+6OH3.反硝化作用反硝化作用反反硝硝化化菌菌属属异异养养型型兼兼性性厌厌氧氧菌菌，在在有有氧氧存存在在时时，它它会会以以O2为为电电子子受受体体进进行行好好氧氧呼呼吸吸；在在无无氧氧而而有有NO3-或或NO2-存存在在时时，则则以以NO3-或或NO2-为为电电子子受受体体，以以有有机机碳碳为为电电子子供供体体和和营营养养源源进进行行反反硝硝化化反反应。应。n在反硝化反应中，最大的问题就是在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度。n当污水中当污水中BOD5TKN35时，可认为碳源充时，可认为碳源充足。足。n不同的有机碳将导致反硝化速率的不同。碳源不同的有机碳将导致反硝化速率的不同。碳源按其来源可分为三类：按其来源可分为三类：n外加碳源，多采用甲醇，因为甲醇被分解后的产外加碳源，多采用甲醇，因为甲醇被分解后的产物为物为CO2，H2O，不产生其它难降解的中间产物，不产生其它难降解的中间产物，但其费用较高；但其费用较高；n原水中含有的有机碳；原水中含有的有机碳；n内源呼吸碳源内源呼吸碳源细菌体内的原生物质及其贮存细菌体内的原生物质及其贮存的有机物。的有机物。n反硝化反应的适宜反硝化反应的适宜pH值为值为6.57.5。pH值高于值高于8或低于或低于6时，反硝化速率将迅速时，反硝化速率将迅速下降。下降。n反硝化反应的温度范围较宽，在反硝化反应的温度范围较宽，在540范围内都可以进行。但温度低于范围内都可以进行。但温度低于15时，反硝化速率明显下降。时，反硝化速率明显下降。4.同化作用同化作用n污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分，并以剩同化成微生物细胞的组成成分，并以剩余污泥的形式得以从污水中去除的过程，余污泥的形式得以从污水中去除的过程，称为同化作用。称为同化作用。以反硝化菌为例，以反硝化菌为例，在反硝化菌代谢活动的同在反硝化菌代谢活动的同在反硝化菌代谢活动的同在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程成过程成过程成过程.用于细胞体用于细胞体(C5H7O2N)合成合成4%96%（二）生物除磷（二）生物除磷聚磷菌（聚磷菌（PAOs）厌氧释磷好氧（缺氧）超量吸磷n厌氧放磷：在厌氧状态下，兼性菌将溶解性有厌氧放磷：在厌氧状态下，兼性菌将溶解性有机物转化成机物转化成VFAVFA；活性污泥中的活性污泥中的聚磷菌聚磷菌(PAOs)(PAOs)将体内积聚的将体内积聚的聚磷分解聚磷分解，分解产生的能量部分，分解产生的能量部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收易降解的收易降解的CODCOD（如（如VFAVFA）转化为）转化为PHBPHB（聚（聚羟基羟基丁酸）的形态储藏于体内。聚磷分解形成的丁酸）的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无无机磷机磷释放回污水中，这就是厌氧放磷。释放回污水中，这就是厌氧放磷。n好氧吸磷：好氧吸磷：进入好（缺）氧状态后，进入好（缺）氧状态后，聚磷菌聚磷菌将储存将储存于体内的于体内的PHBPHB进行好氧分解并释出大量能量供进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌聚磷菌增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。n由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚过量吸收磷的聚磷菌磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。，也就是从污水中去除的含磷物质。(正常细正常细胞含磷胞含磷13，聚磷菌吸磷量可达，聚磷菌吸磷量可达12)11.2微生物的生长规律和生长环境一、微生物的生长一、微生物的生长规律规律1、停滞期、停滞期2、对数期、对数期3、静止期、静止期4、衰老期、衰老期实际运用中，将活性污泥控制在哪个生长期？为什么？实际运用中，将活性污泥控制在哪个生长期？为什么？11.2微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律和生长环境 后生动物原生动物511.2微生物的生长规律和生长环境二、微生物的生长环境二、微生物的生长环境（一）、微生物的营养（一）、微生物的营养水处理中微生物对水处理中微生物对C、N、P三大营养元素的要求：三大营养元素的要求：对好氧生物处理对好氧生物处理BOD5：N：P=100：5：1，对厌氧生物处理对厌氧生物处理C/N=（1020）：）：1碳源碳源-异养菌利用有机碳源。异养菌利用有机碳源。氮源氮源-无机氮（无机氮（NH3及及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。补充氮、磷补充氮、磷：1）与生活污水混合；与生活污水混合；2）添加药剂：硫酸铵，硝酸添加药剂：硫酸铵，硝酸铵，尿素（补充氮源）；铵，尿素（补充氮源）；磷酸钠、磷酸钾等磷酸钠、磷酸钾等（补充磷源）（补充磷源）P277（二）、温度（二）、温度各类微生物生长的温度范围不同，约为各类微生物生长的温度范围不同，约为580。此范围内可分成最低生长温度、最高生长温度和最适此范围内可分成最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度。生长温度。以微生物适应的范围，可分为：以微生物适应的范围，可分为：中温性（中温性（20-45）、高温性（）、高温性（45以上）、低温性（以上）、低温性（20以下）以下）好氧生物处理好氧生物处理中以中以中温菌中温菌细菌为主，最适温度细菌为主，最适温度20-37；厌氧生物处理厌氧生物处理中，中温性甲烷菌最适温度范围为中，中温性甲烷菌最适温度范围为25-40，高温性为，高温性为50-60，厌氧处理常采用温度为厌氧处理常采用温度为33-38和和52-57。（三）pH不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的pH适应范围。适应范围。细菌、放线菌、细菌、放线菌、藻类和原生物藻类和原生物的的pH值适应范围是在值适应范围是在410之间；之间；大多数大多数细菌细菌适宜中性或偏碱性环境（适宜中性或偏碱性环境（6.5-7.5）；）；氧化硫化杆菌氧化硫化杆菌，喜酸性环境，最适，喜酸性环境，最适pH值为值为3；酵母菌和霉菌酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的环境中生活，要求在酸性或偏酸性的环境中生活，最适最适pH为为3.06.0。活性污泥法处理废水，曝气池混合液的最适活性污泥法处理废水，曝气池混合液的最适pH宜为宜为6.5-8.5。当废水的。当废水的pH值变化较大时，应设置调节池。值变化较大时，应设置调节池。（四）（四）溶解氧溶解氧DO好氧生物处理中如果好氧生物处理中如果DO不足，由于得不到足够的不足，由于得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降低，同时对氧氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降低，同时对氧要求低的微生物应运而生，影响正常的生化反应过程，要求低的微生物应运而生，影响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。好氧生物处理的溶解氧一般以造成处理效果下降。好氧生物处理的溶解氧一般以2-4mg/L为宜。为宜。（五）有毒物质（五）有毒物质对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质(工业废水中工业废水中)。其毒害作用主要表现于细胞的正常结构遭到其毒害作用主要表现于细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。如重金破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。如重金属离子（砷、铅、镉、铬、铁、铜、锌等）能与属离子（砷、铅镉、铬、铁、铜、锌等）能与细胞内的蛋白质结合，使它变质，致使酶失去活细胞内的蛋白质结合，使它变质，致使酶失去活性。性。11.2 微生物的生长规律和生长环境 11.3反应速度和反应级数一、反应速度一、反应速度底物浓度底物浓度微生物浓度微生物浓度二、反应级数 SASA、SBSASA2SA.SB2SSSSSSSS11.4微生物生长动力学微生物生长动力学一、细胞增长速率一、细胞增长速率二、莫诺特（二、莫诺特（Monod）方程）方程三、底物利用速率三、底物利用速率四、微生物生长与底物降解的基本关系式四、微生物生长与底物降解的基本关系式一、细胞增长速率一、细胞增长速率微生物比增长速率微生物比增长速率的提出的提出微生物的增长速率微生物的增长速率当微生物生长不受外界条件限制（营养充足）时，当微生物生长不受外界条件限制（营养充足）时，现有微生物群体浓度现有微生物群体浓度二、莫诺特（Monod）方程1942年，现代细胞生长动力学奠基人年，现代细胞生长动力学奠基人Monod提出，在微提出，在微生物生长曲线的生物生长曲线的对数期和平衡期对数期和平衡期，细胞的比生长速率与限制，细胞的比生长速率与限制性底物浓度的关系可用下式表示：性底物浓度的关系可用下式表示：微生物比生长速率，（微生物比生长速率，（s-1）；）；max微生物最大比生长速率，（微生物最大比生长速率，（s-1）；）；S限制性底物浓度，（限制性底物浓度，（g/L）；）；Ks饱和常数，即当饱和常数，即当=1/2max时的底物浓度。时的底物浓度。Monod方程是典型的均衡生长模型，其基方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：本假设如下：1)细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；的唯一变量是细胞的浓度；2)培养基中培养基中只有一种基质只有一种基质是生长限制性基质，而是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长；其他组分为过量，不影响细胞的生长；3)细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。一常数。(1)当限制性基质浓度很低时，当限制性基质浓度很低时，SKs此时此时，(2)当当SKs时，时，此时，此时，(3)当当S处于两种情况之间时，处于两种情况之间时，Monod方程方程=max三、底物利用速率微生物增长污染物（底物降解）比底物利用速率比底物利用速率污水处理中关注点变化污水处理中关注点变化四、微生物生长与底物降解的基本关系式在一切生化反应中，微生物增长是底物降解的结果，在一切生化反应中，微生物增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个定量关系，可通过下式表示彼此之间存在着一个定量关系，可通过下式表示：其中其中微生物总增长速度微生物总增长速度总底物利用速度总底物利用速度微生物比增长速度微生物比增长速度比底物利用速度比底物利用速度若定义若定义rmax=max/Y，则可得则可得其中，其中，rmax最大比底物降解最大比底物降解速度速度或或Lawrance-Mccarty方程四、微生物生长与底物降解的基本关系式在水处理中，为了获得较好的处理效果，通常在水处理中，为了获得较好的处理效果，通常控制微生物处于平衡期或内源代谢期。控制微生物处于平衡期或内源代谢期。Kd微生物衰减系数微生物衰减系数因此，微生物体的因此，微生物体的净生长速率净生长速率为为即即内源呼吸时，微生物体的内源呼吸时，微生物体的自身氧化速率自身氧化速率与微生与微生物浓度成正比：物浓度成正比：四、微生物生长与底物降解的基本关系式在实际工程中，在实际工程中，产率系数产率系数（或称（或称微生物增长系数微生物增长系数）Y常以实常以实际测得的际测得的观测产率系数观测产率系数（或称（或称微生物净增长系数微生物净增长系数）Yobs代替代替由由(A)可得可得由由(B)可得可得其中，其中，为为微生物比微生物比(净净)增长速率增长速率（B）(Sherrard和Schroeder)1973年（A）反应了微生物净增长和底物降解之间的关系，是废水生物处理工程的基本数学模式。