废水生化处理理论基础

第十二章废水生化处理理论基础第一节废水处理微生物基础第二节酶及酶反应第三节微生物生长动力学第四节废水的可生化性第五节废水生化处理方法总论第一节废水处理微生物基础一、微生物的新陈代谢1．分解代谢高能化合物分解为低能化合物，物质由繁到简并逐级释放能量的过程叫分解代谢或异化作用。2．合成代谢微生物从外界获得能量，将低能化合物合成生物体的过程叫合成代谢，或称同化作用。二、微生物生长的营养及影响因素营养物对微生物的作用是：（1）提供合成细胞物质时所需要的物质；（2）作为产能反应的反应物，为细胞增长的生物合成反应提供能源；（3）充当产能反应所释放电子的受氢体。所以微生物所需要的营养物质必须包括组成细胞的各种元素和产生能量的物质。影响微生物生长的因素最重要的是营养条件、温度、PH值、需氧量以及有毒物质。1．微生物的营养对好氧生物处理，BOD5:N:P=100:5:1，碳源以BOD5值表示，N以NH3-N计，P以PO43-中的P计；对厌氧消化处理，C/N比值在（1～20）：1的范围内时，消化效率最佳。2．反应温度微生物可分为高温性（嗜热菌）、中温性、常温性和低温性（嗜冷菌）四类，如表12-1所示。表12-1各类微生物生长的温度范围类别最低温度最适温度最高温度类别最低温度最适温度最高温度高温性中温性30℃10℃50～60℃30～40℃70～80℃50℃常温性低温性5℃O℃10～30℃5～10℃40℃3O℃3．pH值一般好氧生化处理pH值可在6.5～8.5之间变化，厌氧生物处理要求较严格，pH值在6.7～7.4之间。因此，当排出废水pH值变化较大时，应设置调节池。4．溶解氧好氧微生物在降解有机物的代谢过程中以分子氧作为受氢体，如果分子氧不足，降解过程就会因为没有受氢体而不能进行，微生物的正常生长规律就会受到影响，甚至被破坏。厌氧微生物对氧气很敏感，当有氧存在时，会形成H2O2积累，对微生物细胞产生毒害作用，使其无法生长。有毒物质对微生物的毒害作用，主要表现在使细菌细胞的正常结构遭到破坏以及使菌体内的酶变质，并失去活性。有毒物质可分为：①重金属离子（铅、铜、铬、砷、铜、铁、锌等）；②有机物类（酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等）；③无机物类（硫化物、氰化钾、氯化钠、硫酸根、硝酸根等）。return5.有毒物质酶是由活细胞产生的能在生物体内和体外起催化作用的个物催化剂。酶有单成分酶和双成分酶之分。单成分酶完全由蛋白质组成，双成分酶是由蛋白质和活性原子基团相结合而成，蛋白质部分为主酶，活性原子基团一般是非蛋白质部分。此部分若与蛋白质部分结合较紧密时，称之为辅基，结合不牢固时，称之为辅酶。酶所具有的独特性能：①催化效率高。②专属性。③对环境条件极为敏感。第二节酶及酶反应一、酶及其特点二、酶促反应速度当底物浓度在较低范围时，反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。当废物浓度增加到一定限度时，酶反应速度达到最大值，再增加底物对反应速度无影响，呈零级反应，并说明酶已被废物所饱和所有的酶都有此饱和现象，但各自达到饱和时所需的底物浓度并不相同。有时甚至差异很大。EPESSEKKK321SKSVVmmax酶促反应分两步进行，首先酶与底物形成中间络合物（中间产物），这个反应是可逆反应，然后结合物再分解为产物和游离态酶。反应过程可用下式表示：米氏方程米凯利斯和门坦提出了表示整个反应过程中底物浓度与酶促反应速度之间的关系式，称为米凯利斯-门坦方程式，简称米氏方程，即1．米氏常数的意义①Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关②如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个Km值.③同一种酶有几种底物相应有几个Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。2.Km与Vmax的测定一般常用的图解法为Lineweaver-Burk作图法，也称双倒数作图法。此法先将米氏方程式改写为如下形式：maxmaxV111SVKVm关于米氏方程的几点说明三、酶制剂对酶制剂用于废水生物处理进行了大量研究，并得以应用。如日本研究将具有分解氰能力的产减杆菌和无色杆菌制成氰分解酶，使氰分解成氨和碳酸，对处理电镀含氰废水和丙烯睛废水很有效；利用脂肪酸、蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等混合酶处理生活污水等。目前还正寻找能分解有机汞、多氯联苯、塑料和环状有机化合物的酶。固相酶用于废水处理，主要是将固相酶置于反应器内，作为滤床，让废水通过滤床，污染物质被滤料上的酶催化分解。四、适应酶微生物具有变异的特性，即遗传的变异性。人们根据这一特点，人为地改变微生物的环境条件，使微生物在受到各种物理、化学等因素的影响后，发生变异，并在机体内产生适应新环境的酶，即适应酶。人们就利用这个特性为生产服务。如活性污泥的培养驯化就是利用了这一特性，即在活性污泥的培养驯化过程中，不适应废水的微生物逐渐死亡，适应该废水的微生物逐渐增加，并在该种废水的诱发下，在微生物的细胞内产生适应酶。按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为四个生长时期：第二节微生物生长动力学缓慢期对数期稳定期衰亡期一、微生物的生长规律1．微生物的增长速度Monod方程描述限制增长营养物的剩余浓度与微生物比增长率之间的关系为:式中μ——微生物比增长速度，时间-1；μm——微生物最大比增长速度，时间-1；S——溶液中限制生长的底物浓度，质量/容积；Ks——饱和常数。即当μ=μm/2时的底物浓度，故又称半速度常数，质量/容积。SKSSm二、微生物生长动力学2．微生物生长与底物利用速度微生物的增长速度与底物的降解速度有一个比例关系：式中：Y——微生物产率系数；——微生物总增长速度；——底物利用速度；q——比底物利用速度。将式（12－12）代入式（12－13），可得式中qmax为最大比底物利用速度。qYdtdSYdtdxuT或TdtdxudtdSSKSqqSmax第四节废水的可生化性一、废水可生化性①脂肪烃或正烷烃较芳香烃或环烷烃易降解；不饱和脂肪族化合物较易降解。②直链的中长链烃的降解比短链烃易。③烷烃中丙烷以上的碳化合物，随着碳原子数量的增多降解越容易。④不溶性物质，如矿物油类，抗降解能力大。⑤化合物的分子大小与可降解性有关，聚合物和复合物具有较大的抗降解能力，酶分子不能接近和破坏它们的内部结构。⑥有机化合物异构作用对可降解性有影响，化合物所含置换集团的性质、数量和位置影响着可降解性。⑦当化合物主链上有非碳元素时，降解十分困难。⑧酚类是易于降解的，酮类介于醛、醇之间，但丁烯酮降解困难。以酚为代表的决大部分有机物低浓度时可以降解但在高浓度时毒性大将抑制微生物的生命活动。⑨废水中污染物混合后若出现聚合，复合等现象将加大其抗降解能力。有毒物质之间的混合也会增大毒性作用。⑩自然界中原有物质较易降解，人工合成物质则较难。用BOD5／COD值评价废水的可生化性是广泛采用的一种最为简易的方法。在一般情况下，BOD5／COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。表12-5中所列数据评价废水的可生化性。BOD5/COD＞0.450.3—0.450.2—0.3＜0.2可生化好较好较难不宜二、废水可生化性的评价方法1、BOD5／COD值法表12-5废水可生化性评价参考数据以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确，即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。采用BOD5／TOD值评价废水可生化性时，有些研究者推荐采用表12-6所列标准。BOD5/TOD值＞0.40.2～0.4＜0.2废水可生化性易生化可生化难生化2、BOD5/TOD值法表12-6废水可生化性评价参考数据3、耗氧速率法与b类耗氧曲线相应的废水是可生物处理的，在某一时间内，b与a之间的间距愈大，废水中的有机污染物愈易于生物降解。曲线b上微生物进入内源呼吸时的时间tA，可以认为是微生物氧化分解废水中可生物降解有机物所需的时间。在tA时间内，有机物的耗氧量与内源呼吸耗氧量之差，就是氧化分解废水中有机污染物所需的氧量。(1)摇床试验在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机营养盐溶液，在摇床上振摇，培养瓶中的混合液在摇床振荡过程中不断更新液面，使大气中的氧不断溶解于混合液中，以供微生物代谢有机物之用，经过一定时间后，对混合液进行过滤或离心分离，然后测定清液的COD或BOD，以考察待测物质去除效果。(2)模型试验指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。模型装置通常可分为间歇流和连续流反应器两种。4、摇床试验与模型试验第五节废水生化处理方法总论生化处理方法主要可分为好氧处理和厌氧处理两种类型。一、生化处理方法分类①起作用的微生物不同。好氧处理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厌氧处理是厌氧菌和兼性菌起作用。②产物不同。好氧处理中有机物被转化为CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厌氧处理中有机物被转化为CH4、NH3等。③反应速率不同。好氧处理有机物转化速率快，处理设备内停留时间短、设备体积小。厌氧处理有机物转化速率慢，需要时间长，设备体积庞大。④对环境要求条件不同。好氧处理要求充分供氧。厌氧处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件要求甚严。好氧处理与厌氧处理的主要区别(1)活性污泥法的发展沿革活性污泥法于1914年首先在英国被应用。近二十多年来，随着对其生物反应和净化机理的广泛深入的研究，以及该法在生产应用技术上的不断改进和完善。使它得到了迅速发展，相继出现了多种工艺流程和工艺方法，使得该法的应用范围逐渐扩大，处理效果不断提高，工艺设计和运行管理更加科学化。目前，活性污泥法已成为城市污水、有机工业废水的有效处理方法和污水生物处理的主流方法。二、生化处理方法的发展沿革1．好氧生化法的发展沿革(2)生物膜法的发展沿革第一个生物膜法处理设施1893年在英国试验成功，1900年后开始付诸污水处理实践，并迅速欧美得到广泛应用。50年代，在德国建造了塔式生物滤池，这种滤池高度大，具有通风良好、净化效能高、占地面积小等优点。生物转盘出现于60年代。由于它净化功能好、效果稳定、能耗低，因此在国际上得到了广泛应用。70年代初期出现了生物流化床具有BOD容积负荷大、处理效率高、占地面积小、投资省等特点，生物活性炭法是近年来发展起来的，已在世界上许多国家采用。近年来出现的生物接触氧化法、投料活性污泥法，均是兼有活性污泥法和生物膜法特点的生物处理法。厌氧生物处理法，是在无氧的条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机污染物的处理方法，该法的应用已有一百多年历史。从70年代起，其理论研究和实际应用都取得了很大的进展。近年来，一些新的厌氧处理工艺或设备，如上流式厌氧污泥床、上流式厌氧滤池、厌氧接触法、厌氧流化床及两相厌氧消化工艺等相继出现，使厌氧生物处理法所具有的能耗小并可回收能源，剩余污泥量少，生成的污泥稳定，易处理，对高浓度有机污水处理效率高等优点，得到充分地体现。2．厌氧生化法的发展沿革60年代以来,生物脱氮除磷工艺受到重视，先后开发了厌氧-好氧(A1-O)和缺氧-好氧(A2-O)组合工艺，在去除有机物的同时，前者可去除废水中的磷，后者可脱除废水中的氮。继而又将上述两工艺优化组合，构成可以同时脱氮除磷并处理有机物的A1-A2-O流程(或称A2/O)。3．好氧法与厌氧法的组合工艺污泥减量微生物制剂招商