第三章1生物处理原理环境工程学

第三章水的生物化学处理方法概述一、生物处理的概念(BiologicalTreatment)利用生物氧化分解有机物质的能力，采用一定的人工措施，创造有利于微生物生长繁殖的条件、环境，使之大量增殖，提高其氧化分解能力和效率的一种废水处理方法。生物处理的目的——使废水中可生物降解(或转化)的污染物质稳定化或转化为易于从水中分离的物质，从而使之被去除。净化作用的主体:各种类型的微生物、浮游生物、水生植物等。处理的对象：溶解的和胶体状态存在于水中的有机物(需氧)——BOD可生物降解的有毒物(工业污染物)——如酚、腈等氮需氧物质——TKN、NH3等植物营养物质——TN、TP、S等类型:好氧aerobic厌氧anarobic缺氧anoxic兼性facultative二、生物处理的类型和工艺系统概述悬浮生长工艺系统(Suspendedgrowthprocess)利用悬浮生长的微生物群体净化废水的工艺，是水体自净过程的人工强化(工程化)，主要工艺有各种类型的活性污泥法(activatedsludgesystem)、氧化沟、A/O脱氮系统、AB法、A/A/O脱氮除磷系统、消化池、厌氧接触法利用附着于各种填料(media)裁体(carrier)上的生物膜中的微生物群体净化废水的工艺，是土壤自净过程的人工强化(工程化)，主要工艺包括：生物滤池(Biologicalfilter)、生物转盘(RBCBiodisk)、生物流化床概述附着生长工艺系统(Attachedgrowthprocess，attached-film，Biofilmprocess，生物膜法)概述介于两者之间的接触氧化法(浸没式生物滤池)、厌氧滤池、UASB、曝气氧化塘系统生态处理系统氧化塘系统、生态塘系统、土地处理系统第一节废水处理微生物学基础一、废水处理微生物学基础§1-1废水处理中的微生物§1-2生物处理过程动力学池塘里的水滴及其所可能包含的主要原生动物:1)草履虫2)钟形虫3)喇叭虫4)变形虫5)毛口虫6)唇滴虫微生物学的生理学特征微生物的营养需求营养的作用提供合成细胞原生质所需的物质作为细胞生长和生物合成反应、维持生命活动的能源充当产能反应的电子受体电子受体：O2(H、A，aerobic)、有机物(H、F，Anarobic)无机物中化合态的氧(NO2-，NO3-，SO42-等)(H，F)营养需求分类能源：有机物(H)、无机物(NH3、S2-等)(A)、阳光细胞组成物质：碳源[CO2、HCO3-(A)，有机物(H)]其它营养物（NH3、PO43--P、S、微量元素及生长因子(维生素)）微生物学的生理学特征合成代谢(anabolism)微生物的代谢(生物反应)(Metabolism)增加化合物结构的尺度和复杂性，形成细胞、原生质，需能代谢过程，能量利用。分解代谢(catabolism)使复杂的高分子物质、高能化合物降解为简单的低分子、低能量物质能量逐级释放──产能代谢、放热，使能源物质氧化能量的产生和利用方式ATP循环phosphorylation（磷酸化）通过ATP-ADP偶联反应贮存和利用能量ATP合成：ADP的磷酸化──将能量贮存于高能磷酸键中（ADP磷酸化途径：底物水平磷酸化、电子传递磷酸化、光合磷酸化）ATP的分解：ATP水解为ADP，能量的利用(合成、生理活动)微生物对营养物质的需求量：好氧C：N：P≈100：5：1厌氧C：N：P≈500：5：1微生物学的生理学特征微生物的营养类型自养型Autotroph异养型Heterotroph化能营养型Chemotrophy光能营养型Phototrophy碳源--异氧型微生物利用有机碳源，自养菌利用无机碳源。氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。补充氮，磷，钾方式：与生活污水混合添加药剂：硫酸铵，硝酸铵，尿素（补充氮源）；磷酸钠、磷酸钾等（补充磷源）微生物学的生理学特征呼吸类型1.好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（O2）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。异氧型微生物以有机物为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同时放出能量。C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+——11CO2+13H2O+NH4++能量自养型微生物以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时放出能量。H2S+2O2——H2SO4+能量NH4++2O2——NO3－+2H++H2O+能量2.厌氧呼吸厌氧呼吸是在无分子氧的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。（1）发酵指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。C6H12O6——2CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH——2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO——2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ2.厌氧呼吸（2）无氧呼吸是指以无机氧化物，如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-——2N2+12H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ好氧呼吸（内/外源呼吸）内源呼吸：在外界没有能源供给，利用自身内部储存的能源物质（多糖、脂肪、PHB等）进行的呼吸。废水处理中，常利用微生物的内源呼吸减少污泥的产量。底物(基质Substrate)的降解可以被微生物的代谢活动所利用的物质，称之为底物。有机物、氮、磷、硫及各种微量元素、生长因子等均为底物。可生物降解的CODB(BOD)BiodegradableCOD（有机物）难生物降解的CODN(inertdegradable)有机废水的可生物处理性(可生化性biodegradability)BOD/COD判定，0.5好，0.3可，0.3不宜；耗氧速率(OUR，OxygenUptakeRate)测定；呼吸速率测定微生物学的生理学特征转化为新细胞物质污染物在生物处理过程的去除途径有机物生物降解途径细胞的经验分子式：C5H7O2N；C60H87O23N12P——BOD、N、P经转化为活性污泥去除；；——好氧处理中，在中高负荷条件下，有约50％的BOD通过此途径被去除；——常规生物处理中，同化作用是N、P去除的主要途径，去除量很小。BOD(有机物)作为能源被氧化成稳定的终产物而去除好氧、缺氧工艺产物稳定厌氧工艺终产物CH4回收能源内源呼吸生物污泥的稳定化NH3-N作为能源被氧化——NOD去除硝化(好氧)，反硝化作用生物除磷的主要途径：同化作用、聚磷菌（PAOs,PhosphateAccumulationOrganisms）除磷、反硝化除磷（DPB）污染物在处理过程的去除途径好氧生物处理与厌氧生物处理的比较：好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小，且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5小于500mg/L的有机废水，基本采用好氧生物处理。由于厌氧生物处理不需曝气，故运行费用低，且剩余污泥量少，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，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（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧处理法。各类微生物的作用：1、细菌是生物处理的主要承担者2、霉菌和放线菌承担特殊的废水处理，需要生物膜形式；3、藻类是自养光合微生物，可以产生氧气；4、原生动物在摄取一定量营养的同时，可吞噬游离细菌，降低浊度，是废水处理效果的指示生物；5、后生动物是废水处理效果的指示生物微生物自身和代谢过程的环境条件酶微生物的所有活性均依赖于对底物的利用，对底物的利用过程是生物化学反应，这些反应都需要酶来催化——酶促反应——细胞内酶：催化产能反应（氧化酶、脱氢酶）；催化合成反应——细胞外酶：催化水解反应将水加到复杂化合物中，将复杂化合物分解为简单、溶解的产物环境条件温度、pH（影响酶的活性）、金属离子、抑制物质（微生物有很强的适应性，可以进行驯化）生物处理过程动力学莫诺特(Monod)关系式基本过程动力学方程一、微生物的生长规律1、停滞期2、对数期3、静止期4、衰老期莫诺特关系式1942年，Monod根据微生物生长试验，提出与米门(Michaelis-Menton)酶促反应方程类似的关系式，描述限制性营养物浓度与微生物生长速率的关系：SKSSmax（1）式中：μmax——最大比增长速率；S——限制性营养物浓度(mg/l)Ks——半饱和常数(Half-saturationconstant)，其值等于μ=μmax/2的营养物浓度(mg/l)；μ——微生物的比增长速率，即单位微生物量的增长速率(1/d)XdtdX（2）式中：X——现有微生物浓度（mg/L）基本过程动力学方程有机物的降解速率在营养(N、P、微量元系等)和环境条件一定的情况下，有机物的降解速率与微生物的增长速率成正比，用比速率表示，即q∝μYq1（3）式中：q—比底物利用（降解）速率，（d-1）可表示为XdtdSq（4）式中：dS/dt——底物利用速率Y——增长产率，即利用单位底物而产生的微生物的量，其定义为dSdXY（5）式中：dS——消耗的底物量dX——由于利用底物增量dS而产生的生物体增量基本过程动力学方程将3式带入1式可得：SKSqqSmax（6）将4带入，并令qmax=k，可得：SKkXSdtdSSu)(（7）此式为Lawrence-Mccarty所赞同，成为其模式的基础。限制性营养物浓度现有微生物浓度当有机物浓度很高时，SKs，有maxqq（3-8）q降解速率KXdtdSu)(（3-9）dS/dt——底物利用速率此式描述了在对数增长期，有机物过剩，使微生物处于最大增长速率，增加有机物的浓度也不能提高降解速率。因而，有机物降解速率与自身浓度无关，而仅取决于微生物量(biomass)。基本过程动力学方程在低有机物浓度时，SKs，有KSq（3-10）KXSdtdSu)(（3-11）有机物的降解速率呈一级反应，表明了微生物处于减速增长或内源呼吸期，底物成为限制生长因素。基本过程动力学方程式(3-9)、(3-11)为(3-7)的两种特殊情况，称之为有机物降解过程的非连续函数或“二相说”，Eckenfelder推荐在污水处理的多数情况下采用(3-11)一级反应式。在生物处理条件下，微生物的衰减十分明显，必须考虑内源呼吸对增长的影响。Herbert(1958)提出假定：全部有机物都用于合成新细胞，而微生物生命活动所需能量由细胞的氧化提供，则微生物的净增长为：dTKqY（3-12）XKdtdSYdtdXduTg)()(（3-13）微生物的增长速率基本过程动力学方程式中：YT——微生物总产率系数Kd——微生物衰减常数(d-1)，也称自身氧化速率常数微生物的比增长速率降解速率底物利用速率第二节好氧悬浮生长处理技术1、活性污泥法2、氧化塘3、好氧消化法活性污泥：悬浮生长系统的净化过程和机理悬浮生长系统中，起生物净化作用的主体──微生物并不是以单个、分散的形态存在的。若微生物太过分散，就难于从水中分离，其衰亡后仍就是有机体，具有耗氧作用。因而，悬浮生长系统的净水作用承担者应同时具备生物活性，并易于分离，这种生物群体即是活性污泥。向含有有机物和营养元素的培养液(污水)中持续曝气，一定时间后会发现水变得混浊，继续下去，最终会形成一种絮状物质，这就是活性污泥。活性污泥活性污泥：悬浮生长系统的净化过程和机理活性污泥：悬浮生长系统的净化过程和机理生物活性──含有大量的活性微生物(细菌、原生、后生动物)絮状，具有极大的比表面积和吸附能力