1、6 6 水環(huán)境污染控制與水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)治理中的生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1污、廢水生物控污、廢水生物控制與治理生物化學(xué)制與治理生物化學(xué) 6.1.1水的生物化學(xué)處理概念6.1.2好氧生物處理生物化學(xué) 6.1.3厭氧生物處理生物化學(xué) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.1水的生物化學(xué)處水的生物化學(xué)處理概念理概念1. 原理2. 基本過程3. 可處理物質(zhì)4. 分類環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 原理原理 水的生物處理基本原理? 在自然條件下，微生物具有氧化分解有機物并將其轉(zhuǎn)化為無機物在自然條件下，微生物具有氧化分解有機物并將其轉(zhuǎn)化為無機物的能力。的能力。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)

2、 基本過程基本過程去除或降去除或降低污染物低污染物 氧化分解廢氧化分解廢水中的物質(zhì)水中的物質(zhì)大量繁殖大量繁殖微生物微生物創(chuàng)造創(chuàng)造環(huán)境環(huán)境環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 可處理的物質(zhì)可處理的物質(zhì)1溶解性有機物 2不溶性的膠體態(tài)有機物 3溶解性無機物（如氮和磷） 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 分類分類A好氧生物處理 按照微生物對按照微生物對生長環(huán)境中氧生長環(huán)境中氧的要求的要求 厭氧生物處理 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 分類分類B以活性污泥為主的懸浮生長系統(tǒng) 根據(jù)處理工藝根據(jù)處理工藝過程過程 以生物膜為主的附著生長系統(tǒng) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.2好氧生物處理生好氧生物處理生物化學(xué)物化學(xué)6.1.2.1好

3、氧活性污泥法6.1.2.2好氧生物膜法 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.2.1好氧活性污泥法1.活性污泥法的基本流程 2.活性污泥法中的微生物 3.活性污泥的凈化反應(yīng)過程 4.活性污泥反應(yīng)動力學(xué) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 基本流程基本流程 由初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀他、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)等組成 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 微生物微生物 -細(xì)菌細(xì)菌 生枝動膠菌是活性污泥菌膠團(tuán) 浮游球衣菌異常增殖會引起污泥膨脹現(xiàn)象 對于正常的城市污水的活性污泥，1mg的MLSS(混合液懸浮固體)中約含2.01071.6108個活菌數(shù) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 微生物微生物 -原生動物原生動物 以纖毛蟲占

4、多數(shù) 原生動物與細(xì)菌都是在廢水中起凈化作用的主要成員，并且是污水處理效率的重要指示生物 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 微生物微生物 -真菌類真菌類 通常出現(xiàn)在工業(yè)廢水的活性污泥中 大多為藻菌類的水節(jié)霉屬(Leptomitus)，毛菌屬(Mucor)，半知菌類的Geotrichum，Trichoderma；酵母類的假絲酵母屬(Candida)，Phodotorula等 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 微生物微生物 -微小后生動物微小后生動物 輪蟲類 線蟲類 這些后生動物常攝食污泥中細(xì)菌、原生動物殘骸的碎片 不管任何場合，這些微小動物在1mI混合液中的個體數(shù)皆在100以下 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 活性污泥

5、的凈化反應(yīng)活性污泥的凈化反應(yīng)過程過程 絮凝絮凝吸附吸附代謝代謝增殖增殖凝聚、沉凝聚、沉淀與濃縮淀與濃縮環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 活性污泥反應(yīng)動力學(xué)活性污泥反應(yīng)動力學(xué) 勞倫斯麥卡蒂模式dX/dt微生物增值率，g/(Lh)； X曝氣池中微生物濃度，g/Lq活性污泥的比基質(zhì)降解率 （dS/dt）u基質(zhì)降解速率，g/(Lh) 污泥總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以C表示，單位為天(d) dXdtXX)dtdS(quacwrcwVXQ XVQ環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 勞倫斯勞倫斯麥卡蒂模式麥卡蒂模式的基本方程的基本方程 第一基本方程 Y微生物產(chǎn)率（活性污泥產(chǎn)率）， 以污泥量降解的有機基質(zhì)表示， 微生物

6、內(nèi)源代謝作用的自身氧化率，又稱衰減系數(shù) 第二基本方程 S反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度，g/L； qmax單位污泥的最大基質(zhì) 利用速率（在高底物濃度條件），g/(Lh)； KS半速率系數(shù)，其值等于q=1/2時的基質(zhì)濃度，g/L 1qdcYKmaxmaxmaxmaxausausvqX SdSVdtKSX SdSqVqdtKS 于是，可得： 用值代替，得： 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.2.2好氧生物膜法好氧生物膜法1.好氧生物膜法的基本原理 2.生物膜的形成及特點 3.生物膜中的物質(zhì)遷移 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 好氧生物膜法的基本原理好氧生物膜法的基本原理生物膜法和活性污泥法都是利用好氧微生物分解廢水中

7、的有機物的方法。它們的基本不同點在于微生物提供的方式不同。在生物膜法中,微生物附著在固體濾料的表面上，在固體介質(zhì)表面形成生物膜，廢水同生物膜相接觸而得到處理，所需氧氣一般直接來自大氣。而在活性污泥法中，微生物是以污泥絨粒的形式分散、懸浮在曝氣池的廢水中，所需氧氣是通過曝氣裝置提供的。所以生物膜法亦稱為生物過濾法 生物膜法具有以下幾個特點：固著于固體表面上的微生物對廢水水質(zhì)、水量的變化有較強的適應(yīng)性；和活性污泥相比，管理較方便；由于微生物固著于固體表面，即使增殖速度慢的微生物也能生息，從而構(gòu)成了穩(wěn)定的生態(tài)系 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 生物膜的形成及特點生物膜的形成及特點形成粘液狀多微生物的膜 接

8、種或廢水中微生物 沿介質(zhì)表面向下滲流 有機廢水均勻地淋灑 吸附降解有機物微生物在介質(zhì)表面增殖 充分供氧 掛膜介質(zhì) 形成生物膜生物膜形成生物膜形成環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 生物膜的形成及特點生物膜的形成及特點 生物膜的特點：生物膜的特點：1.膜的表層由好氧微生物和兼性微生物組成的好氧層 ；2.2.膜的內(nèi)部由厭氧微生物和兼性微生物組成的厭氧層 ； 3.3.生物膜存在更新脫落 ；環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 生物膜中的物質(zhì)遷移生物膜中的物質(zhì)遷移 供氧充足供氧充足 ： 好氧層對有機物進(jìn)行氧化分解和同化合成，產(chǎn)生的二氧化碳和其他代謝產(chǎn)物一部分溶入附著水層，一部分析出到空氣中去； 厭氧層的厚度發(fā)展有限； 生物

9、膜的活性時間長。 供氧不足供氧不足 ： 廢水中的氧會迅速的被表層的生物膜所耗盡； 深層因氧不足而發(fā)生厭氧分解，積蓄了H2S、NH3、有機酸等代謝產(chǎn)物 ； 使生物膜發(fā)生非正常的脫落 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.3厭氧生物處理生厭氧生物處理生物化學(xué)物化學(xué)6.1.3.1.厭氧生物處理的基本原理 6.1.3.2厭氧生物處理的動力學(xué)環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.3.1.厭氧生物處理的基本原理1.厭氧生物分解有機物的過程 2.厭氧消化微生物 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 厭氧生物分解有機物的過程水解階段 ：過程緩慢 發(fā)酵(酸化)階段 ：產(chǎn)物丙酸、丁酸、 乙醇等 產(chǎn)乙酸階段 ：乙酸、氫氣和二氧化碳 產(chǎn)

10、甲烷階段： 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 厭氧消化微生物發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的 大分子有機物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌： 產(chǎn)甲烷細(xì)菌： 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 厭氧消化微生物厭氧微生物群體間的關(guān)系：a.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì) b.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件 c.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌清除有毒物質(zhì) d.產(chǎn)甲烷細(xì)菌為不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生化反應(yīng)解除反饋抑制 e.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值 缺氧(anoxic)處理 ：a.硫酸始還原b.反硝化環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.1.3.

11、2厭氧生物處理厭氧生物處理的動力學(xué)的動力學(xué)1.水解階段不溶性底物的轉(zhuǎn)化速率 2.溶解性底物的轉(zhuǎn)化速率與細(xì)胞產(chǎn)率 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 水解階段不溶性底物的轉(zhuǎn)化速率污水中可生物降解的不溶物質(zhì)的水解常數(shù)Kp與水解溫度的關(guān)系 整個厭氧過程的產(chǎn)氣速率(r氣)等于水解速率(r水解)，它與可生物降解的不溶性有機構(gòu)濃度成正比 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 溶解性底物的轉(zhuǎn)化速率與細(xì)胞產(chǎn)率莫諾德(Monod)方程 maxmaxbYKbmax最大的比細(xì)胞增長率 b同期細(xì)胞的死亡速率b Kmax最大比底物利用速率 Y可定義為“克細(xì)胞COD去除gCOD” 在厭氧處理的產(chǎn)甲烷階段，以揮發(fā)性脂肪酸(VFA)形式存在的CO

12、D被轉(zhuǎn)化為甲烷和細(xì)胞物質(zhì)。假定產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)占被轉(zhuǎn)化的VFA(均以COD計)的產(chǎn)率為Ym(g細(xì)胞COD去除gCOD)，則轉(zhuǎn)化為甲烷的VFA的產(chǎn)率為1一Ym。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 溶解性底物的轉(zhuǎn)化速率與細(xì)胞產(chǎn)率細(xì)菌類型細(xì)菌類型世代時間世代時間/d細(xì)胞產(chǎn)率細(xì)胞產(chǎn)率/gVSS(gCOD)-1細(xì)胞活力細(xì)胞活力/gCOD(gVSSd)-1K/mmol活性污泥法：活性污泥法：好氧菌好氧菌0.0300.4057.80.25厭氧酸化菌厭氧酸化菌0.1250.1439.6未報告未報告厭氧產(chǎn)乙酸菌厭氧產(chǎn)乙酸菌3.50.036.60.40產(chǎn)甲烷菌：產(chǎn)甲烷菌：嗜氫菌嗜氫菌甲烷絲菌甲烷絲菌甲烷疊球菌甲烷疊球菌0.5

13、7.01.50.070.020.0419.65.011.60.0040.305.0厭氧菌和好氧菌在廢水生物處理中的動力學(xué)參數(shù) (3035) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.2污、廢水深度處理生物污、廢水深度處理生物化學(xué)化學(xué)6.2.1生物脫氮生物化學(xué)生物脫氮生物化學(xué)6.2.2生物除磷生物化學(xué)生物除磷生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 生物脫氮過程和原理生物脫氮過程和原理 廢水中的氮包括無機氮和有機氮兩種。無機氮以氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）和亞硝態(tài)氮（NO2-N）3種形態(tài)存在，主要來源于微生物對有機氮的分解、農(nóng)田排水以及某些工業(yè)廢水。有機氮則以蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸為主，來源于生活污水、農(nóng)

14、業(yè)垃圾和食品加工、制革等工業(yè)廢水。 生物脫氮由消化作用和反硝化作用共同完成。它是指在微生物的作用下，廢水中的氮化合物轉(zhuǎn)化為氮氣逸出并返回大氣的過程，如圖67 所示。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 圖圖67環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (1) 硝化反應(yīng) 硝化反應(yīng)是在好氧狀態(tài)下，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽氮的過程。硝化反應(yīng)是由一群自養(yǎng)型好氧微生物完成的，它包括兩個基本反應(yīng)步驟。第一階段是由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，稱為亞硝化反應(yīng)。亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺旋桿菌屬和亞硝化球菌屬等。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 第二階段則由硝酸菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，稱為硝化反應(yīng)。硝酸菌有硝酸桿菌屬、螺旋

15、桿菌屬和球菌屬等。這兩項反應(yīng)均需在有氧的條件下進(jìn)行。常以CO2、CO32、HCO3為碳源環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 亞硝化反應(yīng)：亞硝化反應(yīng)： 硝化反應(yīng)：硝化反應(yīng)： 硝化總反應(yīng)：硝化總反應(yīng)：NH41.5O2NO22HH2O EE278.42kJ亞硝酸菌NO20.5O2NO3EE278.42kJ硝酸菌NH42O2NO32HH2O EE351kJ環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 研究表明，硝化反應(yīng)速率主要取決于氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮的反應(yīng)速率。 由上述反應(yīng)式計算得知，在硝化反應(yīng)過程中，將lg氨氮氧化為硝酸鹽需要4.57g氧(其中亞硝化反應(yīng)需耗氧3.43g，硝化反應(yīng)需耗氧1.14g)，同時約需耗7.14g重碳酸鹽堿

16、度(以CaCO3計)，以平衡硝化產(chǎn)生的酸度。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化菌，均是好氧自養(yǎng)菌，只有在溶解氧足夠的條件下才能生長。其基本特征見表6-2。由表可見，硝酸菌的世代期長，生長速度慢；而亞硝酸菌世代期較短，生長速度快，較易適應(yīng)水質(zhì)水量的變化和其他不利的環(huán)境條件。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (2)反硝化反應(yīng)反硝化反應(yīng) 反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)性微生物完成的生物化學(xué)過程。它的主要作用是在缺氧(無分子態(tài)氧)的條件下，將硝化過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氣態(tài)氮(N2)。反硝化細(xì)菌包括假單胞菌屬、反硝化桿菌后、螺旋菌屬和無色桿菌屬等。它們多數(shù)是兼性細(xì)

17、菌，有分子態(tài)氧存在時，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體。在無分子態(tài)氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N5和N3作為電子受體O2作為受氫體生成H2 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 和OH堿度，有機物則作為碳源及電子供體提供能量，并得到氧化穩(wěn)定。 反硝化過程中亞硝酸鹽和硝酸鹽的轉(zhuǎn)化是通過反硝化細(xì)菌的同化作用和異化作用來完成的。異化作用就是將NO2和NO3還原為NO、N2O、N2等氣體物質(zhì)，主要是N2。而同化作用是反硝化菌將NO2和NO3還原成為NH3N，供新細(xì)胞合成使用，使氮成為細(xì)胞質(zhì)的成分，此過程可稱為同化反硝化，反硝化反應(yīng)中氮元素的轉(zhuǎn)化見表6-4。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)

18、 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 反硝化反應(yīng)式為： 在DO0.5mg/L的情況下，兼性反硝化菌利用污水中的有機碳源(污水中的BOD成分)作為氫供給體，將來自于好氧池混合液中的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣排入大氣，同時有機物得到降解。其反應(yīng)式為：6NO35CH3OH5CO23N27H2O6OH反硝化菌環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 該反應(yīng)的實質(zhì)是反硝化菌在缺氧環(huán)境中，利用硝酸態(tài)鹽的氧作為電子受體，將污水中的有機物作為碳源及電子供體，提供能量并得到氧化穩(wěn)定。2NO2+6H+(氫供給體)N2+2H2O+2OH反硝化菌2NO3+10H+(氫供給體)N2+4H2O+2OH反硝化菌環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 在反硝化過程

19、中，硝酸氮通過反硝化菌的代謝活動有同化反硝化和異化反硝化兩種轉(zhuǎn)化途徑，其最終產(chǎn)物分別是有機氮化合物和氣態(tài)氮，前者成為菌體組成部分，后者排入大氣。如下所示：NO3NO2NO2NH2OHN2O有機體N2同化反硝化異化反硝化環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 當(dāng)污水中缺乏有機物時，則無機物如氫、Na2S等也可以作為反硝化反應(yīng)的電子供體，而微生物則可以通過消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源反硝化。 可見，內(nèi)源反硝化的結(jié)果將導(dǎo)致細(xì)胞物質(zhì)的減少，同時還生成NH3，因此，不能讓內(nèi)源反硝化占主導(dǎo)地位，而應(yīng)向污水中提供必需的有機碳源。使用最普遍的有機碳源是較為廉價的甲醇，其反應(yīng)式為：C5H7NO2+4NH35CO2+NH3+2N2

20、+4OH環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 其甲醇投加量的計算如下： C2.47N01.53N0.87D 式中：C必需投加的甲醇量，mg/L； N0初始的NO3N濃度，mg/L； N初始的NO2N濃度，mg/L； D初始的Do濃度，mg/L。 6NO35CH3OH5CO23N27H2O6OH反 硝 化 菌 6NO35CH3OH5CO23N27H2O6OH反硝化菌環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 可見，在反硝化過程中，每轉(zhuǎn)化1g的NO3N需要2.47g甲醇，這部分甲醇表現(xiàn)為BODu是其1.5倍，即在還原1gNO3N的同時去除了1.052.472.6gBODu，以D0計，相當(dāng)于在反硝化過程中“產(chǎn)生”了2.6g氧。在

21、反硝化反應(yīng)中，還原1mg硝態(tài)氮能產(chǎn)生3.57mg堿度(以CaCO3計)，而在硝化反應(yīng)過程中，將1mg的NH4N氧化為NO3N，需消耗7.14mg的 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 堿度(以CaCO3計)。所以，在缺氧好氧的A1O工藝中，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可補償硝化反應(yīng)消耗堿度的一半左右。因此，對含氮濃度不高的城市污水或生活話水進(jìn)行處理時，可不必另外投加堿以調(diào)節(jié)PH值。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 生物脫氮法反應(yīng)動力學(xué)生物脫氮法反應(yīng)動力學(xué) 生物脫氮反應(yīng)包含硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，在兩個生化反應(yīng)過程中，微生物的生長速率與氨氮的氧化速率都可用Monod公式來描述。 (1) 硝化反應(yīng)動力學(xué) 微生物的比增長速度

22、 由硝化反應(yīng)式可知，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮時所釋放的能量大約是亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 時所釋放能量的45倍。所以要想獲得相同的能量，所氧化的亞硝態(tài)氮的量也必須是氨氮的45倍。因此，在穩(wěn)態(tài)條件下，生物處理系統(tǒng)中一般不會產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累。研究表明，在溫度低于20時，亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)Monod方程中的飽和常數(shù)KN均小于lmg/L，因此，限制整個硝化反應(yīng)過程速度的步驟是氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮的亞硝化反應(yīng)過程，其微生物的比增長速率可用下式表示： 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式中：N亞硝酸菌的比增長速率，d1； N，max亞硝酸菌的最大比增長速 率，d1； KN亞硝酸菌氧化氨氮的飽和常

23、數(shù)，mg/L； NNH4N的濃度，mg/L。NNKN NN，max環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 硝化菌的動力學(xué)參數(shù)N和KN的值較小，N值小于1 d1，KN值在15 mg/L之間，當(dāng)N比KN大得多時，可以認(rèn)為N與N無關(guān)，此時N與N兩者之間呈零級反應(yīng)，硝化反應(yīng)不可能達(dá)到很高的硝化程度。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 氨氮的氧化速率 氨氮的氧化速率直接與亞硝酸菌的增長速率有關(guān)，而亞硝酸菌的增長速率與亞硝酸菌的產(chǎn)率系數(shù)有關(guān)。NH4N氧化速率與亞硝氧菌產(chǎn)率系數(shù)之間的關(guān)系可以表示為：環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式中：qNNH4N的氧化速率，gNH4N(gVSSd)； qN，maxNH4N的最大氧化速率， gNH4N

24、(gVSSd)； YN亞硝酸菌產(chǎn)率系數(shù)，gVSSgNH4N去除。qNNKN NNqN，max=YN環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 由于硝化菌的增殖速率很低，在活性污泥系統(tǒng)中，為了充分進(jìn)行硝化反應(yīng)，必須有足夠大的污泥齡 ，所以，要求設(shè)計污泥齡 要大于硝化所需的最小污泥齡 ，按經(jīng)驗，取值為: 式中：N為硝化菌比增長速率，d1。ccdcm3cmcd=N1環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (2) 反硝化反應(yīng)動力學(xué) 微生物的比增長速度 在反硝化反應(yīng)中，反硝化菌增長速率和硝酸鹽濃度的關(guān)系可以用下式來表示DDKD DD，max環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式中：D反硝化菌的比增長速率，d1； D，max反硝化菌的最大比增長速

25、率，d1； DNO3N的濃度，mg/L； KD相對于NO3N的飽和常數(shù)，mg/L。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 同樣，對于反硝化過程，污泥齡c和反硝化菌凈比增長速率之間的關(guān)系為：1c。只是反硝化菌的比增長速率與一般的好氧異養(yǎng)菌的比增長速率相近，比硝化菌的比增長速率則大得多，因此，生物反硝化反應(yīng)器所需的污泥齡比硝化反應(yīng)小得多。 硝酸鹽的去除速率 硝酸鹽的去除速率與反硝化菌的比增長速率可用下式表示：環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式中：qDNO3N的去除速率，gNO3N(gVSSd)； qD，maxNO3N的最大去除速率， gNO3N(gVSSd)； YD反硝化菌的表觀產(chǎn)率系數(shù)，g VSSNO3N去除。qD

26、DKD DDqD，max=YD環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 考慮到反硝化菌的內(nèi)源代謝使反硝化菌的凈增長速率低于表觀增長速率，污泥齡與NO3N去除速率的關(guān)系可以表示為： 式中：bD為反硝化菌的內(nèi)源代謝分解系數(shù)，d1。 美國的EPA建議YDc1qDbD環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 表現(xiàn)產(chǎn)率系數(shù) YD0.61.2gVSSgNO3N 由于在反硝化過程中，碳源有機物的濃度也會影響NO3N的去處速率，綜合考慮，硝酸鹽的去除速率可以用下式表示為：qDDKD DqD，maxSKS S環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式中：qDNO3N的去除速率，gNO3N(gVSSd)； qD，maxNO3N的最大去除速率，gNO3N(gV

27、SSd)； S碳源有機物濃度，mg/L； KS相對于碳源有機物的飽和常數(shù)，mg/L； DNO3N的濃度，mg/L； KD相對于NO3N的飽和常數(shù)，mg/L。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 一般飽和常數(shù)KD值很小，約為0.10.2mgNO3N/L，對反硝化速率幾乎沒有影響，即反硝化速率與NO3N濃度成零級反應(yīng)。有人認(rèn)為當(dāng)反硝化過程中有充足的有機碳源存在時，且NO3 N濃度高于0.1 mg/L時，反硝化速率與NO3 N濃度成零級反應(yīng)，即此時反硝化速度與NO3 N濃度高低無關(guān)。飽和常數(shù)KS見的值也很小，不同的碳源有機物其KS值也不同。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 反硝化動力學(xué)公式的討論 上述反硝化動力學(xué)表達(dá)

28、式僅適用于單一的可快速降解的碳源有機物作電子供體(如甲醇)。而對于城市污水或工業(yè)廢水，由于廢水的成分比較復(fù)雜，既有可以快速降解的碳源有機物，也有不溶或慢速生物降解的有機物，則需要用另外的動力學(xué)方程來表達(dá)。對此，Barnard根據(jù)不同的碳源有機物，提出反硝化速率存在三個不同的速率階段 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 第一階段發(fā)生在反硝化反應(yīng)剛開始的515分鐘，此時反硝化速率最快，為50mg/(Lh)，該階段反硝化菌利用揮發(fā)性脂肪酸和醇類等可快速生物降解的有機物作為碳源進(jìn)行反硝化。第一階段利用快速生物降解有機物作碳源，其反硝化速率 式中，1為溫度修正系數(shù)，取1.2 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 第二階段自第

29、一階段結(jié)束一直延續(xù)到所有外碳源用完為止，反硝化菌以不溶的有機物或復(fù)雜的可溶性有機物作碳源，因而反應(yīng)速率比第一階段慢，約為16mg/(Lh)。第二階段利用慢速生物降解有機物，其硝化速率qDN(2)，可表示為： 式中，2為溫度修正系數(shù)，取1.04。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 第三階段由于外碳源耗盡，反硝化菌以微生物內(nèi)源代謝碳源，反硝化速率僅為5.4 mg/(Lh)。第三階段微生物進(jìn)行內(nèi)源反硝化，其反硝化速率qDN(3)，可表示為： 式中，3為溫度修正系數(shù)，取1.03。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.2.1.3生物脫氮過程的生物脫氮過程的影響因素影響因素 生物脫氮的硝化過程是在硝化菌的作用下，將氨態(tài)

30、氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮。硝化菌是化能自養(yǎng)菌，其生理活動不需要有機性營養(yǎng)物質(zhì)，它從CO2獲取碳源，從無機物的氧化中獲取能量。而生物脫氮的反硝化過程是在反硝化菌的作用下，將硝酸氮和亞硝酸氮還原為氣態(tài)氮。反硝化菌是異養(yǎng)兼性厭氧菌，它只能在無分子態(tài)氧的情況下，利用硝酸和亞硝鹽離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸還原，所以，環(huán)境因素對硝化和反硝化的影響并不相同。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) （1）硝化反應(yīng)的影響因素 有機碳源 硝化菌是自養(yǎng)型細(xì)菌，有機物濃度不是它的生長限制因素，故在混合液中的有機碳濃度不應(yīng)過高，一般BOD值應(yīng)在20mg/L以下。如果BOD濃度過高，就會使增殖速度較高的異養(yǎng)型細(xì)菌迅速繁殖，從而使自養(yǎng)型的硝化菌

31、得不到優(yōu)勢而不能成為優(yōu)占種屬，嚴(yán)重影響硝化反 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 應(yīng)的進(jìn)行。 污泥齡 為保證連續(xù)流反應(yīng)器中存活并維持一定數(shù)量和性能穩(wěn)定的硝化菌，微生物在反應(yīng)器中的停留時間。即污泥齡應(yīng)大于硝化菌的最小世代時間，硝化菌的最小世代時間是其最大比增長速率的倒數(shù)。脫氮工藝的污泥齡主要由亞硝酸菌的世代時間控制。因此污泥齡應(yīng)根據(jù)亞硝酸菌的世代時間來確定 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 實際運行中，一般應(yīng)取系統(tǒng)的污泥齡為硝化菌最小世代時間的三倍以上，并不得小于35d，為保證硝化反應(yīng)的充分進(jìn)行，污泥齡應(yīng)大于10d 溶解氧 氧是硝化反應(yīng)過程中的電子受體，所以，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的高低必將影響硝化的進(jìn)程，一般應(yīng)維持混合

32、液的溶解氧濃度為23mg/L，溶解氧濃度為0.50.7mg/L是硝化菌可以承受的極限。有關(guān)研究表明，當(dāng)DO2mg/L時，氨氮有可能完全硝 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 化但需要過長的污泥齡，因此，硝化反應(yīng)設(shè)計的溶解氧濃度2mg/L。 對于同時去除有機物和進(jìn)行硝化反硝化的工藝，硝化菌約占活性污泥的5左右，大部分硝化菌將處于生物絮體的內(nèi)部。在這種情況下，溶解氧濃度的增加將會提高溶解氧對生物絮體的穿透力，從而提高硝化反應(yīng)速率。因此，在污泥齡短時，由于含碳有機物氧化速率的 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 增加，致使耗氧速率增加，減少了溶解氧對生物絮體的穿透力，進(jìn)而降低了硝化反應(yīng)運率；相反，在污泥齡長的情況下，耗

33、氧速率較低，即使溶解氧濃度不高，也可以保證溶解氧對生物絮體的穿透作用，從而維持較高的硝化反應(yīng)速率。所以，當(dāng)污泥齡降低時，為維持較高的硝化速率，則相應(yīng)地提高溶解氧的濃度。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 溫度 溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性。硝化反應(yīng)的適宜溫度范圍是2030。表6-5列出了不同溫度下亞硝酸菌的最大比增大速率N值，從表中可以看出，N值與溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程，即溫度每升高10。N值增加一倍。在535的范圍內(nèi)，硝化的反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，但達(dá)到30時增加幅度減少，因為當(dāng)溫度超過30時，蛋白質(zhì)的環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 變性降低了硝化菌的活性。當(dāng)溫度

34、低于5時，硝化細(xì)菌的生命活動幾乎停止。 pH值 硝化菌對pH值的變化非常敏感，最佳pH值的范圍為7.58.5，當(dāng)pH值低于7時，硝化速率明顯降低，當(dāng)pH值低于6或高于9.6時，硝化反應(yīng)將停止環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 進(jìn)行。由于硝化反應(yīng)中每消耗 1g氨氮要消耗堿度7.14g，如果污水氨氮濃度為20 mg/L，則需消耗堿度143 mg/L。一般地，污水對于硝化反應(yīng)來說，堿度往往是不夠的，因此，應(yīng)投加必要的堿量，以維持適宜的pH值，保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行。 C/N比 在活性污泥系統(tǒng)中，硝化菌只占活性污泥微生物的5左右，這是因為與異養(yǎng)型細(xì)菌相 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 比，硝化菌的產(chǎn)率低，比增長速率小

35、。而BOD5/TKN值的不同，將會影響到活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌與硝化菌對底物和溶解氧的競爭，從而影響脫氮效果。一般認(rèn)為處理系統(tǒng)的BOD負(fù)荷低于0.15gBOD5/ (gMLSSd)，處理系統(tǒng)的硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。 有害物質(zhì) 對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的有害物質(zhì)主要有重金屬，高濃度的NH4N、NOxN絡(luò)合 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 陽離子和某些有機物。有害物質(zhì)對硝化反應(yīng)的抑制作用主要有兩個方面：一是干擾細(xì)胞的新陳代謝，這種影響需長時間才能顯示出來；二是破壞細(xì)菌最初的氧化能力，這種影響在短時間里即會顯示出來。一般來說，同樣的毒物對亞硝酸菌的影響比對硝酸菌的影響強烈。對硝化菌有抑制作用的重金屬有Ag、H

36、g、Ni、Cr、Zn等，毒性作用由強到弱，當(dāng)pH值由較高到低時，毒性由弱到強。而一些含氮、硫元素的物質(zhì)也具有毒性如， 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 硫脲、氰化物、苯胺等其他物質(zhì)如酚、氟化物、CIO4、K2CrO4、三價砷等也具有毒性，一般情況下，有毒物質(zhì)主要抑制亞硝酸菌的生長，個別物質(zhì)主要抑制硝酸菌的生長。（2）反硝化反應(yīng)的影響因素 有機碳源 反硝化菌為異養(yǎng)型兼性厭氧菌，所以反硝化過程需要提供充足的有機碳源，通常以污水中的有機物環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 或者外加碳源(如甲醇)作為反硝化菌的有機碳源。碳源物質(zhì)不同，反硝化速率也將不同。表6- 6出了一些碳源物質(zhì)的反硝化速率。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)

37、 目前，通常是利用污水中有機碳源，因為它具有經(jīng)濟、方便的優(yōu)點。一般認(rèn)為，當(dāng)污水中的BOD5T-N值35時，即可認(rèn)為碳源是充足的，不需外加碳源，否則應(yīng)投加甲醇(CH3OH)作為有機碳源，它的反硝化速率高，被分解后的產(chǎn)物為CO2和H2O，不留任何難以降解的中間產(chǎn)物，其缺點是處理費用高。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) pH值 pH值是反硝化反應(yīng)的重要影響因素，反硝化過程最適宜的pH值范圍為6575，不適宜的pH值會影響反硝化菌的生長速率和反硝化酶的活性。當(dāng)pH值低于6.0或高于8.0時，反硝化反應(yīng)將受到強烈抑制。由于反硝化反應(yīng)會產(chǎn)生堿度這有助于將pH值保持在所需范圍內(nèi)，并可補充在硝化過程中消耗的一部分堿度

38、。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 溫度 反硝化反應(yīng)的適宜溫度為2040。低于15時，反硝化菌的增殖速率降低，代謝速率也降低，從而降低了反硝化速率。溫度對反硝化速率的影響可用阿累尼烏斯方程表示：環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式中：qD (T)溫度為T時的反硝化速率，gNO3N/(gVSSd)； qD (20)溫度為20時的反硝化速率，gNO3N/(gVSSd)； 溫度系數(shù)，一般1.031.15，設(shè)計時可取=1.09。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 研究結(jié)果表明：溫度對反硝化反應(yīng)的影響與反硝化設(shè)備的類型有關(guān)，表中列出了不同溫度對幾種反硝化構(gòu)筑物反硝化速率的影響。由表6-7看出，溫度對生物流化床反硝化的影響比生物轉(zhuǎn)

39、盤和懸浮活性污泥要小得多。當(dāng)溫度從20降到5時，為達(dá)到相同的反硝化效果，生物流化床的水力停留時間提高到了原來的2.1倍，而采用生物轉(zhuǎn)盤和活性污泥法，水力停留時間則分別為原來的4.6倍和4.3倍。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 研究結(jié)果還表明：硝酸鹽負(fù)荷率高，溫度的影響也高；反之，則溫度影響低。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 溶解氧 反硝化菌是兼性，既能進(jìn)行有氧呼吸，也能進(jìn)行無氧呼吸。含碳有機物好氧生物氧化時所產(chǎn)生的能量高于厭氧反硝化時所產(chǎn)生的能量，這表明，當(dāng)同時存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時，優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有機物而抑制了硝酸鹽的還原。所以，為了保證反硝化過程的順利進(jìn)行，必須保持嚴(yán)格的缺氧狀態(tài)。

40、微生物從有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧呼吸的關(guān)鍵是 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 合成無氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會抑制這類酶的合成及其活性。由于這兩方面的原因，溶解氧對反硝化過程有很大的抑制作用。一般認(rèn)為，系統(tǒng)中溶解氧保持在0.5 mg/L以下時，反硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。但在附著生長系統(tǒng)中，由于生物膜對氧傳遞的阻力較大，可以容許較高的溶解氧濃度。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 6.2.2生物除磷生物化學(xué)生物除磷生物化學(xué) 6.2.2.1 微生物除磷原理 （1）微生物除磷原理 生物除磷通常指的是在活性污泥或生物膜法處理廢水之后進(jìn)一步利用微生物去除水體中磷的技術(shù)。該技術(shù)主要利用聚磷菌等一類細(xì)菌，過量地、超出其生理需

41、要地從廢水中攝取磷，并將其以聚合態(tài)貯藏在體內(nèi)，形成高磷污泥而排出系統(tǒng)，而實現(xiàn)廢水除磷的目的。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 聚磷菌是一種適應(yīng)厭氧和好氧交替環(huán)境的優(yōu)勢菌群，在好氧條件下不僅能大旦吸收磷酸鹽合成自身的核酸和ATP，而且能逆濃度梯度地過量吸收磷合成貯能的多聚磷酸鹽。 聚磷菌能夠過量攝磷的原因可以解釋如下。廢水除磷工藝中同時存在的發(fā)酵產(chǎn)酸菌，能為其他的積磷菌提供可利用的基質(zhì)。處于厭氧和好氯交替變化的生物處理工藝中，在厭氧條件下，聚磷菌生長受到抑制，為了生長便釋放出其細(xì)胞中的聚磷酸鹽(以溶解性的磷酸鹽形 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 式釋放到溶液中)，同時釋放出能量。這些能量可用于利用廢水中簡單的

42、溶解性有機基質(zhì)時所需。在這種情況下，聚磷菌表現(xiàn)為磷的釋放，即磷酸鹽由微生物體內(nèi)向廢水的轉(zhuǎn)移。當(dāng)上述微生物繼而進(jìn)入好氧環(huán)境后，它們的活力將得到充分的恢復(fù)，并在充分利用基質(zhì)的同時，從廢水中大量攝取溶解態(tài)的正磷酸鹽，在聚磷菌細(xì)胞內(nèi)合成多聚磷酸鹽，如具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 三偏磷酸鹽和四偏磷酸鹽M nPnO3n；以及具有線狀結(jié)構(gòu)的焦磷酸始和不溶性結(jié)晶聚磷Mn+2PnO3n；具有橫聯(lián)結(jié)構(gòu)的過磷酸鹽等，并加以積累。這種對磷的積累作用大大超過了微生物正常生長所需的磷量，可達(dá)細(xì)胞質(zhì)量的68。而且有研究證明聚3羥基丁酸鹽比聚3羥基戊酸鹽更能夠影響聚磷菌的好氧攝磷。聚磷菌在厭氧條件下不但能分解外

43、界的有機物，還能通過分解體內(nèi)的聚磷來獲取生長繁殖所需的能量。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 圖68為聚磷菌利用乙酸基質(zhì)在厭氧和好氧條件下的代謝過程。在厭氧條件下。積磷菌將體內(nèi)儲藏的聚磷分解，產(chǎn)生的磷酸鹽進(jìn)入液體中(放磷)，同時產(chǎn)生的能量可供積磷菌在厭氧條件下生理活動之需；另一方面用于主動吸收外界環(huán)境中的可溶性脂肪酸，在菌體內(nèi)以聚羥丁酸(PHB)的形式貯存。細(xì)胞外的乙酸轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)生成乙酰CoA的過程也需要耗能，這部分能量來自菌體內(nèi)環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 聚磷的分解，聚磷分解會導(dǎo)致可溶性磷酸鹽從菌體內(nèi)的釋放和金屬陽離子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) （2）聚磷微生物 一般聚磷微生物可以分為三

44、大類，即不動細(xì)菌屬、具有硝化或反硝化能力的聚磷菌以及假單胞菌屬(Pseudomonas)和氣單胞菌屬(Aerodomonas)等其他聚磷菌。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 聚磷菌一般只能利用低級脂肪酸(如乙酸等)，而不能直接利用大分子的有機基質(zhì)，因此大分子物質(zhì)需降解力小分子物質(zhì)。如果降解作用受到抑制，則聚磷菌難以利用放磷中產(chǎn)生的能量來合成聚-羧基丁酸鹽(PHB)顆粒，因而也難以在好氧階段通過分解PHB來獲得足夠的能量過量地攝磷和積磷，從而影響系統(tǒng)的處理效率。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) （3）除磷過程 廢水的生物除磷工藝過程中通常包括兩個反應(yīng)器：一個是厭氧放磷；另一個為好氧吸磷。圖6-94和圖6-10分別為活性污泥法生物除磷的工藝流程和在工藝過程中厭氧放磷和好氧吸磷的生化機理。環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 厭氧放磷 污水生物處理中，主要是將有機磷轉(zhuǎn)化稱正磷酸鹽，聚合磷酸鹽也被水解成正鹽形式。廢水的微生物除磷工藝中的好氧吸磷和除磷過程是以厭氧放磷過程為前提的。在厭氧條件下，聚磷菌體內(nèi)的AT