廢水的生化處理概述

第五章廢水生物處理基本原理

第六章好氧生物處理工藝——活性污泥法

第七章好氧生物處理工藝——生物膜法

第八章好氧生物處理工藝——其它工藝

第九章厭氧生物處理工藝

第十章營養(yǎng)元素的生物去除（原理與工藝）

什么是“廢水生物處理”？

“廢水生物處理”的主要內(nèi)容是什么？

學(xué)習(xí)“廢水生物處理”后，能做什么？什么是“廢水生物處理”？

廢水中不同類型的污染物需要采用不同的處理方法和工藝進行處理；

廢水生物處理的對象主要是：兩大類污染物：有機物；營養(yǎng)元素——氮和磷

兩大類廢水：

生活污水或城市污水有機工業(yè)廢水

廢水生物處理的主體是微生物例1：生活污水或城市污水的處理進水水質(zhì)：COD

400mg/lBOD

200mg/lSS

200mg/l出水水質(zhì)：COD

40mg/lBOD

15mg/lSS

20mg/l排放標(biāo)準(zhǔn)：COD

60mg/lBOD

20mg/lSS

20mg/l例1：生活污水或城市污水的處理污泥的厭氧消化活性污泥系統(tǒng)高碑店污水處理廠的工藝流程圖初沉池曝氣池二沉池一期二期污泥處理曝氣池活性污泥好氧微生物生物0.1mm鐘蟲小口鐘蟲草履蟲蓋纖蟲腎形蟲變形蟲活性污泥中的后生動物輪蟲線蟲活性污泥中的原生動物活性污泥中的菌膠團曝氣池好氧生物處理新工藝辦公樓二期預(yù)留地進水泵房SBR池格柵、沉砂鼓風(fēng)機房污泥井污泥脫水機房鍋爐房SBR工藝、CAST工藝SBR工藝SBR池鼓風(fēng)機房潷水器污泥脫水機房鍋爐房潷水器好氧生物處理新工藝氧化溝工藝(ORBAL氧化溝)曝氣轉(zhuǎn)刷曝氣轉(zhuǎn)刷曝氣轉(zhuǎn)碟Carrousel氧化溝曝氣葉輪好氧生物處理新工藝——曝氣生物濾池（BAF）格柵間預(yù)處理一級曝氣生物濾池一級曝氣生物濾池二級曝氣生物濾池進水泵房曝氣生物濾池（BAF工藝）二級曝氣生物濾池一級曝氣生物濾池例2：啤酒廢水的生物處理進水水質(zhì)：COD

2500mg/lBOD

1200mg/lSS

200mg/l排放標(biāo)準(zhǔn)：COD

150mg/lBOD

30mg/lSS

70mg/l出水水質(zhì)：COD

50mg/lBOD

50mg/lSS

50mg/l例2：啤酒廢水的生物處理武漢東湖啤酒廠廢水處理工程的工藝流程圖格柵井調(diào)節(jié)池污泥脫水機房泥餅外運沼氣貯柜

圖例UASB反應(yīng)器氧化溝污水管線污泥管線沼氣管線回流管線沉淀池濃縮池集泥井武漢歐聯(lián)東西湖啤酒廢水處理流程圖出水水封罐脫硫塔原廢水厭氧生物處理好氧生物處理沼氣收集污泥處理武漢東西湖啤酒廠厭氧UASB反應(yīng)器好氧氧化溝武漢東西湖啤酒廠UASB的工作原理圖——Paques公司顆粒污泥成熟后的掃描電鏡照片（運行180天）本課程的目的與內(nèi)容介紹廢水生物處理的基本原理——理論知識:幾種主要廢水生物處理方法的基本原理；廢水生物處理過程的主要影響因素；廢水處理過程中的反應(yīng)動力學(xué)；等。介紹各種廢水生物處理工藝——工藝常識：各種廢水生物處理的工藝流程、特點及典型參數(shù)；等。介紹與廢水生物處理有關(guān)的設(shè)計計算、工程設(shè)計以及有關(guān)的工程實例——工程實踐：生物反應(yīng)池的有效容積、污泥濃度、曝氣量、產(chǎn)氣量、剩余污泥產(chǎn)量；等。主要內(nèi)容廢水的生化處理概述第五章廢水生物處理基本原理第六章好氧生物處理工藝——活性污泥法第七章好氧生物處理工藝——生物膜法第八章好氧生物處理工藝——其它工藝第九章厭氧生物處理工藝第十章營養(yǎng)元素的生物去除（原理與工藝）廢水生物處理的基本概念

1

生物處理的基本概念

2

生物處理法在廢水處理中的地位

3生物處理法的分類1

生物處理的基本概念1.1生物處理的目的和重要性

廢水生物處理的目的：絮凝和去除廢水中不可自然沉淀的膠體狀固體物

穩(wěn)定和去除廢水中的有機物去除營養(yǎng)元素氮和磷1

生物處理的基本概念廢水生物處理的重要性：

城市污水中約有60%以上的有機物只有用生物法去除才最經(jīng)濟；廢水中氮的去除一般來說只有依靠生物法；目前世界上已建成的城市污水處理廠有90%以上是生物處理法；大多數(shù)工業(yè)廢水處理廠也是以生物法為主體的。1.2

微生物在廢水生物處理中的作用

去除有機物（以COD或BOD5表示），去除其它無機營養(yǎng)元素如N、P等絮凝沉淀和降解膠體狀固體物穩(wěn)定有機物1.3

微生物代謝過程簡介有機物微生物新細(xì)胞物質(zhì)CO2、H2O生物殘渣內(nèi)源呼吸分解合成微生物代謝所需要的幾個基本要素：

能源；

碳源；

無機營養(yǎng)元素——N、P、S、K、Ca、Mg等

有機營養(yǎng)物（生長因子，如維生素、生物素等）廢水生物處理涉及的微生物代謝過程：

化能異養(yǎng)型代謝

化能自養(yǎng)型代謝

光能自養(yǎng)型代謝

光能異養(yǎng)型代謝化能異養(yǎng)型代謝有機碳終產(chǎn)物營養(yǎng)物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì)能量有機殘渣內(nèi)源呼吸分解代謝合成代謝化能自養(yǎng)型代謝無機碳終產(chǎn)物營養(yǎng)物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì)能量有機殘渣還原態(tài)無機物氧化態(tài)無機物內(nèi)源呼吸分解代謝合成代謝光能自養(yǎng)型代謝無機碳營養(yǎng)物質(zhì)細(xì)胞合成太陽光能量終產(chǎn)物有機殘渣內(nèi)源呼吸光合作用合成代謝1.4廢水生物處理中的重要微生物微生物非細(xì)胞形態(tài)的微生物細(xì)胞形態(tài)的微生物病毒、噬菌體真核生物酵母菌原生動物后生動物原核生物細(xì)菌放線菌藍(lán)藻（藍(lán)細(xì)菌）真菌霉菌藻類1.4生物處理中的重要微生物細(xì)菌——是廢水生物處理工程中最主要的微生物

真細(xì)菌(eubacteria)、古細(xì)菌(archaebacteria)

根據(jù)需氧情況不同：

好氧細(xì)菌、兼性細(xì)菌、厭氧細(xì)菌；

根據(jù)能源碳源利用情況的不同：

光合細(xì)菌——光能自養(yǎng)菌、光能異養(yǎng)菌； 非光合細(xì)菌——化能自養(yǎng)菌、化能異養(yǎng)菌

根據(jù)生長溫度的不同：低溫菌(

10~15oC)、中溫菌(15~45oC)、高溫菌(>45oC)1.4生物處理中的重要微生物真菌：特點：

1)能在低溫和低pH值的條件生長

2)在生長過程中對氮的要求較低（1/2）

3)能降解纖維素。應(yīng)用：

1)處理某些特殊工業(yè)廢水

2)固體廢棄物的堆肥處理1.4生物處理中的重要微生物原生動物：原生動物主要以細(xì)菌作為食物；種屬與數(shù)量的變化，與出水水質(zhì)相關(guān)，可作為指示生物。后生動物：后生動物以原生動物和細(xì)菌作為食物；也可作為指示生物。2

生物處理法在廢水處理中的地位2.1有機物在廢水中的存在形式及其主要去除方法顆粒狀有機物(>1

m)：可采用機械沉淀法去除膠體狀有機物(1nm~100nm)：不能用機械沉淀法去除溶解性有機物(<1nm)：以分散的分子狀態(tài)存在于水中2.2廢水處理程度的分級一級處理——預(yù)處理或前處理；二級處理——生物處理；三級處理——深度處理城市污水處理廠的典型流程北京市酒仙橋污水處理廠一級處理二級處理城市污水處理廠的典型流程污泥回流原廢水粗細(xì)格柵進水泵房沉砂池初沉池曝氣池二沉池接觸池出水泥餅外運集泥井污泥回流泵房污泥濃縮池一級消化池二級消化池污泥脫水機房空氣CL2或其它消毒劑絮凝劑上清液回流二級處理一級處理三級處理2.2廢水處理程度的分級一級處理：去除效果：EBOD

30%,ESS

50%功能：去除大顆粒狀有機物，以減輕后續(xù)生物處理的負(fù)擔(dān)；調(diào)節(jié)水量、水質(zhì)、水溫等，有利于后續(xù)的生物處理。主要方法：物化法沉砂、沉淀、氣浮、除油、中和、調(diào)節(jié)、加熱或冷卻等2.2廢水處理程度的分級二級處理：去除效果：EBOD

85~90%，ESS

90%功能：大量去除膠體狀和溶解狀有機物，保證出水達標(biāo)排放方法：各種形式的生物處理工藝2.2廢水處理程度的分級三級處理：

目的：去除二級處理出水中殘存的SS、有機物，脫色、殺菌，脫氮、除磷——防止水體富營養(yǎng)化

方法：物化法——超濾、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；生物法——生物脫氮除磷、生物陶粒、生物活性炭、曝氣生物濾池等2.3我國水環(huán)境中有機物污染現(xiàn)狀廢水排放量巨大

——總廢水量達400億m3(1.1108m3/d)，其中工業(yè)廢水和城市生活污水各近50%，處理率低主要污染物是有機物和氮磷營養(yǎng)鹽

我國城市污水處理概況

年份污水廠處理能力處理率

1921

上海北區(qū)污水廠4104m3/d

1926上海東、西區(qū)污水廠到1980全國238個城市,僅有16個建有39個污水廠

85104m3/d1.7%其中二級處理廠19.3萬m3/d0.39%到1985年底33個城市，63個污水廠220104m3/d2.2%其中一級處理廠20個73104m3/d0.66%二級處理廠43個147104m3/d1.54%到1996年底全國640多個城市,共建有160多個污水廠812104m3/d6.7%

目前，在全國范圍內(nèi)已經(jīng)建成很多城市廢水處理廠，估計目前我國的城市廢水處理率已經(jīng)達到20%。我國已有的大型污水處理廠

年份污水廠處理能力1985天津紀(jì)莊子污水廠26104m3/d1990北京高碑店污水廠50104m3/d(一期，90～93)100104m3/d(二期，95～99)1994天津東郊污水廠34104m3/d其它西安大白楊污水廠32104m3/d南京污水廠26104m3/d上海天山污水廠10.5104m3/d杭州四堡污水廠20104m3/d福州洋里污水廠20104m3/d污染物的主要來源：生活污水：COD=400~500mg/l,BOD5=200~300mg/l工業(yè)廢水：輕工、食品、石油化工等

啤酒廢水：8~20m3廢水/m3酒,COD=2000~3500mg/l

酒精廢水：12~15m3廢水/m3酒,COD=3~6萬mg/l

味精廢水：25~35m3廢水/噸味精,COD=6~10萬mg/l

造紙黑液：120~600m3廢水/噸紙漿,COD=10~15萬mg/l

生物處理與物化處理的比較去除對象工程造價運行費用操作靈活性間歇要求的技術(shù)水平3生物處理法的分類生物處理法天然生物處理人工生物處理生物穩(wěn)定塘土地處理系統(tǒng)好氧生物處理厭氧生物處理活性污泥法生物膜法傳統(tǒng)厭氧消化現(xiàn)代高速厭氧反應(yīng)器第五章廢水生物處理基本原理第一節(jié)微生物的呼吸作用第二節(jié)廢水好氧生物處理原理第三節(jié)廢水厭氧生物處理原理第四節(jié)廢水可生化性原理及其判別第五節(jié)微生物生長規(guī)律及其應(yīng)用第六節(jié)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)微生物的呼吸作用呼吸作用即微生物的異化作用，是微生物獲取生命活動所需能量的途徑。有氧氣參與的呼吸作用，稱為好氧呼吸；沒有氧氣參與的呼吸作用，稱為厭氧呼吸。呼吸作用是一系列的氧化/還原反應(yīng)。氧化物在生化反應(yīng)中被成為“受氫體”或“電子受體”。還原物在生化反應(yīng)中被成為“供氫體”或“電子供體”。在有機物的分解和合成中，存在著氫原子的轉(zhuǎn)移，因此呼吸作用按受氫體的不同來劃分。第一節(jié)微生物的呼吸作用——好氧呼吸特征：受氫體是分子氧。最終的產(chǎn)物是無機物，反應(yīng)徹底，因此也被稱為礦化。多數(shù)釋放能量水平高。實質(zhì)：好氧呼吸是脫氫和氧活化相結(jié)合的過程。根據(jù)供氫體不同，將好氧呼吸分為：異養(yǎng)型好氧呼吸自養(yǎng)型好氧呼吸異養(yǎng)型好氧呼吸和自養(yǎng)型好氧呼吸以有機物為底物（基質(zhì)）的好氧呼吸。以無機物為底物（基質(zhì)）的好氧呼吸。第一節(jié)微生物的呼吸作用——厭氧呼吸特征：受氫體非分子氧。氧化不徹底，多數(shù)僅僅只是分子結(jié)構(gòu)簡化，產(chǎn)物多是有機物。多數(shù)釋放能量水平低。實質(zhì)：多數(shù)的厭氧呼吸僅僅只是脫氫的過程。根據(jù)受氫體不同，將厭氧呼吸分為：發(fā)酵無氧呼吸第一節(jié)微生物的呼吸作用——發(fā)酵和無氧呼吸發(fā)酵：供氫體和受氫體均為有機物。產(chǎn)物為比原先底物結(jié)構(gòu)簡單的有機物。為了滿足能量需求，必然消耗更多的底物，或合成更少的新細(xì)胞物質(zhì)。無氧呼吸：以無機氧化物為受氫體（分子氧的替代品）。不同呼吸作用的比較從能量級看不同微生物的競爭優(yōu)勢異養(yǎng)型好氧呼吸自養(yǎng)型好氧呼吸發(fā)酵無氧呼吸好氧、厭氧和兼性微生物由于生存環(huán)境的不同，微生物可分為好氧微生物、厭氧微生物和兼性微生物。好氧微生物必須生活在有氧環(huán)境中，在有氧條件下，將有機物分解成二氧化碳和水。這個過程稱之為有機物的好氧分解。污水好氧處理就是好氧分解。（礦化）厭氧微生物必須生活在無氧環(huán)境中，在無氧條件下，將復(fù)雜的有機物分解成有機酸和二氧化碳等產(chǎn)物，這個過程稱為厭氧分解。污水的厭氧處理和污泥的厭氧消化是厭氧分解過程。兼性微生物既能在有氧環(huán)境中生活，也能在無氧環(huán)境中生長。在有氧環(huán)境中，對有機物進行好氧分解，在厭氧環(huán)境中，它們則能對有機物進行厭氧分解。第二節(jié)好氧生物處理的基本原理三要素目標(biāo)：穩(wěn)定化、無害化好氧生物處理有機物微生物分子氧一、好氧生物處理的基本生物過程：各類微生物細(xì)胞物質(zhì)的實驗分子式分別是：

細(xì)菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；

原生動物：C7H14NO3；后生動物：

C60H87O23N12P；C5H7O2NP0.06S0.1

CHONS+O2

CO2+H2O+NH3+SO42-+

+能量(有機物)

內(nèi)源呼吸（也稱細(xì)胞物質(zhì)的自身氧化）C、H、O、N、S+能量C5H7NO2

C5H7NO2+O2

CO2

+H2O+NH3+SO42-+

+能量

合成反應(yīng)（也稱合成代謝、同化作用）

分解反應(yīng)（又稱氧化反應(yīng)、異化作用、分解代謝）廢水好氧生物處理中異養(yǎng)微生物的代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有機物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+異養(yǎng)微生物O2＋能量凈增細(xì)胞物質(zhì)內(nèi)源呼吸～80%～20%內(nèi)源呼吸殘留物O2無機代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥三要素廢水好氧生物處理中自養(yǎng)微生物的代謝途徑新的細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物+（N02

、NO3

、SO42

、Fe3+…）氧化合成污水中的無機污染物(NH3、NO2

、H2S、Fe2+…)+自養(yǎng)菌O2能量內(nèi)源呼吸內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量（CO2、H2O、NH3、SO42

…）內(nèi)源呼吸殘留物O2CO2凈增細(xì)胞物質(zhì)無機代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥分解與合成的相互關(guān)系：1）二者相互依賴，不可分：a）分解過程為合成提供能量和前體物，而合成則為分解提供物質(zhì)基礎(chǔ)；b）分解過程是一個產(chǎn)能過程，合成過程則是一個耗能過程。能量能量ATPADP+Pi分解合成分解代謝能量ATPADP+PiATPADP+Pi2)對廢水中有機物的去除，二者都有重要貢獻；3)合成量的大小，對于后續(xù)污泥的處理有直接影響

（污泥的處理費用約占整個城市污水處理廠的40

50%）。不同形式的有機物被生物降解的歷程也不同：一方面：結(jié)構(gòu)簡單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進入細(xì)胞壁；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質(zhì)，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機物，再進入細(xì)胞內(nèi)。另一方面：有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會不同：如：糖類…脂類…蛋白質(zhì)…TCA循環(huán)二、影響好氧生物處理的主要因素1）溶解氧（DO）：

約1~2mg/l2）水溫：是重要因素之一，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，反應(yīng)、增殖速率加快；一般，溫度每升高10

C

，反應(yīng)速率會增高1倍細(xì)胞內(nèi)的如蛋白質(zhì)、核酸等對溫度很敏感，溫度突升或突降并超過一定限度時，會有不可逆的破壞；最適宜溫度15

30

C；

40

C

或

10

C后，會有不利影響注：圖中的縱標(biāo)為相對活性，以25

C為基準(zhǔn)。中溫帶好氧細(xì)菌厭氧細(xì)菌厭氧細(xì)菌溫度（

C）高溫帶相對活性影響好氧生物處理的主要因素（續(xù)）3)營養(yǎng)物質(zhì)：

細(xì)胞組成中，C、H、O、N約占90

97%，其余3

10%為無機營養(yǎng)元素，其中主要的有P

生活污水一般不需再投加營養(yǎng)物質(zhì)；

某些工業(yè)廢水需要投加營養(yǎng)物質(zhì)：好氧生物處理，應(yīng)按BOD5

N

P=100

5

1

投加N和P

厭氧生物處理，應(yīng)按COD

N

P=400

5

1

投加N和P

CODBD:N:P約為350:5:1或C:N:P＝130:5:1

其它無機營養(yǎng)元素：K、Mg、Ca、S、Na等；

微量元素：Fe、Co、Ni、Mo等；影響好氧生物處理的主要因素（續(xù)）4）pH值：

一般好氧微生物的最適宜pH在6.5

8.5之間；

pH

4.5時，真菌將占優(yōu)勢，引起污泥膨脹；

另一方面，微生物的活動也會影響混合液的pH值。

5）有毒物質(zhì)（抑制物質(zhì)）

重金屬：蛋白質(zhì)的沉淀劑（變性；失活）

氰化物：

H2S或硫化物：

鹵族元素及其化合物：

酚、醇、醛：使蛋白質(zhì)變性或脫水

染料：活性污泥系統(tǒng)中有毒物質(zhì)的最高允許濃度：有毒物質(zhì)允許濃度(mg/l)有毒物質(zhì)允許濃度(mg/l)銅化合物(以Cu計)0.5

1.0苯10鋅化合物(以Zn計)5

13氯苯10鎳化合物(以Ni計)2對苯二酚15鉛化合物(以Pb計)1.0間苯二酚450銻化合物(以Sb計)0.2鄰苯二酚100鎘化合物(以Cd計)1

5間苯三酚100釩化合物(以V計)5鄰苯三酚100銀化合物(以Ag計)0.25苯胺100鉻化合物(以Cr計)2

5二硝基甲苯12

(以Cr3+計)2.7甲醛160

(以Cr6+計)0.5乙醛1000硫化物(以S2-計)5

25二甲苯7

(以H2S計)20甲苯7氫氰酸氰化鉀1

8氯苯10硫氰化物36吡啶400砷化合物(以As3+計)0.7

2.0烷基苯磺酸鹽15汞化合物(以Hg計)0.5甘油5

影響好氧生物處理的主要因素（續(xù)）6）有機負(fù)荷率：概念：單位質(zhì)量的微生物在單位時間內(nèi)所承擔(dān)的有機物的量；

當(dāng)有機負(fù)荷率超過微生物的能力范圍時，不利于微生物的生長和活性的發(fā)揮，也不利于有機污染物的降解。

7）氧化還原電位：

好氧細(xì)菌：+300

400mV，至少要求大于+100mV。

厭氧細(xì)菌：

+100mV，

嚴(yán)格厭氧細(xì)菌：

100mV，甚至

300mV。

第三節(jié)厭氧生物處理的基本原理早期，被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵；實際上，是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性厭氧）微生物的共同作用下，使有機物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。一、厭氧消化過程的基本生物過程厭氧反應(yīng)過程中的階段性①兩階段理論②三階段理論③四階段理論厭氧消化的兩階段理論水解細(xì)菌產(chǎn)酸菌有機物小分子有機物酸性發(fā)酵階段產(chǎn)甲烷菌脂肪酸、醇類、

H2、CO2CO2、CH4堿性發(fā)酵階段l發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；l主要功能：水解和酸化，l主要產(chǎn)物：脂肪酸、醇類、CO2和H2等；l主要的微生物：統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；l主要特點有：1）生長快，2）適應(yīng)性（溫度、pH等）強。水解細(xì)菌產(chǎn)酸菌有機物小分子有機物酸性發(fā)酵階段產(chǎn)甲烷菌脂肪酸、醇類、

H2、CO2CO2、CH4堿性發(fā)酵階段l產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；l產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2；l主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷細(xì)菌；l其特點有：1）生長慢；2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感。厭氧消化的兩階段理論厭氧消化的三階段理論兩階段理論的存在問題：研究表明，產(chǎn)甲烷菌只能利用一些簡單有機物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，而不能利用含兩個碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類。70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，實際上是由兩種細(xì)菌共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2，另一種細(xì)菌利用H2和CO2產(chǎn)生CH4；因而，提出了“三階段理論”。三階段理論說明：1)I、II、III為三階段理論，

2)I、II、III、IV為四類群理論；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌II乙酸H2+CO2同型產(chǎn)乙酸菌IV脂肪酸、醇類有機物發(fā)酵性細(xì)菌ICH4+CO2III產(chǎn)甲烷菌厭氧消化的三階段理論

水解、酸化階段：

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；

產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；

一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。三、厭氧消化過程的影響因素l產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響因素時主要討論影響產(chǎn)甲烷菌的各項因素；l主要因素有：溫度和pH氧化還原電位

有毒物質(zhì)影響因素營養(yǎng)條件

F/M比1、溫度溫度對厭氧微生物的影響十分顯著：厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（高溫菌）、嗜溫菌(中溫菌)；相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化（55

C左右）和中溫消化（35

C左右）。高溫消化高溫消化的反應(yīng)速率約為中溫消化的1.5～1.9倍，產(chǎn)氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低；當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大），因此可以在常溫條件下（20～25

C）進行，以節(jié)省能量和運行費用。2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素之一：產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化非常敏感，最適pH值范圍為6.8～7.2，在<6.5或>8.2時，產(chǎn)甲烷菌會受到嚴(yán)重抑制，并可能導(dǎo)致整個厭氧消化過程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進水pH值、進水水質(zhì)（有機物濃度、種類等）、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加，將消耗HCO3-，使pH下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用可消耗脂肪酸，且還會產(chǎn)生HCO3-

，使系統(tǒng)的pH值回升；堿度的作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持pH值；厭氧體系一旦發(fā)生酸敗，則需要很長的時間才能恢復(fù)。3、氧化還原電位(ORP)：l嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進行正常生理活動的基本條件。非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100～

100mv的環(huán)境正常生長和活動；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為

150～

400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于

330mv；4、營養(yǎng)要求：l厭氧微生物對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其一般要求大于COD：N：P=200：5：1；（文獻表明800：5：1也可進行）配比的時候400：5：1l多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時需要投加：

①K、Na、Ca等金屬鹽類；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有機微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。5、F/M比：l厭氧生物處理的有機負(fù)荷很高，達5～10kgCOD/m3.d，甚至可達50～80kgCOD/m3.d；

——無傳氧的限制；

——更高的生物量。l產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，二者之間的平衡不易控制，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機負(fù)荷；l高的有機容積負(fù)荷的前提是高的生物量，相應(yīng)的污泥負(fù)荷仍然較低；l高的有機容積負(fù)荷可縮短HRT，減小反應(yīng)器容積。6、有毒物質(zhì)：——抑制性物質(zhì)

硫化物或硫酸鹽

氨氮

重金屬

氰化物

某些有機物①硫化物和硫酸鹽：l硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物；l可溶的硫化物達到一定濃度時，會對厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用；l投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。②氨氮：l氨氮是厭氧消化的緩沖劑；

l但濃度過高，則會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；l抑制濃度為50～200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會得到加強。其它抑制物:③重金屬：——使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。④氰化物：⑤有毒有機物：四、厭氧生物處理的主要特征主要優(yōu)點：污泥產(chǎn)量低；——厭氧微生物的增殖速率低，——產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率系數(shù)Y為0.15～0.34kgVSS/kgCOD，——產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率系數(shù)Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，——好氧微生物的產(chǎn)率系數(shù)約為0.5～0.6kgVSS/kgCOD。厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的某些有機物進行降解或部分降解；能耗低，且還可能回收生物能（沼氣）；四、厭氧生物處理的主要特征主要缺點：反應(yīng)過程較為復(fù)雜——厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物過程；對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感；出水水質(zhì)較差，需進一步利用好氧法進行處理；氣味較大；對氨氮的去除效果不好；等好氧與厭氧比較——適用范圍*項目好氧工藝厭氧工藝構(gòu)筑物容積（土建成本）*抗沖擊負(fù)荷最終出水水質(zhì)臭氣有價值的副產(chǎn)品*污泥處理費用運行成本（能耗）*適用有機物種類小差達標(biāo)少無大量剩余污泥高較少大強不易達標(biāo)多沼氣少量剩余污泥低較多第三節(jié)廢水可生化性和可生化程度的判別定義：

1）某種廢水或有機物能否用生物處理法進行處理；如果可以處理，其難易程度如何？2）生物降解性能是指在微生物作用下，使某一物質(zhì)改變原來的化學(xué)和物理性質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上引起的變化程度。兩個概念：某種廢水的可生化性？某種有機物的可生化性？有機物可生化性的分級：

1）初級生物降解——

指有機物原來的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分變化，改變了分子的完整性；

2）環(huán)境可接受的生物降解——

指有機物失去了對環(huán)境有害的特性；

3）完全降解——

在好氧條件下，有機物被完全無機化；在厭氧條件下，有機物被完全轉(zhuǎn)化為CH4、CO2等。有機物或廢水可生化性的分類：易生物降解——易于被微生物作為碳源和能源物質(zhì)而利用；可生物降解——能夠逐步被微生物所利用難生物降解——降解速率很慢或根本不降解。判別廢水可生化性的實驗方法：1根據(jù)氧化所耗氧量：（1）水質(zhì)指標(biāo)法；（2）相對耗氧速率法2根據(jù)有機物的去除效果3根據(jù)CO2產(chǎn)量4根據(jù)微生物生理生化指標(biāo)根據(jù)氧化所耗氧量（1）水質(zhì)指標(biāo)法：

BOD5/COD值或BOD28/ThOD；

BOD5/COD值

0.4

易生化處理；

0.25

BOD5/COD值

0.4可生化處理；

BOD5/COD值

0.2

難生化處理。優(yōu)點：簡單。缺點：有時候出現(xiàn)偏差。

（2）（相對）耗氧速率法：基本原理：通過有機物或廢水的生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線的比較，來判斷有機物或廢水的可生化性。儀器：瓦呼儀。時間（h）累積耗氧量內(nèi)源呼吸線抑制性物質(zhì)可生化物質(zhì)無毒、不可生化瓦呼儀示意圖

根據(jù)有機物的去除效果：

a）靜置燒瓶篩選試驗；b）振蕩培養(yǎng)試驗法；

c）半連續(xù)活性污泥法；d）活性污泥模型試驗

根據(jù)CO2產(chǎn)量：斯特姆測試法：用活性污泥上清液作接種，28天，25

C，以CO2產(chǎn)量占理論CO2產(chǎn)量的百分率來進行判斷

根據(jù)微生物生理生化指標(biāo)：

ATP測試法、脫氫酶測試法、細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)平板計數(shù)測試法等廢水可生化性的其他實驗方法：影響有機物生物降解性能的因素：

化學(xué)物質(zhì)的自身性質(zhì)，如：化學(xué)組成、理化性質(zhì)、濃度、與它種基質(zhì)的共存情況等；

接種微生物的種類和性質(zhì)，如：微生物的來源、數(shù)量、種屬間的關(guān)系等；

環(huán)境因素，如pH值、DO、溫度、營養(yǎng)物等。第五節(jié)微生物生長規(guī)律及其應(yīng)用純菌株培養(yǎng)條件下的生長曲線微生物增殖與活性污泥的增長實際應(yīng)用——生產(chǎn)指導(dǎo)意義純菌株培養(yǎng)條件下的生長曲線按生長速度的情況，生長曲線可分為四個時期，見圖。停滯期(調(diào)整期)對數(shù)期(生長旺盛期)

靜止期(平衡期)

衰老期(衰亡期)對數(shù)期停滯期靜止期衰老期培養(yǎng)時間細(xì)菌數(shù)的對數(shù)活菌數(shù)總菌數(shù)死菌數(shù)微生物增殖與活性污泥的增長微生物增殖：

在污水處理系統(tǒng)或曝氣池內(nèi)微生物的增殖規(guī)律與純菌種的增殖規(guī)律相類似，即：停滯期（適應(yīng)期）對數(shù)期靜止期（減速增殖期）衰亡期（內(nèi)源呼吸期）對數(shù)期停滯期靜止期衰老期培養(yǎng)時間細(xì)菌數(shù)的對數(shù)活菌數(shù)總菌數(shù)死菌數(shù)不同增殖期對應(yīng)于不同微生物組合，也對應(yīng)于不同生物處理工藝。微生物的增長與遞變規(guī)律由前至后：污染物濃度不斷降低，水質(zhì)逐步變好微生物數(shù)量由對數(shù)期逐步過渡至衰亡期微生物組成：由細(xì)菌逐步過渡為輪蟲類似于水體自凈這一污水處理原型。實際應(yīng)用——生產(chǎn)指導(dǎo)意義合理應(yīng)用微生物的生長階段馴化和接種鏡檢與其他指標(biāo)(COD和BOD等）比較，具有以下特點：快速及時；價廉；依賴經(jīng)驗；僅是定性反映。馴化后期污泥中菌膠團形態(tài)a.累枝蟲b.蓋纖蟲d.線蟲C.輪蟲第六節(jié)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識反應(yīng)速度和產(chǎn)率系數(shù)反應(yīng)級數(shù)米—門公式莫諾德模式反應(yīng)速度和產(chǎn)率系數(shù)反應(yīng)速度Substrate→y*X+z*Product產(chǎn)率系數(shù)y:mg(微生物）/mg(有機物）反應(yīng)級數(shù)定義：

k——反應(yīng)速率常數(shù)，單位不定；

n——反應(yīng)級數(shù)。求解——試驗數(shù)據(jù)處理：基本思路：線性化。雙對數(shù)法。lgv～lgS線性公式求解：最小二乘法底物濃度S～反應(yīng)時間t零級反應(yīng)：S=S0-kt一級反應(yīng)：lgS=lgS0-k’t二級反應(yīng)：S-1=S0-1+kt米—門公式

——酶反應(yīng)速率與底物濃度之間的關(guān)系Michaelis—Menton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說，通過理論推導(dǎo)和實驗驗證，提出了含單一基質(zhì)單一反應(yīng)的酶促反應(yīng)動力學(xué)公式，即米—門公式：

其中：Km——飽和常數(shù)，或半速常數(shù)；

vmax

——最大反應(yīng)速率。

E+SESE+P???米-門公式的圖示

vmaxKmv=vmax/2S0vKm的物理意義穩(wěn)態(tài)時的平衡常數(shù)。特征常數(shù)——只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃度無關(guān)。如果酶有幾種底物，則各有相應(yīng)的特定的Km。最適底物或天然底物。1/Km

——基質(zhì)親和力。???Km的測定試驗數(shù)據(jù)處理：基本思路：線性化。雙倒數(shù)法。V-1～S-1線性公式求解：最小二乘法。莫諾德模式

——微生物生長與底物濃度之間關(guān)系

1942年和1950年，Monod根據(jù)單一基質(zhì)、純菌種培養(yǎng)實驗，研究微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度之間的關(guān)系；發(fā)現(xiàn)與酶促反應(yīng)類似的規(guī)律。

提出微生物生長與底物濃度之間的動力學(xué)公式，即莫諾德模式：式中：

——微生物的比增殖速率，kgVSS/kgVSS.d；

max——基質(zhì)濃度飽和時，微生物的最大比增殖速率,kgVSS/kgVSS.d;

S——反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/L；

Ks——飽和常數(shù)，也稱半速常數(shù)。莫諾德模式的討論μmaxKS影響生物處理構(gòu)筑物運行的穩(wěn)定性易降解底物μmax大，KS小難降解底物μmax小，KS大莫諾德模式：

隨后發(fā)現(xiàn)，用由混合微生物群體組成的活性污泥對多種基質(zhì)進行微生物增殖實驗，也取得了符合這種關(guān)系的結(jié)果。

在微生物比增殖速率與底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：莫諾德模式則與比增殖速率相對應(yīng)的比底物降解速率也可以用類似公式表示，即：

式中：S——底物的濃度；對于廢水處理來說，有機物的降解是其基本目的，因此上式的實際意義更大。莫諾德模式的圖示

一級反應(yīng)區(qū)過渡區(qū)

零級反應(yīng)區(qū)莫諾德方程式的推論：(1)在高底物濃度的條件下，即S>>Ks，呈零級反應(yīng)，則有：

，

(2)在低底物濃度的條件下，即S<<Ks，則：第七節(jié)生物產(chǎn)率系數(shù)的估算***從生物力能學(xué)的角度估算各種條件下的生物產(chǎn)率系數(shù)；電子供體：在氧化還原反應(yīng)中，失去電子的化合物，即被氧化的物質(zhì)；電子受體：在氧化還原反應(yīng)中，得到電子的化合物，即被還原的物質(zhì)；在廢水的生物處理過程中，分解與合成作用的同時進行的，而且分解的目的是為合成作用提供其所需要的能量；從人類的角度，分解是第一位的；但從微生物的角度，合成才是第一位的。在廢水的生物處理過程中，廢水中污染物的去除是分解和合成的共同作用的結(jié)果；合成作用的基礎(chǔ)是合適的碳源、氮源以及能量；分解的基礎(chǔ)則是作為氧化分解的物質(zhì)，即能源物質(zhì)