第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)

第一節(jié)廢水處理微生物基礎(chǔ)第二節(jié)酶及酶反應(yīng)第三節(jié)微生物生長動力學(xué)第四節(jié)廢水的可生化性第五節(jié)廢水生化處理方法總論第一節(jié)

廢水處理微生物基礎(chǔ)

一、微生物的新陳代謝1．分解代謝高能化合物分解為低能化合物，物質(zhì)由繁到簡并逐級釋放能量的過程叫分解代謝或異化作用。2．合成代謝

微生物從外界獲得能量，將低能化合物合成生物體的過程叫合成代謝，或稱同化作用。

二、微生物生長的營養(yǎng)及影響因素

營養(yǎng)物對微生物的作用是：（1）提供合成細胞物質(zhì)時所需要的物質(zhì)；（2）作為產(chǎn)能反應(yīng)的反應(yīng)物，為細胞增長的生物合成反應(yīng)提供能源；（3）充當產(chǎn)能反應(yīng)所釋放電子的受氫體。所以微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細胞的各種元素和產(chǎn)生能量的物質(zhì)。影響微生物生長的因素最重要的是營養(yǎng)條件、溫度、PH值、需氧量以及有毒物質(zhì)。

1．微生物的營養(yǎng)

對好氧生物處理，BOD5:N:P=100:5:1，碳源以BOD5值表示，N以NH3-N計，P以PO43-中的P計；對厭氧消化處理，C/N比值在（1～20）：1的范圍內(nèi)時，消化效率最佳。2．反應(yīng)溫度微生物可分為高溫性（嗜熱菌）、中溫性、常溫性和低溫性（嗜冷菌）四類，如表12-1所示。表12-1各類微生物生長的溫度范圍類別最低溫度最適溫度最高溫度類別最低溫度最適溫度最高溫度高溫性中溫性30℃10℃50～60℃30～40℃70～80℃50℃常溫性低溫性5℃O℃10～30℃5～10℃40℃3O℃

3．pH值

一般好氧生化處理pH值可在6.5～8.5之間變化，厭氧生物處理要求較嚴格，pH值在6.7～7.4之間。因此，當排出廢水pH值變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池。

4．溶解氧好氧微生物在降解有機物的代謝過程中以分子氧作為受氫體，如果分子氧不足，降解過程就會因為沒有受氫體而不能進行，微生物的正常生長規(guī)律就會受到影響，甚至被破壞。厭氧微生物對氧氣很敏感，當有氧存在時，會形成H2O2積累，對微生物細胞產(chǎn)生毒害作用，使其無法生長。有毒物質(zhì)對微生物的毒害作用，主要表現(xiàn)在使細菌細胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及使菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。有毒物質(zhì)可分為：①重金屬離子（鉛、銅、鉻、砷、銅、鐵、鋅等）；②有機物類（酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等）；③無機物類（硫化物、氰化鉀、氯化鈉、硫酸根、硝酸根等）。return

5.有毒物質(zhì)酶是由活細胞產(chǎn)生的能在生物體內(nèi)和體外起催化作用的個物催化劑。酶有單成分酶和雙成分酶之分。單成分酶完全由蛋白質(zhì)組成，雙成分酶是由蛋白質(zhì)和活性原子基團相結(jié)合而成，蛋白質(zhì)部分為主酶，活性原子基團一般是非蛋白質(zhì)部分。此部分若與蛋白質(zhì)部分結(jié)合較緊密時，稱之為輔基，結(jié)合不牢固時，稱之為輔酶。

酶所具有的獨特性能：

①催化效率高。②專屬性。③對環(huán)境條件極為敏感。

第二節(jié)酶及酶反應(yīng)一、酶及其特點二、酶促反應(yīng)速度當?shù)孜餄舛仍谳^低范圍時，反應(yīng)速度與底物濃度成正比，為一級反應(yīng)。當廢物濃度增加到一定限度時，酶反應(yīng)速度達到最大值，再增加底物對反應(yīng)速度無影響，呈零級反應(yīng)，并說明酶已被廢物所飽和所有的酶都有此飽和現(xiàn)象，但各自達到飽和時所需的底物濃度并不相同。有時甚至差異很大。酶促反應(yīng)分兩步進行，首先酶與底物形成中間絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個反應(yīng)是可逆反應(yīng)，然后結(jié)合物再分解為產(chǎn)物和游離態(tài)酶。反應(yīng)過程可用下式表示：米氏方程米凱利斯和門坦提出了表示整個反應(yīng)過程中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間的關(guān)系式，稱為米凱利斯-門坦方程式，簡稱米氏方程，即1．米氏常數(shù)的意義

①Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)

②如果一種酶有幾種底物，則對每一種底物各有一個Km值.③同一種酶有幾種底物相應(yīng)有幾個Km值，其中Km值最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。

2.Km與Vmax的測定一般常用的圖解法為Lineweaver-Burk作圖法，也稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程式改寫為如下形式：關(guān)于米氏方程的幾點說明三、酶制劑對酶制劑用于廢水生物處理進行了大量研究，并得以應(yīng)用。如日本研究將具有分解氰能力的產(chǎn)減桿菌和無色桿菌制成氰分解酶，使氰分解成氨和碳酸，對處理電鍍含氰廢水和丙烯睛廢水很有效；利用脂肪酸、蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等混合酶處理生活污水等。目前還正尋找能分解有機汞、多氯聯(lián)苯、塑料和環(huán)狀有機化合物的酶。固相酶用于廢水處理，主要是將固相酶置于反應(yīng)器內(nèi)，作為濾床，讓廢水通過濾床，污染物質(zhì)被濾料上的酶催化分解。四、適應(yīng)酶微生物具有變異的特性，即遺傳的變異性。人們根據(jù)這一特點，人為地改變微生物的環(huán)境條件，使微生物在受到各種物理、化學(xué)等因素的影響后，發(fā)生變異，并在機體內(nèi)產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的酶，即適應(yīng)酶。人們就利用這個特性為生產(chǎn)服務(wù)。如活性污泥的培養(yǎng)馴化就是利用了這一特性，即在活性污泥的培養(yǎng)馴化過程中，不適應(yīng)廢水的微生物逐漸死亡，適應(yīng)該廢水的微生物逐漸增加，并在該種廢水的誘發(fā)下，在微生物的細胞內(nèi)產(chǎn)生適應(yīng)酶。按微生物生長速度不同，生長曲線可劃分為四個生長時期：第二節(jié)微生物生長動力學(xué)緩慢期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期一、微生物的生長規(guī)律1．微生物的增長速度

Monod

方程描述限制增長營養(yǎng)物的剩余濃度與微生物比增長率之間的關(guān)系為:式中μ——微生物比增長速度，時間-1；

μm——微生物最大比增長速度，時間-1；

S——溶液中限制生長的底物濃度，質(zhì)量/容積；

Ks——飽和常數(shù)。即當μ=μm/2時的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)，質(zhì)量/容積。二、微生物生長動力學(xué)2．微生物生長與底物利用速度微生物的增長速度與底物的降解速度有一個比例關(guān)系：式中：Y——微生物產(chǎn)率系數(shù)；——微生物總增長速度；

——底物利用速度；q——比底物利用速度。將式（12－12）代入式（12－13），可得式中qmax為最大比底物利用速度。

第四節(jié)廢水的可生化性一、廢水可生化性

①脂肪烴或正烷烴較芳香烴或環(huán)烷烴易降解；不飽和脂肪族化合物較易降解。

②直鏈的中長鏈烴的降解比短鏈烴易。

③烷烴中丙烷以上的碳化合物，隨著碳原子數(shù)量的增多降解越容易。

④不溶性物質(zhì)，如礦物油類，抗降解能力大。

⑤化合物的分子大小與可降解性有關(guān)，聚合物和復(fù)合物具有較大的抗降解能力，酶分子不能接近和破壞它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

⑥有機化合物異構(gòu)作用對可降解性有影響，化合物所含置換集團的性質(zhì)、數(shù)量和位置影響著可降解性。⑦當化合物主鏈上有非碳元素時，降解十分困難。⑧酚類是易于降解的，酮類介于醛、醇之間，但丁烯酮降解困難。以酚為代表的決大部分有機物低濃度時可以降解但在高濃度時毒性大將抑制微生物的生命活動。⑨廢水中污染物混合后若出現(xiàn)聚合，復(fù)合等現(xiàn)象將加大其抗降解能力。有毒物質(zhì)之間的混合也會增大毒性作用。⑩自然界中原有物質(zhì)較易降解，人工合成物質(zhì)則較難。

用BOD5／COD值評價廢水的可生化性是廣泛采用的一種最為簡易的方法。在一般情況下，BOD5／COD值愈大，說明廢水可生物處理性愈好。表12-5中所列數(shù)據(jù)評價廢水的可生化性。二、廢水可生化性的評價方法1、BOD5／COD值法表12-5廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)以TOD代表廢水中的總有機物含量要比COD準確，即用BOD5/TOD值來評價廢水的可生化性能得到更好的相關(guān)性。采用BOD5／TOD值評價廢水可生化性時，有些研究者推薦采用表12-6所列標準。2、BOD5/TOD值法表12-6廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)3、耗氧速率法

與b類耗氧曲線相應(yīng)的廢水是可生物處理的，在某一時間內(nèi)，b與a之間的間距愈大，廢水中的有機污染物愈易于生物降解。曲線b上微生物進入內(nèi)源呼吸時的時間tA，可以認為是微生物氧化分解廢水中可生物降解有機物所需的時間。在tA時間內(nèi)，有機物的耗氧量與內(nèi)源呼吸耗氧量之差，就是氧化分解廢水中有機污染物所需的氧量。(1)搖床試驗在培養(yǎng)瓶中加入馴化活性污泥、待測物質(zhì)及無機營養(yǎng)鹽溶液，在搖床上振搖，培養(yǎng)瓶中的混合液在搖床振蕩過程中不斷更新液面，使大氣中的氧不斷溶解于混合液中，以供微生物代謝有機物之用，經(jīng)過一定時間后，對混合液進行過濾或離心分離，然后測定清液的COD或BOD，以考察待測物質(zhì)去除效果。

(2)模型試驗指采用生化處理的模型裝置考察廢水的可生化性。模型裝置通常可分為間歇流和連續(xù)流反應(yīng)器兩種。4、搖床試驗與模型試驗第五節(jié)廢水生化處理方法總論生化處理方法主要可分為好氧處理和厭氧處理兩種類型。一、生化處理方法分類①起作用的微生物不同。好氧處理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厭氧處理是厭氧菌和兼性菌起作用。②產(chǎn)物不同。好氧處理中有機物被轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厭氧處理中有機物被轉(zhuǎn)化為CH4、NH3等。③反應(yīng)速率不同。好氧處理有機物轉(zhuǎn)化速率快，處理設(shè)備內(nèi)停留時間短、設(shè)備體積小。厭氧處理有機物轉(zhuǎn)化速率慢，需要時間長，設(shè)備體積龐大。④對環(huán)境要求條件不同。好氧處理要求充分供氧。厭氧處理要求絕對厭氧的環(huán)境，對環(huán)境條件要求甚嚴。好氧處理與厭氧處理的主要區(qū)別

(1)活性污泥法的發(fā)展沿革

活性污泥法于1914年首先在英國被應(yīng)用。近二十多年來，隨著對其生物反應(yīng)和凈化機理的廣泛深入的研究，以及該法在生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)上的不斷改進和完善。使它得到了迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種工藝流程和工藝方法，使得該法的應(yīng)用范圍逐漸擴大，處理效果不斷提高，工藝設(shè)計和運行管理更加科學(xué)化。目前，活性污泥法已成為城市污水、有機工業(yè)廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。二、生化處理方法的發(fā)展沿革1．好氧生化法的發(fā)展沿革(2)生物膜法的發(fā)展沿革第一個生物膜法處理設(shè)施1893年在英國試驗成功，1900年后開始付諸污水處理實踐，并迅速歐美得到廣泛應(yīng)用。50年代，在德國建造了塔式生物濾池，這種濾池高度大，具有通風良好、凈化效能高、占地面積小等優(yōu)點。生物轉(zhuǎn)盤出現(xiàn)于60年代。由于它凈化功能好、效果穩(wěn)定、能耗低，因此在國際上得到了廣泛應(yīng)用。70年代初期出現(xiàn)了生物流化床具有BOD容積負荷大、處理效率高、占地面積小、投資省等特點，生物活性炭法是近年來發(fā)展起來的，已在世界上許多國家采用。近年來出現(xiàn)的生物接觸氧化法、投料活性污泥法，均是兼有活性污泥法和生物膜法特點的生物處理法。

厭氧生物處理法，是在無氧的條件下由兼性厭氧菌和專性厭氧菌來降解有機污染物的處理方法，該法的應(yīng)用已有一百多年歷史。從70年代起，其理論研究和實際應(yīng)用都取得了很大的進展。近年來，一些新的厭氧處理工藝或設(shè)備，如上流式厭氧污泥床、上流式厭氧濾池、厭氧接觸法、厭氧流化床及兩相厭氧消化工藝等相繼出現(xiàn)，使厭氧生物處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