3废水生物处理基础

实际应用时，我们采用了微生物浓度cx代替酶浓度cE。通过试验， 得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米氏方程式， S 如下： S v vmax V Vmax K s S Km S
式中：Km为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常数。
酶 反 应 速 度 v
vmax
n=0 1/2 vmax 0<n<1
• 厌氧菌：低温：10~20˚C 中温：35~38˚C 高温：52~55˚C
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
不同的微生物有不同的pH适应范围。 细菌、放线菌、藻类和原生动物的 pH适应范围是在4～10之间。 大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH ＝6.5～7.5）的环境。 废水生物处理过程中应保持最适pH 范围。 当废水的pH变化较大时，应设置调 节池，使进入反应器（如曝气池）的 废水，保持在合适的pH范围。
• 好氧处理优点： • 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； • 出水水质好； • 处理过程中散发的臭气较少； • 目前对BOD5小于500mg/l有机污水基本都用 好氧法处理。 • 缺点：能耗较高，运行费用高。 • 适用：中、低浓度的有机废水。
废水的厌氧生物处理
废水的厌氧生物处理是在无氧存在的条件下，兼性细菌与 厌氧细菌降解和稳定有机物的过程。在厌氧生物处理过程中， 复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能 量。
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
• 此温度范围，可分为:最低生长温度、最高生长温 度和最适生长温度（是指微生物生长速度最快时 温度）。 • 依微生物适应的温度范围，微生物可以分为中温 性（20～45℃ ） 、好热性（高温性）（45℃以 上）和好冷性（低温性）（20℃以下）三类。
• 好氧菌(中温性)：20~37˚C
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素 各类微生物所生长的温度范围 不同，约为5℃ ～80℃ 。 当温度超过最高生长温度时， 会使微生物的蛋白质迅速变性及 酶系统遭到破坏而失活，严重者 可使微生物死亡。 低温会使微生物代谢活力降低， 进而处于生长繁殖停止状态，但 仍保存其生命力。
对 数 期
当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长 期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游 离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易， 用滤纸过滤时，滤速很慢。
静 止 期
当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止期， 处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时 滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。
3.4 微生物增长动力学
（1） 米歇里斯-门坦 （Michaelis-Menten）方程式
• 1913年，米歇里斯和门坦利用纯种酶做试验，得到：底物 浓度与反应速度之间的关系方程：
V Vmax S Km S
• 式中:V——酶促反应速度；Vmax——最大酶反应速度； • S——底物浓度； Km——米氏常数。 • 上式表明，当Km和Vmax已知时，酶反应速度与酶底物浓度 之间的定量关系。 Vmax • 上式可改写成： Km S ( 1) V • 该式表明，当Vmax/V=2或V=1/2Vmax时，Km=S，即Km是 V=1/2Vmax时的底物浓度，故又称半速度常数。
在废水生物处理中，微生物是一个混合群体，它们也有一 定的生长规律。有机物多时,以有机物为食料的细菌占优势,数 量最多；当细菌很多时，出现以细菌为食料的原生动物;而后 出现以细菌及原生动物为食料的后生动物，如右图所示。
在污水生物处理过程中，如果条件适宜，活性污泥的增长过 程与纯种单细胞微生物的增殖过程大体相仿。但由于活性污泥 是多种微生物的混合群体, 其生长受废水性质、浓度、水温、 pH、溶解氧等多种环境因素的影响，因此，在处理构筑物中 通常仅出现生长曲线中的某一两个阶段。处于不同阶段时的污 泥，其特性又很大的区别。
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
溶解氧是影响生物处理效果的 重要因素。 好氧微生物处理的溶解氧一般 以2～4mg/L为宜。 厌氧处理需要绝对的无氧环境
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度 pH 值
衰 老 期
当污水中有机物浓度较低，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。处于 衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花， 以滤纸过滤时，滤速快。 注意合成产率系数和观测产率系数。
生物处理中的主要微生物
• 细菌：以有机物为食。 • 原生动物：指示性生物，以细菌为食。其种属和 数量随处理出水的水质而变化。 • 后生动物（主要指轮虫）：指示性生物，以原生 动物和细菌为食。不经常出现，仅在处理水质优 异的时段出现，因此，轮虫的出现是水质非常稳 定的标志。设生化反Leabharlann 方程式为：S yX zP
现底物浓度以 S表示，则生化反应速度：
或 式中：k——反应速度常数，随温度而异； n——反应级数。 上式亦可改写为：
dS v Sn dt
dS v kS n dt
lg v n lg S lg k
该式可用图表示，图中直 线的斜率即为反应级数n。
在此过程中，有机 物的转化分为三部分： 部分转化为CH4气体， 可回收利用；部分被分 解为CO2、H2O、NH3、 H2S等无机物，并为细 胞合成提供能量；还有 少量有机物被转化、合 成为新的细胞。由于仅 少量有机物用于合成， 故相对于好氧生物处理 法，其污泥增长率小得 多。
• 厌氧处理优点： • 运行费用低； • 剩余污泥量少、可回收甲烷气体； • 营养盐需求少。 • 缺点： • 速度慢，反应时间长，池积大，出水差； • 需要维持一定的温度，需消耗一定的能量； • 适用：高、中、低浓度的有机废水。
反 应 速 度
• 化学反应速度是指单位时间里反应物浓度的减少 量或生成物浓度的增加量。 • 生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反 应。 • 生化反应速度是指单位时间里底物浓度的减少量、 最终产物的增加量或细胞的增加量。 • 在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少 或细胞的增加来表示生化反应速度的。 • 污水生物处理中，人们总是努力创造合适的环境 条件去得到希望的反应速度。
公式表明：
①当底物浓度S很大时，S»Km，Km+S≈S，酶反应速度达到最大 值，即v=vmax,呈零级反应，在这种情况下，只有增大底物浓度， 才有可能提高反应速度。 当底物浓度S较小时，S«Km，Km+S=Km，酶反应速 ② v S 度和底物浓度成正比例关系，即 v S max 呈一级反应。此时，增加 Km 底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓度的增加，酶反 应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。
溶解氧
有毒物质
在工业废水中，有时存在着对 微生物具有抑制和杀害作用的化 学物质，这类物质我们称之为有 毒物质。 其毒害作用主要表现在细胞的 正常结构遭到破坏以及菌体内的 酶变质，并失去活性。 在废水生物处理时，对这些有 毒物质应严加控制，但毒物浓度 的允许范围，需要具体分析。
3.3
反应速度和反应级数
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素 微生物要求的营养物质必须包 括组成细胞的各种原料和产生能 量的物质，主要有：水、碳素营 养源 、氮素营养源、无机盐及生 长因素。
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
微生物的营养
(1)水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的成分为 水分。 (2)碳源（BOD）：碳素含量占细胞干物质的50％左右，碳 源主要构成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运 动所需要的能量，一般污水中含有足够碳源。 (3)氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。 (4)无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素。作 用：构成细胞成分，酶的组成成分,维持酶的活性，调节渗透压， 提供自养型微生物的能源。 (5)生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。 (6)营养比例：C:N:P: 100:5:1(好氧菌); 200~300:5:1(厌氧菌)
反 应 级 数
实验表明反应速度与一种反应物A的浓度SA成正比时，称这种 反应对这种反应物是一级反应。多数生物反应属于一级反应.
实验表明反应速度与二种反应物A、B的浓度SA、SB成正比时， 或与一种反应物A的浓度SA的平方SA2成正比时，称这种反应为 二级反应。
实验表明反应速度不受反应物浓度影响时,称这种反应为零级 反应。这时,对生物反应往往是浓度足够大的情况。
3.2 微生物的生长规律 和生长环境
微生物的生长规律
微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。 按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期 停滞期（调整期） 对数期（生长旺盛期） 静止期（平衡期） 衰老期（衰亡期）
停 滞 期
如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中（营养类型发生变化， 污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停 滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从 衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污 泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。
废水的好氧生物处理
好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下， 好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方 法。废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。
图示表明，有机物 被微生物摄取后，通过 代谢活动，约有1/3被 分解、稳定，并提供其 生理活动所需的能量； 约有2/3被转化，合成 为新的原生质（细胞 质），即进行微生物自 身生长繁殖。