环境工程学第三章讲义水的生物化学处理方法

环境工程学第三章讲义水的生物化学处理方法第3章水的生物化学处理方法本章教学内容：废水处理的微生物学基础，活性污泥法，生物膜法，厌氧生物技术，污泥处理技术本章教学要求：(1) 理解微生物处理废水的基本原理，掌握活性污泥法的原理与常用的几种工艺流程，掌握生物膜法的原理与几种典型处理工艺；掌握厌氧生物处理技术的机理与影响因素以及处理工艺；(2) 熟悉污泥的性质和常见的处理技术。

本章教学重点：活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理技术、污泥的处理本章习题: P290 1, 2, 3, 5，7，13，14 废水处理微生物学基础一、废水处理中的微生物净化污水的微生物主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和小型的后生动物等。

从利用碳源的角度来说，可分为自养型微生物和异养型微生物。

从利用氧气的角度来分，有好氧、厌氧和兼性三类。

针对单细胞的细菌，从形体来分，有球菌、杆菌和螺旋菌三类。

净化污水中，微生物增长与递变的模式，祥教材205页。

二、微生物的生理学特性生物酶与代谢过程祥教材206页。

三、细菌生长曲线及莫诺公式活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。

1、活性污泥的增殖曲线内源呼吸对数增殖减速增殖微生物增殖曲线氧利用速率曲线BOD降解曲线Xa 0 时间注意：1)间歇静态培养；2)底物是一次投加；3)图中同时还表示了有机底物降解和氧的消耗曲线。

①适应期：是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适第 1 页应过程；经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些质的变化：a.菌体体积有所增大；b.酶系统也已做了相应调整；c.产生了一些适应新环境的变异；等等。

BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化。

②对数增长期：F/M值高(?/kgVSS?d)，所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅微生物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。

③减速增长期：F/M值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率也开始下降；微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增长；活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定；一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的。

④内源呼吸期：内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；一般不用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。

2、活性污泥增殖规律的应用：①活性污泥的增殖状况，主要是F/M值所控制；②处于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同；③通过调整F/M值，可以调控曝气池的运行工况，达到不同的出水水质和不同性质的活性污泥；④活性污泥法的运行方式不同，其在增值曲线上所处位置也不同。

3、有机物降解与微生物增殖：活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合结果，活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为: ?x?aQSr?bVXv; ?Qw?Xr式中: ?x? 每日污泥增长量(VSS),kg/d；；Q——每日处理废水量(m3/d)；Sr?Si?SeSiSe ——进水——出水；BOD5浓度(kgBOD5/m3或mgBOD5/l)；BOD5浓度(kgBOD5/m3或mgBOD5/l)。

第 2 页a, b ——经验值：对于生活污水活与之性质相近的工业废水，a?~，b?~；——或试验值：通过试验获得。

4、有机物降解与需氧量：活性污泥中的微生物在进行代谢活动时需要氧的供应，氧的主要作用有：①将一部分有机物氧化分解；②对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。

因此，活性污泥法中的需氧量: O2?a’Q?Sr?b’V?Xv 式中：O2——曝气池混合液的需氧量，kgO2/d；a’——代谢每kgBOD5所需的氧量，kgO2/kgBOD5?d；b’——每kgVSS每天进行自身氧化所需的氧量，kgO2/kgVSS?d。

二者的取值同样可以根据经验或试验来获得。

5.活性污泥反应动力学基础一．概述研究目的{①研究反应速度和环境因素间的关系｛②对反应的机理进行研究，使反应进行控制反应动力学方程式{米门方程式1913 研究酶促反应速度{莫诺方程式1942｛劳—麦方程式1970 二．莫诺方程式１．基本方程式形式提出人：莫诺时间: １９４２试验条件：纯种生物在单一底物的培养基中试验内容：研究微生物的增值速度与底物浓度间的关系结果与米门方程式相同μ=μmax S/(Ks+S)μ---比增值速度Ｓ―有机底物的浓度Ｋs－饱和常数当μ=1/2μ有机物比降解速度与底物浓度关系V=VmaxS/(Ks+S)(1) V=-(ds+dt)/x v=f(s) max 时，有机底物的浓度第 3 页-ds/dt=vmaxXS/(Ks+S) (2) ２．推论对于高底物浓度条件下S>>Ks V=Vmax=k1 -ds/dt=vmaxx=k1x 结论：①在高底物浓度下，有机底物以最大速度进行降解，与有机底物浓度无关，其降解速度只与污泥浓度有关。

②低底物浓度，S V=VmaxS/Ks=k2S (3) -ds/dt=VmaxXS/Ks=k2SX(4) 结论：在低底物浓度下，有机底物降解速度与有机底物浓度有关，且成一级反应得－∫s0ds/dt=∫0k2xsdt S=S0e-k2xt s t３．莫诺方程式在曝气池中的应用Ｑ/v=-ds/dt Q(Sa-Se)/v=Nrv∴ds/dt=Nrv (1) 用来计算Nrv=-ds/dt=Q(Sa-Se)/v=(Sa-Se)/tk2Xse=Q(Sa-Se)/v (2)计算Ｎrs k2Se=Q(Sa-Se)/xv=Nrs (3)计算有机物降解率η=(Sa-Se)/S0=1-Se/S0=k2xt/(1+k2xt) ４．有关k2的确定Q(Sa-Se)/xv作纵轴Se-X 斜率k2 经验数据三．劳—麦方程式１．概念：把污泥龄改名为生物固体平均停留时间提出单位底物利用率概念２．基本方程式劳---麦第一方程式１/Qc=Yq-Kd 劳－麦第二方程式v=q 第 4 页v=KS/(Ks+S) →(ds/dt)u/xa=KS/(Ks+S) ３．劳-麦方程式的推论及应用①Se—Qc关系②Xa—Qc Xa=YQQc(Sa-Se)/t(1+KdQc) ③R---Qc ④V与q的关系(ds/dt)u/Xa=k2Se →Q(Sa-Se)/XaV=k2Se→v=Q(Sa-Se)/k2XaSe 曝气池容积的计算方法{①Ns V=Q(Sa-Se)/NsX {②Nrs V=Q(Sa-Se)/NrsXv {③劳麦{v=YQQc(Sa-Se)/Xa(1+KdQc){v=Q(Sa-Se)/k2SeXa ⑤两种产率△X=YQ-KdVXv 合成产率微生物的净增值量Yobs=Y/(1+KdQc) △X计算{△X=YQ(Sa-Se)-KdVXv {△X=YobsQ(Sa-Se) 好氧悬浮生长处理技术好氧悬浮生长生物处理工艺主要有以下几类：活性污泥法；曝气氧化塘；好氧消化法；高负荷氧化塘。

这里重点介绍活性污泥法。

在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。

活性污泥法于1914年在英国曼彻斯特建成改进，特别是近几十年来，在对其生物反应和净化机理进行深入研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动力学的理论方面以及在工艺方面都得到了长足的发展，出现了多种能够适应各种条件的工艺流程，当前，活性污泥法已成为污水特别是有机性污水处理技术的主体技术。

一、活性污泥法的基本原理A、基本概念和工艺流程基本概念1．活性污泥法：以活性污泥为主体的污水生物处理。

2．活性污泥：颜色呈黄褐色，有大量微生物组成，易于与水分离，能使污水得到净化，澄清的絮凝体工艺原理第5 页1．曝气池：作用：降解有机物1)按混合液的流动形态推流式曝气池完全混合式曝气池循环混合式曝气池2)平面形状长方廊道形圆形正方形环状跑道形3)按曝气方法鼓风～机械～机械－鼓风～4)与二沉池的关系合建式～分建式～2．二沉池：作用：泥水分离。

3．曝气装置：作用于①充氧化②搅拌混合鼓风曝气：从鼓风机中房或空气压缩机房送来的空气，经过设置在曝气池底的空气扩散装置，溶解于水中。

1)组成空压机GS一系列连通管道空气扩散装置2)鼓风曝气过程机械曝气：利用安装在池表面的机械曝气装置，将空气溶于水中。

按传动轴的安装方向竖轴卧轴 1. 竖轴机械愚昧落后敢装置传动轴与水面垂直，装有叶轮，叶轮上装有叶片又称竖轴叶轮曝气机泵型叶轮表曝机最佳线速度～5m/s叶轮淹没深度≤4㎝目前国内已有系列产品，应用最广泛K 型最佳线速度4㎝0～1㎝←叶轮淹没深度规定叶轮直径与曝气池直径之比为倒伞型第 6 页平板型 2.卧轴式表曝机传动轴与水面平行传动轴和叶片组成应用→转刷曝气器,主要用于氧化沟4．回流装置：作用：接种污泥5．剩余污泥排放装置：作用：排除增长的污泥量，使曝气也内的微生物量平衡。

混合液：污水回流污泥和空气相互混合而形成的液体。

B、活性污泥形态和活性污泥微生物形态：1、外观形态：颜色黄褐色，絮绒状2．特点：①颗粒大小：－②具有很大的表面积。

③含水率>99%,C 有机物：{具有代谢功能，活性的微生物群体Ma {微生物内源代谢，自身氧化残留物Me {源污水挟入的难生物降解惰性有机物Mi 无机物：全部有原污水挟入Mii 活性污泥微生物及其在活性污泥反应中作用1．细菌：占大多数，生殖速率高，世代时间性20-30分钟；2．真菌：丝状菌→污泥膨胀。

3．原生动物鞭毛虫，肉足虫和纤毛虫。

作用：捕食游离细菌，使水进一步净化。

活性污泥培养初期：水质较差，游离细菌较多，鞭毛虫和肉足虫出现，其中肉足虫占优势，接着游泳型纤毛虫到活到活性污泥成熟，出现带柄固着纤毛虫。