第八章+活性污泥法1(1)

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处理过的污水含有机物浓度低 微生物氧化分解有机物的能力差,所需反应时间长。

通常将活性污泥控制在稳定期末期和衰亡期初期。
活性污泥即具有较强的氧化和吸附有机物的能力,又
具有良好的沉降性能。
3.3. 微生物的生长的影响因素

营养、温度、pH、溶解氧、有毒物质
微生物的营养
好氧: BOD5:N:P=100:5:1
按微生物对溶解氧的要求
好氧生物处理 厌氧生物处理 缺氧生物处理
按微生物生长方式分类
悬浮生长法(活性污泥法) 通过适当的混合方法使微生物在生物处理 构筑物中保持悬浮状态,并与污水中的有机 物充分接触,完成对有机物的降解。 附着生长法(生物膜法) 微生物附着在某种载体上生长,并形成生 物膜。污水经过生物膜时,微生物与污水中 的有机物接触,完成对污水的净化。
2.7. 生物除磷理论 磷在废水中的存在形式:磷酸盐(PO43-, HPO42-,
H2PO4-)、聚磷酸盐和有机磷 磷细菌:可以过量地、超出其生理需要地从外部 摄取磷,并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内:
除磷菌过量摄取磷:在好氧条件下,除磷菌合成聚磷
酸盐并将之贮存在体内; 除磷菌的磷释放:在厌氧条件下,除磷菌分解聚磷酸 盐产生磷酸,并将之排除体外; 富磷污泥的排放:在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧 条件下所释放的磷多,废水生物除磷工艺是利用除磷 菌的这一过程,将多余剩余污泥排出系统而达到除磷 的目的。
CH4,CO2, NH3, 分解 H2S + 能量
产酸阶段
产气阶段
厌氧生物处理过程有机物转化示意图
2.5.厌氧生物处理(con’d)

厌氧生物处理优点:
不需另外提供电子受体,运行费低;
剩余污泥量少; 可回收能量(CH4)。

厌氧生物处理缺点:
反应速率慢,处理构筑物容积大;
对温度、pH等环境因素较敏感;
I. 分解反应(氧化反应、异化代谢、分解代谢)
II. 合成反应(合成代谢、同化作用)
CHONS + 能量 微生物 C5H7NO2
III. 内源呼吸(细胞物质的自身氧化)
C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- ++能量
2.4. 好氧生物处理过程 (con’d)
(3)好氧生物处理的特点:

pH
好氧:pH 6.5 ~ 8.5
厌氧:pH 6.7 ~ 7.4
废水pH变化较大:设置调节池

溶解氧
好氧:溶解氧浓度2~4 mg/L 厌氧: 当有氧存在时,会形成H2O2积累,对微生
物细胞产生毒害作用,使其无法生长。
设备要严格密封,隔绝空气。
有毒物质:
3.3. 微生物的生长的影响因素(con’d)

Fra Baidu bibliotek
生长期(对数增长期):
底物大量消耗,细胞增加数量与培养时间呈直线关系

稳定期(减速增长期):
微生物升值速度与死亡率趋于平衡
营养物质减少,微生物活动能力降低,菌胶团细菌之间易于相互
黏附,形成活性污泥絮体。 活性污泥具有一定的氧化有机物的能力及良好的沉降性能。

衰亡期(内源呼吸期):
微生物细胞靠内源呼吸代谢以维持生存,许多细胞出现自溶。 生长速率为零,而死亡速率随时间延长而加快;
2.3.自养和异养

根据微生物进行分解代谢时所利用的底物, 可将微生物分为两种类型:
异养微生物(heterotrophic organism):底物为
有机物,如蛋白质、糖等 自养微生物(autotrophic organism):底物为无 机物,以CO2为主要或唯一碳源,无机氮为氮源
2.4. 好氧生物处理过程
性和低温性(嗜冷菌)四类。
最低温

低温 性 常温 性 O℃ 5℃
最适温度 5~10℃ 10~30℃
最高温度 3O℃ 40℃
中温 30~40℃ 50℃ 10℃ 好氧:中温性微生物为主; 性 厌氧:中温性和高温性微生物为主。 高温 30℃ 50~60℃ 70~80℃ 性
3.3. 微生物的生长的影响因素(con’d)
(碳源:BOD5; N:NH3-N; P:PO43--P)
厌氧: C/N比:(1~20):1
在废水处理中要先分析废水水质 低碳:投加生活污水或米泔水、淀粉浆料等 低N:投加尿素、硫酸铵等 低P:投加磷酸钠、磷酸钾等
3.3. 微生物的生长的影响因素(con’d)

反应温度
微生物可分为高温性(嗜热菌)、中温性、常温
第一节 污水生物处理的基本概念和 生化反应动力学基础
基本概念和原理;
微生物生长规律和生长环境; 微生物反应速率、反应级数; 微生物生长动力学; 废水的可生化性。
一、概述
污水生物处理:
利用微生物的新陈代谢作用,对污水 中的污染物质进行分解和转化,从而 达到对污水的净化处理。
微生物分类
动物(多细胞,能运动,具 轮虫 有分化的细胞组织,异养) 真核生物 (细胞具有核 膜和细胞器) 植物(多细胞,不运动,具 有细胞组织,有光合作用) 苔藓, 藻类

按微生物对溶解氧需求分类

好氧生物处理
水中存在溶解的分子氧的条件下进行的生物处理过 程,是城镇污水处理所采用的主要方法。 e.g.活性污泥法、生物膜法。

缺氧生物处理
水中无溶解的分子氧,但存在化合态氧(NO3-, SO42-,S2O32-, PO43-, CO2等)的条件下进行的生物处理 过程。
合成 (2/3) 合成细胞 内源 物质+氧 代谢 + 微生物 有机物+氧
+微生物 (C, O, H, N, S, P)
(CO2, H2O, NH3) 内源代谢产物 +能量 ~80% 内源代谢产 物残留物 ~20%
分解 (1/3)
CO2, H2O, NH3, SO42-, P43- + 能量

好氧生物处理过程有机物转化示意图
第八章 活性污泥法
(Activated Sludge) (1)
本章内容
第一节:污水生物处理的基本概念和
生化反应动力学基础 第二节:活性污泥法的基本概念 第三节:活性污泥法的发展 第四节、氧传递和曝气设备 第五节、活性污泥系统工艺设计 第六节、二次沉淀池 第七节、运行和管理
(1)分解代谢(catabolism):微生物将自身或外来 的各种物质分解以获取能量的过程,也称为异化作用。
根据最终电子受体分类:
好氧呼吸(aerobic respiration): 以分子氧作为最终电子 受体; C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O ΔG = -2880 kJ 厌氧呼吸(anaerobic respiration): 以化合态氧作为最终电子 受体; glucose + 3NO - + 3H O 6HCO - + 3NH +, ΔG = -1796 kJ
絮凝体吸附有机物的能力显著,但污泥活性低,污泥较松散。
3.2.控制微生物生长期对污水生物处理的重要性:

生长期
需要充足的营养物质,但高浓度的有机物进水含量易
造成出水的有机物超标,使出水达不到排放要求。 此时的微生物活性强,活性污泥不容易聚集和沉降, 给泥水分离造成一定困难。

衰亡期末期
反应速率快,所需的反应时间较短;
处理构筑物容积较小; 处理过程中散发的臭味较少; 适用于中、低浓度的有机污水,或BOD5 < 500 mg/L 的有机污水。
2.5.厌氧生物处理
合成 有机物+ 微生物 (C, O, H, N, S, P) 微生物 增长 合成 有机酸,醇 CO2, NH3, + 能量 分解 H S等 2 微生物 增长
(3) 微生物的新陈代谢体系
分解代谢 微生物的 新陈代谢 (异化作用) 复杂物质分解 + 能量 为简单物质 释放 合成代谢 (同化作用)
微生物增殖
2.2. 底物(substrate):在代谢过程中,微生 物可以利用污水中大部分有机物和部分无 机物作为营养源,这些可被微生物利用的 物质,即称为底物。
硝化反应分为两步进行:1NH 4 NO2 2NO2 NO3 总的硝化反应:NH 4 2O2 NO3 H 2 O 2H


反硝化:废水中的NO2 和/或NO3在缺氧条件下在 反硝化菌(异养型细菌)的作用下被还原为N2的过 程。
生物脱氮过程示意图
气味大;对氨氮的处理效果不好。

通常用于处理 BOD5 > 2000 mg/L的有机污水。
2.6.生物脱氮理论
废水生物脱氮的基本过程:氨化→硝化→反硝化


氨化:废水中的含氮有机物,在生物处理过程中被 好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮 硝化:废水中的氨氮在好氧自养型微生物(统称为 硝化菌)的作用下被转化为NO2 和NO3
三、微生物的生长规律和生长环境
3.1. 微生物的生长规律
细 胞 数 目 的 适 对 应 数 期
I 生 长 期 II 衰亡期 IV 活菌数
III 稳定期
培养时间(h)
微生物生长曲线
3.1.微生物生长规律(con’d)

适应期(延迟期):几分钟 --- 几小时
微生物细胞刚进入新环境,需要适应新的环境。
2.1.代谢(con’d)
根据能源的来源分类:
外源性呼吸:微生物用外界供给的能源进行呼吸 内源性呼吸(内源代谢):微生物则利用自身内 部储存的能源进行呼吸。e.g.细胞质进行自身氧 化并释放能量。
(2) 合成代谢(anabolism):微生物利用一部分底物 或分解代谢过程中产生的中间产物,在合成酶的作 用下合成微生物细胞的过程,也称为同化作用。
厌氧
自然 高温堆肥 条件 厌氧塘
人工 条件 悬浮生物法:上流式厌氧污泥床、 化粪池、厌氧消化
固着生物法:厌氧滤池、厌氧流化床
二、基本概念和原理
代谢 底物 自养和异养 好氧生物过程 厌氧生物过程 生物脱氮理论 生物除磷理论

2.1. 代谢(metabolism): 分解代谢,合成代谢
glucose +
3 3SO42-
+
2 3H+
3 6HCO3-
+
4 3SH ,
ΔG = -453 kJ
发酵(fermentation):微生物细胞将有机物氧化释放的电子 直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物,同时释放 能量并产生各种不同的代谢产物。
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 ΔG = -244.9 kJ
原核生物 ( 无明显的 核和细胞器)
真菌(大部分为多细胞, 酵母, 不运动,异养,分解者) 蘑菇 原生生物(大部分为单细胞, 鞭毛虫 运动,异养,分解者) 细菌(单细胞,部分能运动,部分 异养,分解者,部分有光合作用)
污水生物处理分类
按微生物生长方式
悬浮生长法(活性污泥法)
附着生长法(生物膜法)
2.4. 好氧生物处理过程 (con’d)
(1) 在正常情况下,各类微生物细胞物质的成分是相对 稳定的,一般可用下列实验式来表示: 细菌:C5H7NO2; 真菌:C16H17NO6; 藻类:C5H8NO2; 原生动物:C7H14NO3 (2)好氧生物处理过程的生化反应方程式:
CHONS + O2 微生物 CO2 + H2O + NH3 + SO42- ++能量 (有机物的组成元素)
底 物 (S) 分解
合成
细胞(X)
最终产物 (P)
S YX ZP
dX dS Y( ) dt dt dS 1 dX ( ) dt Y dt
S, X: 底物、微生物浓度 Y: 反应系数/产率系数 Y=dX/dS, g(生物量)/g(降解的底物)
生化反应过程底物 变化示意图
dS 4.2.反应级数: v kS n dt
v: 反应速率 k: 反应速率常数 对上式两边取对数:lg v
破坏细菌细胞的正常结构、使菌体内的酶变质
并失去活性 有毒物质包括:

重金属离子(铅、铜、铬、砷、铜、铁、锌等) 有机物类(酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等) 无机物类(硫化物、氰化钾、氯化钠、硫酸根、硝 酸根等)。
废水生物处理有毒物质允许浓度
四、微生物的反应速率和反应级数
4.1.反应速率:在污水生物处理中,单位时 间内底物的减少量或细胞的增加量。

厌氧生物处理
水中即无溶解的分子氧,也无化合态氧的条件下进 行的生物处理过程,常用于高浓度有机污水的处理。
自然 条件 土壤净化:污水灌溉
水体自净:天然水体、氧化塘
生 物 处 理 法
好氧
悬浮生物法:活性污泥法、氧 人工 化塘、氧化沟 条件 固着生物法:生物滤池、生物转盘、 接触氧化、好氧性生物流化床
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