第七章生物膜法

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1、第七章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础,第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理,第二节 微生物的生长规律和生长环境,第三节 反应速度和反应级数,第四节 活性污泥法的反应动力学原理1、米歇里斯-门坦方程式2、莫诺特方程式3、废水生物处理工程的基本数学模式,第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理,一、废水处理中常见的微生物,二、微 生 物 的 新 陈 代 谢,1、新陈代谢： 微生物不断从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进行物质转化和交换的过程。,分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量。合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转化为复杂

2、的细胞成分，机体制造自身。,底物降解：污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质。,指微生物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不同的代谢产物的过程。该过程最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：,2、发酵,微生物的呼吸指微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）、FAD或FM

3、N等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放能量的过程。,3、微 生 物 的 呼 吸,底物中H 脱氢酶 H e 游离O2e 氧化酶 活化O H活化OH2OE依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产物也不同。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物呼吸两种 。,厌 氧 呼 吸,底物中H 脱氢酶 H e H除O2以外的有机物或无机物有机物或无机物被还原E,好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同， 如下表所示。,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。微生物利用废水中存在的有机污

4、染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。,三、废水的好氧生物处理,好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。,废水的厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。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。,由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余

5、污泥量少、可回收能量（CH4）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD52000mg/L）可采用厌氧生物处理法。,四、废水的厌氧生物处理,第二节 微生物的生长规律和生长环境,一、 微生物的生长规律 1、纯菌种微生物的生长规律,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。,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。,二、废水生物处理中微生物的生长规律,三、活性污泥的生长规律,按微生物生长速率，其生长可分为四

6、个生长期,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。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。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，

7、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。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。,停 滞 期,对 数 期,静 止 期,衰 老 期,四、 微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微生物的组成,细胞分子式：C5H7O2N(有机部分),细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑

8、磷),一般估算营养比例： BODNP 100 5 1,(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：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。磷：核酸、磷脂、ATP转化。硫：蛋白质组成部分，好氧硫细菌能源。钾：激活酶。钙：稳定细胞壁，激活酶。镁：激活酶，叶绿素的重要组成部分(5)生长因素：氨基酸、蛋白

9、质、维生素等。,微生物的营养,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH 值,溶 解 氧,有 毒 物 质,第三节 反应速度和反应

10、级数,在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、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。图中的生化反应可以用下式表示：即该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。,一、 反 应 速 度,及,式中：反应系数 又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。,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。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。

11、实验表明反应速度与SASB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。在生化反应过程中，底物的降解速度和反应器中的底物浓度有关。 一般地： aA+bB gG+hH 如果测得反应速度：vdcA/dt=kcAa cBb a+b=n, n为反应级数。,二、反 应 级 数,设生化反应方程式为：现底物浓度以S表示，则生化反应速度： 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：该式可用图表示，图中直 线的斜率即为反应级数n。,或,第四节活性污泥法的反应动力学原理,活性污泥法反应动力学可以定量或半定量地揭示系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参

12、数、运行参数以及环境因素之间的关系。 它主要包括： 底物降解的动力学。涉及底物降解与底物浓度、生物量等因素的关系； 微生物增长动力学。涉及微生物增长与底物浓度、生物量、增长常数等因素的关系； 底物降解与生物量增长关系。,一、 莫诺特（Monod）方程式,1、单一基质的纯菌种培养实验得出的公式。 动力学公式，即莫诺德模式：,反映了微生物比增殖速率与底物浓度之间的关系,单位底物利用率：,底物的比降解速率q：单位生物量的底物降解速率。 可以假定：在微生物比增殖速率与底物的比降解速率之间存在下列关系： .q , max=.qmax,2、混合微生物群体组成的活性污泥对多种底物进行微生物增殖实验的得出的公式,反映的是底物比降解速率与底物浓度间的关系,二、LawrenceMcCarty模型,1、 在建立活性污泥法反应动力学模型时的假设条件 除特别说明外，都认为反应器内物料是完全混合的。 活性污泥系统的运行条件绝对稳定；供氧充分。,2、 LM模式的基本方程式：, 第一基本方程式：,表示的是底物降解速率与反应器内微生物浓度增长速率之间的关系。, 第二基本方程式：,表示的是有机底物利用速率与反应器内微生物浓度和底物浓度之间的关系。,