水污染控制工程11-基本概念

Tongji第十一Tongji

第一节概Nofreelunchforthebugs,Nofreelunchforuseither.Letusservethebugsbeforebugsserveusbetter.Tongji

第一节概着的污水中有机性及无机性物质组成的、有一定生命的、具有良好的Tongji

第一节概Tongji

第一节概曝气池混合（浓度3000mg/L，含水

剩余污泥排（浓度8000mg/L，含水

剩余污泥浓（浓度40g/L，含水脱水泥（含固25%，含水

厌氧发酵后污（含固10%，含水

干化污（含固45%，含水Tongji

第一节概灰制作建筑材料Tongji

第一节概根据微生物根据微生物的生长环境和生化反应的最终电子

暂时：生物除磷暂时：生物除磷

第一节概通过适当的方式

FBBR结合FBBR兼性：厌氧水解厌氧兼性：厌氧水解厌氧生物处理完全：厌氧消化种载种载体上并形生物

微生物生长在Tongji

微生物的新陈合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转为复杂的细胞成分，机体制造自Tongji

底物降解分解代合成代(同化作用

复杂物质分解为简单物质(异化作用释(异化作用能量代 物质代吸收能简单物质合成为复杂物质Tongji

能量循环：三磷酸腺苷ATP(AdenosineAMP+‾P→ADP+‾P

热能释Tongji

微生物的呼Tongji

好氧呼电子交给中间好氧呼

释放电子交给电子载体逐步传递给电子微生微生最终电子受体是NO3–NO2–SO42-Tongji

缺氧呼指电子供体（供氢体）和电子受体（受氢体）都是有机化合物的生物氧化作用的产物，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物缺氧呼发酵在厌氧生物处理过程中起重要作用，常见类型有丙酸型发酵和丁酸型发酵，发酵过程中只有部分有机物被氧化，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。例如葡萄糖发酵的过程：CC6H12O62CH3COCOO 4[H2CH3 2CO22CH34[H]2CH3 2CH3CH2总反应式 C6H12O62CH3CH2 2CO292.0Tongji好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞有分子氧参与的生物氧化，底物中的氢被脱氢酶活化，并从底物中脱出交给辅酶（递氢体）放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。NAD(P)

HNAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结放出能量依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底氧呼吸有异养型微生物和自养型微生物两种Tongji

CCHON14O 11CO13HO 能 2224），C6H12O66O26CO26H2OTongji自养型微生物以无机物为底物（电子供体），利用能量合成有机物质。光能自养微生物需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合作用色素合成有机物。化能

化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需的能量来自氧 NH+、HS等无机 H2S2O2H2SO4

道存在该式所示的生化生物脱氮工艺中的氨氮Tongji

NH2ONO2HHO能423224[H]4NONH2ONO2HHO能423224[H]4NO2N12H322 在反硝化作用中，电子受体为NO3-可用下式C6H12O66H2O6CO224[H总反应C6H12O64NO6CO26H2O2N 在缺氧呼吸过程中，电子供体3和电子受体之间也需要2并伴随有磷酸化作用（反硝化除磷），底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故缺氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。Tongji

呼吸方电子受化学反应能量利用率C6H12O6+6O2→ C6H12O6+4NO3-→ 能量利用率C6H12O6Tongji

好氧生物处理是在有分子氧存在的条件下，利用好氧微生物（包括兼性微生物）降解有机污染物，氧化无机底物，使其稳定、的处理方法。微生物利用污水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到的要求，以便返回自然环境或进一步处置。好氧生物处理过程中有机物转化示意Tongji

好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故Tongji

在没有分子态及化合态氧存在的条件下，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。有机物的转化分为三部分进行：部分转化为有机酸、醇、CH4等，可以再利用；还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。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。厌氧生物处理过程中有机物转化示意Tongji

还具有剩余污泥量少，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，微生物对环境条件要求较高，处理构筑物容积大等。为维持较高的反应速度，一般需维持较高的温度，反应器本身会消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BO≥2000mg/L）可采用厌氧生物处理法。Tongji

（一）生物法Tongji氨化反应

有少数的氨态氮如N3及NH+等。4生氨的过程称为氨化作用，很多RCHNHRCHNH2COOHH2ORCOHCOOHNHRCHNH2COOHO2RCOCOOHCO2NHTongji

硝化反菌菌2NH

3O2

2NO

4

2H2 耗氧耗氧2NO2O22NO耗氧硝酸菌2 323总式

NH 硝化菌NO2HH

G=- 3HNH2HCO 3H NH1.863O0.098CO化细菌0.0196CHNO+0.98NO0.0941H 硝硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度溶解氧，污泥龄，碱度、pH，有机负荷等都会对它产生影响Tongji

硝化过程的影响硝化菌为了获得足够的能量用于生长，必须氧化大量的NH4+和NO2-，氧是硝化反应的电子受体，反应器内溶解氧含量的高低，必将影响硝化反应的进程，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L，多数学者建议溶解氧应保持在.2‾2.0mg/l。在硝化反应过程中，释放H+离子，使pH值下降，硝化菌对pH值的变化十分敏感，为保持适宜的pH值，应当在污水中保持足够的碱度，以调节pH值的变化，lg氨态氮（以N计）完全硝化，需碱度（以aC3计）7.14gpH控制：硝化反应的pH范围为5.5～0.0，适宜pH为6.5～9.0，其中，亚硝酸细菌适宜pH范围7.0～8.5，在pH8.0附近活性最高，硝酸细菌适宜pH为6.5～7.5，在pH7.0附近硝酸盐产生速率最大。pH大于7.4时，亚硝酸盐的占产物的比例可以高于90%。Tongji

NHNH2HCO2ONO2CO3H432322Tongji

物质还有：高浓度的NH+-N、高浓度的NO-N Tongji

3CO23HO

5CO27HO(NO)和亚(NO)和亚3酸盐氮23- 2CHOH 2CO4H3)222反硝化菌属兼性异氧菌，在有氧存在时，它会以O2呼吸；在无氧而有NO-或NO-存在时，则以NO-或NO-3232NONONONO Tongji

33NO14CH3OHCO23H3

N 同同化与异化反硝化：约95％的N3-N经异化过程原，5％经同化过程合成微生物同化反硝同化反硝同化及异化反硝

2NH2NH 2H223N N 22H22232H22H2--异异化反硝5.反硝5.反硝化过程的影响

O，Tongji

反硝化过程的影响因0.5以下。Tongji

原水中含有的有机碳碳物质及 的有机物或在在反硝化反应中最大的问题是碳浓度，就是污水中可用于反硝化的有机碳的多其可生化程度城市污水作为碳源时得到三种反硝城市污水作为碳源时得到三种反硝分别为分别为N3Tongji何何红娟：低浓度城市污水容积反硝化速率5.65，1.60，0.34单位O3Tongji

一步脱氮短程硝化-反硝化 加碳源反硝化同时硝化-反硝化加碳源反硝化现硝化-亚硝 Tongji

有机有机（蛋白质、尿素、含氮化合物等

细菌自溶和自（NH4+-

有机沉淀污泥絮有机（沉淀污泥絮有机（细菌净增长好氧自养1氮2氧产

亚硝

1氮0.75氧产

氮氮亚硝态（NO2--反硝化亚硝态（NO2--反硝化（兼性异养 有机碳 产生碱6氮3甲自 硝

（NO3--反（NO3--

氮（N2、节氮（N2、有机碳6氮5甲

产生碱亚硝酸盐反硝化产生碱Tongji

NO氧化状氧化状---

固

NH3，Org-

硝

NO2Tongji

氧化状氧化状---

反硝亚硝盐反固

NO2NH3，Org-2

硝氨氧Tongji

氧化状氧化状

反亚硝盐反

硝2NO20---

厌氧氨氧固NH3，Org-

部分亚硝Tongji

厌氧氨氧化荷兰Delft大学发现，可与中温亚硝化联用，或Demon、SNAD技术实现：厌氧氨氧化（ANAMMOX:ANaerobicAMMoniumOXidation）指在厌氧或缺氧条件下，氨氮以亚硝酸盐氮作为电子受体直接被氧化为氮气的过程：N+NON2O1H32O+0.66C3.2+6NO+C0.50.15+.H中温亚硝化（SHARON:SinglereactorforHighactivityAmmoniumRemovalOverNitrite）主要利用了温度高有利于亚硝化细菌增殖这一特ANAMMOX工艺的关键是控制氨氮的亚Tongji

Anammoxprocessisoneofthehigh-efficientbiotechnologiesforammoniumremoval. NH4++2.0O2→NO3-+H2O+ Savingoxygenandalkalinityby62.5%and50%6NO2-+6NH4+→ SavingmethanolbyTongji（二）生物除一般城市污水水质与排放要求进水水质国家排放标准一级一级+TKN(NH4-Tongji

NH-300－150－200－FirstclassFirstclass8（Second25（3Third—5Water5Dry—5—Class3Class3Class4/Class6Class典型污水水污水厂排放标回灌GB5084-冲地表 CODmn：10

Drinking Detailsfor106items(106项指标Tongji

如何处理以达到排放标准投加化学药剂除磷；传统同化吸 生物强化除 化学药剂除Tongji

0.015工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含量占到干重5％～Tongji

Tongji

Tongji

生物除磷厌氧环 好氧环境：好氧吸有机基 缺氧环境：反硝化除P 聚聚 聚 聚PAOsor PAOsorTongji

异养菌同化作用聚磷菌强化生物除磷Tongji

①氧化还原电位：Barnard、Shapiro等人研究发现，在批式-Tongji

1995年发展的Tongji

Tongji

Tongji

TongjiTongji进水磷浓度10mg/L时，SRT和BODL的去除率对出水磷浓度的BODL的去污泥龄（天出水PO4—P浓度80Tongji

TongjiTongjiTongji

（三）辅助化学除化学除磷是通过向污水中投加无机金属盐药剂，其与污水中溶解性的磷酸盐混合后，形成颗粒状、非溶解性的物质，这一过程涉及相转移过程。化学除磷过程污水中进行的不仅仅是沉析反应，同时还进行化学絮凝反应。沉析用于污水中溶解性磷的去除，而絮凝则用于改善沉淀池的沉淀效果。化学除磷药剂：高价金属盐药剂，氢氧化钙（熟石灰Al3PO3AlPO Al33OH

竞争反应 PO3FePO Fe33OH Ca(OH)2除磷要求pH值8.5以上5Ca23PO3OHCa(PO)OH 4Tongji

（三）辅助化学化学除磷的加药点：一级处 二级处进沉砂

初沉初沉

多点进

好氧混合液好氧混合液回好氧池

预缺

回流污曝气池混

二沉 二沉配水回流初沉污前加（前沉淀

好氧

后缺氧

后好氧生化系统加药（共沉淀

二沉

剩余污

二沉Tongji

微生物的生长规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Tongji停滞对对数Tongji

静止衰老Tongji

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，如图所示。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、二个阶段。处于不同阶段时的污泥，其特性又有很大的区Tongji

Tongji

境境T,,Tongji

连续流完全混合反应器推流式反应器Tongji

高负荷曝气池回流污AB两级处理工Tongji

生 pH 溶解氧素Tongji

微生物的组水

干物％％

有机无机

细胞分子式C57O2细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷一般估算营养比例：BOD∶N∶P＝100∶5Tongji

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 生长因素氨基酸蛋白质生素等Tongji

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高时温度）。依微生物适应的温度范围，微生物可此温度范围，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高时温度）。依微生物适应的温度范围，微生物可以分为中温性（0℃～℃）、嗜热性（高温性）（℃以上）和好冷性（低温性）（0℃以下）三类。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 。低温会使微生物代谢 降低，进而处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生命力。 生 pH 溶解氧素

约为5℃～80℃。Tongji

微生物的生长环值适应范围是在4～10之间大多数细菌适宜中性和偏碱性6.5～7.5）的环境当废水的H值变化较大时，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H生 pH 溶解氧素Tongji

微生物的生长环 生物生

1 pH的 溶解氧因 有毒物

vv/0

vvmax

Tongji

微生物的生长环 生 pH 溶解氧素Tongji

第四反应速率和Tongji

SequencingBatchTongji

连续流完全混合反应器Tongji

推流式反应器Tongji

串联完全混合反应器Tongji

反应器类填料床反应器滴滤池，TricklingTongji

反应器类填 向流反应TongjiBiologicalAeratedTongji

Tongji

反应器类膨胀床或流化床反应器Tongji

流化床反应器（FluidizedBedReactor,FBR）Tongji反应器类Tongji封闭环流式（CloseLoopReactor，CLR）封闭环流式反应池结合了推流和完全混合两种流态的特点，污水进入反应池后，在曝气设备的作用下被快速、均匀地与反应器中混合液进行混合，混合后的水在封闭的沟渠中循环流动。循环流动流速一般为0.25～0.35m/s，完成一个循环所需时间为10～20min。由于污水在反应器内停留时间为10～24h，因此，污水在这个停留时间内会完成30～200次循环。封闭环流式反应池在短时间内呈现推流式，而在长时间内则呈现完全混合特征，两种流从而提高了反应器的缓冲能力。Tongji（ClosedLoopReactor,CLRTongji

反应热力学关注反应能否进行，反应动力学关注反应进行生化反应动力学研究的主要内单一体系微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面单一底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面复杂体系中底物降解及微生物增反应机理研究，从反应物过度到产物所经Tongji

反应速在生化反应中，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微生物的增加量来表示生化反应速度。右图的生化反应可以用下式表SYXZ即式中：反应系解的底物）

又称产率系数，mg（生物量）/mg（Tongji

ddd dS1dXYY-dXdS反应级反应速度与一种反应物A反应级反应速度与二种反应物A、B的浓度SA、SB成正比时，或与一种反应物的浓度SA的平AS2成正比时，称这种反应为二级反应。B反应速度与SA·S2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。B一般地 aA+bB→如果测得反应速度：v＝/=ka·B+b=, Tongji

SYXZv-d[S][S

v-d[S]k[Slgvnlg[S]lgTongji

AvkS0A

-dSASASA0 Tongji

SASA 式中：v―t－反应时间；k－反应速度常数，受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。Tongji

vvkS -dSAAAlg lgAkSAvkS2，-dSA2AA1 式中：v―反应速度；－反应时间k－反应速度常数，受温度影Tongji

Tongji

第五节微生物生长与底物降解kk=Bekkt 21第五节微生物生长与底物降解动力（第十二章第三节活性污泥法数学模型基础Tongji

第五节微生物生长与底物降解生化反应动力学基础知识 v max m单一底物的降解与污泥活性污泥数学模活性污泥过程每个组分可能参与若干反应过程，同一过程可能有多种组分同时参加：对于异养菌的好氧生长过程，涉及的组分有可降解有机物量、溶解氧、氨氮、碱度等，而对于可生物降解有机物组分的反应速率，则涉及颗粒有机物的水解、异养菌好氧生长、异养菌缺氧生长、细菌的衰减等过程。Tongji

第五节微生物生长与底物降解反应速率表达在一切生化反应中，微生物的增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个定量关系。如以dS（微反应时段dt内的底物消耗量）和dX（dt内的微生物增长量）的变化表示速率，有以下表达：dX/dS=Y，表示产率系数：－微生物增长速 －底物降解速

－微生物比增长

－底物比dX

YdX/dt dS/ SmaxksqSmaxksqmaxK Smaxs(dX Y(dS)KgudrXSqXYrs//XqTongji

第五节微生物生长与底物降解污泥泥龄污泥泥龄（），或称生物固体停留时间（SolidsRetentionSRT）定义系统总污泥量：X故污泥龄可以表Tongji

第五节微生物生长与底物降解2、Michaelis-Menten1913年 表示酶促反应速度与底物浓度关系v

Km1942年 表示微生物比增长速率与底物浓度关系c(c(X(X/Tc(QQ) Q

KSTongji

第五节微生物生长与底物降解、底物降解导致微生物增长，利用底 而产生微生物增量 dXYq ks

另外常用有：Eckenfelder(1955年)、Mckinny(1961年)活性污泥法方Tongji

第五节微生物生长与底物降解dXdX XdSdtX maxKsq maxksSmaxks Tongji

第五节微生物生长与底物降解Monod常数或米氏常数的测定如何确定Monod方程KS（或米氏方程Km）？实验中即使用很高的底物浓度，也只能得到近似的μmax值，而达不到真正的μax值因而也测不到准确的KS值，为了得到准确的KS值，可以把onod方程的形式加以改变，使它成为直线方程式的形式，然后用图解法定出KS值。目前，一般用的图解求KS值法为LneweaerBuk作图法或称双倒数作图法。此法先将Monod方程改写成如下的形式，即：变 1 S μ图中的直线。量取直线在两坐标轴上的截距/μa和/KS，就可以求出KS（或米氏方程Km）的值及μmax值 maxksMonod常数Monod常数或米氏常数的测定

第五节微生物生长与底物降解Tongji

第五节微生物生长与底物降解二、单一底物降解与污泥增长数学模型(Lawrence-McCarty模型1 dSdXdS进水中微生物浓度近似认X0全部可生物降解底物都处于溶解Tongji

第五节微生物生长与底物降解 理）dX

dS二沉池中没有微生二沉池泥水分离良好，没有污泥积Tongji

第五节微生物生长与底物降解2、物料衡算物料衡算就是根据质量守恒定律进行反应器系统各种物质 曝气曝气二沉回流污泥

出剩余污泥进入物

单位时 排出物

单位时 消耗物

单位时 累积物Tongji

第五节微生物生长与底物降解

Qw,X, X,

X,

Q-Xe,0rQ,Xr,

物料衡算Qw,Xr,Tongji

第五节微生物生长与底物降解物料衡算两个前提：入流微生物浓度=运行处于X态，微生物没有积累即：dt

V 对于系统的微生物，据物料衡算式：入流＝出流＋累积+消耗（-增长增长=出流Tongji

第五节微生物生长与底物降解两边同除以

dX YdSKdt dt 两边除以d1dX Y1dSd

QXQ QXQQXdXVdXV0wwedta dtgdXV=QXQQXdtwwedX dXdXdt QXQQX=dXw dtdXYdSdtdtdXKdtd(QQw)XeQwXr1dXXdtTongji

第五节微生物生长与底物降解 (QQw)XeQwXrY1dS d

dtCd1Yqd

Tongji

第五节微生物生长与底物降解劳－麦第一方程d1Yqd年劳伦斯Larn）和麦卡蒂MCrty）（）： q rdS X

q q maxKSe1 qmaxdc SeTongji

第五节微生物生长与底物降解出水有机底物浓度与污泥龄的关1YqdCTongji

第五节微生物生长与底物降解反应器活性污泥浓度与污泥龄的关e(SSe(SSdtdY1dS Xdt(QQw)XeQwXr0VQ0VQVYobsQ(S0SeX0eXYQ(SS0e

VYQ(S0Se1 qmax1 qmaxdc Se KS(1KdcecK)d1YQ(S0Se)dccVc

X(1KdcTongji

第五节微生物生长与底物降解污泥回流比r与污泥龄的关系（进入和离开曝气池微生物平衡因为 整理得二沉池运行正常时（mL/g换算为Tongji

第五节微生物生长与底物降解 0rVdXdtQX1r1dX dt X1Q1rrCVXRXr1XrrXXr对于完全混合曝气池rQXrQXr1r则或Tongji

第五节微生物生长与底物降解计算有机物降解速率

q max SSSt Sq Xqax X t x

qmaxTongji

第五节微生物生长与底物降解(dXgY((dXgY(dS) ud(dXg(dSuY(dSuYdSKdtdu对比上述Tongji

第五节微生物生长与底物降解合成产率Y、表观产率obs与污泥龄的关系公式：两边除以 Y dt d

所以有qYYq由劳麦第一方程 1Yq 得到 q1qYYq Y dC代入上式

Tongji

第五节微生物生长与底物降解1dS Q(S0Se Xdt YY(dSuYdSKdtdu Y1K dS Q(S0SedtVqmaxKSeQ(S0Se)qmaxSe KS 1Q(S0Seqmax S0X 1 Tongji

第五节微生物生长与底物降解传统水质分析难以满足模型分析和设计要求，需要对水质进行细化分析和表征：组分 组分 总5日生化需氧氮溶解性5日生化需最终生化需氧有机不可生物降解的颗粒态有可生物降解的溶解性化学不可生物降解的溶解性有可生物降解的颗粒态化学不可生物降解的颗粒态化不可生物降解的挥发性悬不可生物降解的溶解性化Tongji

易可生物降解（溶解态慢速生物降解（颗粒态

挥发性脂肪酸复杂有机物胶体态颗粒态颗粒态

溶解颗粒污水中COD成分分颗粒颗粒

氨 氨污水中氮（污水中氮（Nitrogen）成Tongji

挥发性悬浮滤纸水过水滤液

总悬浮固总溶解固

马弗 不挥发悬浮固 不挥发溶解固 马弗挥发性溶解颗粒不可颗粒不可生物降溶解有机Tongji

号模型（M1：包括去除污水中有机碳以及硝化和反硝化等过程。号模型（M2：包含了脱氮和生物除磷处理过程。1999年ASM