废水生化处理理论基础

第十二章废水生化处理理论基础

第一节废水处理微生物基础第二节酶及酶反应第三节微生物生长动力学第四节废水的可生化性第五节废水生化处理方法总论废水生化处理是利用生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物质进行转化和稳定、使之无害化的处理方法。对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。所谓微生物是肉眼不能看见，只能凭借显微镜才能观察到的单细胞及多细胞生物。从狭义角度说主要是指菌类生物，包括细菌、放线菌、真菌以及病毒等。从广义角度说，除了菌类生物及病毒外，还包括藻类、原生动物和一些后生动物。第一节废水处理微生物基础

一、微生物的新陈代谢1．分解代谢高能化合物分解为低能化合物，物质由繁到简并逐级释放能量的过程叫分解代谢或异化作用。2．合成代谢微生物从外界获得能量，将低能化合物合成生物体的过程叫合成代谢，或称同化作用。

图12-1微生物的新陈代谢体系代谢分为分解代谢和合成代谢。在分解代谢过程中，结构复杂的大分子有机物或高能化合物分解为简单的低分子物质或低能化合物，逐级释放出其固有的自由能，微生物将这些能量转变成三磷酸腺苷（ATP），以结合能的形式储存起来。在合成代谢中，微生物把从外界环境中摄取的营养物质，通过一系列生化反应合成新的细胞物质，生物体合成所需的能量从ATP的磷酸盐键能中获得。在微生物的生命活动过程中，这两种代谢过程不是单独进行的，而是相互依赖，共同进行的，分解代谢为合成代谢提供物质基础和能量来源，通过合成代谢又使生物体不断增加，两者的密切配合推动了一切生物的生命活动。二、微生物生长的营养及影响因素

营养物对微生物的作用是：（1）提供合成细胞物质时所需要的物质；（2）作为产能反应的反应物，为细胞增长的生物合成反应提供能源；（3）充当产能反应所释放电子的受氢体。所以微生物所需要的营养物质必须包括组成细胞的各种元素和产生能量的物质。影响微生物生长的因素最重要的是营养条件、温度、pH值、需氧量以及有毒物质。

1．微生物的营养

对好氧生物处理，BOD5:N:P=100:5:1，碳源以BOD5值表示，N以NH3-N计，P以PO43-中的P计；对厌氧消化处理，C/N比值在（1～20）：1的范围内时，消化效率最佳。2．反应温度微生物可分为高温性（嗜热菌）、中温性、常温性和低温性（嗜冷菌）四类，如表12-1所示。表12-1各类微生物生长的温度范围类别最低温度最适温度最高温度类别最低温度最适温度最高温度高温性中温性30℃10℃50～60℃30～40℃70～80℃50℃常温性低温性5℃O℃10～30℃5～10℃40℃3O℃3．pH值一般好氧生化处理pH值可在6.5～8.5之间变化;厌氧生物处理要求较严格，pH值在6.7～7.4之间。因此，当排出废水pH值变化较大时，应设置调节池。

4．溶解氧好氧微生物在降解有机物的代谢过程中以分子氧作为受氢体，如果分子氧不足，降解过程就会因为没有受氢体而不能进行，微生物的正常生长规律就会受到影响，甚至被破坏。厌氧微生物对氧气很敏感，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。

有毒物质对微生物的毒害作用，主要表现在使细菌细胞的正常结构遭到破坏以及使菌体内的酶变质，并失去活性。有毒物质可分为：①重金属离子（铅、铜、铬、砷、铜、铁、锌等）；②有机物类（酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等）；③无机物类（硫化物、氰化钾、氯化钠、硫酸根、硝酸根等）。return

5.有毒物质酶是由活细胞产生的能在生物体内和体外起催化作用的生物催化剂。酶有单成分酶和双成分酶之分。单成分酶完全由蛋白质组成，这类酶蛋白质本身就具有催化活性，多数可分泌到细胞体外催化水解，所以是外酶。双成分酶是由蛋白质和活性原子基团相结合而成，蛋白质部分为主酶，活性原子基团一般是非蛋白质部分。此部分若与蛋白质部分结合较紧密时，称之为辅基，结合不牢固时，称之为辅酶。主酶与辅基或辅酶组成全酶，两者不能单独起催化作用，只有结合成全酶才能起催化作用，其中蛋白质部分决定催化什么样的底物以及在什么部位发生反应，辅基或辅酶则决定催化什么样的化学反应。双成分酶常保留在细胞内部，所以是内酶。第二节酶及酶反应一、酶及其特点酶所具有的独特性能：①催化效率高。对于同一反应，酶比一般化学催化剂的催化速度高106～1013倍。酶催化的高效性还表现在用极少量酶就可使大量反应物转化为产物。②专属性。酶对其所作用的物质即底物有着严格的选择性。一种酶只能作用于一些结构极其相似的化合物，甚至只能作用于一种化合物而发生一定的反应。③对环境条件极为敏感。迄今为止，已知所有酶的化学组成与一般蛋白质并没有不同。它和蛋白质一样，在高温、高压、强酸、强碱、重金属离子、紫外线及高强辐射等条件下，都会因蛋白质变性而降低甚至丧失催化活性，也常因温度、pH值等的变化或抑制剂的存在而使其活性发生变化。另外，酶能在常温、常压和中性环境下进行催化反应，而一般非酶催化剂往往需要在高温、高压的环境下才能使催化反应正常进行。二、酶促反应速度当底物浓度在较低范围时，反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。当废物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与基质结合后,酶反应速度达到最大值，再增加底物对反应速度无影响，呈零级反应，说明酶已被废物所饱和。所有的酶都有此饱和现象，但各自达到饱和时所需的底物浓度并不相同。有时甚至差异很大。图12－2酶反应速度与底物浓度的关系

对于图12-2中的现象，曾提出过各种假设予以解释，其中比较合理的是中间产物学说。根据这个学说,酶促反应分两步进行，首先酶与底物形成中间络合物（中间产物），这个反应是可逆反应，然后结合物再分解为产物和游离态酶。反应过程可用下式表示：米氏方程式中，S代表底物；E代表酶；ES代表中间产物；P为产物；K1、K2、K3分别是各步反应的速度常数。

米凯利斯和门坦在分析中间产物学说的基础上，提出了表示整个反应过程中底物浓度与酶促反应速度之间的关系式，称为米凯利斯-门坦方程式，简称米氏方程，即式中V——酶反应速度；

Vmax——最大酶反应速度；

S——底物浓度；

Km——米氏常数[Km＝(K２＋K３)/K1]1．米氏常数的意义①Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关,而与酶的浓度无关。不同的酶具有不同的Km值，如表12-3所示。②如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个Km值③同一种酶有几种底物相应有几个Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。关于米氏方程的几点说明2.Km与Vmax的测定对一个酶促反应，由于在确定Km值及Vmax值时,只能得到近似的Vmax值，同时Km也测不准确,所以,一般常用图解法。图解法为Lineweaver-Burk作图法，也称双倒数作图法。此法先将米氏方程式改写为如下形式：实验时，选择不同的Ｓ，测定相应的Ｖ，以1/Ｖ对1/Ｓ作图，可得如图12-3所示直线，直线在纵坐标上的截距为１/Vmax，直线的斜率为Km/Vmax

，由此可求出Km与Vmax值。三、酶制剂近二三十年来，随着生物化学和微生物学技术的迅速发展，人们可从生物体中把酶分离提取出来，制成用于生产活动的酶制剂。如从动物胰脏提取胰蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。但由于动植物的来源有限，不能适应生产上大量用酶的需要，故目前大多采用微生物发酵法来制取酶。目前市场上商品酶制剂品种已近200种，广泛应用于食品、纺织、制革、石油、医药等行业。如淀粉酶用于纺织品的退浆，可节约大量的碱并提高棉布质量；蛋白碱用于制革工业的脱毛和软化，既节省了时间，又改善了劳动卫生条件；制丝业及照相器材业利用蛋白酶使生丝及底片脱胶等。对酶制剂用于废水生物处理也进行了大量研究，并得以应用。如日本研究将具有分解氰能力的产碱杆菌和无色杆菌制成氰分解酶，可使氰分解成氨和碳酸，对处理电镀含氰废水和丙烯腈废水很有效；利用脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等混合酶处理生活污水；利用多酚氧化酶处理含酚废水等。目前还正在寻找研制能分解有机汞、多氯联苯、塑料和环状有机化合物的酶。四、适应酶

微生物具有变异的特性，即遗传的变异性。人们根据这一特点，人为地改变微生物的环境条件，使微生物在受到各种物理、化学等因素的影响后，发生变异，并在机体内产生适应新环境的酶，即适应酶。人们就利用这个特性为生产服务。如活性污泥的培养驯化就是利用了这一特性，即在活性污泥的培养驯化过程中，不适应废水的微生物逐渐死亡，适应该废水的微生物逐渐增加，并在该种废水的诱发下，在微生物的细胞内产生适应酶。按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为四个生长时期：第二节微生物生长动力学缓慢期对数期稳定期衰亡期一、微生物的生长规律1.适应期（停滞期）这是微生物培养的最初阶段。在这个时期，微生物刚接入新鲜培养液中时对新的环境有一个适应过程，所以在此时期微生物的数量基本不增加，生长速度接近于零。2.对数期微生物的代谢活动经调整，适应了新的培养环境后，在营养物质较丰富的条件下，微生物的生长繁殖不受底物的限制，微生物的生长速度达到最大，菌体数量以几何级数的速度增加，菌体数量的对数值与培养时间成直线关系，故有时亦称对数期为等速生长期。在这种情况下，微生物体内能量高，絮凝性和沉降性能均较差，出水中有机物浓度也很高，也就是说，在废水生物处理过程中，如果控制微生物处于对数增长期，虽然反应速率快，但想取得稳定的出水以及较高的处理效果是比较困难的。3.平衡期在微生物经过对数期大量繁殖后，使培养液中的底物逐渐被消耗，再加上代谢产物的不断积累，从而造成了不利于微生物生长繁殖的食物条件和环境条件，致使微生物的增长速度逐渐减慢，死亡速度逐渐加快，微生物数量趋于稳定。4.衰老期（内源代谢期）在平衡期后，培养液中的底物近乎被耗尽，微生物只能利用菌体内贮存的物质或以死菌体作为养料，进行内源呼吸，维持生命。在此时期，由内源代谢造成的菌体细胞死亡速率超过新细胞的增长速率，使微生物数量急剧减少，生长曲线显著下降，故衰老期也称为内源代谢期。生物负荷率--F/M在废水生物处理中，我们通过控制底物量(F)与微生物量(M)的比值F/M(此值称为生物负荷率)，使微生物处于不同的生长状况，从而控制微生物的活性和处理效果。一般在废水处理中常控制F/M在较低范围内，利用平衡期或内源代谢初期的微生物的生长活动，使废水中的有机物稳定化，以取得较好的处理效果。1．微生物的增长速度

Monod方程描述限制增长营养物的剩余浓度与微生物比增长率之间的关系为:式中μ——微生物比增长速度(单位微生物量的增长

速率)，时间-1；

μm——微生物最大比增长速度，时间-1；

S——溶液中限制生长的底物浓度，质量/容积；

Ks——饱和常数。即当μ=μm/2时的底物浓度，故又称半速度常数，质量/容积。二、微生物生长动力学（12－12）2．微生物生长与底物利用速度微生物的增长速度与底物的降解速度有一个比例关系：式中：Y——微生物产率系数；——微生物总增长速度；

——底物利用速度；q——比底物利用速度。将式（12－12）代入式（12－13），可得式中qmax为最大比底物利用速度。（12－13）第四节废水的可生化性废水可生化性的实质是指废水中所含的污染物通过微生物的生命活动来改变污染物的化学结构，从而改变污染物的化学和物理性能所能达到的程度。研究污染物可生化性的目的在于了解污染物质的分子结构能否在生物作用下分解到环境所允许的结构形态，以及是否有足够快的分解速度。一、废水可生化性

①脂肪烃或正烷烃较芳香烃或环烷烃易降解；不饱和脂肪族化合物较易降解。②直链的中长链烃的降解比短链烃易。③烷烃中丙烷以上的碳化合物，随着碳原子数量的增多降解越容易。④不溶性物质，如矿物油类，抗降解能力大。⑤化合物的分子大小与可降解性有关，聚合物和复合物具有较大的抗降解能力，酶分子不能接近和破坏它们的内部结构。

⑥有机化合物异构作用对可降解性有影响，化合物所含置换集团的性质、数量和位置影响着可降解性。⑦当化合物主链上有非碳元素时，降解十分困难。⑧酚类是易于降解的，酮类介于醛、醇之间，但丁烯酮降解困难。以酚为代表的绝大部分有机物低浓度时可以降解但在高浓度时毒性大将抑制微生物的生命活动。⑨废水中污染物混合后若出现聚合，复合等现象将加大其抗降解能力。有毒物质之间的混合也会增大毒性作用。⑩自然界中原有物质较易降解，人工合成物质则较难。

用BOD5／COD值评价废水的可生化性是广泛采用的一种最为简易的方法。在一般情况下，BOD5／COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。表12-5中所列数据评价废水的可生化性。二、废水可生化性的评价方法1、BOD5／COD值法表12-5废水可生化性评价参考数据BOD5/COD>0.450.3～0.450.2～0.3<0.2可生化好较好较难不宜

以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确，即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。采用BOD5／TOD值评价废水可生化性时，有些研究者推荐采用表12-6所列标准。2、BOD5/TOD值法表12-6废水可生化性评价参考数据BOD5/TOD值

>0.40.2～0.4<0.2废水可生化性

易生化可生化难生化3、耗氧速率法

与b类耗氧曲线相应的废水是可生物处理的，在某一时间内，b与a之间的间距愈大，废水中的有机污染物愈易于生物降解。曲线b上微生物进入内源呼吸时的时间tA，可以认为是微生物氧化分解废水中可生物降解有机物所需的时间。在tA时间内，有机物的耗氧量与内源呼吸耗氧量之差，就是氧化分解废水中有机污染物所需的氧量。(1)摇床试验在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机营养盐溶液，在摇床上振摇，培养瓶中的混合液在摇床振荡过程中不断更新液面，使大气中的氧不断溶解于混合液中，以供微生物代谢有机物之用，经过一定时间后，对混合液进行过滤或离心分离，然后测定清液的COD或BOD，以考察待测物质去除效果。

(2)模型试验指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。模型装置通常可分为间歇流和连续流反应器两种。4、摇床试验与模型试验第五节废水生化处理方法总论生化处理方法主要可分为好氧处理和厌氧处理两种类型。一、生化处理方法分类①起作用的微生物不同。好氧处理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厌氧处理是厌氧菌和兼性菌起作用。②产物不同。好氧处理中有机物被转化为CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厌氧处理中有机物被转化为CH4、NH3等。③反应速率不同。好氧处理有机物转化速率快，处理设备内停留时间短、设备体积小。厌氧处理有机物转化速率慢，需要时间长，设备体积庞大。④对环境要求条件不同。好氧处理要求充分供氧。厌氧处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件要求甚严。好氧处理与厌氧处理的主要区别

(1)活性污泥法的发展沿革

活性污泥法于1914年首先在英国被应用。近二十多年来，随着对其生物反应和净化机理的广泛深入的研究，以及该法在生产应用技术上的不断改进和完善。使它得到了迅速发展，相继出现了多种工艺流程和工艺方法，使得该法的应用范围逐渐扩大，处理效果不断提高，工艺设计和运行管理更加科学化。目前，活性污泥法已成为城市污水、有机工业废水的有效处理方法和污水生物处理的主流方法。二、生化处理方法的发展沿革1．好氧生化法的发展沿革(2)生物膜法的发展沿革第一个生物膜法处理设施1893年在英国试验成功，1900年后开始付诸污水处理实践，并迅速欧美得到广泛应用。50年代，在德国建造了塔式