现代水处理原理与技术(1、2章)

第一篇污水的生物处理

第1章污水生化处理理论基础

1.1污水的好氧生物处理和厌氧生物处理1.2微生物的生长规律和生长环境1.3米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式1.4微生物生长动力学1.5废水的可生化性1.1污水的好氧生物处理和厌氧生物处理

一、微生物的新陈代谢和呼吸类型二、污水的好氧生物处理

三、污水的厌氧生物处理

一、微生物的新陈代谢和呼吸类型

微生物的能量代谢：微生物的新陈代谢

新陈代谢=分解代谢+合成代谢微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能（即分解代谢过程）。根据与氧气的关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。一、微生物的新陈代谢和呼吸类型

微生物的呼吸

一、微生物的新陈代谢和呼吸类型

好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（O2）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。

异氧型微生物以有机物为底物（电子供体），终点产物为二氧化碳、氨和水等，同时放出能量。C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+——11CO2+13H2O+NH4++能量自养型微生物

以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时放出能量。H2S+2O2——H2SO4+能量NH4++2O2——NO3－

+2H++H2O+能量一、微生物的新陈代谢和呼吸类型

2.厌氧呼吸厌氧呼吸是在无分子氧的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。（1）发酵

指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。C6H12O6——2CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH——2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO——2CH3CH2OH总反应式：C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ（2）无氧呼吸

是指以无机氧化物，如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。

C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-

——2N2+12H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ一、微生物的新陈代谢和呼吸类型

呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸分子氧C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJ无氧呼吸无机物C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ发酵有机物C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ三种呼吸方式获得的能量水平比较二、污水的好氧生物处理

二、污水的好氧生物处理

有机物的氧化分解（有氧呼吸）：

原生质的同化合成（以氨为氮源）：

原生质的氧化分解（内源呼吸）：

三、污水的厌氧生物处理

好氧生物处理与厌氧生物处理的比较：

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小于500mg/L的有机废水，基本采用好氧生物处理。由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。此外，它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，处理构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧处理法。

1.2微生物的生长规律和生长环境

一、微生物的生长规律1、停滞期2、对数期3、静止期4、衰老期

1.2微生物的生长规律和生长环境

1.2微生物的生长规律和生长环境

二、微生物的生长环境

1、微生物的营养

水处理中微生物对C、N、P三大营养元素的要求：对好氧生物处理BOD5：N：P=100：5：1，对厌氧生物处理C/N=（10—20）：1碳源--异氧型微生物利用有机碳源，自氧菌利用无机碳源。氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。补充氮，磷，钾

：与生活污水混合添加药剂：硫酸铵，硝酸铵，尿素（补充氮源）；磷酸钠、磷酸钾等（补充磷源）1.2微生物的生长规律和生长环境

二、微生物的生长环境

2、温度各类微生物生长的温度范围不同，约为5℃~80℃。此范围内可分成最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度。以微生物适应的范围，可分为中温性（20—45℃）、高温性（45℃以上）、低温性（20℃以下）好氧生物处理中以中温菌细菌为主，最适温度20—37℃；厌氧生物处理中，中温性甲烷菌最适温度范围为25—40℃，高温性为50—60℃，厌氧处理常采用温度为33℃—38℃和52—57℃。1.2微生物的生长规律和生长环境

二、微生物的生长环境

3.pH值不同的微生物有不同的pH适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生物的pH值适应范围是在4—10之间；大多数细菌适宜中性或偏碱性环境（6.5-7.5）；氧化硫化杆菌，喜欢在酸性环境，最适pH值为3；酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的环境中生活，最适pH为3.0—6.0。活性污泥法处理废水，曝气池混合液的最适pH宜为6.5-8.5。当废水的pH值变化较大时，应设置调节池。1.2微生物的生长规律和生长环境

二、微生物的生长环境

4.溶解氧溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。例如，废水的好氧生物处理中，如果溶解氧不足，由于得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降低，同时对氧要求低的微生物应运而生，影响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。好氧生物处理的溶解氧一般以2-4mg/L为宜。5.有毒物质在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制和杀害作用的化学物质，这类物质称为有毒物质。其毒害作用主要表现于细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。如重金属离子（砷、铅、镉、铬、铁、铜、锌等）能与细胞内的蛋白质结合，使它变质，致使酶失去活性。1.2微生物的生长规律和生长环境

1.3米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式

一、反应速度和反应级数二、酶催化反应的基本特征三、底物浓度对酶反应速度的影响四、米氏方程式五、Km与Vmax的意义及测定一、反应速度和反应级数

一、反应速度和反应级数

二、酶催化反应的基本特征

1、较高的催化效率2、有很强的专一性3、具有温和的反应条件4、酶易变性与失活三、底物浓度对酶反应速度的影响

一切生化反应都是在酶催化下进行的。这种反应宜可以说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的影响。

式中，S代表底物，E代表酶，ES代表酶-底物中间产物，P代表产物。

中间产物学说酶反应速度与底物浓度的关系四、米氏方程式

对单一底物参与的简单酶反应：根据化学动力学，其反应机理可表示为根据质量作用定律，P的生成率可表示为

根据上述假设有和或表示为反应体系中酶的总浓度CE0为所以(A)(B)将(B)带入(A)，得rP,max——P的最大生成速率，mol/(L·s)CE0——酶的总浓度，亦为酶初始浓度，mol/L即五、Km与Vmax的意义及测定米氏方程

其中（米氏常数）米氏常数是酶反应处于动态平衡，即稳态时的平衡常数。其数值等于V=1/2Vmax时的底物浓度，故又称半速度常数。Km值是酶的特征常数之一，只与酶性质有关，而与酶浓度无关。不同的酶，Km值不同。如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的Km值。同一种酶的几种底物中，Km值最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。最大酶反应速率rp,max=k+2CE0。它表示了当全部的酶都成复合物状态时的反应速率。

五、Km与Vmax的意义及测定

Km与Vmax的测定1.4微生物生长动力学

一、细胞反应速率的定义二、莫诺特（Monod）方程三、微生物生长与底物降解的基本关系式一、细胞反应速率的定义

微生物比增长速率μ的提出μ表示每单位微生物的增长速度当微生物生长不受外界条件限制（对数增长期）时，一、细胞反应速率的定义

绝对速率是单位时间单位反应体积某一组分的变化量。比速率

是以单位浓度细胞为基准而表示的各个组分的变化速率。Cx、Cs、CO——分别为细胞、底物和氧的浓度细胞生长速率基质消耗速率细胞生长比速率氧消耗速率基质消耗比速率氧消耗比速率二、莫诺特（Monod）方程1942年，现代细胞生长动力学奠基人Monod提出，在微生物生长曲线的对数期和平衡期，细胞的比生长速率与限制性底物浓度的关系可用下式表示：

μ——微生物比生长速率，（s-1）；μmax——微生物最大比生长速率，（s-1）；Cs——限制性底物浓度，（g/L）；Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度。Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长；细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。

(1)当限制性基质浓度很低时，Cs＜＜Ks此时，(2)当Cs＞＞Ks时，μ=μmax此时，(3)当Cs处于两种情况之间时，Monod方程三、微生物生长与底物降解的基本关系式

在一切生化反应中，微生物增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个定量关系，可通过下式表示：其中微生物总增长速度底物利用速度微生物比增长速度比底物利用速度Y微生物产率系数若定义qmax=μmax/Y，则可得其中，qmax——最大比底物降解速度或三、微生物生长与底物降解的基本关系式在水处理中，为了获得较好的处理效果，通常控制微生物处于平衡期或内源代谢期。Kd——微生物衰减系数因此，微生物体的净生长速率为即在实际工程中，产率系数（或称微生物增长系数）Y常以实际测得的观测产率系数（或称微生物净增长系数）Yobs代替(A)(B)由(A)可得由(B)可得其中，μ′为微生物比净增长速率内源呼吸时，微生物体的自身氧化速率与微生物浓度成正比：

1.5废水的可生化性

第2章污水的好氧生物处理(一):

活性污泥法

2.1基本概念2.2气体传递原理和曝气池2.3废水处理反应器及动力学基础2.4活性污泥法的设计计算2.5活性污泥法的发展和演变2.6活性污泥法的运行与管理

2.1基本概念

一、活性污泥有机废水经过一段时间的暴气后，水中会产生一种以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。活性污泥的组成

以细菌、原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。活性污泥的特点结构疏松，表面积很大，对有机物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力。在条件适当的时候，活性污泥还具有良好的自身凝聚和沉降性能，大部分絮凝体在0.02-0.2mm范围内。2.1基本概念

二、活性污泥法的基本流程

2.1基本概念

三、活性污泥降解污水中有机物的过程

吸附阶段和稳定阶段2.1基本概念

三、活性污泥降解污水中有机物的过程

吸附阶段和稳定阶段

三、活性污泥降解污水中有机物的过程

三、活性污泥降解污水中有机物的过程四、活性污泥指标1、污泥沉降比（SV）污泥沉降比（SV）=混合液经30min静止沉淀后的污泥体积/混合液体积2、污泥浓度（MLSS,MLVSS）指1升混合液中所含的悬浮固体或挥发性悬浮固体的重量，g/L或mg/L3、污泥容积指数（SVI）指曝气池混合液经30min沉淀后，1g干污泥所占的沉淀污泥容积的毫升数，mL/g。SVI=SV的百分数×10/MLSS(g/L)

四、活性污泥指标

xR——回流污泥的悬浮固体浓度，mg/L;R——污泥回流比；x——混合液污泥浓度，mg/L2.2气体传递原理和曝气池

一、气体传递原理二、曝气设备三、曝气池池型

一、氧传递原理

dm/dt——气体传递速率；KL——气体扩散系数；A——气液界面接触面积，m2Cs，——液相氧的饱和浓度,mg/L；CL——液相内氧的实际浓度,mg/LKLa——总的传质系数一、氧传递原理

其中温度、气压的影响若供氧速度=耗氧速度rr则氧吸收率W——实际供气量二、曝气设备

曝气设备的类型1、鼓风曝气（1）小气泡扩散器（2）中气泡扩散器（3）大气泡扩散器（4）微气泡扩散器衡量曝气设备曝气效率的两个指标氧吸收率（或利用率）：向混合液供给1千克氧时，水中所能获得的氧千克数，多用于鼓风曝气装置评价；动力效率：单位动力在单位时间内所转移的氧量，多用于机械曝气设备评价2、机械曝气（1）竖式曝气机（2）卧式曝气刷

1、鼓风曝气（1）小气泡扩散器微孔材料（陶瓷，砂粒，塑料）

制成的扩散板和扩散管等，气泡直径在1.5mm以下，氧利用率高（在11%左右），但阻力大，易阻塞。（2）中气泡扩散器常用穿孔管，它的孔直径为2～3mm，孔眼气体流速不小于10m/s，以防堵塞，其特点是氧利用率低，但空气压力损失较小；

（3）大气泡扩散器常用的是曝气竖管，直径为15mm左右，底口敞开，其特点是气泡大（直径3mm以上），分布不匀，氧利用率低，不易堵塞；

二、曝气设备

鼓风曝气设备性能资料气泡大小(mm)氧传递速率(mg/L.h)氧吸收率(%)动力效率(kgO2/kW.h)

小气泡(<1.5)

中气泡(1.5~1.3)

大气泡(>3)

微气泡(<0.1)40~60

20~30

10~20

40~12011~12

6.2~7.9

6.2~7.11.6~2.6

1.0~1.6

0.6~1.2

1.2~2.4氧传递速率动力效率二、曝气设备

2、机械曝气二、曝气设备

注:标准状态是用清水,水温20℃,大气压力为101.325kPa,最初水中的溶解氧浓度为0。现场试验用的是污水，水温15℃，海拔150m，α=0.85，β=0.9。

三、曝气池池型

1、鼓风曝气与推流式曝气池

三、曝气池池型

1、鼓风曝气与推流式曝气池

推流式曝气池长宽比一般大于4～5，宽深比不大于2，深度一般取3~5m。鼓风曝气系统由空气净化器，鼓风机，空气输配管系统和扩散器组成。

三、曝气池池型

1、鼓风曝气与推流式曝气池

浅层曝气在氧转移率相同的情况下，浅层曝气耗电省。一般在曝气池中设垂直导流板，上缘与曝气管齐，下缘距池底0.6～0.8m。曝气时混合液饶导流板循环流动。浅层曝气的供气量为30～40m3/m3(水)·h。风压约1kPa,动力效率2.3～2.9kg(O2)/kWh。浅层曝气池与一般曝气池相比，空气量增大了，而风压仅为一般曝气池的1/3～1/4,电耗略有下降，适于中小型污水厂采用。三、曝气池池型

1、鼓风曝气与推流式曝气池

深井曝气三、曝气池池型

2、叶轮曝气与完全混合曝气池（1）分建式曝气池和沉淀池分别设置，既可使用表曝机，也可用鼓风曝气装置。采用泵形叶轮时，曝气池直径与叶轮直径之比为4.5~7.5。采用倒伞形和平板形叶轮时，曝气池直径与叶轮直径之比为3~5。（2）合建式靠表曝机的提升力使污泥循环，一般回流比较大，R＞1，甚至达到5。三、曝气池池型

鼓风曝气与叶轮曝气的优缺点和适用条件一般地说，表面机械曝气的氧吸收率高（约为15～25%），鼓风曝气低（仅为6～10%）,所以前者耗电较后者少。鼓风曝气所用设备较多。但是当废水量很大，曝气池需要设置相当多的曝气叶轮时，则费用剧增，超过鼓风曝气。因此，叶轮曝气适用于水量较小的小型曝气池，鼓风曝气适用于大水量的大型曝气池。

当废水中存在大量的产生泡沫的物质（如表