第三章 水的生物化学处理法1

微生物代谢需要酶，还需要能量 通常将能量的生产和获取的生物过程称为异化过程，
将细菌组织生产的生物过程称为同化过程
三、细菌生长曲线及Monod方程
（一）微生物的生 长曲线
静态培养法：迟缓期、 对数增长期、减速增 长期、内源呼吸期。
迟缓期 对数期
细胞不分裂（不生长），但细胞变大，细胞内RNA含量增 高，原生质呈碱性，合成代谢活跃，易合成新的诱导酶， 对外界环境变化敏感。接种物中死细胞较多或培养基不丰 富时延滞期较长。
进水
Q, S0, X 0
曝气池
二沉池 出水
Se, X ,V
(1 R)Q, Se , X
(Q QW ), Se , X e
回流污泥
RQ, Se , X R
剩余污泥 剩余污泥
QW , Se , X R
Q , S0, X 0 ：进入系统的污水流量，底物浓度，微生物浓度 Se, X ,V ：曝气池中底物浓度，污泥浓度，曝气池容积
粒径
0.02～0.2mm
比表面积
20～100cm2/mL
有办法知道确切的生物量吗？
有人曾企图通过直接测定污泥中细胞的DNA量、有机氮量、 三磷酸腺苷（ATP）量、脱氢酶的活力等指标去反映活性污泥 的活力，这种方法既复杂又不准确，而且微生物的含量不断变 化。
按McKinney的分析：
式中：
MLSS=Ma+Me+Mi+Mii
R：回流污泥流量与进水量之比，XR:回流污泥浓度；Qw：剩余污泥排放量。 Xe：出水中活性污泥浓度
1、污泥龄的概念： 在处理系统中（曝气池）微生物的平均停留时间。
c
X T
X
t T
c 污泥泥龄（SRT),d；
（X )T - -曝气池中总的活性污泥质量，kg；
X t T - -每天从系统中排出的活性污泥质量，kg / d;
Y----产率系数，降解单位质量基质 产生的细菌数量
基质降解速率和基质浓度间的关系如下所示：
实际废水处理系统中，总有部分细菌处于内源代谢过程中， 内源代谢速率一般与细菌的浓度成正比，同时考虑微生物的 合成和代谢，细菌的净增长速率为：
或：
Kd----内源衰减系数，d-1
第二节 好氧悬浮生长处理技术
生长过速：活性污泥膨胀 造成出水质量下降
Microscopic images of sludge flocs （*1000）
活性污泥系统生物过程动力学
一、建立模型的假设 1.曝气池处于完全混合状态。 2.进水中的微生物浓度与曝气池中的活性污泥微生物浓度相
比很小，可以假设为零。 3.全部可生物降解的底物都处于溶解状态。 4.系统处于稳定状态。 5.二沉池中没有微生物的活动。 6.二沉池中没有污泥积累，泥水分离良好。
第三章 水的生物化学处理方法
定义: 是人工创造的有利于微生物生命活动的环境中, 使微生物大量繁殖,提高微生物氧化分解有机物效率 的一种水处理方法.
对象: 去除溶解性和胶体性有机物; 分类: 好氧和厌氧两大类;
第一节 废水处理的微生物学基础
一、废水处理中的微生物
种类：细菌、真菌、藻类、原生动物和一些小型后生 动物
钟虫
轮虫
二、微生物的生理学特性
（一）微生物的酶 种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、
异构酶和合成酶 细胞内酶和细胞外酶 酶活性的影响因素：
温度：20~30℃ pH：4~9 某些离子：PO43-、Mg2+、Ca2+会激发酶的活性；重金属
离子使酶失去活性。
（二）微生物的代谢过程
微生物细胞特有的一种蛋白质，是具有高度专一性的 有机催化剂，只能对一类反应起催化作用；
死亡期
死亡细胞数目超过新生细胞，细胞形态多样，细胞开始自 溶，开始释放次生代谢产物
（二） 微生物生长动力学
Monod公式：
—细菌的比生长率，即单位质量的 细菌在单位时间内的增长率，d–1； m—细菌最大比生长率，d–1； S —溶液基质浓度，mg/L； Ks —半速率常数，饱和常数，mg/L， 即=1/2 m时的基质浓度。
在对数生长期,某一基质供给量不足,该基质成为细菌生长的控制 因素,细菌的比增长速率和限制性基质浓度的关系用Monod公式 表示.
细菌的增值速率
X----细菌浓度，mg/L
基质非常充分，S＞＞Ks, 上式简化为：
低基质浓度时，S＜＜Ks, 上式简化为：
细菌利用基质时，只有一部分转化为新细胞，另一部分氧化 为无机的和有机的最终产物。 基质降解速率和细菌增长速率间的关系如下所示：
Ma——具备活性细胞成分； Me——内源代谢残留的微生物有机体；
Mi——未代谢的不可生化的有机悬浮固体； Mii——吸附的无机悬浮固体。
MLSS表示悬浮固体物质总量，MLVSS挥发性固体成分表 示有机物含量，MLNVSS灼烧残量，表示无机物含量。 MLVSS包含了微生物量，但不仅是微生物的量，由于测 定方便，目前还是近似用于表示微生物的量。
常用鼓风机形式
1. 容积式风机: 罗茨鼓风机、回转风机
三 叶 式 罗 茨 鼓 风 机 外 型
离心鼓风机外型
多极离心风机
鼓风曝气
空气净化器
根据污泥泥龄的概念，有下式：
c
Q
QW
XV
X e
QW
XR
2、稳态条件下，做系统活性污泥的物料平衡有： 进水中微生物-排出的+ 增长的=0
QX 0
Q QW
X e
QW
X
R
dX dt
V g
0
dX 活性污泥的净增长率。 dt g
因进水中微生物浓度可以忽略不计，上式变为：
Q
QW
X e
QW
X
R
dX dt
V g
因， dX dt
g
Y
dS dt u
Kd X , 代入上式，两边同除以XV得
Q QW X e QW
XV
XRY
1 X
dS dt u
Kd ,或
1 c
Y
1 X
dS dt u
Kd
u 1
c
u 活性污泥的比增长速率。 因此，以污泥龄作为生物处理的控制参数，其重要性是明显的，
类型 依据碳的来源：自养型、异养型微生物 依据是否消耗氧：好氧型、厌氧型、兼氧型微生物
细菌：以异养型原核生物(细菌)为主，数量107～108个/ml， 自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污 染物质的主体，具有分解有机物的能力。
按形态分为：球菌、杆菌、螺旋菌三类；
• 真菌：由细小的腐生或寄生菌组成，具分解碳水化 合物，脂肪、蛋白质的功能。
细胞分裂（生长）最快，细胞数量呈对数增加，酶系活跃， 代谢旺盛。生长速率由营养成分和培养条件决定。
减速增长期 细胞生长变慢,数量缓慢增加.营养物浓度降到生长限制,毒 性代谢产物浓度升高.
稳定期
新繁殖的细胞与死亡细胞数目相等，菌体产量达到最高， 细胞开始储藏糖原、脂肪等储藏物，产芽孢的开始形成芽 孢，开始合成次生代谢产物。可能由于营养物的消耗或抑 制生长的代谢产物积累，细胞停止增殖，但仍存活。
因为通过控制污泥泥龄，可以控制微生物的比增长速率及系统中
微生物的生长状态。
将式(
dS dt
)u
rm a xS e KS Se
X代入上式得：
1
c
Y
rm a xS e Ks Se
Kd
Se
Ks 1 Kdc ，出水中溶解性有机物浓度 c Yrmax Kd 1
上式说明活性污泥系统中出水有机物浓度仅仅是污泥泥龄和动力学参数
和动力学参数密切相关。
第三节 曝气设备原理及曝气池
构成 活性污泥法的三个要素
一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就 是活性污泥；
二是废水中的有机物，它是处理对象，也是微 生物的食料；
三是溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物 既不能生存，也不能发挥氧化分解作用。
曝气
目的：将空气中的氧强制溶解到曝气池混合液中去，供微 生物分解有机物呼吸之用，由曝气设备完成曝气过程；
干固体和水分
含水98％~99％ 干固体1％~2%
MLSS
MLVSS NVSS
按有机性和无机性成分：
处理生活污水的活性污泥
MLVSS: 70% NVSS: 30%
MLVSS: 一般范围为55％~75％ NVSS: 一般范围为25％~45％
活性污泥的沉降浓缩性能
污泥沉降比：SV%
取混合液至1000mL或100mL量筒，静止沉淀30min后，度 量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（%）表示污 泥沉降比。
沉淀表层 曝气过程
随着反应的持续进行，有机物浓度下降，活性污泥微生物进入减速增殖 期和内源呼吸期，BOD5浓度又缓慢下降。
活 性 污 泥 法 的 基 本 流 程
影响活性污泥增长的因素
溶解氧：2~4 mg/L 温度：20-30℃ 营养物质： BOD N P = 100 5 1 pH:
污泥活性差。
评价活性污泥的指标
混合液悬浮固体浓度（MLSS):活性微生物、死亡微生 物、有机物和无机物
混合液挥发性固体（MLVSS):能较好的反应活性污泥的 微生物的量
污泥沉降比（SV）：曝气池混合液在100ml量筒中静 置30min后，沉淀污泥占混合液的体积分数
污泥指数（SVI）:单位干泥形成湿泥时的体积
污泥体积指数：SVI
单位干泥形成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污 泥指数，单位为mL/g。
SVI
1L污泥沉淀 30min 活性污泥的体积 MLSS( g L)
SV MLSS
SV的测定
0min
15min
30min
SV = 40%
SVI值是判断污泥沉降浓缩性能的一个重要参数。 SVI:100~150 污泥沉降性能良好 SVI:>200 污泥沉降性能差 SVI:过低时，污泥絮体细小紧密，含无机物较多，
二 活性污泥法降解有机物的过程
BOD5浓度在5～15min内第一次 BOD
急剧下降是活性较强的活性污泥对
污水中有机物吸附的结果。
生物吸附区
污水与活性 污泥混合曝 气后BOD值 的变化情况
随后略微升起是由于胞外水解酶 将吸附的非溶解状态的有机物水解 成为溶解性小分子后，部分有机物 又进入污水中使BOD5浓度上升。 此时，污水中存活着大量的游离细 菌，也进一步促使BOD5浓度上升。
• 污水处理中分离出的真菌主要是霉菌；
藻类
具有光合作用的自养型微生 物，为单细胞或多细胞生物；
通过光合作用放出氧，对污 水的净化具有重要作用；
原生动物
肉足纲、鞭毛纲、纤毛纲和吸管纲； 捕食游离细菌； 在水处理过程中，
起指示生物作用。
微型后生动物
轮虫捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。 利用镜检生物相评价活性污泥质量与污水处理的质量。
好氧悬浮生长生物处理：活性污泥法、曝气氧化 塘、高负荷氧化塘
一、活性污泥法
由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体 及吸附的污水中有机和无机物质组成的、有一定活力的、 具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。
曝气池
活性污泥的性状
颜色
黄褐色
味道 状态
土腥味 似矾花絮绒颗粒
相对密度
曝气池混合液：1.002～1.003 回流污泥：1.004～1.006
曝气方式： 1. 鼓风曝气系统 2. 机械曝气装置：纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器 3. 鼓风+机械曝气系统 4. 其他：富氧曝气、纯氧曝气
曝气设备
鼓风曝气
空气净化器 鼓风机 空气输配管系统 扩散器
机械曝气 表面曝气机
竖式曝气机 卧式曝气机
鼓风曝气
空气净化器
空气净化器的目的是改善整个曝气 系统的运行状态和防止扩散器阻塞。
鼓风机
空气输配 管系统
扩散器
鼓风曝气
空气净化器
鼓风机
空气输配 管系统 扩散器
鼓风机 供应压 缩空气
罗茨鼓风机：适用于中小型 污水厂，噪声大，必须采取 消音、隔音措施
离心式鼓风机：噪声小，效 率高，适用于大中型污水厂
风量要满足生化反应所需的氧量和能 保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。
风压要满足克服管道系统和扩散器 的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压。
一般好氧微生物的最适宜pH在6.59之间。pH6.5时，丝状菌 将占优势，引起污泥膨胀。
厌氧微生物的最适宜pH在6.8~7。 厌氧微生物的活动也会影响混合液的pH值
丝状细菌 Filamentous bacteria
活性污泥中重要的组成部分 交叉穿织在菌胶团之间或附在絮状体表面 丝状细菌具有很强的氧化分解有机物的能力 具有一定的净化作用
的函数，与进水有机物浓度无关。
在稳态条件下，做曝气池底物的物料平衡，有：
QS0
RQSe
dS dt
V u
1
RQSe
0
整理得： dS QS0 Se
dt u
V
代入（12 - 7）得：
1
c
Y
QS0
X
V
Se
KΒιβλιοθήκη Baidu
d
X
YQS0 Se c V 1 Kdc
从上式可以看出，曝气池中活性污泥浓度与进水水质、污泥泥龄