第二章 污水生物處理基本概念（4學(xué)時(shí)）-新改1

1、第2模塊：畫(huà)龍點(diǎn)睛之筆，建立生物處理基本概念和理論體系第2章 廢水生物處理的基本概念微生物的代謝與呼吸污水生物處理基本原理降解有機(jī)物生物脫氮除磷基本原理代謝呼吸分解代謝合成代謝ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的能量循環(huán)好氧呼吸缺氧呼吸發(fā)酵完全厭氧好氧生物處理厭氧生物處理缺氧生物處理生物脫氮同化脫氮氨化硝化反硝化生物除磷同化除磷厭氧放磷好氧吸磷微生物生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境生長(zhǎng)階段延遲期對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期減數(shù)增長(zhǎng)期內(nèi)源呼吸期原生動(dòng)物對(duì)水質(zhì)的指示作用微生物生長(zhǎng)環(huán)境及影響因素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)第二章 廢水生物處理的基本概念 第一節(jié) 概述第二節(jié) 微生物的代謝與呼吸第三節(jié) 污水生物處理的基本原理第四節(jié) 生物脫氮除磷

2、原理第五節(jié) 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境第一節(jié) 概 述 污水生物處理法是建立在環(huán)境自凈作用基礎(chǔ)上的人工強(qiáng)化技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)生化環(huán)境，優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型及必要的預(yù)處理手段，發(fā)揮微生物的降解作用而實(shí)現(xiàn)污染控制。具有百余年發(fā)展歷史。具有高效、低耗、產(chǎn)能等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行費(fèi)用低，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模水處理工藝中。污水生物處理技術(shù)的起源1881年，法國(guó)發(fā)明了Moris池是最早的廢水處理生物反應(yīng)器。封閉厭氧型。1893年 在英國(guó)首先應(yīng)用了生物濾池。1914年 英國(guó)又首先采用活性污泥法處理廢水（曝氣好氧）。此后的半個(gè)多世紀(jì)，好氧生物處理成為穩(wěn)定廢水中有機(jī)物的核心工藝；而厭氧處理長(zhǎng)期以來(lái)用于污泥穩(wěn)定。工藝應(yīng)用現(xiàn)狀 美國(guó)：180

3、00座廢水處理廠，84%為二級(jí)生物處理；英國(guó)：3000座均為二級(jí)生物處理裝置；日本：703座城市、2000座村鎮(zhèn)污水處理廠中99%為生物處理工藝；瑞典：1540座污水處理廠，91%為生物處理工藝。廢水生物處理技術(shù)的發(fā)展歷程早期發(fā)明階段（1881年-1915年）；普及階段（1915年-1960年）；活性污泥法階段曝氣法、完全混合曝氣法、延時(shí)曝氣法等；生物濾池高負(fù)荷生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法等；厭氧消化 兩級(jí)消化池、兩相消化等；發(fā)展階段（1961年-現(xiàn)在）：好氧生物處理： 氧化溝、A-B法、SBR、深井曝氣、流化床、MBR等；（微生物基礎(chǔ)應(yīng)用研究）厭氧生物處理： 進(jìn)步顯著，厭氧接觸法、厭氧

4、生物濾池、UASB等；好氧-厭氧聯(lián)合工藝的開(kāi)發(fā) 水解酸化-好氧處理（A/O）；脫氮除磷；A1-A2-O豐富完善了自然生物凈化系統(tǒng)污水生物處理的優(yōu)勢(shì)是由微生物及其生長(zhǎng)特性所決定的。微生物有什么特性？如何體現(xiàn)到污水處理中？微生物對(duì)污染物降解的巨大潛力個(gè)體微小、比表面積大、代謝速率快 較大的酵母菌，一般為橢圓形，寬1-5um,長(zhǎng)5-30um。比表面積大：大腸桿菌與人相比，其比表面積約為人的30萬(wàn)倍，為營(yíng)養(yǎng)物的吸收與代謝產(chǎn)物的排泄奠定了基礎(chǔ)；代謝速度快：發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1h內(nèi)可分解其自重的100010000倍；假絲酵母（Candida utilis）合成蛋白質(zhì)能力比大豆強(qiáng)100倍，比食用公牛強(qiáng)10萬(wàn)倍

5、。種類繁多、分布廣泛、代謝類型多樣W. B. Whitman (U. Of Georgia)細(xì)菌普查，地球上存在51030個(gè)細(xì)菌, 非?；钴S的群體在海、陸、空等一般環(huán)境和極端環(huán)境中的極端環(huán)境微生物；Pseudomonas cepacia：能降解90種以上有機(jī)物，甲基汞、有毒氰、酚類化合物等都能被微生物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解利用繁殖快、易變異、適應(yīng)性強(qiáng)大腸桿菌在條件適宜時(shí)17min就分裂一次；有一種假單胞細(xì)菌在不到10min就分裂一次；低溫、高溫、高壓、酸、堿、鹽、輻射等條件下可以快速適應(yīng)；對(duì)于進(jìn)入環(huán)境中的“陌生”污染物，如PPCPs，微生物可通過(guò)突變而改變?cè)瓉?lái)的代謝類型而降解之?？顾幮晕⑸铮堪l(fā)展前

6、景與存在問(wèn)題廢水生物處理技術(shù)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用，取得了很大的進(jìn)步。然而，由于工業(yè)和城市的飛速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，特別是發(fā)展中國(guó)家，水污染至今還沒(méi)有得到有效控制。污水處理技術(shù)離盡善盡美還相差很遠(yuǎn)。主要缺點(diǎn)：生化環(huán)境不夠理想、微生物數(shù)量不夠多、反應(yīng)速率尚低、處理設(shè)施的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用較高、運(yùn)行不夠穩(wěn)定、難降解有機(jī)物處理效果差等。效果不穩(wěn)定，有毒難降解工業(yè)廢水處理效果差。前洲污水處理廠工業(yè)廢水毒性大北國(guó)污水處理廠正常情況從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略觀點(diǎn)來(lái)衡量： 廢水生物處理還有消耗大量有機(jī)碳、剩余污泥量大、釋放較多二氧化碳等缺點(diǎn)。與現(xiàn)代科技結(jié)合 利用微生物的無(wú)窮潛力、反應(yīng)設(shè)備的發(fā)展及

7、材料等相關(guān)學(xué)科技術(shù)的進(jìn)步，與其他工藝相交叉，利用協(xié)同作用。污水生物處理工藝必將取得更大的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。 例：污水處理+（納米）零價(jià)鐵 新陳代謝：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)生物酶催化的復(fù)雜生化反應(yīng)，在體內(nèi)不斷進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和交換的過(guò)程。但總體分兩類過(guò)程：分解代謝：分解復(fù)雜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物， 獲得能量。合成代謝：通過(guò)一系列的生化反應(yīng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn) 化為復(fù)雜的細(xì)胞成分，機(jī)體制造自身。微生物的代謝第二節(jié) 微生物的代謝與呼吸 新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡(jiǎn)單物質(zhì)簡(jiǎn)單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝分解代謝（異化作用）是降解有

8、機(jī)物的途徑；合成代謝是轉(zhuǎn)化有機(jī)物的途徑具體在污水處理中：污水中有機(jī)物CO2+H2OC5H7NO2分解代謝合成代謝能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate)AMP+PADP+ P ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解產(chǎn)生能量。高能化合物低能化合物ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+三磷酸腺苷 （ATP）：細(xì)胞內(nèi)能量的“分子貨幣”，儲(chǔ)存和傳遞化學(xué)能，蛋白質(zhì)、脂肪、糖和核苷酸的合成都需它參與。 有機(jī)底物的分解代謝是通過(guò)發(fā)酵和呼吸作用完成的微生物的呼吸作用：微生物在降解底物的過(guò)程中，將釋放出的

9、電子交給NAD（P）+（輔酶）、FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黃素單核苷酸）等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產(chǎn)物并釋放能量的過(guò)程。以分子氧為電子最終電子受體的稱為好氧呼吸，以氧化型化合物為最終電子受體的稱為缺氧呼吸。微生物的發(fā)酵與呼吸發(fā)酵 微生物將有機(jī)物氧化的釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物。 供氫體和受氫體都參與有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受氫體無(wú)需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機(jī)物）。 這種生物氧化作用不徹底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原來(lái)底物簡(jiǎn)單的有機(jī)物，在反應(yīng)過(guò)程中，釋放的自由能較少，故厭

10、氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)過(guò)程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的發(fā)酵過(guò)程：總反應(yīng)式：發(fā)酵與厭氧呼吸的區(qū)別：（1）發(fā)酵是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物；（2）呼吸是將電子交給電子傳遞系統(tǒng)，并逐步釋放出能量后再交給最終電子受體；（3）按三階段理論是是厭氧的第一階段（2-6）微 生 物 的 呼 吸 類 型微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸根據(jù)氧化的底物、氧化產(chǎn)物的不同 自養(yǎng)型微生物 異養(yǎng)型微生物根據(jù)受氫體（或電子受體）的不同分為缺氧呼吸以無(wú)機(jī)氧化物為電子受體好氧呼吸是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入好氧微生物細(xì)胞后，通過(guò)一系列氧化還原反應(yīng)獲得能量的過(guò)程。有分子氧參與的生物

11、氧化， 反應(yīng)的最終受氫體或電子受體是分子氧。底物中的氫被脫氫酶活化，并從底物中脫出交給輔酶（遞氫體），同時(shí)放出電子，氧化酶利用底物放出的電子激活游離氧，活化氧和從底物中脫出的氫結(jié)合成水。NAD(P)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸過(guò)程實(shí)質(zhì)上是脫氫和氧活化相結(jié)合的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，同時(shí)放出能量。依好氧微生物的類型不同，被其氧化的底物不同，氧化產(chǎn)物也不同。好氧呼吸有異養(yǎng)型微生物呼吸和自養(yǎng)型微生物呼吸兩種 。 好 氧 呼 吸 （2-1)還原型輔酶還原型輔酶1.異養(yǎng)型微生物呼吸 異養(yǎng)型微生物以有機(jī)物為底物（電子供體），其終點(diǎn)產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等無(wú)機(jī)物，同時(shí)放出能量。如下式所示： 有機(jī)廢水的好

12、氧生物處理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等屬于這種類型的呼吸。（2-2）（2-3）2.自養(yǎng)型微生物 自養(yǎng)型微生物以無(wú)機(jī)物為底物（電子供體），其終點(diǎn)產(chǎn)物也是無(wú)機(jī)物，同時(shí)放出能量。 大型合流污水溝道和污水溝道存在該式所示的生化反應(yīng)生物脫氮工藝中的生物硝化過(guò)程（2-4）（2-5） 是指以無(wú)機(jī)氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。 在反硝化作用中，受氫體為NO3-，可用下式所示：總反應(yīng)式： 在缺氧呼吸過(guò)程中，供氫體和受氫體之間也需要細(xì)胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，能量得以分級(jí)釋放，故缺氧呼吸也

13、產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。但由于有些能量隨著電子轉(zhuǎn)移至最終受氫體中，故釋放的能量不如好氧呼吸的多。（2-7）（2-8）（2-9）缺 氧 呼 吸 發(fā)酵與完全厭氧1.發(fā)酵 微生物將有機(jī)物氧化的釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物。 供氫體和受氫體都參與有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受氫體無(wú)需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機(jī)物）。 這種生物氧化作用不徹底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原來(lái)底物簡(jiǎn)單的有機(jī)物，在反應(yīng)過(guò)程中，釋放的自由能較少，故厭氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)過(guò)程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的發(fā)酵過(guò)程：總反應(yīng)式

14、：發(fā)酵與厭氧呼吸的區(qū)別：（1）發(fā)酵是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物；（2）厭氧是將電子交給電子傳遞系統(tǒng)，并逐步釋放出能量后再交給最終電子受體；（3）按三階段理論是是厭氧的第一階段（2-6）2.完全厭氧厭氧呼吸是在無(wú)分子氧（O2）的情況下進(jìn)行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒(méi)有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過(guò)程中，底物中的氫被脫氫酶活化，從底物中脫下來(lái)的氫經(jīng)輔酶?jìng)鬟f給除氧以外的有機(jī)物，使其還原。厭氧呼吸的受氫體不是分子氧。在厭氧呼吸過(guò)程中，底物氧化不徹底，最終產(chǎn)物不是二氧化碳和水，而是一些較原來(lái)底物簡(jiǎn)單的化合物。這種化合物還含有相當(dāng)?shù)哪芰?，故釋放能量較少。如有機(jī)污泥的厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷，是含

15、有相當(dāng)能量的可燃?xì)怏w。發(fā)酵與完全厭氧呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸能量利用率42分子氧C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ缺氧呼吸無(wú)機(jī)物C6H12C6+4NO3 - 6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26有機(jī)物C6H12C6 2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ完全厭氧有機(jī)物產(chǎn)生的能量?jī)H為好氧的1/201/30生化反應(yīng)中獲得能量水平能量利用率低，適用于高濃度可生化性好，易于降解的污廢水湖北襄陽(yáng)正大農(nóng)牧食品有限公司肖劉2400種豬場(chǎng)糞便污水處理工程豬場(chǎng)糞便污水厭氧沼氣池沼液池混凝沉淀缺氧好氧沉淀反硝化生物濾池硝化生物濾池消毒氣浮出水處理水量

16、200 m3/d厭氧沼氣池曬渣場(chǎng)沼氣發(fā)電機(jī)組沼氣沼渣問(wèn)題： （1）廢水達(dá)標(biāo)難度大；氨氮、COD 、磷； （2）沼液含營(yíng)養(yǎng)成分高，但還田做肥料資源化需考慮運(yùn)費(fèi)成本；還需考慮重金屬問(wèn)題； （3 ）沼氣發(fā)電機(jī)組投資成本高。污水生物處理分類分類依據(jù)：生化環(huán)境：好氧（DO2mg/L）缺氧（ DO0.5mg/L） 厭氧（理論上DO=0.0mg/L,實(shí)際DO0.2mg/L ）反應(yīng)器構(gòu)型：懸浮型、附著型和混合型依據(jù)微生物在反應(yīng)器中的生長(zhǎng)方式第三節(jié) 污水生物處理的基本原理生化環(huán)境對(duì)生化效果的重要影響生化環(huán)境處理效果污染物代謝途徑微生物生態(tài)選擇依據(jù)微生物種類及其代謝類型不同；微生物生態(tài)系統(tǒng)不同：好氧處理能夠支撐完

17、整的食物鏈；缺氧受到限制，而厭氧最受限制，只是細(xì)菌占主導(dǎo)地位對(duì)微生物群落生態(tài)的影響影響污染物的降解途徑苯酚的生物降解三羧酸循環(huán)需氧有機(jī)體獲取能量萘微生物降解隨時(shí)間的變化RO（ CH2-CH2-O-）nHNPnEORO（ CH2-CH2-O-）n-1HNP（n-1）EORO CH2-CH2-O-CH2-COOHNP2EORO CH2-COOHNP1ECRCHRO （CH2-CH2-O-）2HNP2ECRO CH2-CH2-OHNP1EO好氧厭氧 厭氧厭氧NPEOs中乙氧基部分好氧、厭氧組合降解途徑在工業(yè)廢水中，生化環(huán)境尤為重要；有些降解之能夠以厭氧方式，或者相反。例如：望春花印染廠廢水處理改造工

18、程中，印染廢水直接好氧效果不好，但改為水解酸化后效果好。是在有游離氧（分子氧）存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無(wú)害化的處理方法。微生物利用廢水中存在的有機(jī)污染物（以溶解狀與膠體狀的為主），作為營(yíng)養(yǎng)源（碳源）進(jìn)行好氧代謝。廢水的好氧生物處理代謝CO2、H2O、NH3、SO42-、PO43-合成細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2） 有機(jī)物通過(guò)好氧代謝活動(dòng)，約有1/3被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動(dòng)所需的能量；約有2/3被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)），即進(jìn)行微生物自身生長(zhǎng)繁殖。有機(jī)物+O2+微生物（C、O、H、N、S、P）合成分解內(nèi)源內(nèi)源代謝產(chǎn)物CO2、H2O、NH3內(nèi)源代謝殘留物約80%約2

19、0%+能量+能量熱2/31/3分解代謝：微生物對(duì)一部分有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，最終形成CO2、H2O等穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物，從中獲取合成新細(xì)胞物質(zhì)的能量：合成代謝：另一部分有機(jī)物被微生物用于合成新細(xì)胞，所需能量取自分解代謝：式中：CxHyOz有機(jī)污染物。式中：C5H7NO2微生物細(xì)胞組織的化學(xué)式。內(nèi)源代謝：在曝氣池末端，微生物對(duì)其自身的細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源代謝反應(yīng)：酶酶酶可推算出降解單位質(zhì)量有機(jī)物CxHyOz所需的O2進(jìn)而推算出單位質(zhì)量有機(jī)物CxHyOz的COD數(shù)值（2-10）（2-11）（2-12）好氧生物處理的反應(yīng)速度較快，所需的反應(yīng)時(shí)間較短，故處理構(gòu)筑物容積較?。ǔy降解廢水以外）。處理效果好，A-O。

20、處理過(guò)程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對(duì)中、低濃度的有機(jī)廢水，或者說(shuō)BOD5濃度小于500mg /L的有機(jī)廢水，基本上采用好氧生物處理法。組合預(yù)處理，適應(yīng)能力強(qiáng)（有毒廢水）。在廢水處理工程中，好氧生物處理法有活性污泥法和生物膜法兩大類。廢水的好氧生物處理優(yōu)點(diǎn)廢水的厭氧生物處理廢水的厭氧生物處理是在沒(méi)有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解和穩(wěn)定有機(jī)物的生物處理方法。在厭氧生物處理過(guò)程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化合物，同時(shí)釋放能量。在這個(gè)過(guò)程中，有機(jī)物的轉(zhuǎn)化分為三部分進(jìn)行：部分轉(zhuǎn)化為CH4，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無(wú)機(jī)物，并為細(xì)胞合成提供能量；

21、少量有機(jī)物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分，其污泥增長(zhǎng)率小得多。厭氧生物處理的階段性有機(jī)酸、醇、CO2微生物生長(zhǎng)有機(jī)物+微生物（C、O、H、N、S、P）合成分解+能量分解合成微生物生長(zhǎng)CH4、CO2、NH3、H2S+能量產(chǎn)酸階段產(chǎn)甲烷階段兩階段理論：厭氧生物處理的階段性有機(jī)酸、醇、CO2微生物生長(zhǎng)有機(jī)物+微生物（C、O、H、N、S、P）合成分解+能量分解合成微生物生長(zhǎng)CH4、CO2、NH3、H2S+能量水解發(fā)酵產(chǎn)甲烷階段三階段理論：增加水解與發(fā)酵階段，發(fā)展成為三階段理論；理論基礎(chǔ)：長(zhǎng)鏈脂肪酸和醇類必須轉(zhuǎn)化為乙酸、H2和CO2等后，才能被甲烷菌利用。H2/CO2乙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸厭氧生物處理的反應(yīng)

22、式產(chǎn)甲烷階段最后產(chǎn)生的CH4、CO2與NH3等的反應(yīng)方程式為：當(dāng)?shù)膁=0時(shí)，為不含氮有機(jī)物的厭氧反應(yīng)通式（Buswell和Mueller）通式：根據(jù)上述公式可計(jì)算出有機(jī)物厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO2和CH4質(zhì)量和體積。以分解1kg丙酸為例：則標(biāo)準(zhǔn)條件下，分解1kg丙酸產(chǎn)生的CO2和CH4體積：注：22.4是在標(biāo)準(zhǔn)條件下，1mol氣體所占的體積。分解1kg丙酸產(chǎn)生的CO2和CH4質(zhì)量：（2-13）（2-14）（2-15）厭氧生物處理的優(yōu)缺點(diǎn)由于廢水厭氧生物處理過(guò)程不需另加氧源，故運(yùn)行費(fèi)用低；它還具有剩余污泥量少；可回收（CH4）等能源； 其主要缺點(diǎn)是與其優(yōu)點(diǎn)對(duì)立統(tǒng)一的矛盾的兩個(gè)方面：（1）反應(yīng)速度和啟動(dòng)

23、較慢（需形成顆粒污泥），反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容積大；（2）為維持較高的反應(yīng)速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源。產(chǎn)臭氣、處理效果較差。厭氧顆粒污泥水解酸化工藝印染、化工廢水處理中常用水解酸化工藝水解酸化工藝根據(jù)產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長(zhǎng)速度不同（不同溫度），將厭氧處理控制在反應(yīng)時(shí)間較短的厭氧處理第一和第二階段。即在大量水解細(xì)菌、酸化菌作用下將不溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過(guò)程，從而改善廢水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基礎(chǔ)。印染廢水混凝沉淀水解酸化好氧二沉池出水水解池好氧池缺氧生物處理創(chuàng)造缺氧呼吸條件創(chuàng)造脫氮反硝化的條件第四節(jié) 生物脫氮

24、除磷基本原理 十二五期間，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠直接排放標(biāo)準(zhǔn)普遍提高至一級(jí)A或一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）指標(biāo)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（mg/L）A標(biāo)準(zhǔn)B標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)需氧量（COD）5060生化需氧量（BOD5）1020總氮（以N計(jì)）1520氨氮（以N計(jì)）5（8）8（15）總磷0.51污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996）指標(biāo)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（mg/L）化學(xué)需氧量（COD）100生化需氧量（BOD5）20總氮（以N計(jì)）無(wú) 氨氮（以N計(jì)）15總磷0.5主要污染物指標(biāo)紡織印染企業(yè)廢水排放紡織印染工業(yè)園廢水排放紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB4287-92）紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

25、（GB4287-2012）城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）紡織染整新建企業(yè)紡織染整新建企業(yè)水污染物特別排放限值一級(jí)二級(jí)三級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)直接排放間接排放直接排放間接排放ABCOD（mg/L）1001805008020060805060100120BOD5（mg/L）25403002050152010203060氨氮（mg/L）152510（15）20（30）8105（8）8（15）25（30）總氮（mg/L）15（25）30（50）12151520總磷（mg/L）0.51.50.50.50.5135可吸附有機(jī)鹵素（AOX）（mg/L）1212881.0硫化物（mg/L）1

26、.01.02.00.50.5不得檢出不得檢出1.0苯胺類（mg/L）1.02.05.0不得檢出不得檢出不得檢出不得檢出六價(jià)鉻（mg/L）0.50.50.5不得檢出不得檢出不得檢出不得檢出0.05（注：、：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為蠟染行業(yè)執(zhí)行限值；、：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為水溫120C時(shí)控制指標(biāo)）紡織染整工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展、演變一、生物脫氮細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷) 或C118H170O51N17P細(xì)胞分子式：C5H7O2N(不考慮磷)氨化 有機(jī)氮 （蛋白質(zhì)、尿素） 細(xì)菌分解和水解 氨 氮 同化 有機(jī)氮 有機(jī)氮 （NH3-N） （細(xì)菌細(xì)胞） （凈增長(zhǎng)） O2 硝化 自溶和自身氧化 亞硝態(tài)氮

27、短程反硝化 （NO2-） O2 有機(jī)碳 硝化 硝態(tài)氮 反硝化 氮?dú)?（NO3-） （N2） 有機(jī)碳 同化作用去除一部分氮，剩余氮?jiǎng)t必須通過(guò)生物硝化反硝化去除一、生物脫氮同步硝化反硝化：異氧硝化菌、好氧反硝化菌；微環(huán)境理論（控制溶解氧）。由于溶解氧的擴(kuò)散作用受到限制, 從而在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)溶解氧梯度。生物絮體的外表面溶解氧濃度比較高, 以硝化菌和好氧菌為主, 而自養(yǎng)型硝化細(xì)菌利用氧氣進(jìn)行著硝化反應(yīng); 在深入絮體內(nèi)部以后, 由于氧的傳遞受阻, 以及外部氧的消耗如有機(jī)物氧化和硝化作用的消耗, 繼而產(chǎn)生缺氧區(qū), 這時(shí)反硝化菌就占居優(yōu)勢(shì), 反硝化菌利用NO3-為電子受體, 發(fā)生反硝化作用, 也就

28、是系統(tǒng)缺氧微環(huán)境的存在導(dǎo)致了反硝化作用的發(fā)生 。一、生物脫氮NH4+ NO2- N2 + 2 H2O厭氧氨氧化：2002年，歷經(jīng)三年半的調(diào)試，荷蘭鹿特丹建成的世界上第一座生產(chǎn)性質(zhì)的，完全厭氧氨氧化污水處理反應(yīng)器才最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，用于厭氧消化池上清液脫氮；目前中國(guó)已開(kāi)始在低氨氮城市生活污水處理中研究和實(shí)踐。脫氮不需有機(jī)物，污水中的有機(jī)物可以最大程度地用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)生能源物質(zhì)甲烷，實(shí)現(xiàn)污水中的能量回收；厭氧氨氧化脫氮過(guò)程不需溶解氧，只是在氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮過(guò)程中需要溶解氧，使耗氧量降低60% 。一、生物脫氮2NO3-+5H2+2H+ N2 +6H2O氫自養(yǎng)菌反硝化脫氮過(guò)程：氫自養(yǎng)脫氮菌反硝化

29、合成自身過(guò)程：0.04NO3-+0.18CO2+1.04H+e-0.04C5H7NO2 +0.39H2O電子來(lái)源于H2氨化反應(yīng)：微生物分解有機(jī)氮化合物產(chǎn)生氨的過(guò)程稱為氨化作用。很多細(xì)菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質(zhì)及其含氮衍生物，其中分解能力強(qiáng)并釋放出氨的微生物稱為氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有機(jī)氮化合物分解、轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，以氨基酸為例：加氧脫氨基反應(yīng)：水解脫氨基反應(yīng)：（2-16）（2-17）硝化-反硝化脫氮 硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過(guò)程。 總反應(yīng)式為： 硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)率低，對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有機(jī)負(fù)荷等都會(huì)對(duì)

30、它產(chǎn)生影響。硝化反應(yīng)：氧化1gNH3-N需64/14=4.57gO2氧化1gNH3-N消耗100/14=7.14g堿度（以CaCO3計(jì)算）（2-18）（2-19）（2-20） 反硝化反應(yīng)是指在無(wú)氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮（NO3-）和亞硝酸鹽氮（NO2-）還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。 反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在有氧存在時(shí)，它會(huì)以O(shè)2為電子進(jìn)行呼吸；在無(wú)氧而有NO3-或NO2-存在時(shí)，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。 總反應(yīng)式為：反硝化反應(yīng)：NO3-+5H=0.5N2+2H2O+OH-用以計(jì)算反硝化碳源（后文詳述)反硝化產(chǎn)生堿度：1gNO3-N產(chǎn)生100/

31、2/14=3.57g堿度（以CaCO3計(jì)算）（2-21） 在反硝化菌代謝活動(dòng)的同時(shí)，伴隨著反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，即菌體合成過(guò)程，反應(yīng)如下：式中：C5H7NO2為反硝化微生物的化學(xué)組成。 反硝化還原和微生物合成的總反應(yīng)式為： 從以上的過(guò)程可知，約94的NO3-N經(jīng)異化過(guò)程還原，約6經(jīng)同化過(guò)程合成微生物。（2-22）（2-23）蕭山臨江污水處理廠脫氮；較為容易；江陰圓通印染廢水集中處理廠脫氮問(wèn)題：氨氮能達(dá)標(biāo)，總氮不達(dá)標(biāo)，反硝化效率不足；洛社鎮(zhèn)印染廢水集中處理廠脫氮問(wèn)題：冬天效果差。工程實(shí)踐中脫氮的微觀機(jī)理需進(jìn)一步研究：工程實(shí)踐中脫氮的微觀機(jī)理需進(jìn)一步研究：紹興江濱污水處理廠（印染廢水為主）（20萬(wàn)m

32、3/d）氧化溝工藝硝化效果好，反硝化效果不足。主要原因在于缺乏反硝化碳源二、生物除磷 磷也是有機(jī)物中的一種主要元素，是僅次于氮的微生物生長(zhǎng)的重要元素。 磷主要來(lái)自：人體排泄物以及合成洗滌劑、牲畜飼養(yǎng)場(chǎng)及含磷工業(yè)廢水。 危害：促進(jìn)藻類等浮游生物的繁殖，破壞水體耗氧和復(fù)氧平衡；使水質(zhì)迅速惡化，危害水產(chǎn)資源。含磷化合物有機(jī)磷有機(jī)磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等無(wú)機(jī)磷磷酸鹽：正磷酸鹽(PO43-)、磷酸氫鹽(HPO42-) 、 磷酸二氫鹽H2PO4-、偏磷酸鹽(PO3-)聚合磷酸鹽：焦磷酸鹽(P2O74) 、三磷酸鹽(P3O105-)、 三磷酸氫鹽(HP3O92-) 常規(guī)活性污泥法的微生物同化和吸附 普通活

33、性污泥法剩余污泥中磷含量約占微生物干重的1.5%2.0%，通過(guò)同化作用可去除磷12%20%。 生物強(qiáng)化除磷工藝可以使得系統(tǒng)排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%6%。 如果還不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，就必須借助化學(xué)法除磷。細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)細(xì)胞分子式：C118H170O51N17P(霍米爾化學(xué)式)細(xì)胞分子式：C5H7NO2 (不考慮磷)按公式計(jì)算磷含量占微生物干重理論值生物除磷機(jī)理聚-羥基丁酸儲(chǔ)存分解不利條件的休眠狀態(tài)有利條件的活躍狀態(tài)厭氧放磷好氧吸磷（1）聚磷菌放磷 在厭氧條件下（DO0，NOX 0），聚磷菌體內(nèi)ATP（三磷酸腺苷）進(jìn)行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP

34、:（2）聚磷菌吸磷 在好氧條件下，聚磷菌進(jìn)行有氧呼吸，不斷氧化分解其體內(nèi)儲(chǔ)存的有機(jī)物，同時(shí)也不斷地通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑥耐獠凯h(huán)境攝取有機(jī)物，由于氧化分解，又不斷地放出能量，能量為ADP所得，并結(jié)合H3PO4而合成ATP:（2-24）（2-25）生物強(qiáng)化除磷工藝 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧條件下對(duì)污水中溶解性磷酸鹽過(guò)量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。 污水中的有機(jī)物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內(nèi)積聚的聚磷分解，分解產(chǎn)生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動(dòng)吸收乙酸苷轉(zhuǎn)化為PHB（聚-羥基丁酸）的形態(tài)儲(chǔ)藏于體內(nèi)。 聚磷分解形成的無(wú)機(jī)

35、磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。厭氧環(huán)境中：好氧環(huán)境中： 進(jìn)入好氧狀態(tài)后，聚磷菌將儲(chǔ)存于體內(nèi)的PHB進(jìn)行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動(dòng)，部分供其主動(dòng)吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內(nèi)，這就是好氧吸磷。 剩余污泥中包含過(guò)量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質(zhì)。 普通活性污泥法剩余污泥中磷含量約占微生物干重的1.5%2.0%，通過(guò)同化作用除磷率可以達(dá)到12%20%; 而具生物除磷功能的處理系統(tǒng)排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%，去除率基本可滿足排放要求。好氧環(huán)境中：南通聯(lián)發(fā)印染公司廢水處理中除磷問(wèn)題；兩套并聯(lián)：一期出水0.8mg/L（好氧停留時(shí)間短）;二期出水

36、1.5mg/L （可能好氧停留時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)源代謝分解） ；均未達(dá)到0.5mg/L的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。在工程實(shí)踐中除磷亦是難題第五節(jié) 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境（因子） 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律一般是以生長(zhǎng)曲線來(lái)反映（間歇培養(yǎng)過(guò)程，與底物的關(guān)系？）。按微生物生長(zhǎng)速率，其生長(zhǎng)可分為四個(gè)生長(zhǎng)期延遲期（適應(yīng)期）對(duì)數(shù)期（生長(zhǎng)旺盛期）穩(wěn)定期（減速增長(zhǎng)期）衰亡期（內(nèi)源呼吸期）微生物的生長(zhǎng)規(guī)律指導(dǎo)生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行延遲期如果活性污泥被接種到與原來(lái)生長(zhǎng)條件不同的廢水中（營(yíng)養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運(yùn)行后再運(yùn)行，則可能出現(xiàn)適應(yīng)期。延遲期是否存在或停滯期的長(zhǎng)短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長(zhǎng)條件

37、等因素有關(guān)。對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥很快就會(huì)進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機(jī)物濃度較高，活性強(qiáng)沉淀不易，用濾紙過(guò)濾時(shí)，濾速很慢。穩(wěn)定期（減數(shù)增長(zhǎng)期）當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，污泥濃度較高時(shí)，污泥則有可能處于穩(wěn)定期。活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上清液清澈，以濾紙過(guò)濾時(shí)濾速快。處理效果好的活性污泥反應(yīng)器中，污泥處于穩(wěn)定期。（污水處理一般希望微生物生長(zhǎng)處于減數(shù)期）當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，營(yíng)養(yǎng)物明顯不足時(shí)，則可能出現(xiàn)衰老期。處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

38、有細(xì)小泥花，以濾紙過(guò)濾時(shí)，濾速快。衰亡期（內(nèi)源呼吸期）反應(yīng)器中生態(tài)系統(tǒng)在廢水生物處理中，微生物是一個(gè)混合群體，它們也有一定的生長(zhǎng)規(guī)律。有機(jī)物多時(shí),以有機(jī)物為食料的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì),數(shù)量最多；當(dāng)細(xì)菌很多時(shí)，出現(xiàn)以細(xì)菌為食料的原生動(dòng)物;而后出現(xiàn)以細(xì)菌及原生動(dòng)物為食料的后生動(dòng)物。生化環(huán)境的影響？特種菌的認(rèn)識(shí)活性污泥系統(tǒng)中的生態(tài)位后生動(dòng)物原生動(dòng)物細(xì)菌原生動(dòng)物與水質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：1.啟動(dòng)初期，水質(zhì)欠佳：肉足蟲(chóng)類（如變形蟲(chóng)）占優(yōu)勢(shì)、繼之出現(xiàn)游泳型纖毛蟲(chóng)（如豆形蟲(chóng)、腎形蟲(chóng)、草履蟲(chóng)等）；2.菌膠團(tuán)培育成熟、結(jié)構(gòu)良好、活性較強(qiáng)，處理水水質(zhì)良好：以帶柄固著（著生）型的纖毛蟲(chóng)為主，如：鐘蟲(chóng)、等枝蟲(chóng)、獨(dú)縮蟲(chóng)、聚縮蟲(chóng)和蓋纖蟲(chóng)等

39、為主；3.處理水質(zhì)優(yōu)異的完全氧化型活性污泥系統(tǒng)：出現(xiàn)后生動(dòng)物輪蟲(chóng)，是水質(zhì)非常穩(wěn)定的標(biāo)志，如在延時(shí)曝氣活性污泥系統(tǒng)中。吸管蟲(chóng)鐘蟲(chóng)累枝蟲(chóng)寡毛蟲(chóng)輪蟲(chóng)活性污泥系統(tǒng)良好時(shí)鏡檢照片線蟲(chóng)橈足蟲(chóng)活性污泥系統(tǒng)惡化時(shí)的鏡檢照片游泳型纖毛蟲(chóng)大量絲狀菌（常見(jiàn)污泥膨脹時(shí)）放線桿菌弧狀菌在污水生物處理過(guò)程中，如果條件適宜，活性污泥的增長(zhǎng)過(guò)程與純種單細(xì)胞微生物的增殖過(guò)程大體相仿。由于活性污泥是多種微生物的混合群體, 其生長(zhǎng)受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、pH、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響。因此，在處理構(gòu)筑物中通常僅出現(xiàn)生長(zhǎng)曲線中的某一兩個(gè)階段。微生物生長(zhǎng)影響因素這些因素影響微生物的生長(zhǎng)過(guò)程和廢水處理效果，是廢水處理實(shí)際操作的重要控制

40、指標(biāo)。也是我們綜合實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。 微生物要求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無(wú)機(jī)鹽及生長(zhǎng)因素。 微 生 物 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 微生物的組成微生物組成水80干物質(zhì)20無(wú)機(jī)質(zhì)10有機(jī)物90C 53.1%,O 28.3%,N 12.4%,H 6.2%P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等細(xì)胞分子式：C5H7O2N(有機(jī)部分)細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)或C118H170O51N17P（霍米爾化學(xué)式）一般估算營(yíng)養(yǎng)比例： BOD5NP 100 5 1 (1)水：組成部分，代謝過(guò)程的溶劑。細(xì)菌約80%的成分為水分。 (2)碳源：碳素含量占細(xì)胞干物質(zhì)的50左右，碳源主要構(gòu)成微生