現(xiàn)代水處理原理與技術(shù)(1、2章)

第一篇污水的生物處理

第1章污水生化處理理論基礎(chǔ)

1.1污水的好氧生物處理和厭氧生物處理1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境1.3米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式1.4微生物生長動力學(xué)1.5廢水的可生化性1.1污水的好氧生物處理和厭氧生物處理

一、微生物的新陳代謝和呼吸類型二、污水的好氧生物處理

三、污水的厭氧生物處理

一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

微生物的能量代謝：微生物的新陳代謝

新陳代謝=分解代謝+合成代謝微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能（即分解代謝過程）。根據(jù)與氧氣的關(guān)系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

微生物的呼吸

一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（O2）參與的生物氧化，反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。

異氧型微生物以有機物為底物（電子供體），終點產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等，同時放出能量。C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+——11CO2+13H2O+NH4++能量自養(yǎng)型微生物

以無機物為底物，終點產(chǎn)物也是無機物，同時放出能量。H2S+2O2——H2SO4+能量NH4++2O2——NO3－

+2H++H2O+能量一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

2.厭氧呼吸厭氧呼吸是在無分子氧的情況下進(jìn)行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。（1）發(fā)酵

指供氫體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機物）。C6H12O6——2CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH——2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO——2CH3CH2OH總反應(yīng)式：C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ（2）無氧呼吸

是指以無機氧化物，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。

C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-

——2N2+12H2O總反應(yīng)式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸分子氧C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJ無氧呼吸無機物C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ發(fā)酵有機物C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ三種呼吸方式獲得的能量水平比較二、污水的好氧生物處理

二、污水的好氧生物處理

有機物的氧化分解（有氧呼吸）：

原生質(zhì)的同化合成（以氨為氮源）：

原生質(zhì)的氧化分解（內(nèi)源呼吸）：

三、污水的厭氧生物處理

好氧生物處理與厭氧生物處理的比較：

好氧生物處理的反應(yīng)速度較快，所需的反應(yīng)時間較短，故處理構(gòu)筑物容積較小。且處理過程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對中、低濃度的有機廢水，或者說BOD5小于500mg/L的有機廢水，基本采用好氧生物處理。由于厭氧生物處理不需另加氧源，故運行費用低。此外，它還具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等優(yōu)點。其主要缺點是反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時間較長，處理構(gòu)筑物容積大等。此外，需維持較高的反應(yīng)溫度，就要消耗能源。對于有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧處理法。

1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

一、微生物的生長規(guī)律1、停滯期2、對數(shù)期3、靜止期4、衰老期

1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

二、微生物的生長環(huán)境

1、微生物的營養(yǎng)

水處理中微生物對C、N、P三大營養(yǎng)元素的要求：對好氧生物處理BOD5：N：P=100：5：1，對厭氧生物處理C/N=（10—20）：1碳源--異氧型微生物利用有機碳源，自氧菌利用無機碳源。氮源--無機氮（NH3及NH4+）和有機氮（尿素，氨基酸，蛋白質(zhì)等）。補充氮，磷，鉀

：與生活污水混合添加藥劑：硫酸銨，硝酸銨，尿素（補充氮源）；磷酸鈉、磷酸鉀等（補充磷源）1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

二、微生物的生長環(huán)境

2、溫度各類微生物生長的溫度范圍不同，約為5℃~80℃。此范圍內(nèi)可分成最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度。以微生物適應(yīng)的范圍，可分為中溫性（20—45℃）、高溫性（45℃以上）、低溫性（20℃以下）好氧生物處理中以中溫菌細(xì)菌為主，最適溫度20—37℃；厭氧生物處理中，中溫性甲烷菌最適溫度范圍為25—40℃，高溫性為50—60℃，厭氧處理常采用溫度為33℃—38℃和52—57℃。1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

二、微生物的生長環(huán)境

3.pH值不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生物的pH值適應(yīng)范圍是在4—10之間；大多數(shù)細(xì)菌適宜中性或偏堿性環(huán)境（6.5-7.5）；氧化硫化桿菌，喜歡在酸性環(huán)境，最適pH值為3；酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的環(huán)境中生活，最適pH為3.0—6.0?；钚晕勰喾ㄌ幚韽U水，曝氣池混合液的最適pH宜為6.5-8.5。當(dāng)廢水的pH值變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池。1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

二、微生物的生長環(huán)境

4.溶解氧溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。例如，廢水的好氧生物處理中，如果溶解氧不足，由于得不到足夠的氧，其活性受到影響，新陳代謝能力降低，同時對氧要求低的微生物應(yīng)運而生，影響正常的生化反應(yīng)過程，造成處理效果下降。好氧生物處理的溶解氧一般以2-4mg/L為宜。5.有毒物質(zhì)在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)稱為有毒物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)于細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。如重金屬離子（砷、鉛、鎘、鉻、鐵、銅、鋅等）能與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，使它變質(zhì)，致使酶失去活性。1.2微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境

1.3米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式

一、反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)二、酶催化反應(yīng)的基本特征三、底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響四、米氏方程式五、Km與Vmax的意義及測定一、反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)

一、反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)

二、酶催化反應(yīng)的基本特征

1、較高的催化效率2、有很強的專一性3、具有溫和的反應(yīng)條件4、酶易變性與失活三、底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響

一切生化反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的。這種反應(yīng)宜可以說是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH值、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。

式中，S代表底物，E代表酶，ES代表酶-底物中間產(chǎn)物，P代表產(chǎn)物。

中間產(chǎn)物學(xué)說酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系四、米氏方程式

對單一底物參與的簡單酶反應(yīng)：根據(jù)化學(xué)動力學(xué)，其反應(yīng)機理可表示為根據(jù)質(zhì)量作用定律，P的生成率可表示為

根據(jù)上述假設(shè)有和或表示為反應(yīng)體系中酶的總濃度CE0為所以(A)(B)將(B)帶入(A)，得rP,max——P的最大生成速率，mol/(L·s)CE0——酶的總濃度，亦為酶初始濃度，mol/L即五、Km與Vmax的意義及測定米氏方程

其中（米氏常數(shù)）米氏常數(shù)是酶反應(yīng)處于動態(tài)平衡，即穩(wěn)態(tài)時的平衡常數(shù)。其數(shù)值等于V=1/2Vmax時的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)。不同的酶，Km值不同。如果一個酶有幾種底物，則對每一種底物，各有一個特定的Km值。同一種酶的幾種底物中，Km值最小的底物一般稱為該酶的最適底物或天然底物。最大酶反應(yīng)速率rp,max=k+2CE0。它表示了當(dāng)全部的酶都成復(fù)合物狀態(tài)時的反應(yīng)速率。

五、Km與Vmax的意義及測定

Km與Vmax的測定1.4微生物生長動力學(xué)

一、細(xì)胞反應(yīng)速率的定義二、莫諾特（Monod）方程三、微生物生長與底物降解的基本關(guān)系式一、細(xì)胞反應(yīng)速率的定義

微生物比增長速率μ的提出μ表示每單位微生物的增長速度當(dāng)微生物生長不受外界條件限制（對數(shù)增長期）時，一、細(xì)胞反應(yīng)速率的定義

絕對速率是單位時間單位反應(yīng)體積某一組分的變化量。比速率

是以單位濃度細(xì)胞為基準(zhǔn)而表示的各個組分的變化速率。Cx、Cs、CO——分別為細(xì)胞、底物和氧的濃度細(xì)胞生長速率基質(zhì)消耗速率細(xì)胞生長比速率氧消耗速率基質(zhì)消耗比速率氧消耗比速率二、莫諾特（Monod）方程1942年，現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)奠基人Monod提出，在微生物生長曲線的對數(shù)期和平衡期，細(xì)胞的比生長速率與限制性底物濃度的關(guān)系可用下式表示：

μ——微生物比生長速率，（s-1）；μmax——微生物最大比生長速率，（s-1）；Cs——限制性底物濃度，（g/L）；Ks——飽和常數(shù)，即當(dāng)μ=1/2μmax時的底物濃度。Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)如下：細(xì)胞的生長為均衡式生長，因此描述細(xì)胞生長的唯一變量是細(xì)胞的濃度；培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。

(1)當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時，Cs＜＜Ks此時，(2)當(dāng)Cs＞＞Ks時，μ=μmax此時，(3)當(dāng)Cs處于兩種情況之間時，Monod方程三、微生物生長與底物降解的基本關(guān)系式

在一切生化反應(yīng)中，微生物增長是底物降解的結(jié)果，彼此之間存在著一個定量關(guān)系，可通過下式表示：其中微生物總增長速度底物利用速度微生物比增長速度比底物利用速度Y微生物產(chǎn)率系數(shù)若定義qmax=μmax/Y，則可得其中，qmax——最大比底物降解速度或三、微生物生長與底物降解的基本關(guān)系式在水處理中，為了獲得較好的處理效果，通?？刂莆⑸锾幱谄胶馄诨騼?nèi)源代謝期。Kd——微生物衰減系數(shù)因此，微生物體的凈生長速率為即在實際工程中，產(chǎn)率系數(shù)（或稱微生物增長系數(shù)）Y常以實際測得的觀測產(chǎn)率系數(shù)（或稱微生物凈增長系數(shù)）Yobs代替(A)(B)由(A)可得由(B)可得其中，μ′為微生物比凈增長速率內(nèi)源呼吸時，微生物體的自身氧化速率與微生物濃度成正比：

1.5廢水的可生化性

第2章污水的好氧生物處理(一):

活性污泥法

2.1基本概念2.2氣體傳遞原理和曝氣池2.3廢水處理反應(yīng)器及動力學(xué)基礎(chǔ)2.4活性污泥法的設(shè)計計算2.5活性污泥法的發(fā)展和演變2.6活性污泥法的運行與管理

2.1基本概念

一、活性污泥有機廢水經(jīng)過一段時間的暴氣后，水中會產(chǎn)生一種以好氧菌為主體的茶褐色絮凝體，其中含有大量的活性微生物，這種污泥絮體就是活性污泥?；钚晕勰嗟慕M成

以細(xì)菌、原生動物和后生動物所組成的活性微生物為主體，此外還有一些無機物，未被微生物分解的有機物和微生物自身代謝的殘留物?；钚晕勰嗟奶攸c結(jié)構(gòu)疏松，表面積很大，對有機物有著強烈的吸附凝聚和氧化分解能力。在條件適當(dāng)?shù)臅r候，活性污泥還具有良好的自身凝聚和沉降性能，大部分絮凝體在0.02-0.2mm范圍內(nèi)。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機物的過程

吸附階段和穩(wěn)定階段2.1基本概念

三、活性污泥降解污水中有機物的過程

吸附階段和穩(wěn)定階段

三、活性污泥降解污水中有機物的過程

三、活性污泥降解污水中有機物的過程四、活性污泥指標(biāo)1、污泥沉降比（SV）污泥沉降比（SV）=混合液經(jīng)30min靜止沉淀后的污泥體積/混合液體積2、污泥濃度（MLSS,MLVSS）指1升混合液中所含的懸浮固體或揮發(fā)性懸浮固體的重量，g/L或mg/L3、污泥容積指數(shù)（SVI）指曝氣池混合液經(jīng)30min沉淀后，1g干污泥所占的沉淀污泥容積的毫升數(shù)，mL/g。SVI=SV的百分?jǐn)?shù)×10/MLSS(g/L)

四、活性污泥指標(biāo)

xR——回流污泥的懸浮固體濃度，mg/L;R——污泥回流比；x——混合液污泥濃度，mg/L2.2氣體傳遞原理和曝氣池

一、氣體傳遞原理二、曝氣設(shè)備三、曝氣池池型

一、氧傳遞原理

dm/dt——氣體傳遞速率；KL——氣體擴(kuò)散系數(shù)；A——氣液界面接觸面積，m2Cs，——液相氧的飽和濃度,mg/L；CL——液相內(nèi)氧的實際濃度,mg/LKLa——總的傳質(zhì)系數(shù)一、氧傳遞原理

其中溫度、氣壓的影響若供氧速度=耗氧速度rr則氧吸收率W——實際供氣量二、曝氣設(shè)備

曝氣設(shè)備的類型1、鼓風(fēng)曝氣（1）小氣泡擴(kuò)散器（2）中氣泡擴(kuò)散器（3）大氣泡擴(kuò)散器（4）微氣泡擴(kuò)散器衡量曝氣設(shè)備曝氣效率的兩個指標(biāo)氧吸收率（或利用率）：向混合液供給1千克氧時，水中所能獲得的氧千克數(shù)，多用于鼓風(fēng)曝氣裝置評價；動力效率：單位動力在單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)移的氧量，多用于機械曝氣設(shè)備評價2、機械曝氣（1）豎式曝氣機（2）臥式曝氣刷

1、鼓風(fēng)曝氣（1）小氣泡擴(kuò)散器微孔材料（陶瓷，砂粒，塑料）

制成的擴(kuò)散板和擴(kuò)散管等，氣泡直徑在1.5mm以下，氧利用率高（在11%左右），但阻力大，易阻塞。（2）中氣泡擴(kuò)散器常用穿孔管，它的孔直徑為2～3mm，孔眼氣體流速不小于10m/s，以防堵塞，其特點是氧利用率低，但空氣壓力損失較小；

（3）大氣泡擴(kuò)散器常用的是曝氣豎管，直徑為15mm左右，底口敞開，其特點是氣泡大（直徑3mm以上），分布不勻，氧利用率低，不易堵塞；

二、曝氣設(shè)備

鼓風(fēng)曝氣設(shè)備性能資料氣泡大小(mm)氧傳遞速率(mg/L.h)氧吸收率(%)動力效率(kgO2/kW.h)

小氣泡(<1.5)

中氣泡(1.5~1.3)

大氣泡(>3)

微氣泡(<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氧傳遞速率動力效率二、曝氣設(shè)備

2、機械曝氣二、曝氣設(shè)備

注:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是用清水,水溫20℃,大氣壓力為101.325kPa,最初水中的溶解氧濃度為0?，F(xiàn)場試驗用的是污水，水溫15℃，海拔150m，α=0.85，β=0.9。

三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

推流式曝氣池長寬比一般大于4～5，寬深比不大于2，深度一般取3~5m。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由空氣凈化器，鼓風(fēng)機，空氣輸配管系統(tǒng)和擴(kuò)散器組成。

三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

淺層曝氣在氧轉(zhuǎn)移率相同的情況下，淺層曝氣耗電省。一般在曝氣池中設(shè)垂直導(dǎo)流板，上緣與曝氣管齊，下緣距池底0.6～0.8m。曝氣時混合液饒導(dǎo)流板循環(huán)流動。淺層曝氣的供氣量為30～40m3/m3(水)·h。風(fēng)壓約1kPa,動力效率2.3～2.9kg(O2)/kWh。淺層曝氣池與一般曝氣池相比，空氣量增大了，而風(fēng)壓僅為一般曝氣池的1/3～1/4,電耗略有下降，適于中小型污水廠采用。三、曝氣池池型

1、鼓風(fēng)曝氣與推流式曝氣池

深井曝氣三、曝氣池池型

2、葉輪曝氣與完全混合曝氣池（1）分建式曝氣池和沉淀池分別設(shè)置，既可使用表曝機，也可用鼓風(fēng)曝氣裝置。采用泵形葉輪時，曝氣池直徑與葉輪直徑之比為4.5~7.5。采用倒傘形和平板形葉輪時，曝氣池直徑與葉輪直徑之比為3~5。（2）合建式靠表曝機的提升力使污泥循環(huán)，一般回流比較大，R＞1，甚至達(dá)到5。三、曝氣池池型

鼓風(fēng)曝氣與葉輪曝氣的優(yōu)缺點和適用條件一般地說，表面機械曝氣的氧吸收率高（約為15～25%），鼓風(fēng)曝氣低（僅為6～10%）,所以前者耗電較后者少。鼓風(fēng)曝氣所用設(shè)備較多。但是當(dāng)廢水量很大，曝氣池需要設(shè)置相當(dāng)多的曝氣葉輪時，則費用劇增，超過鼓風(fēng)曝氣。因此，葉輪曝氣適用于水量較小的小型曝氣池，鼓風(fēng)曝氣適用于大水量的大型曝氣池。

當(dāng)廢水中存在大量的產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)（如表