第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 第3章水的生物化学处理方法(12学时) 本章教学内容: 废水处理的微生物学基础,活性污泥法,生物膜法,厌氧生物技术,污泥处 理技术 本章教学要求: (1)理解微生物处理废水的基本原理,掌握活性污泥法的原理与常用的几种工艺 流程,掌握生物膜法的原理与几种典型处理工艺;掌握厌氧生物处理技术的 机理与影响因素以及处理工艺; (2)熟悉污泥的性质和常见的处理技术。 本章教学重点: 活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理技术、污泥的处理 本章习题:P2901,2,3,5,7,13,14 3.1废水处理微生物学基础(2学时) 、废水处理中的微生物 净化污水的微生物主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和小型的后生动物等。 从利用碳源的角度来说,可分为自养型微生物和异养型微生物 从利用氧气的角度来分,有好氧、厌氧和兼性三类 针对单细胞的细菌,从形体来分,有球菌、杆菌和螺旋菌三类。净化污水中, 微生物增长与递变的模式,祥教材205页。 微生物的生理学特性 生物酶与代谢过程祥教材206页。 三、细菌生长曲线及莫诺公式 活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的 必然结果,而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长 1、活性污泥的增殖曲线 内源呼吸 微生物增殖曲线 氧利用速率曲线 BOD降解曲线 0 时间 第1页
第 1 页 第 3 章 水的生物化学处理方法（12 学时） 本章教学内容： 废水处理的微生物学基础，活性污泥法，生物膜法，厌氧生物技术，污泥处 理技术 本章教学要求： (1) 理解微生物处理废水的基本原理，掌握活性污泥法的原理与常用的几种工艺 流程，掌握生物膜法的原理与几种典型处理工艺；掌握厌氧生物处理技术的 机理与影响因素以及处理工艺； (2) 熟悉污泥的性质和常见的处理技术。 本章教学重点： 活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理技术、污泥的处理 本章习题: P290 1, 2, 3, 5，7，13，14 3.1 废水处理微生物学基础（2 学时） 一、废水处理中的微生物 净化污水的微生物主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和小型的后生动物等。 从利用碳源的角度来说，可分为自养型微生物和异养型微生物。 从利用氧气的角度来分，有好氧、厌氧和兼性三类。 针对单细胞的细菌，从形体来分，有球菌、杆菌和螺旋菌三类。净化污水中， 微生物增长与递变的模式，祥教材 205 页。 二、微生物的生理学特性 生物酶与代谢过程祥教材 206 页。 三、细菌生长曲线及莫诺公式 活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的 必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。 1、活性污泥的增殖曲线 对数增殖 减速增殖 内源呼吸 氧利用速率曲线 微生物增殖曲线 BOD 降解曲线 时间 Xa 0
第二炮兵工程学院{环境工程学》教案 注意:1)间歇静态培养;2)底物是一次投加;3)图中同时还表示了有机底物 降解和氧的消耗曲线 ①适应期: 是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个 短暂的适应过程;经过适应期后,微生物从数量上可能没有增殖,但发生了一些 质的变化:a菌体体积有所增大;b酶系统也已做了相应调整;c产生了一些适 应新环境的变异;等等。BODs、COD等各项污染指标可能并无较大变化。 ②对数增长期: FM值高(∽2.2kg∞kgs:以),所以有机底物非常丰富,营养物质不是微生物 增殖的控制因素;微生物的增长速率与基质浓度无关,呈零级反应,它仅由微生 物本身所特有的最小世代时间所控制,即只受微生物自身的生理机能的限制:微 生物以最高速率对有机物进行摄取,也以最髙速率增殖,而合成新细胞:此时的 活性污泥具有很高的能量水平,其中的微生物活动能力很强,导致污泥质地松散, 不能形成较好的絮凝体,污泥的沉淀性能不佳;活性污泥的代谢速率极髙,需氧 量大:一般不采用此阶段作为运行工况,但也有采用的,如高负荷活性污泥法 ⑧减速增长期: FM值下降到一定水平后,有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素;微 生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比,为一级反应;有机底物的降解速率也 开始下降:微生物的增殖速率在逐渐下降,直至在本期的最后阶段下降为零,但 微生物的量还在增长;活性污泥的能量水平已下降,絮凝体开始形成,活性污泥 的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好;由于残存的有机物浓度较低,出水水质有较 大改善,并且整个系统运行稳定;一般来说,大多数活性污泥处理厂是将曝气池 的运行工况控制在这一范围内的 ④内源呼吸期: 内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率,因此从整体上来说,活性 污泥的量在减少,最终所有的活细胞将消亡,而仅残留下内源呼吸的残留物,而 这些物质多是难于降解的细胞壁等;污泥的无机化程度较髙,沉降性能良好,但 凝聚性较差;有机物基本消耗殆尽,处理水质良好:一般不用这一阶段作为运行 工况,但也有采用,如延时曝气法。 2、活性污泥增殖规律的应用: ①活性污泥的增殖状况,主要是由FM值所控制; ②处于不同增值期的活性污泥,其性能不同,出水水质也不同 ③通过调整FM值,可以调控曝气池的运行工况,达到不同的出水水质和 不同性质的活性污泥; ④活性污泥法的运行方式不同,其在增值曲线上所处位置也不同 3、有机物降解与微生物增殖: 活性污泥微生物增殖是微生物増殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合 结果 活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为: △x=aOS-bX 式中:AX=每日污泥增长量(Skgd;=Qnx 第2页
第 2 页 注意：1)间歇静态培养；2)底物是一次投加；3)图中同时还表示了有机底物 降解和氧的消耗曲线。 ① 适应期： 是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个 短暂的适应过程；经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些 质的变化：a.菌体体积有所增大；b.酶系统也已做了相应调整；c.产生了一些适 应新环境的变异；等等。BOD5、COD 等各项污染指标可能并无较大变化。 ② 对数增长期： F/M 值高(2.2 kgBOD5 / kgVSS d )，所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物 增殖的控制因素；微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生 物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；微 生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；此时的 活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散， 不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代谢速率极高，需氧 量大；一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。 ③ 减速增长期： F/M 值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微 生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率也 开始下降；微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但 微生物的量还在增长；活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥 的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较 大改善，并且整个系统运行稳定；一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池 的运行工况控制在这一范围内的。 ④ 内源呼吸期： 内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性 污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而 这些物质多是难于降解的细胞壁等；污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但 凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；一般不用这一阶段作为运行 工况，但也有采用，如延时曝气法。 2、活性污泥增殖规律的应用： ① 活性污泥的增殖状况，主要是由 F/M 值所控制； ② 处于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同； ③ 通过调整 F/M 值，可以调控曝气池的运行工况，达到不同的出水水质和 不同性质的活性污泥； ④ 活性污泥法的运行方式不同，其在增值曲线上所处位置也不同。 3、有机物降解与微生物增殖： 活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合 结果， 活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为: aQSr bVXv x = − ; 式中: x = 每日污泥增长量( VSS ), kg / d ； Qw Xr = ；
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 Q—每日处理废水量(m2d) 一进水B0D浓度(kgB0D.m2或 mgBOD, S一出水BD浓度(4gB0D,m或 mgBOD) a,b—一经验值:对于生活污水活与之性质相近的工业废水,a=0.5~065 b=0.05~0.1 或试验值:通过试验获得。 4、有机物降解与需氧量: 活性污泥中的微生物在进行代谢活动时需要氧的供应,氧的主要作用有:① 将一部分有机物氧化分解;②对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。 因此,活性污泥法中的需氧量: O2=aQS+b·X, 式中:O2—曝气池混合液的需氧量,kgO2/d; 代谢每kgB0D所需的氧量,kgO2k8B0Dd b-一每kg1SS每天进行自身氧化所需的氧量,kgO21kg1Sd。二者的取 值同样可以根据经验或试验来获得。 5活性污泥反应动力学基础 概述 研究目的{①研究反应速度和环境因素间的关系 ②对反应的机理进行研究,使反应进行控制 反应动力学方程式{米门方程式1913研究酶促反应速度 莫诺方程式1942 劳一麦方程式1970 莫诺方程式 1.基本方程式形式 提出人:莫诺时间:1942试验条件:纯种生物在单一底物的 培养基中 试验内容:研究微生物的增值速度与底物浓度间的关系 第3页
第 3 页 Q ——每日处理废水量( m / d 3 )； Sr = Si − Se ； i S ——进水 BOD5 浓度( 3 5 kgBOD / m 或 mgBOD /l 5 )； e S ——出水 BOD5 浓度( 3 5 kgBOD / m 或 mgBOD /l 5 )。 a, b ——经验值：对于生活污水活与之性质相近的工业废水， a = 0.5 ~ 0.65， b = 0.05 ~ 0.1 ；——或试验值：通过试验获得。 4、有机物降解与需氧量： 活性污泥中的微生物在进行代谢活动时需要氧的供应，氧的主要作用有：① 将一部分有机物氧化分解；② 对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。 因此，活性污泥法中的需氧量: O a Q Sr b V Xv = ' + ' 2 式中： O2 ——曝气池混合液的需氧量， kgO2 / d ； a'——代谢每 5 kgBOD 所需的氧量， kgO2 / kgBOD5 d ； b'——每 kgVSS 每天进行自身氧化所需的氧量， kgO2 / kgVSS d 。二者的取 值同样可以根据经验或试验来获得。 5.活性污泥反应动力学基础 一． 概述 研究目的 {①研究反应速度和环境因素间的关系 ｛②对反应的机理进行研究，使反应进行控制 反应动力学方程式 {米门方程式 1913 研究酶促反应速度 {莫诺方程式 1942 ｛劳—麦方程式 1970 二． 莫诺方程式 １． 基本方程式形式 提出人：莫诺 时间: １９４２ 试验条件：纯种生物在单一底物的 培养基中 试验内容：研究微生物的增值速度与底物浓度间的关系
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 结果与米门方程式相同 μ=μS/(Ks+S)μ——比增值速度(单位生物量的增殖速度) S一有机底物的浓度 Ks一饱和常数当μ=1/2um时,有机底物的浓度 有机物比降解速度与底物浓度关系 V=VmaxS/(Ks+S) V=-(ds+dt)/x v=f(s) ds/dt=vm XS/(Ks+S)(2) 2.推论 (1)对于高底物浓度条件下S>Ks V=Vmax=k -ds/dt=vmax=k 结论:①在高底物浓度下,有机底物以最大速度进行降解,与有机底物浓 度无关,其降解速度只与污泥浓度有关。 ②低底物浓度,S<Ks V=VmaxS/Ks=k2S (3) s/dt=VmaxXS/Ks=k2SX 结论:在低底物浓度下,有机底物降解速度与有机底物浓度有关,且成 级反应(有机物多,无机物少) 由(4)得∫sds/dt=∫ok2xsdt S=Soe 3.莫诺方程式在曝气池中的应用 Q(Sa-Se)/v=-ds/dt Q (Sa-Se)/v=Nrv . ds/dt=Nrv (1)用来计算Nrv=ds/dt=Q(Sa-Se)/v=(Sa-Se)/t k2Xse=Q(Sa-Se)/v (2)计算Nrsk2Se=Q(Sa-Se)/xv=Nrs (3)计算有机物降解率n=(Sa-Se)/S=1-Se/S=k2xt/(1+kxt) 4.有关k的确定(图解法) 第4页
第 4 页 结果与米门方程式相同 μ=μmaxS/(Ks+S) μ---比增值速度（单位生物量的增殖速度） Ｓ―有机底物的浓度 Ｋs－饱和常数 当 μ=1/2μmax时，有机底物的浓度 有机物比降解速度与底物浓度关系 V=VmaxS/(Ks+S) (1) V=-(ds+dt)/x v=f(s) -ds/dt=vmaxXS/(Ks+S) (2) ２． 推论 （１）对于高底物浓度条件下 S>>Ks V=Vmax=k1 -ds/dt=vmaxx=k1x 结论：①在高底物浓度下，有机底物以最大速度进行降解，与有机底物浓 度无关，其降解速度只与污泥浓度有关。 ②低底物浓度，S<<Ks V=VmaxS/Ks=k2S (3) -ds/dt=VmaxXS/Ks=k2SX (4) 结论：在低底物浓度下，有机底物降解速度与有机底物浓度有关，且成一 级反应（有机物多，无机物少） 由（４）得 －∫s0 s ds/dt=∫0 t k2xsdt S=S0e -k2xt ３． 莫诺方程式在曝气池中的应用 Ｑ（Ｓa-Se）/v=-ds/dt Q(Sa-Se)/v=Nrv ∴ds/dt=Nrv (1)用来计算 Nrv=-ds/dt=Q(Sa-Se)/v=(Sa-Se)/t k2Xse=Q(Sa-Se)/v (2)计算Ｎrs k2Se=Q(Sa-Se)/xv=Nrs (3)计算有机物降解率 η=(Sa-Se)/S0=1-Se/S0=k2xt/(1+k2xt) ４． 有关 k2的确定（图解法）
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 Q(Sa-Se)/xv作纵轴Se-X斜率k2 经验数据0.0168-0.0281 劳一麦方程式 1.概念:(1)把污泥龄改名为生物固体平均停留时间 (2)提出单位底物利用率概念 2.基本方程式 (1)劳一麦第一方程式 1/Qc=Yg-Kd (2)劳一麦第二方程式v=q v=KS/Ks+S)→(ds/dt)a/x。=KS/(Ks+S 3.劳-麦方程式的推论及应用 ①Se-Qc关系 ②Xa-Q Xa=YQQc(Sa-Se)/t(1+dQc ④V与q的关系(ds/dt)u/Xa=kSe→Q(Sa-Se)/XaV=k2Se→ v=Q(Sa-Se)/k2XaSe 曝气池容积的计算方法 V=Q(Sa-Se)/NsX 2Nrs V=Q(Sa-Se)/NrsXv {③劳麦{v=YQQc(Sa-Se)/Xa(1+KdQc) ⑤两种产率 △X=YQ(Sa-Se)- KdvXy 合成产率微生物的净增值量 Yobs=Y/(1+KdQc) △X计算{△X=YQSa-Se)- KdvXy △X= Yobs(Sa-Se) 第5页
第 5 页 Q(Sa-Se)/xv 作纵轴 Se-X 斜率 k2 经验数据 0.0168---0.0281 三． 劳—麦方程式 １．概念： （１）把污泥龄改名为生物固体平均停留时间 （２）提出单位底物利用率概念 ２．基本方程式 （１）劳---麦第一方程式 １/Qc=Yq-Kd （２）劳 －麦第二方程式 v=q v=KS/(Ks+S) →(ds/dt)u/xa=KS/(Ks+S) ３．劳-麦方程式的推论及应用 ① Se—Qc 关系 ② Xa—Qc Xa=YQQc(Sa-Se)/t(1+KdQc) ③ R---Qc ④ V 与 q 的关系 (ds/dt)u/Xa=k2Se →Q(Sa-Se)/XaV=k2Se → v=Q(Sa-Se)/k2XaSe 曝气池容积的计算方法 {①Ns V=Q(Sa-Se)/NsX {②Nrs V=Q(Sa-Se)/NrsXv {③劳麦 {v=YQQc(Sa-Se)/Xa(1+KdQc) {v=Q(Sa-Se)/k2SeXa ⑤ 两种产率 △X=YQ（Sa-Se）-KdVXv 合成产率 微生物的净增值量 Yobs=Y/(1+KdQc) △ X 计算 {△X=YQ(Sa-Se)-KdVXv {△X=YobsQ(Sa-Se)