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第一节废水好氧生物处理原理

一、好氧生物处理的基本生物过程

所谓“好氧”:是指这类生物必须在有分子态氧气(O2)的存在下,才能进行正常的生理生化反应,主要包括大部分微生物、动物以及我们人类;所谓“厌氧”:是能在无分子态氧存在的条件下,能进行正常的生理生化反应的生物,如厌氧细菌、酵母菌等。好氧生物处理过程的生化反应方程式:

①分解反应(又称氧化反应、异化代谢、分解代谢) CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量(有机物的组成元素)

②合成反应(也称合成代谢、同化作用) C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2

③内源呼吸(也称细胞物质的自身氧化) C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情况下,各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的,一般可用下列实验式来表示:细菌:C5H7NO2;真菌:C16H17NO6;藻类:C5H8NO2;原生动物:C7H14NO3分解与合成的相互关系:1)二者不可分,而是相互依赖的;a、分解过程为合成提供能量和前物,而合成则给分解提供物质基础;b、分解过程是一个产能过程,合成过程则是一个耗能过程。2)对有机物的去除,二者都有重要贡献;3)合成量的大小,对后续污泥的处理有直接影响(污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的40~50%)。不同形式的有机物被生物降解的历程也不同:一方面:结构简单、小分子、可溶性物质,直接进入细胞壁;结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质,则首先被微生物吸附,随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物,再进入细胞内。另一方面:有机物的化学结构不同,其降解过程也会不同,如:糖类;脂类;蛋白质

二、影响好氧生物处理的主要因素

①溶解氧(DO): 约1~2mg/l;

②水温:是重要因素之一,在一定范围内,随着温度的升高,生化反应的速率加快,增殖速率也加快;细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感,温度突升或降并超过一定限度时,会有不可逆的破坏;最适宜温度 15~30°C;>40°C或< 10°C后,会有不利影响。

③营养物质:细胞组成中,C、H、O、N约占90~97%;其余3~10%为无机元素,主要的是P;生活污水一般不需再投加营养物质;而某些工业废水则需要,一般对于好氧生物处理工艺,应按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P;其它无机营养元素:K、Mg、Ca、S、Na等;微量元素:Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等;

④pH值:一般好氧微生物的最适宜pH在6.5~8.5之间;pH < 4.5时,真菌将占优势,引起污泥膨胀;另一方面,微生物的活动也会影响混合液的pH值。

⑤有毒物质(抑制物质):重金属;氰化物;H2S;卤族元素及其化合物;酚、醇、醛等;

⑥有机负荷率:污水中的有机物本来是微生物的食物,但太多时,也会不利于微生物;

⑦氧化还原电位:好氧细菌:+300 ~ 400 mV, 至少要求大于+100 mV;厌氧细菌:要求小于+100 mV,对于严格厌氧细菌,则<-100 mV,甚至<-300 mV。

第二节 废水厌氧生物处理原理

废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵;是指在厌氧条件下由多种(厌氧或兼性)微生物的共同作用下,使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。

一、厌氧生物处理中的基本生物过程——阶段性理论

1、两阶段理论:20世纪30~60年代,被普遍接受的是“两阶段理论”第一阶段:发酵阶段,又称产酸阶段或酸性发酵阶段;主要功能是水解和酸化,主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等;主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌;

这些微生物的特点是:

1)生长速率快,

2)对环境条件的适应性(温度、pH等)强。第二阶段:产甲烷阶段,又称碱性发酵阶段;是指产甲烷菌利用前一阶段的产物,并将其转化为CH4和CO2;主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌(Methane producing bacteria);

产甲烷细菌的主要特点是:

1)生长速率慢,世代时间长;

2)对环境条件(温度、pH、抑制物等)非常敏感,要求苛刻。

2、三阶段理论对厌氧微生物学的深入研究后,发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程,不能真实反映厌氧反应过程的本质;厌氧微生物学的研究表明,产甲烷菌是一类十分特别的古细菌(Archea),除了在分类学和其特殊的学报结构外,其最主要的特点是:产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质,其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等,两碳物质中只有乙酸,而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类;上世纪70年代,Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌,实际上是由两种细菌共同组成的,一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2(一种产氢产乙酸细菌),另一种细菌则利用H2和CO2产生CH4(一种真正意义上的产甲烷细菌——嗜氢产甲烷细菌);因而,Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”:水解、发酵阶段:产氢产乙酸阶段:产氢产乙酸菌,将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2;产甲烷阶段:产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4;一般认为,在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解,其余的则产自H2和CO2。

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