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 内源呼吸 对数增殖 减速增殖
微生物增殖曲线
氧利用速率曲线
BOD降解曲线 Xa 0 时间 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
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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(?2.2kgBOD5/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:
?x?aQSr?bVXv;
?Qw?Xr式中: ?x? 每日污泥增长量(VSS),kg/d； ；
Q——每日处理废水量(m3/d)； Sr?Si?SeSiSe ——进水——出水
；
BOD5浓度(
kgBOD5/m3或
mgBOD5/l)；
BOD5浓度(
kgBOD5/m3或
mgBOD5/l)。
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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:
O2?a'Q?Sr?b'V?Xv
式中： O2——曝气池混合液的需氧量，kgO2/d；
a'——代谢每kgBOD5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 结果与米门方程式相同
μ=μ
max
S/(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=1/2μ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)
max
时，有机底物的浓度
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-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< 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 －∫s0ds/dt=∫0k2xsdt S=S0e -k2xt s t 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） 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 第 4 页 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) 3.2 好氧悬浮生长处理技术（4学时） 好氧悬浮生长生物处理工艺主要有以下几类：活性污泥法；曝气氧化塘；好氧消化法；高负荷氧化塘。这里重点介绍活性污泥法。 在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。活性污泥法于1914年在英国曼彻斯特建成改进，特别是近几十年来，在对其生物反应和净化机理进行深入研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动力学的理论方面以及在工艺方面都得到了长足的发展，出现了多种能够适应各种条件的工艺流程，当前，活性污泥法已成为污水特别是有机性污水处理技术的主体技术。 一、活性污泥法的基本原理 A、基本概念和工艺流程 （一） 基本概念 1． 活性污泥法：以活性污泥为主体的污水生物处理。 2． 活性污泥：颜色呈黄褐色，有大量微生物组成，易于与水分离，能使污水 得到净化，澄清的絮凝体 （二） 工艺原理 第 5 页