技術(shù)文章
Technical articles一、 廢水處理中的微生物
不同種類的微生物都具有分解有機(jī)物質(zhì)的能力。微生物將膠體的和溶解性的含碳有機(jī)物轉(zhuǎn)化成CO2并合成新的微生物菌體。微生物菌體的密度稍微大于水,可以利用重力沉降法將其從處理過的水中去除。微生物菌體本身即為有機(jī)物,以BOD的形式存在于出水中。因此如果被處理過的水中微生物菌體未被去除,則未達(dá)到*處理。
廢水處理廠中,基質(zhì)被氧化,釋放出來的能量被傳遞并儲(chǔ)存在能量載體中(如下圖所示),供微生物利用。由分解代謝所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì),部分被用于微生物的生存。廢水中的重要微生物有細(xì)菌、真、藻類及輪蟲與甲殼動(dòng)物。其細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的分解代謝和合成代謝對(duì)廢水處理具有重要意義。
二、污染物的分解
1、好氧分解
必須有分子氧作終電子受體。天然水體中氧以DO形式存在。當(dāng)氧是*電子受體時(shí),有機(jī)物終代謝物主要為CO2、水及新的細(xì)胞物質(zhì)。
在正常的天然水體中,好氧分解是水體自凈的主要途徑。由于好氧氧化過程中有大量的能量釋放出來,大部分好氧微生物有很高的生長(zhǎng)速率,比其它氧化系統(tǒng)中產(chǎn)生的新細(xì)胞多,因此污泥的產(chǎn)生量就多。好氧分解速度快、效率高,產(chǎn)生的臭味少,因此廢水濃度較低(BOD5小于500mg/L)時(shí)可選用此法。當(dāng)廢水濃度過高時(shí)(BOD5大于1000mg/L),采用好氧處理不能得到足夠的溶解氧,且有大量的生物污泥產(chǎn)生,因此一般不適合于采用該法處理。
2、缺氧分解
在缺少分子氧時(shí),一些微生物能夠利用硝酸鹽作為終受體,此時(shí)的氧化過程稱為反硝化過程。終產(chǎn)物為氮?dú)?、二氧化碳、水及新?xì)胞物質(zhì)。反硝化產(chǎn)生的能量約等于好氧分解產(chǎn)生的能量。
3、厭氧分解
為進(jìn)行厭氧分解,分子氧與硝酸鹽不可作為電子受體。硫酸鹽、二氧化碳及有機(jī)物在厭氧分解中作為終電子受體而被還原。無氧參與,底物氧化不*。有機(jī)物的厭氧分解通常分為兩個(gè)步驟:首先復(fù)雜的有機(jī)物發(fā)酵生成低分子量的脂肪酸(揮發(fā)性酸);第二步這些有機(jī)酸轉(zhuǎn)化成甲烷,二氧化碳作為電子受體。厭氧氧化時(shí)僅能釋放出少量的能量,因此細(xì)胞的產(chǎn)生量即污泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產(chǎn)生的污泥通過厭氧分解加以穩(wěn)定。目前,很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣,發(fā)電。如北京高碑店污水處理廠。
廢水的厭氧生物處理優(yōu)點(diǎn):不需另加氧源,故運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn):反應(yīng)速度慢,構(gòu)筑物容積大。廢水濃度較低時(shí),不適合于利用厭氧分解直接處理。為提高厭氧分解的效率,必須提高廢水溫度。
三、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)
1、細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求
(1)終電子受體
(2)大量營(yíng)養(yǎng)物:合成細(xì)胞所需的碳源、氮源;ATP(能量載體)和DNA所需的磷;
(3)微量營(yíng)養(yǎng)物:微量金屬;某些細(xì)胞所需的維生素。
(4)適宜的環(huán)境:溫度;濕度;pH。
2、純培養(yǎng)下的生長(zhǎng)規(guī)律
遲緩期:細(xì)菌不能立即繁殖,適應(yīng)期;對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期:在延遲期的末端細(xì)菌開始分裂,數(shù)目逐漸增加,適應(yīng)后,快速增殖,旺盛期。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)菌數(shù)目P經(jīng)過n個(gè)世代周期后可用下式表示:
P = P0´2n
純培養(yǎng)下的生長(zhǎng)規(guī)律可用下述理論表達(dá):減速增長(zhǎng)期:營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少,繁殖速度減慢;內(nèi)源呼吸期:營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)明顯不足,進(jìn)行內(nèi)源呼吸。
3、米歇里斯-門坦方程式(1913年)
S + E →ES →P +E
υ=υmaxρs/(Km + ρs )
該方程式表示酶促反應(yīng)速度與底物濃度之間的定量關(guān)系。 Km(mol/L):米氏常數(shù)。當(dāng)酶反應(yīng)速度達(dá)到大反應(yīng)速度的一半時(shí)的底物濃度。
1)Km值只與酶的性質(zhì)有關(guān),與酶的濃度無關(guān);
2)如果一個(gè)酶有幾個(gè)底物,則對(duì)于一個(gè)底物有一個(gè)特定Km;
3)Km值小的底物稱為該酶的適底物。
在廢水處理系統(tǒng)中有兩種極限情況:一、限制性基質(zhì)過量,即S>>Ks時(shí),mm=m,菌體的生長(zhǎng)速率為一級(jí)反應(yīng);二、當(dāng)S<<Ks時(shí),由于基質(zhì)量的限制,菌體的生長(zhǎng)速率為零級(jí)反應(yīng),與菌體濃度無關(guān)。
4、混合培養(yǎng)物下的生長(zhǎng)
廢水或天然水體微生物的存在不是*的。生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述的是不同微生物在相互競(jìng)爭(zhēng)中其質(zhì)量或濃度隨時(shí)間的變化。不同菌種對(duì)同一基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的能力取決于菌種對(duì)基質(zhì)的代謝能力。由于細(xì)菌的體積較小,單位質(zhì)量的表面積較大,可迅速的將基質(zhì)去除。當(dāng)溶解性有機(jī)物缺乏時(shí),細(xì)菌繁殖將減少,而撲食者則增加。在密閉系統(tǒng)中,初添加混合微生物和基質(zhì)后,細(xì)菌種群數(shù)量達(dá)到大值后,因基質(zhì)缺乏,微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)后而逐漸死亡。隨后被其它種類的細(xì)菌分解。這個(gè)過程不斷循環(huán)進(jìn)行。
5、混合培養(yǎng)物的生長(zhǎng)規(guī)律
對(duì)大多數(shù)混合培養(yǎng)的微生物,莫諾德Monod方程(1942年)均可適應(yīng)。該方程中微生物以質(zhì)量表示而不是以生物數(shù)量表示。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期微生物質(zhì)量增加的速率可表示為:
m為細(xì)菌比生長(zhǎng)速率,t-1;X為菌體濃度(mg/L)。
利用混合培養(yǎng)微生物不易直接測(cè)量m值。假設(shè)食物利用速率與菌體產(chǎn)生速率均受限于供給所需食物的酶反應(yīng)速率,得到:
式中,mm細(xì)菌大比生長(zhǎng)速率常數(shù);S為限制性基質(zhì)濃度,mg/L;Ks為半飽和常數(shù),mg/L。當(dāng)m=0.5 mm時(shí),Ks=S。
6、莫諾德方程
Monod方程中生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系
Monod方程僅考慮微生物的生長(zhǎng),沒考慮自然死亡,假設(shè)系統(tǒng)中所有基質(zhì)均轉(zhuǎn)化為菌體:
設(shè)計(jì)廢水處理 過程的主要公式
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式中kd為內(nèi)源衰減速率常數(shù),t-1。
式中,Y為食物轉(zhuǎn)化菌體的比例,或合成系數(shù),mg菌體/mg基質(zhì)。
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