第十二章.废水生化处理

温度
影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
各类微生物所生长的温度范围不同，约为 ℃ 各类微生物所生长的温度范围不同，约为5℃ ～80℃ 。 ℃ 可分为最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度（ 可分为最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度（是 指微生物生长速度最快时温度）。 指微生物生长速度最快时温度）。 中温性（ ～ ℃ 好热性（高温性）（ ）（45℃以上） 中温性（20～45℃ ） 、好热性（高温性）（ ℃以上） 和好冷性（低温性）（ ℃以下）三类。 和好冷性（低温性）（20℃以下）三类。 ）（
呼吸方式 好氧呼吸 能量利用率42 42％ 能量利用率42％ 受氢体 化学反应式
分子氧
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ
− NH + + 2O 2 → NO 3 + 2H + + H 2 O + 310 kJ 4 C6H12C6+4NO3 - → 6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ
废水生物处理过程是污水自净的人工化强化过程。 废水生物处理过程是污水自净的人工化强化过程。 食料移动 产物移动
细菌 有机物 溶解性 N、P 胶体状 、 处理出水 原生动物 增殖微生物 后生动物
提供条件
反应器
分离
主要参考书
• 1、高廷耀、顾国维、周琪主编：水污染控制工程（第三版）高等教 高廷耀、顾国维、周琪主编：水污染控制工程（第三版） 育出版社 • 2、梅特卡夫和埃迪公司：废水工程 处理及回用 化学工业出版社 梅特卡夫和埃迪公司： • 3、张自杰 排水工程（下册）（第四版）中国建筑工业出版社 排水工程（下册）（第四版） ）（第四版 • 4、张自杰 主编：废水处理理论与设计 中国建筑工业出版社 主编： • 5、张忠祥、钱易：废水生物处理新技术 清华大学出版社 张忠祥、钱易： • 6、李军、杨秀山、彭永臻：微生物与水处理工程 化学工业出版社 李军、杨秀山、彭永臻： • 7、Grady C.P 废水生物处理（第二版）化学工业出版社 废水生物处理（第二版） • 8、R.E.斯皮斯著 工业废水的厌氧生物技术 中国建筑工业出版社 R.E.斯皮斯著
CO2
代 谢 产 物 （ N02− 、 − NO3−、SO42−、Fe3+ … ） 氧化 合成
新的细胞物质 （C5H7NO2）
+
能量
少量能量
内源呼吸产物 + 内源呼吸
能量
− ） 、 （CO2、H2O、NH3、SO42−…）
内源呼吸残留物
O2
净增细胞物质
剩余污泥
二、微生物生长的营养及影响因素
影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素 微生物的营养 水、碳素营养源、氮素营养源、 碳素营养源、氮素营养源、 无机盐、微量元素及生长因子。 无机盐、微量元素及生长因子。
复杂物质分解为简单物质 分解代谢 异化作用) (异化作用) 释放能量 新陈代谢 吸收能量 合成代谢 同化作用) (同化作用) 简单物质合成为复杂物质 能量代谢 物质代谢
能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine 能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate) AMP+～ AMP+～P→ADP+ ～P →ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。 ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。 磷酸化生成ATP 水解产生能量
第十二章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
废水生化处理理论基础
废水处理微生物基础 酶及酶反应 微生物生长动力学 废水的可生化性 废水生化处理方法总论
第一节 废水处理微生物学基础
一 、微生物的新陈代谢
新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质， 新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催 化的复杂生化反应，在体内不断进行物质转化和交换的过程。 化的复杂生化反应，在体内不断进行物质转化和交换的过程。 分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量。 分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量。 合成代谢：通过一系列的生化反应， 合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转化为复杂的细 胞成分，机体制造自身。 胞成分，机体制造自身。
温度超过最高生长温度时，蛋白质迅速变性及酶系统 温度超过最高生长温度时， 遭到破坏而失活，严重者可使微生物死亡。 遭到破坏而失活，严重者可使微生物死亡。 低温会使微生物代谢活力降低，生长繁殖停止状态， 低温会使微生物代谢活力降低，生长繁殖停止状态， 但仍保存其生命力。 但仍保存其生命力。
pH值 值 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素 不同的微生物有不同的pH适应范围。 不同的微生物有不同的 适应范围。 适应范围 细菌、放线菌、藻类和原生动物的 适应范围是 细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH适应范围是 之间。 ～ 之间 在4～10之间。 大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH＝6.5～7.5）的 大多数细菌适宜中性和偏碱性（ ＝ ～ ） 环境。 环境。 废水生物处理过程中应保持最适pH范围。 废水生物处理过程中应保持最适 范围。 范围 当废水的pH变化较大时，应设置调节池， 当废水的 变化较大时，应设置调节池，使进入 变化较大时 反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的 范围 范围。 反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH范围。
酶 反 应 速 度 v
vmax
n=0 1/2 vmax 0<n<1
n=1
KS
底物浓度[S] 底物浓度
中间产物假说： 酶促反应分两步进行， 中间产物假说： 酶促反应分两步进行，即酶与底 物先络合成一个络合物（中间产物），这个络合物再进 物先络合成一个络合物（中间产物），这个络合物再进 ）， 一步分解成产物和游离态酶，以下式表示： 一步分解成产物和游离态酶，以下式表示：
微生物的组成
细胞分子式：C5H7O2N(有机部分 有机部分) 细胞分子式： 有机部分 细胞分子式： 考虑磷) 细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷 考虑磷
一般估算好氧微生物营养比例： 一般估算好氧微生物营养比例： BOD∶N∶P ＝100 ∶5 ∶1 ∶ ∶ 厌氧微生物营养比例： 厌氧微生物营养比例： BOD∶N∶P ＝400 ∶5 ∶1 ∶ ∶
第十二章 废水生化处理理论基础
根据污水处理程度
一级处理
只去除漂浮物和易沉物。 只去除漂浮物和易沉物。 去除漂浮物和易沉物外，稳定污水中的有机物， 去除漂浮物和易沉物外，稳定污水中的有机物， 基本上消除污水的耗氧性能。 基本上消除污水的耗氧性能。 降低出水中的氮、磷化合物浓度。 降低出水中的氮、磷化合物浓度。
－
产物 CO2、H2O NO2－、NO3－ Fe（Ⅲ） （
－ SO42－
N2、CO2、 H2O VFAs Fe（Ⅱ）、 （ CO2、H2O H2S、CO2、 、 H2O 甲烷
有机化合物 Fe（Ⅲ） （
－ SO42－
CO2
细菌代谢类型示意图
营养物 营养物
有机化合物
合成细菌 能量
O2
新生细胞 CO2＋H2O
溶解氧 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素 溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。 溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。 好氧微生物处理的溶解氧一般以2～ 为宜。 好氧微生物处理的溶解氧一般以 ～4mg/L为宜。 为宜 有毒物质 在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制 在工业废水中， 和杀害作用的化学物质， 和杀害作用的化学物质，这类物质我们称之为有 毒物质。 毒物质。 在废水生物处理时，对这些有毒物质应严加控 在废水生物处理时， 但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。 制，但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。
第二节 酶及酶反应
一、酶及其特点
酶是由活细胞产生的能在生物体内和体外起催化 作用的个物催化剂。 作用的个物催化剂。 酶所具有的独特性能： 酶所具有的独特性能： ①催化效率高。 催化效率高。 ②专属性。 专属性。 ③对环境条件极为敏感。 对环境条件极为敏感。
二、酶促反应速度——浓度对酶反应速度的影响 酶促反应速度
一切生化反应都是在酶的催化下进行的，为酶促反应。 一切生化反应都是在酶的催化下进行的，为酶促反应。反应速 度受酶浓度、底物浓度、pH、温度、反应产物、 度受酶浓度、底物浓度、pH、温度、反应产物、活化剂和抑 酶浓度 制剂等因素的影响。 制剂等因素的影响。 等因素的影响 在底物足够又不受其他因素影响时，酶促反应速度与酶浓度成正比。 在底物足够又不受其他因素影响时，酶促反应速度与酶浓度成正比。 当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时， 当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应速度与 底物浓度成正比，是一级反应。 底物浓度成正比，是一级反应。 当底物浓度增加到一定限度时，酶反应速度达到最大值， 当底物浓度增加到一定限度时，酶反应速度达到最大值，再增加 底物的浓度对速度就无影响，是零级反应， 底物的浓度对速度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的 底物浓度并不相同，甚至差异有时很大。 底物浓度并不相同，甚至差异有时很大。
二级处理
深度处理
根据污水处理原理
物理方法 格栅、筛网、过滤、沉淀、气浮、离心分离、 格栅、筛网、过滤、沉淀、气浮、离心分离、 膜分离等. 膜分离等.
化学方法
混凝、中和、化学沉淀、氧化还原、消毒、 混凝、中和、化学沉淀、氧化还原、消毒、电解等
物理化学
吸附、萃取、 吸附、萃取、离子交换等
生物处理
好氧生物处理、厌氧生物处理、好氧－ 好氧生物处理、厌氧生物处理、好氧－厌氧生物 处理等
低能化合物
ATP
磷酸根
细胞合成 能 量 生理需要 热能释放
+
高能化合物
ADP
微生物的呼吸
微生物呼吸指微生物获取能量的生理功能
根据受氢体的不同分为 好氧呼吸 厌氧呼吸
根据氧化底物、 根据氧化底物、产物不同 异养型微生物 自养型微生物
按反应过程最终受氢体不同 发酵 无氧呼吸
好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式， 好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量 水平不同， 如下表所示。 水平不同， 如下表所示。
＋ 能量
污水中的可 生 物 降 解 有 + 异养微生物 机物
分解代谢
(2/3) 合成代谢
～80%
内源呼吸产物
+ 能量
新细胞物质
（C5H7NO2）
内源呼吸
～20%
(CO2、H2O、NH3、SO42-…) 、
内源呼吸残留物
O2 净增细胞物质
剩余污泥
好氧生物处理中自养微生物代谢途径
无机代谢产物
O2
污水中的无机污 + 自养菌 染物(NH3、NO2− 染物 、H2S、Fe2+…) 、
废水生化处理理论基础（ 章 废水生化处理理论基础（12章） 污水的自然处理法（ 章 稳定塘和污水的土地处理） 污水的自然处理法（17章 稳定塘和污水的土地处理）
废 水 生 物 处 理
污水的好氧生物处理－－活性污泥法（ 章 污水的好氧生物处理－－活性污泥法（13章） －－活性污泥法 污水的好氧生物处理－－生物膜法（ 章 污水的好氧生物处理－－生物膜法（14章） －－生物膜法 污水的厌氧生物处理法（ 章 污水的厌氧生物处理法（15章) 城市污水的深度处理（ 章 城市污水的深度处理（16章） 污泥的处理和处置（ 章 污泥的处理和处置（19章） 污水处理处理后的再利用与排放（ 章 污水处理处理后的再利用与排放（18章） 污水处理厂的设计（ 章 污水处理厂的设计（20章）
CO2 NH4＋
合 成 细 菌能量
O2
新生细胞 NO2－或NO3－
a 好氧、异养菌 好氧、
营养物
b 好氧、自养菌 好氧、
有机化合物
合成细菌 能量
c 厌氧、异养菌 厌氧、
新生细胞 CO2＋CH4
好氧生物处理中异养微生物代谢途径
无机代谢产物 少量能量
代谢产物 O2 (1/3)
(CO2、H2O、NH3、SO42-…) 、
无氧呼吸 发酵 能量利用率26 26％ 能量利用率26％
பைடு நூலகம்
无机物 有机物
C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ
依据细胞炭源、电子供体、 依据细胞炭源、电子供体、电子受体和最终产物对微生物分类
细菌类型 好氧异养菌 好氧自养菌 常用 反应名称 好氧氧化 硝化 铁氧化 硫氧化 兼性异养菌 厌氧异养菌 缺氧脱氮反 应 酸发酵 铁还原 硫酸盐还原 甲烷化 炭源 有机化合物 CO2 CO2 CO2 有机化合物 有机化合物 有机化合物 有机化合物 有机化合物 电子供体 （基质） 基质） 有机化合物 NH3、NO2－ Fe（Ⅱ） （ H2S、S0、 、 － S2O32－ 有机化合物 有机化合物 有机化合物 有机化合物 VFAs 电子受体 O2 O2 O2 O2 NO2－、NO3