《水污染控制工程》第二章 污水生物处理基本概念 (2)

Pseudomonas cepacia：能降解90种以上有 机物，甲基汞、有毒氰、酚类化合物等都 能被微生物作为营养物质分解利用
繁殖快、易变异、适应性强
大肠杆菌在条件适宜时17min就分裂一次； 有一种假单胞细菌在不到10min就分裂一次；
低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等 条件下可以快速适应；
物也不同。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物呼
吸两种 。
1.异养型微生物呼吸 异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终
点产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。 如下式所示：
C6H12O6 6O 2 6CO 2 6H 2O 2817.3kJ （2-2）
C11H29O7 N
氢体），同时放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活游
离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。
还原型辅酶Ⅰ
2H
NAD(P)
NAD(P)H
还原型辅酶Ⅱ
H （2-1)
2H
NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）
好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这
个过程中，同时放出能量。
依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产
4[H] 2CH 3CHO 2CH 3CH 2OH
（3）按三阶段理论是是厌氧的 第一阶段
总反应式： C6H12O6 2CH 3CH 2OH 2CO 2 92.0kJ （2-6）
发酵与完全厌氧
2.完全厌氧 厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。 厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过 程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅 酶传递给除氧以外的有机物，使其还原。
总反应式：
24[H] 4NO3 2N2 12H2O （2-8）
C6H12O6 4NO3 6CO2 6H2O 2N2 1755.6kJ（2-9）
在缺氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中 间电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量 得以分级释放，故缺氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但 由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如 好氧呼吸的多。
能量利用率42％
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ
第一节 概 述
污水生物处理法是建立在环境自净作用基础上 的人工强化技术，通过调节生化环境，优化反 应器构型及必要的预处理手段，发挥微生物的 降解作用而实现污染控制。具有百余年发展历 史。
具有高效、低耗、产能等优点，运行费用低， 广泛应用于大规模水处理工艺中。
污水生物处理技术的起源
1881年，法国发明了Moris池是最早的废水 处理生物反应器。封闭厌氧型。
14O
2

H
11CO
2
13H
2O

NH
4
能量
（2-3）
有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜 法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。
2.自养型微生物 自养型微生物以无机物为底物（电子供体），其终
点产物也是无机物，同时放出能量。
大型合流污水沟道和污水沟 H2S 2O2 H2SO4 能量 （2-4）道存在该式所示的生化反应
NH
4

2O 2

NO
3

2H


H2O

310
kJ
（2-5）
生物脱氮工艺中的生物 硝化过程
缺氧呼吸
是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等 代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。
在反硝化作用中，受氢体为NO3-，可用下式所示：
C6H12O6 6H 2O 6CO 2 24[H] （2-7）
对于进入环境中的“陌生”污染物，如 PPCPs，微生物可通过突变而改变原来的 代谢类型而降解之。抗药性微生物？
发展前景与存在问题
废水生物处理技术经历了百余年的发展和应用， 发挥了巨大的作用，取得了很大的进步。
然而，由于工业和城市的飞速发展，在世界范围 内，特别是发展中国家，水污染至今还没有得到 有效控制。污水处理技术离尽善尽美还相差很远。
厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物 氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来 底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放 能量较少。
如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能 量的可燃气体。
生化反应中获得能量水平
呼吸方式 受氢体
化学反应式
好氧呼吸 分子氧
发酵与完全厌氧
1.发酵
微生物将有机物氧化的释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种
中间产物，同时释放能量并产生不同的代谢产物。
供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外
加，就是供氢体的分解产物（有机物）。
这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单
的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活
ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。
ADP磷酸化
氧化磷酸化 光合磷酸化
底物水平磷酸化 电子传递磷酸化
高能化合物 低能化合物
ATP
磷酸根
+
ADP
能量
细胞合成 生理需要 热能释放
微生物的发酵与呼吸
有机底物的分解代谢是通过发酵和呼吸作用完成的
微生物的呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将释 放出的电子交给NAD（P）+（辅酶Ⅱ）、FAD（黄素腺嘌 呤二核苷酸）或FMN（黄素单核苷酸）等电子载体，再经 电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原 型产物并释放能量的过程。 以分子氧为电子最终电子受体的称为好氧呼吸，以氧化 型化合物为最终电子受体的称为缺氧呼吸。
具体在污水处理中：
分解代谢
污水中有机物
CO2+H2O
合成代谢
C5H7NO2
三磷酸腺苷 （ATP）：细胞内能量的“分子货币”，储存和传递化学能，蛋白质、 脂肪、糖和核苷酸的合成都需它参与。
能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate) AMP+~P→ADP+ ~P →ATP
污水生物处理的优势是由微生物及 其生长特性所决定的。
微生物有什么特性？如何体现到污 水处理中？
微生物对污染物降解的巨大潜力
个体微小、比表面积大、代谢速率快
较大的酵母菌，一般为椭圆形，宽1-5um,长530um。
比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表 面积约为人的30万倍，为营养物的吸收与 代谢产物的排泄奠定了基础；
代谢速度快：发酵乳糖的细菌在1h内可分 解其自重的1000~10000倍；假丝酵母 （Candida utilis）合成蛋白质能力比大豆 强100倍，比食用公牛强10万倍。
种类繁多、分布广泛、代谢类型多样
W. B. Whitman (U. Of Georgia)细菌普查， 地球上存在51030个细菌, 非常活跃的群体 在海、陆、空等一般环境和极端环境中的 极端环境微生物；
泥量大、释放较多二氧化碳等缺点。
与现代科技结合 利用微生物的无穷潜力、反应设备的发展及
材料等相关学科技术的进步，与其他工艺相交叉， 利用协同作用。污水生物处理工艺必将取得更大 的发展，发挥更大的作用。
例：污水处理+（纳米）零价铁
第二节 微生物的代谢与呼吸
微生物的代谢
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。但总体分两类过程：
主要缺点：
生化环境不够理想、微生物数量不够多、反应速 率尚低、处理设施的基建投资和运行费用较高、 运行不够稳定、难降解有机物处理效果差等。
效果不稳定，有毒难降解工业废水处理效果差。
前洲污水处理厂—工业废水毒性大
北国污水处理厂—正常情况
从可持续发展的战略观点来衡量： 废水生物处理还有消耗大量有机碳、剩余污
厌氧消化— 两级消化池、两相消化等；
发展阶段（1961年-现在）：
好氧生物处理：
氧化沟、A-B法、SBR、深井曝气、流化床、 MBR等；（微生物基础应用研究） 厌氧生物处理：
进步显著，厌氧接触法、厌氧生物滤池、 UASB等； 好氧-厌氧联合工艺的开发 水解酸化-好氧处理（A/O）；脱氮除磷； A1-A2-O 丰富完善了自然生物净化系统
同 化 脱 氮
氨 化
硝 化
反 硝 化
同厌好 化氧氧 除放吸 磷磷磷
微生物生长规律和生长环境
生长阶段
对减内 延 数数源 迟 增增呼 期 长长吸
期期期
原生 动物 对水 质的 指示 作用
微生 物生 长环 境及 影响 因素
温度
pH 溶解氧 有毒物质 营养物质
第二章 废水生物处理的基本概念
第一节 概述 第二节 微生物的代谢与呼吸 第三节 污水生物处理的基本原理 第四节 生物脱氮除磷原理 第五节 微生物的生长规律和生长环境
发酵
微生物将有机物氧化的释放的电子直接交给底物本身未完
全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生不同的代谢产物。
供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终
受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。
这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比
原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，
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，将营养物质转
化为复杂的细胞成分，机体制造自身。