废水生物处理和生化反应

kS
2 A
1 SA
1 SA0
4 微生物生长动力学
l 一、微生物群体增长速率
l Monod经过大量的试验研究，提出的微生物增长速度公式， 也可以用来描述曝气池中活性污泥的增长速度。
＝ max S
Ks S
l 式中：－微生物的比增长速率，即单位生物量的增长速
度
dX / dt
X
l X——微生物浓度
特点： l 细胞数目不增加，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞
数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。 l 菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消
耗间呈现出一定的比例关系 l 细胞长、大 l 代谢旺盛 l 对不良条件敏感，抵抗力降低
稳定期到来的原因主要是： l 营养物尤其是生长限制因子的耗尽； l 营养物的比例失调，如 C／N比值不合适； l 酸、醇、毒素或 H20等有害代谢产物的累积； l pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜。
l Ks——半速率常数，饱和常数
三、微生物增长与有机底物降解
dS dS dS dt u dt s dt e dS 总底物利用速率 dt u dS 用于合成的底物利用速 率 dt s
dS 用于提供能量的底物利 用速率 dt e
dX dX dX dt g dt s dt e dX 微生物净增长速率 dt g
有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。
发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机 物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。
发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基 酸等。
呼吸
微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给电子载体， 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 型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。
l 毒物的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、 有无其他毒物及微生物的数量或是否驯化等有 很大关系。
3 反应速度和反应级数
一、反应速率 概念：单位时间那底物的减少量、最终产物或细胞的增加量
底物S
合成 细胞X 分解
最终产物P
Y dX 产率系数 dS
S yX zP
dX y dS dt dt
l 对于好氧生物处理，pH值一般以6.5－9.0为宜。 pH值低于6.5，真菌即开始与细菌竞争，降低 到4.5时，真菌将占优势，严重影响沉降分离。 pH值超过9.0时，代谢速度受到阻碍。
l 需要指出的是pH值是指混合液而言。对于碱 性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以有 机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲 作用。
l m—— 的最大值
l S——限制微生物增长的底物浓度
l Ks——半速率常数，饱和常数。
半速度常数确定图示
m m/2
0
Ks
S
二、底物利用速率
r＝
rmax S Ks S
l
式中：r－底物比降解速率，即单位生物量的增长速度 X——微生物浓度
r dS / dt X
l rm——r 的最大值 l S——限制微生物增长的底物浓度
将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后 一次收获。
分批培养（batch culture）or 封闭培养（closed culture）
培养基一次加入，不予补充，不再更换。
生长曲线 (Growth Curve)：
细菌接种到定量的液体培养基中，定时取样测定细 胞数量， 以培养时间为横座标，以菌数为纵座标作图，得到的一 条反映细 菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线。
这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化 成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。
这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。
微生物处理分类
好 氧 生 生物 物法 处 理 法 厌 氧 生 物 法
自然 条件 下 人工 条件 下
自然 条件 下
人工 条件 下
水体自净－天然水体和氧化塘
1 废水生物处理基本原理 2 微生物的生长规律与生长环境 3 反应速度和反应级数 4 微生物生长动力学
1 废水生物处理基本原理
一、发酵与呼吸 1 发酵 （供氢体和受氢体都是有机物） 2 呼吸
生物氧化反应
发酵—最终电子受体是氧化过程中的中间产物(简单的有机物) 最终产物：醇、有机酸、CO2、CH4及能量
体积扩大的生物学过程。
繁殖：
生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的 生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。
生长是一个逐步发生的量变过程， 繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。
一个微生物细胞
合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢。 如果同化作用的速度超过了异化作用
个体的生长 原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加
dS 1 dX dt y dt
二、反应级数
反应速 S yX zP
度方程
v
dS
dt
k
S
n
K随温度而变化，n为 反应级数
零级 一级 二级
v
k,
dS A dt
k
S A S A0 kt
v
kS
A
,
dS A dt
kS A
lg S A
lg S A0
t k
2.3
kt v
kS
2 A
,
dS A dt
一条典型的生长曲线至少可以分为 迟缓期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时
期
迟缓期 (Lag phase)：
将少量菌种接入新鲜培养基后，在开始一段时间内菌数不立即增加， 或增加很少，生长速度接近于零。也称延迟期、适应期等。
迟滞期的特点：
分裂迟缓、代谢活跃
t 细胞形态变大或增长，一般来说处于迟缓期的细菌细胞
二、废水生物处理及其分类
好氧生物处理：在有游 离氧存在的条件下，好 氧微生物降解有机物使 其稳定无害化的处理方 法。 L
好氧生物处理特点：反 应速度快、处理构筑物 容积小、处理过程的臭 气较小。
处理对象：低浓度有机 废水
厌氧生物处理：在没有 游离氧存在的条件下， 兼性细菌与厌氧细菌降 解和稳定有机物的生物 处理方法。
dX 微生物的合成速率 dt s
dX 内源呼吸时微生物体自 身氧化速率或内源代谢 速率 dt e
dX Y dS dt s dt u
溶解氧(dissolved oxygen, DO)
l 对于推流式活性污泥法，氧的最大需要量出现在污 水与污泥开始混合的曝气池首端，常供氧不足。供 氧不足会出现厌氧状态，妨碍正常的代谢过程，滋 长丝状菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的浓度表 示。
l 活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧 浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积 越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度 就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。
细菌的生长曲线一般用菌数的对数为纵坐标作图
l 活性污泥中的微生物是多菌种的混合群体，其生长繁 殖规律比较复杂，但可用其增长曲线表示一般规律。
l 活性污泥的微生物增长过程可分为延迟期、对数增长 期、减速增长期和内源呼吸期四个阶段。在每个阶段， 有机物(BOD)的去除率、去除速率、氧的利用速度及 活性污泥特征等都各不相同。
物；
影响因素 l 环境不利， 分解代谢速度>>合成速度
内源呼吸期
量
微生物细胞量
氧利用率
BOD浓度
对数增长期 减速增长期
内源呼吸期
时间
丝状菌
草履虫
葡萄球菌
鞭毛
轮虫
二、 微生物的生长环境
营养物(nutrients) l 在活性污泥系统里，微生物的代谢需要一定比例
的营养物，除以BOD表示的碳源外，还需要氮、 磷和其他微量元素。 l 生活污水含有微生物所需要的各种元素，但某些 工业废水却缺乏氮、磷等重要元素。 l 一般认为对氮、磷的需要应满足以下比例，即 BOD5:N:P=100:5:1。
衰亡期 (Decline或Death phase)：
特点： l 个体死亡的速度超过新生的速度(繁殖数<死亡数)，整个群体就
呈现出负生长。 l 细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态； l 有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶（autolysis）； l 有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产
厌氧过程 L
厌氧特点：运行费用低、 剩余污泥量少、可以回 收能源；但是反应速度 慢、构筑物容积较大
处理对象：
有机物的好氧分解图示 2/3
1/3
为什么有机物的好氧分解产生的剩余污泥较多？
有机污的氧化分解方程
l 有机物的氧化分解（有氧呼吸） l 原生质的氧化分解（内源呼吸） l 原生质的同化合成（以氨为氮源）：
体积最大。 t 细胞内合成代谢活跃。 t 对外界不良条件反应敏感。
细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓 在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。
对数生长期 (Log phase)：
又称指数生长期(Exponential phase)
特点：
l 生长速率常数最大，繁殖数 > 死亡数。以最大的速率生长和分裂， 细菌数量呈对数增加，
有机物的厌氧分解图示
三、脱氮除磷基础理论
l 生物脱氮
氨化微生物 亚硝化菌
含氮有机物
氨
亚硝酸盐、硝酸盐
反ห้องสมุดไป่ตู้
硝化菌
硝
化
菌
生物除磷
氮气
厌氧释磷、好氧吸磷
氨的氧化
NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源
亚硝化细菌： 将氨氧化为亚硝酸并获得能量
硝化细菌：
将亚硝氧化为硝酸并获得能量
呼吸
有氧呼吸—最终电子受体是O2 最终产物 ：CO2、H2O及能量
缺氧呼吸--最终电子受体是NO3-，SO42-、CO32-等含氧 酸根
最终产物： CO2、H2O、H2S、N2及能量
发酵(fermentation)
有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物， 同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
l 细胞每分裂一次所需的增代时间（generation time）或原生质增 加一倍所需的倍增时间（doubling time）最短.
l 成分均匀。细菌内各成分按比例有规律地增加，表现为平衡生长。 l 酶活力高，酶系活跃，代谢旺盛。
稳定生长期(Stationary phase)：
稳定生长期又称恒定期或最高生长期，此时培养液中活细菌数 最高并维持稳定。 由于营养物质消耗，代谢产物积累和pH等环境变化，逐步不适宜 于细菌生长，导致生长速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等 于细菌死亡数)。
l 为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望 的，因此溶解氧浓度以2-3mg/L左右为宜。
有毒物质(toxic materials)
l 对生物处理有毒害作用的物质很多。毒物大致 可分为重金属、H2S等无机物质和氰、酚等有 机物质。
l 这些物质对细菌的毒害作用，或是破坏细菌细 胞某些必要的生理结构，或是抑制细菌的代谢 进程。
有氧呼吸（aerobic respiration）： 以分子氧作为最终电子受体
无氧呼吸（anaerobic respiration）： 以氧化型化合物作为最终电子受体
根据于与氧的关系可以将微生物的呼吸类型划分为 好氧呼吸和缺氧呼吸
1）好氧呼吸 特点：有分子氧存在，反应的最终电子受体是氧。 异养微生物（二氧化碳、水、氨） 自养微生物（无机物） 2）缺氧呼吸 特点：没有氧存在的生化反应 缺氧呼吸（最终电子受体是无机物含氧化合物）
土壤净化－污水灌溉
悬浮生物法－活性污泥法及其 变种、氧化塘、氧化沟 固着生物法－生物滤池、生物转 盘、接触氧化、好氧生物流化床 堆肥
厌氧塘 悬浮生物法－厌氧消化、上流式 厌氧污泥床、高温堆肥、化粪池 固着生物法－厌氧滤池、厌氧流化 床
2 微生物的生长规律和生长环境
一、微生物的生长规律 生长： 生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体
如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就 会发生繁殖，引起个体数目的增加。
群体内各个个体的进一步生长
群体的生长
研究微生物生长的方法
微生物的特点：
个体微小
肉眼看到或接触到的微生物是成千上万个 单个的微生物组成的群体。
微生物接种是群体接种，接种后的生长是微生物群体繁殖生长。 对细菌群体生长规律的了解是对其进行研究与利用的基础
温度(temperature)
l 在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内， 水温上升就会使微生物活动旺盛，就能够提高 反应速度。
l 水温上升还有利于混合、搅拌、沉降等物理过 程，但不利于氧的转移。
l 对于生化过程，一般认为水温在20－30℃时效 果最好，35℃以上和l0℃以下净化效果即降低。
pH值