污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础新

一、微生物的新陈代谢
（二）好氧呼吸
好氧呼吸是在有分子氧（O2）参与的生物氧化，反应的最终受 氢体是分子氧。 异养型微生物 以有机物为底物（电子供体），终点产物为二 氧化碳、氨和水等，同时放出能量。 C6H12O6 + 6O2——6CO2 + 6H2O + 2817.3kJ C11H29O7N + 14O2 + H+——11CO2 + 13H2O + NH4+ + 能量 自养型微生物 以无机物为底物，终点产物也是无机物，同时 放出能量。H2S + 2O2——H2SO4 + 能量
氨化
的作用下，有机N化合物可 以在好氧或厌氧条件下分解转化为氨态氮。
以氨基酸为例：
好氧氨化： RCHNH 2COOH O2 RCOOH CO2 NH3
厌氧氨化： RCHNH 2COOH H2O RCOOH NH3
2.硝化反应
化能自 养型
在 好 氧 条 件 下 ， 将 NH4+ 转 化 为 NO2- 和 NO3-的过程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌 两种菌共同完成的。其反应如下：
由于厌氧生物处理不需另加氧源，故运行费用低。 此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4） 等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长， 处理构筑物容积大等。此外，需维持较高的反应温度， 就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一 般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧处理法。
四、脱N除P基础理论 （一）生物脱氮
11.1 污水生物处理基本原理
一、微生物的新陈代谢 二、废水的好氧生物处理 三、废水的厌氧生物处理
一、微生物的新陈代谢
微生物的新陈代谢
底物或基质（substrate）
新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢
微生物的能量代谢：
根据氧化还原反应最终电子受体的不同，分解 代谢分为发酵和呼吸两种类型。
一、微生物的新陈代谢
➢ 在硝化反应过程中，有H+释放出来，使pH值下降。 硝化菌受pH值的影响很敏感，为了保持适宜的pH 值7～8，应在废水中保持足够的碱度，以调节pH 值的变化。1g氨态氮(以N计)完全硝化，需碱度(以 CaCO3计)7.1g。
3.反硝化作用
污水中的硝态氮NO3-－N和亚硝态氮NO2-－N， 在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的 过程。具体反应如下： 6NO2-＋3CH3OH→ 3N2＋3CO2+3H2O＋6OH－ 6NO3-＋5CH3OH→ 3N2＋7H2O＋5CO2+6OH－
反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在 有氧存在时，它会以O2为电子受体进行 好氧呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在 时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有 机碳为电子供体和营养源进行反硝化反 应。
在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用 于反硝化的有机碳的多少及其可生化程度。
当污水中BOD5／TKN>3～5时，可认为碳源充 足。
➢由于硝化菌是自养菌，若水中BOD5值过高，将有助 于异养菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。
硝化细菌生长影响因子：
➢ 硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用 的进行，泥龄应取大于硝化菌最小世代时间（3～ 10d）两倍以上。
➢ 硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的 溶解氧量最好保持在2mg/L以上。
NH4+ +2O2——NO3－ +2H+ +H2O + 能量
一、微生物的新陈代谢
（三）缺氧呼吸 是指在无分子氧但有化合态氧的情况下，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。 C6H12O6 + 6H2O —— 6 CO2 + 24 H 24 H + 4 NO3- —— 2N2 + 12 H2O 总反应式： C6H12O6 + 4 NO3-——6 CO2 + 6H2O + 2N2 + 1755.6 kJ
（一）发酵
指供氢体和受氢体都是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（中间 产物）。 C6H12O6 —— 2CH3COCOOH + 4H 2 CH3COCOOH —— 2 CO2 + 2CH3CHO 4H + 2CH3CHO —— 2CH3CH2OH 总反应式： C6H12O6 —— 2CH3CH2OH + 2 CO2 + 92.0kJ
二、废水的好氧生物处理
80％
内源 内源代谢产物+能量 代谢 CO2、H2O、NH3
内源代谢残留物
20％
O2 a'QS r b'VX V (P143)
呼吸氧化 CO2、H2O、能量
O2
可生物降解有机物
合成新细胞
剩余污泥排出
O2 内源呼吸
O2
Q(S0 Se) 0.68
1.42XV
(P144)
三、废水的厌氧生物处理
2NH4＋＋3O2→ 2NO2-＋2H2O＋4H＋ 2NO2-＋ O2→2 NO3-
硝化细菌生长影响因子：
➢硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变 化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷 等都会对它产生影响。
➢硝化反应的适宜温度为20℃～30℃。低于15℃时， 反应速度迅速下降，5℃时反应几乎完全停止。
不同的有机碳将导致反硝化速率的不同。碳源 按其来源可分为三类：
①外加碳源，多采用甲醇，因为甲醇被分解后的产 物为CO2，H2O，不产生其它难降解的中间产物， 但其费用较高；
厌氧跟好氧 污泥产率的
差别？
无分子氧及化合态氧 厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统
好氧生物处理与厌氧生物处理的比较：
好氧反应速度较快，反应时间较短，故处理构筑物 容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。目前对中、 低浓度的有机废水，或者说BOD5小于500mg/L的有机 废水，基本采用好氧生物处理。
一、微生物的新陈代谢
三种代谢方式获得的能量水平比较
呼吸方式 受氢体
好氧呼吸 分子氧
缺氧呼吸 无机物
发酵
有机物
化学反应式
C6H12O6 + 6O2-——6CO2 + 6H2O + 2817.3 kJ
C6H12O6 + 4 NO3-——6 CO2 + 6H2O + 2N2 + 1755.6 kJ
C6H12O6 —— 2CH3CH2OH + 2 CO2 + 92.0kJ