4.1污水生物处理技术基础

一、生物处理方法概述
生物处理法是利用自然环境中微生物（特别 是细菌）来氧化分解废水中的有机物和某些无机 毒物（如氰化物、硫化物），并将其转化为稳定 无害的无机物的一种废水处理方法。
生物处理方法是建立在环境自净作用基础上 的人工强化技术，其意义在于创造出有利于微生 物生长繁殖的良好环境，增强微生物的代谢功能 ，促进微生物的增殖，加速有机物的无机化，增 进污水的净化进程。该方法具有投资少、效果好 、运行费用低等优点，在城市废水和工业废水的 处理中得到最广泛的应用。
3、氨化、硝化、反硝化 污水中脱氮的基本过程首先是有机氮化合物在 氨化菌作用下，分解转化为氨氮，叫做氨化反应 。 硝化是在有氧条件下通过硝化细菌将氨氮转 化为硝酸氮的过程。硝化过程是由自养微生物完 成，分为两步：首先，氨氧化菌利用氧将氨氮转 化为亚硝酸氮；然后，亚硝酸盐氧化菌利用氧将 亚硝酸氮转化为硝酸氮。 反硝化是在缺氧条件下，反硝化细菌将硝酸 氮转化为氮气逸出水面释放到大气，参与自然界 的循环。
1、好氧代谢 在游离氧的条件下，好氧微生物和兼性微生物 将有机物分解为CO2和H2O，同时合成自身细胞物 质并储存能量的过程。 有机物被微生物摄取后，通过好氧代谢活动， 约有三分之一被稳定分解，并提供其生理活动所 需的能量；约有三分之二被转化，合成新的原生 质，进行微生物自身生长繁殖。后者就是污水生 化处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常 称为剩余污泥或腐殖污泥。
微生物生长温度类型 根据微生物的最适生长温度的不同，可将微生物 划为三个类型： 低温型微生物（嗜冷微生物） 中温型微生物（嗜温微生物）
高温型微生物（嗜热微生物）
低温菌 最适生长温度 最低生长温度 最高生长温度 10-20 -10-5 25-30 中温菌 25-30，37-40 10-20，10-20 40-45 高温菌 50-55 25-45 70-80
四、微生物的代谢过程
代谢分成两大类：分解代谢和合成代谢，根据代谢过 程对氧的需求，又分为好氧代谢和厌氧代谢。污水的生物 化学处理就是利用微生物对污染物的代谢作用实现的。 分解代谢：
又叫产能代谢，根据分解过程对氧的需求，可将分解 代谢分为好氧分解代谢和厌氧分解代谢。
合成代谢：
微生物在分解代谢过程中不但产生简单化合物和能量 ，还产生一些列中间产物，接着利用部分中间产物合成自 身细胞物质。
第四章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
市政污水二级处理
污水生物处理技术基础 活性污泥法 生物脱氮除磷技术 膜生物反应器 生物膜法
4.1 污水生物处理技术基础

经一级处理后的城市污水去除了大部分悬浮物 ，污水中含有的胶体和溶解性有机物需要经过二
级处理进行去除。
目前城市污水处理厂的二级处理主要采用生物 处理法，分为活性污泥法和生物膜法。 活性污泥法依靠悬浮生长的微生物进行生物降 解；生物膜法依靠附着生长在载体上的微生物膜 进行生物降解。
好氧代谢特点： 反应速度快，所需反应时间较短，故好氧微 生物处理所用的构筑物容积较小，且处理过程中 散发的臭味较少。目前对中、低浓度的有机废水 基本采用好氧生物处理法。
好氧生物处理过程
合成 (2/3) 合成细胞 内源 物质+氧 代谢 + 微生物 有机物+氧
+微生物 (C, O, H, N, S, P)
2、对数增长期(指数期) 微生物经历了适应期后，已适应了新的培养 环境，此时F/M值通常较高，所以有机底物非常丰 富，营养物质不是微生物增殖控制因素，微生物 的增长速率与基质浓度无关，仅与微生物本身所 特有的世代时间所控制，即只受微生物自身的生 理机能的限制，微生物以最高速率对有机物进行 摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞。 这一时期微生物具有繁殖快、活性大、对基 质分解速度快的特点。
3、pH值对微生物生长的影响 环境pH值对微生物生长的影响 影响膜表面电荷的性质及膜的通透性，进而影响 对物质的吸收能力。 改变酶活、酶促反应的速率及代谢途径：如：酵 母菌在pH4.5-5产乙醇，在 pH6.5以上产甘油、酸。 环境pH值还影响培养基中营养物质的离子化程度，
从而影响营养物质吸收，或有毒物质的毒性。
4、内源呼吸期（衰亡期） 在减速增长期后，培养基中的基质消耗殆尽 ，微生物只能利用体内储存的物质或以死亡的菌 体作为养料，进行内源呼吸，维持生命。在此期 间，由内源代谢造成的菌体细胞死亡速度超过新 细胞的增长速度，使微生物数量急剧减少，生长 曲线呈现明显的下降趋势，内源呼吸期又称衰亡 期。在这个时期有些细菌往往产生芽孢絮凝体， 吸附基质的能力显著，游离细菌被原生动物所捕 食，所以处于内源呼吸期的运行的生化处理系统 ，出水水质好。
生长曲线只是反映了微生物的生长和基质浓 度之间的依赖关系，并且曲线的形状还受供氧情 况、温度、pH、毒物浓度等环境条件的影响。在 污水生化处理过程中，控制基质量和微生物量的 比值F/M使微生物处于不同的生长时期，从而控制 微生物的活性和处理效果。一般讲F/M值控制在较 低范围内，利用平衡期或内源呼吸期的微生物生 长活动，使污水中的有机物稳定化，以取得的较 好处理效果。
酵母菌
霉菌
4、原生动物、后生动物 原生动物是最原始、最低等的单细胞动物， 体积很小，具有吞食污水中有机颗粒和游离细菌 的能力，还能在一定程度上反应污水水质和净化 处理效果。在不同水质环境中出现不同种类的原 生生物。
后生生物是多细胞动物，污水生化处理中常 见的是轮虫和线虫。轮虫以细菌、小的原生动物 及有机颗粒为食，轮虫可以作为指示生物，当活 性污泥中出现轮虫时，往往表明处理效果良好。
厌氧生物处理
合成 有机物+ 微生物 (C, O, H, N, S, P) 微生物 增长 合成 有机酸，醇 CO2, NH3, + 能量 分解 H S等 2 微生物 增长
CH4,CO2, NH3, 分解 H2S + 能量
产酸阶段
产气阶段
厌氧生物处理过程有机物转化示意图
厌氧生物处理优点：运行费用较低，剩余污泥 量少，可回收能源等。 缺点：反应速度较慢，反应时间长，处理构 筑物容积大。为维持较高的反应速度，需维持较 高的反应温度，需要消耗能量。 对于有机污泥和高浓度有机废水可用厌氧生 物法处理。
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二、水处理中的微生物及生态系统
水中常见的微生物： （1）非细胞结构微生物：病毒 （2）具有细胞结构微生物： 原核微生物：原核生物界-蓝藻，细菌 真核微生物： 后生动物：不对称动物、辐射对称动物 真菌界：酵母菌、霉菌 原生生物界：藻类、原生动物
1、细菌 主要包括真细菌和古细菌，是污水处理的最主 要微生物。 分类： 轮廓、形态分：球菌、杆菌、螺旋菌 需氧情况分：好氧细菌、兼性细菌、厌氧细菌 能源利用情况分：光合细菌：光能自养菌、光 能异养菌 非光合细菌：化能自养菌、化能异养菌 生长情况分：低温菌、中温菌、高温菌
3、平衡期（静止期） 随着微生物的大量繁殖与有机底物的不断减 少， F/M值不断下降，并逐渐成为微生物增长的 控制因素，有机底物的降解速率下降，微生物的 增长速率与残存的有机底物成正比例关系，为一 级反应关系。微生物的增长速率逐渐下降，在后 期，微生物的衰亡与增值互相抵消，微生物数量 趋于稳定，所以又称减速增长期或稳定期。 在减速增长期，营养物质不再丰富，能量水 平低下，微生物絮凝体开始形成，凝聚、吸附及 沉淀性能良好，易于泥水分离，废水中有机物已 基本去除，出水水质较好。
细菌最基本的形态
球状 杆状
螺旋状
肉足类：可以任意改变形状 原 生 动 物
鞭毛类：有一根或多根鞭毛
纤毛类：分为自由游泳型和固着型
2、真菌 包括霉菌和酵母菌，在生物滤池的生物膜中， 真菌形成广大的网状物，具有结合生物膜的作用 ，在活性污泥中，真菌菌丝形成的丝状体对活性 污泥凝聚起骨架作用。 真菌在废水生物处理中具有三个方面的特点： （1）能在低温和低pH的条件下生长 （2）生长过程中对氮的要求较低 （3）能降解纤维素 3、藻类 自养型生物，能进行光合作用。绿藻、蓝藻 、硅藻等
4、生物除磷
（1）除磷菌的过量摄取磷 好氧条件下，除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮 存的聚b-羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄 取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝 大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体 内。
（2）除磷菌的磷释放 在厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷酸 盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄入 细胞内，以聚b-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存 于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸 排出体外。 （3）富磷污泥的排放 在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧条件下所 释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除磷菌的 这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到除磷 的目的。
(CO2, H2O, NH3) 内源代谢产物 +能量 ~80% 内源代谢产 物残留物 ~20%
分解 (1/3)
CO2, H2O, NH3, SO42-, P43- + 能量
热
好氧生物处理过程有机物转化示意图
2、厌氧代谢 是厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件 下，将复杂的有机物分解成简单的有机物和无机 物，再被产甲烷菌进一步转化为甲烷和CO2 ，同 时合成微生物自身细胞物质并储存能量的过程。 在微生物的厌氧代谢中，有机物的转化分为 三部分：一部分转化为CH4 ，作为能源物质，可 回收利用；一部分被分解为CO2、NH3、H2S、H2O等 无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被 转化、合成新的原生质的组成部分。
要求BOD5（C）：N：P=200:5: 1。
2、温度对微生物生长的影响
温度是影响微生物生长的最重要因素之一。 具体表现在：
影响酶活性，温度变化影响酶促反应速率， 最终影响细胞合成。
影响细胞膜的流动性，温度高，流动性大， 有利于物质的运输，温度低，流动性降低，不利 于物质运输，因此，温度变化影响营养物质的吸 收与代谢产物的分泌。 影响物质的溶解度，对生长有影响。
源自文库虫：
线虫：
5、古细菌 是单细胞微生物，属于原核生物，它们与细 菌有很多相似之处，即它们没有细胞核与任何其 他膜结合细胞器，同时另一些特征相似于真核生 物。 按照古菌的生活习性和生理特性，古菌可分为 三大类型：产甲烷菌、嗜热嗜酸菌、极端嗜盐菌 。
三、微生物的生产条件和生长规律 （一）微生物的生长条件 影响微生物生长的因素：营养物质、水温、 pH，溶解氧和有毒物质。 1、营养物质 不同微生物对营养物质的要求不同，好氧微 生物要求BOD5（C）：N：P=100:5:1，厌氧微生物
（二）微生物群体生长规律 按照微生物生长速度不同，生长曲线可划分为 四个生长时期：适应期（停滞期）、对数增长期 （指数期）、平衡期（静止器）、内源呼吸期（ 衰亡）。控制微生物群体增长的决定因素是废水 中的可降解有机物量（F）和微生物的量（M）之 间的比值即F/M。
1、适应期（停滞期） 是微生物培养的最初阶段，由于微生物进入 新鲜培养基，对新的环境还处在适应阶段，所以 此时期微生物从数量上可能没有增殖，但发生了 一些质的变化： （1）菌体体积有所增大； （2）酶系统业做了相应调整； （3）产生了一些适应新环境的变异。该时期 一般在活性污泥的培养驯化或处理水质突然发生 变化后出现。
4、溶解氧
微生物对氧的需要和耐受力在不同的类群中变化很大， 根据微生物与氧的关系,可把它们分为几种类群:
专性好氧菌: 好氧菌 微 生 物
微好氧菌：
兼性厌氧菌 耐氧厌氧菌：
厌氧菌
(专性)厌氧菌：
5、有毒物质 对微生物有害的有毒物质都会影响污水的生 化处理，如重金属离子、H2S，氰化物、酚类等。 毒物对微生物的影响主要是破坏细胞结构，从而 损坏菌体内酶，使酶失去活性。