第5章 废水的生物化学处理(第1、2节)

干物质 20％
无机质 10％ 细胞分子式：C5H7O2N(有机部分) 细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷)
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： BOD∶N∶P ＝400 ∶5 ∶1
微生物的营养
(1)水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的成分为 水分。 (2)碳源：碳素含量占细胞干物质的50％左右，碳源主要构 成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运动所需要 的能量，一般污水中含有足够碳源。 (3)氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。 (4)无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素。作 用：构成细胞成分，酶的组成成分,维持酶的活性，调节渗透压， 提供自养型微生物的能源。 磷：核酸、磷脂、ATP转化。硫：蛋白质组成部分，好氧硫 细菌能源。钾：激活酶。钙：稳定细胞壁，激活酶。镁：激活酶， 叶绿素的重要组成部分 (5)生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。
课后思考题：
如何分析废水的可生化性？
反应速度和反应级数
生化反应动力学
生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学 反应。 污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件 去得到希望的反应速度。 生化反应动力学目前的研究内容： (1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因 素等方面的关系； (2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境 因素等方面的关系； (3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历 的途径。
呼吸方式
好氧呼吸
能量利用率42％
受氢体
分子氧
化学反应式
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ
NH 2O NO 2H H2O 310kJ 4 2 3
无氧呼吸 发酵
能量利用率26％
无机物 有机物
C6H12C6+4NO3 - → 6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ
有毒物质
三、微 生 物 的 生 长 环 境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
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2～4mg/L为宜。
有毒物质
三、微 生 物 的 生 长 环 境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
三、微 生 物 的 生 长 环 境
微Baidu Nhomakorabea物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
不同的微生物有不同的pH适应范围。 细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH 适应范围是在4～10之间。 大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH＝ 6.5～7.5）的环境。 废水生物处理过程中应保持最适pH范 围。 当废水的pH变化较大时，应设置调节 池，使进入反应器（如曝气池）的废水， 保持在合适的pH范围。
在污水生物处理过程中，如果条件适宜，活性污泥的增长 过程与纯种单细胞微生物的增殖过程大体相仿。但由于活性污 泥是多种微生物的混合群体, 其生长受废水性质、浓度、水温、 pH、溶解氧等多种环境因素的影响，因此，在处理构筑物中 通常仅出现生长曲线中的某一两个阶段。处于不同阶段时的污 泥，其特性又很大的区别。
三、微 生 物 的 生 长 环 境
微生物的营养 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5℃ ～80℃ 。 此温度范围，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）。 依微生物适应的温度范围，微生物可 以分为中温性（20～45℃ ） 、好热性 （高温性）（45℃以上）和好冷性（低 温性）（20℃以下）三类。 当温度超过最高生长温度时，会使微 生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破 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，进而 处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生 命力。
第五章 废水的生化处理法
利用自然环境中微生物的代谢作用，来氧化分 解水中的有机污染物和某些无机毒物（如氰化物、 硫化物），使之转化为无害的稳定物质，从而使水 得到净化的过程。即利用微生物的生命活动过程来 转化污染物，使之无害化的方法。
操作单元（Operating Units）：活性污泥法、生物 膜法、生物塘法、厌氧生物法等。
2、废水的厌氧生物处理
废水的厌氧生物处理是在没有游
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。在厌氧生物处理过程中，复杂的
有机化合物被降解、转化为简单的化 合物，同时释放能量。
废水的厌氧生物处理
在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH4， 这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S 等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生 质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法， 其污泥增长率小得多。
1、废水的好氧生物处理
废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。
图示表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有1/3被 分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有2/3被转化， 合成为新的原生质（细胞质），即进行微生物自身生长繁殖。
废水的好氧生物处理的特点
好氧生物处理的反应速度较快，所需的反 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。所以，目前对中、 低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于 500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物 处理法。 在废水处理工程中，好氧生物处理法有活 性污泥法和生物膜法两大类。
C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ
问题：在废水的生物处理中如何利用微生物的呼吸类型
二、生化法主要类型
1、废水的好氧生物处理
好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）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。微生物利用废水 中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的 为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高 能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐 级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定 下来，达到无害化的要求，以便返回自然环 境或进一步处置。
B
相 对 耗 氧 速 率
A
C
D
内源代谢 相对耗氧速率
底物浓度
微生物的呼吸类型
微生物的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
根据氧化的底物、氧化产物的不同
按反应过程中的最终受氢体的不同
异养型微生物
自养型微生物
发 酵
无氧呼吸
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。
衰 老 期
当污水中有机物浓度较低，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。处于 衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花， 以滤纸过滤时，滤速快。 注意合成产率系数和观测产率系数。
在废水生物处理中，微生物 是一个混合群体，它们也有一 定的生长规律。有机物多时,以 有机物为食料的细菌占优势,数 量最多；当细菌很多时，出现 以细菌为食料的原生动物;而后 出现以细菌及原生动物为食料 的后生动物，如右图所示。
底物水平磷酸化 氧化磷酸化 ADP磷酸化 光合磷酸化 低能化合物 电子传递磷酸化
ATP
磷酸根 能量
细胞合成
生理需要 热能释放
高能化合物
+
ADP
底物降解
污水中可被微生物通过酶的催化作用而进 行生物化学变化的物质称为底物（或基质）。
区别
可生物降解有机物量：可通过生物的降解转化的有机物量。 可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。
温 度 pH 值
在工业废水中，有时存在着对微生物 具有抑制和杀害作用的化学物质，这类 物质我们称之为有毒物质。 其毒害作用主要表现在细胞的正常结 构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失 去活性。 在废水生物处理时，对这些有毒物质 应严加控制，但毒物浓度的允许范围， 需要具体分析。
溶解氧
有毒物质
第二节 生物化学法概述
废水的生物处理的对象
是污水中可被生物降解的溶解性有机 污染物、部分胶体状有机污染物和少量无 机污染物。
第一节 废水处理中的微生物学基础
第二节 生物化学法概述
第三节 污水的好氧生物处理－－活性污泥法
废 水 生 化 处 理 第四节 污水的好氧生物处理－－生物膜法 第五节 污水的生物塘法 第六节 污水的厌氧生物处理法 第七节 污泥的处理和处置 第八节 水体富营养化及其防治
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。
能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate) AMP+~P→ADP+ ~P →ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。
一、基本原理
食料移动
产物移动
细菌 有机物 溶解性 N、P 胶体状 原生动物 处理出水
增殖微生物
后生动物
提供条件
反应器
分离
复杂物质分解为简单物质
分解代谢 (异化作用)
新陈代谢
释放能量 能量代谢 吸收能量 物质代谢
合成代谢 (同化作用)
简单物质合成为复杂物质
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，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。
废水的可生化性
根据BOD5与CODcr的比值大小判断： B/C>0.45 B/C>0.30 B/C<0.25 B/C<0.2 生化性好 可生化 较难生化 不易生化
根据测定相对耗氧速率判断： 耗氧速率就是单位生物量在单位时间内的耗氧量。 以有废水污染物（底物）浓度为横坐标，以相对 耗氧速率为纵坐标，通过实验获得相对耗氧曲线。
废水厌氧生物处理的特点
• 由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源， 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，出水水质差等。为维 持较高的反应速度，需维持较高的温度，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）可采用厌氧生物处理法。
第一节 废水处理中的微生物学基础
微生物是一类体形微小、结构简单，必须借助显微镜才能看清的生物群体 非 细 胞 形 态 的 微 生 物
病毒（包括噬菌体）
细菌
原核生物 放线菌 蓝藻 藻类 真菌（霉菌、酵母菌）
一 、 微 生 物 的 种 类
细 胞 形 态 的 微 生 物
真核生物
原生动物（鞭毛、纤毛等） 后生动物
对 数 期
当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长 期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游 离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易， 用滤纸过滤时，滤速很慢。
静 止 期
当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止期， 处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时 滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。
三、微 生 物 的 生 长 环 境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素 微生物要求的营养物质必须 包括组成细胞的各种原料和产生 能量的物质，主要有：水、碳素 营养源、氮素营养源、无机盐及 生长因素。
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
微生物的组成
水 80％ 微生物 组成 有机物 90％ C 53.1%,O 28.3%, N 12.4%,H 6.2% P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等
微生物的特点
个体小——比表面积大 吸收多——转化快 生长旺——繁殖快 易变异——适应强
种类多——分布广
二、微生物的生长规律
微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。 按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期 停滞期（调整期） 对数期（生长旺盛期）
静止期（平衡期）
衰老期（衰亡期）
停 滞 期
如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中（营养类型发生变化， 污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停 滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从 衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污 泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。