水污染控制(2)-第二章

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
1.2 微生物的呼吸类型
按照最终电子受体（或最终氢受体）的不 同划分为好氧和厌氧呼吸。 (1). 好氧呼吸 好氧呼吸是在有分子氧（O2)参与的生物 氧化，反应的最终氢受体是分子氧。 好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物 不同，氧化的产物也不同。
④内源呼吸期
内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合 成速率，因此从整体上来说，活性污泥的 量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而 仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质 多是难于降解的细胞壁等； 污泥的无机化程度较高，沉降性能良好， 但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处 理水质良好； 一般不采用这一阶段作为运行工况，但也 有采用，如延时曝气法。
③静止期
F/M值下降到一定水平后，有机底物的浓度
成为微生物增殖的控制因素； 微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正 比，为一级反应； 有机底物的降解速率也开始下降； 微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本 期的最后阶段下降为零，但微生物的量还 在增长；
活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开 始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉 淀性能均较好； 由于残存的有机物浓度较低，出水水质 有较大改善，并且整个系统运行稳定； 一般来说，大多数活性污泥处理厂是将 曝气池的运行工况控制在这一范围内 的。
厌氧消化的四类群理论
同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。 实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。 三阶段、四阶段理论是目前认为的对厌氧生物处理过 程较全面和较准确的描述。
厌氧生物处理过程有机物转化示意图
2.3好氧生物降解与厌氧生物降解的比较
微生物种类: 降解速率: 降解途径: 对氧的要求: 温度要求: 环境条件: 营养物质: 最终产物: 基建费用: 运行费用: 好氧生物降解 厌氧生物降解 好氧微生物(较简) 厌氧微生物(复杂) 快 慢 碳降解 氨降解 碳降解 适当的溶解氧 无溶解氧 常温 常温-中温-高温 适应范围宽 适应范围较窄 100:5:1 200:5:1 H2O CO2 CH4 H2O CO2 较低 较高 较高 较低 回收能源
思考题
1.微生物呼吸作用的本质是什么？ 2.微生物生长曲线一般分为几个阶段？请 论述各个阶段活性污泥特点。 3.请论述厌氧降解过程三阶段四类群理 论。
第三节. 生物处理中的微生物及其特性
3.1生物处理中的重要微生物
非细胞形态的微生物 病毒、噬菌体 细菌 微生物 原核生物 放线菌 蓝藻（蓝细菌） 细胞形态的微生物 酵母菌 真菌 霉菌 真核生物 藻类 原生动物 后生动物
① 细菌
细菌是废水生物处理工程中最主要的微生物； 根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌 氧细菌； 根据能源碳源利用情况的不同：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； 根据生长温度的不同：低温菌(−10ºC‾15 ºC)、 中温菌(15 ºC ‾45 ºC)和高温菌(>45 ºC)
无氧呼吸 发酵
能量利用率26％
发酵
最终电子受体是氧化过程中的中间产物，为 简单的有机物 CO 最终产物：醇、有机酸、 2、CH4 及能量 最终电子受体是 O2
呼吸类型
好氧呼吸
CO 完全氧化（O2 充足时）： 2、H2O 及能量 CO 完全氧化（O2 不充足时）： 2、H2O、有机 最终产物 酸、H2 及能量 22最终电子受体是 NO3 、SO4 、CO3 等含氧酸根 最终产物：CO2、H2O、H2S、N2 及能量
CO2
Synthesis Bacteria
New cells
பைடு நூலகம்
NH4
Energy
NO2- or NO3-
O2 Aerobic, autotrophic
(2). 厌氧呼吸 • 厌氧呼吸是在无分子氧（O2)的情况下进行生 物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧 化酶系统，底物氧化不彻底，最终产物是比原 来底物简单的化合物。 • 按照最终氢受体的不同，分为发酵和无氧呼吸 • 发酵：指供氢体和受氢体都是有机化合物的生 物氧化过程，最终受氢体无需外加，是供氢体 的分解产物。
⑤ . 有毒物质
3.3 微生物的生长规律
（1）微生物生长规律可划分为四个阶段， 分别为停滞期，对数期，静止期和衰老期。
（2）活性污泥的增长规律
• 活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池 内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微 生物增殖的结果则是活性污泥的增长。 • 一般可用活性污泥的增长曲线来描述，分为停 滞期、对数期、静止期和衰老期。 注：1)间歇静态培养；2)底物是一次投加
C6H12O6 + 6H2O 24[H] + 4NO3总反应式： C6H12O6＋ 4NO36CO2 ＋6H2O+2N2 +1755.6KJ 6CO2 + 24[H] 2N2 + 12 H2O
厌氧异养代谢
Nutrient
Synthesis Organic compounds Bacteria Energy
无氧呼吸
第二节. 生物处理过程基本原理
2.1 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、无害化的过程。 特点：反应速率较快，所需时间较短； 处理过程中很少散发臭气 适用于中、低浓度的有机废水或 BOD5 小于500mg/l的有机废水
废水好氧生物处理的基本原理
New cells
CH4 and CO2
Anaerobic, heterotrophic
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。
呼吸方式
好氧呼吸
能量利用率42％
受氢体
分子氧 无机物 有机物
化学反应式
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ C6H12C6+4NO3 - → 6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ
② 真菌
真菌的三个主要特点：1)能在低温和低pH值 的条件生长；2)在生长过程中对氮的要求较 低（是一般细菌的1/2；3)能降解纤维素。 真菌在废水处理中的应用：1)处理某些特殊工 业废水；2)固体废弃物的堆肥处理
③ 原生动物、后生动物
原生动物主要以细菌为食；其种属和数量随 处理出水的水质而变化，可作为指示生 物。后生动物以原生动物为食；也可作为 指示生物。
好氧呼吸分为下面两种： ① 异养型微生物 以有机物为底物，其最终产物为 二氧化碳、氨和水等无机物，同时释放能量
C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3KJ C11O29O7N+14O2+H+ 11CO2+13H2O+NH4++能量
② 自养型微生物 是以无机物为底物（电子供 体），其终点产物为无机物，同时放出能量。
微生物的增长与递变
3.2 生物处理中微生物的生长环境
影响微生物生长的环境因素有： ① 微生物营养 • 微生物的营养物质主要有碳源、氮源、磷硫和微 量元素钾、镁、铁等。 • 碳、氮和磷的比率一般为BOD5:N:P=100:5:1 • 好氧生物处理中BOD5最大为500－1000mg/L,对于 厌氧生物处理一般不存在上限。
第二章 废水生物处理的基本概 念及原理
全向春
本章内容
第一节 微生物的呼吸及代谢 第二节 生物处理过程基本原理 第三节 生物处理中的微生物及其特性
第一节 微生物的呼吸及代谢
1.1 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。 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。
一般情况下： A=1/3 , B=2/3, C=4/5, D=1/5 BODu= (1/3+2/3╳4/5)COD BOD5= 0.68BODu
好氧生物处理过程有机物转化示意图
2.2厌氧生物处理 （1）厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件 下，兼性细菌和厌氧细菌降解和稳定有机物的生 物处理方法。 （2）特点：
无需加氧源，能耗低，运行费用低 剩余污泥量少，可回收能源（CH4) 反应速度较慢，时间长，处理构筑物容积大 适用于有机污泥和高浓度有机废水 （一般BOD5≥2000mg/L)的处理
（3）厌氧消化的三阶段理论 和四类群理论
有机物 I 发酵性细菌
脂肪酸、醇类 II 乙酸 IV 同型产乙酸菌 III 产氢产乙酸菌 H2+CO2
②对数期
F/M值高(>2.2)，所以有机底物非常丰富，营养物质
不是微生物增殖的控制因素； 微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应， 它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制， 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； 此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生 物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较 好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳； 活性污泥的代谢速率极高，需氧量大； 一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的， 如高负荷活性污泥法。
•废水生物处理，以中温细菌为主，最适温度为 20～37℃； •厌氧生物处理中中温性甲烷菌最适温度范围为 25～40℃，高温性为50～60℃，厌氧生物处理 常采用温度为33～38℃和52～57℃。
④ pH • 不同微生物 有不同的pH适应范围。 • 细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH值适应范 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） 环境；氧化硫化杆菌，适宜酸性环境，最适pH 为3，在pH为1.5时亦可生存； • • 酵母菌和霉菌要求在酸性和偏酸性环境中生活， 最适pH为3.0～6.0，适应范围为1.5～10之间。 活性污泥系统适宜pH为6.5～8.5。
H2S + O2 H2SO4+能量 NH4++ 2O2 NO3- +H2O+能量
好氧异养代谢
Nutrient
Synthesis Organic compounds Bacteria Energy
New cells CO2+H2O
O2 Aerobic, heterotrophic
好氧自养代谢
Nutrient
①停滞期
是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机 物污染物的种类等的一个短暂的适应过程； 经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但 发生了一些质的变化：a.菌体体积有所增大；b.酶 系统也已做了相应调整；c.产生了一些适应新环境 的变异,等等。 BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化
产甲烷菌
CH4+CO2 说明：1）I、II、III为三阶段理论， 2）I、II、III、IV为四类群理论；
厌氧消化的三阶段理论
水解、发酵阶段： 发酵型细菌在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解 成可溶性有机物，并将将可溶性大分子有机物转化为 脂肪酸、醇类等； 产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂 肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2； 产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4； 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4 产 自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。
葡萄糖发酵过程
C6H12O6 CH3COCOOH+4[H] 2CH3COCOOH 2CO2+ 2CH3CHO 4[H]+2CH3CHO 2CH3CH2OH 总反应式： C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ
无氧呼吸 :指无机氧化物，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
② 溶解氧 • 好氧生物处理溶解氧一般控制在2～4mg/L.
③ 温度
微生物生长适宜温度
类别 最低 低温微生物 中温微生物 高温微生物 -5～10 5～10 25～45 生长温度/℃ 最适 10～20 20～40 50～60 最高 25～30 45～50 70～80 水中微生物 大多少腐生微生物及所有旁生微生物 土壤、堆肥、温泉微生物 备注