1、2021/8/51第十一章 废水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础2021/8/52第一节 概述2021/8/53污水生物处理是利用自然界中广泛分布的个体微小、代谢营养类型多样、适应能力强的微生物的新陈代谢作用，对污水进行净化的处理方法。2021/8/54污水生物处理技术n好氧生物处理 是指在水中存在溶解氧的条件下（即水中存在 分子氧）进行的生物处理过程。n缺氧生物处理 是指在水中无分子氧存在，但存在如硝酸盐等 化合态氧存在的条件下进行的生物处理过程。n厌氧生物处理 是指在水中既无分子氧又无化合态氧存在的条 件下进行的生物处理过程。2021/8/55第二节 污水生物处理基本原理2021/
2、8/56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。2021/8/57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。可生物降解有机物量：可通过生物的降解转化的量。可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。新陈代谢合成代谢(同化作用)分解代谢(异化作用)复杂物质分解为简单物质简单物质合成为复杂物质吸收能量释放能量能量代谢物质代谢20
3、21/8/58能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate)AMP+PADP+P ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。低能化合物高能化合物ATP能量生理需要细胞合成热能释放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+2021/8/59指微生物将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生不同的代谢产物。在发酵条件下有机物只是部分地氧化，因此只释放出一小部分能量。例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：4HCOCOOH2CHOHC36126CHO2CH2COCOCOOH2CH323OHCH2C
4、HCHO2CH4H23392.0kJ2COOHCH2CHOHC2236126发酵与呼吸发酵2021/8/510呼吸一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命。n 呼吸作用的生物现象：呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他生命活 动，多余的能量以热量形式释放。通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物质。呼 吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。2021/8/511呼吸类型微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能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 自养型微生物 无氧呼吸异养型微生物发酵根据受氢体的不同分为根据受氢体的不同分为2021/8/512好氧呼吸
5、是营养物质进入好氧微生物细胞后，通过一系列 氧化还原反应获得能量的过程。有分子氧参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。底物中的氢被脱氢酶活化，并从底物中脱出交给辅酶（递 氢体），同时放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活 游离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这 个过程中，同时放出能量。依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产 物也不同。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物 呼吸两种。HNAD(P)HNAD(P)H2H2 好氧呼吸 2021/8/513n异养型微生物异养型微生物以有机物
6、为底物(电子供体)，其终点产物为 二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。如下式所示：异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微 生物。光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原 CO2，合成有机物的一类厌氧微生物。有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14ONOHC4222729112021/8/514n自养型微生物自养型微生物以无机物为底物（电子供体），其终点产物也 是无机物，同时放出能量。自异氧微生物也
7、可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合 作用色素合成有机物。化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光 合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机 物。CO2+H2O CH2OO2光叶绿素能量SOH2OSH4222能量OH2HNO2ONH2324大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应生物脱氮工艺中的生物硝化过程2021/8/515n 某些厌氧和兼性微生物在无分子氧的条件下进行的缺氧呼 吸，缺氧呼吸的最终电子受体是NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等含氧化合物。n 缺氧呼也需要细胞色素等电子传
8、递体，并能在能量分级释 放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生 命活动。但由于部分能量随电子传递给最终电子受体，故 生成的能量少于好氧呼吸。n 如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能 量的可燃气体。缺氧呼吸 2021/8/516 好氧呼吸、缺氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸能量利用率42分子氧C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ缺氧呼吸化合态氧C6H12C6+4NO3-6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ发酵能量利用率26有机物C6H12C6 2CO2+2CH3CH2OH+92.0
9、kJ2021/8/517n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n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。好氧生物处理2021/8/518n好氧生物处理
10、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。n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。好氧生物处理2021/8/519n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。n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。好氧生物处理2021/
11、8/520n废水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。n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。厌氧生物处理2021/8/521n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
12、回收能量（CH4）等优 点。n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。为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，就要 消耗能源。n对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD52000mg/L）可采用厌氧生物处理法。厌氧生物处理2021/8/522n氨化反应 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程 以氨基酸为例，加氧脱氨基反应式为：RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3 水解脱氨基反应式为：RCHNH2COOH+H2O RCHOHCOOH+NH3 n硝化反应 在亚硝化菌和硝化菌的作用下，将氨态氮转化为亚硝酸盐 和硝酸盐的过程 NH42O2 NO3 2H H2O脱氮除
13、磷基础理论生物脱氮2021/8/523n反硝化反应 在缺氧条件下，NO2和 NO3在反硝化菌的作用下被还原 为氮气的过程。NO3 NO2 NO N2O N2 大多数反硝化细菌是异氧型兼性厌氧细菌，在污泥和污水 中，很多细菌均能进行反硝化作用。n同化作用 生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同 化成微生物细胞的组成成分，并以剩余活性污泥的形式得以 从污水中去除的过程。硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶2021/8/524n其基本原理是在厌氧好氧或厌氧缺氧交替进行的系统 中，利用聚磷微生物具有厌氧释磷及好氧（或缺氧）超量 吸磷的特性，使好氧或缺氧段中混合液磷的浓度大
14、量降低，最终通过排放含有大量富磷污泥而达到从污水去磷的目的。n生物除磷的机理还不完全清楚。生物除磷2021/8/525第三节 微生物的生长规律和生长环境2021/8/526微生物的组成微生物组成水80干物质20无机质10有机物90C 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%等细胞分子式：C5H7O2N(有机部分)细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷)一般估算营养比例：BOD N P 100 5 12021/8/527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
15、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）2021/8/528n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。n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
16、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。2021/8/529n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。n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。2021/8/530 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
17、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。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。2021/8/531 微 生 物 的 生 长 环 境 影响微生物生长的环境因素微生物的营养 温 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 质 2021/8/532必须包括组成细胞的各种原料和产
18、生能量的物质n 水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的成分为 水分。水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的 成分为水分。n 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。n 氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。n 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n 生长因
19、素：氨基酸、蛋白质、维生素等。微生物的营养2021/8/533n各类微生物所生长的温度范围不同，约为 5-80。n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）。n依微生物适应的温度范围，微生物可以分 为中温性（2045）、好热性（高温 性）（45以上）和好冷性（低温性）（20以下）三类。n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。n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。温 度 2021/8/534n不同的微生物有不同的pH适应范围。n细菌、放线菌、藻
20、类和原生动物的 pH适应范围是在410之间。n大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH 6.57.5）的环境。n废水生物处理过程中应保持最适pH 范围。n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。pH 2021/8/535n溶解氧是影响生物处理效果 的重要因素。n好氧微生物处理的溶解氧一 般以24mg/L为宜。溶解氧 2021/8/536n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。n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。n在废水生物处理时，对这些有 毒物质应
21、严加控制，但毒物浓 度的允许范围，需要具体分析。有毒物质 2021/8/537第四节 反应速度和反应级数2021/8/538n 生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。n 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。n 生化反应动力学目前的研究内容：底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；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；反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。生化反应动力学 2021/8/539n在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最 终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以 单位时间里底物的减少或
22、细胞的增加来表示生化反应速度。n图中的生化反应可以用下式表示：即 式中：反应系数 又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。n该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废 水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。反 应 速 度 tytdXd1dSd SdXdyPXSzy tytdSddXd及2021/8/540n实验表明反应速度与一种反应物A的浓度A成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。n实验表明反应速度与二种反应物A、B的浓度A、B成正比时，或与一种反应物A的浓度A的平方A2成正比时，称这种反应为二级反应。n实验表明反应速度与AB2成正比时，称这种反应为三级反应；也
23、可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。n在生化反应过程中，底物的降解速度和反应器中的底物浓度有关。一般地：aA+bB gG+hH如果测得反应速度：vdcA/dt=kcAa cBba+b=n,n为反应级数。反 应 级 数 2021/8/541设生化反应方程式为：现底物浓度S以S表示，则生化反应速度：式中：k反应速度常数，随温度而异；n反应级数。上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数n。PXSzyknvlgSlglgntvSdSdnktvSdSd或lgvlgS2021/8/542反应速度不受反应物浓度的影响时，称这种反应为零级反应。在温度不变的情况下，零级反应的反应速度是常
24、数。对反应物A而言，零级反应：式中：v反应速度；t反应时间；k反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。ktkvddA，ktA0A2021/8/543反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为一级反应。对反应物A而言，一级反应：式中：v 反应速度；t 反应时间；k反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。AAddktkvA，tk3.2lglgA0A2021/8/544反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级反应
25、。对反应物A而言，二级反应：式中：v反应速度；t 反应时间；k反应速度常数,受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。2A2AddktkvA，ktA0A112021/8/545第五节 微生物生长动力学 2021/8/546一、微生物群体的增长速率dX/dt=X式中：式中：dX/dt 微生物群体增长速率；微生物群体增长速率；比例常数，即比增长速率；X现有微生物群体浓度。2021/8/547 微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系。当前公认的是莫诺特方程式：式中：
26、S限制微生物增长的底物浓度，mg/L；微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度;max 的最大值，底物浓度很大，不再影响微 生物的增长速度时的值；KS饱和常数。sssmaxkSS2021/8/5481/1/KS1/maxKS/max1/S2021/8/549二、底物利用速率dS/dt=rX式中：式中：dS/dt 底物利用速率；底物利用速率；r比例常数，即比底物利用速率；X现存微生物群体浓度。2021/8/550 微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系。当前公认的是莫诺特方程式：式中：S底物浓度；rmax 最大比底物利用速率，即单位微生物量利用 底物的最大速率；KS饱和常数，即 r rmax/2时的底物浓度，也称半 速率常数。sssmaxkSSrr2021/8/551vmaxn=00n1n=1KS底物浓度底物浓度S1/2 vmax酶酶反反应应速速度度v2021/8/552三、微生物增长与有机底物降解对于异氧微生物来说，底物既可起营养源作用，又可起能源作用。关于这些微生物，有必要区分底物中的两个部分，一是底物中用于合成的部分（即为微生物增长提供结构物质），二是底物中用于提供能量的部分，这一部分随即被氧化，以便为所有的细胞功能提供能量。
