污水生物处理理论

1、国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库水处理工程技术水处理工程技术污水生物处理理论苏少林 副教授知识点国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库主要内容主要内容 本知识点主要讲授：本知识点主要讲授： 一、微生物的新陈代谢及规律一、微生物的新陈代谢及规律 二、污染物的降解及可生化性二、污染物的降解及可生化性 三、生化处理方法的分类三、生化处理方法的分类 四、好氧生化处理与厌氧生化处理的区别四、好氧生化处理与厌氧生化处理的区别污

2、水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库一、微生物的新陈代谢及规律污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律1 1、水处理中常见的微生物及分、水处理中常见的微生物及分类类 微生物是指所有形体微小、微生物是指所有形体微小、单细胞的或个体结构较为简单的单细胞的或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞的，必须借多细胞，甚至无细胞的，必须借助光学显微镜或电子显微镜才能助光学显微镜或电子显微镜才能观察到的低等生物的通称。微生观察到的低等生物的通称。微生物类群

3、庞杂、种类繁多，且繁殖物类群庞杂、种类繁多，且繁殖快，易变异，适应能力极强，在快，易变异，适应能力极强，在环境中分布极广。环境中分布极广。 水中常见的微生物非细胞结构微生物病毒界具细胞结构微生物原核微生物原核生物界蓝细菌（蓝藻）细菌真核微生物真 菌 界酵母菌霉菌原生生物界藻类原生动物后生动物污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 细菌是在自然界分布最广、数量最多、与人类关系最密细菌是在自然界分布最广、数量最多、与人类关系最密切的微生物类群之一。其个体微小，种类繁多，对环境的适切的微生物类群之一。其个体微小，种类繁多

4、，对环境的适应性强，增长速度快。根据细菌对营养物质需求的不同，可应性强，增长速度快。根据细菌对营养物质需求的不同，可将其分为自养菌和异养菌两大类。自养菌以将其分为自养菌和异养菌两大类。自养菌以CO2CO2为主要碳源，为主要碳源，利用光能或通过氧化某些无机物释放能量，合成自身细胞物利用光能或通过氧化某些无机物释放能量，合成自身细胞物质。异养菌以有机物作为碳源，并利用分解这些有机物过程质。异养菌以有机物作为碳源，并利用分解这些有机物过程中产生的能量作为能源，合成细胞物质。在污水生物化学处中产生的能量作为能源，合成细胞物质。在污水生物化学处理设施中参与净化作用的微生物主要是异养菌。理设施中参与净化作

5、用的微生物主要是异养菌。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 真菌包括霉菌和酵母菌，与污水生化处理有关的是多细真菌包括霉菌和酵母菌，与污水生化处理有关的是多细胞的霉菌和单细胞的酵母菌。真菌是好氧菌，以有机物为碳胞的霉菌和单细胞的酵母菌。真菌是好氧菌，以有机物为碳源，常出现于低源，常出现于低pHpH值、分子氧较少环境中。值、分子氧较少环境中。 在污水生化处理设施中，真菌的种类和数目一般没有细在污水生化处理设施中，真菌的种类和数目一般没有细菌和原生动物多，其菌丝常能用肉眼看到。在生物滤池的生菌和原生动物多，其菌丝常能

6、用肉眼看到。在生物滤池的生物膜内，真菌形成广大的网状物，具有结合生物膜的作用。物膜内，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，如繁殖了大量霉菌，也会引起污泥膨胀。但在活性污泥中，如繁殖了大量霉菌，也会引起污泥膨胀。但在活性污泥中的酵母菌，具有较强的氧化能力。在活性污泥中的酵母菌，具有较强的氧化能力。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 藻类细胞内含叶绿素及其他辅助色素，能进行光合作用。藻类细胞内含叶绿素及其他辅助色素，能进行光合作用。在有光线照射时，能利用光能吸收在有光线照射时，能利用光能吸收C

7、OCO2 2合成细胞物质，同时合成细胞物质，同时放出放出O O2 2。在夜间无阳光时，则通过呼吸作用取得能量，吸收。在夜间无阳光时，则通过呼吸作用取得能量，吸收O O2 2同时放出同时放出COCO2 2。氮、磷的存在会引起藻类的大量繁殖。氮、磷的存在会引起藻类的大量繁殖。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 原生动物是最原始的、最低等的单细胞动物，个体很小，但却原生动物是最原始的、最低等的单细胞动物，个体很小，但却是一个完整的有机体，它具备了动物所必需的营养、呼吸、排泄是一个完整的有机体，它具备了动物所必需的营养

8、、呼吸、排泄和生殖等机能。在污水生化处理中，原生动物虽不如细菌那样重和生殖等机能。在污水生化处理中，原生动物虽不如细菌那样重要，但原生动物除具有吞食污水中有机物颗粒和游离细菌的能力要，但原生动物除具有吞食污水中有机物颗粒和游离细菌的能力外，还能在一定程度上反映出污水水质和净化处理的效果。在不外，还能在一定程度上反映出污水水质和净化处理的效果。在不同的水质环境中会出现不同种类的原生动物，因此原生动物可作同的水质环境中会出现不同种类的原生动物，因此原生动物可作为指示生物，指示污水水质和净化处理效果。例如，钟虫在水中为指示生物，指示污水水质和净化处理效果。例如，钟虫在水中的溶解氧充足时会大量出现，并

9、且很活跃，而在溶解氧较低是则的溶解氧充足时会大量出现，并且很活跃，而在溶解氧较低是则较少出现，也不活跃或发生虫体变形等现象。较少出现，也不活跃或发生虫体变形等现象。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 后生动物是多细胞动物，在污水生化处理中常见的有轮后生动物是多细胞动物，在污水生化处理中常见的有轮虫和线虫等。轮虫以细菌、小的原生动物及有机颗粒等为食，虫和线虫等。轮虫以细菌、小的原生动物及有机颗粒等为食，对污水有一定的净化作用。轮虫也可以作为指示生物，当活对污水有一定的净化作用。轮虫也可以作为指示生物，当活性污泥中

10、出现轮虫时，往往表明处理效果良好。性污泥中出现轮虫时，往往表明处理效果良好。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律2 2、微生物的代谢、微生物的代谢 在生命细胞中发生的物质化学转变过程称为代谢。在生命细胞中发生的物质化学转变过程称为代谢。代谢是生命活动的基本特征之一，生命活动的任何过程都离代谢是生命活动的基本特征之一，生命活动的任何过程都离不开代谢，代谢一旦停止，生命随之结束。在微生物的代谢不开代谢，代谢一旦停止，生命随之结束。在微生物的代谢过程中，细胞不断从外部环境中摄取生长需要的能源和营养过程中，细胞不断从外部

11、环境中摄取生长需要的能源和营养物质，同时不断将代谢产物（废物）排泄到外部环境中去，物质，同时不断将代谢产物（废物）排泄到外部环境中去，因此代谢又称为新陈代谢。微生物要靠代谢维持其生命活动因此代谢又称为新陈代谢。微生物要靠代谢维持其生命活动诸如生长、繁殖、运动等。代谢被分为两大类，即分解代谢诸如生长、繁殖、运动等。代谢被分为两大类，即分解代谢和合成代谢。和合成代谢。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规

12、律3 3、微生物的生长条件、微生物的生长条件 水的生物化学处理是利用微生物的作用来完成的，微生水的生物化学处理是利用微生物的作用来完成的，微生物的代谢对环境因素有一定的要求。因此，需要给微生物创物的代谢对环境因素有一定的要求。因此，需要给微生物创造适宜生长繁殖的环境条件，使微生物大量生长繁殖，才能造适宜生长繁殖的环境条件，使微生物大量生长繁殖，才能获得良好的污水处理效果。影响微生物生长繁殖的主要因素获得良好的污水处理效果。影响微生物生长繁殖的主要因素有水温、营养物质、有水温、营养物质、pHpH值、溶解氧和有毒物质等。值、溶解氧和有毒物质等。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测

13、与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律4 4、微生物的生长规律、微生物的生长规律 在水的生化处理过程中，微生物是以活性污泥或生物膜在水的生化处理过程中，微生物是以活性污泥或生物膜形式存在的混合群体，可以看作是一种微生物的连续培养过形式存在的混合群体，可以看作是一种微生物的连续培养过程，即不断给微生物补充食物，使微生物数量不断增加。将程，即不断给微生物补充食物，使微生物数量不断增加。将活性污泥微生物在污水中接种，并在温度适宜、溶解氧充足活性污泥微生物在污水中接种，并在温度适宜、溶解氧充足的条件下培养，按时取样计量，即可得出具有一定规律的微的条件下培养，按时取样计量，即可

14、得出具有一定规律的微生物的生长曲线，反映微生物群体在不同培养环境下的生长生物的生长曲线，反映微生物群体在不同培养环境下的生长情况及微生物群体的生长过程。情况及微生物群体的生长过程。 污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生长时期，如下图：长时期，如下图： 活性污泥微生物生长曲线活性污泥微生物生长曲线停滞期：停滞期：污泥污泥驯化培养的最驯化培养的最初阶段，即细初阶段，即细胞内各种酶系胞内各种酶系统的适应期。统的适应期。此时

15、菌体不裂此时菌体不裂殖、菌数不增殖、菌数不增加。加。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生长时期，如下图：长时期，如下图： 活性污泥微生物生长曲线活性污泥微生物生长曲线对数期：对数期：细胞以最快细胞以最快速度进行裂殖，细菌速度进行裂殖，细菌生长速度最大，此时生长速度最大，此时微生物的营养物质丰微生物的营养物质丰富，生物生长繁殖不富，生物生长繁殖不受底物或基质限制。受底物或基质限制。如如A段；在此阶段微段；在此阶段微生物

16、增长的对数值与生物增长的对数值与时间呈直线关系。其时间呈直线关系。其微生物数量大，但个微生物数量大，但个体小，其净化速度快，体小，其净化速度快，但效果较差，只能用但效果较差，只能用于前段处理于前段处理 （相当于（相当于生物一级强化工艺）。生物一级强化工艺）。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生长时期，如下图：长时期，如下图： 活性污泥微生物生长曲线活性污泥微生物生长曲线平衡期，又称减速平衡期，又称减速增殖期：增殖期：

17、由于营养由于营养物质被大量耗消，物质被大量耗消，此时细胞增殖速度此时细胞增殖速度与死亡速度相当。与死亡速度相当。活菌数量多且超于活菌数量多且超于稳定，个体趋于成稳定，个体趋于成熟。熟。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库微生物的新陈代谢及规律微生物的新陈代谢及规律 按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生按微生物生长速度不同，生长曲线可划分为如下四个生长时期，如下图：长时期，如下图： 活性污泥微生物生长曲线活性污泥微生物生长曲线衰亡期：衰亡期：营养物基本耗营养物基本耗尽，微生物只能利用菌尽，微生物只能利用菌体内贮存物质，大多数体内贮存物质，大多数细

18、胞出现自溶现象，细细胞出现自溶现象，细菌死亡多，增殖少，但菌死亡多，增殖少，但细胞个体最大、净化效细胞个体最大、净化效果强（对有机物而言）。果强（对有机物而言）。同时，自养菌比例上升，同时，自养菌比例上升，硝化作用加强。如氧化硝化作用加强。如氧化沟或硝化段（相当于二沟或硝化段（相当于二级半或延时曝气工艺）。级半或延时曝气工艺）。 污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库二、污染物的降解及可生化性污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性1 1、

19、生物化学反应动力学、生物化学反应动力学 在水的生化处理过程中，其生物化学反应是指在环境因在水的生化处理过程中，其生物化学反应是指在环境因素，如水温、溶解氧、素，如水温、溶解氧、pHpH值等都满足要求的条件下，微生物值等都满足要求的条件下，微生物对有机污染物的代谢；微生物本身的增长及微生物对溶解氧对有机污染物的代谢；微生物本身的增长及微生物对溶解氧的利用等生物化学反应。的利用等生物化学反应。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性（1 1）微生物增长速度）微生物增长速度 微生物的增长速度不仅与微生物量有关，而且与基质浓

20、微生物的增长速度不仅与微生物量有关，而且与基质浓度（限制性营养物质浓度）有关。法国学者莫诺（度（限制性营养物质浓度）有关。法国学者莫诺（MonodMonod）在研究微生物生长的大量实验数据的基础上，提出了微生物在研究微生物生长的大量实验数据的基础上，提出了微生物的增长速度与限制性营养物质浓度之间的关系式，即莫诺方的增长速度与限制性营养物质浓度之间的关系式，即莫诺方程式：程式：SKSsmaxSKSsmaxSKSsmax SKSsmaxSKSsmax污水生物处理理论污水生物处理理论SKSsmax国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性莫诺方程式表示的关

21、系如下图所示。莫诺方程式表示的关系如下图所示。 微生物比增长速度与基质浓度的关系微生物比增长速度与基质浓度的关系污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性 当基质浓度当基质浓度S S 较小时，较小时，S SK Ks s，, ,是一级反应，即微生是一级反应，即微生物的增长速度与基质浓度成正比，微生物的增长处于平衡期；物的增长速度与基质浓度成正比，微生物的增长处于平衡期；当基质浓度当基质浓度S S 很大时，很大时，S SK Ks s， maxmax，达到最大，是，达到最大，是零级反应。此时，再增加基质浓度，对微生物的增长也

22、无影零级反应。此时，再增加基质浓度，对微生物的增长也无影响，微生物的增长处于对数期；当响，微生物的增长处于对数期；当S S与与K Ks s相差不大时，反应级相差不大时，反应级数在数在0 01 1之间，是混和级反应，增大基质浓度，微生物增长之间，是混和级反应，增大基质浓度，微生物增长速度加快，但与基质浓度不成正比。速度加快，但与基质浓度不成正比。 在使用莫诺方程式时，在使用莫诺方程式时，S S 项必须是限制微生物增长的营项必须是限制微生物增长的营养物质浓度。在污水生物处理过程中，一般认为有机物是限养物质浓度。在污水生物处理过程中，一般认为有机物是限制微生物增长的营养物质，通常以生化需氧量制微生物

23、增长的营养物质，通常以生化需氧量(BOD)(BOD)或化学需或化学需氧量氧量(COD)(COD)计。计。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性（2 2）基质降解速度）基质降解速度 在微生物的代谢过程中在微生物的代谢过程中, ,一部分基质被降解为低能化一部分基质被降解为低能化 合物，微生合物，微生物从中获得能量，一部分基质用于合成新的细胞物质，使微生物体不断物从中获得能量，一部分基质用于合成新的细胞物质，使微生物体不断增加，因此微生物的增长是基质降解的结果。增加，因此微生物的增长是基质降解的结果。 在微生物代谢过程中

24、，不同的基质用于合成微生物细胞的比例不同，在微生物代谢过程中，不同的基质用于合成微生物细胞的比例不同，但微生物的增长速度与基质的降解速度之间有一定的关系：但微生物的增长速度与基质的降解速度之间有一定的关系： = = Y Yq q 由式（由式（4.2.24.2.2） 定义，一起代入式（定义，一起代入式（5-15-1），），可得：可得： 污水生物处理理论污水生物处理理论maxmaxqY SKSqqsmax国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性（3)3)微生物净增长速度微生物净增长速度 一般在污水的生物化学处理过程中一般在污水的生物化学处理过程中, ,

25、为了获得较好的处为了获得较好的处理效果理效果, ,通常控制微生物的生长处于平衡期或内源呼吸期初通常控制微生物的生长处于平衡期或内源呼吸期初期，这样，在新细胞合成的同时期，这样，在新细胞合成的同时, ,部分微生物也存在内源呼部分微生物也存在内源呼吸而导致微生物细胞物质的减少，使得微生物的净增长量小吸而导致微生物细胞物质的减少，使得微生物的净增长量小于细胞合成量。因此，微生物净增长速度可表达为：于细胞合成量。因此，微生物净增长速度可表达为：污水生物处理理论污水生物处理理论xKdtdSYdtdxdug国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性 式（式（4.

26、2.44.2.4）两边同除以）两边同除以 x x ，得：，得： 在生产实践中，产率系数在生产实践中，产率系数Y Y 常以实测的表观产率系常以实测的表观产率系数数Y Y obs obs代替，代替， 表观产率系数表观产率系数Y Yobsobs没有包括由于内源呼吸没有包括由于内源呼吸作用而减少的那部分微生物质量，所以又称微生物净增长作用而减少的那部分微生物质量，所以又称微生物净增长系数。这样，式（系数。这样，式（4.2.44.2.4）和式（）和式（4.2.54.2.5）可分别改写为：）可分别改写为：污水生物处理理论污水生物处理理论dKYq uobsgdtdSYdtdxqYobs国家职业教育水环境监测

27、与治理专业教学资源库污染物的降解及可生化性污染物的降解及可生化性2 2、污水的可生化性、污水的可生化性 污水的可生化性是指污水中所含的有机污染物在微生物的代谢污水的可生化性是指污水中所含的有机污染物在微生物的代谢作用下改变化学结构，从复杂的大分子物质转变为简单的小分子物作用下改变化学结构，从复杂的大分子物质转变为简单的小分子物质，从而改变化学和物理性能所能达到的生物降解程度。研究有机质，从而改变化学和物理性能所能达到的生物降解程度。研究有机物的可生化性的目的在于了解其分子结构能否在微生物作用下分解物的可生化性的目的在于了解其分子结构能否在微生物作用下分解到环境所允许的结构形态，以及是否有足够快

28、的分解速度。如果污到环境所允许的结构形态，以及是否有足够快的分解速度。如果污水中的有机物不能被微生物降解，生物处理则不能获得良好的效果。水中的有机物不能被微生物降解，生物处理则不能获得良好的效果。因此，评价污水的可生化性是设计污水生化处理工程的前提条件。因此，评价污水的可生化性是设计污水生化处理工程的前提条件。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库三、生化处理方法的分类污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库生化处理方法的分类生化处理方法的分类 从微生物的代谢形式出发，生化处理方法主

29、要从微生物的代谢形式出发，生化处理方法主要可分为好氧生化处理和厌氧生化处理两大类；按照可分为好氧生化处理和厌氧生化处理两大类；按照微生物的生长方式，可分为悬浮生长和固着生长两微生物的生长方式，可分为悬浮生长和固着生长两类，即活性污泥法和生物膜法。此外，按照系统的类，即活性污泥法和生物膜法。此外，按照系统的运行方式，可分为连续式和间歇式；按照主体设备运行方式，可分为连续式和间歇式；按照主体设备的水流状态，可分为推流式和完全混合式等类型。的水流状态，可分为推流式和完全混合式等类型。常用的生化处理方法见下表。常用的生化处理方法见下表。污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教

30、学资源库 常用的生化处理方法常用的生化处理方法 生化处理好氧处理自然条件下水体自净天然水体、氧化塘土壤自净污水灌溉、渗滤等人工条件下悬浮生长活性污泥法及其变法、氧化沟、氧化塘固着生长生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、 好氧生物流化床厌氧处理自然条件下高温堆肥厌氧塘人工条件下悬浮生长厌氧消化池、上流式厌氧污泥床、化粪池等固着生长厌氧滤池、厌氧生物流化床等污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库四、好氧生化处理与厌氧生化处理的区别污水生物处理理论污水生物处理理论国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库好氧生化处理与厌氧生化学处理的区别好氧生化处理与厌氧生化学处理的区别1 1、起作用的微生物群不同、起作用的微生物群不同 好氧生化处理是好氧微生物和兼性厌氧微生物群体起作好氧生化处理是好氧微生物和兼性厌氧微生物群体起作用，而厌氧生化处理先是厌氧产酸菌和兼性厌氧菌作用，然用，而厌氧生化处理先是厌氧产酸菌和兼性厌氧菌作用，然后是