第二章 污水生物处理基本概念（4学时）

1、第2模块：画龙点睛之笔，建立生物处理基本概念和理论体系第2章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础微生物的代谢与呼吸污水生物处理基本原理降解有机物生物脱氮除磷基本原理代谢呼吸分解代谢合成代谢ATP与ADP相互转化的能量循环好氧呼吸缺氧呼吸发酵完全厌氧好氧生物处理厌氧生物处理缺氧生物处理生物脱氮同化脱氮氨化硝化反硝化生物除磷同化除磷厌氧放磷好氧吸磷微生物生长规律和生长环境生长阶段延迟期对数增长期减数增长期内源呼吸期原生动物对水质的指示作用微生物生长环境及影响因素营养物质温度pH溶解氧有毒物质微生物生长动力学米门方程式莫诺特方程式高底物浓度低底物浓度在完全混合曝气池中的应用劳-麦方程式劳-麦

2、第一方程式劳-麦第二方程式劳-麦方程式推论第二章 废水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础第一节 概述第二节 微生物的代谢与呼吸第三节 污水生物处理的基本原理第四节 生物脱氮除磷原理第五节 微生物的生长规律和生长环境第六节 微生物生长动力学基础第一节 概 述 污水生物处理法是建立在环境自净作用基础上的人工强化技术，通过调节生化环境，优化反应器构型及必要的预处理手段，发挥微生物的降解作用而实现污染控制。具有百余年发展历史。具有高效、低耗、产能等优点，运行费用低，广泛应用于大规模水处理工艺中。污水生物处理技术的起源1881年，法国发明了Moris池是最早的废水处理生物反应器。封闭厌氧型。189

3、3年 在英国首先应用了生物滤池。1914年 英国又首先采用活性污泥法处理废水（曝气好氧）。此后的半个多世纪，好氧生物处理成为稳定废水中有机物的核心工艺；而厌氧处理长期以来用于污泥稳定。工艺应用现状 美国：18000座废水处理厂，84%为二级生物处理；英国：3000座均为二级生物处理装置；日本：703座城市、2000座村镇污水处理厂中99%为生物处理工艺；瑞典：1540座污水处理厂，91%为生物处理工艺。废水生物处理技术的发展历程早期发明阶段（1881年-1915年）；普及阶段（1915年-1960年）；活性污泥法阶段曝气法、完全混合曝气法、延时曝气法等；生物滤池高负荷生物滤池、生物转盘、生物接

4、触氧化法等；厌氧消化 两级消化池、两相消化等；发展阶段（1961年-现在）：好氧生物处理： 氧化沟、A-B法、SBR、深井曝气、流化床、MBR等；（微生物基础应用研究）厌氧生物处理： 进步显著，厌氧接触法、厌氧生物滤池、UASB等；好氧-厌氧联合工艺的开发 水解酸化-好氧处理（A/O）；脱氮除磷；A1-A2-O丰富完善了自然生物净化系统污水生物处理的优势是由微生物及其生长特性所决定的。微生物有什么特性？如何体现到污水处理中？微生物对污染物降解的巨大潜力个体微小、比表面积大、代谢速率快 较大的酵母菌，一般为椭圆形，宽1-5um,长5-30um。比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表面积约为人的30

5、万倍，为营养物的吸收与代谢产物的排泄奠定了基础；代谢速度快：发酵乳糖的细菌在1h内可分解其自重的100010000倍；假丝酵母（Candida utilis）合成蛋白质能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍。种类繁多、分布广泛、代谢类型多样W. B. Whitman (U. Of Georgia)细菌普查，地球上存在51030个细菌, 非常活跃的群体在海、陆、空等一般环境和极端环境中的极端环境微生物；Pseudomonas cepacia：能降解90种以上有机物，甲基汞、有毒氰、酚类化合物等都能被微生物作为营养物质分解利用繁殖快、易变异、适应性强大肠杆菌在条件适宜时17min就分裂一次；有

6、一种假单胞细菌在不到10min就分裂一次；低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下可以快速适应；对于进入环境中的“陌生”污染物，如PPCPs，微生物可通过突变而改变原来的代谢类型而降解之。抗药性微生物？发展前景与存在问题废水生物处理技术经历了百余年的发展和应用，发挥了巨大的作用，取得了很大的进步。然而，由于工业和城市的飞速发展，在世界范围内，特别是发展中国家，水污染至今还没有得到有效控制。污水处理技术离尽善尽美还相差很远。主要缺点：生化环境不够理想、微生物数量不够多、反应速率尚低、处理设施的基建投资和运行费用较高、运行不够稳定、难降解有机物处理效果差等。效果不稳定，有毒难降解工业废水处理效果

7、差。前洲污水处理厂工业废水毒性大北国污水处理厂正常情况从可持续发展的战略观点来衡量： 废水生物处理还有消耗大量有机碳、剩余污泥量大、释放较多二氧化碳等缺点。与现代科技结合 利用微生物的无穷潜力、反应设备的发展及材料等相关学科技术的进步，与其他工艺相交叉，利用协同作用。污水生物处理工艺必将取得更大的发展，发挥更大的作用。 例：污水处理+（纳米）零价铁 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。但总体分两类过程：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

8、分，机体制造自身。微生物的代谢第二节 微生物的代谢与呼吸 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分解代谢（异化作用）是降解有机物的途径；合成代谢是转化有机物的途径具体在污水处理中：污水中有机物CO2+H2OC5H7NO2分解代谢合成代谢能量循环：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。高能化合物低能化合物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+

9、三磷酸腺苷 （ATP）：细胞内能量的“分子货币”，储存和传递化学能，蛋白质、脂肪、糖和核苷酸的合成都需它参与。 有机底物的分解代谢是通过发酵和呼吸作用完成的微生物的呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+（辅酶）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黄素单核苷酸）等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放能量的过程。以分子氧为电子最终电子受体的称为好氧呼吸，以氧化型化合物为最终电子受体的称为缺氧呼吸。微生物的发酵与呼吸发酵 微生物将有机物氧化的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。

10、 供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。 这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：发酵与厌氧呼吸的区别：（1）发酵是将电子直接传递给底物降解的中间产物；（2）呼吸是将电子交给电子传递系统，并逐步释放出能量后再交给最终电子受体；（3）按三阶段理论是是厌氧的第一阶段（2-6）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好氧呼吸根据氧化

11、的底物、氧化产物的不同 自养型微生物 异养型微生物根据受氢体（或电子受体）的不同分为缺氧呼吸以无机氧化物为电子受体好氧呼吸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， 反应的最终受氢体或电子受体是分子氧。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

12、养型微生物呼吸两种 。 好 氧 呼 吸 （2-1)还原型辅酶还原型辅酶1.异养型微生物呼吸 异养型微生物以有机物为底物（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： 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。（2-2）（2-3）2.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。 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（2-4）（2-5） 是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生

13、物氧化作用。 在反硝化作用中，受氢体为NO3-，可用下式所示：总反应式： 在缺氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故缺氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。（2-7）（2-8）（2-9）缺 氧 呼 吸 发酵与完全厌氧1.发酵 微生物将有机物氧化的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。 供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。 这种生物氧化

14、作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：发酵与厌氧呼吸的区别：（1）发酵是将电子直接传递给底物降解的中间产物；（2）厌氧是将电子交给电子传递系统，并逐步释放出能量后再交给最终电子受体；（3）按三阶段理论是是厌氧的第一阶段（2-6）2.完全厌氧厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物，使其还

15、原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。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。发酵与完全厌氧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缺氧呼吸无机物C6H12C6+4NO3 - 6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ发酵能量利用率26有机物C6H12C6 2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ完全厌氧有机物产生的能量仅为好氧的1/201/30生化反应中获得能量水平

16、能量利用率低，适用于高浓度可生化性好，易于降解的污废水湖北襄阳正大农牧食品有限公司肖刘2400种猪场粪便污水处理工程猪场粪便污水厌氧沼气池沼液池混凝沉淀缺氧好氧沉淀反硝化生物滤池硝化生物滤池消毒气浮出水处理水量200 m3/d厌氧沼气池晒渣场沼气发电机组沼气沼渣问题： （1）废水达标难度大；氨氮、COD 、磷； （2）沼液含营养成分高，但还田做肥料资源化需考虑运费成本；还需考虑重金属问题； （3 ）沼气发电机组投资成本高。污水生物处理分类分类依据：生化环境：好氧（DO2mg/L）缺氧（ DO0.5mg/L） 厌氧（理论上DO=0.0mg/L,实际DO0.2mg/L ）反应器构型：悬浮型、附着型

17、和混合型依据微生物在反应器中的生长方式第三节 污水生物处理的基本原理生化环境对生化效果的重要影响生化环境处理效果污染物代谢途径微生物生态选择依据微生物种类及其代谢类型不同；微生物生态系统不同：好氧处理能够支撑完整的食物链；缺氧受到限制，而厌氧最受限制，只是细菌占主导地位对微生物群落生态的影响影响污染物的降解途径苯酚的生物降解三羧酸循环需氧有机体获取能量萘微生物降解随时间的变化RO（ CH2-CH2-O-）nHNPnEORO（ CH2-CH2-O-）n-1HNP（n-1）EORO CH2-CH2-O-CH2-COOHNP2EORO CH2-COOHNP1ECRCHRO （CH2-CH2-O-）2

18、HNP2ECRO CH2-CH2-OHNP1EO好氧厌氧 厌氧厌氧NPEOs中乙氧基部分好氧、厌氧组合降解途径在工业废水中，生化环境尤为重要；有些降解之能够以厌氧方式，或者相反。例如：望春花印染厂废水处理改造工程中，印染废水直接好氧效果不好，但改为水解酸化后效果好。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（碳源）进行好氧代谢。废水的好氧生物处理代谢CO2、H2O、NH3、SO42-、PO43-合成细胞物质（C5H7NO2） 有机物通过好氧代谢活动，约有1/3被分解、稳定，并提供其

19、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。有机物+O2+微生物（C、O、H、N、S、P）合成分解内源内源代谢产物CO2、H2O、NH3内源代谢残留物约80%约20%+能量+能量热2/31/3分解代谢：微生物对一部分有机物进行氧化分解，最终形成CO2、H2O等稳定的无机物，从中获取合成新细胞物质的能量：合成代谢：另一部分有机物被微生物用于合成新细胞，所需能量取自分解代谢：式中：CxHyOz有机污染物。式中：C5H7NO2微生物细胞组织的化学式。内源代谢：在曝气池末端，微生物对其自身的细胞物质进行内源代谢反应：酶酶酶可推算出降解单位质量有机物CxH

20、yOz所需的O2进而推算出单位质量有机物CxHyOz的COD数值（2-10）（2-11）（2-12）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（除难降解废水以外）。处理效果好，A-O。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。组合预处理，适应能力强（有毒废水）。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。废水的好氧生物处理优点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

21、，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。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，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，其污泥增长率小得多。厌氧生物处理的阶段性有机酸、醇、CO2微生物生长有机物+微生物（C、O、H、N、S、P）合成分解+能量分解合成微生物生长CH4、CO2、NH3、H2S+能量产酸阶段产甲烷阶段两阶段理论：厌氧生物处理的阶段性有机酸、醇、CO2微生物生长有机物+微生物（C、O、H、N、S、P）合成分解+能量分解合成微生物生长CH4、CO2、N

22、H3、H2S+能量水解发酵产甲烷阶段三阶段理论：增加水解与发酵阶段，发展成为三阶段理论；理论基础：长链脂肪酸和醇类必须转化为乙酸、H2和CO2等后，才能被甲烷菌利用。H2/CO2乙酸产氢产乙酸厌氧生物处理的反应式产甲烷阶段最后产生的CH4、CO2与NH3等的反应方程式为：当的d=0时，为不含氮有机物的厌氧反应通式（Buswell和Mueller）通式：根据上述公式可计算出有机物厌氧反应产生的CO2和CH4质量和体积。以分解1kg丙酸为例：则标准条件下，分解1kg丙酸产生的CO2和CH4体积：注：22.4是在标准条件下，1mol气体所占的体积。分解1kg丙酸产生的CO2和CH4质量：（2-13）

23、（2-14）（2-15）厌氧生物处理的优缺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；它还具有剩余污泥量少；可回收（CH4）等能源； 其主要缺点是与其优点对立统一的矛盾的两个方面：（1）反应速度和启动较慢（需形成颗粒污泥），反应时间较长，处理构筑物容积大；（2）为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，就要消耗能源。产臭气、处理效果较差。厌氧颗粒污泥水解酸化工艺印染、化工废水处理中常用水解酸化工艺水解酸化工艺根据产甲烷菌与水解产酸菌生长速度不同（不同温度），将厌氧处理控制在反应时间较短的厌氧处理第一和第二阶段。即在大量水解细菌、酸化菌作用下将不溶性有机物水解为溶解性有机物，将难生物降解

24、的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质的过程，从而改善废水的可生化性，为后续处理奠定良好基础。印染废水混凝沉淀水解酸化好氧二沉池出水水解池好氧池缺氧生物处理创造缺氧呼吸条件创造脱氮反硝化的条件2学时第四节 生物脱氮除磷基本原理 十二五期间，我国城镇污水处理厂直接排放标准普遍提高至一级A或一级B标准。城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）指标一级标准（mg/L）A标准B标准化学需氧量（COD）5060生化需氧量（BOD5）1020总氮（以N计）1520氨氮（以N计）5（8）8（15）总磷0.51污水综合排放标准（GB8978-1996）指标一级标准（mg/L）化学需氧量（CO

25、D）100生化需氧量（BOD5）20总氮（以N计）无 氨氮（以N计）15总磷0.5主要污染物指标纺织印染企业废水排放纺织印染工业园废水排放纺织染整工业水污染物排放标准（GB4287-92）纺织染整工业水污染物排放标准（GB4287-2012）城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）纺织染整新建企业纺织染整新建企业水污染物特别排放限值一级二级三级一级二级三级直接排放间接排放直接排放间接排放ABCOD（mg/L）1001805008020060805060100120BOD5（mg/L）25403002050152010203060氨氮（mg/L）152510（15）20（30）8

26、105（8）8（15）25（30）总氮（mg/L）15（25）30（50）12151520总磷（mg/L）0.51.50.50.50.5135可吸附有机卤素（AOX）（mg/L）1212881.0硫化物（mg/L）1.01.02.00.50.5不得检出不得检出1.0苯胺类（mg/L）1.02.05.0不得检出不得检出不得检出不得检出六价铬（mg/L）0.50.50.5不得检出不得检出不得检出不得检出0.05（注：、：括号内数值为蜡染行业执行限值；、：括号内数值为水温120C时控制指标）纺织染整工业水污染排放标准发展、演变一、生物脱氮细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷) 或C118H

27、170O51N17P细胞分子式：C5H7O2N(不考虑磷)氨化 有机氮 （蛋白质、尿素） 细菌分解和水解 氨 氮 同化 有机氮 有机氮 （NH3-N） （细菌细胞） （净增长） O2 硝化 自溶和自身氧化 亚硝态氮 短程反硝化 （NO2-） O2 有机碳 硝化 硝态氮 反硝化 氮气 （NO3-） （N2） 有机碳 同化作用去除一部分氮，剩余氮则必须通过生物硝化反硝化去除一、生物脱氮同步硝化反硝化：异氧硝化菌、好氧反硝化菌；微环境理论（控制溶解氧）。由于溶解氧的扩散作用受到限制, 从而在微生物絮体内产生了一个溶解氧梯度。生物絮体的外表面溶解氧浓度比较高, 以硝化菌和好氧菌为主, 而自养型硝化细菌

28、利用氧气进行着硝化反应; 在深入絮体内部以后, 由于氧的传递受阻, 以及外部氧的消耗如有机物氧化和硝化作用的消耗, 继而产生缺氧区, 这时反硝化菌就占居优势, 反硝化菌利用NO3-为电子受体, 发生反硝化作用, 也就是系统缺氧微环境的存在导致了反硝化作用的发生 。一、生物脱氮NH4+ NO2- N2 + 2 H2O厌氧氨氧化：2002年，历经三年半的调试，荷兰鹿特丹建成的世界上第一座生产性质的，完全厌氧氨氧化污水处理反应器才最终达到稳定运行状态，用于厌氧消化池上清液脱氮；目前中国已开始在低氨氮城市生活污水处理中研究和实践。脱氮不需有机物，污水中的有机物可以最大程度地用于厌氧发酵产生能源物质甲烷

29、，实现污水中的能量回收；厌氧氨氧化脱氮过程不需溶解氧，只是在氨氮转化为亚硝态氮过程中需要溶解氧，使耗氧量降低60% 。一、生物脱氮2NO3-+5H2+2H+ N2 +6H2O氢自养菌反硝化脱氮过程：氢自养脱氮菌反硝化合成自生过程：0.04NO3-+0.18CO2+1.04H+e-0.04C5H7NO2 +0.39H2O电子来源于H2氨化反应：微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用。很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：加氧脱氨基反应：水解脱氨基反应：（2-1

30、6）（2-17）硝化-反硝化脱氮 硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。 总反应式为： 硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机负荷等都会对它产生影响。硝化反应：氧化1gNH3-N需64/14=4.57gO2氧化1gNH3-N消耗100/14=7.14g碱度（以CaCO3计算）（2-18）（2-19）（2-20） 反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮（NO3-）和亚硝酸盐氮（NO2-）还原为氮气的过程。 反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则

31、以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。 总反应式为：反硝化反应：NO3-+5H=0.5N2+2H2O+OH-用以计算反硝化碳源（后文详述)反硝化产生碱度：1gNO3-N产生100/2/14=3.57g碱度（以CaCO3计算）（2-21） 在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：式中：C5H7NO2为反硝化微生物的化学组成。 反硝化还原和微生物合成的总反应式为： 从以上的过程可知，约94的NO3-N经异化过程还原，约6经同化过程合成微生物。（2-22）（2-23）萧山临江污水处理厂脱氮；较为容易；江阴圆通印染废水集中处理厂

32、脱氮问题：氨氮能达标，总氮不达标，反硝化效率不足；洛社镇印染废水集中处理厂脱氮问题：冬天效果差。工程实践中脱氮的微观机理需进一步研究：工程实践中脱氮的微观机理需进一步研究：绍兴江滨污水处理厂（印染废水为主）（20万m3/d）氧化沟工艺硝化效果好，反硝化效果不足。主要原因在于缺乏反硝化碳源二、生物除磷 磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素。 磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。 危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。含磷化合物有机磷有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等无机磷磷酸盐：正磷酸盐(PO43-

33、)、磷酸氢盐(HPO42-) 、 磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-)聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74) 、三磷酸盐(P3O105-)、 三磷酸氢盐(HP3O92-) 常规活性污泥法的微生物同化和吸附 普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干重的1.5%2.0%，通过同化作用可去除磷12%20%。 生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%6%。 如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷)细胞分子式：C118H170O51N17P(霍米尔化学式)细胞分子式：C5H7NO2 (不考虑磷)按公式计算磷含量占微生物干重

34、理论值生物除磷机理聚-羟基丁酸储存分解不利条件的休眠状态有利条件的活跃状态厌氧放磷好氧吸磷（1）聚磷菌放磷 在厌氧条件下（DO0，NOX 0），聚磷菌体内ATP（三磷酸腺苷）进行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP:（2）聚磷菌吸磷 在好氧条件下，聚磷菌进行有氧呼吸，不断氧化分解其体内储存的有机物，同时也不断地通过主动运输的方式，从外部环境摄取有机物，由于氧化分解，又不断地放出能量，能量为ADP所得，并结合H3PO4而合成ATP:（2-24）（2-25）生物强化除磷工艺 利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。 污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的

35、作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB（聚-羟基丁酸）的形态储藏于体内。 聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。厌氧环境中：好氧环境中： 进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。 剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。 普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干重的1.5%2.0%，通过同化作用除磷率可以达到12

36、%20%; 而具生物除磷功能的处理系统排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%6%，去除率基本可满足排放要求。好氧环境中：南通联发印染公司废水处理中除磷问题；两套并联：一期出水0.8mg/L（好氧停留时间短）;二期出水1.5mg/L （可能好氧停留时间长，内源代谢分解） ；均未达到0.5mg/L的一级A标准。在工程实践中除磷亦是难题第五节 微生物的生长规律和生长环境（因子） 微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映（间歇培养过程，与底物的关系？）。按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期延迟期（适应期）对数期（生长旺盛期）稳定期（减速增长期）衰亡期（内源呼吸期）微生物的生长规律指导生物处理系统的运

37、行延迟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，则可能出现适应期。延迟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。对数增长期当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥很快就会进入对数生长期。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。稳定期（减数增长期）当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于稳定期。活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上清液清澈，以滤纸过滤

38、时滤速快。处理效果好的活性污泥反应器中，污泥处于稳定期。（污水处理一般希望微生物生长处于减数期）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。衰亡期（内源呼吸期）反应器中生态系统在废水生物处理中，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。生化环境的影响？特种菌的认识活性污泥系统中的生态位后生动物原生动物细菌原生动物与水质的对应关系：1.启动初期，水质欠

39、佳：肉足虫类（如变形虫）占优势、继之出现游泳型纤毛虫（如豆形虫、肾形虫、草履虫等）；2.菌胶团培育成熟、结构良好、活性较强，处理水水质良好：以带柄固着（着生）型的纤毛虫为主，如：钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫和盖纤虫等为主；3.处理水质优异的完全氧化型活性污泥系统：出现后生动物轮虫，是水质非常稳定的标志，如在延时曝气活性污泥系统中。吸管虫钟虫累枝虫寡毛虫轮虫活性污泥系统良好时镜检照片线虫桡足虫活性污泥系统恶化时的镜检照片游泳型纤毛虫大量丝状菌（常见污泥膨胀时）放线杆菌弧状菌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。由于活性污泥是多种微生物的混合群

40、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。微生物生长影响因素这些因素影响微生物的生长过程和废水处理效果，是废水处理实际操作的重要控制指标。也是我们综合实验的重点。 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。 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 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

41、 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)或C118H170O51N17P（霍米尔化学式）一般估算营养比例： BOD5NP 100 5 1 (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

42、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。微生物的营养各类微生物所生长的温度范围不同，约为5 80 。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。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；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。 微 生 物 的 生 长 环

43、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 不同的微生物有不同的pH适应范围。大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH6.57.5）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。 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 微 生 物 的 生 长 环 境 影响微生物生长的环境因素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24mg/L为宜。微生物的营养 温 度 pH 溶 解 氧 有 毒

44、 物 质 微 生 物 的 生 长 环 境 影响微生物生长的环境因素在工业废水中，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。微生物的营养 温 度 pH 值 溶 解 氧 有 毒 物 质 Beltrame 等（1980）认为苯酚对生物没有抑制性，可以采用非抑制基质Monod模式来描述生物生长速率与苯酚浓度关系6-7 。Goudar（2000）等研究表明9-10，当苯酚浓度为100mg/L时，生物比增长速率达到最大；

45、之后受到抑制，浓度大于1300mg/L时，就不能被生物降解。考虑到甲酚、氰化物等也会对苯酚的降解产生抑制作用。采用Haldane 模式公式来描述。 Dyreborg等（1995）研究表明，苯酚的Sc为3.7mg/L, o-甲酚的Sc为1.3mg/L, Sc为100%抑制硝化作用的毒物浓度, 可见O-甲酚和苯酚的抑制性很强26。第六节 微生物生长动力学污水生物处理过程中的有机底物浓度、活性污泥微生物量等因素之间的关系；活性污泥微生物的增值速度（即活性污泥的增长速度）与有机底物浓度、微生物量等因素之间的关系米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式微生物生长与底物的关系？首先介绍酶促

46、 反应速率与底物之间关系的研究酶促反应速率的影响因素及底物浓度的作用特征酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、pH、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的影响。当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应速度与底物浓度成正比，是一级反应。当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与底物结合后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物的浓度对速度就无影响，是零级反应。如何通过一些参数来定量表达VS之间的关系？ 米门方程式1913年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反应中底物浓度与酶促反应速度之间关系的式子，是一个生化反应速率表达式，称为米歇里斯门坦方程式，简称米-门方程式。式中:v酶促反应速度；Vma

47、x最大酶促反应速度； S底物浓度； Km米氏常数。（2-26）由上式：当v = 1/2vmax时，Km=S，即：Km是v = 1/2vmax时的底物浓度，故又称半速率常数。 米氏常数Km的意义 上述分析表明：当Km 和Vmax已知时，酶反应速度与底物浓度之间的定量关系可以确定。（2-27）vmaxn=00n1n=1Km底物浓度S1/2 vmax酶反应速率v米-门方程式图反应速率是一个连续的过程；SKm; 一级反应，SKm；零级反应；中间为混合区。几种酶的米氏常数目前，一般用的图解求Km值法为兰维福布克作图法或称双倒数作图法。 实验时，选择不同的S，测定对应的v。求出两者的倒数，作图即可得出如下

48、图的直线。量取直线在两坐标轴上的截距1/vmax和 -1/Km ，就可以求出Km及vmax。米氏常数的测定（2-28）莫诺特（Monod）模式方程式-微生物增长底物浓度酶促反应速率微生物增长速率底物利用速率莫诺特（Monod）认为：可以通过米-门方程式描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系莫诺特（Monod)方程微生物比增长速度，即单位生物量的增殖速度（t-1);max_微生物最大比增殖速度，（t-1);Ks 饱和常数，为=1/2max时的底物浓度，也称之为半速度常数S有机底物浓度，mg/L；纯种微生物的集群增长效应，可表示活性污泥的增值（2-29）设定微生物比增殖速度（）与底物的比降解速度

49、(v)成正比关系：或有机底物比降解速度v，可用米-门公式描述：式中： v有机物比降解速度(t-1); vmax有机物最大比降解速度(t-1); 其余符号同前。（2-30）有机物比降解速度（按物理意义）：式中： S0原污水中有机底物的原始浓度; S经t时间反应后混合液中残留的有机底物浓度; t活性污泥反应时间； X混合液中活性污泥总量。 根据（2-30）、（2-31）两式得:（2-31）（2-32）莫诺特（Monod）方程式推论:(1)高底物浓度条件下,SKS在高有机物浓度条件下，有机物以最大速度降解，与有机物浓度无关，呈零级反应;在这一条件下，微生物处于对数增殖期，酶系统的活性位置为有机物所饱

50、和。（2-33）莫诺特（Monod）方程式推论:(2)低底物浓度条件下,SKS在低底物浓度条件下，有机物降解遵循一级反应，有机底物含量成为其降解的控制性因素；微生物增殖处于减数增殖期或内源呼吸期，微生物酶系统多未被饱和。（2-34）城市生活污水COD一般在400mg/L，BOD5在300mg/L以下，符合该公式底物浓度条件；完全混合曝气池内活性污泥一般处于减速增长期，且池内混合液中的有机底物浓度是均一的，且与出水浓度相同，符合该公式条件。上式积分、移项整理后：（2-35）莫诺特（Monod）方程式在完全混合曝气池的应用QS0曝气池二沉池V, Se, XQ+RQSe, XQSe，RQ, Se,

51、Xr QwXr在稳定条件下，对系统中的有机底物进行物料平衡：整理得：（2-36）（2-37）Xe将（2-34）式代入（2-37）中得：（2-38）根据完全混合曝气池的特征，式（2-32）可以改写，即以Se取代式中之S，得：（2-39）（2-40）代入（2-37）得：以BOD去除量为基础的BOD污泥去除负荷率（Nrs）为（依据式（2-38、2-40）：容积去除负荷率（Nrv）为：（2-41）（2-42）对（2-38）归纳整理得：或（2-43）（2-44）（2-38）、（2-43）、（2-44）是重要结论，经常用于工程设计计算常数值K2、max及Ks的确定（1）常数值K2的确定对常数值K2可用（2

52、-38），通过图解法确定：将式按通过原点的直线方程的形式考虑。以为纵坐标，以Se值为横坐标，将从污水处理厂或通过试验取得的S0、Se、X及t等各项数据，加以分组整理，列入坐标图内，得到下图所示的图。斜率即为K2值。(S0-Se)/Xt（kgBOD/kgMLSSd）Se（mg/L）K2（2）常数值max、Ks值的确定取（2-41）的倒数将公式取倒数得：可以将上式按直线方程式y=aX+b考虑，项是随项变化的线性函数，以项为纵坐标，以 为横坐标，同样将试验取得的S0、Se、X及t数据，按上式格式加以归纳整理，并将所得到的各组数据列入坐标图内，得出下图。直线的斜率为 ，在纵坐标上的截距为 ，在横坐标上

53、的截距为通过这些数据可求出常数值 max、Ks值。劳伦斯-麦卡蒂（Lawrence-Mc Carty）方程式1970年，劳伦斯-麦卡蒂以微生物增殖和对有机底物的利用为基础建立了活性污泥反应动力学方程式。劳-麦对“污泥龄”这一参数，提出了新概念：单位重量的微生物在活性污泥反应系统中的平均停留时间，建议更名为“生物固体平均停留时间”或“细胞平均停留时间”，以c表示。劳-麦还提出了“单位底物利用率”这一概念，即：单位微生物量的底物利用率为一常数，以q表示：式中：Xa单位微生物量；微生物对有机底物的利用（降解）速度。（2-45）与公式（2-34）对比 为进一步深入探讨活性污泥增殖，将其增殖通过增殖速度

54、表示。考虑到细胞合成与内源代谢同步进行，单位曝气池容积内活性污泥的增殖速度为：式中：活性污泥微生物增殖速度；活性污泥微生物合成速度；式中：活性污泥微生物对有机物的利用（降解）速度；Y产率系数，即微生物每代谢1kgBOD所产生的MLVSS kg数；活性污泥微生物内源代谢速度；式中：Kd活性污泥微生物自身氧化率，d-1,亦称为衰减系数；XVMLVSS。P39过程图综合上述结果得出活性污泥微生物增殖的基本方程式：上式两端同除XV：即：式中：c生物固体平均停留时间，d;Y 微生物产率，mg微生物量/ mg被微生物利用（降解）的有机底物；q单位有机底物利用率；Kd衰减系数，即微生物的自身氧化率， d-1。劳-麦第一基本方程式（2-46）（2-47）将式（2-46）放大到整个曝气池活性污泥反应系统，得到活性污泥微生物在曝气池中每日净增值量：（2-48）活性污泥系统中剩余污泥量的计算基础式中：X每日增长（排放）的挥发性污泥量（VSS），kg/d;Q（Sa-Se）每日的有机物降解量，kg/d;VXV曝气池内混合液挥发性悬浮固体总量，kg；XV=MLVSS；Y污泥产率系数（kgVSS/kgBOD5），200C为0.40.8；Kd 衰减系数（污泥自身氧化率）， kgVSS/kgVSSd或d-1， 200C为0.040.075。应按水温修正。活性污泥