废水生化处理理论基础

第十二章废水生化处理理论基础废水生物处理过程是污水自净的人工强化过程。有机物N、P溶解性胶体状细菌原生动物后生动物处理出水增殖微生物食料移动产物移动反应器分离提供条件废水生物处理污水的自然处理法（17章稳定塘和污水的土地处理）污水的好氧生物处理－－活性污泥法（13章）废水生化处理理论基础（12章）污水的好氧生物处理－－生物膜法（14章）污水的厌氧生物处理法（15章)城市污水的深度处理（16章）污泥的处理和处置（19章）污水处理厂的设计（20章）污水处理处理后的再利用与排放（18章）第十二章废水生化处理理论基础

第一节废水处理微生物基础第二节酶及酶反应第三节微生物生长动力学第四节废水的可生化性第五节废水生化处理方法总论第一节废水处理微生物基础一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。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磷酸根+能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosinetriphosphate)AMP+～P→ADP+～P→ATPADP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微生物的呼吸通过呼吸作用，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。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。呼吸作用的本质是生物氧化和还原的统一微生物的呼吸类型微生物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底物、产物不同按反应过程最终受氢体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分子氧参与生物氧化，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。好氧呼吸异养型微生物异养型微生物以有机物为底物（电子供体），产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。如下所示：

异氧微生物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，合成有机物的微生物。自养型微生物自养型微生物以无机物为底物（电子供体），最终产物也是无机物，同时放出能量。大型合流污水沟道和污水沟道存在生化反应生物脱氮工艺中的生物硝化过程光能自养微生物：以光能作为能源，依靠体内的光合作用色素合成有机物。CO2+H2O[CH2O]＋O2化能自养微生物：不具备色素，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。光叶绿素好氧生物处理中异养微生物代谢途径内源呼吸产物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有机物新细胞物质（C5H7NO2）代谢产物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代谢(2/3)合成代谢+异养微生物O2＋能量净增细胞物质内源呼吸～80%～20%内源呼吸残留物O2无机代谢产物少量能量剩余污泥好氧生物处理中自养微生物代谢途径新的细胞物质（C5H7NO2）代谢产物+（N02、NO3、SO42、Fe3+…）氧化合成污水中的无机污染物(NH3、NO2、H2S、Fe2+…)+自养菌O2能量内源呼吸内源呼吸产物+能量（CO2、H2O、NH3、SO42…）内源呼吸残留物O2CO2净增细胞物质无机代谢产物少量能量剩余污泥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，脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，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。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。厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。厌氧呼吸发酵供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体就是供氢体的分解产物（有机物）。有机物氧化不彻底，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：无氧呼吸是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。如反硝化过程，受氢体为NO3-，可用下式所示：总反应式：

脱氮反硝化过程好氧呼吸、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无氧呼吸无机物C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ发酵能量利用率26％有机物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+226kJ问题：在废水的生物处理中如何利用微生物的呼吸类型主要有：水、碳素营养源、氮素营养源、无机盐及生长因素。影响微生物生长的环境因素微生物的营养二微生物生长的营养及影响因素微生物的组成细胞分子式：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＝200∶5∶1各类微生物所生长的温度范围不同，约为0℃～80℃。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）。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。温度超过最高生长温度时，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，生长繁殖停止状态，但仍保存其生命力。影响微生物生长的环境因素温度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。影响微生物生长的环境因素

pH值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2～4mg/L为宜。溶解氧在工业废水中，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。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。有毒物质第二节酶及酶反应酶是由活细胞产生的能在生物体内和体外起催化作用的生物催化剂。酶所具有的独特性能：①催化效率高。②专属性。③对环境条件极为敏感。一、酶及其特点一切生化反应都是在酶的催化下进行的，为酶促反应。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。在底物足够又不受其他因素影响时，酶促反应速度与酶浓度成正比。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，酶反应速度达到最大值，再增加底物的浓度对速度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底物浓度并不相同，甚至差异有时很大。二、酶促反应速度——浓度对酶反应速度的影响vmaxn=00<n<1n=1KS底物浓度[S]1/2vmax酶反应速度v中间产物假说：酶促反应分两步进行，即酶与底物先络合成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步分解成产物和游离态酶，以下式表示：式中，S代表产物，E代表酶，ES代表酶－产物中间产物（络合物），P代表产物。米氏方程式表示整个反应中底物浓度与酶促反应速度之间关系，即：式中:V——酶促反应速度；Vmax——最大酶反应速度；

S——底物浓度；

Km——米氏常数。由上式得：该式表明，当Vmax/V=2或V=1/2Vmax时，Km=S，即Km是V=1/2Vmax时的底物浓度，故又称半速度常数。

米氏方程式

⑴当底物浓度S很大时，S»Km，Km+S≈S，酶反应速度达到最大值，即V=Vmax,呈零级反应，在这种情况下，只有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。

⑵当底物浓度S较小时，S«Km，Km+S=Km，酶反应速度和底物浓度成正比例关系，即

呈一级反应。此时，增加底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓度的增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。

实际应用时，我们采用了微生物浓度cx代替酶浓度cE。通过试验，得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米氏方程式，如下：式中：Ks为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常数。1．米氏常数的意义

①Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关

②如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个Km值.③同一种酶有几种底物相应有几个Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。

2.Km与Vmax的测定一般常用的图解法为Lineweaver-Burk作图法，也称双倒数作图法。此法先将米氏方程式改写为如下形式：关于米氏方程的几点说明三、酶制剂固相酶用于废水处理，主要是将固相酶置于反应器内，作为滤床，让废水通过滤床，污染物质被滤料上的酶催化分解。四、适应酶在活性污泥的培养驯化过程中，不适应废水的微生物逐渐死亡，适应该废水的微生物逐渐增加，并在该种废水的诱发下，在微生物的细胞内产生适应酶。第三节微生物生长动力学一、微生物的生长规律按微生物生长速率，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）停滞期对数期活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中或污水处理厂因故中断运行后再运行，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。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。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。注意合成产率系数和观测产率系数。平衡期衰老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。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。

莫诺特方程：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。

式中：S——底物浓度，mg/L；

μ——微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。式中：x——微生物浓度，mg/L；

μmax——μ的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物的增长速度时的μ值；

KS——饱和常数，即当μ=μm/2时的底物浓度，故又称半速度常数。

二、微生物生长动力学——Monod方程1．微生物的增长速度vmaxn=00<n<1n=1KS底物浓度[S]1/2vmax酶反应速度v速率与比速率的比较

绝对速率是单位时间单位反应体积某一组分的变化量。比速率是以单位浓度细胞为基准而表示的各个组分的变化速率。Cx、Cs、CO——分别为细胞、底物和氧的浓度细胞生长速率基质消耗速率细胞生长比速率氧消耗速率基质消耗比速率氧消耗比速率在生化反应中，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细胞的增加来表示生化反应速度。图中的生化反应可以用下式表示：

即

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。及式中：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。2．微生物生长与底物利用速度在一切生化反应中，微生物的增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个定量关系。现如以dS（微反应时段dt内的底物消耗量）和dx（dt内的微生物增长量）之间的比例关系值，通过下式表示之：

式中：Y

——产率系数；

x——微生物浓度；

——微生物增长速度；

——微生物比增长速度；——底物降解速度；——底物比降解速度。或或以及代入式得：式中：q和qmax为底物的比降解速度及其最大值；

S为底物浓度；Ks为饱和常数。目前废水生物处理工程中常用的两个基本反应动力学方程式由式或或四微生物增长与底物降解的基本关系式

式中：

Y——产率系数；

Kd——内源呼吸（或衰减）系数；