污水生物處理基本概念和生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

污水生物處理基本概念和生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)第一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第1頁，共96頁。1.污水生物處理技術(shù)的起源和發(fā)展2.微生物的特點和污水生物處理的概念3.污水生物處理工藝的應(yīng)用歷史4.污水生物處理技術(shù)的發(fā)展過程、前景展望第一節(jié)概述第二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第2頁，共96頁。環(huán)境生物技術(shù)----現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科在解決環(huán)境污染問題中具有非常重要的作用。環(huán)境生物技術(shù)的核心是微生物工程1.污水生物處理技術(shù)的起源和發(fā)展第三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第3頁，共96頁。2.微生物對污染物降解的巨大潛力(1)個體微小、比表面積大、代謝速率快

較大的酵母菌，一般為橢圓形，寬1-5um,長5-30um。第四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第4頁，共96頁。比表面積大：大腸桿菌與人相比，其比表面積約為人的30萬倍，為營養(yǎng)物的吸收與代謝產(chǎn)物的排泄奠定了基礎(chǔ)；代謝速度快：發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1hr內(nèi)可分解其自重的1000~10000倍；假絲酵母（Candidautilis）合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強100倍，比食用公牛強10萬倍。第五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第5頁，共96頁。(2)種類繁多、分布廣泛、代謝類型多樣W.B.Whitman(U.OfGeorgia)細(xì)菌普查，地球上存在51030個細(xì)菌,非?；钴S的群體在海、陸、空等一般環(huán)境和極端環(huán)境中的極端環(huán)境微生物；Pseudomonascepacia：能降解90種以上有機物甲基汞、有毒氰、酚類化合物等都能被微生物作為營養(yǎng)物質(zhì)分解利用。第六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第6頁，共96頁。(3)繁殖快、易變異、適應(yīng)性強大腸桿菌在條件適宜時17min就分裂一次；有一種假單胞細(xì)菌在不到10min就分裂一次；低溫、高溫、高壓、酸、堿、鹽、輻射等條件下可以快速適應(yīng)；對于進入環(huán)境中的“陌生”污染物，微生物可通過突變而改變原來的代謝類型而降解之第七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第7頁，共96頁。廢水生物處理技術(shù)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用，取得了很大的進步。污水處理技術(shù)離盡善盡美還相差很遠(yuǎn)，主要缺點：生化環(huán)境不夠理想、微生物數(shù)量不夠多、反應(yīng)速率尚低、處理設(shè)施的基建投資和運行費用很高、運行不夠穩(wěn)定、難降解有機物處理效果差等。3.污水生物處理的歷程及前景展望第八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第8頁，共96頁。從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略觀點來衡量：廢水生物處理還有消耗大量有機碳、剩余污泥量大、釋放較多二氧化碳等缺點。利用微生物的無窮潛力和反應(yīng)設(shè)備的發(fā)展及相關(guān)學(xué)科技術(shù)的進步，與其他工藝相交叉，利用協(xié)同作用。廢水生物處理工藝必將取得更大的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。第九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第9頁，共96頁。第二節(jié)污水生物處理的

基本原理第十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第10頁，共96頁。1.微生物的新陳代謝

新陳代謝：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，通過生物酶催化的復(fù)雜生化反應(yīng)，在體內(nèi)不斷進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和交換的過程。分解代謝：分解復(fù)雜營養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，獲得能量。合成代謝：通過一系列的生化反應(yīng)，將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的細(xì)胞成分，機體制造自身。第十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第11頁，共96頁。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡單物質(zhì)簡單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝分解與合成的相互關(guān)系：

1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物質(zhì)基礎(chǔ)；b、分解過程是一個產(chǎn)能過程，合成過程則是一個耗能過程。

2)對有機物的去除，二者都有重要貢獻(xiàn)；3）合成量的大小，對后續(xù)污泥的處理有直接影響（污泥的處理費用一般可以占整個城市污水處理廠的40~50%）。第十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第12頁，共96頁。2.微生物的呼吸一切生物時刻都在進行著呼吸，沒有呼吸就沒有生命。呼吸作用的生物現(xiàn)象：呼吸作用中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換：供細(xì)胞合成、其他生命活動，多余的能量以熱量形式釋放。通過呼吸作用，復(fù)雜有機物逐步轉(zhuǎn)化為簡單物質(zhì)。呼吸作用過程中吸收和同化各種營養(yǎng)物質(zhì)。第十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第13頁，共96頁。微生物的呼吸類型微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸厭氧呼吸根據(jù)氧化的底物、氧化產(chǎn)物的不同按反應(yīng)過程中的最終受氫體的不同自養(yǎng)型微生物無氧呼吸異養(yǎng)型微生物發(fā)酵根據(jù)受氫體的不同分為第十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第14頁，共96頁。好氧呼吸是營養(yǎng)物質(zhì)進入好氧微生物細(xì)胞后，通過一系列氧化還原反應(yīng)獲得能量的過程。有分子氧參與的生物氧化，反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。依好氧微生物的類型不同，被其氧化的底物不同，氧化產(chǎn)物也不同。好氧呼吸有異養(yǎng)型微生物呼吸和自養(yǎng)型微生物呼吸兩種。好氧呼吸第十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第15頁，共96頁。異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物以有機物為底物（電子供體），其終點產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等無機物，同時放出能量。如下式所示：

有機廢水的好氧生物處理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等屬于這種類型的呼吸。第十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第16頁，共96頁。2.自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物以無機物為底物（電子供體），其終點產(chǎn)物也是無機物，同時放出能量。大型合流污水溝道和污水溝道存在該式所示的生化反應(yīng)生物脫氮工藝中的生物硝化過程

光能自養(yǎng)微生物：需要陽光或燈光作能源，依靠體內(nèi)的光合作用色素合成有機物。CO2+H2O[CH2O]＋O2

化能自養(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)微生物不具備色素，不能進行光合作用，合成有機物所需的能量來自氧化NH3、H2S等無機物。光葉綠素第十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第17頁，共96頁。厭氧呼吸是在無分子氧（O2）的情況下進行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過程中，底物中的氫被脫氫酶活化，從底物中脫下來的氫經(jīng)輔酶傳遞給除氧以外的有機物或無機物，使其還原。厭氧呼吸的受氫體不是分子氧。在厭氧呼吸過程中，底物氧化不徹底，最終產(chǎn)物不是二氧化碳和水，而是一些較原來底物簡單的化合物。這種化合物還含有相當(dāng)?shù)哪芰?，故釋放能量較少。厭氧呼吸按反應(yīng)過程中的最終受氫體的不同，可分為發(fā)酵和無氧呼吸。厭氧呼吸第十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第18頁，共96頁。1.發(fā)酵指供氫體和受氫體都參與有機化合物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機物）。這種生物氧化作用不徹底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原來底物簡單的有機物，在反應(yīng)過程中，釋放的自由能較少，故厭氧微生物在進行生命活動過程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的發(fā)酵過程：總反應(yīng)式：第十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第19頁，共96頁。2.無氧呼吸是指以無機氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。在反硝化作用中，受氫體為NO3-，可用下式所示：總反應(yīng)式：在無氧呼吸過程中，供氫體和受氫體之間也需要細(xì)胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，能量得以分級釋放，故無氧呼吸也產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。但由于有些能量隨著電子轉(zhuǎn)移至最終受氫體中，故釋放的能量不如好氧呼吸的多。第二十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第20頁，共96頁。一、微生物的呼吸類型1、好氧呼吸AerobicRespiration分子氧參與生物氧化，且是最終受氫體。按微生物和底物類型分為

1）異養(yǎng)型微生物有機物為底物C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量2）自養(yǎng)型微生物無機物為底物H2S+2O2H2SO4+能量微生物的呼吸是一個對底物的氧化還原過程，都有氫原子的轉(zhuǎn)移，按受氫體的不同分為：歸納小結(jié)：第二十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第21頁，共96頁。2、厭氧呼吸AnaerobicRespiration無分子氧參與，最終受氫體為氧以外的物質(zhì)，按最終受氫體不同分為1）發(fā)酵----受氫體為供氫體的分解產(chǎn)物（有機物）C6H12O64[H]+2CH3COCOOH2CO2+2CH3CHO2CH3CH2OH

2）無氧呼吸----受氫體為無機氧化物C6H12O6+4NO3-6CO2+6H2O+2N2↑第二十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第22頁，共96頁。好氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ無氧呼吸無機物C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ第二十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第23頁，共96頁。2.污水生物處理分類分類依據(jù)生化環(huán)境：好氧、缺氧、厭氧反應(yīng)器構(gòu)型：依據(jù)微生物在反應(yīng)器中的生長方式：懸浮型、附著型和混合型.第二十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第24頁，共96頁。

1.定義有游離氧（分子氧）存在的條件下，好氧微生物降解有機物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。微生物利用廢水中存在的有機污染物（以溶解狀與膠體狀的為主），作為營養(yǎng)源進行好氧代謝。2.1廢水的好氧生物處理2.好氧生物處理過程的生化反應(yīng)方程式：①分解反應(yīng)（又稱氧化反應(yīng)、異化代謝、分解代謝）

②合成反應(yīng)（也稱合成代謝、同化作用）

③內(nèi)源呼吸（也稱細(xì)胞物質(zhì)的自身氧化）

第二十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第25頁，共96頁。圖示表明，有機物被微生物攝取后，通過代謝活動，約有1/3被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動所需的能量；約有2/3被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)），即進行微生物自身生長繁殖。第二十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第26頁，共96頁。Ps:不同形式的有機物被生物降解的歷程也不同：

一方面：結(jié)構(gòu)簡單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進入細(xì)胞壁；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質(zhì)，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機物，再進入細(xì)胞內(nèi)。

另一方面：有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會不同，如：糖類；脂類；蛋白質(zhì)

第二十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第27頁，共96頁。反應(yīng)速度快，時間短，故構(gòu)筑物容積較小。處理過程中散發(fā)的臭氣較少。適合處理中、低濃度的有機廢水。

（一般BOD5濃度小于500mg/L的有機廢水，基本上采用好氧生物處理法）。在廢水處理工程中，好氧生物處理法有活性污泥法和生物膜法兩大類。3.廢水的好氧生物處理的特點及應(yīng)用第二十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第28頁，共96頁。1.定義

沒有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解和穩(wěn)定有機物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復(fù)雜的有機化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡單的化合物，同時釋放能量。2.2廢水的厭氧生物處理第二十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第29頁，共96頁。有機物的轉(zhuǎn)化分為三部分進行：部分轉(zhuǎn)化為CH4，這是一種可燃?xì)怏w，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機物，并為細(xì)胞合成提供能量；少量有機物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分。由于僅少量有機物用于合成，故相對于好氧生物處理法，其污泥增長率小得多。2.2廢水的厭氧生物處理第三十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第30頁，共96頁。2.厭氧生物處理中的基本生物過程——階段性理論（1）兩階段理論：20世紀(jì)30~60年代

第一階段：發(fā)酵階段：主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等

第二階段：產(chǎn)甲烷階段：是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2；

產(chǎn)氣階段有機物C、OH、NP、S呼吸(分解)能有機酸，醇，CO2，H2S，NH3合成新細(xì)胞物質(zhì)（生長）微生物厭氧生物處理中有機物的轉(zhuǎn)化合成新細(xì)胞物質(zhì)（生長）呼吸(分解)能CH4，CO2H2S，NH3產(chǎn)酸階段第三十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第31頁，共96頁。第一階段普通厭氧菌碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)消化有機酸、乙醇、乙醛第二階段絕對厭氧菌甲烷二氧化碳消化細(xì)胞合成新細(xì)胞酶細(xì)胞合成厭氧消化兩階段示意圖第三十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第32頁，共96頁。（2）三階段理論1）水解酸化階段：分解菌、脂肪分解菌、蛋白質(zhì)水解菌。2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌群，利用液化階段的產(chǎn)物產(chǎn)生乙酸、氫氣和二氧化碳等。3）產(chǎn)甲烷階段：甲烷菌利用乙酸、丙酸、甲醇等化合物為基質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化成甲烷，其中乙酸和H2/CO2是其主要基質(zhì)。

第三十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第33頁，共96頁。厭氧消化機理三階段理論第三十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第34頁，共96頁。四階段理論實際上，是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上，增加了一類細(xì)菌——同型產(chǎn)乙酸菌，其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右。

總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。

第三十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第35頁，共96頁。3、厭氧消化過程中的主要微生物

主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。

（1）發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：

發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌的主要功能有兩種：①

水解——在胞外酶的作用下，將不溶性有機物水解成可溶性有機物；②

酸化——將可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；

主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機物種類等），有時會成為厭氧反應(yīng)的限速步驟；產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快；大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。

第三十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第36頁，共96頁。3、厭氧消化過程中的主要微生物（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營關(guān)系。

注意：上述反應(yīng)只有在乙酸濃度很低、系統(tǒng)中氫分壓也很低時才能順利進行，因此產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)的順利進行，常常需要后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)能及時將其主要的兩種產(chǎn)物乙酸和H2消耗掉。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌多為：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌。

第三十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第37頁，共96頁。3、厭氧消化過程中的主要微生物（3）產(chǎn)甲烷菌

功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見的有：①產(chǎn)甲烷桿菌；②產(chǎn)甲烷球菌；③產(chǎn)甲烷八疊球菌；④產(chǎn)甲烷絲菌；等等。

產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對其有很強的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可達(dá)4-6天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟。

第三十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第38頁，共96頁。表1產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的特性參數(shù)參數(shù)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)酸菌對pH的敏感性敏感，最佳pH為6.8~7.2不太敏感，最佳pH為5.5~7.0氧化還原電位Eh<-350mv(中溫)，<-560mv(高溫)<-150~200mv對溫度的敏感性最佳溫度：30~38℃，50~55℃最佳溫度：20~35℃第三十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第39頁，共96頁。4、厭氧生物處理的主要特征

主要優(yōu)點：

①

能耗大大降低，回收生物能（沼氣）；

②

污泥產(chǎn)量很低；

——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.15-0.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為0.25-0.6kgVSS/kgCOD。

③

厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機物進行降解或部分降解；

④

反應(yīng)過程較為復(fù)雜——厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物過程；

第四十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第40頁，共96頁。4、厭氧生物處理的主要特征主要缺點：

①

對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感；

②

處理出水水質(zhì)較差，需進一步利用好氧法進行處理；

③

氣味較大；

④

對氨氮的去除效果不好。⑤反應(yīng)速度慢，時間長，構(gòu)筑物一般較大。

對于有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧生物處理法。第四十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第41頁，共96頁。2.3生物脫氮原理生物脫氮:在微生物的作用下，將有機氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2的過程。

生物脫氮可分為三個步驟：

氨化－硝化－反硝化由于氨化反應(yīng)速度很快，在一般廢水處理設(shè)施中均能完成，故生物脫氮的關(guān)鍵在于硝化和反硝化。第四十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第42頁，共96頁。（1）氨化--氨化作用是指將有機氮化合物轉(zhuǎn)化為NH3-N的過程，也稱為礦化作用。氨化細(xì)菌2.3.1生物脫氮原理第四十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第43頁，共96頁。在未經(jīng)處理的新鮮廢水中有機氮氨態(tài)氮蛋白質(zhì)、尿素、胺類化合物、硝基化合物以及氨基酸等NH3及NH4等氨化菌(水解、氧化)2.3.1生物脫氮原理第四十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第44頁，共96頁。生物脫氮原理以氨基酸為例：氧化脫氨基水解脫氨基還原脫氨基氨化細(xì)菌氨化細(xì)菌種類很多，主要有好氧性的熒光假單胞菌和靈桿菌、兼性的變形桿菌和厭氧的腐敗梭菌等。氨化反應(yīng)無論在好氧還是厭氧條件下，中性、堿性還是酸性環(huán)境中都能進行?；钚晕勰嗪蜕锬は到y(tǒng)內(nèi)能夠比較完全地完成氨化反應(yīng)。第四十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第45頁，共96頁。氨態(tài)氮硝酸鹽氮1g氨氮氧化需氧4.57gNO2-N亞硝酸鹽氮亞硝化菌硝化菌需氧3.43g需氧1.14g在硝化反應(yīng)中，還有H+釋放（2）

硝化作用----指將NH3-N氧化為NOx--N的生物化學(xué)反應(yīng)，這個過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩個步驟。

第四十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第46頁，共96頁。項目亞硝化菌硝化菌細(xì)胞形狀橢球或棒狀橢球或棒狀細(xì)胞尺寸（μm）1×1.50.5×1.0革蘭氏染色陰性陰性世代期（h）8~3612~59自養(yǎng)性專性兼性需氧性嚴(yán)格好氧嚴(yán)格好氧最大比增長速率μm·h-10.04~0.080.02~0.06產(chǎn)率系數(shù)Y(mg細(xì)胞/基質(zhì)mg)0.04~0.130.02~0.07飽和常數(shù)K（mg/L）0.6~3.60.3~1.7亞硝化菌和硝化菌的基本特征第四十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第47頁，共96頁。硝酸氮（NO3-N）（NO2-N）亞硝酸氮氮氣(主要過程)有機氮化合物反硝化菌異化反硝化(細(xì)菌組成部分)同化反硝化（異養(yǎng)型兼性菌）（3）反硝化----缺氧條件下，NOx-－N被反硝化菌用作電子受體被還原為氮氣過程。

第四十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第48頁，共96頁。生物脫氮原理以碳源甲醇為例：反硝化菌生物學(xué)特性：反硝化菌為異養(yǎng)型兼性菌。在厭氧條件下，以NO3--N為電子受體，以有機碳為電子供體。在好氧條件下，反硝化菌利用氧進行呼吸，氧成為電子受體，阻礙NO3--O成為電子受體而使N難還原成N2↑。有堿度的生成第四十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第49頁，共96頁。2.4生物除磷2.4.1基本原理厭氧環(huán)境污水中的有機物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內(nèi)積聚的聚磷分解，分解產(chǎn)生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動吸收乙酸苷轉(zhuǎn)化為PHB(聚β羥基丁酸)的形態(tài)儲藏于體內(nèi)。聚磷分解形成的無機磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。

利用好氧微生物中聚磷菌在好氧條件下對污水中溶解性磷酸鹽過量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。第五十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第50頁，共96頁。生物除磷機理圖第五十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第51頁，共96頁。好氧環(huán)境中：聚磷菌將儲存于體內(nèi)的PHB進行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動，部分供其主動超量吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內(nèi)，這就是好氧吸磷。富磷污泥的排放

在好氧條件下所攝取的磷比在厭氧條件下所釋放的磷多，廢水生物除磷工藝是利用除磷菌的這一過程，將多余剩余污泥排出系統(tǒng)而達(dá)到除磷的目的。第五十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第52頁，共96頁。2.5廢水可生化性原理及其判別

1、廢水可生化性的定義

生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物質(zhì)改變原來的化學(xué)和物理性質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上引起的變化程度。

2、廢水可生化性的分類

①初級生物降解——指有機物原來的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分變化，改變了分子的完整性；

②環(huán)境可接受的生物降解——指有機物失去了對環(huán)境有害的特性；

③完全降解——在好氧條件下，有機物被完全無機化；在厭氧條件下，有機物被完全轉(zhuǎn)化為CH4、CO2等。

第五十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第53頁，共96頁。有機物生物降解性能的分類：

①易生物降解——易于被微生物作為碳源和能源物質(zhì)而被利用；

②可生物降解——能夠逐步被微生物所利用；

③難生物降解——降解速率很慢或根本不降解。

第五十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第54頁，共96頁。3.鑒定和評價廢水中有機污染物的好氧生物降解性的方法：

水質(zhì)指標(biāo)法：采用BOD5/COD作為有機物評價指標(biāo)。瓦呼儀法：根據(jù)有機物的生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線的比較來判斷有機物的生物降解性能。測試時，接種物可采用活性污泥，接種量為1-3gSS/l；

4.影響有機物生物降解性能的因素：

1、與化學(xué)物質(zhì)的種類性質(zhì)有關(guān)的因素（化學(xué)組成、理化性質(zhì)、濃度、與它種基質(zhì)的共存）；

2、與微生物的種類、性質(zhì)有關(guān)的因素（微生物的來源、數(shù)量、種屬間的關(guān)系）；

3、與有機物、微生物所處的環(huán)境有關(guān)的因素（pH值、DO、溫度、營養(yǎng)物等）第五十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第55頁，共96頁。第三節(jié)微生物的生長規(guī)律和

生長環(huán)境（因子）第五十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第56頁，共96頁。1.微生物的生長規(guī)律微生物的生長規(guī)律一般是以生長曲線來反映。按微生物生長速率，其生長可分為四個生長期停滯期（調(diào)整期）對數(shù)期（生長旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）純菌種培養(yǎng)的微生物的生長規(guī)律第五十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第57頁，共96頁。

如果活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中（營養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運行后再運行，則可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干時間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。停滯期是否存在或停滯期的長短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長條件等因素有關(guān)。

當(dāng)廢水中有機物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對數(shù)生長期。處于對數(shù)生長期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機物濃度較高，活性強沉淀不易，用濾紙過濾時，濾速很慢。停滯期對數(shù)期第五十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第58頁，共96頁。

當(dāng)污水中有機物濃度較低，污泥濃度較高時，污泥則有可能處于靜止期，處于靜止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上層液清澈，以濾紙過濾時濾速快。處理效果好的活性污泥法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。

當(dāng)污水中有機物濃度較低，營養(yǎng)物明顯不足時，則可能出現(xiàn)衰老期。處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，但有細(xì)小泥花，以濾紙過濾時，濾速快。注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測產(chǎn)率系數(shù)。靜止期衰老期第五十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第59頁，共96頁。微生物要求的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營養(yǎng)源、氮素營養(yǎng)源、無機鹽及生長因素。2.微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)第六十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第60頁，共96頁。微生物的組成微生物組成水80％干物質(zhì)20％無機質(zhì)10％有機物90％C53.1%,O28.3%,N12.4%,H6.2%P50%,S15%,Na11%,Ca9%,Mg8%,K6%,Fe1%等細(xì)胞分子式：C5H7O2N(有機部分)細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)一般估算營養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶1第六十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第61頁，共96頁。(1)水：組成部分，代謝過程的溶劑。細(xì)菌約80%的成分為水分。(2)碳源：碳素含量占細(xì)胞干物質(zhì)的50％左右，碳源主要構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長、繁殖和運動所需要的能量，一般污水中含有足夠碳源。(3)氮源：提供微生物合成細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。(4)無機元素：主要有磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素。作用：構(gòu)成細(xì)胞成分，酶的組成成分,維持酶的活性，調(diào)節(jié)滲透壓，提供自養(yǎng)型微生物的能源。磷：核酸、磷脂、ATP轉(zhuǎn)化。硫：蛋白質(zhì)組成部分，好氧硫細(xì)菌能源。鉀：激活酶。鈣：穩(wěn)定細(xì)胞壁，激活酶。鎂：激活酶，葉綠素的重要組成部分(5)生長因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等。微生物的營養(yǎng)第六十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第62頁，共96頁。溫度范圍不同，約為5℃～80℃，分為最低、最高和最適生長溫度（是指微生物生長速度最快時溫度）。依微生物適應(yīng)的溫度范圍，微生物可以分為中溫性（20～45℃）、好熱性（高溫性）（45℃以上）和好冷性（低溫性）（20℃以下）三類。高溫--蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，死亡。低溫---代謝活力降低，生長繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)第六十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第63頁，共96頁。不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)第六十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第64頁，共96頁。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的DO=2～4mg/L為宜。營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)第六十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第65頁，共96頁。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)。毒害作用：破壞細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)，菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。在廢水生物處理時，對這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。營養(yǎng)溫度pH值溶解氧有毒物質(zhì)第六十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第66頁，共96頁。

生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應(yīng)速度。生化反應(yīng)動力學(xué)目前的研究內(nèi)容：(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(2)微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(3)反應(yīng)機理研究，從反應(yīng)物過渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。

生化反應(yīng)動力學(xué)

第六十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第67頁，共96頁。第四節(jié)反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)

涉及的兩個基本概念第六十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第68頁，共96頁。在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時間里底物的減少或細(xì)胞的增加來表示生化反應(yīng)速度。

圖中的生化反應(yīng)可以用下式表示：

即

該式反映了底物減少速率和細(xì)胞增長速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反應(yīng)過程的一個重要規(guī)律。1.反應(yīng)速率

及式中：反應(yīng)系數(shù)又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。第六十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第69頁，共96頁。如：零級反應(yīng)v=k一級反應(yīng)v=k[A]二級反應(yīng)v=k[A]2反應(yīng)級數(shù)指反應(yīng)速度與反應(yīng)器中的反應(yīng)物濃度的比率關(guān)系。2.反應(yīng)級數(shù)

反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度ρA成正比時，稱這種反應(yīng)對這種反應(yīng)物是一級反應(yīng)。反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物A、B的濃度ρA、ρB成正比時，或與一種反應(yīng)物A的濃度ρA的平方ρA2成正比時，稱這種反應(yīng)為二級反應(yīng)。反應(yīng)速度與ρA·ρB2成正比時，稱這種反應(yīng)為三級反應(yīng)；也可稱這種反應(yīng)是A的一級反應(yīng)或B的二級反應(yīng)。第七十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第70頁，共96頁。

設(shè)生化反應(yīng)方程式為：現(xiàn)底物濃度ρS以[S]表示，則生化反應(yīng)速度：

式中：k——反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異；

n——反應(yīng)級數(shù)。上式亦可改寫為：該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反應(yīng)級數(shù)n?；騦gvlg[S]生化反應(yīng)中，底物降解速度與反應(yīng)器中的底物濃度有關(guān)第七十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第71頁，共96頁。討論：n=0,零級反應(yīng),反應(yīng)速度是常數(shù),不受反應(yīng)物濃度的影響對反應(yīng)物A而言，零級反應(yīng)：式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。第七十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第72頁，共96頁。討論：n=1,一級反應(yīng),速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系對反應(yīng)物A而言，一級反應(yīng)：

式中：v——反應(yīng)速度；t——反應(yīng)時間；k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。

在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。第七十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第73頁，共96頁。討論：n=2,二級反應(yīng),速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比。對反應(yīng)物A而言，二級反應(yīng)：式中：v——反應(yīng)速度；

t——反應(yīng)時間；

k——反應(yīng)速度常數(shù),受溫度影響。在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A的量增加時，k為正值；在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。第七十四頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第74頁，共96頁。第五節(jié)微生物生長動力學(xué)污水處理過程-反應(yīng)動力學(xué)污水的處理效率重要污水處理的產(chǎn)物之一微生物也是我們關(guān)心的問題第七十五頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第75頁，共96頁。米歇里斯-門坦

（Michaelis-Menten）方程式微生物生長與底物的關(guān)系？首先介紹酶促反應(yīng)速率與底物之間關(guān)系的研究第七十六頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第76頁，共96頁。一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進行的。這種反應(yīng)亦可以說是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。在有足夠底物又不受其他因素影響時，則酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時，這個反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r，所有的酶全與底物結(jié)合后，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，此時再增加底物部的濃度對速度就無影響，是零級反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時所需的底物濃度并不相同，甚至差異有時很大。濃度對酶反應(yīng)速度的影響第七十七頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第77頁，共96頁。vmaxn=00<n<1n=1KS底物濃度[S]1/2vmax酶反應(yīng)速度v第七十八頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第78頁，共96頁。

中間產(chǎn)物假說：酶促反應(yīng)分兩步進行，即酶與底物先絡(luò)合成一個絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個絡(luò)合物再進一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)酶，以下式表示：式中，S代表產(chǎn)物，E代表酶，ES代表酶－產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），P代表產(chǎn)物。從上式可以看出，當(dāng)?shù)孜颯濃度較低時，只有一部分酶E和底物S形成酶-底物中間產(chǎn)物ES。此時，若增加底物濃度，則將有更多的中間產(chǎn)物形成，因而反應(yīng)速度亦隨之增加。當(dāng)?shù)孜餄舛群艽髸r，反應(yīng)體系中的酶分子已基本全部和底物結(jié)合成ES絡(luò)合物。此時，底物濃度雖再增加，但無剩余的酶與之結(jié)合，故無更多的ES絡(luò)合物生成，因而反應(yīng)速度維持不變。第七十九頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第79頁，共96頁。1913年前后，米歇里斯和門坦提出了表示整個反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系的式子，稱為米歇里斯－門坦方程式，簡稱米氏方程式，即：式中:v——酶促反應(yīng)速度；vmax——最大酶反應(yīng)速度；

ρS——底物濃度；Km——米氏常數(shù)。此式表明，當(dāng)Km和vmax已知時，酶反應(yīng)速度與酶底物濃度之間的定量關(guān)系。由上式得：該式表明，當(dāng)vmax/v=2或v=1/2vmax時，Km=ρS，即Km是v=1/2vmax時的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。米氏方程式第八十頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第80頁，共96頁。

⑴當(dāng)?shù)孜餄舛圈裇很大時，ρS?Km，Km+ρS≈ρS，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即v=vmax,呈零級反應(yīng)，在這種情況下，只有增大底物濃度，才有可能提高反應(yīng)速度。

實際應(yīng)用時，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過試驗，得出底物降解速度和底物濃度之間的關(guān)系式，類同米氏方程式，如下：式中：Ks為飽和常數(shù)，即當(dāng)時的底物的濃度，故又稱半速度常數(shù)。

⑵當(dāng)?shù)孜餄舛圈裇較小時，ρS?Km，Km+ρS=Km，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即呈一級反應(yīng)。此時，增加底物濃度可以提高酶反應(yīng)的速度。但隨著底物濃度的增加，酶反應(yīng)速度不再按正比例關(guān)系上升，呈混合級反應(yīng)。第八十一頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第81頁，共96頁。

米氏常數(shù)的意義

米氏常數(shù)Km是酶反應(yīng)處于動態(tài)平衡即穩(wěn)態(tài)時的平衡常數(shù)。具有重要物理意義：Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃度無關(guān)。不同的酶，Km值不同。如果一個酶有幾種底物，則對每一種底物，各有一個特定的Km。并且，Km值不受pH及溫度的影響。因此，Km值作為常數(shù)，只是對一定的底物、pH及溫度條件而言。測定酶的Km值，可以作為鑒別酶的一種手段，但必須在指定的實驗條件下進行。同一種酶有幾種底物就有幾個Km值。其Km值最小的底物，一般稱為該酶的最適底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底物。1/Km可以近似地反映酶對底物親和力的大小，1/Km愈大，表明親和力越大，最適底物與酶的親和力最大，不需很高的底物濃度，就可較易地達(dá)到vmax。

第八十二頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第82頁，共96頁。第八十三頁，編輯于星期六：二十一點三十五分。第83頁，共96頁。

對于一個酶促反應(yīng)，Km值的確定方法很多。實驗中即使使用很高的底物濃度，也只能得到近似的vmax值，而達(dá)不到真正的vmax值，因而也測不到準(zhǔn)確的Km值。為了得到準(zhǔn)確的Km值，可以把米氏方程的形式加以改變，使它成為直線方程式的形式，然后用圖解法定出Km值。目前，一般用的圖解求Km值法為蘭微福－布克作圖法或稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程改寫成如下的形式，即：實驗時，選擇不同的ρS，測定對應(yīng)的v。求出兩者的倒數(shù)，作圖即可得出如下圖的直線。量取直線在兩坐標(biāo)軸上的截距1/vmax和-1/Km，就可以求出Km及vmax。

米氏常數(shù)