污水生物处理基本概念和生化反应动力学基础

第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段； 是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和
CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methane producing bacteria）；
产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长； 2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。
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
污水生物处理技术的起源和发展前景 污水生物处理的基本原理 微生物的生长规律和生长环境 反应速率和反应级数 微生物生长动力学
第一节 概述
1.污水生物处理技术的起源和发展 微生物的特点和污水生物处理的概念 污水生物处理工艺的应用历史 污水生物处理技术的发展过程 前景展望
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。
1.发酵 指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：
•
不同形式的有机物被生物降解的历程也不同： •
一方面：结构简单、小分子、可溶性物质，直接 进入细胞壁；结构复杂、大分子、胶体状或颗粒 状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶 的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细 胞内。
• 另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程 也会不同，如：糖类；脂类；蛋白质
等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和 H2/CO2是其主要基质。
厌氧消化机理
5%
复杂有机化合物
20%
（碳水化合物、蛋白质、类脂类）
水解
10%
简单有机化合物
35%
（糖、氨基酸、肽）
产酸
长链脂肪酸 （丙酸、丁酸等）
13% H2 CO2
17% 乙酸
28%
CH4 CO2
72%
(3)四阶段理论 •实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了 一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将 产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。 •但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来 的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5% 左右。 总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目 前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描 述。
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，微生物可通 过突变而改变原来的代谢类型而降解之
污水生物处理的历程及前景展望
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。
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。
3.废水的好氧生物处理的特点及应用
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。 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。 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。
利用微生物的无穷潜力和反应设备的发展及相关 学科技术的进步，与其他工艺相交叉，利用协同 作用。废水生物处理工艺必将取得更大的发展， 发挥更大的作用。
第二节 污水生物处理的 基本原理
1.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。
2. 好氧生物处理过程的生化反应方程式： • ① 分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）
② 合成反应（也称合成代谢、同化作用） ③ 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）
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。
2.2 废水的厌氧生物处理
1.定义 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，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。
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。
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1hr内可分解 其自重的1000~10 000倍；假丝酵母
（Candida utilis）合成蛋白质的能力比大豆强
根据受氢体的不同分为
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
异养型微生物 自养型微生物
发酵
无氧呼吸
好氧呼吸
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 体是分子氧。 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 。
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
好氧呼吸 分子氧
能量利用率42％
无氧呼吸 无机物
发酵
能量利用率26％
有机物
化学反应式
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ C6H12C6+4NO3 - →
6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ
微生物的呼吸
一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没 有生命。
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。
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
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 有效的控制。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 行费用很高、运行不够稳定、难降解有机物处理 效果差等。
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。
2.污水生物处理分类
分类依据
– 生化环境：好氧、缺氧、厌氧 – 反应器构型：依据微生物在反应器中的
生长方式：悬浮型、附着型和混合型.
2.1 废水的好氧生物处理
1.定义 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。
1.异养型微生物 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：
C6H12O6 6O 2 6CO 2 6H 2O 2817.3kJ
C11H29O7 N
14O
2

H
11CO
2
13H
2O

NH
泥法、生物膜法、污泥 的好氧消化等属于这种类型的呼吸。
H2S 2O 2 H2SO4 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
NH
4

2O 2

NO
3

2H


H2O
能量
生物脱氮工艺中的生物 硝化过程
厌氧呼吸
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，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。
2.厌氧生物处理中的基本生物过程——阶段性 理论
（1）两阶段理论：20世纪30~60年代 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段； 主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2 等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；
这些微生物的特点是：1）生长速率快， 2）对环境条件的适 应性（温度、pH等）强。
环境生物技术
Environmental Biotechnology Environmental Bioengineering 现代生物技术与环境工程相结合的新兴 交叉学科在解决环境污染问题中具有非 常重要的作用。 环境生物技术的核心是微生物工程