生活污水處理-二級處理：微生物知識

1、-二級處理微 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)，通過生物酶催化發(fā)生復(fù)雜的生化反應(yīng)，在體內(nèi)不斷進(jìn)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。 底物降解：污水中可被微生物通過酶的催化作用而進(jìn)行生物化學(xué)變化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)。 可生物降解有機物量：可通過生物的降解轉(zhuǎn)化的量。 可生物降解底物量：包括有機的和無機的可生物利用物質(zhì)。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)

2、代謝能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate)AMP+PADP+ P ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解產(chǎn)生能量。低能化合物高能化合物ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+微 生 物 的 呼 吸 一切生物時刻都在進(jìn)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)。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

3、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)受氫體的不同分為根據(jù)受氫體的不同分為好氧呼吸是營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)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。底物中的氫被脫氫酶活化，并從底物中脫出交給輔酶（遞氫體），同時放出電子，氧化酶利用底物放出的電子激活游離氧，活化氧和從底物中脫出的氫結(jié)合成水。NAD(P)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸過程實質(zhì)上是脫氫和氧活化相結(jié)合的過程。在這個過程中，同時放出能量。依好氧微生物的類型不同，被其氧化的底物不同，氧化產(chǎn)

4、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 。HNAD(P)HNAD(P)H2H2 好 氧 呼 吸 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： 異氧微生物又可分為化能異氧微生物和光能異氧微生物。 化能異氧微生物：氧化有機物產(chǎn)生化學(xué)能而獲得能量的微生物。 光能異氧微生物：以光為能源，以有機物為供氫體還原CO2，合成有機物的一類厭氧微生物。 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。2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14O

5、NOHC4222729112.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。能量SOH2OSH4222能量OH2HNO2ONH2324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 CH2OO2 化能自養(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)微生物不具備色素，不能進(jìn)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。光葉綠素厭氧呼吸是在無分子氧（O2）的情況下進(jìn)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

6、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。如有機污泥的厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷，是含有相當(dāng)能量的可燃?xì)怏w。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 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，

7、故厭氧微生物在進(jìn)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：4HCOCOOH2CHOHC36126CHO2CH2COCOCOOH2CH323OHCH2CHCHO2CH4H23392.0kJ2COOHCH2CHOHC2236126 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

8、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。24H6COO6HOHC226126O12H2N4NO24H2231755.6kJ2NO6H6CO4NOOHC22236126 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

9、好氧生物處理是在有游離氧（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(jìn)行好氧代謝。這些高能位的有機物質(zhì)經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，逐級釋放能量，最終以低能位的無機物質(zhì)穩(wěn)定下來，達(dá)到無害化的要求，以便返回自然環(huán)境或進(jìn)一步處置。廢水好氧生物處理的最終過程可用下圖表示。廢水的好氧生物處理 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(jìn)行微生物自身生長繁殖。好氧生物處理的反應(yīng)速度較快，所需的反應(yīng)時間較短，故處

10、理構(gòu)筑物容積較小。且處理過程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對中、低濃度的有機廢水，或者說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。廢水的好氧生物處理 廢水的厭氧生物處理是在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。 在這個過程中，有機物的轉(zhuǎn)化分為三部分進(jìn)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、

11、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。 由于廢水厭氧生物處理過程不需另加氧源，故運行費用低。此外，它還具有剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等優(yōu)點。 其主要缺點是反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時間較長，處理構(gòu)筑物容積大等。為維持較高的反應(yīng)速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源。 對于有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD52000mg/L）可采用厭氧生物處理法。 廢水的厭氧生物處理微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境微生物的生長規(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

12、期）衰老期（衰亡期） 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。 當(dāng)污水中有機物濃度較低，污泥濃度較高時，污泥則有

13、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)。停 滯 期對 數(shù) 期靜 止 期衰 老 期 在污水生物處理過程中，如果條件適宜，活性污泥的增長過程與純種單細(xì)胞微生物的增殖過程大體相仿。但由于活性污泥是多種微生物的混合群體, 其生長受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、pH、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響，因此，在處理構(gòu)筑物中通常僅出現(xiàn)生長

14、曲線中的某一兩個階段。處于不同階段時的污泥，其特性又很大的區(qū)別。 在廢水生物處理中，微生物是一個混合群體，它們也有一定的生長規(guī)律。有機物多時,以有機物為食料的細(xì)菌占優(yōu)勢,數(shù)量最多；當(dāng)細(xì)菌很多時，出現(xiàn)以細(xì)菌為食料的原生動物;而后出現(xiàn)以細(xì)菌及原生動物為食料的后生動物，如右圖所示。13環(huán)工環(huán)工3-2 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。 微 生 物 的 生 長 環(huán) 境 影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 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90C 53.1%

15、,O 28.3%,N 12.4%,H 6.2%P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%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 (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

16、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)各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5 80 。此溫度范圍，可分為最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度（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（2045 ） 、好熱性（高溫性）（45以上）和好冷性（低溫性）（20以下）三類。當(dāng)溫度超過最高生長溫度時，會使微生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴(yán)重者可

17、使微生物死亡。低溫會使微生物代謝活力降低，進(jìn)而處于生長繁殖停止?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)境因素微生物的營養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 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410之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性（pH6.57.5）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(jìn)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)境因素微生物的營養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 微 生 物

18、 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。好氧微生物處理的溶解氧一般以24mg/L為宜。微生物的營養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 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)，這類物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)在細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(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。微生物的營養(yǎng) 溫 度 pH 值 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 污水的可生化性問題問題1：什么是污水的可生化性？：什么是

19、污水的可生化性？可生化性是指生物降解的難易程度可生化性是指生物降解的難易程度問題問題2：如何表征可生化性：如何表征可生化性利用參數(shù)利用參數(shù)BOD5/COD的比值的比值問題問題3：什么是：什么是BOD5和和CODBiology Oxygen Demand-是一種用是一種用微微生物生物代謝作用所消耗代謝作用所消耗的的溶溶解氧量來間接表示水體被解氧量來間接表示水體被有機物有機物污染程度的一個重要污染程度的一個重要指標(biāo)。指標(biāo)。定義：定義：在有氧條件下，好氧微生物氧化分解單位體積水中在有氧條件下，好氧微生物氧化分解單位體積水中有機物所消耗的游離氧的數(shù)量有機物所消耗的游離氧的數(shù)量，表示單位為，表示單位為氧

20、氧的毫克的毫克/升升（O2，mg/l）化學(xué)需氧量化學(xué)需氧量反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度，這些反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度，這些物質(zhì)包括物質(zhì)包括u有機物有機物u亞硝酸鹽亞硝酸鹽u亞鐵鹽亞鐵鹽u硫化物硫化物但一般水及廢水中無機還原性物質(zhì)的數(shù)量相對不大，而但一般水及廢水中無機還原性物質(zhì)的數(shù)量相對不大，而被有機物污染是很普遍的，因此，被有機物污染是很普遍的，因此，COD可作為有機物質(zhì)可作為有機物質(zhì)相對含量的一項綜合性指標(biāo)。相對含量的一項綜合性指標(biāo)。化學(xué)需氧量化學(xué)需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）p 是在一定的條件下，采用一定的強氧化劑（是在一定的條件下，采用一定的強氧化劑（K2Cr2O7）處理水樣時，所消耗的氧化劑量，以氧的處理水樣時，所消耗的氧化劑量，以氧的mg/L表示。表示。p 它是表示水中還原性物質(zhì)多少的一個指標(biāo)。它是