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1、第十二章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处理工艺废水处理工艺 城市污水处理系统简介城市污水处理系统简介格栅格栅 沉砂沉砂一沉池一沉池消毒消毒低效处理低效处理稳定塘稳定塘曝气塘曝气塘高效处理高效处理活性污泥活性污泥生物滤池生物滤池生物转盘生物转盘二沉池二沉池消毒三三 级级 处处 理理二二 级级 处处 理理一级处理一级处理预处理预处理溶解性溶解性固体固体反渗透反渗透电解电解蒸馏蒸馏有机物有机物活性炭活性炭吸附吸附悬浮物悬浮物化学絮凝化学絮凝过滤过滤除磷除磷化学沉淀化学沉淀脱氮脱氮硝化硝化- -反硝化反硝化离子交换离子交换折点氯化折点氯化吹脱吹脱污污泥泥处处理理生物处理生物处理浓
2、缩、消化浓缩、消化脱水、过滤脱水、过滤离心、干化离心、干化非生物处理非生物处理浓缩、调理浓缩、调理脱水、过滤脱水、过滤离心、焚烧离心、焚烧进水出水出水出水污泥处置污泥处置消毒消毒生物处理系统三个基本要素生物处理系统三个基本要素 :u作用者作用者：微生物：微生物u作用对象作用对象：可被微生物利用的污染物，如有机物可被微生物利用的污染物，如有机物u环境条件环境条件：DODO、pHpH、T T、ORPORP、营养物质等、营养物质等好氧生物处理：水中存在溶解氧好氧生物处理：水中存在溶解氧缺氧生物处理：水中无分子氧但有化合态氧缺氧生物处理：水中无分子氧但有化合态氧厌氧生物处理：水中既无分子氧又无化合态氧
3、厌氧生物处理：水中既无分子氧又无化合态氧悬浮生长法悬浮生长法 典型代表：活性污泥法典型代表：活性污泥法附着生长法附着生长法 典型代表：生物膜法典型代表：生物膜法主要参考书主要参考书1 1、高廷耀、顾国维、周琪主编：水污染控制工程（第三版）高等教育出、高廷耀、顾国维、周琪主编：水污染控制工程（第三版）高等教育出版社版社2 2、梅特卡夫和埃迪公司：废水工程、梅特卡夫和埃迪公司：废水工程 处理及回用处理及回用 化学工业出版社化学工业出版社3 3、张自杰、张自杰 排水工程（下册）（第四版）中国建筑工业出版社排水工程（下册）（第四版）中国建筑工业出版社4 4、张自杰、张自杰 主编：废水处理理论与设计主编
4、：废水处理理论与设计 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社5 5、张忠祥、钱易：废水生物处理新技术、张忠祥、钱易：废水生物处理新技术 清华大学出版社清华大学出版社6 6、R.E.R.E.斯皮斯著斯皮斯著 工业废水的厌氧生物技术工业废水的厌氧生物技术 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社7 7、相关设计规范、相关设计规范 室外排水设计规范室外排水设计规范（GB50014-2006)(2011GB50014-2006)(2011年修订版）年修订版） 环境保护技术规范环境保护技术规范( (环保部网站）环保部网站） （http:/ Environmental Biotechnology Environ
5、mental Bioengineering 现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科在解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。决环境污染问题中具有非常重要的作用。 环境生物技术的环境生物技术的核心是微生物工程核心是微生物工程微生物对污染物降解的巨大潜力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，宽较大的酵母菌，一般为椭圆形，宽1-5um,1-5um,长长5-30um5-30um。_比表面积大：比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表面积约为人的大肠杆菌与人相比，其比表面积约
6、为人的3030万倍，为营养物的吸收与代谢产物的排泄奠定了基础；万倍，为营养物的吸收与代谢产物的排泄奠定了基础；_代谢速度快代谢速度快：发酵乳糖的细菌在：发酵乳糖的细菌在1hr1hr内可分解其自重的内可分解其自重的100010 000100010 000倍；假丝酵母（倍；假丝酵母（Candida utilisCandida utilis）合成蛋白质的能）合成蛋白质的能力比大豆强力比大豆强100100倍，比食用公牛强倍，比食用公牛强1010万倍。万倍。种类繁多、分布广泛、代谢类型多样种类繁多、分布广泛、代谢类型多样 W. B. Whitman (U. Of Georgia)W. B. Whitma
7、n (U. Of Georgia)细菌普查，地球上存在细菌普查，地球上存在5 5 10103030个细菌个细菌, , 非常活跃的群体在海、陆、空等一般环非常活跃的群体在海、陆、空等一般环境和极端环境中的境和极端环境中的极端环境微生物；极端环境微生物；Pseudomonas Pseudomonas cepaciacepacia：能降解：能降解9090种以上有机物种以上有机物; ; 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。物质分解利用。繁殖快、易变异、适应性强繁殖快、易变异、适应性强 大肠杆菌在条件适宜时大肠杆菌在条件适宜时17
8、min17min就分裂一次；有一种假单胞就分裂一次；有一种假单胞细菌在不到细菌在不到10min10min就分裂一次；就分裂一次； 低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下可以快低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下可以快速适应；速适应； 对于进入环境中的对于进入环境中的“陌生陌生”污染物，微生物可通过突变污染物，微生物可通过突变而改变原来的代谢类型而降解之而改变原来的代谢类型而降解之 废水生物处理技术经历了百余年的发展和应用，发挥了巨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。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
9、别然而，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。处理技术离尽善尽美还相差很远。污水生物处理的历程及前景展望污水生物处理的历程及前景展望 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、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。处理效果差等。从可持续发展的战略观点来衡量：从可持续发展的战略观点来衡量：
10、废水生物处理有废水生物处理有消耗大量有机碳、剩余污泥量大、释放较多二氧化消耗大量有机碳、剩余污泥量大、释放较多二氧化碳碳等缺点。等缺点。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。发展，发挥更大的作用。细菌的呼吸与生物氧化病毒（噬菌体）细菌的细菌的生理生理微生物代微生物代谢与合成谢与合成真核细胞微生物分批培养物的生长规律需氧代谢厌氧代谢原核细胞微生物原核细胞微生物细菌的生物催化剂
11、酶细菌成分、营养与生长环境水处理中水处理中的微生物的微生物第十二章第十二章 废水生化处理理论基础废水生化处理理论基础第一节第一节 水处理中的微生物水处理中的微生物 细菌细菌：给水和废水处理中最重要的一类微生物：给水和废水处理中最重要的一类微生物 菌胶团菌胶团：有些细菌的粘液层能粘结起来，使许多细菌：有些细菌的粘液层能粘结起来，使许多细菌成团块状生长，称为菌胶团。成团块状生长，称为菌胶团。 菌胶团细菌：菌胶团细菌：并非所有的细菌都能形成菌胶团，能够并非所有的细菌都能形成菌胶团，能够形成菌胶团的细菌称为菌胶团细菌。形成菌胶团的细菌称为菌胶团细菌。1 1、原核细胞生物、原核细胞生物 仅有原始的核物质
12、，无核膜与核仁的分化，也无细胞器 菌胶团：活性污泥和生物膜的重要组成部分菌胶团：活性污泥和生物膜的重要组成部分 较强的吸附和氧化能力 活性污泥性能的好坏主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构紧密程度来判断。新生菌胶团颜色较浅旺盛的生命力氧化分解有机物能力强老化菌胶团颜色较深生命力较差氧化分解有机物能力弱 为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好。细菌种类细菌种类产碱产碱杆菌属杆菌属动胶动胶菌属菌属黄杆黄杆菌属菌属假单胞假单胞菌属菌属葡萄球葡萄球菌属菌属微球微球菌属菌属埃希氏埃希氏菌属菌属芽孢芽孢杆菌属杆菌属甲烷八叠甲烷八叠球菌属球菌属甲烷甲烷杆菌属杆菌属甲烷甲烷球菌属
13、球菌属需氧性细菌。细菌中需氧性细菌。细菌中较大的菌属，在土壤较大的菌属，在土壤和水体中极常见。和水体中极常见。有的能够利用硝酸有的能够利用硝酸盐通过厌氧呼吸进盐通过厌氧呼吸进行反硝化。行反硝化。兼性厌氧化能异养兼性厌氧化能异养型细菌。可分解蛋型细菌。可分解蛋白质。白质。 丝状菌（丝状菌（Filamentous BacteriaFilamentous Bacteria） 维持废水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力。 在正常运行的废水生物处理系统中，丝状菌往往是生物絮体或生物膜的骨架，其上附着菌胶团，丝状细菌和菌胶团细菌形成互惠关系。u污泥膨胀：污泥膨胀： 丝状菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之
14、外的非丝状菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非 结构性结构性丝状菌的大量繁殖丝状菌的大量繁殖丝状菌种类丝状菌种类贝日阿托氏菌铁细菌发硫细菌球衣菌专性需氧菌。构成生物膜专性需氧菌。构成生物膜的重要菌种。易于游离，的重要菌种。易于游离，发生污泥膨胀。发生污泥膨胀。（加设生物选择器控制）（加设生物选择器控制）一般生活在含氧少、一般生活在含氧少、溶有较多铁质和二氧溶有较多铁质和二氧化碳的水中。易造成化碳的水中。易造成铁质水管腐蚀和堵塞铁质水管腐蚀和堵塞 放线菌放线菌 单细胞微生物。具有分枝的丝状菌，介于真菌和细菌之间。单细胞微生物。具有分枝的丝状菌，介于真菌和细菌之间。 不少抗生素是由放线菌产生不少
15、抗生素是由放线菌产生 放线菌中的诺卡氏菌属有分解无机氰化物和烃类化合物的放线菌中的诺卡氏菌属有分解无机氰化物和烃类化合物的能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起重要作用。能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起重要作用。u蓝细菌蓝细菌 有时列入藻类，也称为蓝藻。细胞结构为原核。有时列入藻类，也称为蓝藻。细胞结构为原核。海洋中的海洋中的“赤潮赤潮”有时也是蓝细菌大量繁殖所致。有时也是蓝细菌大量繁殖所致。 原生动物：单细胞动物原生动物：单细胞动物 常被用作系统的指示生物（主要用于城市污水）。常被用作系统的指示生物（主要用于城市污水）。 其作用主要在于吞噬细菌其作用主要在于吞噬细菌控制细菌的增殖速
16、度，控制细菌的增殖速度，保持微生物群体的生态平衡。保持微生物群体的生态平衡。 还可直接吞食废水中的固体有机物，吸收溶解性有机还可直接吞食废水中的固体有机物，吸收溶解性有机物物直接发挥净化作用。直接发挥净化作用。2 2、真核细胞生物、真核细胞生物 细胞核化程度较高，有核膜和核仁。 真菌真菌 类似植物的低等生物，结构比细菌、放线菌复杂。类似植物的低等生物，结构比细菌、放线菌复杂。 真菌形态有单细胞和多细胞两种。真菌形态有单细胞和多细胞两种。 与水的生物处理相关的是单细胞的酵母菌和多细胞的霉与水的生物处理相关的是单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。菌。u藻类藻类 含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。含有
17、能进行光合作用的叶绿素的低等植物。自然生物处理技术（氧化塘）常利用藻类的光合作用。自然生物处理技术（氧化塘）常利用藻类的光合作用。3 3、病毒、病毒 没有细胞结构的唯一的微生物，大多数为核酸与蛋白质没有细胞结构的唯一的微生物，大多数为核酸与蛋白质组成的大分子，只含有组成的大分子，只含有DNADNA或或RNARNA一种类型的核酸。一种类型的核酸。第二节第二节 微生物组成与生长环境因子微生物组成与生长环境因子1 1、微生物组成元素、微生物组成元素 细菌生长所必需的营养物质细菌生长所必需的营养物质( (必须包含该细胞物质中所含必须包含该细胞物质中所含的元素），以及酶的活力及运输系统所必须的元素。的元
18、素），以及酶的活力及运输系统所必须的元素。 细菌所含的主要生物元素：细菌所含的主要生物元素： C C、H H、OO、NN、P P、S S、K K、NaNa、MgMg、CaCa、ClCl、FeFe等；等； 根据主要元素占细菌干重的比例，判断水质中含有的主要根据主要元素占细菌干重的比例，判断水质中含有的主要元素含量是否满足细菌生长需要量。元素含量是否满足细菌生长需要量。 细菌所含的次要生物元素：细菌所含的次要生物元素： ZnZn、MnMn、CuCu、CoCo等等 次要元素在细菌代谢中必不可少，起专一的催化或结构上次要元素在细菌代谢中必不可少，起专一的催化或结构上的作用。的作用。微生物微生物组成组成
19、水水80干物质干物质20无机质无机质10有机物有机物90C 53.1%,O 28.3%,N 12.4%,H 6.2%P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等等细菌的有机组成成分细菌的有机组成成分 Hoover实验式：C5H7NO2 或 C60H87O23N12P Helmer实验式：C7H10NO3 或 C118H170O51N17P 为了便于写出反应大致的化学计量关系，对反应过程所需的物质量进行估算，采用下式代表细菌的成分： C5H7NO2 一般估算好氧微生物营养比例：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：
20、厌氧微生物营养比例： BOD N P 400 5 1各类微生物所生长的温度范围不同，约为各类微生物所生长的温度范围不同，约为5 80 。可分为最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度（是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）。指微生物生长速度最快时温度）。2、影响微生物生长的环境因素 温 度 温度超过最高生长温度时，蛋白质迅速变性及酶系统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。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，低温会使微生物代谢活力降低，生长繁殖停止状态，但可
21、能仍保存其生命力。但可能仍保存其生命力。类别类别生长温度（生长温度（）备注备注最低最低最适最适最高最高低温性微生物低温性微生物-5-50 01010202025253030水生微生物水生微生物中温性微生物中温性微生物5 510102020404045455050大多数腐生性微生物以及所有大多数腐生性微生物以及所有寄生性微生物寄生性微生物高温性微生物高温性微生物252545455050606070708080土壤、堆肥、温泉中的微生物土壤、堆肥、温泉中的微生物 不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的pHpH适应范围。适应范围。 需要指出的是需要指出的是pHpH值是指值是指混合液而言混合液而言。
22、对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以。对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲作用。有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲作用。 pH值对细菌生长的影响，主要是可以改变底物和菌体酶蛋白的带电状态。 细菌、放线菌、藻类和原生动物的细菌、放线菌、藻类和原生动物的pHpH适应范围是在适应范围是在4 41010之间。之间。 大多数细菌适宜中性和偏碱性（大多数细菌适宜中性和偏碱性（pHpH6.56.57.57.5）的环境。）的环境。 废水生物处理过程中应保持最适废水生物处理过程中应保持最适pHpH范围。范围。 当废水的当废水的pHpH变化较大时，
23、应设置调节池，使进入反应器（如曝变化较大时，应设置调节池，使进入反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的气池）的废水，保持在合适的pHpH范围。范围。影响微生物生长的环境因素 pH值值 氧化还原电势氧化还原电势 ：各种细菌生活时要求的氧化还原条件不同。氧各种细菌生活时要求的氧化还原条件不同。氧化还原条件的高低可用氧化还原电势化还原条件的高低可用氧化还原电势E E来表示。来表示。一般需氧细菌要求一般需氧细菌要求E E在在0.30.30.4V0.4V左右，但左右，但E E在在0.1V0.1V以上均可生长；以上均可生长；厌氧菌则需要厌氧菌则需要E E在在0.1V0.1V以下才能生活；对于兼性细菌来说，
24、以下才能生活；对于兼性细菌来说，E E在在0.1V0.1V以上，进行需氧呼吸，以上，进行需氧呼吸，E E在在0.1V0.1V以下，则进行厌氧呼吸。以下，则进行厌氧呼吸。在废水生物处理的一般运转情况下，需氧的活性污泥法系统，在废水生物处理的一般运转情况下，需氧的活性污泥法系统，E E常在常在200200600mV600mV之间。生物滤池（高负荷）法滤池出水的之间。生物滤池（高负荷）法滤池出水的E E随着随着滤池处理效率的降低，自滤池处理效率的降低，自311mV311mV降至降至-39mV-39mV，二次沉淀池出水，二次沉淀池出水E E可降可降至至-89mV-89mV，这是由于氧的消耗和还原性物质
25、如氢的硫化氢的产生造，这是由于氧的消耗和还原性物质如氢的硫化氢的产生造成的。厌氧生物处理中污泥消化池中成的。厌氧生物处理中污泥消化池中E E值常保持在值常保持在-100-100-200mV-200mV的的范围内。范围内。影响微生物生长的环境因素ORP 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。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好氧微生物处理的溶解氧一般以2 24mg/L4mg/L为宜；厌氧生物处理为宜；厌氧生物处理溶解氧在溶解氧在0.5mg/L0.5mg/L以下。以下。 活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧浓度也就活性污泥絮凝体的大小不
26、同，所需要的最小溶解氧浓度也就不一样。不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。溶解氧浓度就大。 为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此溶解氧浓度以溶解氧浓度以2-3mg/L2-3mg/L左右左右为宜。为宜。 溶解氧溶解氧 在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制在工业废水中，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和杀害
27、作用的化学物质，这类物质我们称之为有毒物质，毒物质，主要包括人工合成有机物和重金属主要包括人工合成有机物和重金属等。等。 在废水生物处理时，对这些有毒物质应严加控在废水生物处理时，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。制，但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。 有毒物质 影响微生物生长的环境因素 驯化：驯化：废水生物处理中，有计划、有目的地控制细菌废水生物处理中，有计划、有目的地控制细菌生长条件，件使细菌遗传性有利于处理废水的定向诱生长条件，件使细菌遗传性有利于处理废水的定向诱导过程。其目的是使微生物适应环境。导过程。其目的是使微生物适应环境。吸收能量，进行吸收能量，进行
28、合成反应将吸收合成反应将吸收的营养物转化为的营养物转化为细胞物质的过程细胞物质的过程提供基质提供基质同化同化作用作用第三节 微生物新陈代谢分解反应，放出分解反应，放出能量，将自身细能量，将自身细胞物质和细胞内胞物质和细胞内的营养物质分解的营养物质分解的过程。的过程。异化异化作用作用提供物质基础和能量来源提供物质基础和能量来源1 1、对有机物的去除，二者都有重、对有机物的去除，二者都有重要贡献；要贡献；2 2、合成量的大小，对后续污泥的、合成量的大小，对后续污泥的处理有直接影响处理有直接影响（污泥的处理费用一般可以占整（污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的个城市污水处理厂的4050%40
29、50%）。）。磷酸根磷酸根+代谢过程中的能量循环代谢过程中的能量循环能量循环：三磷酸腺苷能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphateATP(adenosine triphosphate) )AMP+AMP+PADP+ PADP+ P ATPP ATP ADP ADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP；ATPATP水解产生能量。水解产生能量。低能化合物低能化合物高能化合物高能化合物ATP能能量量生理需要生理需要细胞合成细胞合成热能释放热能释放ADP微微 生生 物物 的的 呼呼 吸吸 类类 型型微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能好
30、氧呼吸好氧呼吸厌氧呼吸厌氧呼吸根据氧化的底物、氧化产物的不同根据氧化的底物、氧化产物的不同 按反应过程中的最终受氢体的不同按反应过程中的最终受氢体的不同 自养型微生物自养型微生物 无氧呼吸无氧呼吸异养型微生物异养型微生物发发 酵酵根据受氢体的不同分为根据受氢体的不同分为好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同，水平不同， 如下表所示。如下表所示。呼吸方式呼吸方式受氢体受氢体化学反应式化学反应式好氧呼吸好氧呼吸能量利用率能量利用率4242分子氧分子氧C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ无氧呼吸无氧呼吸无机物无
31、机物C6H12C6+4NO3 - 6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ发酵发酵能量利用率能量利用率2626有机物有机物C6H12C6 2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ光能营养菌光能营养菌：利用光和作用机构，将光能转化为：利用光和作用机构，将光能转化为ATPATP的高的高能磷酸键，分为光能自养型、光能异养型。能磷酸键，分为光能自养型、光能异养型。类型类型电子供体电子供体电子受体电子受体代表细菌代表细菌光能自养型光能自养型H2OCO2蓝细菌（含叶绿素）蓝细菌（含叶绿素）H2S，S，H2CO2着色细菌着色细菌绿细菌绿细菌光能异养型光能异养型各种有机物各种有机物有机物有机物红螺菌科红
32、螺菌科（Rhodospirillum） 化能有机营养菌：化能有机营养菌：能利用有机物作为电子供体的称为化能有能利用有机物作为电子供体的称为化能有机营养菌，或者化能异养菌，它们包括各种需氧菌和厌氧菌。机营养菌，或者化能异养菌，它们包括各种需氧菌和厌氧菌。类型类型电子供体电子供体电子受体电子受体碳源碳源代表细菌代表细菌化能有机营养化能有机营养有机物有机物O2有机物有机物各种细菌各种细菌有机物有机物NO3-有机物有机物地衣芽孢杆菌地衣芽孢杆菌有机物有机物SO42-有机物有机物硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌有机物有机物有机物有机物有机物有机物梭菌、乳酸菌梭菌、乳酸菌化能无机营养化能无机营养H2O2CO2氢氢
33、-氧化细菌氧化细菌H2SO2CO2硫杆菌硫杆菌H2SNO3-CO2脱氮硫杆菌脱氮硫杆菌Fe2+O2CO2氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌NH3O2CO2亚硝酸单胞菌亚硝酸单胞菌NO2-O2CO2硝化杆菌硝化杆菌H2CO2CO2产甲烷细菌产甲烷细菌H2CO2CO2醋杆菌醋杆菌营养物CO2H2O新生细胞有机化合物合成细菌合成细菌能量能量O2a 好氧、异养菌好氧、异养菌营养物NO2或NO3新生细胞CO2合成细合成细菌能量菌能量O2b 好氧、自养菌好氧、自养菌NH4营养物CO2CH4新生细胞有机化合物合成细菌合成细菌能量能量c 厌氧、异养菌厌氧、异养菌细菌代谢类型示意图细菌代谢类型示意图好氧活性污泥中微生
34、物的代谢产物模式图好氧活性污泥中微生物的代谢产物模式图：有机污染物有机污染物CxHyOz代谢产物代谢产物CO2,H2O合成细胞物质合成细胞物质C5H7NO2+O2 微生物微生物+ 能量能量+O2（内源呼吸）（内源呼吸）内源呼吸内源呼吸产物产物CO2、H2O内源呼吸内源呼吸残留物残留物合合成成代代谢谢分分解解代代谢谢+ 能量能量有机有机污染物污染物1/31/32/32/3无机物无机物+ +能能细胞物质细胞物质20%20%80%80%无机物无机物+ +能能残留物质残留物质n有机污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物有机污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化
35、的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化( (仅仅3333) )。酶（enzyme）：由活细菌细胞产生的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质。第四节 细菌的生物催化剂酶酶的名称酶的名称催化反应催化反应氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶水解酶水解酶异构酶异构酶裂解酶裂解酶合成酶合成酶ABCABCXABYABXYXA B YYA B X ABAB2ABH OAHBOHABAB影响酶催化活性的因素影响酶催化活性的因素 pH值：当底物为两性电解质时，随pH变化表现出不同的解离状态。 温度：在酶的最适宜温度范围内，每升高10oC，反应速率增加12倍。 激活剂：加强催化效力。常用Fe2+ 抑制剂：减弱、抑制甚至破坏
36、酶的作用。如重金属离子失活酶失活酶活性酶活性酶NH3+COOH失活酶失活酶NH2COO-COO-NH3+H+H+OH-OH-oo10ot CCt CQ在（+ 10）的反应速率温度系数时的反应速率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。反应速率受率受酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、反应产物、活化剂和抑制、温度、反应产物、活化剂和抑制剂剂等因素的影响。等因素的影响。 在底物足够又不受其他因素影响时，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酶促反应速度与酶浓度成正成正比。比。 当底物浓度在较低范围内，而其他
37、因素恒定时，这个当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应速度与底反应速度与底物浓度成正比物浓度成正比，是一级反应。，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。底物浓度并不相同，甚至差异有时很大。二、酶促反应速度二、酶促反应速度底物浓度对酶反应速率的影响底物浓度对酶反应速率的影响目前较公认的是目前较公认的是19131913年由年由Michue lis
38、Michue lis 和和MentenMenten首先提出的中间产首先提出的中间产物学说。物学说。基本论点是，首先由酶（基本论点是，首先由酶（E E）和底物（）和底物（S S）结合生成中间产物）结合生成中间产物（ESES），然后中间产物再形成产物（），然后中间产物再形成产物（P P），同时使酶（），同时使酶（E E）重新游离）重新游离出来，表示为下列反应出来，表示为下列反应E + S ES P + E 中间产物假说中间产物假说 米氏方程式表示整个反应中底物浓度与酶促反应速度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：之间关系，即：式中式中: :V酶促反应速度；酶促反应速度； V
39、maxmax最大酶反应速度；最大酶反应速度； S底物浓度；底物浓度； K Kmm米氏常数。米氏常数。 由上式得：由上式得： 该式表明，当该式表明，当V Vmaxmax/ /V V=2=2或或V V=1/2=1/2V Vmaxmax时，时，K Kmm=S S，即即K Kmm是是V V=1/2=1/2V Vmaxmax时的底物浓度，故又称半速度常数。时的底物浓度，故又称半速度常数。 SKSVSKSVVmmaxmmax) 1(maxmVVSK 米氏方程式米氏方程式 当当底物浓度底物浓度S S很大很大时，时，S SKKmm，K Kmm+ +S SS S，酶反应速度达到最，酶反应速度达到最大值，即大值，
40、即V=V=V Vmaxmax, ,呈零级反应呈零级反应，在这种情况下，只有增大底物，在这种情况下，只有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。浓度，才有可能提高反应速度。 当当底物浓度底物浓度S S较小较小时，时，SKSKmm，K Kmm+S=K+S=Kmm，酶反应速度和底物，酶反应速度和底物浓度成正比例关系，即浓度成正比例关系，即 呈呈一级反应。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。的增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。SKVVmmax 实际应用时
41、，我们采用了微生物浓度实际应用时，我们采用了微生物浓度c cx x代替酶浓度代替酶浓度c cE E。通过试。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：米氏方程式，如下：式中式中：K Ks s为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常数。为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常数。SKSVVSmaxvmaxn=00n1n=1KS底物浓度底物浓度S1/2 vmax酶酶反反应应速速度度v1 1米氏常数的意义米氏常数的意义 K Kmm值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关 如果
42、一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个K Kmm值值 . . 同一种酶有几种底物相应有几个同一种酶有几种底物相应有几个K Kmm值，其中值，其中K Kmm值最小的值最小的 底物称为该酶的最适底物或天然底物。底物称为该酶的最适底物或天然底物。 2.K2.Kmm与与V Vmaxmax的测定的测定 一般常用的图解法为一般常用的图解法为LineweaverLineweaver-Burk-Burk作图法，也称双倒作图法，也称双倒数作图法。此法先将米氏方程式改写为如下形式：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关于米氏方程的几点说明
43、maxmaxV111SVKVm第五节第五节 微生物的生长微生物的生长生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体体积扩大的生物学过程。体积扩大的生物学过程。生长：生长：生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。繁殖：繁殖：生长是一个逐步发生的生长是一个逐步发生的量变过程量变过程，繁殖是一个产生新的生命个体的繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程质变过程。增殖曲线、影响因子、生化动力学增殖曲线、影响因子、生化动力学注意：注
44、意：1 1）间歇静态培养；）间歇静态培养；2 2）底物是一次投加）底物是一次投加微生物量微生物量时间时间氧利用速率曲线氧利用速率曲线微生物增殖曲线微生物增殖曲线(M)BOD变化曲线变化曲线(F)一、微生物的增殖曲线一、微生物的增殖曲线活性污泥的增殖曲线的分区活性污泥的增殖曲线的分区可将增殖曲线分为四个时期可将增殖曲线分为四个时期 1) 1)适应期适应期 2)2)对数增殖期对数增殖期 3)3)减速增殖期减速增殖期 4)4)内源呼吸期内源呼吸期适适应应期期对对数数期期减减速速期期内内源源期期适应期适应期 1 1）定义：）定义：微生物对于新的环境条件、污水中不同种类微生物对于新的环境条件、污水中不同
45、种类的有机物污染物等的短暂的适应过程；的有机物污染物等的短暂的适应过程； 有些教材中也叫做停滞期有些教材中也叫做停滞期 2 2）活性污泥微生物的变化：）活性污泥微生物的变化： 数量基本没有变化；数量基本没有变化； 菌体体积增大；菌体体积增大； 酶系统相应调整；酶系统相应调整； 新的变异；等。新的变异；等。 3 3）水质指标基本无变化。）水质指标基本无变化。 如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中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），或污水处理厂因（营养类型发生变化、污泥培养驯化），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现适应期。这种情况下
46、，故中断运行后再运行，则可能出现适应期。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。老状态恢复到正常状态。 适应期适应期是否存在或适应期的长短，与接种活性污泥的数是否存在或适应期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。量、废水性质、生长条件等因素有关。对数增殖期对数增殖期微生物的增值速率与基质浓度无关，呈零级反应，仅由微生物本身特有微生物的增值速率与基质浓度无关，呈零级反应，仅由微生物本身特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身生理机能的限制；的最小世代时间所控制，即只受微生物自身生
47、理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，以最高速率增殖，合成新细胞；微生物以最高速率对有机物进行摄取，以最高速率增殖，合成新细胞；活性污泥具有高的能量水平，微生物的活动能力很强，污泥质地松散，活性污泥具有高的能量水平，微生物的活动能力很强，污泥质地松散，不易形成较好的絮凝体，不易形成较好的絮凝体，沉淀性能不佳沉淀性能不佳；F/MF/M值高值高( ( 2.2 kgBOD/kgVSS.d2.2 kgBOD/kgVSS.d) )，有机物丰富，营养物质不是微生物增，有机物丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；殖的控制因素；活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；
48、当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污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增殖期。泥可能处在对数增殖期。处于对数增殖期的污泥絮凝性较处于对数增殖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，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，滤速很慢用滤纸过滤时，滤速很慢。 一般不采用此阶段作为运行工况。一般不采用此阶段作为运行工况。（但也有这样的工（但也有这样的工艺，如高负荷活性污泥法）艺，如高负荷活性污泥法）减速增殖期（静止
49、期）减速增殖期（静止期）F/MF/M值下降到一定水平后，有机物的浓度成为微生物增殖的控制因素；值下降到一定水平后，有机物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率与残存的有机物呈正比，为一级反应；微生物的增殖速率与残存的有机物呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率也开始下降；有机底物的降解速率也开始下降；微生物的增殖速率在逐渐下降，直至最终下降为零，但活性污泥的量仍微生物的增殖速率在逐渐下降，直至最终下降为零，但活性污泥的量仍持续增长并最终达到最高；持续增长并最终达到最高；絮凝体开始形成，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；出水
50、水质有较大改善，且整个系统运行稳定；出水水质有较大改善，且整个系统运行稳定；处于处于减速增殖期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤减速增殖期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时滤速快。纸过滤时滤速快。 大多数运行效果好污水厂曝气池的运行工况。大多数运行效果好污水厂曝气池的运行工况。内源呼吸期内源呼吸期内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活活性污泥的量在减少性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这