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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第二节污水生物处理基本原理第三节微生物的生长规律和生长环境第四节反应速度和反应级数第五节微生物生长动力学第一节概述第一节概述(略)第二节污水生物处理基本原理废水的好氧生物处理和厌氧生物处理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。底物降解:污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质。可生物降解有机物量:可通过生物的降解转化的量。可生物降解底物量:包括有机的和无机的可生物利用物质。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磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+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。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。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。HNAD(P)HNAD(P)H2H2好氧呼吸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:异氧微生物又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而获得能量的微生物。光能异氧微生物:以光为能源,以有机物为供氢体还原CO2,合成有机物的一类厌氧微生物。有机废水的好氧生物处理,如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14ONOHC4222729112.自养型微生物自养型微生物以无机物为底物(电子供体),其终点产物也是无机物,同时放出能量。能量SOH2OSH4222能量OH2HNO2ONH2324大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的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:需要阳光或灯光作能源,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:化能自养微生物不具备色素,不能进行光合作用,合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。光叶绿素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。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:总反应式:4[H]COCOOH2CHOHC36126CHO2CH2COCOCOOH2CH323OHCH2CHCHO2CH4[H]23392.0kJ2COOHCH2CHOHC22361262.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。在反硝化作用中,受氢体为NO3-,可用下式所示:总反应式:在无氧呼吸过程中,供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体,并伴随有磷酸化作用,底物可被彻底氧化,能量得以分级释放,故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中,故释放的能量不如好氧呼吸的多。24[H]6COO6HOHC226126O12H2N4NO24[H]2231755.6kJ2NO6H6CO4NOOHC22236126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+92.0kJ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。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应,逐级释放能量,最终以低能位的无机物质稳定下来,达到无害化的要求,以便返回自然环境或进一步处置。废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。废水的好氧生物处理图示表明,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。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。且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。废水的好氧生物处理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。在这个过程中,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。由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源,故运行费用低。此外,它还具有剩余污泥量少、可回收能量(CH4)等优点。其主要缺点是反应速度较慢,反应时间较长,处理构筑物容积大等。为维持较高的反应速度,需维持较高的温度,就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水(一般BOD5≥2000mg/L)可采用厌氧生物处理法。废水的厌氧生物处理脱氮除磷基础理论生物脱氮氨化作用:污水中含氮化合物主要是以有机氮,如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的,此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用,很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物,其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物,在氨化微生物的作用下,有机氮化合物分解、转化为氨态氮,以氨基酸为例:322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH硝化反应是在好氧条件下,将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。O2H4H2NO3O2NH22亚硝酸菌24322NO2O2NO2硝酸菌总反应式为:OHH2NOO2NH2324硝化细菌硝化细菌是化能自养菌,生长率低,对环境条件变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机负荷等都会对它产生影响。硝化反应:反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸还原菌-222326OHOH3CO3N3OHCH36NO亚硝酸还原菌反硝化菌属异养兼性厌氧菌,在有氧存在时,它会以O2为电子进行呼吸;在无氧而有NO3-或NO2-存在时,则以NO3-或NO2-为电子受体,以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌总反应式为:反硝化反应:在反硝化菌代谢活动的同时,伴随着反硝化菌的生长繁殖,即菌体合成过程,反应如下:O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47.0NOH.065C0HOHCH08.1NO22227533式中:C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化还原和微生物合成的总反应式为:同化作用:从以上的过程可知,约96%的NO3-N经异化过程还原为氮气,4%经同化过程合成微生物。生物除磷(BPR)生物除磷(biologicalPhosPhorusremoval,BPR)最基本的原理即是在厌氧一好氧或厌氧一缺氧交替运行的系统中,利用聚磷微生物(PhosPhorusaccumulationorganisms,PAOs)具有厌氧释磷及好氧(或缺氧)超量吸磷的特性,使好氧或缺氧段中混合液磷的浓度大量降低,最终通过排放含有大量富磷污泥而达到从污水中除磷的目的。生物除磷的机理目前尚未完全清楚,现普遍接受的有以下几个方面的认识(1)生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成,由于聚磷菌能在厌氧状态下同化发酵产物,使得聚磷菌在生物除磷系统中具备了竞争的优势。先前的研究结果表明,不动杆菌纯培养物中聚积的磷量占生物量的30%以上,是主要的除磷菌。近年来,陆续有文献报道,不动杆菌并不是污水生物除磷处理系统中唯一的除磷菌。(2)在厌氧状态下,兼性菌将溶解性有机物转化成挥发性脂肪酸(VFA);聚磷菌把细胞内聚磷水解为正磷酸盐,并从中获得能量,吸收污水中的易降解的COD(如VFA),同化成胞内碳能源存贮物聚β一羟基丁酸(PHB)或聚β一羟基戊酸(PHV)等。(3)在好氧或缺氧条件下,聚磷菌以分子氧或化合态氧作为电子受体,氧化代谢胞内贮存物PHB或PHV等,并产生能量,过量地从污水中摄取磷酸盐,能量以高能物质ATP的形式存贮,其中一部分又转化为聚磷,作为能量贮于胞内,通过剩余污泥的排放实现高效生物除磷目的。常在生物除磷系统中出现的其他细菌主要有假单胞菌属(Pseudomonas)、气单胞菌属(Aeromonas)、放线菌属(Actinomyc。)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。第三节微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。按微生物生长速率,其生长可分为四个生
本文标题:水污染控制工程课件_第三版_高廷耀_高等教育出版社_第十一章
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