废水生物处理原理.

废水生物处理原理课程主要内容生物化学基础废水的脱氮与除磷12345678生物化学基础细菌的呼吸与生物氧化病毒（噬菌体）第一讲生物化学基础细菌的生理微生物代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细菌的生物催化剂——酶细菌成分、营养与生长环境水处理中的微生物第一节原核细胞微生物细菌：给水和废水处理中最重要的一类微生物粘液层：有些细菌在一定环境条件下可形成一层粘液性物质，包围在细胞壁外，这层物质叫粘液层。其主要成分是多糖和果胶类物质。荚膜：粘液层呈现均匀厚度时，成为荚膜。菌胶团：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。菌胶团细菌：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。水处理中的微生物原核细胞生物仅有原始的核物质，无核膜与核仁的分化，也无细胞器第一节原核细胞微生物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。水处理中的微生物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。细菌种类产碱杆菌属动胶菌属黄杆菌属假单胞菌属葡萄球菌属微球菌属埃希氏菌属芽孢杆菌属甲烷八叠球菌属甲烷杆菌属甲烷球菌属需氧性细菌。细菌中较大的菌属，在土壤和水体中极常见。有的能够利用硝酸盐通过厌氧呼吸进行反硝化。兼性厌氧化能异养型细菌。可分解蛋白质。第一节原核细胞微生物丝状菌（FilamentousBacteria）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。水处理中的微生物污泥膨胀：丝状菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状菌的大量繁殖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。构成生物膜的重要菌种。易于游离，发生污泥膨胀。（加设生物选择器控制）一般生活在含氧少、溶有较多铁质和二氧化碳的水中。易造成铁质水管腐蚀和堵塞第一节原核细胞微生物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。不少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能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起重要作用。水处理中的微生物蓝细菌有时列入藻类，也称为蓝藻。细胞结构为原核。海洋中的“赤潮”有时也是蓝细菌大量繁殖所致。第二节真核细胞微生物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）。其作用主要在于吞噬细菌——控制细菌的增殖速度，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，吸收溶解性有机物——直接发挥净化作用。水处理中的微生物真核细胞生物细胞核化程度较高，有核膜和核仁。第二节真核细胞微生物真菌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。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。水处理中的微生物藻类含有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。第三节病毒水处理中的微生物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组成的大分子，只含有DNA或RNA一种类型的核酸。第四节细菌的成分细菌的生理细菌生长所必需的营养物必须包含该细胞的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。细菌所含的主要生物元素：C、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Cl、Fe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：Zn、Mn、Cu、Co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的作用。细菌的有机组成成分细菌的生理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第五节细菌的营养与生长环境细菌的生理新陈代谢（metabolism）是维持生命的各种活动（生长、繁殖、运动等）过程中，生物化学变化（包括物质的分解合成）的总称。细菌的新陈代谢是细菌不断从外界环境中摄取其生长与繁殖所必需的营养物质，同时又不断将自身产生的代谢产物排泄到外界环境中去的过程。新陈代谢包括：同化作用和异化作用。吸收能量，进行合成反应将吸收的营养物转化为细胞物质的过程提供基质同化作用第五节细菌的营养与生长环境细菌的生理分解反应，放出能量，将自身细胞物质和细胞内的营养物质分解的过程。异化作用提供物质基础和能量来源细菌的营养类型OHATPPADPi2光细菌的生理光能营养型：具有光合作用机构，可将光能转化为ATP的高能磷酸键。类型电子供体电子受体代表细菌光能自养型H2OH2S、S、H2CO2CO2蓝细菌着色菌科光能异养型各种有机物有机物红螺菌科细菌的营养类型细菌的生理化能营养型：依靠各种氧化还原反应获得ATP。redoxoxredBABAADP+PiATP+H2O类型电子供体电子受体代表细菌化能自养型NH3O2亚硝酸单胞菌化能异养型有机物有机物NO3-SO42-硝酸盐还原菌硫酸盐还原菌营养物质的传递细菌的生理渗透作用（被动扩散）：物质由高浓度区透过细胞膜向低浓度区扩散。水、气体、某些离子（如Na+，K+）促进扩散：通过专一性的膜蛋白质载体传送物质。不需能量、专一性、浓度梯度主动运输：对底物具有专一性、需要代谢能、运输并释放到细胞内的底物性质不变。可以逆浓度梯度。细菌的生长环境细菌的生理环境因素：温度：高温杀菌主要由于菌体的主要成分蛋白质遇热凝固变性所致。低温条件下，细菌代谢活动降低，并不致死亡。pH值：改变底物和菌体酶蛋白的带电状态氧化还原条件：一般用氧化还原电势E表示光线、压力、干燥（水分）、化学药剂等驯化：废水生物处理中，有计划、有目的地控制细菌生长条件，使细菌遗传性有利于处理废水的定向诱导过程。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。第六节细菌的生物催化剂——酶细菌的生理酶的名称催化反应氧化还原酶转移酶水解酶异构酶裂解酶合成酶ABCABCXABYABXYXABYYABXABAB2ABHOAHBOHABAB影响酶催化活性的因素细菌的生理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1～2倍。激活剂：加强催化效力。常用Fe++抑制剂：减弱、抑制甚至破坏酶的作用。如重金属离子失活酶活性酶NH3+COOH失活酶NH2COO-COO-NH3+H+H+OH-OH-oo10otCCtCQ在（+10）的反应速率温度系数时的反应速率当细菌处于平衡生长时，如果生物量增长一倍，则细菌体内的所有可测量物质，如蛋白质、RNA等也增长一倍。即：平衡生长的细菌，其化学组成是恒定的。第七节分批培养物的生长规律细菌的生理平衡生长的细菌培养物的增殖率：为比增殖速率（h-1），N，X，Z分别为每毫升溶液中细菌个数、质量、任何一种细胞成分。dNNdtdxXdtdZZdt第七节分批培养物的生长规律细菌的生理倍增时间（增代时间）td：细菌培养物的各种成分增为原来的两倍所需时间。0.693dt例如：E.Coli在40oC倍增时间为0.35h，说明在0.35h内，数量可增加一倍。由td可算出比增殖速率为：10.69320.35hMonod方程：maxsK细菌的生长曲线细菌的生理生长曲线：滞后期——指数增长期——静止期——死亡期指数增长期：细菌的增殖速率dx/dt与限制营养物的减少dρ/dt呈正比例关系。Y为产率因数，代表每克营养物所产生的细菌质量。dxdYdtdt/g/gY细菌产量限制营养物消耗量时间时间第八节细菌的呼吸与生物氧化细菌的生理细菌的呼吸作用：以有机物或无机化合物为电子供体（使之氧化），无机化合物为电子受体（使之还原），从而产生ATP的代谢过程。通常电子受体为分子氧。细菌根据呼吸类型不同可分为：需氧菌（好气菌）、厌氧菌（厌气菌）、兼性菌（兼气菌）。氧在好氧过程中的作用：（1）作为最终电子受体，被还原为水（2）作为底物在代谢中被结合到有机物的产物中第九节需氧代谢微生物的代谢与合成无论是降解或合成代谢，都可分为三个阶段：水解——酵解——三羧酸循环三羧酸循环：降解的组后阶段合成的起始阶段整个代谢过程的核心第十节厌氧代谢微生物的代谢与合成厌氧生物代谢过程可分为三阶段：第一阶段：由兼性细菌产生的水解酶类，将大分子物质或不溶性物质水解为低分子可溶性物质。（如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等）第二阶段：由产酸细菌将可溶性有机物氧化为低分子的有机酸、醇等，并合成新细胞物质。第三阶段：由产甲烷细菌把第二阶段产物进一步氧化为甲烷、二氧化碳等，并合成新的细胞物质。第二讲废水生物化学处理基础第一节第二节第三节细菌的连续增殖细菌增殖速率与底物消耗速率的关系BOD与TbOD第一节细菌的连续增殖废水生物化学处理基础连续培养器：一方面保持细菌处于指数生长期，另一方面控制细菌的总量不变。恒化器：控制培养液中某一限制营养液为恒定值，间接控制细菌增殖率恒浊器：控制培养物溢流的浊度为恒定值，直接控制细菌增殖率溢流流量fmL/h容积V含xg细菌限制营养物浓度ρ排气灭菌空气灭菌培养液fmL/h限制营养物浓度ρi恒化器示意保持一种限制营养物在恒化器进口处恒定，其余成分浓度过剩废水生物化学处理基础每小时溢流排出细菌质量为：稳定条件下：增殖量＝溢流量由Monod方程求稳态条件下的营养物质浓度：稳态条件下细菌质量：恒化器1xfmLfDxV中细菌质量＝/DfV稀释率：dxxDxdtmaxsDKmaxsKDDmax()()iisdxxDDDdtYYK0ddtmax()siKDxYD废水生物化学处理基础第二节细菌增殖速率与底物消耗速率废水生物化学处理基础由于细菌生长新的细胞物质而消耗：为维持细菌处于活的状态所需的能量：底物的消耗可分为：根据：可得：生长)(dtd维持)(dtd生长维持总)()()(dtddtddtddtdxYdtd1)(总dtdxYdtdG1)(生长mxdtd维持)(GYxmxYxGYmY11第二节细菌增殖速率与底物消耗速率废水生物化学处理基础GYmY11Oh/1Y1GY1dtdxYmxdtdG1)(总mxYdtdYdtdxGG总)(mYbGbxRYRoGgbxdtdYdtdxG令：第三节BOD与TbOD废水生物化学处理基础生化需氧量：水中有机物通过微生物氧化变成简单无机化合物的过程中，对水中溶解氧的消耗速率。内源代谢（内源呼吸）：水中食物不足时，细菌从本身物质中吸取能量维持生命的现象。OHCOOOHC2226126666葡萄糖氧化：生化需氧量＝2.67×有机物碳原子质量浓度3222275255NHOHCOONOHC细菌氧化分解：每克干细菌完全氧化，约需单体氧1.42gOHCONOHCNHOOHC222753261261105917175924细菌细胞合成：每合成1克干细菌，约需单体氧0.985gTbOD试验废水生物化学处理基础BOD坪值：微生物生长进入静止期，生化需氧量的增长很快缓慢下来，这时生化需氧量的历时曲线出现一个台阶，这一点的BOD值称为BOD坪值。总BOD＝BOD坪值+细菌的BOD理论值CODCOD混合液最小混合液初始uCODTbO