第3章 3.3-3.6生物处理绪论

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3 § 3.3 废水的好氧和厌氧生物处理生态系统: 生态系统:一定区域内相互作用的各要素(生物的和环境的)的总和. 每一种生物处理都会形成一种独特的生态系统,这种生态 系统取决于处理设施的物理设计,进水的化学性质等等 处理设施的物理设计, 处理设施的物理设计 进水的化学性质等等. 研究生物处理中的群落目的并不是简单罗列出存在的生物 ,而是为了搞清楚每一种重要种群的微生物在生物处理中 所起的作用.

微生物的呼吸: 微生物的呼吸:微生物获取能量的生理功能.根据与氧气的关系分为好氧呼吸 厌氧呼吸 好氧呼吸和厌氧呼吸 好氧呼吸 厌氧呼吸.厌氧呼吸根据最终受 氢体不同,又可以分为发酵 无氧呼吸 发酵和无氧呼吸 发酵 无氧呼吸.

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自然水体中微生物群落的结构及变化规律多污带: 多污带:细菌种类多,数量大,每毫升有几亿个细菌.例如硫酸盐还原菌与产甲烷菌等,此外还有颤蚯蚓,蚊蝇幼虫 ;

α-污带:天蓝喇叭虫,椎尾水轮虫,独缩虫,颤藻,小球藻等; 污带: β-污带:代表性生物有藻类的水花束丝藻,变异直链硅藻,舟 污带:形藻;原生动物的草履虫,聚缩虫;微型后生动物的腔轮虫,水 蚤;

寡污带: 寡污带:指示生物由鱼腥蓝细菌,黄群藻,玫瑰旋轮虫,钟虫.

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好氧系统好氧环境中的生化过程是以有氧呼吸作 好氧环境中的生化过程是以有氧呼吸作 为基础的. 用为基础的. 反应的最终受氢体是分子氧 分子氧. 反应的最终受氢体是分子氧.底 好氧反应过程实际包括:1.脱氢 好氧反应过程实际包括: 脱氢 -H 脱氢 + -H+ 子 物 脱 氢 后 被 氧 化

2.氧 氧

化氧化 化氧 -H H2O+

子+氧 子 氧

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好氧微生物可分为: 好氧微生物可分为:异养型和自养型 异养型微生物: 为底物(电子供体) 异养型微生物:以有机物为底物(电子供体) 最终产物是CO2,NH3,H2O等无机物,放出能量 等无机物, ,最终产物是 等无机物 C6H12O6+6O2 C11H29O7N+14O2+H+ 6CO2+6H2O+2817.3kJ 11CO2+13H2O+NH4++能量

自养型微生物: 为底物. 自养型微生物:以无机物为底物. H2S+2O2 NH4++2O2 H2SO4+能量硫杆菌

NO3-+2H++H2O+能量

硝化菌

有氧呼吸过程中,底物被氧化的比较彻底, 有氧呼吸过程中,底物被氧化的比较彻底,获得的能量较多 .

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好氧生物反应器中的微生物可主要分为 五种: 五种 1 絮体形成性微生物 絮体形成性微生物:是分离污泥必须的.主要是细菌(菌胶团细菌).某些原生动物 和真菌也可以产生絮凝作用.絮凝的机理还有待深入.

2 腐生性微生物 腐生性微生物:分解有机物的微生物,环境工程应用的主体.主要是异养菌,呈 革兰氏阴性,如:无色菌(Achromobacter),杆菌(Bacillus), 微球菌(Micrococcus),假单胞菌(Pseudomonas)等.

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3 硝化菌: 硝化菌:将氨氮转化为硝酸

盐氮,主要是自养型亚硝化菌和硝化菌. 硝化菌最大生长速率要比异养菌小;生成的生物量小.

4 捕食性微生物: 捕食性微生物:主要是原生动物,以细菌为食.如纤毛虫.有助于去除游离 细菌和胶体性有机物来稳定群落.

5 有害微生物: 有害微生物:干扰反应器正常运行(污泥膨胀,过度泡沫化).多种丝状 微生物均可引起污泥膨胀,并不一定是球衣菌(Sphaerotilus natans)之过.过渡泡沫化是由诺卡氏菌(Nocardia)属引起的.

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好氧生物处理在有游离氧存在的条件下,运用好氧微生物降解有机 存在的条件下,运用好氧微生物降解 好氧微生物降解有机 使其稳定,无害化的处理方法. 物,使其稳定,无害化的处理方法.合成

2/3

合成细胞物质 +氧+ 微生物 氧内源 代谢

内源代谢残留物 内源代谢产物( 内源代谢产物(CO2, H2O,NH3)+能量 , 能量

有机物+氧 微生物 有机物 氧+微生物(C,O,H,N,S,P) , , , , , )

1/3CO2,H2O,NH3, +能量 能量分解

热

SO42-,PO43随水排出

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厌氧/ 厌氧/缺氧系统厌氧/缺氧呼吸是在没有氧分子 厌氧/缺氧呼吸是在没有氧分子的情况下进行的生 没有氧分子的情况下进行的生 物氧化.厌氧微生物只有脱氢酶系统,没有氧化 物氧化.厌氧微生物只有脱氢酶系统, 酶系统. 酶系统. 反应最终受体是氧以外的有机物或无机物 反应最终受体是氧以外的有机物或无机物. 氧以外的有机物或无机物. 根据最终受体不同,分为:发酵(厌氧) 根据最终受体不同,分为:发酵(厌氧)和缺氧 呼吸. 呼吸.

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1 发酵:指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用,最终受体无需外加,就是供氢体分解的产物. 最终受体无需外加,就是供氢体分解的产物. 氧化不彻底,能量少,故该类厌氧微生物消耗底物较多. 氧化不彻底,能量少,故该类厌氧微生物消耗底物较多. C6H12O6 2CH3COCOOH 4[H]+2CH3CHO 2CH3COCOOH+4[H] 2CO2+2CH3CHO 2CH3CH2OH

总反应式为: 总反应式为: C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+92kJ

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微生物的发酵类型发酵类型酒精发酵 乳酸发酵 混合酸发酵 丁二醇发酵 丁酸发酵 乙醇,CO2 乙醇, 乳酸 乳酸,乙酸,乙醇,CO2,H2 乳酸,乙酸,乙醇, 丁二醇,乙醇,乳酸,乙酸, 丁二醇,乙醇,乳酸,乙酸, CO2,H2 丁酸,乙酸,CO2,H2 丁酸,乙酸,

产物酵母菌

微生物

乳酸菌,链球菌 乳酸菌, 埃氏菌,沙门氏菌 埃氏菌, 好氧菌,零杆菌 好氧菌, 酪酸梭装芽孢杆菌

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,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等)替代分子氧,作为最终受 替代分子氧, 体的生物氧化作用. 体的生物氧化作用. C6H12O6+6H2O 24[H]+4NO36CO2+24[H] 2N2+12H2O

2 缺氧呼吸:指以无机化合物 氧化物(如:NO3指以无机化合物/氧化物 氧化物(

缺氧呼吸可以使有机底物被彻底氧化,能量得以分级 缺氧呼吸可以使有机底物被彻底氧化, 释放,产生的能量要远大于发酵过程.

释放,产生的能量要远大于发酵过程.葡萄糖三种分解代谢方式的产能结果比较

分解代谢方式 好氧呼吸 缺氧呼吸 发酵

最终电子受体 分子氧 化合态氧 有机物

产能结果 2817.3kJ 1755.6kJ 92kJ

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废水的厌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, 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 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, 物被降解,转化为简单的化合物,同时释放能量. 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, 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( 等优点.其主要缺点是反应速度较慢, 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, 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BOD mg/L) 就要消耗能源. 对于有机污泥和高浓度有机废水(一般BOD5≥2000 mg/L)可采 用厌氧生物处理法. 用厌氧生物处理法.

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废水的厌氧生物处理厌氧处理中的微生物群落主要是原核 原核性质的,包括细菌和古细 原核 菌.厌氧生物处理的过程是一个多步骤的过程 多步骤的过程. 多步骤的过程蛋 白 质 和 复 杂 的 可 降 解 颗 粒 物 脂 肪 长 链 脂 肪 酸3 厌氧氧 1

氨 基 酸 和 单 糖6 2

乙 酸2/3

碳 水 化 合 物

性 和

4 5

甲 烷

氢1/3

7

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脱氮除磷基础理论废 水 中 的 氮 有机氮:蛋白质,氨基酸,尿素, 有机氮:蛋白质,氨基酸,尿素,胺类化合物等 氨氮: 氨氮:NH3 NH4+,一般以前者为主 亚硝酸,硝酸氮: 亚硝酸,硝酸氮:

生活污水中含的氮中,有机氮约占60%,氨氮约占 生活污水中含的氮中,有机氮约占 ,氨氮约占40%. . 当污水中的有机物被生物降解氧化时, 当污水中的有机物被生物降解氧化时,其中的有机氮被转 化为氨氮. 化为氨氮.

RCHNH 2COOH + O2 → RCOOH + CO2 + NH 3氨化菌

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生物法脱氮生物脱氮:是在微生物的作用下, 生物脱氮:是在微生物的作用下,将有机氮和氨氮转化为 N2,NxO气

体的过程.其中包括硝化和反硝化两个反应过程 气体的过程. 气体的过程

RCHNH 2COOH + O2 → RCOOH + CO2 + NH 3氨化菌

在硝化菌的作用下,氨氮进一步分解氧化, 在硝化菌的作用下,氨氮进一步分解氧化,分为两个阶段 进行,首先在亚硝化菌作用下,转化为亚硝酸盐. 进行,首先在亚硝化菌作用下,转化为亚硝酸盐.

NH 4

+

3 + O2 亚硝化菌 → NO2 + H 2O + 2 H + 278 .42 kJ 2

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继而,在硝酸菌的作用下,进一步转化为硝酸氮. 继而,在硝酸菌的作用下,进一步转化为硝酸氮.

1 硝酸菌 NO2 + O2 → NO3 72.27 kJ 2

总反应式为: 总反应式为:

NH 4 + 2O2 → NO3 + 2H + H 2O 351kJ 硝化细菌

+

+

亚硝化菌和硝酸菌统称为硝化菌,硝化菌是化能自养菌, 亚硝化菌和硝酸菌统称为硝化菌,硝化菌是化能自养菌,革兰氏 阴性菌,不生芽孢的短杆状细菌,广泛存在于土壤中, 阴性菌,不生芽孢的短杆状细菌,广泛存在于土壤中,在自然界 的氮循环起着重要的作用. 的氮循环起着重要的作用.

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反硝化反应:在无氧条件下, 反硝化反应:在无氧条件下,反硝化菌将硝酸盐和亚硝酸盐氮 还原为氮气的过程. 还原为氮气的过程.

6 NO3 + 2CH 3OH → 6 NO2 + 2CO2 + 4 H 2O硝酸还原菌

6 NO2 + 3CH 3OH → 3N 2 + 3H 2O + 6OH + 3CO2 亚硝酸还原菌

总反应 6 NO3 + 5CH 3OH 反硝化菌 → 5CO2 + 3 N 2 + 7 H 2O + 6OH 另外,还有部分用于合成反硝化菌自身.总反应式为: 另外,还有部分用于合成反硝化菌自身.总反应式为:NO3 +1.08CH3OH + H + 反硝化菌 0.65C5H7O2 N + 0.47N2 + 0.76CO2 + 2.44H2O →

反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌,有氧存在时, 反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌,有氧存在时,以氧为电子 受体进行好氧呼吸;在无氧而有硝酸根,亚硝酸根存在时, 受体进行好氧呼吸;在无氧而有硝酸根,亚硝酸根存在时, 以他们为受体, 以他们为受体,以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反 应.

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磷的去除化学法:磷酸盐和某些化合物反应生成不溶 解的沉淀物,如:铝盐,铁盐,石灰(钙盐) 等. 生物法:聚磷菌(好氧吸磷,厌氧放磷).

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能量循环:三磷酸腺苷ATP(Adenosine Triphosphate) AMP+~P→ADP+ ~P →ATP ADP磷酸化生成ATP; ATP水解产生能量底物水平磷酸化 氧化磷酸化 ADP磷酸化 光合磷酸化 低能化合物 电子传递磷酸化

ATP磷酸根 能量

细胞合成 生理需要 热能释放

高能化合物

+ADP

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§ 3.4微生物的生长规律和环境以细胞数目的对数值作纵坐 细胞数目的对数值作纵坐 标,以培养时间作横坐标, 以培养时间作横坐标, 就可以画出一条有规律的曲 线,这就是微生物的典型生 长曲线(growthcurve). . 长曲线

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延滞期(Lagphase) 延滞期(Lagphase)又称停滞期,调整期或适应期. 又称停滞期,调整期或适应期. 停滞期 有几个特

点:①生长速率常数等于零. 生长速率常数等于零. ②细胞形态变大或增长:许多杆菌可长成长丝状. 细胞形态变大或增长:许多杆菌可长成长丝状. 例如, 巨大芽孢杆菌)在接种的当时 例如,Bacillusmegaterium(巨大芽孢杆菌 在接种的当时,细胞 巨大芽孢杆菌 在接种的当时, 长为3.4m;培养至 小时,其长为 小时, 小时时, 长为 ;培养至3.5小时 其长为9.1m;至5.5小时时, ; 小时时 竟可达到19.8m. 竟可达到 . 尤其是rRNA含量增高,原生质呈嗜碱性. 含量增高, ③细胞内RNA尤其是 细胞内 尤其是 含量增高 原生质呈嗜碱性. 的合成加快, ④合成代谢活跃,核糖体,酶类和ATP的合成加快,易产生 合成代谢活跃,核糖体,酶类和 的合成加快 诱导酶. 诱导酶. 溶液浓度, ⑤对外界不良条件例如NaCl溶液浓度,温度和抗生素等化学 对外界不良条件例如 溶液浓度 药物的反应敏感. 药物的反应敏感.

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