No free lunch for the bugs, No free lunch for us either Let us serve the bugs before bugs serve us better. 第十 废水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础
1 No free lunch for the bugs, No free lunch for us either. Let us serve the bugs before bugs serve us better. 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
第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理 檄生物的新陈代谢 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,在体内不新进行物 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:通过一糸列的生化反应,将营养物质转化 为复杂的细胞成分,机体制造自身
2 第一节 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:有机物的降解转化 可生物降解底物量:包括有机的和无机的可生物利用物质 杂物质分解为简单物质 分解代谢 (异化作用) 释放能量 新陈代谢 能量代谢物质代谢 吸收能量 合成代谢 (同化作用) 单物质合成为复杂物质 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 电子传递碎酸化 光合磷酸 细胞合成 低能化合物 砗酸根 生理需要 高能化合物 ADP 热能释放
3 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：有机物的降解转化 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(Adenosine Triphosphate) AMP+‾P→ADP+ ‾P →ATP ADP磷酸化生成ATP： ATP水解产生能量 低能化合物 高能化合物 ATP ADP 磷酸根 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
微生物的呼吸 切生物对刘鄰在进行着呼吸,没有呼及就没有生伞 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、其它生命 活动、多余以热量形式释放; 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 「微生勒的呼观指做生物获取能量的生功能 根据受氢体的不同分为 好氧呼吸 厌氧呼吸 姥真化的物,氣化产物的不月共反应过程中的秉终炎鱼体的不用 异养型微生物自养型微生物 发酵 无氧呼
4 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、其它生命 活动、多余以热量形式释放； 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 异养型微生物 自养型微生物 发 酵 无氧呼吸 根据受氢体的不同分为
好氫呼吸 好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后,通过一条列 氧化还原反应获得能量的过程。 有分子氧参与的生物氣化,反应的最终受氫体是分子氧。 底物中的氪被脱氫酶活化,并从底物中脱出交给辅酶(递 氜体),同肘放出电子,氣化酶利用底物放出的电子激活游 离氣,活化氣和从底物中脱出的氫结合成水 +2H NAD(P)+ NAD(P)H+h 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氫和氧活化相结合的过程。在这 过程中,同肘放出能量。 慝依好氧微生物的类型不同,被其氧化的底物不同,氧化 物也不同。好氧呼吸有异养型微生物和自养型微生物两种 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 、氨和水等无机物,同肘放出能量。如下式所示 C6H12O6+602→>6CO2+6H2O+2817.3kJ C1H2ON+1402+H+→1CO2+13H2O+MH+能量 异氧微生物又可分为化能异氧傲生物和光能异氣微生物: 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,以有机物为供氩体还原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、污泥的好氣 消化等属于这种类型的呼吸。 5
5 好氧呼吸 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 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和自养型微生物两种 。 + NAD(P) ⇔ NAD(P)H + H + 2H − 2H 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。 C H O 6O 6CO 6H O 2817.3kJ 6 12 6 + 2 → 2 + 2 + C11H29O7N +14O2 + H + →11CO2 +13H2O + NH4 + +能量
2.自养型微生物 自养型傲生物以无机物为底物(电子供体),其终点产物也是无机 物,同肘放出能量 光能自养微生物 禹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+H0O~老 化能自养徵生物 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。 HS+20→HSO+能量 大型合流污水沟道和污水沟 道存在该式所示的生化反应 MH+202→MO+2H+HO+能量生物脱氪工艺中的生物化过程 厌氧呼吸 厌氧呼吸是在无分子氧(O2)的情况下进行的生物氧化。 愬厌氣微生物只有脱氩酶糸统,没有氧化酶糸统。在呼吸过 程中,底物中的氫被脱氫酶活化,从底物中脱下来的氫经辅 酶传递给除氧以外的有机物或无机物,使其还原。 厌氣呼吸的受氩体不是分子氣。在厌氣呼吸过程中,底物 氣化不彻底,最终产物不是二氣化碳和水,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。 魍如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲垸,是含有相当能 量的可燃气体。 厌氣呼吸按反应过程中的最终受氫体的不同,可分为发酵 和无氧呼吸
6 2.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。 H2S + 2O2 → H2SO4 +能量 NH4 + + 2O2 → NO3 − + 2H + + H2O +能量 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 指供氩体和受氩体都是有机化合物的生物氧化作用,最 终受氩体无需外加,就是供体的分解产物(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,故厌氣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。 例如葡萄糖发酵的过程: H1206>2CH 3 COCO0H + 4[H 2CH COC00H->2C0+2CH CHO 4[H]+2CH 3 CHO 2CH 3 CH 2OH 总反应式 C6H106) 2CH 3 CH2OH 2C0 2+92.0kJ 2.无氧呼吸 是指以无机氣化物,如NO3,NO2,5042,S2O32,CO2等代 替分子氧,作为最终受氫体的生物氧化作用。 在反硝化作用中,受氫体为NO可用下式所示 CH1O2+6HO→6CO2+24H ]+4NO→2N2+12HO 总反应式: cM+4NO万→6C02+6H0+2N3+17564 在无氧呼吸过程中,供氫体和受氫体之间也需要细胞色素等中问 电子传通体,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氪体中,故释放的能量不如好氣呼吸 的多
7 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。 例如葡萄糖发酵的过程： 总反应式： 2 4[ ] C 6 H 12 O 6 → CH 3COCOOH + H 2CH 3COCOOH → 2CO 2 + 2CH 3CHO 4[ H ] + 2CH 3CHO → 2CH 3CH 2OH C H O 2CH CH OH 2CO 92 .0 kJ 6 12 6 → 3 2 + 2 + 2.无氧呼吸 是指以无机氧化物，如NO3 - ，NO2 - ，SO4 2-，S2O3 2-，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。 6 6 24[ ] C6H12O6 + H2O → CO2 + H 24[H]+ 4NO3 → 2N2 +12H2O − ↑ C H O 4NO 6CO 6H O 2N 1755.6kJ 6 12 6 + 3 → 2 + 2 + 2 + − ↑
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。 好氧呼吸分子氧 C6H12O6+602→ 能量利用率42% 6CO2+6H2O+2817.3kJ 无氧呼吸无机物 CHiC,+4NO →6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ 发酵有机物CH12C6→2CO2+2CH3CH2QH+920kJ 能量利用率269 废水的好氧生物处理 好氣生物处理是在有游离氣「分子氣)存在的条件下,好氣微生物降解 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『以皞解状与胶体状的为主丿,作为营养源进行好氣代謝。这些高能位的 有机物质经过一集列的生化反应,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 废水好氣生物处理的最终过程可用图示 图示表明,有机物被傲生物振取 后,通过代谢活动,约有三分之 提供其生理 活动所需的能量;约有三分之三 被转化,合成为新的原生质(细 蓝拿博出 胞质),即进行微生物自身生长 繁殖
8 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。 发酵 有机物 C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ 能量利用率26％ C6H12C6+4NO3 - →6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ 无氧呼吸 无机物 C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ 好氧呼吸 分子氧 能量利用率42％ 呼吸方式 受氢体 化学反应式 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图示 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，约有三分之 一被分解、稳定，并提供其生理 活动所需的能量；约有三分之二 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
废水的好氧生物处理 好氧生物处理的反应速度较快,所需的反应肘间 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儿的有机废 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。 废水的厌氧生物处理 废水的厌氧生物处理是在没有游离氣存在的条件下,兼性细菌与厌氣细菌 降解和稳定有机物的生处理方法。在厌氣生物处理过程中,复杂的有机化合物 被降解、转化为简草的化合物,同肘释放能量 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 种可燃气体,可 被分解为CO2、H2O.NH3、H2S等 机勒,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,故相对于好氣生物处理法,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 剽余污泥量少,可回收能量(CH4)等优点。 其主要缺点是反应速度较慢,反应肘间较长,处理构筑物农积大等。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BODs≥2000mg)可采用厌氧生物 处理法
9 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
第二节 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 按傲生物生长速率,其生长可分为四个生长期 停滞期(调整期) 对数期(生长旺盛期 几 静止期(平衡期) 衰老期(衰亡期 停可 静止世
10 第二节 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长期 停滞期（调整期） 对数期（生长旺盛期） 静止期（平衡期） 衰老期（衰亡期）