廢水處理中的微生物

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一、 廢水處理中的微生物

不同種類的微生物都具有分解有機(jī)物質(zhì)的能力。微生物將膠體的和溶解性的含碳有機(jī)物轉(zhuǎn)化成CO2并合成新的微生物菌體。微生物菌體的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法將其從處理過的水中去除。微生物菌體本身即為有機(jī)物，以BOD的形式存在于出水中。因此如果被處理過的水中微生物菌體未被去除，則未達(dá)到完全處理。

廢水處理廠中，基質(zhì)被氧化，釋放出來的能量被傳遞并儲(chǔ)存在能量載體中(如下圖所示)，供微生物利用。由分解代謝所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)，部分被用于微生物的生存。廢水中的重要微生物有細(xì)菌、真、藻類及輪蟲與甲殼動(dòng)物。其細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的分解代謝和合成代謝對(duì)廢水處理具有重要意義。

二、污染物的分解

1、好氧分解

必須有分子氧作終電子受體。天然水體中氧以DO形式存在。當(dāng)氧是電子受體時(shí)，有機(jī)物終代謝物主要為CO2、水及新的細(xì)胞物質(zhì)。

在正常的天然水體中，好氧分解是水體自凈的主要途徑。由于好氧氧化過程中有大量的能量釋放出來，大部分好氧微生物有很高的生長(zhǎng)速率，比其它氧化系統(tǒng)中產(chǎn)生的新細(xì)胞多，因此污泥的產(chǎn)生量就多。好氧分解速度快、效率高，產(chǎn)生的臭味少，因此廢水濃度較低（BOD5小于500mg/L）時(shí)可選用此法。當(dāng)廢水濃度過高時(shí)（BOD5大于1000mg/L），采用好氧處理不能得到足夠的溶解氧，且有大量的生物污泥產(chǎn)生，因此一般不適合于采用該法處理。

2、缺氧分解

在缺少分子氧時(shí)，一些微生物能夠利用硝酸鹽作為終受體，此時(shí)的氧化過程稱為反硝化過程。終產(chǎn)物為氮?dú)?、二氧化碳、水及新?xì)胞物質(zhì)。反硝化產(chǎn)生的能量約等于好氧分解產(chǎn)生的能量。

3、厭氧分解

為進(jìn)行厭氧分解，分子氧與硝酸鹽不可作為電子受體。硫酸鹽、二氧化碳及有機(jī)物在厭氧分解中作為終電子受體而被還原。無氧參與，底物氧化不徹底。有機(jī)物的厭氧分解通常分為兩個(gè)步驟：先復(fù)雜的有機(jī)物發(fā)酵生成低分子量的脂肪酸（揮發(fā)性酸）；第二步這些有機(jī)酸轉(zhuǎn)化成甲烷，二氧化碳作為電子受體。厭氧氧化時(shí)僅能釋放出少量的能量，因此細(xì)胞的產(chǎn)生量即污泥的量很少?？衫么颂匦詫⒑醚鹾腿毖踹^程產(chǎn)生的污泥通過厭氧分解加以穩(wěn)定。目前，很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣，發(fā)電。如北京高碑店污水處理廠。

廢水的厭氧生物處理優(yōu)點(diǎn)：不需另加氧源，故運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)：反應(yīng)速度慢，構(gòu)筑物容積大。廢水濃度較低時(shí)，不適合于利用厭氧分解直接處理。為提高厭氧分解的效率，必須提高廢水溫度。

三、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

1、細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求

（1）終電子受體

（2）大量營(yíng)養(yǎng)物：合成細(xì)胞所需的碳源、氮源；ATP（能量載體）和DNA所需的磷；

（3）微量營(yíng)養(yǎng)物：微量金屬；某些細(xì)胞所需的維生素。

（4）適宜的環(huán)境：溫度；濕度；pH。

2、純培養(yǎng)下的生長(zhǎng)規(guī)律

遲緩期：細(xì)菌不能立即繁殖，適應(yīng)期；對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期：在延遲期的末端細(xì)菌開始分裂，數(shù)目逐漸增加，適應(yīng)后，快速增殖，旺盛期。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)菌數(shù)目P經(jīng)過n個(gè)世代周期后可用下式表示：

P = P0′2n

純培養(yǎng)下的生長(zhǎng)規(guī)律可用下述理論表達(dá)：減速增長(zhǎng)期：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，繁殖速度減慢；內(nèi)源呼吸期：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)明顯不足，進(jìn)行內(nèi)源呼吸。

3、米歇里斯-門坦方程式（1913年）

S + E →ES →P +E

υ=υmaxρs/（Km + ρs ）

該方程式表示酶促反應(yīng)速度與底物濃度之間的定量關(guān)系。 Km(mol/L)：米氏常數(shù)。當(dāng)酶反應(yīng)速度達(dá)到大反應(yīng)速度的一半時(shí)的底物濃度。

1）Km值只與酶的性質(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)；

2）如果一個(gè)酶有幾個(gè)底物，則對(duì)于一個(gè)底物有一個(gè)特定Km；

3）Km值小的底物稱為該酶的適底物。

在廢水處理系統(tǒng)中有兩種限情況：一、限制性基質(zhì)過量，即S>>Ks時(shí)，mm=m，菌體的生長(zhǎng)速率為一級(jí)反應(yīng)；二、當(dāng)S<<Ks時(shí)，由于基質(zhì)量的限制，菌體的生長(zhǎng)速率為零級(jí)反應(yīng)，與菌體濃度無關(guān)。

4、混合培養(yǎng)物下的生長(zhǎng)

廢水或天然水體微生物的存在不是的。生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述的是不同微生物在相互競(jìng)爭(zhēng)中其質(zhì)量或濃度隨時(shí)間的變化。不同菌種對(duì)同一基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的能力取決于菌種對(duì)基質(zhì)的代謝能力。由于細(xì)菌的體積較小，單位質(zhì)量的表面積較大，可迅速的將基質(zhì)去除。當(dāng)溶解性有機(jī)物缺乏時(shí)，細(xì)菌繁殖將減少，而撲食者則增加。在密閉系統(tǒng)中，初添加混合微生物和基質(zhì)后，細(xì)菌種群數(shù)量達(dá)到大值后，因基質(zhì)缺乏，微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)后而逐漸死亡。隨后被其它種類的細(xì)菌分解。這個(gè)過程不斷循環(huán)進(jìn)行。

5、混合培養(yǎng)物的生長(zhǎng)規(guī)律

對(duì)大多數(shù)混合培養(yǎng)的微生物，莫諾德Monod方程（1942年)均可適應(yīng)。該方程中微生物以質(zhì)量表示而不是以生物數(shù)量表示。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期微生物質(zhì)量增加的速率可表示為：

m為細(xì)菌比生長(zhǎng)速率，t-1；X為菌體濃度(mg/L)。

利用混合培養(yǎng)微生物不易直接測(cè)量m值。假設(shè)食物利用速率與菌體產(chǎn)生速率均受限于供給所需食物的酶反應(yīng)速率，得到：

式中，mm細(xì)菌大比生長(zhǎng)速率常數(shù)；S為限制性基質(zhì)濃度，mg/L；Ks為半飽和常數(shù)，mg/L。當(dāng)m=0.5 mm時(shí)，Ks=S。

6、莫諾德方程

Monod方程中生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系

Monod方程僅考慮微生物的生長(zhǎng)，沒考慮自然死亡，假設(shè)系統(tǒng)中所有基質(zhì)均轉(zhuǎn)化為菌體：

設(shè)計(jì)廢水處理

過程的主要公式

式中kd為內(nèi)源衰減速率常數(shù)，t-1。

式中，Y為食物轉(zhuǎn)化菌體的比例，或合成系數(shù)，mg菌體/mg基質(zhì)。

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