6.水環(huán)境污染控制與

治理中的生物化學(xué)1環(huán)境生物化學(xué)

環(huán)境生物化學(xué)

水的生物化學(xué)處理法就是在人工條件下，創(chuàng)造有利于微生物生長(zhǎng)代謝的環(huán)境，使微生物大量繁殖，提高微生物氧化分解有機(jī)物的能力，從而達(dá)到去除或降低廢水中有機(jī)污染物的目的。

生物處理過程既包括溶解性有機(jī)物中的碳被轉(zhuǎn)化為新原生質(zhì)和二氧化碳的所謂碳氧化過程，也包括不溶性的膠體態(tài)有機(jī)物被微生物轉(zhuǎn)化，形成不再受微生物新陳代謝活動(dòng)影響的最終產(chǎn)物，即所謂的穩(wěn)定化過程，還包括溶解性無機(jī)物（如氮和磷）的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。

微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行轉(zhuǎn)化的過程是生物氧化過程，故可按照微生物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境中氧的要求不同，將生物處理方法分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩類。根據(jù)處理工藝過程可分為以活性污泥為主的懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)和以生物膜為主的附著生長(zhǎng)系統(tǒng)。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)6.1污、廢水生物控制與治理生物化學(xué)6.1.1水的生物化學(xué)處理概念2環(huán)境生物化學(xué)

6.1.2好氧生物處理生物化學(xué)1.好氧活性污泥法（1）活性污泥法的基本流程

活性污泥法（Activatedsludgeprocess）是一種應(yīng)用甚為廣泛的廢水好氧生物處理技術(shù)，其基本流程如圖6-1所示，由初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀他、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)等組成。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)3環(huán)境生物化學(xué)

(2)活性污泥法中的微生物

活性污泥水處理中發(fā)揮作用的微生物，最大約lmm左右，主要以細(xì)菌和原生動(dòng)物為主。但是隨著污泥種類的不同，也有真菌類和微小動(dòng)物出現(xiàn)。1）細(xì)菌

構(gòu)成活性污泥的細(xì)菌群中，有形成菌膠團(tuán)的生枝動(dòng)膠菌(Zoogloearamigera)，形成絲狀體的浮游球衣菌(Sphaerotilusnatans)。

生枝動(dòng)膠菌是活性污泥菌膠團(tuán)浮游球衣菌異常增殖會(huì)引起污泥膨脹現(xiàn)象

根據(jù)培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，污泥中常見細(xì)菌種類以無色菌屬(Achromobacter)、產(chǎn)堿菌屬(Ajlcaligenes)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、黃細(xì)菌屬(Flavobacterium)為多。對(duì)于正常的城市污水的活性污泥，1mg的MLSS

(混合液懸浮固體)中約含２.0×107

~1.6×108個(gè)活菌數(shù)(1mL的活性污泥混合液中有107

~108個(gè))。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)4環(huán)境生物化學(xué)

2）原生動(dòng)物

原生動(dòng)物(Protozoon)與細(xì)菌都是在廢水中起凈化作用的主要成員，并且是污水處理效率的重要指示生物。活性污泥中雖含有多種不同的原生動(dòng)物，但以纖毛蟲占多數(shù)，據(jù)報(bào)道約有80種之多。3）真菌類

有關(guān)活性污泥中真菌(Fungus)類的報(bào)道很少，它們通常出現(xiàn)在工業(yè)廢水的活性污泥中，大多為藻菌類的水節(jié)霉屬(Leptomitus)，毛菌屬(Mucor)，半知菌類的Geotrichum，Trichoderma；酵母類的假絲酵母屬(Candida)，Phodotorula等。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)5環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)4）微小后生動(dòng)物通常，活性污泥中出現(xiàn)的微小后生動(dòng)物有輪蟲類(Rotataria)與線蟲類(Nemstoda)。

常出現(xiàn)的輪蟲類有Rotaria、Philodina、Lecane、Notommata、Lepadella、Colurella等，但為數(shù)不多。

線蟲類有Dorylaimus、Rhabdolaimus、Rhabditis、Diplogaster等。

而且，這些后生動(dòng)物常攝食污泥中細(xì)菌、原生動(dòng)物殘骸的碎片。普通的活性污泥混合波1m1中的輪蟲類個(gè)體數(shù)約在100~200以上，不超過微小動(dòng)物總數(shù)的5％。貧毛蟲類以優(yōu)勢(shì)種出現(xiàn)一般僅限于長(zhǎng)時(shí)間曝氣法的情況，如果在1m1混合液中出現(xiàn)500個(gè)以上的話，活性污泥即呈赤褐色。線蟲類的出現(xiàn)個(gè)數(shù)大約在100~200，很難形成優(yōu)勢(shì)增殖。其他的后生動(dòng)物如腹毛蟲類的Chaetonotus、甲殼蟲類的Moina及Macrobiotus則僅僅是偶爾出現(xiàn)。不管任何場(chǎng)合，這些微小動(dòng)物在1mI混合液中的個(gè)體數(shù)皆在100以下。

6環(huán)境生物化學(xué)

（3）活性污泥的凈化反應(yīng)過程生物絮凝體吸附降解廢水中懸浮有機(jī)污染物靜置狀態(tài)，指標(biāo)評(píng)價(jià)

絮凝吸附代謝增殖凝聚、沉淀與濃縮6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)活性污泥系統(tǒng)對(duì)有機(jī)底物的降解階段和作用。71）絮凝、吸附作用

微生物形成的生物絮凝體(Biologicalfloc)，都具有生物、物理、化學(xué)吸附作用和凝聚、沉淀作用，在其與廢水中呈懸浮狀和膠體狀的有機(jī)污染物接觸后，能夠使后者失穩(wěn)、凝聚，并被吸附在活性污泥表而被降解。活性污泥的所謂“活性”即表現(xiàn)在這方面。

活性污泥具有很大的表面積，能夠與混合液廣泛接觸，在較短的時(shí)間內(nèi)(15~40min)，通過吸附作用，就能夠去除廢水中大量的呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物，使廢水的生化需氧量（Biochemicaloxygendemand,BOD）或化學(xué)需氧量（Chemicaloxygendemand

,COD）大幅度下降。

小分子有機(jī)物能夠直接在透膜酶的催化作用下，透過細(xì)胞壁被攝入細(xì)菌體內(nèi)，但大分子有機(jī)物則首先被吸附在細(xì)胞表面，在水解酶的作用下，水解成小分子再被攝入體內(nèi)。一部分被吸附的有機(jī)物可能通過污泥排放被去除。

活性污泥吸附作用的大小與廢水的性質(zhì)、特征有關(guān)。由于活性污泥對(duì)呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物吸附能力較強(qiáng)，因而對(duì)含有這類污染物多的廢水處理效果好。此外，活性污泥應(yīng)當(dāng)經(jīng)過比較充分的再生曝氣，使其吸附功能得到恢復(fù)和增強(qiáng)，一般應(yīng)使活性污泥中的微生物進(jìn)入內(nèi)源代謝期。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)82）活性污泥中微生物的代謝及其增殖規(guī)律

在好氧條件下，代謝按兩個(gè)途徑進(jìn)行（如圖6-2），一為合成代謝，部分有機(jī)物被微生物所利用，合成新的細(xì)胞物質(zhì)；一為分解代謝，部分有機(jī)物被分解，形成CO2和H2O等穩(wěn)定物質(zhì)，并產(chǎn)生能量，用于合成代謝。同時(shí)，微生物細(xì)胞物質(zhì)也進(jìn)行自身的氧化分解，即內(nèi)源代謝或內(nèi)源呼吸。當(dāng)廢水中有機(jī)物充足時(shí)，合成反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，內(nèi)源代謝不明顯；但當(dāng)有機(jī)物濃度大為降低或已耗盡時(shí)，微生物的內(nèi)源呼吸作用就成為向微生物提供能量、維持其生命活動(dòng)的主要方式了。

微生物增殖、有機(jī)物降解、微生物的內(nèi)源代謝以及氧的消耗等過程，在曝氣池內(nèi)同步進(jìn)行的?；钚晕勰辔⑸锸嵌鄬俜N細(xì)菌與多種原生動(dòng)物的混合群體，但從整體來看其增殖過程是遵循一定規(guī)律進(jìn)行的，分為對(duì)數(shù)增殖期、減衰增殖期與內(nèi)源呼吸期。

在適宜條件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取決于微生物與有機(jī)基質(zhì)的相對(duì)數(shù)量，即有機(jī)基質(zhì)(F)與微生物(M)的比值(F／M)。它也是影響有機(jī)物去除速率、氧利用速率的重要因素。在推流式曝氣池內(nèi)，有機(jī)物與活性污泥在數(shù)量上的變化規(guī)律與間歇培養(yǎng)相同，只是其變化是在從池始端到終端這一空間內(nèi)進(jìn)行的。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)93）活性污泥的凝聚、沉淀與濃縮

活性污泥系統(tǒng)凈化廢水的最后程序是泥水分離，這一過程在二次沉淀池或沉淀區(qū)內(nèi)進(jìn)行。良好的凝聚、沉降與濃縮性能是正?；钚晕勰嗨哂械奶匦浴；钚晕勰嘣诙纬恋沓氐某两担?jīng)歷絮凝沉淀、成層沉淀與壓縮等過程，最后在池的污泥區(qū)形成濃度較高的作為回流污泥的濃縮污泥層。

正常的活性污泥在靜置狀態(tài)下，于30min內(nèi)即可基本完成絮凝沉淀與成層沉淀過程。濃縮過程比較緩慢，要達(dá)到完全濃縮，需時(shí)較長(zhǎng)。影響活性污泥凝聚與沉淀性能的因素較多，其中以原廢水性質(zhì)為主。此外，水溫、pH、溶解氧濃度以及活性污泥的有機(jī)物負(fù)荷也是重要的影吶因素。對(duì)活性污泥的凝聚、沉淀性能，可用SVI(污泥指數(shù))、SV(污泥沉降比)和MLSS等三項(xiàng)指標(biāo)共同評(píng)價(jià)。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)10環(huán)境生物化學(xué)

（4）活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)

目前廢水生物處理技術(shù)界廣為接受并得到應(yīng)用的活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是勞倫斯—麥卡蒂（Lawrwnce＆McCarty)建立的模式。1）勞倫斯—麥卡蒂模式的基礎(chǔ)概念

①勞倫斯—麥卡蒂建議的排泥方式

在廢水生物處理過程中，通常有兩種剩余污泥排放方式：第一種是傳統(tǒng)的排泥方式；第二種是勞倫斯—麥卡蒂推薦的排泥方式，也稱完全混合式活性污泥排故方式，見圖6—3。該排泥方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于減輕二次沉淀池的負(fù)荷、有利于污泥濃縮，所得回流污泥的濃度較高。11環(huán)境生物化學(xué)

②微生物比增殖率和比基質(zhì)降解率

微生物(活性污泥)的比增殖率以μ表示：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)12③污泥平均停留時(shí)間

在工程上習(xí)慣稱污泥齡，指在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物從其生成開始到排出系統(tǒng)的平均停留時(shí)間，相當(dāng)于反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需要的時(shí)間。在工程上，就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)污泥總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以θC或tS表示，單位為天(d)。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)13環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)14⑵勞倫斯—麥卡蒂模式的基本方程①第一基本方程環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)15②第二基本方程

第二基本方程表示的是基質(zhì)降解速率與曝氣池（反應(yīng)器）內(nèi)微生物濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。由于有機(jī)基質(zhì)的降解速率（ｖ）等于其被微生物的利用速率（q），即：環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)16環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)2.好氧生物膜法（1）好氧生物膜法的基本原理生物膜法(Biofilmprocess)和活性污泥法都是利用好氧微生物分解廢水中的有機(jī)物的方法。它們的基本不同點(diǎn)在于微生物提供的方式不同。在生物膜法中,微生物附著在固體濾料的表面上，在固體介質(zhì)表面形成生物膜，廢水同生物膜相接觸而得到處理，所需氧氣一般直接來自大氣。而在活性污泥法中，微生物是以污泥絨粒的形式分散、懸浮在曝氣池的廢水中，所需氧氣是通過曝氣裝置提供的。所以生物膜法亦稱為生物過濾法。

生物膜法特點(diǎn)：1）固著于固體表面上的微生物對(duì)廢水水質(zhì)、水量的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性；2）和活性污泥相比，管理較方便；3）由于微生物固著于固體表面，即使增殖速度慢的微生物也能生息，從而構(gòu)成了穩(wěn)定的生態(tài)系

17環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)

由于固著于固體表面的微生物量較難控制，因而在運(yùn)轉(zhuǎn)操作上伸縮性差；又由于濾料表面積小，BOD容積負(fù)荷有限，因而空間效果差；加上多采用自然通風(fēng)供氧，在生物膜內(nèi)層往往形成厭氧層．從而縮小了具有凈化功能的有效容積。然而由于新工藝新濾料的研制成功，生物膜法作為良好的好氧生物處理技術(shù)仍被廣泛采用。生物膜法的凈水原理如圖６-４所示。18環(huán)境生物化學(xué)

（2）生物膜的形成及特點(diǎn)形成粘液狀多微生物的膜接種或廢水中微生物沿介質(zhì)表面向下滲流有機(jī)廢水均勻地淋灑吸附降解有機(jī)物微生物在介質(zhì)表面增殖充分供氧掛膜介質(zhì)形成生物膜生物膜形成6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)19環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)②生物膜的特點(diǎn)：a.膜的表層由好氧微生物和兼性微生物組成的好氧層；b.膜的內(nèi)部由厭氧微生物和兼性微生物組成的厭氧層；

c.生物膜存在更新脫落；生物膜是生物處理的基礎(chǔ)，必須保持足夠的數(shù)量才能達(dá)到凈化的目的。一船認(rèn)為，生物膜厚度介于2—3mm時(shí)較為理想，生物膜太厚，會(huì)影響通風(fēng)，其至造成堵塞。厭氧層一旦產(chǎn)生，會(huì)使處理水質(zhì)下降，而且厭氧代謝產(chǎn)物會(huì)惡化環(huán)境衛(wèi)生

20環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)(3)生物膜中的物質(zhì)遷移

由于生物膜的吸附作用，在其表面有一層很薄的水層，稱之為附著水層。附著水層的有機(jī)物大多已被氧化，其濃度比濾池進(jìn)水的有機(jī)物濃度低得多。因此，進(jìn)水池內(nèi)的廢水沿膜面移動(dòng)大，由于濃度差的作用，有機(jī)物會(huì)從廢水中轉(zhuǎn)移到附著水層中去，進(jìn)而被生物膜所吸附。同時(shí)，空氣中的氧在溶人廢水中后，繼而進(jìn)人生物膜。在此條件下，微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解和同化合成，產(chǎn)生的二氧化碳和其他代謝產(chǎn)物一部分溶入附著水層，一部分析出到空氣中去。如此循環(huán)往復(fù)，使廢水中的有機(jī)物不斷減少，從而得到凈化21

在向生物膜細(xì)菌供氧的過程中，由于存在著氣—液膜阻抗，因而速度甚慢。所以隨著生物膜厚度的增大，廢水中的氧會(huì)迅速的被表層的生物膜所耗盡，致使其深層因氧不足而發(fā)生厭氧分解，積蓄了H2S、NH3、有機(jī)酸等代謝產(chǎn)物。但當(dāng)氧的供給充足時(shí),厭氧層的厚度發(fā)展是有限的,此時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)酸類能被異養(yǎng)微生物及時(shí)地氧化成CO2和H2O，NH3，H2S被自養(yǎng)微生物氧化成NO2-、NO3-、SO4-2等,仍然維持著生物膜的活性?若供氧不足?從總體上講,厭氧微生物將起主導(dǎo)作用,不僅喪失好氧微生物分解的功能,也將使生物膜發(fā)生非正常脫落.環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)22環(huán)境生物化學(xué)

6.1.3厭氧生物處理生物化學(xué)1.厭氧生物處理的基本原理

厭氧生物處理(AnaerobicBiologicalTreatment)是在無氧條件下，利用多種厭氧微生物的代謝活動(dòng)，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物和少量細(xì)胞物質(zhì)的過程。這些無機(jī)物質(zhì)主要是大量生物氣即沼氣和水。（1）厭氧生物分解有機(jī)物的過程

如圖6—5所示，復(fù)雜有機(jī)物的厭氧生物處理過程可以分為4個(gè)階段。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)23環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)1）水解階段

復(fù)雜有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解為溶解性的小分了有機(jī)物。2）發(fā)酵(酸化)階段

溶解性小分子有機(jī)物進(jìn)入發(fā)酵菌(酸化菌)細(xì)胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇類、二氧化碳、氨、硫化氫等，同時(shí)合成細(xì)胞物質(zhì)。3）產(chǎn)乙酸階段

發(fā)酵酸化階段的產(chǎn)物丙酸、丁酸、乙醇等，在此階段經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳。4）產(chǎn)甲烷階段

在此階段，產(chǎn)甲烷菌通過以下兩個(gè)途徑之一，將乙酸、氫氣和二氧化碳等轉(zhuǎn)化為甲烷。其一是在二氧化碳存在時(shí)，利用氫氣生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌有索氏甲烷絲菌和巴氏甲烷八疊球菌，二者生長(zhǎng)速率有較大差別。在一般的厭氧生物反應(yīng)器中，約70％的甲烷由乙酸分解而來，30％由氫氣還原二氧化碳而來。24

產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧菌，要求生活環(huán)境的氧化還原電位在一150~一400mV范圍內(nèi)。氧和氧化劑對(duì)甲烷菌有很強(qiáng)的毒害作用。(2)厭氧消化微生物1）發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）

主要包括梭菌屬(Clostridium)、擬桿菌屬(Bacteroides)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真細(xì)菌屬(Eubacterium)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)等。

這類細(xì)菌的主要功能是先通過胞外酶的作用將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物，再將可溶性的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)252）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌

近10年來的研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌包括互營(yíng)單孢菌屬（Syntrophomonas）、互營(yíng)桿菌屬（Syntrophobacter）、梭菌屬（Clostridium）、暗桿菌屬（Pelobacter）等。

這類細(xì)菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H2。其反應(yīng)如下：環(huán)境生物化學(xué)

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌可能是絕對(duì)厭氧菌或是兼性厭氧菌。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)263）產(chǎn)甲烷細(xì)菌

產(chǎn)甲烷菌大致可分為兩類，一類主要利用乙酸產(chǎn)生甲烷，另一類數(shù)量較少，利用氫和CO2的合成生成甲烷。也有極少量細(xì)菌，既能利用乙酸，也能利用氫。

以下是兩個(gè)典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)

產(chǎn)甲烷菌都是絕對(duì)厭氧細(xì)菌，要求生活環(huán)境的氧化還原電位在-150～-400mV范圍內(nèi)。氧和氧化劑對(duì)產(chǎn)甲烷菌有很強(qiáng)的毒害作用。

產(chǎn)甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期長(zhǎng)，甚至達(dá)4～6d，因此在一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的控制階段。274）厭氧微生物群體間的關(guān)系

在厭氧生物處理反應(yīng)器中，不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌相互依賴，互為對(duì)方創(chuàng)造與維持生命活動(dòng)所需要的良好環(huán)境和條件，但又相互制約。厭氧微生物群體間的相互關(guān)系表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。a.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)

不產(chǎn)甲烷細(xì)菌把各種復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)，如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等進(jìn)行厭氧降解，生成游離氫、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、甲醇、乙醇等產(chǎn)物，其中丙酸、丁酸、乙醇等又可破產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氨、二氧化碳、乙酸等。這樣，不產(chǎn)甲烷細(xì)菌通過其生命活動(dòng)為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供了合成細(xì)胞物質(zhì)和產(chǎn)甲烷所需的碳前體和電子供體、氫供體和氮源。產(chǎn)甲烷細(xì)菌充當(dāng)厭氧環(huán)境有機(jī)物分解中微生物食物鏈的最后一個(gè)生物體。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)28b.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件

厭氧發(fā)酵初期，由于加料使空氣進(jìn)入發(fā)酵池，原料、水本身也攜帶有空氣，這顯然對(duì)于產(chǎn)甲烷細(xì)菌是有害的。它的去除需要依賴不產(chǎn)甲烷細(xì)菌類群中那些需氧和兼性厭氧微生物的活動(dòng)。各種厭氧微生物對(duì)氧化還原電位的適應(yīng)也不相同，通過它們有順序地交替生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)，使發(fā)酵液氧化還原電位不斷下降，逐步為產(chǎn)甲烷細(xì)菌生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷創(chuàng)造適宜的氧化還原條件。c.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌清除有毒物質(zhì)

在以工業(yè)廢水或廢棄物為發(fā)酵原料時(shí)，其中可能含有酚類、苯甲酸、氰化物、長(zhǎng)鏈脂肪酸、重金屬等對(duì)于產(chǎn)甲烷細(xì)菌有毒害作用的物質(zhì)。不產(chǎn)甲烷細(xì)菌中有許多種類能裂解苯環(huán)、降解氰化物等從中獲得能源和碳源。這些作用不僅解除了對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌的毒害，而且給產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供了養(yǎng)分。此外，不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的產(chǎn)物硫化氫，可以與重金屬離子作用生成不溶性的金屬硫化物沉淀，從而解除一些重金屬的毒害作用。

環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)29d.產(chǎn)甲烷細(xì)菌為不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生化反應(yīng)解除反饋抑制

不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)物可以抑制其本身的不斷形成。氫的積累可以抑制產(chǎn)氫細(xì)菌的繼續(xù)產(chǎn)氫，酸的積累可以抑制產(chǎn)酸細(xì)菌繼續(xù)產(chǎn)酸。在正常的厭氧發(fā)酵中，產(chǎn)甲烷細(xì)菌連續(xù)利用由不產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生的氫、乙酸、二氧化碳等，使厭氧系統(tǒng)中不致有氫和酸的積累，就不會(huì)產(chǎn)生反饋抑制，不產(chǎn)甲烷細(xì)菌也就得以繼續(xù)正常的生長(zhǎng)和代謝。e.不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值

在厭氧發(fā)酵初期，不產(chǎn)甲烷細(xì)菌首先降解原料中的糖類、淀粉等物，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，產(chǎn)生的二氧化碳也部分溶于水，使發(fā)酵液的pH明顯下降。而此時(shí)，一方面不產(chǎn)甲烷細(xì)菌類群中的氨化細(xì)菌迅速進(jìn)行氨化作用，產(chǎn)生的氨中和部分酸；另一方面，產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用乙酸、甲酸、氫和二氧化碳形成甲烷，消耗酸和二氧化碳。兩個(gè)類群的共同作用使pH穩(wěn)定在一個(gè)適宜范圍內(nèi)。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)30環(huán)境生物化學(xué)

5）缺氧(Anoxic)處理

在沒有分子氧存在的條件下．一些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質(zhì)如硫酸鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽等作為電子受體，進(jìn)行代謝活動(dòng)。a.硫酸鹽還原菌

在處理含硫酸鹽或亞硫酸鹽廢水的厭氧反應(yīng)器中，硫酸鹽或亞硫酸鹽會(huì)被硫酸鹽還原菌(SRB)在其氧化有機(jī)污染物的過程中作為電子受體而加以利用，并將它們還原為硫化氫。SRB的生長(zhǎng)需要與產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌同樣的底物，因此硫酸鹽還原過程的出現(xiàn)會(huì)使甲烷的產(chǎn)量減少。根據(jù)利用底物的不同，SRB分為三類，即氧化氫的硫酸鹽還原菌(HSRB)，氧化乙酸的硫酸鹽還原菌(ASRB)，氧化較高級(jí)脂肪酸的硫酸鹽還原菌(FASRB)。在FASRB中，一部分細(xì)菌能夠?qū)⒏呒?jí)脂肪酸完全氧化為二氧化碳、水和硫化氫；另一些細(xì)菌則不完全氧化高級(jí)脂肪酸。其主要產(chǎn)物為乙酸。在有機(jī)物的降解中，少量硫酸鹽的存在影響不大。但與甲烷相比，硫化氫的溶解度要高很多，每克以硫化氫形式存在的硫相當(dāng)于2gCOD。因此，處理含硫酸鹽廢水時(shí)，有時(shí)盡管有機(jī)物的氧化已完成得不錯(cuò)，COD的去除率卻不一定令人滿意。硫酸鹽還原需要有足夠的COD含量，其質(zhì)量比應(yīng)超過1.67。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)31b.反硝化脫氮微生物反硝化脫氮(Denitrification)反應(yīng)由脫氮微生物進(jìn)行。通常脫氮微生物優(yōu)先選擇氧而不是亞硝酸做作為電子受體。但如果分子氧被耗盡，則脫氮微生物開始利用硝酸鹽，即脫氮作用在缺氧條件下進(jìn)行。

在實(shí)際生物處理過程中，好氧、兼性、厭氧分解分別擔(dān)任著各自得角色。在人工處理構(gòu)筑物中，由于具備良好的工程措施，可以選擇微生物的種類并控制相應(yīng)的分解過程。例如，在活性污泥曝氣池中具有選擇優(yōu)勢(shì)的是好氧及兼性細(xì)菌，發(fā)生的主要分解反應(yīng)是好氧分解。但在天然或半天然處理設(shè)施中，各種分解過程可能順序發(fā)生或同時(shí)發(fā)生。例如，在固體廢棄物的填埋處理過程中，有機(jī)物的分解往往最初以好氧分解為主，但在—些氧擴(kuò)散條件差的位點(diǎn)會(huì)發(fā)生厭氧分解。因而實(shí)際處理過程中發(fā)生的生物降解過程原理往往是十分復(fù)雜的，遠(yuǎn)不似理想狀態(tài)下那么簡(jiǎn)單。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)32環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)2.厭氧生物處理的動(dòng)力學(xué)水解階段不溶性底物的轉(zhuǎn)化速率在處理下水道污泥或糞肥的厭氧消化器中，含有相對(duì)少的溶解性的可生物降解的化合物。已有研究證實(shí)當(dāng)水力停留時(shí)間為7天、溫度為35℃時(shí)，反應(yīng)器中溶解性COD只占全部可生物降解COD的7％以下。在此條件下，產(chǎn)甲烷速度正比于固體底物的液化速度。因此在由不溶性底物厭氧降解產(chǎn)生甲烷的過程中，水解即是第一級(jí)反應(yīng)，也是限速反應(yīng)。水解常數(shù)KP受到水解溫度的極大影響。整個(gè)厭氧過程的產(chǎn)氣速率(r氣)等于水解速率(r水解)，它與可生物降解的不溶性有機(jī)構(gòu)濃度成正比。33環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)

圖6-6是Gujer和zehnder根據(jù)他們自己和其它人所作的研究，給出的固體物料水解常數(shù)與溫度的關(guān)系。圖中不同的圖例表示由不同研究者給出的結(jié)果，圖右側(cè)“Δ”還表示了在不同pH下不同的水解常數(shù)。在20℃以下，水解速度相當(dāng)慢，特別是類脂在20℃以下基本上不降解，碳水化合物也降解得相當(dāng)慢。34(2)溶解性底物的轉(zhuǎn)化速率與細(xì)胞產(chǎn)率

溶解性底物的生物轉(zhuǎn)化速率可由莫諾德(Monod)方程表示。假如U為比底物利用速率，為細(xì)胞增長(zhǎng)率，助細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)(即在已利用的底物中轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)的底物的百分?jǐn)?shù)，在廢水處理中Y可定義為“克細(xì)胞COD／去除gCOD”)，則有：環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)35環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)36

在厭氧處理的產(chǎn)甲烷階段，以揮發(fā)性脂肪酸(VFA)形式存在的COD被轉(zhuǎn)化為甲烷和細(xì)胞物質(zhì)。假定產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)占被轉(zhuǎn)化的VFA(均以COD計(jì))的產(chǎn)率為Ym(g細(xì)胞COD／去除gCOD)，則轉(zhuǎn)化為甲烷的VFA的產(chǎn)率為1一Ym。

在酸化階段，底物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)和VFA，假定細(xì)胞產(chǎn)率為Ya(g細(xì)胞COD／去除gCOD)，則轉(zhuǎn)化為VFA的分值為l一Ya。以上計(jì)算中，底物、VFA、細(xì)胞等均按COD計(jì)。

值得注意的是，廢水厭氧處理過程中。廢水的待征會(huì)極大影響到細(xì)胞產(chǎn)率，如果懸俘物在污泥床中積累的量很少，污泥產(chǎn)量主要來自廢水酸化和甲烷化階段產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)，此時(shí)廢水是否已酸化以及酸化部分VFA的組成等對(duì)污泥產(chǎn)量影響很大：一般講，酸化階段污泥的產(chǎn)量遠(yuǎn)大于產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段，因此未酸化廢水產(chǎn)生的污泥量會(huì)遠(yuǎn)大于已酸化廢水。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)37

所以在厭氧處理的預(yù)酸化反應(yīng)器中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的污泥，其產(chǎn)率與酸化程度有關(guān)，在起到酸化作用的均衡池或廢水貯槽中，也會(huì)有相當(dāng)?shù)奈勰喈a(chǎn)生。表6-1列出了酸化菌、產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌的細(xì)胞產(chǎn)率、Ka值以及細(xì)胞活力與世代時(shí)間，作為對(duì)照，活性污泥法中的好氧菌的有關(guān)數(shù)據(jù)也列于表中。

值得指出的是，當(dāng)廢水懸浮物大量截留在反應(yīng)器內(nèi)會(huì)大大增加污泥產(chǎn)量。環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)386.2污、廢水深度處理生物化學(xué)

環(huán)境生物化學(xué)

6.2.1生物脫氮生物化學(xué)1.生物脫氮過程和原理

廢水中的氮包括無機(jī)氮和有機(jī)氮兩種。無機(jī)氮以氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和亞硝態(tài)氮（NO2--N）3種形態(tài)存在，主要來源于微生物對(duì)有機(jī)氮的分解、農(nóng)田排水以及某些工業(yè)廢水。有機(jī)氮?jiǎng)t以蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸為主，來源于生活污水、農(nóng)業(yè)垃圾和食品加工、制革等工業(yè)廢水。

生物脫氮(Biologicaldenitrification)由硝化作用(

Nitrification)和反硝化作用(Denitrification)共同完成。它是指在微生物的作用下，廢水中的氮化合物轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩霾⒎祷卮髿獾倪^程，如圖6—7所示。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)39環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)(1)硝化反應(yīng)

硝化反應(yīng)是在好氧狀態(tài)下，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽氮的過程。硝化反應(yīng)是由一群自養(yǎng)型好氧微生物完成的，它包括兩個(gè)基本反應(yīng)步驟。第一階段是由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，稱為亞硝化反應(yīng)。亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺旋桿菌屬和亞硝化球菌屬等。第二階段則由硝酸菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，稱為硝化反應(yīng)。硝酸菌有硝酸桿菌屬、螺旋桿菌屬和球菌屬等。這兩項(xiàng)反應(yīng)均需在有氧的條件下進(jìn)行。常以CO2、CO32－、HCO3－為碳源。40環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)研究表明，硝化反應(yīng)速率主要取決于氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮的反應(yīng)速率。由上述反應(yīng)式計(jì)算得知，在硝化反應(yīng)過程中，將lg氨氮氧化為硝酸鹽需要4.57g氧(其中亞硝化反應(yīng)需耗氧3.43g，硝化反應(yīng)需耗氧1.14g)，同時(shí)約需耗7.14g重碳酸鹽堿度(以CaCO3計(jì))，以平衡硝化產(chǎn)生的酸度。亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化菌，均是好氧自養(yǎng)菌，只有在溶解氧足夠的條件下才能生長(zhǎng)。其基本特征見表6-2。由表可見，硝酸菌的世代期長(zhǎng)，生長(zhǎng)速度慢；而亞硝酸菌世代期較短，生長(zhǎng)速度快，較易適應(yīng)水質(zhì)水量的變化和其他不利的環(huán)境條件。41環(huán)境生物化學(xué)

在硝化反應(yīng)中，NH4＋－N向NO3－―N的轉(zhuǎn)化過程中總氮量未發(fā)生變化。氮元素的價(jià)態(tài)變化見表6-3。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)42環(huán)境生物化學(xué)

(2)反硝化反應(yīng)

反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)性微生物完成的生物化學(xué)過程。它的主要作用是在缺氧(無分子態(tài)氧)的條件下，將硝化過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氣態(tài)氮(N2)。

反硝化細(xì)菌包括假單胞菌屬、反硝化桿菌后、螺旋菌屬和無色桿菌屬等。它們多數(shù)是兼性細(xì)菌，有分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化菌氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體。在無分子態(tài)氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N5＋和N3＋作為電子受體．O2－作為受氫體生成H20和OH－堿度，有機(jī)物則作為碳源及電子供體提供能量，并得到氧化穩(wěn)定。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)43環(huán)境生物化學(xué)

反硝化過程中亞硝酸鹽和硝酸鹽的轉(zhuǎn)化是通過反硝化細(xì)菌的同化作用和異化作用來完成的。異化作用就是將NO2－和NO3－還原為NO、N2O、N2等氣體物質(zhì)，主要是N2。而同化作用是反硝化菌將NO2－和NO3－還原成為NH3－N，供新細(xì)胞合成使用，使氮成為細(xì)胞質(zhì)的成分，此過程可稱為同化反硝化，反硝化反應(yīng)中氮元素的轉(zhuǎn)化見表6-4。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)44環(huán)境生物化學(xué)

在DO≤0.5mg/L的情況下，兼性反硝化菌利用污水中的有機(jī)碳源(污水中的BOD成分)作為氫供給體，將來自于好氧池混合液中的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)馀湃氪髿猓瑫r(shí)有機(jī)物得到降解。其反應(yīng)式為：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)該反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是反硝化菌在缺氧環(huán)境中，利用硝酸態(tài)鹽的氧作為電子受體，將污水中的有機(jī)物作為碳源及電子供體，提供能量并得到氧化穩(wěn)定。在反硝化過程中，硝酸氮通過反硝化菌的代謝活動(dòng)有同化反硝化和異化反硝化兩種轉(zhuǎn)化途徑，其最終產(chǎn)物分別是有機(jī)氮化合物和氣態(tài)氮，前者成為菌體組成部分，后者排入大氣。如下所示：45環(huán)境生物化學(xué)

當(dāng)污水中缺乏有機(jī)物時(shí)，則無機(jī)物如氫、Na2S等也可以作為反硝化反應(yīng)的電子供體，而微生物則可以通過消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源反硝化。

可見，內(nèi)源反硝化的結(jié)果將導(dǎo)致細(xì)胞物質(zhì)的減少，同時(shí)還生成NH3，因此，不能讓內(nèi)源反硝化占主導(dǎo)地位，而應(yīng)向污水中提供必需的有機(jī)碳源。使用最普遍的有機(jī)碳源是較為廉價(jià)的甲醇，其反應(yīng)式為：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)46環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)

可見，在反硝化過程中，每轉(zhuǎn)化1g的NO3－－N需要2.47g甲醇，這部分甲醇表現(xiàn)為BODu是其1.5倍，即在還原1gNO3－－N的同時(shí)去除了1.05×2.47＝2.6gBODu，以D0計(jì)，相當(dāng)于在反硝化過程中“產(chǎn)生”了2.6g氧。在反硝化反應(yīng)中，還原1mg硝態(tài)氮能產(chǎn)生3.57mg堿度(以CaCO3計(jì))，而在硝化反應(yīng)過程中，將1mg的NH4＋－N氧化為NO3－－N，需消耗7.14mg的堿度(以CaCO3計(jì))。所以，在缺氧－好氧的A1／O工藝中，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可補(bǔ)償硝化反應(yīng)消耗堿度的一半左右。因此，對(duì)含氮濃度不高的城市污水或生活話水進(jìn)行處理時(shí)，可不必另外投加堿以調(diào)節(jié)pH值。47環(huán)境生物化學(xué)

２.生物脫氮法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

生物脫氮反應(yīng)包含硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，在兩個(gè)生化反應(yīng)過程中，微生物的生長(zhǎng)速率與氨氮的氧化速率都可用Monod公式來描述。(１)硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)１)微生物的比增長(zhǎng)速率

由硝化反應(yīng)式可知,氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮時(shí)釋放的能量大約是亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮時(shí)所釋放能量的4~5倍。所以，要想獲得相同的能量，所氧化的亞硝態(tài)氮的量也必須是氨氮的4~5倍。因此，在穩(wěn)態(tài)條件下，生物處理系統(tǒng)中一般不會(huì)產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累。研究表明，在溫度低于20℃時(shí)，亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)Monod方程中的飽和常數(shù)KN均小于lmg/L。因此，限制整個(gè)硝化反應(yīng)速度的步驟是氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮的亞硝化反應(yīng)，其微生物的比增長(zhǎng)速率可用下式表示：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)48環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)49環(huán)境生物化學(xué)

2）氨氮的氧化速率

氨氮的氧化速率直接與亞硝酸菌的增長(zhǎng)速率有關(guān)，而亞硝酸菌的增長(zhǎng)速率與亞硝酸菌的產(chǎn)率系數(shù)有關(guān)。NH4＋－N氧化速率與亞硝氧菌產(chǎn)率系數(shù)之間的關(guān)系可以表示為：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)50環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)51環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)52環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)53環(huán)境生物化學(xué)

3）反硝化動(dòng)力學(xué)公式的討論

上述反硝化動(dòng)力學(xué)表達(dá)式僅適用于單一的可快速降解的碳源有機(jī)物作電子供體(如甲醇)。而對(duì)于城市污水或工業(yè)廢水，由于廢水的成分比較復(fù)雜，既有可以快速降解的碳源有機(jī)物，也有不溶或慢速生物降解的有機(jī)物，則需要用另外的動(dòng)力學(xué)方程來表達(dá)。對(duì)此，Barnard根據(jù)不同的碳源有機(jī)物，提出反硝化速率存在三個(gè)不同的速率階段。

第一階段發(fā)生在反硝化反應(yīng)剛開始的5～15分鐘，此時(shí)反硝化速率最快，為50mg/(L·h)，該階段反硝化菌利用揮發(fā)性脂肪酸和醇類等可快速生物降解的有機(jī)物作為碳源進(jìn)行反硝化。第一階段利用快速生物降解有機(jī)物作碳源，其反硝化速率公式為：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)54環(huán)境生物化學(xué)

第二階段自第一階段結(jié)束一直延續(xù)到所有外碳源用完為止，反硝化菌以不溶的有機(jī)物或復(fù)雜的可溶性有機(jī)物作碳源，因而反應(yīng)速率比第一階段慢，約為16mg/(L·h)。第二階段利用慢速生物降解有機(jī)物，其硝化速率qDN(2)，可表示為：6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)55環(huán)境生物化學(xué)

3.生物脫氮過程的影響因素（1）硝化反應(yīng)的影響因素1）有機(jī)碳源

硝化菌是自養(yǎng)型細(xì)菌，有機(jī)物濃度不是它的生長(zhǎng)限制因素，故在混合液中的有機(jī)碳濃度不應(yīng)過高，一般BOD值應(yīng)在20mg/L以下。如果BOD濃度過高，就會(huì)使增殖速度較高的異養(yǎng)型細(xì)菌迅速繁殖，從而使自養(yǎng)型的硝化菌得不到優(yōu)勢(shì)而不能成為優(yōu)占種屬，嚴(yán)重影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行。2）污泥齡

為保證連續(xù)流反應(yīng)器中存活并維持一定數(shù)量和性能穩(wěn)定的硝化菌，微生物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。即污泥齡應(yīng)大于硝化菌的最小世代時(shí)間，硝化菌的最小世代時(shí)間是其最大比增長(zhǎng)速率的倒數(shù)。脫氮工藝的污泥齡主要由亞硝酸菌的世代時(shí)間控制。因此污泥齡應(yīng)根據(jù)亞硝酸菌的世代時(shí)間來確定。實(shí)際運(yùn)行中，一般應(yīng)取系統(tǒng)的污泥齡為硝化菌最小世代時(shí)間的三倍以上，并不得小于3～5d，為保證硝化反應(yīng)的充分進(jìn)行，污泥齡應(yīng)大于10d6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)56環(huán)境生物化學(xué)

3）溶解氧

氧是硝化反應(yīng)過程中的電子受體，所以，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的高低必將影響硝化的進(jìn)程，一般應(yīng)維持混合液的溶解氧濃度為2～3mg/L，溶解氧濃度為0.5～0.7mg/L是硝化菌可以承受的極限。有關(guān)研究表明，當(dāng)DO＜2mg/L時(shí)，氨氮有可能完全硝化．但需要過長(zhǎng)的污泥齡，因此，硝化反應(yīng)設(shè)計(jì)的溶解氧濃度≥2mg/L。

對(duì)于同時(shí)去除有機(jī)物和進(jìn)行硝化反硝化的工藝，硝化菌約占活性污泥的5％左右，大部分硝化菌將處于生物絮體的內(nèi)部。在這種情況下，溶解氧濃度的增加將會(huì)提高溶解氧對(duì)生物絮體的穿透力，從而提高硝化反應(yīng)速率。因此，在污泥齡短時(shí)，由于含碳有機(jī)物氧化速率的增加，致使耗氧速率增加，減少了溶解氧對(duì)生物絮體的穿透力，進(jìn)而降低了硝化反應(yīng)運(yùn)率；相反，在污泥齡長(zhǎng)的情況下，耗氧速率較低，即使溶解氧濃度不高，也可以保證溶解氧對(duì)生物絮體的穿透作用，從而維持較高的硝化反應(yīng)速率。所以，當(dāng)污泥齡降低時(shí)，為維持較高的硝化速率，則相應(yīng)地提高溶解氧的濃度。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)57環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)4）溫度溫度不但影響硝化菌的比增長(zhǎng)速率，而且影響硝化菌的活性。硝化反應(yīng)的適宜溫度范圍是20～30℃。表6-5列出了不同溫度下亞硝酸菌的最大比增大速率μN(yùn)值，從表中可以看出，μN(yùn)值與溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程，即溫度每升高10℃。μN(yùn)值增加一倍。在5～35℃的范圍內(nèi)，硝化的反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，但達(dá)到30℃時(shí)增加幅度減少，因?yàn)楫?dāng)溫度超過30℃時(shí)，蛋白質(zhì)的變性降低了硝化菌的活性。當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)幾乎停止。58環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)5）pH值硝化菌最佳pH值的范圍為7.5～8.5，當(dāng)pH值低于7時(shí)，硝化速率明顯降低，當(dāng)pH值低于6或高于9.6時(shí)，硝化反應(yīng)將停止進(jìn)行。由于硝化反應(yīng)中每消耗1g氨氮要消耗堿度7.14g，如果污水氨氮濃度為20mg/L，則需消耗堿度143mg/L。一般地，污水對(duì)于硝化反應(yīng)來說，堿度往往是不夠的，因此，應(yīng)投加必要的堿量，以維持適宜的pH值，保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行。6）C/N比從而影響脫氮效果。一般認(rèn)為處理系統(tǒng)的BOD負(fù)荷低于0.15gBOD5/(gMLSS·d)，處理系統(tǒng)的硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。7）有害物質(zhì)對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的有害物質(zhì)主要有重金屬，對(duì)硝化菌有抑制作用的重金屬有Ag、Hg、Ni、Cr、Zn等，毒性作用由強(qiáng)到弱，當(dāng)pH值由較高到低時(shí)，毒性由弱到強(qiáng)。而一些含氮、硫元素的物質(zhì)也具有毒性，如硫脲、氰化物、苯胺等，其他物質(zhì)如酚、氟化物、CIO4、K2CrO4、三價(jià)砷等也具有毒性，一般情況下，有毒物質(zhì)主要抑制亞硝酸菌的生長(zhǎng)，個(gè)別物質(zhì)主要抑制硝酸菌的生長(zhǎng)。59環(huán)境生物化學(xué)

（2）反硝化反應(yīng)的影響因素1）有機(jī)碳源

反硝化菌為異養(yǎng)型兼性厭氧菌，所以反硝化過程需要提供充足的有機(jī)碳源，通常以污水中的有機(jī)物或者外加碳源(如甲醇)作為反硝化菌的有機(jī)碳源。碳源物質(zhì)不同，反硝化速率也將不同。表6-6出了一些碳源物質(zhì)的反硝化速率。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)目前，通常是利用污水中有機(jī)碳源，因?yàn)樗哂薪?jīng)濟(jì)、方便的優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，當(dāng)污水中的BOD5／T-N值＞3～5時(shí)，即可認(rèn)為碳源是充足的，不需外加碳源，否則應(yīng)投加甲醇(CH3OH)作為有機(jī)碳源，它的反硝化速率高，被分解后的產(chǎn)物為CO2和H2O，不留任何難以降解的中間產(chǎn)物，其缺點(diǎn)是處理費(fèi)用高。60環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)研究結(jié)果表明：溫度對(duì)反硝化反應(yīng)的影響與反硝化設(shè)備的類型有關(guān)，表中列出了不同溫度對(duì)幾種反硝化構(gòu)筑物反硝化速率的影響。由表6-7看出，溫度對(duì)生物流化床反硝化的影響比生物轉(zhuǎn)盤和懸浮活性污泥要小得多。當(dāng)溫度從20℃降到5℃時(shí)，為達(dá)到相同的反硝化效果，生物流化床的水力停留時(shí)間提高到了原來的2.1倍，而采用生物轉(zhuǎn)盤和活性污泥法，水力停留時(shí)間則分別為原來的4.6倍和4.3倍。61環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)研究結(jié)果還表明：硝酸鹽負(fù)荷率高，溫度的影響也高；反之，則溫度影響低。4）溶解氧

反硝化菌是兼性，既能進(jìn)行有氧呼吸，也能進(jìn)行無氧呼吸。含碳有機(jī)物好氧生物氧化時(shí)所產(chǎn)生的能量高于厭氧反硝化時(shí)所產(chǎn)生的能量，這表明，當(dāng)同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有機(jī)物而抑制了硝酸鹽的還原。所以，為了保證反硝化過程的順利進(jìn)行，必須保持嚴(yán)格的缺氧狀態(tài)。微生物從有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧呼吸的關(guān)鍵是合成無氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會(huì)抑制這類酶的合成及其活性。由于這兩方面的原因，溶解氧對(duì)反硝化過程有很大的抑制作用。一般認(rèn)為，系統(tǒng)中溶解氧保持在0.5mg/L以下時(shí)，反硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行。但在附著生長(zhǎng)系統(tǒng)中，由于生物膜對(duì)氧傳遞的阻力較大，可以容許較高的溶解氧濃度。62環(huán)境生物化學(xué)

6.2.2生物除磷生物化學(xué)1.微生物除磷原理（1）微生物除磷原理

生物除磷(Biologicalphosphorusremoval)通常指的是在活性污泥或生物膜法處理廢水之后進(jìn)一步利用微生物去除水體中磷的技術(shù)。該技術(shù)主要利用聚磷菌等一類細(xì)菌，過量地、超出其生理需要地從廢水中攝取磷，并將其以聚合態(tài)貯藏在體內(nèi)，形成高磷污泥而排出系統(tǒng)，而實(shí)現(xiàn)廢水除磷的目的。聚磷菌是一種適應(yīng)厭氧和好氧交替環(huán)境的優(yōu)勢(shì)菌群，在好氧條件下不僅能大旦吸收磷酸鹽合成自身的核酸和ATP，而且能逆濃度梯度地過量吸收磷合成貯能的多聚磷酸鹽。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)63環(huán)境生物化學(xué)

聚磷菌能夠過量攝磷的原因可以解釋如下。廢水除磷工藝中同時(shí)存在的發(fā)酵產(chǎn)酸菌，能為其他的積磷菌提供可利用的基質(zhì)。處于厭氧和好氯交替變化的生物處理工藝中，在厭氧條件下，聚磷菌生長(zhǎng)受到抑制，為了生長(zhǎng)便釋放出其細(xì)胞中的聚磷酸鹽(以溶解性的磷酸鹽形式釋放到溶液中)，同時(shí)釋放出能量。這些能量可用于利用廢水中簡(jiǎn)單的溶解性有機(jī)基質(zhì)時(shí)所需。在這種情況下，聚磷菌表現(xiàn)為磷的釋放，即磷酸鹽由微生物體內(nèi)向廢水的轉(zhuǎn)移。當(dāng)上述微生物繼而進(jìn)入好氧環(huán)境后，它們的活力將得到充分的恢復(fù)，并在充分利用基質(zhì)的同時(shí)，從廢水中大量攝取溶解態(tài)的正磷酸鹽，在聚磷菌細(xì)胞內(nèi)合成多聚磷酸鹽，如具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的三偏磷酸鹽和四偏磷酸鹽MnPnO3n；以及具有線狀結(jié)構(gòu)的焦磷酸始和不溶性結(jié)晶聚磷Mn+2PnO3n；具有橫聯(lián)結(jié)構(gòu)的過磷酸鹽等，并加以積累。這種對(duì)磷的積累作用大大超過了微生物正常生長(zhǎng)所需的磷量，可達(dá)細(xì)胞質(zhì)量的6％~8％。而且有研究證明聚—3—羥基丁酸鹽比聚—3—羥基戊酸鹽更能夠影響聚磷菌的好氧攝磷。聚磷菌在厭氧條件下不但能分解外界的有機(jī)物，還能通過分解體內(nèi)的聚磷來獲取生長(zhǎng)繁殖所需的能量。

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)64環(huán)境生物化學(xué)

圖6—8為聚磷菌利用乙酸基質(zhì)在厭氧和好氧條件下的代謝過程。在厭氧條件下。積磷菌將體內(nèi)儲(chǔ)藏的聚磷分解，產(chǎn)生的磷酸鹽進(jìn)入液體中(放磷)，同時(shí)產(chǎn)生的能量可供積磷菌在厭氧條件下生理活動(dòng)之需；另一方面用于主動(dòng)吸收外界環(huán)境中的可溶性脂肪酸，在菌體內(nèi)以聚β—羥丁酸(PHB)的形式貯存。細(xì)胞外的乙酸轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)生成乙酰CoA的過程也需要耗能，這部分能量來自菌體內(nèi)聚磷的分解，聚磷分解會(huì)導(dǎo)致可溶性磷酸鹽從菌體內(nèi)的釋放和金屬陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。

過量除磷主要是生物作用的結(jié)果，但是生物過量除磷并不能解釋所有的生物除磷行為。Vacker和Milbury的研究結(jié)果表明，生物誘導(dǎo)的化學(xué)除磷可以作為生物除磷的補(bǔ)充。他們提出了在生物除磷系統(tǒng)中磷的脫除可能包括5種途徑：生物過量除磷、正常磷的同化作用、正常液相沉淀、加速液相沉淀以及生物膜沉淀等。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)65環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)66環(huán)境生物化學(xué)

（2）聚磷菌一般聚磷微生物可以分為三大類，即不動(dòng)細(xì)菌屬、具有硝化或反硝化能力的聚磷菌以及假單胞菌屬(Pseudomonas)和氣單胞菌屬(Aerodomonas)等其他聚磷菌。

不動(dòng)細(xì)菌，如乙酸鈣不動(dòng)桿菌(Acinetbactercalcoaceticus)和魯氏不動(dòng)桿菌(Alwoffi)，其外觀為粗短的桿狀，格蘭氏染色陰性或略紫色，對(duì)數(shù)期細(xì)胞大小1~1.5μm，桿狀到球狀，靜止期細(xì)胞近球狀，以成對(duì)、短鏈或簇狀出現(xiàn)；而試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)硝化桿菌屬(Nitrobactersp.)、反硝化硝化球菌(Nitrococcusdenitrificans)和亞硝化球菌(Nitrosococcusf)等也能超量吸磷；其他聚磷菌主要有假單胞菌屬(Pseudomonas)、氣單胞菌屬(Aerodomonas)、放線菌屬(Microthrir)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等，如氫單胞菌（Hydrogenomonassp.）、孢囊假單胞菌(Pseudomanasvesicularis)、沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)以及產(chǎn)氣桿菌(Aerobacteraerogenes)等。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)67環(huán)境生物化學(xué)

聚磷菌一般只能利用低級(jí)脂肪酸(如乙酸等)，而不能直接利用大分子的有機(jī)基質(zhì)，因此大分子物質(zhì)需降解力小分子物質(zhì)。如果降解作用受到抑制，則聚磷菌難以利用放磷中產(chǎn)生的能量來合成聚-β-羧基丁酸鹽(PHB)顆粒，因而也難以在好氧階段通過分解PHB來獲得足夠的能量過量地?cái)z磷和積磷，從而影響系統(tǒng)的處理效率。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)68環(huán)境生物化學(xué)

（3）除磷過程廢水的生物除磷工藝過程中通常包括兩個(gè)反應(yīng)器：一個(gè)是厭氧放磷；另一個(gè)為好氧吸磷。圖6-9

所示為活性污泥法生物除磷的工藝流程。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)69環(huán)境生物化學(xué)

1）厭氧放磷污水生物處理中，主要是將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化稱正磷酸鹽，聚合磷酸鹽也被水解成正鹽形式。廢水的微生物除磷工藝中的好氧吸磷和除磷過程是以厭氧放磷過程為前提的。在厭氧條件下，聚磷菌體內(nèi)的ATP水解，釋放出磷酸和能量，形成ADP，即6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)試驗(yàn)證明，

經(jīng)過厭氧處理的活性污泥在好氧條件下有很強(qiáng)的吸磷能力。70環(huán)境生物化學(xué)

2）好氧攝磷在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地從外界攝取有機(jī)物，ADP利用分解有機(jī)物所得的能量進(jìn)行磷酸合成ATP，即

其中大部分磷酸是通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞綇耐獠凯h(huán)境攝取的，這就是所謂的“磷的過量攝取”，現(xiàn)象。活性污泥法生物除磷的生化機(jī)理如圖6-10所示。6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)71環(huán)境生物化學(xué)

6水環(huán)境污染控制與治理中的生物化學(xué)72環(huán)境生物化學(xué)

2.生物除磷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)人們根據(jù)基質(zhì)與除磷微生物混合后出現(xiàn)的響應(yīng)方式把能誘導(dǎo)磷釋放的基質(zhì)劃分成三類。A類：甲酸、乙酸和丙酸等低分子有機(jī)酸；B類：甲醇、乙醇、檸檬酸和葡萄糖等；C類：丁酸、乳酸和琥珀酸等。

這三類都屬于可快速降解的COD（Sbs）。

其中A類基質(zhì)存在時(shí)放磷速度較快，污泥初始的線性放磷系由A類基質(zhì)誘導(dǎo)所致。放磷速度與A類基質(zhì)濃度無關(guān)，僅與活性污泥的濃度和