第11章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
11.1 复习笔记
【知识框架】
【重点难点归纳】
一、污水生物处理技术分类（见表11-1及表11-2）
表11-1 污水生物处理技术类型（根据微生物对溶解氧的需求分类）
表11-2 污水生物处理技术类型（根据微生物生长方式分类）
二、污水生物处理基本原理
1．概念
（1）污水生物处理
污水生物处理是指微生物在酶的催化作用下，利用微生物的新陈代谢功能，对污水中的污染物质进行分解和转化。
（2）微生物代谢
微生物代谢由分解代谢（异化）和合成代谢（同化）两个过程组成，是物质在微生物细胞内发生的一系列复杂生化反应的总称。
①分解代谢，是指微生物在利用底物的过程中，一部分底物在酶的催化作用下降解并同时释放出能量的过程，又称生物氧化。
②合成代谢，是指微生物利用另一部分底物或分解代谢过程中产生的中间产物，在合成酶的作用下合成微生物细胞的过程，合成代谢所需的能量由分解代谢提供。
污水生物处理过程中有机物的生物降解实际上就是微生物将有机物作为底物进行分解代谢获取能量的过程。
2．发酵与呼吸
有机底物的生物氧化主要以脱氢（包括失电子）方式实现，底物氧化后脱下的氢可表示为：
根据氧化还原反应中最终电子受体的不同，分解代谢可分成发酵和呼吸两种类型，呼吸又可分成好氧呼吸和缺氧呼吸两种方式。
（1）发酵
①概念
发酵是指微生物将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生不同的代谢产物的过程。
②特点
a．有机物部分氧化，释放少量能量，合成少量的ATP；
b．不需要外界提供电子受体。
（2）呼吸
①概念
呼吸是指微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放能量的过程。
②分类
a．好氧呼吸
以分子氧作为最终电子受体，反应的电子供体（底物）则根据微生物的不同而异，异养微生物的电子供体是有机物，自养微生物的电子供体是无机物。异养微生物进行好氧呼吸时，有机物最终被分解成CO2、氨和水等无机物，同时释放出能量。自养微生物进行好氧呼吸时，其最终产物也是无机物，同时释放出能量。
b．缺氧呼吸
以氧化型化合物作为最终电子受体，也需要细胞色素等电子传递体，也能产生能量用于生命活动。但由于部分能量随电子传递给最终电子受体，故生成的能量少于好氧呼吸。
（3）二者的区别
呼吸作用与发酵作用的根本区别在于呼吸作用中电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。
3．好氧生物处理
（1）概念
污水中有分子氧存在的条件下，利用好氧微生物（包括兼性微生物，但主要是好氧细菌）降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法称为好氧生物处理。污水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。
（2）处理过程（见图11-1）
图11-1 好氧生物处理过程中有机物转化示意图
（3）特点
好氧生物处理的反应速率较快，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。
（4）适用范围
目前对中、低浓度的有机污水，或者BOD5小于500mg/L的有机污水，适宜采用好氧生物处理法。
4．厌氧生物处理
（1）概念
厌氧生物处理是指在没有分子氧及化合态氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。其处理过程见图11-2。
图11-2 厌氧生物处理过程有机物转化示意图
（2）特点
①优点是由于厌氧生物处理过程不需另外提供电子受体，运行费低，此外，剩余污泥量少，可回收能量（甲烷）。
②缺点是反应速率较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。
（3）适用范围
有机污泥和中高浓度有机污水适宜采用厌氧生物处理法进行处理。
5．脱氮除磷基础理论
（1）生物脱氮
生物脱氮是指含氮化合物经过氨化、硝化、反硝化后，转变为N2而被去除的过程。其反应类型见表11-3。
表11-3 生物脱氮反应类型
（2）生物除磷
在厌氧—好氧或厌氧—缺氧交替运行的系统中，利用聚磷微生物（PAOs）具有厌氧释磷及好氧（或缺氧）超量吸磷的特性，使好氧或缺氧段中混合液磷的浓度大量降低，最终通过排放含有大量富磷污泥而达到从污水中除磷的目的。
三、微生物的生长规律和生长环境
1．微生物的生长曲线
研究微生物群体生长的传统方法是分批培养法，即将少量纯种微生物细胞接种到一定体积的培养液中进行培养，在培养过程中营养物质（即底物）随时间的延长而消耗，据此可绘出如图11-3所示的生长曲线。
图11-3 微生物的生长曲线
按微生物生长速率，其生长过程可分为四个时期，如表11-4所示。
表11-4 微生物生长过程
在污水生物处理过程中，控制微生物的生长期对系统运行尤为重要。为了获得既具有较强的氧化和吸附有机物的能力，又具有良好的沉降性能的活性污泥，在实际中常将活性污泥控制在稳定期末期和衰亡期初期。
2．微生物的生长环境
（1）微生物的营养
微生物为合成自身的细胞物质，需要从周围环境中摄取自身生存所必需的各种物质，这就是营养物质。其中主要的营养物质是碳、氮、磷等，这些是微生物细胞化学成分的骨架。对微生物来讲，碳、氮、磷营养有一定的比例，一般为BOD5：N：P＝100：5：1。
（2）温度
①好氧生物处理
一般好氧生物处理中的微生物多属中温微生物，其生长繁殖的最适温度范围为20～37℃。当温度超过最高生长温度时，微生物的蛋白质迅速变性且酶系统会遭到破坏失去活性，严重时可使微生物死亡。低温会使微生物代谢活力降低，进而处于生长繁殖停止状态，但仍可维持生命。
②厌氧生物处理
厌氧生物处理中，常利用中温和高温两种类型的微生物，中温厌氧菌的最适温度范围为25～40℃，高温厌氧菌的最适温度范围为50～60℃。
（3）pH
不同的微生物有不同的pH适应范围。大多数细菌适宜中性和偏碱性环境（pH为6.5～7.5）。酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的环境中生活，最适pH为3.0～6.0。在污水生物处理过程中，保持最适pH范围是十分必要的。当污水的pH变化较大时，应设置调节池，以保持生物反应器中的pH在合适的范围内。
（4）溶解氧
在好氧生物处理中，如果溶解氧不足，好氧微生物由于得不到充足的氧，其活性将受到影响，代谢能力降低，同时对溶解氧要求较低的微生物将逐步成为优势种属，影响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。对于生物脱氮除磷来讲，厌氧释磷和缺氧反硝化过程不需要溶解氧，否则将导致氮、磷去除效果下降。
（5）有毒物质
有毒物质是对微生物具有抑制和毒害作用的化学物质，其毒害作用主要表现在破坏细胞的正常结构及使菌体内的酶变质，并失去活性。
四、反应速率和反应级数
1．反应速率
在生化反应中，反应速率是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在污水生物处理中，以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示生化反应速率。生化反应过程可以用图11-4表示。
图11-4 生化反应过程底物变化示意图
（11-1）
即：
（11-2）
式中，S，X为底物、微生物细胞浓度；反应系数
又称产率系数，g（生物量）/g（降解的底物）。
式（11-2）反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是污水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。
2．反应级数
试验表明，在生化反应过程中，底物的变化速率和反应器中的底物浓度有关。其生化反应方程式见式（11-1），生化反应速率可由下式表示：
（11-3）
或
（11-4）
式中，k为反应速率常数，随温度而异；n为反应级数。
式（11-4）又可改写为：
（11-5）
式（11-5）可以用图11-5来表示，图中直线的斜率即为反应级数n的数值。
图11-5 lgυ与lgS之间的关系
五、微生物生长与底物降解动力学
1．微生物的增长速率
（1）增长速率
以dX表示反应时段dt内的微生物增长量，则微生物的增长速率表示为：
（11-6）
式中，X为现有微生物群体浓度；rX为微生物增长速率。
（2）比增长速率
①从反应动力学的角度看，微生物的比增长速率为：
（11-7）
式中，μ为微生物的比增长速率。
②在某一时刻活性污泥系统中微生物的增长量，与该时刻的微生物浓度和微生物比增长速率有如下关系式：
（11-8）
当外部电子受体，适宜的物理、化学环境条件都具备时，微生物的比增长速率与营养底物的关系式（莫诺特方程）见下式：
（11-9）
式中，μ为比增长速率；μmax为μ在限制增长的底物达到饱和浓度时的最大值；S为底物浓度；KS为饱和常数，即
时的底物浓度。
动力学参数μmax和KS可通过试验，并采用兰维福—布克图解法求得。
试验时，选择不同的底物浓度S，测定对应的比增长速率μ，求出两者的倒数，并以
对
作图，可得出如图11-8所示的直线，直线在纵坐标轴上的截距为
，直线的斜率为
，由此可求得
和KS。
图11-8 作图法求KS与
2．底物利用速率
（1）底物利用速率
与现存微生物群体浓度X成正比，即：
（11-10）
式中，
为底物利用速率；X为现存微生物群体浓度；q为比例常数，即比底物利用速率。
（2）劳—麦方程
（11-11）
式中，qmax为最大比底物利用速率，即单位微生物量利用底物的最大速率；KS为饱和常数，即
时的底物浓度，又称半速率常数；S为底物浓度。
上式表明了比底物利用速率与底物浓度之间的关系式在整个浓度区间上都是连续的。
①当S远大于KS的情况下，可忽略式（11-11）中的KS，方程变为：
（11-12）
（11-13）
a．式（11-12）表明，在高有机物浓度条件下，有机底物以最大速率降解，与底物的浓度无关，呈零级反应关系。这是因为在高浓度有机物条件下，微生物处于对数增长期，其酶系统的活性部位都为有机底物所饱和。
b．式（11-13）表明，在高有机物浓度条件下，底物的降解速率仅与微生物的浓度有关，呈一级反应关系。
②当KS远大于S的情况下，可忽略式（11-11）中的S，方程变为：
（11-14）
（11-15）
式中，
式（11-14）表明，此时的底物降解速率与底物浓度呈一级反应关系，在这种条件下，微生物增长处于稳定期或衰亡期，微生物的酶系统多未被饱和。
式（11-13）和式（11-15）是式（11-11）的两种极端情况，这两个式子一般合称为“关于底物利用的非连续函数”。
3．微生物增长与底物降解
对于异养微生物来说，底物既可起营养源作用，又可起能源作用。用于提供能量的底物又可分为用于合成作用提供能量的底物和用于维持生命提供能量两部分。
微生物净增长速率和底物利用速率之间的关系可用“微生物增长的基本方程”进行描述：
（11-16）
式中，
为微生物的净增长速率；
为总底物利用速率；Kd为衰减系数或内源代谢系数，表示每单位微生物体每单位时间内由于内源呼吸而消耗的微生物量；Y为被利用的单位底物量转换成微生物量的系数，这一产率没有将内源代谢造成的微生物减少量计算在内。
根据式（11-8），式（11-16）可改写成：
（11-17）
即：
其中，
则：
