廢水處理中的微生物

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物質的能力。微生物將膠體(ti) 的和溶解性的含碳有機物轉化成CO2並合成新的微生物菌體(ti) 。微生物菌體(ti) 的密度稍微大於(yu) 水，可以利用重力沉降法將其從(cong) 處理過的水中去除。微生物菌體(ti) 本身即為(wei) 有機物，以BOD的形式存在於(yu) 出水中。因此如果被處理過的水中微生物菌體(ti) 未被去除，則未達到*處理。

廢水處理廠中，基質被氧化，釋放出來的能量被傳(chuan) 遞並儲(chu) 存在能量載體(ti) 中(如下圖所示)，供微生物利用。由分解代謝所產(chan) 生的化學物質，部分被用於(yu) 微生物的生存。廢水中的重要微生物有細菌、真、藻類及輪蟲與(yu) 甲殼動物。其細胞內(nei) 進行的分解代謝和合成代謝對廢水處理具有重要意義(yi) 。

二、汙染物的分解

1、好氧分解

   必須有分子氧作終電子受體(ti) 。天然水體(ti) 中氧以DO形式存在。當氧是*電子受體(ti) 時，有機物終代謝物主要為(wei) CO2、水及新的細胞物質。

在正常的天然水體(ti) 中，好氧分解是水體(ti) 自淨的主要途徑。由於(yu) 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速率，比其它氧化係統中產(chan) 生的新細胞多，因此汙泥的產(chan) 生量就多。好氧分解速度快、效率高，產(chan) 生的臭味少，因此廢水濃度較低（BOD5小於(yu) 500mg/L）時可選用此法。當廢水濃度過高時（BOD5大於(yu) 1000mg/L），采用好氧處理不能得到足夠的溶解氧，且有大量的生物汙泥產(chan) 生，因此一般不適合於(yu) 采用該法處理。

2、缺氧分解

在缺少分子氧時，一些微生物能夠利用硝酸鹽作為(wei) 終受體(ti) ，此時的氧化過程稱為(wei) 反硝化過程。終產(chan) 物為(wei) 氮氣、二氧化碳、水及新細胞物質。反硝化產(chan) 生的能量約等於(yu) 好氧分解產(chan) 生的能量。

3、厭氧分解

為(wei) 進行厭氧分解，分子氧與(yu) 硝酸鹽不可作為(wei) 電子受體(ti) 。硫酸鹽、二氧化碳及有機物在厭氧分解中作為(wei) 終電子受體(ti) 而被還原。無氧參與(yu) ，底物氧化不*。有機物的厭氧分解通常分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 步驟：首先複雜的有機物發酵生成低分子量的脂肪酸（揮發性酸）；第二步這些有機酸轉化成甲烷，二氧化碳作為(wei) 電子受體(ti) 。厭氧氧化時僅(jin) 能釋放出少量的能量，因此細胞的產(chan) 生量即汙泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產(chan) 生的汙泥通過厭氧分解加以穩定。目前，很多工廠利用此法處理汙泥產(chan) 生沼氣，發電。如北京高碑店汙水處理廠。

廢水的厭氧生物處理優(you) 點：不需另加氧源，故運行費用低。缺點：反應速度慢，構築物容積大。廢水濃度較低時，不適合於(yu) 利用厭氧分解直接處理。為(wei) 提高厭氧分解的效率，必須提高廢水溫度。

三、微生物生長動力學

1、細菌生長的環境要求

（1）終電子受體(ti)

（2）大量營養(yang) 物：合成細胞所需的碳源、氮源；ATP（能量載體(ti) ）和DNA所需的磷；

（3）微量營養(yang) 物：微量金屬；某些細胞所需的維生素。

（4）適宜的環境：溫度；濕度；pH。

2、純培養(yang) 下的生長規律

遲緩期：細菌不能立即繁殖，適應期；對數增長期：在延遲期的末端細菌開始分裂，數目逐漸增加，適應後，快速增殖，旺盛期。對數生長期細菌數目P經過n個(ge) 世代周期後可用下式表示：

P = P0´2n

純培養(yang) 下的生長規律可用下述理論表達：減速增長期：營養(yang) 物質逐漸減少，繁殖速度減慢；內(nei) 源呼吸期：營養(yang) 物質明顯不足，進行內(nei) 源呼吸。

3、米歇裏斯-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速度與(yu) 底物濃度之間的定量關(guan) 係。 Km(mol/L)：米氏常數。當酶反應速度達到大反應速度的一半時的底物濃度。

1）Km值隻與(yu) 酶的性質有關(guan) ，與(yu) 酶的濃度無關(guan) ；

        2）如果一個(ge) 酶有幾個(ge) 底物，則對於(yu) 一個(ge) 底物有一個(ge) 特定Km；

        3）Km值小的底物稱為(wei) 該酶的適底物。

在廢水處理係統中有兩(liang) 種極限情況：一、限製性基質過量，即S>>Ks時，mm=m，菌體(ti) 的生長速率為(wei) 一級反應；二、當S<<Ks時，由於(yu) 基質量的限製，菌體(ti) 的生長速率為(wei) 零級反應，與(yu) 菌體(ti) 濃度無關(guan) 。

4、混合培養(yang) 物下的生長

廢水或天然水體(ti) 微生物的存在不是*的。生長動力學描述的是不同微生物在相互競爭(zheng) 中其質量或濃度隨時間的變化。不同菌種對同一基質競爭(zheng) 的能力取決(jue) 於(yu) 菌種對基質的代謝能力。由於(yu) 細菌的體(ti) 積較小，單位質量的表麵積較大，可迅速的將基質去除。當溶解性有機物缺乏時，細菌繁殖將減少，而撲食者則增加。在密閉係統中，初添加混合微生物和基質後，細菌種群數量達到大值後，因基質缺乏，微生物進入內(nei) 源呼吸狀態後而逐漸死亡。隨後被其它種類的細菌分解。這個(ge) 過程不斷循環進行。

5、混合培養(yang) 物的生長規律

對大多數混合培養(yang) 的微生物，莫諾德Monod方程（1942年)均可適應。該方程中微生物以質量表示而不是以生物數量表示。對數生長期微生物質量增加的速率可表示為(wei) ：

     m為(wei) 細菌比生長速率，t-1；X為(wei) 菌體(ti) 濃度(mg/L)。

利用混合培養(yang) 微生物不易直接測量m值。假設食物利用速率與(yu) 菌體(ti) 產(chan) 生速率均受限於(yu) 供給所需食物的酶反應速率，得到：

         式中，mm細菌大比生長速率常數；S為(wei) 限製性基質濃度，mg/L；Ks為(wei) 半飽和常數，mg/L。當m=0.5 mm時，Ks=S。

6、莫諾德方程

Monod方程中生長速率與(yu) 限製性基質濃度的關(guan) 係

Monod方程僅(jin) 考慮微生物的生長，沒考慮自然死亡，假設係統中所有基質均轉化為(wei) 菌體(ti) ：

式中kd為(wei) 內(nei) 源衰減速率常數，t-1。

式中，Y為(wei) 食物轉化菌體(ti) 的比例，或合成係數，mg菌體(ti) /mg基質。