废水生物处理原理教学教程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,废水生物处理原理,1,课程主要内容,生物,化学,基础,废水的脱氮与除磷,1,2,3,4,5,6,7,8,生物,化学,基础,细菌的呼吸与生物氧化,病毒（噬菌体）,第一讲 生物化学基础,细菌的,生理,微生物代,谢与合成,真核细胞微生物,分批培养物的生长规律,需氧代谢,厌氧代谢,原核细胞微生物,细菌的生物催化剂,酶,细菌成分、营养与生长环境,水处理中,的微生物,第一节 原核细胞微生物,细菌,：,给水和废水处理中最重要的一类微生物,粘液层：有些细菌在一定环境条件下可形成一层粘液性物质，包围在细胞壁外，这层物质叫粘液层。其主要成分是多糖和果胶类物质。,荚膜：粘液层呈现均匀厚度时，成为荚膜。,菌胶团：有些细菌的粘液层能粘结起来，使许多细菌成团块状生长，称为菌胶团。,菌胶团细菌：并非所有的细菌都能形成菌胶团，能够形成菌胶团的细菌称为菌胶团细菌。,水处理中的微生物,原核细胞生物,仅有原始的核物质，无核膜与核仁的分化，也无细胞器,第一节 原核细胞微生物,菌胶团：活性污泥和生物膜的重要组成部分,较强的吸附和氧化能力,活性污泥性能的好坏主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构紧密程度来判断。,水处理中的微生物,新生菌胶团,颜色较浅,旺盛的生命力,氧化分解有机物能力强,老化菌胶团,颜色较深,生命力较差,氧化分解有机物能力弱,为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好。,细菌种类,产碱,杆菌属,动胶,菌属,黄杆,菌属,假单胞,菌属,葡萄球,菌属,微球,菌属,埃希氏,菌属,芽孢,杆菌属,甲烷八叠,球菌属,甲烷,杆菌属,甲烷,球菌属,需氧性细菌。细菌中较大的菌属，在土壤和水体中极常见。,有的能够利用硝酸盐通过厌氧呼吸进行反硝化。,兼性厌氧化能异养型细菌。可分解蛋白质。,第一节 原核细胞微生物,丝状菌（,Filamentous Bacteria,）,维持废水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力。,在正常运行的废水生物处理系统中，丝状菌往往是生物絮体或生物膜的骨架，其上附着菌胶团，丝状细菌和菌胶团细菌形成互惠关系。,水处理中的微生物,污泥膨胀：,丝状菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非 结构性丝状菌的大量繁殖,丝状菌种类,贝日阿,托氏菌,铁细菌,发硫,细菌,球衣菌,专性需氧菌。构成生物膜的重要菌种。易于游离，发生污泥膨胀。,（加设生物选择器控制）,一般生活在含氧少、溶有较多铁质和二氧化碳的水中。易造成铁质水管腐蚀和堵塞,第一节 原核细胞微生物,放线菌,单细胞微生物。具有分枝的丝状菌，介于真菌和细菌之间。,不少抗生素是由放线菌产生,放线菌中的诺卡氏菌属有分解无机氰化物和烃类化合物的能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起重要作用。,水处理中的微生物,蓝细菌,有时列入藻类，也称为蓝藻。细胞结构为原核。,海洋中的“赤潮”有时也是蓝细菌大量繁殖所致。,第二节 真核细胞微生物,原生动物,：单细胞动物,常被用作系统的指示生物（主要用于城市污水）。,其作用主要在于吞噬细菌,控制细菌的增殖速度，保持微生物群体的生态平衡。,还可直接吞食废水中的固体有机物，吸收溶解性有机物,直接发挥净化作用。,水处理中的微生物,真核细胞生物,细胞核化程度较高，有核膜和核仁。,第二节 真核细胞微生物,真菌,类似植物的低等生物，结构比细菌、放线菌复杂。,真菌形态有单细胞和多细胞两种。,与水的生物处理相关的是单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。,水处理中的微生物,藻类,含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。,自然生物处理技术（氧化塘）常利用藻类的光合作用。,第三节 病 毒,水处理中的微生物,病毒,没有细胞结构的唯一的微生物，大多数为核酸与蛋白质组成的大分子，只含有,DNA,或,RNA,一种类型的核酸。,第四节 细菌的成分,细菌的生理,细菌生长所必需的营养物必须包含该细胞的细胞物质中所含的元素，以及酶的活力及运输系统所必须的元素。,细菌所含的主要生物元素：,C,、,O,、,N,、,P,、,S,、,K,、,Na,、,Mg,、,Ca,、,Cl,、,Fe,等,根据主要元素占细菌干重的比例，判断水质中含有的主要元素含量是否满足细菌生长需要量。,细菌所含的次要生物元素：,Zn,、,Mn,、,Cu,、,Co,等,次要元素在细菌代谢中必不可少，起专一的催化或结构上的作用。,细菌的有机组成成分,细菌的生理,Hoover,实验式：,C,5,H,7,NO,2,或,C,60,H,87,O,23,N,12,P,Helmer,实验式：,C,7,H,10,NO,3,或,C,118,H,170,O,51,N,17,P,为了便于写出反应大致的化学计量关系，对反应过程所需的物质量进行估算，采用下式代表细菌的成分：,C,5,H,7,NO,2,第五节 细菌的营养与生长环境,细菌的生理,新陈代谢,（,metabolism,）是维持生命的各种活动（生长、繁殖、运动等）过程中，生物化学变化（包括物质的分解合成）的总称。,细菌的新陈代谢,是细菌不断从外界环境中摄取其生长与繁殖所必需的营养物质，同时又不断将自身产生的代谢产物排泄到外界环境中去的过程。,新陈代谢包括：同化作用和异化作用。,吸收能量，进行,合成反应将吸收,的营养物转化为,细胞物质的过程,提供基质,同化,作用,第五节 细菌的营养与生长环境,细菌的生理,分解反应，放出,能量，将自身细,胞物质和细胞内,的营养物质分解,的过程。,异化,作用,提供物质基础和能量来源,细菌的营养类型,细菌的生理,光能营养型：,具有光合作用机构，可将光能转化为,ATP,的高能磷酸键。,类 型,电子供体,电子受体,代表细菌,光能自养型,H,2,O,H,2,S,、,S,、,H,2,CO,2,CO,2,蓝细菌,着色菌科,光能异养型,各种有机物,有机物,红螺菌科,细菌的营养类型,细菌的生理,化能营养型：,依靠各种氧化还原反应获得,ATP,。,ADP+P,i,ATP+H,2,O,类 型,电子供体,电子受体,代表细菌,化能自养型,NH,3,O,2,亚硝酸单胞菌,化能异养型,有机物,有机物,NO,3,-,SO,4,2-,硝酸盐还原菌,硫酸盐还原菌,营养物质的传递,细菌的生理,渗透作用（被动扩散）：,物质由高浓度区透过细胞膜向低浓度区扩散。,水、气体、某些离子（如,Na,+,，,K,+,）,促进扩散：,通过专一性的膜蛋白质载体传送物质。,不需能量、专一性、浓度梯度,主动运输：,对底物具有专一性、需要代谢能、运输并释放到细胞内的底物性质不变。,可以逆浓度梯度。,细菌的生长环境,细菌的生理,环境因素：,温度：高温杀菌主要由于菌体的主要成分蛋白质遇热凝固变性所致。低温条件下，细菌代谢活动降低，并不致死亡。,pH,值：改变底物和菌体酶蛋白的带电状态,氧化还原条件：一般用氧化还原电势,E,表示,光线、压力、干燥（水分）、化学药剂等,驯化：,废水生物处理中，有计划、有目的地控制细菌,生长条件，使细菌遗传性有利于处理废水的定向诱导,过程。,酶（,enzyme,）：,由活细菌细胞产生的一类具有高度,催化专一性的特殊蛋白质。,第六节 细菌的生物催化剂,酶,细菌的生理,酶的名称,催化反应,氧化还原酶,转移酶,水解酶,异构酶,裂解酶,合成酶,影响酶催化活性的因素,细菌的生理,pH,值：,当底物为两性电解质时，随,pH,变化表现出不同的解离状态。,温度：,在酶的最适宜温度范围内，每升高,10,o,C,，反应速率增加,1,2,倍。,激活剂：,加强催化效力。常用,Fe,+,抑制剂：,减弱、抑制甚至破坏酶的作用。如重金属离子,失活酶,活性酶,NH,3,+,COOH,失活酶,NH,2,COO,-,COO,-,NH,3,+,H,+,H,+,OH,-,OH,-,当细菌处于平衡生长时，如果生物量增长一倍，则细,菌体内的所有可测量物质，如蛋白质、,RNA,等也增长,一倍。即：平衡生长的细菌，其化学组成是恒定的。,第七节 分批培养物的生长规律,细菌的生理,平衡生长的细菌培养物的增殖率：,为比增殖速率（,h,-1,），,N,，,X,，,Z,分别为每毫升溶液,中细菌个数、质量、任何一种细胞成分。,第七节 分批培养物的生长规律,细菌的生理,倍增时间（增代时间）,t,d,：,细菌培养物的各种成分增,为原来的两倍所需时间。,例如：,E.Coli,在,40,o,C,倍增时间为,0.35h,，说明在,0.35h,内，,数量可增加一倍。由,t,d,可算出比增殖速率为：,Monod,方程：,细菌的生长曲线,细菌的生理,生长曲线：,滞后期,指数增长期,静止期,死亡期,指数增长期：,细菌的增殖速率,dx/dt,与限制营养物的减少,d,/,dt,呈,正比例关系。,Y,为产率因数，代表每克营养物所产生的细菌质量。,第八节 细菌的呼吸与生物氧化,细菌的生理,细菌的呼吸作用：,以有机物或无机化合物为电子供体,（使之氧化），无机化合物为电子受体（使之还原），,从而产生,ATP,的代谢过程。,通常电子受体为分子氧。,细菌根据呼吸类型不同可分为：需氧菌（好气菌）、,厌氧菌（厌气菌）、兼性菌（兼气菌）。,氧在好氧过程中的作用：,（,1,）作为最终电子受体，被还原为水,（,2,）作为底物在代谢中被结合到有机物的产物中,第九节 需氧代谢,微生物的代谢与合成,无论是降解或合成代谢，都可分为三个阶段：,水解,酵解,三羧酸循环,三羧酸循环：,降解的组后阶段,合成的起始阶段,整个代谢过程的核心,第十节 厌氧代谢,微生物的代谢与合成,厌氧生物代谢过程可分为三阶段：,第一阶段：,由兼性细菌产生的水解酶类，将大分子,物质或不溶性物质水解为低分子可溶性物质。,（如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等）,第二阶段：,由产酸细菌将可溶性有机物氧化为低分,子的有机酸、醇等，并合成新细胞物质。,第三阶段：,由产甲烷细菌把第二阶段产物进一步氧,化为甲烷、二氧化碳等，并合成新的细胞物质。,第二讲 废水生物化学处理基础,第一节,第二节,第三节,细菌的,连续增殖,细菌增殖速率与底物消耗速率的关系,BOD,与,T,b,OD,第一节 细菌的连续增殖,废水生物化学处理基础,连续培养器：,一方面保持细菌处于指数生长期，,另一方面控制细菌的总量不变。,恒化器：,控制培养液中某一限制营养液为恒定值，,间接控制细菌增殖率,恒浊器：,控制培养物溢流的浊度为恒定值，,直接控制细菌增殖率,溢流流量,f,mL/h,容积,V,含,x,g,细菌,限制营养物浓度,排气,灭菌空气,灭菌培养液,f,mL/h,限制营养物浓度,i,恒化器示意,保持一种限制营养物在恒化器进口处恒定，其余成分浓度过剩,废水生物化学处理基础,每小时溢流排出细菌质量为：,稳定条件下：增殖量溢流量,由,Monod,方程求稳态条件下的营养物质浓度：,稳态条件下细菌质量：,恒化器,废水生物化学处理基础,第二节 细菌增殖速率与底物消耗速率,废水生物化学处理基础,由于细菌生长新的细胞物质而消耗：,为维持细菌处于活的状态所需的能量：,底物的消耗可分为：,根据：,可得：,第二节 细菌增殖速率与底物消耗速率,废水生物化学处理基础,O,令：,第三节,BOD,与,T,b,OD,废水生物化学处理基础,生化需氧量：,水中有机物通过微生物氧化变成简单,无机化合物的过程中，对水中溶解氧的消耗速率。,内源代谢（内源呼吸）：,水中食物不足时，细菌从,本身物质中吸取能量维持生命的现象。,葡萄糖氧化：,生化需氧量,2.67,有机物碳原子质量浓度,细菌氧化分解：,每克干细菌完全氧化，约需单体氧,1.42g,细菌细胞合成：,每合成,1,克干细菌，约需单体氧,0.985g,T,b,OD,试验,废水生物化学处理基础,BOD,坪值：,微生物生长进入静止期，生化需氧量的,增长很快缓慢下来，这时生化需氧量的历时曲线出,现一个台阶，这一点的,BOD,值称为,BOD,坪值。,总,BOD,BOD,坪值,+,细菌的,BOD,理论值,T,b,OD,试验：,