废水处理中的微生物

一、       废水处理中的微生物

不同种类的微生物都具有分解有机物质的能力。微生物将胶体的和溶解性的含碳有机物转化成CO2并合成新的微生物菌体。微生物菌体的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法将其从处理过的水中去除。微生物菌体本身即为有机物，以BOD的形式存在于出水中。因此如果被处理过的水中微生物菌体未被去除，则未达到*处理。

废水处理厂中，基质被氧化，释放出来的能量被传递并储存在能量载体中(如下图所示)，供微生物利用。由分解代谢所产生的化学物质，部分被用于微生物的生存。废水中的重要微生物有细菌、真、藻类及轮虫与甲壳动物。其细胞内进行的分解代谢和合成代谢对废水处理具有重要意义。

二、污染物的分解

1、好氧分解

   必须有分子氧作终电子受体。天然水体中氧以DO形式存在。当氧是*电子受体时，有机物终代谢物主要为CO2、水及新的细胞物质。

在正常的天然水体中，好氧分解是水体自净的主要途径。由于好氧氧化过程中有大量的能量释放出来，大部分好氧微生物有很高的生长速率，比其它氧化系统中产生的新细胞多，因此污泥的产生量就多。好氧分解速度快、效率高，产生的臭味少，因此废水浓度较低（BOD5小于500mg/L）时可选用此法。当废水浓度过高时（BOD5大于1000mg/L），采用好氧处理不能得到足够的溶解氧，且有大量的生物污泥产生，因此一般不适合于采用该法处理。

2、缺氧分解

在缺少分子氧时，一些微生物能够利用硝酸盐作为终受体，此时的氧化过程称为反硝化过程。终产物为氮气、二氧化碳、水及新细胞物质。反硝化产生的能量约等于好氧分解产生的能量。

3、厌氧分解

为进行厌氧分解，分子氧与硝酸盐不可作为电子受体。硫酸盐、二氧化碳及有机物在厌氧分解中作为终电子受体而被还原。无氧参与，底物氧化不*。有机物的厌氧分解通常分为两个步骤：首先复杂的有机物发酵生成低分子量的脂肪酸（挥发性酸）；第二步这些有机酸转化成甲烷，二氧化碳作为电子受体。厌氧氧化时仅能释放出少量的能量，因此细胞的产生量即污泥的量很少。可利用此特性将好氧和缺氧过程产生的污泥通过厌氧分解加以稳定。目前，很多工厂利用此法处理污泥产生沼气，发电。如北京高碑店污水处理厂。

废水的厌氧生物处理优点：不需另加氧源，故运行费用低。缺点：反应速度慢，构筑物容积大。废水浓度较低时，不适合于利用厌氧分解直接处理。为提高厌氧分解的效率，必须提高废水温度。

三、微生物生长动力学

1、细菌生长的环境要求

（1）终电子受体

（2）大量营养物：合成细胞所需的碳源、氮源；ATP（能量载体）和DNA所需的磷；

（3）微量营养物：微量金属；某些细胞所需的维生素。

（4）适宜的环境：温度；湿度；pH。

2、纯培养下的生长规律

迟缓期：细菌不能立即繁殖，适应期；对数增长期：在延迟期的末端细菌开始分裂，数目逐渐增加，适应后，快速增殖，旺盛期。对数生长期细菌数目P经过n个世代周期后可用下式表示：

P = P0´2n

纯培养下的生长规律可用下述理论表达：减速增长期：营养物质逐渐减少，繁殖速度减慢；内源呼吸期：营养物质明显不足，进行内源呼吸。

3、米歇里斯-门坦方程式（1913年）

S + E →ES →P +E

υ=υmaxρs/（Km + ρs ）

该方程式表示酶促反应速度与底物浓度之间的定量关系。 Km(mol/L)：米氏常数。当酶反应速度达到大反应速度的一半时的底物浓度。

1）Km值只与酶的性质有关，与酶的浓度无关；

        2）如果一个酶有几个底物，则对于一个底物有一个特定Km；

        3）Km值小的底物称为该酶的适底物。

在废水处理系统中有两种极限情况：一、限制性基质过量，即S>>Ks时，mm=m，菌体的生长速率为一级反应；二、当S<<Ks时，由于基质量的限制，菌体的生长速率为零级反应，与菌体浓度无关。

4、混合培养物下的生长

废水或天然水体微生物的存在不是*的。生长动力学描述的是不同微生物在相互竞争中其质量或浓度随时间的变化。不同菌种对同一基质竞争的能力取决于菌种对基质的代谢能力。由于细菌的体积较小，单位质量的表面积较大，可迅速的将基质去除。当溶解性有机物缺乏时，细菌繁殖将减少，而扑食者则增加。在密闭系统中，初添加混合微生物和基质后，细菌种群数量达到大值后，因基质缺乏，微生物进入内源呼吸状态后而逐渐死亡。随后被其它种类的细菌分解。这个过程不断循环进行。

5、混合培养物的生长规律

对大多数混合培养的微生物，莫诺德Monod方程（1942年)均可适应。该方程中微生物以质量表示而不是以生物数量表示。对数生长期微生物质量增加的速率可表示为：

     m为细菌比生长速率，t-1；X为菌体浓度(mg/L)。

利用混合培养微生物不易直接测量m值。假设食物利用速率与菌体产生速率均受限于供给所需食物的酶反应速率，得到：

         式中，mm细菌大比生长速率常数；S为限制性基质浓度，mg/L；Ks为半饱和常数，mg/L。当m=0.5 mm时，Ks=S。

6、莫诺德方程

Monod方程中生长速率与限制性基质浓度的关系

Monod方程仅考虑微生物的生长，没考虑自然死亡，假设系统中所有基质均转化为菌体：

式中kd为内源衰减速率常数，t-1。

式中，Y为食物转化菌体的比例，或合成系数，mg菌体/mg基质。