第三章廢水生物處理的基本概念和生化反應動力學基礎

我們的世界到處都被各種很小以至于肉眼看不見的生物所包圍。我們只有通過顯微鏡才能看到他們的樣子。

ThediscoveryofmicroorganismsThespontaneousgenerationconflictTherecognitionofmicrobialroleindiseaseThediscoveryofmicrobialeffectsonorganicandinorganicmatterThedevelopmentofmicrobiologyinthiscenturyThehistoryofmicrobiology微生物學的發展簡史

早期發展：利用微生物進行釀酒

.17世紀，荷蘭人列文虎克用自制的簡單顯微鏡發現細菌(球狀、桿狀和螺旋狀等)。1838年，德國動物學家埃倫貝格在《纖毛蟲是真正的有機體》一書中，把細菌列為動物，并且創用細菌一詞。1854年，德國植物學家科恩發現桿狀細菌的芽孢，他將細菌歸屬于植物界，確定了此后百年間細菌的分類地位。微生物學的發展簡史50和60年代，人口膨脹，工業發展，環境污染嚴重，人們開始研究海洋石油污染物的生物降解。70年代，1972年，在瑞典舉行微生物生態學現代方法的國際會議，是微生物學發展的一個里程碑。80年代，MartinAlexander發現許多人工合成化合物完全不能被微生物降解，引起研究者對污染物的生物降解性的濃厚興趣。90年代至今，人們開始利用微生物去除環境污染物。錦州垃圾填埋場錦州垃圾填埋場研究微生物的目的在于開發和利用自然界中的微生物資源并保護好微生物基因資源。了解環境條件的變化對自然界微生物群體生長和代謝的影響。了解微生物在自然界中所起的作用，并利用有關的微生物為人類服務，為提高生產效率、保護人類健康和保護生態平衡發揮微生物的最佳作用。

生物的分界生物量（生產力）比較humanimmunodeficiencyvirusSARS的警告禽流感甲型H1N1流感超級病菌NDM-1一種耐藥性細菌這種超級病菌能在人身上造成濃瘡和毒皰，甚至逐漸讓人的肌肉壞死。目前常規抗生素藥物對它不起作用，病人會因為感染而引起可怕的炎癥，高燒、痙攣、昏迷直到最后死亡。生命力極其頑強的Kineococcus細菌可在強核輻射條件下安然生存。今后，這些細菌可能會被用來清除日益增多的放射性核廢料。HalobacteriumNRC-1細菌能夠經受住1.8萬Gy(吸收劑量)輻射——10Gy輻射便可致人死亡。Chryseobacterium

greenlandensis細菌冰川發現并在實驗室成功蘇醒，年齡高達兩百萬年Pyrodictium

abyssi

深海火山口發現，承受高壓高溫Deinococcus

peraridilitoris球菌這種球菌能夠經受住寒冷、真空、干旱和輻射考驗。其強大生存能力的關鍵在于擁有多個基因組拷貝，如果一個基因組遭到破壞，所需的片段可以從另一個基因組復制。Ferroplasma

acidophilum細菌能夠在pH值為零的環境下生存，能夠將鐵作為幾乎所有蛋白質的核心構件。Desulforudis

audaxviator

它們是世界上已知的唯一一個單種群生態系統。地下2英里處，完全與世隔絕。利用含鈾巖石產生的放射能作為能量，這種細菌能夠從周圍巖石和空氣中獲取所需的所有營養物質并完成新陳代謝過程。§3.1環境微生物基礎微生物主要種類及其在水處理中的作用細菌（Bacteria）：好氧/厭氧、硝化/反硝化等等。是環境治理及應用的主體。古細菌（Archaea）：能在極端環境中生存，主要用于厭氧處理，如產甲烷菌。真核生物（Eucarya）：不是微生物群落的主要組成部分，對水處理的作用很大程度上還不是很確定。真核生物細胞模式圖線粒體Mitochondrion螺旋狀細菌最基本的形態球狀桿狀微生物系統發育圖界（kingdom）門（division或phylum）綱（class）目（order）例如：檸檬浮酶狀菌（Planctomyces

citreus）具體分類為：原生生物界（Procaryotae）缺壁菌門（Wall-lessForms）浮霉菌綱（Planctomycetacia）浮酶狀菌目（Planctomycetales）浮酶狀菌科（Planctomycetaceae）浮酶狀菌屬（Planctomyces）檸檬浮酶狀菌（Planctomyces

citreus）科（family）屬（genus）種（species）微生物的命名微生物的命名按國際命名法命名，即Linna所創立的“雙名法”。每一種微生物都用屬與種命名，由2個拉丁詞或希臘詞或拉丁化了的其他文字組成。屬名和種名用斜體表達。屬名在前，用拉丁名詞表示微生物的構造、形態、某科學家名字等，描述微生物的主要特征。第一字母大寫。種名在后，第一字母小寫。用拉丁形容詞表示，描述微生物的色素、形狀、來源、病名、地名、某科學家的名字等等。在種名后，附上命名者的姓和命名年份。如命名對象是新種，需在種名后加n.sp(即novospecies)。如僅泛指某一屬的微生物，或某屬微生物內的某些種，則在屬名后用sp.（單數時）或spp.（復數時）。如需表示變種，則在變種學名前加var.,變種學名命名原則與種名的命名同。例：Staphylococcus

aureus

Rosenbach1884屬名：葡萄球菌種名：金黃色命名者姓命名年份

Peptostreptococcus

foetidus(Veillon)Smith屬名：消化鏈球菌

種名：惡臭原命名者改名者微生物的命名革蘭氏性質革蘭氏染色法是鑒別細菌常用的一種染色法。此法最初為丹麥醫師Gram所采用，故名。

過程如下：細菌菌體涂片——固定——結晶紫染色——碘液媒染——乙醇脫色——沙黃或番紅復染

凡染后菌體呈紫色的，稱“革蘭氏陽性菌G＋”包括葡萄球菌、鏈球菌、破傷風梭菌、炭疽桿菌等。

菌體呈紅色或土黃色的，稱“革蘭氏陰性菌G－”包括大腸桿菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、腦膜炎雙球菌等。細胞表面結構分離培養中的細菌聚磷菌

反硝化菌普通培養基中的細菌耐鹽菌§3.2微生物在生物地球化學循環中的作用碳循環氫循環氧循環氮循環硫循環磷循環其它元素的循環

碳素循環氧循環氮素循環硫循環磷循環磷主要貯存于巖石和天然磷酸礦中，它的循環與水循環密切相關。磷必須形成可溶性磷酸鹽才能進入循環。

§3.3廢水的好氧和厭氧生物處理生態系統：一定區域內相互作用的各要素（生物的和環境的）的總和。每一種生物處理都會形成一種獨特的生態系統，這種生態系統取決于處理設施的物理設計、進水的化學性質等等。研究生物處理中的群落目的并不是簡單羅列出存在的生物，而是為了搞清楚每一種重要種群的微生物在生物處理中所起的作用。微生物的呼吸：微生物獲取能量的生理功能。根據與氧氣的關系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。厭氧呼吸根據最終受氫體不同，又可以分為發酵和無氧呼吸。自然水體中微生物群落的結構及變化規律多污帶：細菌種類多、數量大，每毫升有幾億個細菌。例如硫酸鹽還原菌與產甲烷菌等，此外還有顫蚯蚓、蚊蠅幼蟲；α-污帶：天藍喇叭蟲、椎尾水輪蟲、獨縮蟲、顫藻、小球藻等；β-污帶：代表性生物有藻類的水花束絲藻、變異直鏈硅藻、舟形藻；原生動物的草履蟲、聚縮蟲；微型后生動物的腔輪蟲、水蚤；

寡污帶：指示生物由魚腥藍細菌、黃群藻、玫瑰旋輪蟲、鐘蟲。

好氧系統好氧環境中的生化過程是以有氧呼吸作用為基礎的。反應的最終受氫體是分子氧。底物-H好氧反應過程實際包括：1.脫氫輔酶-H+電子2.氧活化電子+氧活化氧輔酶-HH2O+輔酶脫氫酶+輔酶氧化酶后被氧化底物脫氫好氧微生物可分為：異養型和自養型異養型微生物：以有機物為底物（電子供體），最終產物是CO2,NH3,H2O等無機物，放出能量C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+11CO2+13H2O+NH4++能量自養型微生物：以無機物為底物。有氧呼吸過程中，底物被氧化的比較徹底，獲得的能量較多。H2S+2O2H2SO4+能量NH4++2O2NO3-+2H++H2O+能量硫桿菌硝化菌1絮體形成性微生物：是分離污泥必須的。主要是細菌（菌膠團細菌）。某些原生動物和真菌也可以產生絮凝作用。絮凝的機理還有待深入。2腐生性微生物：分解有機物的微生物，環境工程應用的主體。主要是異養菌，呈革蘭氏陰性，如：無色菌（Achromobacter）、桿菌（Bacillus）、微球菌（Micrococcus）、假單胞菌（Pseudomonas）等。好氧生物反應器中的微生物可主要分為五種：3硝化菌：

將氨氮轉化為硝酸鹽氮，主要是自養型亞硝化菌和硝化菌。硝化菌最大生長速率要比異養菌小；生成的生物量小。4捕食性微生物：

主要是原生動物，以細菌為食。如纖毛蟲。有助于去除游離細菌和膠體性有機物來穩定群落。5有害微生物：

干擾反應器正常運行（污泥膨脹、過度泡沫化）。多種絲狀微生物均可引起污泥膨脹，并不一定是球衣菌(Sphaerotilus

natans)之過。過渡泡沫化是由諾卡氏菌（Nocardia）屬引起的。好氧生物處理在有游離氧存在的條件下，運用好氧微生物降解有機物，使其穩定、無害化的處理方法。有機物+氧+微生物（C、O、H、N、S、P）合成細胞物質+氧+微生物CO2,H2O,NH3,+能量SO42-,PO43-熱隨水排出分解合成2/31/3

內源代謝產物（CO2、H2O、NH3）+能量內源代謝殘留物內源代謝厭氧/缺氧系統厭氧/缺氧呼吸是在沒有氧分子的情況下進行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統，沒有氧化酶系統。反應最終受體是氧以外的有機物或無機物。根據最終受體不同，分為：發酵（厭氧）和缺氧呼吸。1發酵：指供氫體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用，最終受體無需外加，就是供氫體分解的產物。氧化不徹底，能量少，故該類厭氧微生物消耗底物較多。C6H12O62CH3COCOOH+4[H]2CH3COCOOH2CO2+2CH3CHO4[H]+2CH3CHO2CH3CH2OHC6H12O62CH3CH2OH+2CO2+92kJ總反應式為：發酵類型產物微生物酒精發酵乙醇、CO2酵母菌乳酸發酵乳酸乳酸菌、鏈球菌混合酸發酵乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2埃氏菌、沙門氏菌丁二醇發酵丁二醇、乙醇、乳酸、乙酸、CO2、H2好氧菌、零桿菌丁酸發酵丁酸、乙酸、CO2、H2酪酸梭裝芽孢桿菌微生物的發酵類型2缺氧呼吸：指以無機化合物/氧化物（如：NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等）替代分子氧，作為最終受體的生物氧化作用。C6H12O6+6H2O6CO2+24[H]24[H]+4NO3-2N2+12H2O缺氧呼吸可以使有機底物被徹底氧化，能量得以分級釋放，產生的能量要遠大于發酵過程。分解代謝方式最終電子受體產能結果好氧呼吸缺氧呼吸發酵分子氧化合態氧有機物2817.3kJ1755.6kJ92kJ葡萄糖三種分解代謝方式的產能結果比較

廢水的厭氧生物處理是在沒有游離氧存在的條件下，兼性細菌與厭氧細菌降解和穩定有機物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復雜的有機化合物被降解、轉化為簡單的化合物，同時釋放能量。

在這個過程中，有機物的轉化分為三部分進行：部分轉化為CH4，這是一種可燃氣體，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機物，并為細胞合成提供能量；少量有機物被轉化、合成為新的原生質的組成部分。由于僅少量有機物用于合成，故相對于好氧生物處理法，其污泥增長率小得多。

由于廢水厭氧生物處理過程不需另加氧源，故運行費用低。此外，它還具有剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等優點。其主要缺點是反應速度較慢，反應時間較長，處理構筑物容積大等。為維持較高的反應速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源。對于有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧生物處理法。廢水的厭氧生物處理廢水的厭氧生物處理厭氧處理中的微生物群落主要是原核性質的，包括細菌和古細菌。厭氧生物處理的過程是一個多步驟的過程。蛋白質和碳水化合物氨基酸和單糖長鏈脂肪酸甲烷23發酵厭氧氧化復雜的可降解顆粒物脂肪揮發性有機酸（丙酮酸和丁酸等）乙酸氫14567水解2/31/3脫氮除磷基礎理論有機氮：蛋白質、氨基酸、尿素、胺類化合物等氨氮：NH3NH4+，一般以前者為主亞硝酸、硝酸氮：廢水中的氮生活污水中含的氮中，有機氮約占60%，氨氮約占40%。當污水中的有機物被生物降解氧化時，其中的有機氮被轉化為氨氮。氨化菌生物法脫氮生物脫氮：是在微生物的作用下，將有機氮和氨氮轉化為N2、NxO氣體的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應過程在硝化菌的作用下，氨氮進一步分解氧化，分為兩個階段進行，首先在亞硝化菌作用下，轉化為亞硝酸鹽。氨化菌繼而，在硝酸菌的作用下，進一步轉化為硝酸氮。總反應式為：亞硝化菌和硝酸菌統稱為硝化菌，硝化菌是化能自養菌，革蘭氏陰性菌，不生芽孢的短桿狀細菌，廣泛存在于土壤中，在自然界的氮循環起著重要的作用。反硝化反應：在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽和亞硝酸鹽氮還原為氮氣的過程。反硝化菌屬于異養型兼性厭氧菌，有氧存在時，以氧為電子受體進行好氧呼吸；在無氧而有硝酸根、亞硝酸根存在時，以他們為受體，以有機碳為電子供體和營養源進行反硝化反應。另外，還有部分用于合成反硝化菌自身。總反應式為：

磷的去除化學法：磷酸鹽和某些化合物反應生成不溶解的沉淀物，如：鋁鹽、鐵鹽、石灰（鈣鹽）等。生物法：聚磷菌（好氧吸磷，厭氧放磷）。能量循環：三磷酸腺苷ATP(Adenosine

Triphosphate)AMP+~P→ADP+~P→ATPADP磷酸化生成ATP;ATP水解產生能量低能化合物高能化合物ATP能量生理需要細胞合成熱能釋放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+§3.4微生物的生長規律和環境以細胞數目的對數值作縱坐標，以培養時間作橫坐標，就可以畫出一條有規律的曲線，這就是微生物的典型生長曲線(growthcurve)。

延滯期(Lagphase)又稱停滯期、調整期或適應期。有幾個特點：①生長速率常數等于零。②細胞形態變大或增長：許多桿菌可長成長絲狀。例如，Bacillusmegaterium(巨大芽孢桿菌)在接種的當時，細胞長為3.4μm；培養至3.5小時，其長為9.1μm；至5.5小時時，竟可達到19.8μm。③細胞內RNA尤其是rRNA含量增高。④合成代謝活躍，核糖體、酶類和ATP的合成加快，易產生誘導酶。⑤對外界不良條件例如NaCl溶液濃度、溫度和抗生素等化學藥物的反應敏感。

影響延滯期長短的因素

(1)接種齡

接種齡即“種子”(inoculum)的群體生長年齡，亦即它處在生長曲線上的哪一個階段。這是一種生理年齡。實驗證明，如果以對數期接種齡的“種子”接種，則子代培養物的延滯期就短；反之，如以延滯期或衰亡期的“種子”接種，則子代培養物的延滯期就長；如果以穩定期的“種子”接種，則延滯期居中。(2)接種量

接種量的大小明顯影響延滯期的長短。一般說來，接種量大，則延滯期短，反之則長。因此，在發酵工業上，為縮短不利于提高發酵效率的延滯期，一般采用1/10的接種量。(3)培養基成分

接種到營養豐富的天然培養基中的微生物，要比接種到營養單調的組合培養基中的延滯期短。所以，在發酵生產中，常使發酵培養基的成分與種子培養基的成分盡量接近。指數期(Exponentialphase)

又稱對數期(Logarithmicphase)，

是指在生長曲線中，緊接著延滯期的一個細胞以幾何級數速度分裂的一段時期。特點：①生長速率常數最大，因而細胞每分裂一次所需的代時G(增代時間，generationtime)或原生質增加一倍所需的倍增時間(doublingtime)最短；②細胞進行平衡生長，菌體內各種成分最為均勻；③酶系活躍，代謝旺盛。

繁殖代數(n)從圖可以得出：

x2=x1·2n以對數表示：lgx2=lgx1+nlg2

生長速率常數(R)：

代時(G)：影響指數期微生物增代時間的因素

菌種營養成分營養物濃度培養溫度穩定期(Stationaryphase)

又稱恒定期或最高生長期。其特點是生長速率常數R等于0，即處于新繁殖的細胞數與衰亡的細胞數相等，或正生長與負生長相等的動態平衡之中。這時的菌體產量達到了最高點，而且菌體產量與營養物質的消耗間呈現出一定的比例關系，這一關系就是生長產量常數Y(或稱生長得率，growthyield)。上式中，x為穩定期時的細胞干重(g/ml培養液)，x0為剛接種時的細胞干重，C0為限制性營養物的最初濃度(g/ml)，C為穩定期時限制性營養物的濃度(由于計算Y時必須用限制性營養物，所以C應等于0)。例如，據實驗和計算，Penicilliumchrysogenum(產黃青霉)在組合培養基上生長時，其Y值為1∶2.56，即每2.56g葡萄糖可合成1g菌絲體(干重)。生長產量常數Y(或稱生長得率，growthyield)。衰亡期(Declinephase或Deathphase)

在衰亡期中，個體死亡的速度超過新生的速度，因此，整個群體就呈現出負生長(R為負值)。這時，細胞形態多樣，例如會產生很多膨大、不規則的退化形態；有的微生物因蛋白水解酶活力的增強就發生自溶(autolysis)；有的微生物在這時產生或釋放對人類有用的抗生素等次生代謝產物；在芽孢桿菌中，芽孢釋放往往也發生在這一時期。微生物生長的環境（因子）微生物的營養：碳源、氮、磷等。

營養物對微生物的作用：提供合成細胞物質所需的物質；為細胞核成提供能量；充當電子的受氫體。溫度：20－37°

每升高10°，酶促反應速度提高1-2倍。pH值：6.5－8.5（曝氣池）

微生物的繁殖和代謝活動會使pH值發生變化。生命會改變環境,體現生命的偉大。溶解氧：好氧2－3mg/L；缺氧反硝化0.5mg/L以下；厭氧磷釋放0.3mg/L以下。有毒物質：使酶變性，如重金屬離子。§3.5

生化反應速度和反應級數生物化學反應是一種以生物酶為催化劑的化學反應生物化學反應的基本模式在生化反應中，反應速度是指單位時間里底物的減少量、最終產物的增加量或細胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時間里底物的減少或細胞的增加來表示生化反應速度該式反映了底物減少速率和細胞增長速率之間的關系，是廢水生物處理中研究生化反應過程的一個重要規律。產率系數：mg（生物量）/mg（降解的底物）反應級數(ReactionOrder)生化反應級數的概念與化學反應級數的概念是一致的。零級反應：一級反應：二級反應：§3.6

微生物生長動力學酶（enzyme）：具有催化作用的蛋白質。所有酶（除了核酸酶）都是蛋白質，有簡單的也有結合蛋白質。同蛋白質性質一樣（氨基酸構成的、分子量大、兩性電解質、有1、2、3、4級結構、容易受物理化學因素影響而變性）。酶的組成：分為兩類，單成分酶（只含蛋白質，活性只取決于蛋白質的結構）；全酶（酶蛋白+輔酶因子，蛋白質結合輔助因子confactor后才表現出活性）常見的輔基、輔酶：NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸），NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），尼克酰胺（維生素B5），FAD（黃素單核苷酸、維生素B2）等等一級結構：組成多肽鏈的線性氨基酸序列。二級結構：依靠不同肽鍵的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩定結構。三級結構：由一條多肽鏈的不同氨基酸側鏈間的相互作用形成的穩定結構。四級結構：由不同多肽鏈亞基間相互作用形成具有功能的蛋白質分子。

酶的特點除了具有加快反應速度、不改變化學反應的平衡、可降低反應活性等特點還有一些幾個特點。（1）催化效率高（2）具有高度專一性（3）易失活（4）酶活力受調節控制（5）催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關，若除去，酶將失活。酶活力：一定條件下，酶所催化反應的反應速度稱為酶活力。酶活力單位：1961年，國際酶學會議規定，1酶活力單位（U,activeunit）是指特定條件下（溫度25度，其他條件采用最適條件），在一分鐘內轉化1μmol底物的酶量，或是轉化底物中1μmol的有關基團的酶量。酶的最適溫度最適pHMichaelis-Menten

方程中間產物假說：酶促反應分為兩步進行，第一步，酶與底物作用形成中間產物（此中間產物被看作穩定的過渡態物質）。第二步，中間產物分解形成產物，并釋放出游離的酶。整個酶反應處于動態平衡（steadystate）生化反應，即酶促反應，反應速度受酶濃度、底物濃度、pH值、溫度、反應產物、活化劑和抑制劑等因素影響，在有足夠底物又不受其他因素的影響時，酶促反應速度與酶濃度成正比。但是當底物濃度較低時，反應速度與底物濃度成正比（一級反應）。當底物濃度增加到一定限度時，所有酶與底物結合后，酶反應速度達到最大值，此時反應速度與底物濃度沒有關系（零級反應）。vmaxn=00<n<1n=1Km底物濃度[S]1/2vmax酶反應速度v

Michaelis-Menten

方程1931年前后，米歇里斯（Michaelis）和門坦（Menten）根據中間產物學說，提出了表示整個反應過中，底物與酶促反應速度之間的關系式，即：Michaelis-Menten

方程米氏常數Km：酶的重要參數大小是當酶反應速度達到最大反應速度一半時的底物濃度。應用條件（假設）：(1)反應過程中有酶——底物中間體形成。

(2)反應中底物轉變為產物的速度取決于中間產物變為反應產物和酶的速度，即第二個反應。米氏常數的意義1）酶的特性常數之一，只與酶的性質有關，而與酶的濃度無關。2）如果酶有幾種底物，則對每種底物各有一個特定的米氏常數。3）酶的米氏常數受pH值及溫度影響，常數只是對一定底物、一定pH、一定溫度條件而言。4）一種酶有幾種底物就有幾個米氏常數，其中米氏常數最小的底物一般稱為該酶的