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。微生物將膠體的和溶解性的含碳有機物轉化成CO2并合成新的微生物菌體。微生物菌體的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法將其從處理過的水中去除。微生物菌體本身即為有機物，以BOD的形式存在于出水中。因此如果被處理過的水中微生物菌體未被去除，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遞并儲存在能量載體中(如下圖所示)，供微生物利用。由分解代謝所產生的化學物質，部分被用于微生物的生存。廢水中的重要微生物有細菌、真、藻類及輪蟲與甲殼動物。其細胞內進行的分解代謝和合成代謝對廢水處理具有重要意義。

二、污染物的分解

1、好氧分解

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

在正常的天然水體中，好氧分解是水體自凈的主要途徑。由于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，比其它氧化系統中產生的新細胞多，因此污泥的產生量就多。好氧分解速度快、效率高，產生的臭味少，因此廢水濃度較低（BOD5小于500mg/L）時可選用此法。當廢水濃度過高時（BOD5大于1000mg/L），采用好氧處理不能得到足夠的溶解氧，且有大量的生物污泥產生，因此一般不適合于采用該法處理。

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終受體，此時的氧化過程稱為反硝化過程。終產物為氮氣、二氧化碳、水及新細胞物質。反硝化產生的能量約等于好氧分解產生的能量。

3、厭氧分解

為進行厭氧分解，分子氧與硝酸鹽不可作為電子受體。硫酸鹽、二氧化碳及有機物在厭氧分解中作為終電子受體而被還原。無氧參與，底物氧化不*。有機物的厭氧分解通常分為兩個步驟：首先復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，二氧化碳作為電子受體。厭氧氧化時僅能釋放出少量的能量，因此細胞的產生量即污泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產生的污泥通過厭氧分解加以穩定。目前，很多工廠利用此法處理污泥產生沼氣，發電。如北京高碑店污水處理廠。

廢水的厭氧生物處理優點：不需另加氧源，故運行費用低。缺點：反應速度慢，構筑物容積大。廢水濃度較低時，不適合于利用厭氧分解直接處理。為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

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

（3）微量營養物：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，適應后，快速增殖，旺盛期。對數生長期細菌數目P經過n個世代周期后可用下式表示：

P = P0´2n

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

3、米歇里斯-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底物濃度之間的定量關系。 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值只與酶的性質有關，與酶的濃度無關；

        2）如果一個酶有幾個底物，則對于一個底物有一個特定Km；

        3）Km值小的底物稱為該酶的適底物。

在廢水處理系統中有兩種極限情況：一、限制性基質過量，即S>>Ks時，mm=m，菌體的生長速率為一級反應；二、當S<<Ks時，由于基質量的限制，菌體的生長速率為零級反應，與菌體濃度無關。

4、混合培養物下的生長

廢水或天然水體微生物的存在不是*的。生長動力學描述的是不同微生物在相互競爭中其質量或濃度隨時間的變化。不同菌種對同一基質競爭的能力取決于菌種對基質的代謝能力。由于細菌的體積較小，單位質量的表面積較大，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。在密閉系統中，初添加混合微生物和基質后，細菌種群數量達到大值后，因基質缺乏，微生物進入內源呼吸狀態后而逐漸死亡。隨后被其它種類的細菌分解。這個過程不斷循環進行。

5、混合培養物的生長規律

對大多數混合培養的微生物，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：

     m為細菌比生長速率，t-1；X為菌體濃度(mg/L)。

利用混合培養微生物不易直接測量m值。假設食物利用速率與菌體產生速率均受限于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為限制性基質濃度，mg/L；Ks為半飽和常數，mg/L。當m=0.5 mm時，Ks=S。

6、莫諾德方程

Monod方程中生長速率與限制性基質濃度的關系

Monod方程僅考慮微生物的生長，沒考慮自然死亡，假設系統中所有基質均轉化為菌體：

式中kd為內源衰減速率常數，t-1。

式中，Y為食物轉化菌體的比例，或合成系數，mg菌體/mg基質。