第三章 水的生物化学处理方法.doc

第三章水的生物化学处理方法
第三章水的生物化学处理方法
在自然环境(土壤和水体)中,存在着大量微生物,他们具有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大能力。水的生物化学处理方法就是在人工创造的有利于微生物生命活动的环境中,使微生物大量繁殖,提高微生物氧化分解有机物效率的一种水处理方法。它主要用于去除污水中溶解性和胶体性有机物,降低水中氮、磷等营养物的含量。按参与作用的微生物种类和供氧情况,生物化学处理方法分为好氧和厌氧两大类,分别利用好氧微生物和厌氧微生物分解有机物。按微生物存在状况,生物化学处理系统又可以分为悬浮生长系统和附着生长系统两种。在悬浮生长系统中,微生物群体在处理设备内呈悬浮状态生长,污水通过与之接触得到净化;在附着生长系统中,微生物附着在某些惰性介质上呈膜状生长,污水流经膜的表面而得到净化。生物化学处理具有投资省、运转费用低、处理效果好、操作简单等优点,在城市污水和工业废水的处理中得到广泛的应用。
第一节废水处理微生物学基础
污泥(activated sludge)可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒污泥,不论是哪一种,都是由各种微生物、有机物和无机物胶体、悬浮物构成的结构复杂的肉眼可见的绒絮状微生物共生体。这种共生体有很强的吸附和降解有机污染物质的能力,可以达到处理和净化污水的目的。这些在废水生物处理过程中,净化污水的微生物主要是细菌、真菌、藻类、原生动物和一些小型的后生动物等。
一、废水中的微生物
细菌等各类微生物的种类与数量常与污水水质及其处理工艺有密切关系,在特定的污水中,会形成与之相适应的微生物群落。
微生物要不断进行繁殖和正常活动,必须拥有必要的能源、碳源和其他无机元素。其中碳是构成微生物细胞的主要成分、碳的主要来源是二氧化碳和有机物。如果微生物由二氧化碳取得组成细胞的碳,就称为自养型微生物;如果细胞利用有机碳进行细胞合成,则成为异养型微生物。在废水处理过程中,能分解有机物的主要是异养型微生物。
根据利用氧的能力。微生物可以分为好氧、厌氧和兼性三类:好氧微生物只能存在于有分子氧供给的条件下;厌氧微生物只能在无氧或者缺氧的环境中生存;而兼性微生物是既能在有分子氧的环境中生存,也可在无分子氧的环境中生存。
在生物处理中,净化污水的第一和主要承担者是细菌,而原生动物是细菌的首次捕食者,后生动物是细菌的二次捕食者。它们在食物链中互相捕用、互相关联的关系如图3-1所示。
二、微生物的生理学特性
在废水生物化学处理过程中,细菌的净化作用最为重要,所以本文将集中论述细菌的细胞生理学,但其基本原理也适用于其他微生物。
(一) 微生物酶
微生物生长繁殖及获取能量过程中的必要反应都是在酶的作用下完成的。酶是微生物细胞特有的一种蛋白质,是具有高度专一性的有机催化剂。任何一种酶只能对一种或一类反应起催化作用。
微生物酶的种类很多,按国际生物化学会的分类方法可分为六类:氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、和合成酶。他们催化的反应主要有三种:水解、氧化和合成。酶有细胞外酶和细胞内酶两种。当基质和细胞合成需要的营养物质不能进入细胞膜时,微生物向周围介质分泌的酶为细胞外酶,其作用是将基质或者营养物转化为能迁移到细胞内部形态。而在细胞内进行新物质合成及产能反应所需要的酶为细胞内酶。水解酶是一种细胞外酶,
它能使复杂的不溶性有机物水解为简单的可溶性成分,使之能扩散透过细胞壁进入细胞内部;而氧化还原酶、转移酶和合成酶属于细胞内酶。
酶的活性由许多环境条件决定,特别是温度、pH和某些离子。每种酶都有最适宜的最佳pH值和温度范围。一般来说,温度以20~30℃为宜,高于35℃或者低于10℃,酶的活性会降低(嗜冷菌和嗜热菌除外)。对大多数细菌来说,能适应的pH范围为4~9,~。某些离子的存在会影响酶的活性,如PO43- 、Mg2+ 、Ca2+ 等能激发某些酶的活性,而重金属离子则能使酶失去活性。
酶活性的大小用酶所催化反应的反应速度来表示,影响酶促反应速度的因素有温度、pH、底物浓度、酶浓度、激活剂、抑制剂等。
(二) 微生物的代谢过程
在细胞内部进行生物化学反应时,除需要酶外,还需要能量。微生物通过有机物或无机物在细胞内部的氧化作用或光合作用释放出能量,这些能量被某些化合物获取,储存在细胞内。最常见的储能方式是三磷酸腺苷(
ATP)。微生物从三磷酸腺苷获取能量,用于合成新的机体细胞、维持生命及运动,而ATP则变成释能态的二磷酸腺苷(ADP)。然后二磷酸腺苷再获取有机物和无机物分解过程中释放出的能量,重新转化为储能态的三磷酸腺苷。
通常将能量的生产和获取的生物过程称为异化作用,将细胞组织生产的生物过程称为同化作用。微生物就是这样不断地从外界