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(zhì)的能力。微生物將膠體的和溶解性的含碳有機物轉(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)生的化學物質(zhì)，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(nèi)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(zhì)。

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(tǒng)中產(chǎn)生的新細胞多，因此污泥的產(chǎn)生量就多。好氧分解速度快、效率高，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物為氮氣、二氧化碳、水及新細胞物質(zhì)。反硝化產(chǎn)生的能量約等于好氧分解產(chǎn)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(fā)酵生成低分子量的脂肪酸（揮發(fā)性酸）；第二步這些有機酸轉(zhuǎn)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(chǎn)生量即污泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產(chǎn)生的污泥通過厭氧分解加以穩(wěn)定。目前，很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣，發(fā)電。如北京高碑店污水處理廠。

廢水的厭氧生物處理優(yōu)點：不需另加氧源，故運行費用低。缺點：反應速度慢，構(gòu)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(huán)境要求

（1）終電子受體

（2）大量營養(yǎng)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(yǎng)物：微量金屬；某些細胞所需的維生素。

（4）適宜的環(huán)境：溫度；濕度；pH。

2、純培養(yǎng)下的生長規(guī)律

遲緩期：細菌不能立即繁殖，適應期；對數(shù)增長期：在延遲期的末端細菌開始分裂，數(shù)目逐漸增加，適應后，快速增殖，旺盛期。對數(shù)生長期細菌數(shù)目P經(jīng)過n個世代周期后可用下式表示：

P = P0´2n

純培養(yǎng)下的生長規(guī)律可用下述理論表達：減速增長期：營養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，繁殖速度減慢；內(nèi)源呼吸期：營養(yǎng)物質(zhì)明顯不足，進行內(nèi)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(guān)系。 Km(mol/L)：米氏常數(shù)。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(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)；

        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(tǒng)中有兩種極限情況：一、限制性基質(zhì)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(zhì)量的限制，菌體的生長速率為零級反應，與菌體濃度無關(guān)。

4、混合培養(yǎng)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(zhì)量或濃度隨時間的變化。不同菌種對同一基質(zhì)競爭的能力取決于菌種對基質(zhì)的代謝能力。由于細菌的體積較小，單位質(zhì)量的表面積較大，可迅速的將基質(zhì)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(tǒng)中，初添加混合微生物和基質(zhì)后，細菌種群數(shù)量達到大值后，因基質(zhì)缺乏，微生物進入內(nèi)源呼吸狀態(tài)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(huán)進行。

5、混合培養(yǎng)物的生長規(guī)律

對大多數(shù)混合培養(yǎng)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(zhì)量表示而不是以生物數(shù)量表示。對數(shù)生長期微生物質(zhì)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(yǎng)微生物不易直接測量m值。假設(shè)食物利用速率與菌體產(chǎn)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(shù)；S為限制性基質(zhì)濃度，mg/L；Ks為半飽和常數(shù)，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(zhì)濃度的關(guān)系

Monod方程僅考慮微生物的生長，沒考慮自然死亡，假設(shè)系統(tǒng)中所有基質(zhì)均轉(zhuǎn)化為菌體：

式中kd為內(nèi)源衰減速率常數(shù)，t-1。

式中，Y為食物轉(zhuǎn)化菌體的比例，或合成系數(shù)，mg菌體/mg基質(zhì)。