第三章污水生物处理及生化动力学基础

1、第第三三章章 污水生物处理及生化动力学基础 主要内容n废水的好氧生物处理与厌氧生物处理n微生物的生长规律和生长环境n反应速度和反应级数n米-门方程n莫诺特方程n废水生物处理工程的基本数学模式 分解代谢（异化）：微生物在利用底物的过程中，一部分底物在酶的催化作用下降解并同时释放出能量的过程，也称生物氧化。 合成代谢（同化）：微生物利用另一部分底物或分解代谢过程中产生的中间产物，在合成酶的作用下合成微生物细胞的过程。 依据电子受体不同，分解代谢可分为发酵发酵和呼吸呼吸两种类型。呼吸又可分为好氧呼吸好氧呼吸和缺氧呼吸缺氧呼吸。3.1 废水的好氧与厌氧生物处理好氧呼吸好氧呼吸是在分子氧分子氧参与下的生

2、物氧化，反应的最终受氢体(电子受体）是分子氧分子氧，包括脱氢和氧化脱氢和氧化两个过程。缺氧呼吸缺氧呼吸是在无分子氧无分子氧的情况下进行的生物氧化，只只有脱氢过程，没有氧化过程有脱氢过程，没有氧化过程，受氢体不是分子氧分子氧，而是一些简单的有机物或无机物（氧化型化合物）。 发酵发酵：微生物将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生不同的代谢产物。这种生物氧化作用不彻底，释放的能量较少，如葡萄糖发酵为乙醇。C6H12O62CH3CH2OH + 2CO2 + 能量(92.0kJ)好氧呼吸异养型微生物异养型微生物，以有机物为底物（电子供体），其终点产物为二氧化碳

3、、铵和水等无机物，同时放出能量，如下式：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量(2817.3kJ)C11H29O7N+14O2+H11CO2+13H2O+NH4+能量自养型微生物自养型微生物，以无机物为底物（电子供体），其终点产物也是无机物，同时放出能量，如下式：NH4+2O2NO3- +2H+H2O+能量缺氧呼吸缺氧呼吸缺氧呼吸：指以无机氧化物代替分子氧，如NO-3,NO-2,SO42-,CO2作为最终电子受体的生物氧化作用，如在反硝化作用中，受氢体为NO-2和NO-3。C6H12O6 + 4 NO-36CO2 + 6H2O+2N2+能量(1755.6kJ)废水的好氧处理好氧生物处理

4、好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。好氧生物处理反应速度快，时间短，处理构筑物容积小，适宜于处理中低浓度的有机废水（BOD52000mg/L）。 厌氧生物处理厌氧生物处理是在没有氧（分子氧）的条件下，兼性细菌和厌氧细菌降解和稳定有机物的处理方法。3.2 微生物的生长规律和生长环境 微生物的生长曲线分为四个时期微生物的生长曲线分为四个时期：延迟期（适应期）：增长非常缓慢对数增长期：呈指数式增长稳定期（减速增长期）：停止增长衰亡期：逐渐死亡3.2 微生物的生长规律和生长环境污水生物处理过程中微生物种类污水生物处理过程中微生物种类组成：组

5、成：细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物它们的营养关系：它们的营养关系：细菌和真菌以水中的有机物、氮和磷等为营养进行有氧和无氧呼吸合成自身细胞。藻类利用CO2和水中氮、磷进行光合作用合成自身细胞并向水体提供O2。藻类的细胞死亡后成为菌类繁殖的营养。原生动物吞食水中固态有机物、菌类和藻类。后生动物捕食水中固体有机物、菌类、藻类和原生动物。3.2 微生物的生长规律和生长环境微生物生长环境微生物生长环境：营养营养 营养是微生物生长的物质基础，好氧微生物要求碳氮磷比为BOD5：N：P：=100：5：1。温度温度 根据适应温度范围，微生物可分为温性(好冷性)、中温性和高温性(好热性)三类。低温性微生物的

6、生长温度为20以下，中温性微生物的生长温度为2045，高温性微生物的生长温度为45以上。在适宜的温度范围内，每升高10，生化反应速度就提高12倍。 pHpH值值 不同的微生物具有不同的pH值适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH值适应范围是pH：410。酵母菌和霉菌的最适pH：3.06.0。3.2 微生物的生长规律和生长环境微生物生长环境微生物生长环境：溶解氧溶解氧 好氧微生物的代谢过程以分子氧为受氢体，并参与部分物质的合成。进行好氧生物处理时，要保持一定浓度的溶解氧。厌氧微生物在有氧条件下生成H2O2，但没有能分解H2O2的酶而被其杀死。所以，在厌氧生物处理反应器中不能有分子氧存在。其

7、他氧化态物质如SO42-、NO3-、PO42-和Fe3+等也会对厌氧生物处理产生影响，应控制它们的浓度。有毒物质有毒物质 对微生物有抑制和毒害作用的化学物质叫有毒物质。它能破坏细胞的结构，使酶变性而失去活性。3.3 反应速度和反应级数生物化学反应生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。反应速度反应速度：在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物底物的减少或细胞细胞的增加来表示生化反应速度。dtSdydtXd底物（S）细胞(X)最终产物(P)合成分解dtXdydtSd1反应系数：y=dX/dS，称为产率系数，m

8、g（生物量）/mg降解的底物反应级数零级反应零级反应：反应速度与反应物浓度无关一级反应一级反应：反应速度与一种反应物浓度成正比二级反应二级反应：反应速度与2种反应物浓度或一种反应物浓度的平方平方成正比三级反应三级反应nSkdtSdvkSnvlglglgkdtdvAAAkdtdv2AAkdtdvlgS对lgv作图直线的斜率n即为反应级数3.4 米-门方程酶促反应中间产物学说酶促反应中间产物学说: 酶促反应分两步进行，酶先与底酶促反应分两步进行，酶先与底物形成一个中间产物，再进一步分解成产物和游离态的酶物形成一个中间产物，再进一步分解成产物和游离态的酶 S+EESP+Ek1k2k3底物浓度S较低时

9、，只有一部分酶E和底物形成中间产物ES，此时，增加底物浓度，更多中间产物形成，反应速度随之增加，当底物浓度S很大时，反应体系中的酶分子E已基本全部和底物结合形成ES，此时底物浓度再增加，无剩余酶与之结合，不能形成，反应速度维持不变3.4 米-门方程n酶促反应速度与底物浓度关系可用米氏方程表示: SmSKvvm a xV:酶促反应速度Vmax:最大酶反应速度S: 底物浓度Km:米氏常数，半速度常数V=1/2 Vmax时，Km= S(1)S很大时，很大时，sKm, s+Km= s,酶促反应速度达到最酶促反应速度达到最大值，即大值，即v=vmax，呈零级反应，呈零级反应(2)S很小时，很小时，sKm

10、, s+Km=Km，酶促反应速度与底，酶促反应速度与底物浓度成正比例关系，即物浓度成正比例关系，即v=vmax*s/km，呈一级反应，呈一级反应米氏常数的意义及测定是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，与浓度无关如果一个酶有几个底物，则对每一种底物，各有一个特定的米氏常数（表11-3）同一种酶有几个底物就有几个米氏常数，其米氏常数常数最小的底物，一般称为该酶的最适底物或天然底物米氏常数越大对底物亲和力越小，反之越大米氏常数由双倒数作图法求出：米氏常数求解米氏常数求解由双倒数作图法求出：maxmax111vvKvSm3.5 莫诺特(Monod)方程微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物之间的关系

11、可用莫诺特(Monod)方程反映：S SSKmaxS:底物浓度：微生物的比增长速率，单位生物量的增长速度max:最大比增长速率X:微生物的浓度KS：饱和常数1/tdtdXX微生物增长与底物降解之间的关系可用产率系数Y来表示：qvvYXSXxY-产率系数vX-微生物增长速度：dx/dtvS-底物降解速度：ds/dt-微生物比增长速率，vx/xq-底物比降解速率，vs/xX-微生物浓度Ks，max的求解，双倒数法：的求解，双倒数法：3.6 废水生物处理工程的基本数学模式推导水生物处理工程的数学模式的几点假定：整个处理系统处于稳定状态，即反应器中的微生物浓度和底物浓度不随时间变化，维持一个常数反应器中的物质按完全混合及均匀分布的情况考虑，即反应器中的微生物浓度和底物浓度不随位置变化，维持一个常数整个反应过程中，氧的供应是充分的（对于好氧处理）微生物增长与底物降解的基本关系式XdSXKdtdYdtddX/dt:微生物净增长速度dS/dt:底物利用速度Y:产率系数Kd:内源呼吸系数X:反应器中微生物浓度污水生物处理法的分类污水生物处理法的分类生物处理法生物处理法天然