第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础

第十一章污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/2023111.1污水生物处理基本原理污水生物处理方法；脱氮除磷基础理论11.2微生物的生长规律及生长环境11.3生化反应的反应速度和反应级数反应速度；反应级数11.4微生物生长动力学莫诺特方程式；劳-麦方程式；微生物增长与底物降解的基本关系式

水污染控制工程课程课件天津工业大学本章内容2/1/20232水污染控制工程课程课件11.1污水生物处理基本原理污水生物处理技术微生物对溶解氧需求不同缺氧生物处理厌氧生物处理好氧生物处理微生物生长方式不同附着生长法悬浮生长法天津工业大学2/1/2023311.1污水生物处理基本原理水污染控制工程课程课件天津工业大学1.微生物的呼吸

微生物的呼吸是获取能量的生理功能。呼吸作用的本质是氧化还原的统一过程。发酵好氧呼吸无氧呼吸呼吸2/1/202341.微生物的呼吸水污染控制工程课程课件发酵：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，产生代谢物。有机物氧化的基质中间有机物氧化代谢有机物最终受氢体污水和污泥的厌氧生物处理天津工业大学2/1/20235好氧呼吸：当存在外在的电子受体——氧O2，底物可全部氧化成CO2和H2O，产生ATP。水污染控制工程课程课件天津工业大学1.微生物的呼吸底物NAD(P)+FAD或FMN电子传递体系释放的电子eO2→H2OATP2/1/20236自养型化能自养光能自养异养型化能异养光能异养按照被氧化底物的不同分为自养和异养型污水好氧生物处理系统水污染控制工程课程课件1.微生物的呼吸天津工业大学2/1/20237厌氧呼吸——在无O2的情况下进行的生物氧化，以有机物为底物，经呼吸链传递氢，最终由氧气以外的无机化合物，如NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2受氢。水污染控制工程课程课件天津工业大学1.微生物的呼吸有机底物—H2A辅酶辅酶－H2受氢体NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2受氢体－H2脱氢酶氧化酶污水脱氮、厌氧产甲烷过程2/1/20238

在有氧的条件下，好氧微生物降解有机物。如活性污泥法和生物膜法，微生物利用废水中的有机物为营养源进行好氧代谢。有机物经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求。2.废水的好氧处理水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202392.废水的好氧处理

好氧生物处理中，有机物被微生物摄取后，通过代谢，约有三分之一分解、稳定、并提供其生理活动所需的能量；三分之二被转化，合成为新的原生质，微生物进行自身的细胞生长。合成有机物＋氧＋微生物（C,O,H,N,S,P）2/3新的细胞质+能量热分解CO2,H2O,NH3,SO42-,PO43-1/3水污染控制工程课程课件天津工业大学内源代谢80%，CO2、H2O、NH320%，细胞残留物2/1/202310

厌氧生物处理是在无氧的条件下，利用兼性和厌氧微生物分解有机物的一种生物处理法。在厌氧生物处理中，有机物被降解为简单的化合物，同时释放能量。3.废水的厌氧生物处理水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202311

在这个过程中，有机物的转化分为三部分，一部分转化为甲烷，还有一部分转化为CO2,H2O,NH3,H2S等无机物，并为细胞合成提供能量，少量的有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。有机物＋微生物（C,O,H,N,S,P）合成分解新的细胞质有机酸，醇H2S,CO2,NH3,+能量合成分解新的细胞质CH4,CO2,NH3,H2S+能量水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/2023124.脱氮除磷原理有机物氨化好氧硝化厌氧反硝化NH3-NNO2-,NO3-N2脱氮水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202313水污染控制工程课程课件天津工业大学除磷聚P聚P聚P聚P大部分（P）去除大量吸收水中P厌氧放磷好氧吸磷2/1/20231411.2微生物的生长规律及生长环境 微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映的，污水处理中混合生长的活性污泥也有类似的生长曲线。细菌生长的阶段可分为停滞期，对数期，静止期，衰亡期。水污染控制工程课程课件天津工业大学1.微生物的生长规律0生长速率时间t0+_2/1/202315生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_时间ta.停滞期有的细菌产生适应的酶，细胞物质增加，有的细菌不适应新环境而死亡，细菌数有所减少。适应的细菌生长到某个程度便开始分裂，进入停滞期的第二阶段，加速期。细菌的生长繁殖速度逐渐加快，细菌总数有所增加。水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202316b.对数生长期

生长速率常数最大，细胞分裂的代时G最短；细菌总数的增加率和活菌数的增加率一致；对外界不良环境因素的抵抗力强；代谢活力强，群体中的细胞化学成份及形态和生理特性都很一致。

生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_时间t2/1/202317c.静止期

生长速率常数R等于零，生长的与死亡的数量相等。细菌总数达到最大值，并恒定一段时间。这一时期，细胞开始贮存糖原，异染粒，脂肪等贮藏物，多数芽孢杆菌开始形成芽孢。

生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_时间t水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202318 d.衰亡期 个体死亡的速度超过新生的速度，细菌利用贮存物质进行内源呼吸，一部分细胞物质被氧化分解；细胞形态多样，会发生不规则的退化形态或畸形；有的微生物在这时产生抗生素等次代谢产物。

生长速率细菌数目的对数值0时间t0+_时间t水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/2023192.微生物的生长环境（污水生物处理的影响因素）营养温度pH溶解氧毒物水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202320水污染控制工程课程课件天津工业大学微生物的营养物质有六种营养要素，水、碳源、氮源、能源、无机盐，生长因子。生活污水处理系统中的微生物，营养物需要一定的比例，一般为BOD5:N:P=100:5:1。1）营养2/1/202321温度是影响微生物生长的重要因素。在适宜的温度内微生物能大量繁殖生长。水污染控制工程课程课件天津工业大学水温上升还有利于混合、搅拌、沉降等物理过程，但不利于氧的转移。污水生物处理的水温在20~37℃时效果最好。2）温度2/1/2023223）pH

大多数细菌，藻类和原生动物最适pH为6.5～7.5，它们的pH适应范围在4～10。pH<23～67.5～8.0>10嗜酸性微生物嗜碱性微生物霉菌酵母菌细菌放线菌水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202323对于好氧生物处理，pH值一般以6.5~8.5为宜。pH值低于6.5，真菌即开始与细菌竞争;降低到4.5时，真菌将占优势，严重影响沉降分离;pH值超过9.0时，代谢速度受到阻碍。pH值是指混合液而言,对于酸性废水及碱性废水，生化反应具有缓冲作用。水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202324根据微生物与分子氧的关系，将微生物分为好氧和兼性厌氧和厌氧微生物。好氧微生物里分专性好氧在氧分压0.2×101KPa下生长良好的微生物。微量好氧微生物，0.003～0.2×101KPa下生长繁殖良好的微生物。厌氧微生物包括专性厌氧在0.005×101KPa生长和耐氧厌氧微生物。兼性厌氧即可在有氧条件下又可在无氧条件下生长繁殖。4）溶解氧

水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202325活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。好氧生物处理浓度以2~3mg/L左右为宜。反硝化反应溶解氧0.5mg/L厌氧放磷溶解氧低于0.3mg/L水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/2023265）不利因素，毒物废水处理中，存在对微生物有毒害作用的化学物质，这类物质如重金属、H2S、铬酸盐、砷酸盐、氰、氨苯、硝酸根、苯、酚、甲醛、丙酮等。这些物质对细菌的毒害作用，或是破坏细菌细胞某些必要的生理结构，或是抑制细菌的代谢进程。水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/20232711.3生化反应的反应速度和反应级数

11.3.1反应速度底物S细胞X最终产物P合成分解

生化反应中，反应速度是指单位时间底物的减少、最终产物的增加量或细胞的增加量。废水生物处理中生化反应的速度如何表达？以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示。水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202328反应了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，它是污水生物处理中的研究生化反应的一个重要的规律。反应系数，又称产率系数，mg(生物量)/mg(降解的底物)水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/20232911.3.2反应级数

反应级数的概念：一级反应，反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比；二级反应，反应速度与两种反应物的浓度ρA×ρB成正比，或与一种反应物的浓度的平方ρA2成正比；三级反应，反应速度与ρAρB2成正比，也可称为反应物A的一级反应和反应物B的二级反应。水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202330对反应物A而言，零级反应：

一级反应：

二级反应：

反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值。反之，k为负值。在废水处理中，有机污染物的浓度逐渐减少，反应常数为负值。水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202331

生化反应中，底物的降解速度和反应器中底物的浓度有关，生化反应的方程式为：

式中，k为反应速度常数，随温度而异，n为反应级数。上式取对数改写为knVlglgSlg+=水污染控制工程课程课件天津工业大学以S表示，则生化反应的速度为：底物的浓度2/1/202332kSnVlglglg+=2级1级0级lgS0lgV与lgS的关系lgV水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/20233311.4生物处理的反应动力学

对生化反应动力学更深层的研究，是对反应机理进行研究、探讨活性污泥对有机底物的代谢、降解过程，揭示这一反应过程的本质，使人们能够更自觉的对反应速度加以控制和调节。研究生物处理反应动力学的目的是什么？水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202334有机底物的降解速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量等因素的关系。活性污泥微生物增殖速度（增长速度）与有机底物浓度、微生物量等因素的关系。

对活性污泥处理系统反应动力学的研究的重点在于确定活性污泥的反应速度和各项主要环境因素的关系，主要内容为：水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/20233511.4.1莫诺特（Monod）方程式——微生物群体增长速率

莫诺特1942年用纯种的微生物在单一的底物的培养基中进行了微生物的增殖速率和底物浓度之间的关系的实验。莫诺特认为，可以通过经典的米门方程式来描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系,也可以描述曝气池中活性污泥的增长速度。

水污染控制工程课程课件天津工业大学2/1/202336水污染控制工程课程课件天津工业大学μ—微生物比增长速度，即单位生物量的增长，d-1；S——限制微生物增长的底物的浓度，mg/LX——微生物浓度，mg/Lμ

max——底物浓度很大，不再影响微生物的增长速度时μ的最大值，d-1；KS——饱和常数，mg/L

。当μ＝1/2μmax时的底物浓度。

莫诺特（Monod）方程式2/1/202337水污染控制工程课程课件天津工业大学微生物增长与底物降解存在一定的关系比底物利用速率11.4.2劳-麦方程式——底物的利用速率2/1/202338底物的比降解速度也可用米门方程的形式表示：

rmax为比底物降解速度的最大值KS为r＝1/2rmax时底物的浓度，又称半速度常数。

对于实际的污水处理领域来说，r比底物降解速度比微生物的比增长速度更实际，应用性更强，是要讨论的对象。水污染控制工程课程课件天津工业大学劳-麦方程式2/1/20233911.4.3微生物增长与底物降解的基本关系式

废水处理系统中，存在微生物增长和底物降解之间存在一定量的关系。

水污染控制工程课程课件天津工业大学底物的利用速率用于合成细胞的底物用于提供能量的底物2/1/202340水污染控制工程课程课件天津工业大学总底物利用速率用于合成细胞的底物利用速率用于提供能量的底物利用速率底物的利用速率2/1/202341微生物的净增长速率微生物净增长速率微