第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础

Nofreelunchforthebugs,Nofreelunchforuseither.Letusservethebugsbeforebugsserveusbetter.第十一章

废水生物处置的根本概念和生化反响动力学根底第一节

废水的好氧生物处置和厌氧生物处置微生物的新陈代谢新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质，经过生物酶催化的复杂生化反响，在体内不断进展物质转化和交换的过程。分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量；合成代谢：经过一系列的生化反响，将营养物质转化为复杂的细胞成分，机体制造本身。底物降解：污水中可被微生物经过酶的催化作用而进展生物化学变化的物质称为底物或基质。可生物降解有机物量：有机物的降解转化可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质新陈代谢合成代谢(同化作用)分解代谢(异化作用)复杂物质分解为简单物质简单物质合成为复杂物质吸收能量释放能量能量代谢物质代谢能量循环：三磷酸腺苷ATP(AdenosineTriphosphate)AMP+~P→ADP+~P→ATPADP磷酸化生成ATP：ATP水解产生能量低能化合物高能化合物ATPADP磷酸根能量生理需求细胞合成热能释放ADP磷酸化光合磷酸化底物程度磷酸化电子传送磷酸化氧化磷酸化微生物的呼吸一切生物时辰都在进展着呼吸，没有呼吸就没有生命呼吸作用的生物景象：呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其它生命活动、多余以热量方式释放；经过呼吸作用，复杂有机物逐渐转化为简单物质；呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质微生物的呼吸类型微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能好氧呼吸厌氧呼吸根据氧化的底物、氧化产物的不同按反响过程中的最终受氢体的不同自养型微生物无氧呼吸异养型微生物发酵根据受氢体的不同分为好氧呼吸好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后，经过一系列氧化复原反响获得能量的过程。有分子氧参与的生物氧化，反响的最终受氢体是分子氧。底物中的氢被脱氢酶活化，并从底物中脱出交给辅酶〔递氢体〕，同时放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸〔磷酸〕好氧呼吸过程本质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这过程中，同时放出能量。依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产物也不同。好氧呼吸有异养型微生物和自养型微生物两种。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、氨和水等无机物，同时放出能量。如下式所示：异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物：化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体复原CO2，合成有机物的一类厌氧微生物。有机废水的好氧生物处置，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。2.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。大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反响生物脱氮工艺中的生物硝化过程光能自养微生物需求阳光或灯光作能源，依托体内的光协作用色素合成有机物。CO2+H2O[CH2O]＋O2化能自养微生物化能自养微生物不具备色素，不能进展光协作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。光叶绿素厌氧呼吸是在无分子氧〔O2〕的情况下进展的生物氧化。厌氧微生物只需脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传送给除氧以外的有机物或无机物，使其复原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量的可燃气体。厌氧呼吸按反响过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。厌氧呼吸1.发酵指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物〔有机物〕。这种生物氧化作用不彻底，最终构成的复原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反响过程中，释放的自在能较少，故厌氧微生物在进展生命活动过程中，为了满足能量的需求，耗费的底物要比好氧微生物的多。例如葡萄糖发酵的过程：总反响式：2.无氧呼吸是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等替代分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。在反硝化作用中，受氢体为NO3-可用下式所示：总反响式：在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需求细胞色素等中间电子传送体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量程度不同，如下表所示。呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ无氧呼吸无机物C6H12C6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ发酵能量利用率26％有机物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ好氧生物处置是在有游离氧〔分子氧〕存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处置方法。微生物利用废水中存在的有机污染物〔以溶解状与胶体状的为主〕，作为营养源进展好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反响，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，到达无害化的要求，以便前往自然环境或进一步处置。废水好氧生物处置的最终过程可用图示废水的好氧生物处置图示阐明，有机物被微生物摄取后，经过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有三分之二被转化，合成为新的原生质〔细胞质〕，即进展微生物本身生长繁衍。好氧生物处置的反响速度较快，所需的反响时间较短，故处置构筑物容积较小。且处置过程中分发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，根本上采用好氧生物处置法。在废水处置工程中，好氧生物处置法有活性污泥法和生物膜法两大类。废水的好氧生物处置废水的厌氧生物处置是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处置方法。在厌氧生物处置过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能量。在这个过程中，有机物的转化分为三部分进展：部分转化为CH4，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处置法，其污泥增长率小得多。由于废水厌氧生物处置过程不需另加氧源，故运转费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量〔CH4〕等优点。其主要缺陷是反响速度较慢，反响时间较长，处置构筑物容积大等。为维持较高的反响速度，需维持较高的温度，就要耗费能源。对于有机污泥和高浓度有机废水〔普通BOD5≥2000mg/L〕可采用厌氧生物处置法。废水的厌氧生物处置第二节微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律微生物的生长规律普通是以生长曲线来反映按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期停滞期〔调整期〕对数期〔生长旺盛期〕静止期〔平衡期〕衰老期〔衰亡期〕假设活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中〔营养类型发生变化，污泥培育驯化阶段〕，或污水处置厂因故中断运转后再运转，那么能够出现停滞期。这种情况下，污泥需经过假设干时间的停滞后才干顺应新的废水，或从衰老形状恢复到正常形状。停滞期能否存在或停滞期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等要素有关。当废水中有机物浓度高，且培育条件适宜，那么活性污泥能够处在对数生长期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散形状，镜检能看到较多的游离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易，用滤纸过滤时，滤速很慢。当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥那么有能够处于静止期，处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时滤速快。处置效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。

当污水中有机物浓度较低，营养物明显缺乏时，那么能够出现衰老期。处于衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花，以滤纸过滤时，滤速快。留意合成产率系数和观测产率系数。停滞期对数期静止期衰老期在污水生物处置过程中，假设条件适宜，活性污泥的增长过程与纯种单细胞微生物的增殖过程大体相仿。但由于活性污泥是多种微生物的混合群体，其生长受废水性质、浓度、水温、pH、溶解氧等多种环境要素的影响，因此，在处置构筑物中通常仅出现生长曲线中的某一、二个阶段。处于不同阶段时的污泥，其特性又很大的区别。在废水生物处置中，微生物是一个混合群体，它们也有一定的生长规律。有机物多时，以有机物为食料的细菌占优势，数量最多；当细菌很多时，出现以细菌为食料的原生动物；而后出现以细菌及原生动物为食料的后生动物，如图11－4所示。微生物要求的营养物质必需包括组成细胞的各种原料和产生能量的物质，主要有：水、碳素营养源、氮素营养源、无机盐及生长要素。微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素微生物的营养温度pH值溶解氧有毒物质微生物的组成微生物组成水80％干物质20％无机质10％有机物90％C:53.1%,O:28.3%,N12.4%,H:6.2%P:50%,S:15%,Na:11%,Ca:9%,Mg:8%K:6%,Fe:1%等细胞分子式：C5H7O2N(有机部分)细胞分子式：C60H87O23N12P(思索磷)普通估算营养比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶11.水：组成部分，代谢过程的溶剂.细菌约80%的成分为水分。2.碳源：碳素含量占细胞干物质的50±3％左右，碳源主要构成微生物细胞的含碳物质和供应微生物生长、繁衍和运动所需求的能量，普通污水中含有足够碳源。C〔耗费量〕＝C〔细胞量〕＋C〔二氧化碳〕＋C〔产物〕底物抑制：一切营养成分都有最高浓度限制，超越这个3.氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。4.无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素，作用：构成细胞成分、酶的组成成分维持酶的活性、调理浸透压、提供自养型微生物的能源。磷：核酸、磷脂、ATP转化；硫：蛋白质组成部分，好氧硫细菌能源；钾：激活酶；钙：稳定细胞壁，激活酶；镁：激活酶，叶绿素的重要组成部分5.生长要素：氨基酸、蛋白质、维生素等微生物的营养各类微生物所生长的温度范围不同，约为5℃～80℃。此温度范围，可分为最低生长温度、最高生长温度、和最适生长温度〔是指微生物生长速度最高时温度〕。依微生物顺应的温度范围，微生物可以分为中温性〔20℃～45℃〕、好热性〔高温性〕〔45℃以上〕和好冷性〔低温性〕〔20℃以下〕三类。当温度超越最高生长温度时，会使微生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破坏而失活，严重者可使微生物死亡。低温会使微生物代谢活力降低，进而处于生长繁衍停顿形状，但仍保管其生命力。微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素微生物的营养温度pH值溶解氧有毒物质不同的微生物有不同的pH值顺应范围。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH值顺应范围是在4～10之间。大多数细菌适宜中性和偏碱性〔pH＝6.5～7.5〕的环境。废水生物处置过程中应坚持最适pH范围。当废水的pH值变化较大时，应设置调理池，使进入反响器〔如曝气池〕的废水，坚持在适宜的pH值范围。微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素微生物的营养温度pH值溶解氧有毒物质微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素溶解氧是影响生物处置效果的重要要素。好氧微生物处置的溶解氧普通以2～4mg/L为宜。微生物的营养温度pH值溶解氧有毒物质微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制和杀害的化学物质，这类物质我们称之有毒物质。其毒害作用主要表如今细胞的正常构造遭到破坏以及菌体内的酶蜕变，并失去活性。在废水生物处置时，对这些有毒物质应严加控制，但毒物浓度的允许范围，需求详细分析。微生物的营养温度pH值溶解氧有毒物质第三节反响速度和反响级数反应器类型反应器类型生物化学反响是一种以生物酶为催化剂的化学反响。污水生物处置中人们总是发明适宜的环境条件去得到希望的反响速度。生化反响动力学目前的研讨内容：底物降解速率与底物浓度、生物量、环境要素等方面的关系微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境要素等方面的关系反响机理研讨，从反响物过度到产物所阅历的途径生化反响动力学生化反响动力学模型举例摘自IAWQASM2模型在生化反响中，反响速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的添加量或细胞的添加量。在废水生物处置中，是以单位时间里底物的减少或细胞的添加来表示生化反响速度。

图中的生化反响可以用下式表示：

即该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处置中研讨生化反响过程的一个重要规律。反应速度及式中：反响系数又称产率系数，mg〔生物量〕/mg〔降解的底物〕。实验阐明反响速度与一种反响物A的浓度ρA成正比时，称这种反响对这种反响物是一级反响。实验阐明反响速度与二种反响物A、B的浓度ρA、ρB成正比时，或与一种反响物A的浓度ρA的平方ρA2成正比时，称这种反响为二级反响。实验阐明反响速度与ρA·ρB2成正比时，称这种反响为三级反响；也可称这种反响是A的一级反响或B的二级反响。在生化反响过程中，底物的降解速度和反响器中的底物浓度有关。普通地：aA+bB→gG+hH假设测得反响速度：v＝dCA/dt=kCAa·CBba+b=n,n为反响级数反应级数设生化反响方程式为现底物浓度ρS以[S]表示，那么生化反响速度：

式中，k为反响速度常数，随温度而异，n为反响级数。上式亦可改写为该式可用图表示，图中直线的斜率即为反响级数n值。或反响速度不受反响物浓度的影响时，称这种反响为零级反响。在温度不变的情况下，零级反响的反响速度是常数。对反响物A而言零级反响：式中：v―反响速度；t－反响时间；k－反响速度常数，受温度影响。在反响过程中，反响物A的量添加时，k为正值；在废水生物处置中，有机污染物逐渐减少，反响常数为负值。反响速度与反响物浓度的一次方成正比关系，称这种反响为一级反响。对反响物A而言一级反响：式中：v―反响速度；t－反响时间；k－反响速度常数，受温度影响。在反响过程中，反响物A的量添加时，k为正值；在废水生物处置中，有机污染物逐渐减少，反响常数为负值。反响速度与反响物浓度的二次方成正比，称这种反响为二级反响。对反响物A而言二级反响：式中：v―反响速度；t－反响时间；k－反响速度常数，受温度影响。在反响过程中，反响物A的量添加时，k为正值；在废水生物处置中，有机污染物逐渐减少，反响常数为负值。第四节米歇里斯－门坦〔Michaelis－Menten〕方程式一切生化反响都是在酶的催化下进展的。这种反响亦可以说是一种酶促反响或酶反响。酶促反响速度受酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反响产物、活化剂和抑制剂等要素的影响。在有足够底物又不受其他要素影响时，那么酶促反响速度与酶浓度成正比。当底物浓度在较低范围内，而其他要素恒定时，这个反响速度与底物浓度成正比，是一级反响。当底物浓度添加到一定限制时，一切的酶全部与底物结合后，酶反响速度到达最大值，此时再添加底物的浓度对速度就无影响是零级反响，并阐明酶已被底物所饱和。一切的酶都有此饱和景象。但各自到达饱和时所需的底物浓度并不一样，甚至差别有时很大。浓度对酶反响速度的影响对于这种的景象，较合理的假说是中间产物假说。根据这个假说，酶促反响分两步进展，即酶与底物先络和成一个络和物〔中间产物〕，这个络和物再进一步分解成产物和游离态酶，现以下式表示之：式中，S代表产物，E代表酶，ES代表酶－产物中间产物〔络和物〕以及P代表产物。从上式可以看出，当底物S浓度较低时，只需一部分酶E和底物S构成酶-底物中间产物ES。此时，假设添加底物浓度，那么将有更多的中间产物构成，因此反响速度亦随之添加。当底物浓度很大时，反响体系中的酶分子已根本全部和底物结合成ES络合物。此时，底物浓度虽再添加，但无剩余的酶与之结合，故无更多的ES络合物生成，因此反响速度维持不变。1913年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反响中，底物浓度与酶促反响速度之间的关系式，称为米歇里斯－门坦方程式，简称米氏方程式，即：式中：v－酶促反响速度；vmax－最大酶反响速度；ρS－底物浓度；Km－米氏常数。此式阐明，当Km和vmax知时，酶反响速度与酶底物浓度之间的定量关系。由上式得：该式阐明，当vmax/v=2或v=1/2vmax时，Km=ρS，即Km是v=1/2vmax时的底物浓度，故又称半速度常数。米氏方程式⑴当底物浓度ρS很大时，ρS»Km，Km+ρS≈ρS，酶反响速度到达最大值，即v=vmax,呈零级反响，在这种情况下，只需增大底物浓度，才有能够提高反响速度。实践运用时，我们采用了微生物浓度Cx替代酶浓度CE。经过实验，得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米氏方程式，如下：式中：Ks为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常数。⑵当底物浓度ρS较小时，ρS«Km，Km+ρS=Km，酶反响速度和底物浓度成正比例关系，即呈一级反响。此时，添加底物浓度可以提高酶反响的速度。但随着底物浓度的添加，酶反响速度不再按正比例关系上升，呈混合级反响。米氏常数的意义米氏常数Km是酶反响处于动态平衡即稳态时的平衡常数。具有重要物理意义：Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。不同的酶，Km值不同，如表11－3所示。假设一个酶有几种底物，那么对每一种底物，各有一个特定的Km。并且，Km值不受pH及温度的影响。因此，Km值作为常数，只是对一定的底物、pH及温度条件而言。测定酶的Km值，可以作为鉴别酶的一种手段，但必需在指定的实验条件下进展。同一种酶有几种底物就有几个Km值。其Km值最小的底物，普通称为该酶的最适底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底物。1/Km可以近似地反映酶对底物亲和力的大小，1/Km愈大，阐明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底物浓度，就可较易地到达vmax。米氏常数的测定对于一个酶促反响的Km值确实定方法很多。实验中即使用很高的底物浓度，也只能得到近似的vmax值，而达不到真正的vmax值因此也测不到准确的Km值，为了得到准确的Km值，可以把米氏方程的方式加以改动，使它成为直线方程式的方式，然后用图解法定出Km值。目前，普通用的图解求Km值法为兰微福－布克作图法或称双倒数作图法。此法先将米氏方程改写成如下的方式，即：实验时，选择不同的ρS，测定对应的v。求出两者的倒数作图即可得出如图中的直线。量取直线在两坐标轴上的截距1/vmax和-1/Km，就可以求出Km的值及vmax值。米氏常数的测定第五节莫诺特〔Monod〕方程式微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系是废水生物处置中的一个重要课题。有多种方式反响这一关系。当前公认的是莫诺特方程式：式中：ρS－限制微生物增长的底物浓度，mg/L；μ－微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。ρX－微生物浓度，mg/L；μmax－μ的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物的增长速度时的μ值；KS－饱和常数。在一切生化反响中，微生物的增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个定量关系。现如以dρS〔微反响时段dt内的底物耗费量〕和dρX〔dt内的微生物增长量〕之间的比例关系值，经过下式表示之：

式中：Y－产率系数；ρX－微生物浓度。－微生物增长速度；

－微生物比增长速度；或或－底物降解速度；－底物比降解速度；以及代入式得：式中q及qmax为底物的比降解速度及其最大值；ρS为底物浓度；KS为饱和常数。废水生物处置工程中目前常用的两个根本反响动力学方程式。或或由式例：设在完全混合反响器内进展了延续流微生物生长实验，反映温度为20℃，实验结果如下：试根据右示实验结果定出KS和μmax值，以及μ－ρS关系式。解：根据莫诺特方程式μ－ρS的关系式为：图中直线方程为：或

据以上整理的实验结果，作关系图，如图11－13所示，得第六节废水生物处置工程的根本数学方式在废水生物处置中，废水中的有机污染物质〔即底物、基质〕正是需求去除的对象；生物处置的主体是微生物；而溶解氧那么是保证好氧微生物正常活动所必需的。因此，我们可以把有机质、微生物、溶解氧之间的数量关系用数学公式表达出来，为进一步开展生物处置系统的最优化设计和运转的研讨，提供新的能够性。如今，废水生物处置工程实际中，人们曾经把前述的米－门方程式和莫诺特方程式援用进来，结合处置系统的物料衡算，提出了所需的生物处置的数学方式，供废水生物处置系统的设计和运转之用。及⑴整个处置系统处于稳定形状反响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。即：式中：ρX―反响器中微生物的平均浓度；ρS―反响器中底物的平均浓度。推导废水生物处置工程数学方式的几点假定和⑵反响器中的物质按完全混合及均布的情况思索整个反响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。而且，底物是溶解性的。即⑶整个反响过程中，氧的供应是充分的〔对于好氧处置〕。1951年由霍克来金(Heukelekian)等人经过废水生物处置的大量实验研讨任务,发如今废水生物处置中，微生物增长和底物降解之间存在着一定量的关系,于是提出了如下的方程式：

微生物增长与底物降解的根本关系式式中：-微生物净增长速度；-底物利用〔或降解〕速度；Y-产率系数；Kd-内源