污水生物处理基本概念和生化反应动力学基础

关于污水生物处理基本概念和生化反应动力学基础1.污水生物处理技术的起源和发展2.微生物的特点和污水生物处理的概念3.污水生物处理工艺的应用历史4.污水生物处理技术的发展过程、前景展望第一节概述第2页,共95页，2024年2月25日，星期天环境生物技术----现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科在解决环境污染问题中具有非常重要的作用。环境生物技术的核心是微生物工程1.污水生物处理技术的起源和发展第3页,共95页，2024年2月25日，星期天2.微生物对污染物降解的巨大潜力(1)个体微小、比表面积大、代谢速率快

较大的酵母菌，一般为椭圆形，宽1-5um,长5-30um。第4页,共95页，2024年2月25日，星期天比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表面积约为人的30万倍，为营养物的吸收与代谢产物的排泄奠定了基础；代谢速度快：发酵乳糖的细菌在1hr内可分解其自重的1000~10000倍；假丝酵母（Candidautilis）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍。第5页,共95页，2024年2月25日，星期天(2)种类繁多、分布广泛、代谢类型多样W.B.Whitman(U.OfGeorgia)细菌普查，地球上存在51030个细菌,非常活跃的群体在海、陆、空等一般环境和极端环境中的极端环境微生物；Pseudomonascepacia：能降解90种以上有机物甲基汞、有毒氰、酚类化合物等都能被微生物作为营养物质分解利用。第6页,共95页，2024年2月25日，星期天(3)繁殖快、易变异、适应性强大肠杆菌在条件适宜时17min就分裂一次；有一种假单胞细菌在不到10min就分裂一次；低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下可以快速适应；对于进入环境中的“陌生”污染物，微生物可通过突变而改变原来的代谢类型而降解之第7页,共95页，2024年2月25日，星期天废水生物处理技术经历了百余年的发展和应用，发挥了巨大的作用，取得了很大的进步。污水处理技术离尽善尽美还相差很远，主要缺点：生化环境不够理想、微生物数量不够多、反应速率尚低、处理设施的基建投资和运行费用很高、运行不够稳定、难降解有机物处理效果差等。3.污水生物处理的历程及前景展望第8页,共95页，2024年2月25日，星期天从可持续发展的战略观点来衡量：废水生物处理还有消耗大量有机碳、剩余污泥量大、释放较多二氧化碳等缺点。利用微生物的无穷潜力和反应设备的发展及相关学科技术的进步，与其他工艺相交叉，利用协同作用。废水生物处理工艺必将取得更大的发展，发挥更大的作用。第9页,共95页，2024年2月25日，星期天第二节污水生物处理的

基本原理第10页,共95页，2024年2月25日，星期天1.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，通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进行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：通过一系列的生化反应，将营养物质转化为复杂的细胞成分，机体制造自身。第11页,共95页，2024年2月25日，星期天新陈代谢合成代谢(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分解与合成的相互关系：

1）二者不可分，而是相互依赖的；a、分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础；b、分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。

2)对有机物的去除，二者都有重要贡献；3）合成量的大小，对后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的40~50%）。第12页,共95页，2024年2月25日，星期天2.微生物的呼吸

一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命。呼吸作用的生物现象：呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他生命活动，多余的能量以热量形式释放。通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。第13页,共95页，2024年2月25日，星期天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应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第14页,共95页，2024年2月25日，星期天好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。有分子氧参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。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呼吸和自养型微生物呼吸两种。

好氧呼吸第15页,共95页，2024年2月25日，星期天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：

有机废水的好氧生物处理，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。第16页,共95页，2024年2月25日，星期天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应生物脱氮工艺中的生物硝化过程

光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合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，不能进行光合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。光叶绿素第17页,共95页，2024年2月25日，星期天厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，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递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。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。厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。

厌氧呼吸第18页,共95页，2024年2月25日，星期天1.发酵指供氢体和受氢体都参与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，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：第19页,共95页，2024年2月25日，星期天2.无氧呼吸是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，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：总反应式：在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体，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。第20页,共95页，2024年2月25日，星期天一、微生物的呼吸类型1、好氧呼吸

AerobicRespiration分子氧参与生物氧化，且是最终受氢体。按微生物和底物类型分为

1）异养型微生物有机物为底物

C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量2）自养型微生物无机物为底物

H2S+2O2H2SO4+能量微生物的呼吸是一个对底物的氧化还原过程，都有氢原子的转移，按受氢体的不同分为：归纳小结：第21页,共95页，2024年2月25日，星期天2、厌氧呼吸AnaerobicRespiration无分子氧参与，最终受氢体为氧以外的物质，按最终受氢体不同分为1）发酵

----受氢体为供氢体的分解产物（有机物）C6H12O64[H]+2CH3COCOOH2CO2+2CH3CHO2CH3CH2OH

2）无氧呼吸

----受氢体为无机氧化物C6H12O6+4NO3-6CO2+6H2O+2N2↑第22页,共95页，2024年2月25日，星期天

好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同，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第23页,共95页，2024年2月25日，星期天2.污水生物处理分类分类依据生化环境：好氧、缺氧、厌氧反应器构型：依据微生物在反应器中的生长方式：悬浮型、附着型和混合型.第24页,共95页，2024年2月25日，星期天

1.定义有游离氧（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。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），作为营养源进行好氧代谢。2.1废水的好氧生物处理2.好氧生物处理过程的生化反应方程式：①分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）

②合成反应（也称合成代谢、同化作用）

③内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）

第25页,共95页，2024年2月25日，星期天图示表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有1/3被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有2/3被转化，合成为新的原生质（细胞质），即进行微生物自身生长繁殖。第26页,共95页，2024年2月25日，星期天Ps:不同形式的有机物被生物降解的历程也不同：

一方面：结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁；结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞内。

另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同，如：糖类；脂类；蛋白质

第27页,共95页，2024年2月25日，星期天反应速度快，时间短，故构筑物容积较小。处理过程中散发的臭气较少。适合处理中、低浓度的有机废水。

（一般BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法）。在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。3.废水的好氧生物处理的特点及应用第28页,共95页，2024年2月25日，星期天1.定义

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理方法。在厌氧生物处理过程中，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。2.2废水的厌氧生物处理第29页,共95页，2024年2月25日，星期天有机物的转化分为三部分进行：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理法，其污泥增长率小得多。2.2废水的厌氧生物处理第30页,共95页，2024年2月25日，星期天2.厌氧生物处理中的基本生物过程——阶段性理论（1）两阶段理论：20世纪30~60年代

第一阶段：发酵阶段：主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等

第二阶段：产甲烷阶段：是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；

产气阶段有机物C、OH、NP、S呼吸(分解)能有机酸，醇，CO2

，H2S，NH3合成新细胞物质（生长）微生物厌氧生物处理中有机物的转化合成新细胞物质（生长）呼吸(分解)能CH4，CO2H2S，NH3产酸阶段第31页,共95页，2024年2月25日，星期天第一阶段普通厌氧菌碳水化合物、脂肪、蛋白质消化有机酸、乙醇、乙醛第二阶段绝对厌氧菌甲烷二氧化碳消化细胞合成新细胞酶细胞合成厌氧消化两阶段示意图第32页,共95页，2024年2月25日，星期天（2）三阶段理论

1）水解酸化阶段：分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌。

2）产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸细菌群，利用液化阶段的产物产生乙酸、氢气和二氧化碳等。

3）产甲烷阶段：甲烷菌利用乙酸、丙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和H2/CO2是其主要基质。

第33页,共95页，2024年2月25日，星期天厌氧消化机理三阶段理论第34页,共95页，2024年2月25日，星期天四阶段理论实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。

总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。

第35页,共95页，2024年2月25日，星期天3、厌氧消化过程中的主要微生物

主要介绍其中的发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。

（1）发酵细菌（产酸细菌）：

发酵产酸细菌的主要功能有两种：①

水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；②

酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；

主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等），有时会成为厌氧反应的限速步骤；产酸反应的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。

第36页,共95页，2024年2月25日，星期天3、厌氧消化过程中的主要微生物（2）产氢产乙酸菌：主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。

注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行，因此产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物乙酸和H2消耗掉。主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。

第37页,共95页，2024年2月25日，星期天3、厌氧消化过程中的主要微生物（3）产甲烷菌

功能是将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：①产甲烷杆菌；②产甲烷球菌；③产甲烷八叠球菌；④产甲烷丝菌；等等。

产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150~-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达4-6天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。

第38页,共95页，2024年2月25日，星期天表1产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8~7.2不太敏感，最佳pH为5.5~7.0氧化还原电位Eh<-350mv(中温)，<-560mv(高温)<-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30~38℃，50~55℃最佳温度：20~35℃第39页,共95页，2024年2月25日，星期天4、厌氧生物处理的主要特征

主要优点：

①

能耗大大降低，回收生物能（沼气）；

②

污泥产量很低；

——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15-0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25-0.6kgVSS/kgCOD。

③

厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；

④

反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；

第40页,共95页，2024年2月25日，星期天4、厌氧生物处理的主要特征主要缺点：

①

对温度、pH等环境因素较敏感；

②

处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；

③

气味较大；

④

对氨氮的去除效果不好。⑤反应速度慢，时间长，构筑物一般较大。

对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧生物处理法。

第41页,共95页，2024年2月25日，星期天2.3生物脱氮原理生物脱氮:在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2的过程。

生物脱氮可分为三个步骤：

氨化－硝化－反硝化由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。第42页,共95页，2024年2月25日，星期天（1）氨化--氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程，也称为矿化作用。氨化细菌2.3.1生物脱氮原理第43页,共95页，2024年2月25日，星期天在未经处理的新鲜废水中有机氮氨态氮蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等NH3及NH4等氨化菌(水解、氧化)2.3.1生物脱氮原理第44页,共95页，2024年2月25日，星期天生物脱氮原理以氨基酸为例：氧化脱氨基水解脱氨基还原脱氨基

氨化细菌氨化细菌种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。氨化反应无论在好氧还是厌氧条件下，中性、碱性还是酸性环境中都能进行。活性污泥和生物膜系统内能够比较完全地完成氨化反应。第45页,共95页，2024年2月25日，星期天氨态氮硝酸盐氮1g氨氮氧化需氧4.57gNO2-N亚硝酸盐氮亚硝化菌硝化菌需氧3.43g需氧1.14g在硝化反应中，还有H+释放（2）

硝化作用----指将NH3-N氧化为NOx--N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。

第46页,共95页，2024年2月25日，星期天项目亚硝化菌硝化菌细胞形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸（μm）1×1.50.5×1.0革兰氏染色阴性阴性世代期（h）8~3612~59自养性专性兼性需氧性严格好氧严格好氧最大比增长速率μm·h-10.04~0.080.02~0.06产率系数Y(mg细胞/基质mg)0.04~0.130.02~0.07饱和常数K（mg/L）0.6~3.60.3~1.7亚硝化菌和硝化菌的基本特征第47页,共95页，2024年2月25日，星期天硝酸氮（NO3-N）（NO2-N）亚硝酸氮氮气(主要过程)有机氮化合物反硝化菌异化反硝化(细菌组成部分)同化反硝化（异养型兼性菌）（3）反硝化----缺氧条件下，NOx-－N被反硝化菌用作电子受体被还原为氮气过程。

第48页,共95页，2024年2月25日，星期天生物脱氮原理以碳源甲醇为例：

反硝化菌生物学特性：反硝化菌为异养型兼性菌。在厌氧条件下，以NO3--N为电子受体，以有机碳为电子供体。在好氧条件下，反硝化菌利用氧进行呼吸，氧成为电子受体，阻碍NO3--O成为电子受体而使N难还原成N2↑。有碱度的生成第49页,共95页，2024年2月25日，星期天2.4生物除磷2.4.1基本原理厌氧环境污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚β羟基丁酸)的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。

利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。第50页,共95页，2024年2月25日，星期天生物除磷机理图第51页,共95页，2024年2月25日，星期天好氧环境中：聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主动超量吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。富磷污泥的排放

在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。第52页,共95页，2024年2月25日，星期天2.5废水可生化性原理及其判别

1、废水可生化性的定义

生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物质改变原来的化学和物理性质，在结构上引起的变化程度。

2、废水可生化性的分类

①初级生物降解——指有机物原来的化学结构发生了部分变化，改变了分子的完整性；

②环境可接受的生物降解——指有机物失去了对环境有害的特性；

③完全降解——在好氧条件下，有机物被完全无机化；在厌氧条件下，有机物被完全转化为CH4、CO2等。

第53页,共95页，2024年2月25日，星期天有机物生物降解性能的分类：

①易生物降解——易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用；

②可生物降解——能够逐步被微生物所利用；

③难生物降解——降解速率很慢或根本不降解。

第54页,共95页，2024年2月25日，星期天3.鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法：

水质指标法：采用BOD5/COD作为有机物评价指标。瓦呼仪法：根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判断有机物的生物降解性能。测试时，接种物可采用活性污泥，接种量为1-3gSS/l；

4.影响有机物生物降解性能的因素：

1、与化学物质的种类性质有关的因素（化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存）；

2、与微生物的种类、性质有关的因素（微生物的来源、数量、种属间的关系）；

3、与有机物、微生物所处的环境有关的因素（pH值、DO、温度、营养物等）第55页,共95页，2024年2月25日，星期天第三节微生物的生长规律和

生长环境（因子）第56页,共95页，2024年2月25日，星期天1.微生物的生长规律

微生物的生长规律一般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）纯菌种培养的微生物的生长规律第57页,共95页，2024年2月25日，星期天

如果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，污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。

当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，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。停滞期对数期第58页,共95页，2024年2月25日，星期天

当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止期，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。处理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，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。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。注意合成产率系数和观测产率系数。静止期衰老期第59页,共95页，2024年2月25日，星期天

微生物要求的营养物质必须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、无机盐及生长因素。2.微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素

营养

温度pH

溶解氧

有毒物质第60页,共95页，2024年2月25日，星期天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％C53.1%,O28.3%,N12.4%,H6.2%P50%,S15%,Na11%,Ca9%,Mg8%,K6%,Fe1%等细胞分子式：C5H7O2N(有机部分)细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷)一般估算营养比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶1第61页,共95页，2024年2月25日，星期天(1)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％左右，碳源主要构成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运动所需要的能量，一般污水中含有足够碳源。

(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，调节渗透压，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)生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。微生物的营养第62页,共95页，2024年2月25日，星期天温度范围不同，约为5℃～80℃，分为最低、最高和最适生长温度（是指微生物生长速度最快时温度）。依微生物适应的温度范围，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。高温--蛋白质迅速变性及酶系统遭到破坏而失活，死亡。低温---代谢活力降低，生长繁殖停止状态，但仍保存其生命力。

微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素

营养

温度pH

溶解氧

有毒物质第63页,共95页，2024年2月25日，星期天不同的微生物有不同的pH适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH适应范围是在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。废水生物处理过程中应保持最适pH范围。当废水的pH变化较大时，应设置调节池，使进入反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH范围。

微生物的生长环境影响微生物生长的环境因素

营养

温度pH

溶解氧

有毒物质第64页,共95页，2024年2月25日，星期天

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理效果的重要因素。好氧微生物处理的DO=2～4mg/L为宜。

营养

温度pH

溶解氧

有毒物质第65页,共95页，2024年2月25日，星期天

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作用的化学物质。毒害作用：破坏细胞正常结构，菌体内的酶变质，并失去活性。在废水生物处理时，对这些有毒物质应严加控制，但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。

营养

温度pH值

溶解氧

有毒物质第66页,共95页，2024年2月25日，星期天

生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件去得到希望的反应速度。生化反应动力学目前的研究内容：

(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；

(2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；

(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。

生化反应动力学

第67页,共95页，2024年2月25日，星期天第四节反应速度和反应级数

涉及的两个基本概念第68页,共95页，2024年2月25日，星期天

在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、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的减少或细胞的增加来表示生化反应速度。

图中的生化反应可以用下式表示：

即

该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。1.反应速率

及式中：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。第69页,共95页，2024年2月25日，星期天如：零级反应v=k一级反应v=k[A]二级反应v=k[A]2

反应级数指反应速度与反应器中的反应物浓度的比率关系。2.反应级数

反应速度与一种反应物A的浓度ρA成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。反应速度与二种反应物A、B的浓度ρA、ρB成正比时，或与一种反应物A的浓度ρA的平方ρA2成正比时，称这种反应为二级反应。反应速度与ρA·ρB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。第70页,共95页，2024年2月25日，星期天

设生化反应方程式为：现底物浓度ρS以[S]表示，则生化反应速度：

式中：k——反应速度常数，随温度而异；

n——反应级数。上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数n。或lgvlg[S]生化反应中，底物降解速度与反应器中的底物浓度有关第71页,共95页，2024年2月25日，星期天讨论：n=0,零级反应,反应速度是常数,不受反应物浓度的影响对反应物A而言，零级反应：式中：v——反应速度；

t——反应时间；

k——反应速度常数,

受温度影响。

在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。第72页,共95页，2024年2月25日，星期天讨论：n=1,一级反应,速度与反应物浓度的一次方成正比关系对反应物A而言，一级反应：

式中：v——反应速度；t——反应时间；k——反应速度常数,受温度影响。

在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。第73页,共95页，2024年2月25日，星期天讨论：n=2,二级反应,速度与反应物浓度的二次方成正比。对反应物A而言，二级反应：式中：v——反应速度；

t——反应时间；

k——反应速度常数,

受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。第74页,共95页，2024年2月25日，星期天第五节微生物生长动力学污水处理过程-反应动力学污水的处理效率重要污水处理的产物之一微生物也是我们关心的问题第75页,共95页，2024年2月25日，星期天米歇里斯-门坦

（Michaelis-Menten）方程式微生物生长与底物的关系？首先介绍酶促反应速率与底物之间关系的研究第76页,共95页，2024年2月25日，星期天一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可以说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、pH、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的影响。在有足够底物又不受其他因素影响时，则酶促反应速度与酶浓度成正比。当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应速度与底物浓度成正比，是一级反应。当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全与底物结合后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物部的浓度对速度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底物浓度并不相同，甚至差异有时很大。浓度对酶反应速度的影响第77页,共95页，2024年2月25日，星期天vmaxn=00<n<1n=1KS底物浓度[S]1/2vmax酶反应速度v第78页,共95页，2024年2月25日，星期天

中间产物假说：酶促反应分两步进行，即酶与底物先络合成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步分解成产物和游离态酶，以下式表示：式中，S代表产物，E代表酶，ES代表酶－产物中间产物（络合物），P代表产物。从上式可以看出，当底物S浓度较低时，只有一部分酶E和底物S形成酶-底物中间产物ES。此时，若增加底物浓度，则将有更多的中间产物形成，因而反应速度亦随之增加。当底物浓度很大时，反应体系中的酶分子已基本全部和底物结合成ES络合物。此时，底物浓度虽再增加，但无剩余的酶与之结合，故无更多的ES络合物生成，因而反应速度维持不变。第79页,共95页，2024年2月25日，星期天1913年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反应中底物浓度与酶促反应速度之间关系的式子，称为米歇里斯－门坦方程式，简称米氏方程式，即：式中:v——酶促反应速度；vmax——最大酶反应速度；

ρS——底物浓度；

Km——米氏常数。此式表明，当Km和vmax已知时，酶反应速度与酶底物浓度之间的定量关系。由上式得：该式表明，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。

米氏方程式第80页,共95页，2024年2月25日，星期天

⑴当底物浓度ρS很大时，ρS»Km，Km+ρS≈ρS，酶反应速度达到最大值，即v=vmax,呈零级反应，在这种情况下，只有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。

实际应用时，我们采用了微生物浓度cx代替酶浓度cE。通过试验，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，酶反应速度和底物浓度成正比例关系，即呈一级反应。此时，增加底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓度的增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。第81页,共95页，2024年2月25日，星期天

米氏常数的意义

米氏常数Km是酶反应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。如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，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，但必须在指定的实验条件下进行。同一种酶有几种底物就有几个Km值。其Km值最小的底物，一般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，表明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底物浓度，就可较易地达到vmax。

第82页,共95页，2024年2月25日，星期天第83页,共95页，2024年2月25日，星期天

对于一个酶促反应，Km值的确定方法很多。实验中即使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，因而也测不到准确的Km值。为了得到准确的Km值，可以把米氏方程的形式加以改变，使它成为直线方程式的形式，然后用图解法定出