排水工程11第十一章

1、第十一章 廢水生物處理的基本概念和生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié) 廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理微 生 物 的 新 陳 代 謝 新陳代謝：微生物不斷從外界環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)生物酶催化的復(fù)雜生化反應(yīng)，在體內(nèi)不斷進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和交換的過(guò)程。 分解代謝：分解復(fù)雜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，獲得能量。 合成代謝：通過(guò)一系列的生化反應(yīng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的細(xì)胞成分，機(jī)體制造自身。 底物降解：污水中可被微生物通過(guò)酶的催化作用而進(jìn)行生物化學(xué)變化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)。 可生物降解有機(jī)物量：可通過(guò)生物的降解轉(zhuǎn)化的量。 可生物降解底物量：包括有機(jī)的和無(wú)機(jī)的可生物利用物質(zhì)。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異

2、化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡(jiǎn)單物質(zhì)簡(jiǎn)單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate)AMP+PADP+ P ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解產(chǎn)生能量。低能化合物高能化合物ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化ADP磷酸根+微 生 物 的 呼 吸 一切生物時(shí)刻都在進(jìn)行著呼吸，沒(méi)有呼吸就沒(méi)有生命。呼吸作用的生物現(xiàn)象： 呼吸作用中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換：供細(xì)胞合成、其他生命活動(dòng)，多余的能量以熱量形式釋放。 通過(guò)呼吸作用，復(fù)雜有機(jī)物逐步轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單物質(zhì)。呼吸作用過(guò)程中吸收和同

3、化各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。微 生 物 的 呼 吸 類 型微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸厭氧呼吸根據(jù)氧化的底物、氧化產(chǎn)物的不同 按反應(yīng)過(guò)程中的最終受氫體的不同 自養(yǎng)型微生物 無(wú)氧呼吸異養(yǎng)型微生物發(fā) 酵根據(jù)受氫體的不同分為根據(jù)受氫體的不同分為好氧呼吸是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入好氧微生物細(xì)胞后，通過(guò)一系列氧化還原反應(yīng)獲得能量的過(guò)程。有分子氧參與的生物氧化， 反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。底物中的氫被脫氫酶活化，并從底物中脫出交給輔酶（遞氫體），同時(shí)放出電子，氧化酶利用底物放出的電子激活游離氧，活化氧和從底物中脫出的氫結(jié)合成水。NAD(P)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸過(guò)程實(shí)質(zhì)上是脫氫和氧活化相結(jié)合的過(guò)程

4、。在這個(gè)過(guò)程中，同時(shí)放出能量。依好氧微生物的類型不同，被其氧化的底物不同，氧化產(chǎn)物也不同。好氧呼吸有異養(yǎng)型微生物呼吸和自養(yǎng)型微生物呼吸兩種 。HNAD(P)HNAD(P)H2H2 好 氧 呼 吸 1.異養(yǎng)型微生物 異養(yǎng)型微生物以有機(jī)物為底物（電子供體），其終點(diǎn)產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等無(wú)機(jī)物，同時(shí)放出能量。如下式所示： 異氧微生物又可分為化能異氧微生物和光能異氧微生物。 化能異氧微生物：氧化有機(jī)物產(chǎn)生化學(xué)能而獲得能量的微生物。 光能異氧微生物：以光為能源，以有機(jī)物為供氫體還原CO2，合成有機(jī)物的一類厭氧微生物。 有機(jī)廢水的好氧生物處理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等屬于這種類型的呼吸。

5、2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14ONOHC4222729112.自養(yǎng)型微生物 自養(yǎng)型微生物以無(wú)機(jī)物為底物（電子供體），其終點(diǎn)產(chǎn)物也是無(wú)機(jī)物，同時(shí)放出能量。能量SOH2OSH4222能量OH2HNO2ONH2324大型合流污水溝道和污水溝道存在該式所示的生化反應(yīng)生物脫氮工藝中的生物硝化過(guò)程 光能自養(yǎng)微生物：需要陽(yáng)光或燈光作能源，依靠體內(nèi)的光合作用色素合成有機(jī)物。CO2+H2O CH2OO2 化能自養(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)微生物不具備色素，不能進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)物所需的能量來(lái)自氧化NH3、H2S等無(wú)機(jī)物。光葉綠素厭氧呼吸是在無(wú)分子氧（O2）的情況下進(jìn)

6、行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒(méi)有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過(guò)程中，底物中的氫被脫氫酶活化，從底物中脫下來(lái)的氫經(jīng)輔酶?jìng)鬟f給除氧以外的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，使其還原。厭氧呼吸的受氫體不是分子氧。在厭氧呼吸過(guò)程中，底物氧化不徹底，最終產(chǎn)物不是二氧化碳和水，而是一些較原來(lái)底物簡(jiǎn)單的化合物。這種化合物還含有相當(dāng)?shù)哪芰?，故釋放能量較少。如有機(jī)污泥的厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷，是含有相當(dāng)能量的可燃?xì)怏w。厭氧呼吸按反應(yīng)過(guò)程中的最終受氫體的不同，可分為發(fā)酵和無(wú)氧呼吸。 厭 氧 呼 吸 1.發(fā)酵 指供氫體和受氫體都參與有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受氫體無(wú)需外加，就是供氫體的分解產(chǎn)物（有機(jī)物）。 這種生物氧化作用不徹

7、底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原來(lái)底物簡(jiǎn)單的有機(jī)物，在反應(yīng)過(guò)程中，釋放的自由能較少，故厭氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)過(guò)程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的發(fā)酵過(guò)程：總反應(yīng)式：4HCOCOOH2CHOHC36126CHO2CH2COCOCOOH2CH323OHCH2CHCHO2CH4H23392.0kJ2COOHCH2CHOHC2236126 2.無(wú)氧呼吸 是指以無(wú)機(jī)氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。 在反硝化作用中，受氫體為NO3-，可用下式所示：總反應(yīng)式： 在無(wú)氧呼吸過(guò)程中，供氫體和受氫體之

8、間也需要細(xì)胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，能量得以分級(jí)釋放，故無(wú)氧呼吸也產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。但由于有些能量隨著電子轉(zhuǎn)移至最終受氫體中，故釋放的能量不如好氧呼吸的多。24H6COO6HOHC226126O12H2N4NO24H2231755.6kJ2NO6H6CO4NOOHC22236126 好氧呼吸、無(wú)氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同， 如下表所示。呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸能量利用率42分子氧C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3kJ無(wú)氧呼吸無(wú)機(jī)物C6H12C6+4NO3 - 6CO2+6H2O+2N2+1755.6k

9、J發(fā)酵能量利用率26有機(jī)物C6H12C6 2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ好氧生物處理是在有游離氧（分子氧）存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無(wú)害化的處理方法。微生物利用廢水中存在的有機(jī)污染物（以溶解狀與膠體狀的為主），作為營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行好氧代謝。這些高能位的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的生化反應(yīng)，逐級(jí)釋放能量，最終以低能位的無(wú)機(jī)物質(zhì)穩(wěn)定下來(lái)，達(dá)到無(wú)害化的要求，以便返回自然環(huán)境或進(jìn)一步處置。廢水好氧生物處理的最終過(guò)程可用下圖表示。廢水的好氧生物處理 圖示表明，有機(jī)物被微生物攝取后，通過(guò)代謝活動(dòng)，約有1/3被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動(dòng)所需的能量；約有2/3被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)（細(xì)胞

10、質(zhì)），即進(jìn)行微生物自身生長(zhǎng)繁殖。好氧生物處理的反應(yīng)速度較快，所需的反應(yīng)時(shí)間較短，故處理構(gòu)筑物容積較小。且處理過(guò)程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對(duì)中、低濃度的有機(jī)廢水，或者說(shuō)BOD5濃度小于500mg/L的有機(jī)廢水，基本上采用好氧生物處理法。在廢水處理工程中，好氧生物處理法有活性污泥法和生物膜法兩大類。廢水的好氧生物處理 廢水的厭氧生物處理是在沒(méi)有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解和穩(wěn)定有機(jī)物的生物處理方法。在厭氧生物處理過(guò)程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化合物，同時(shí)釋放能量。 在這個(gè)過(guò)程中，有機(jī)物的轉(zhuǎn)化分為三部分進(jìn)行：部分轉(zhuǎn)化為CH4，這是一種可燃?xì)怏w，可回收利用；還有部分被分

11、解為CO2、H2O、NH3、H2S等無(wú)機(jī)物，并為細(xì)胞合成提供能量；少量有機(jī)物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分。由于僅少量有機(jī)物用于合成，故相對(duì)于好氧生物處理法，其污泥增長(zhǎng)率小得多。 由于廢水厭氧生物處理過(guò)程不需另加氧源，故運(yùn)行費(fèi)用低。此外，它還具有剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等優(yōu)點(diǎn)。 其主要缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容積大等。為維持較高的反應(yīng)速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源。 對(duì)于有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（一般BOD52000mg/L）可采用厭氧生物處理法。 廢水的厭氧生物處理第二節(jié) 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境微生物的生長(zhǎng)規(guī)律 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律一般是以生長(zhǎng)曲線來(lái)反

12、映。按微生物生長(zhǎng)速率，其生長(zhǎng)可分為四個(gè)生長(zhǎng)期停滯期（調(diào)整期）對(duì)數(shù)期（生長(zhǎng)旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期） 如果活性污泥被接種到與原來(lái)生長(zhǎng)條件不同的廢水中（營(yíng)養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運(yùn)行后再運(yùn)行，則可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過(guò)若干時(shí)間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。停滯期是否存在或停滯期的長(zhǎng)短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長(zhǎng)條件等因素有關(guān)。 當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機(jī)物濃度較高

13、，活性強(qiáng)沉淀不易，用濾紙過(guò)濾時(shí)，濾速很慢。 當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，污泥濃度較高時(shí)，污泥則有可能處于靜止期，處于靜止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上層液清澈，以濾紙過(guò)濾時(shí)濾速快。處理效果好的活性污泥法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。 當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，營(yíng)養(yǎng)物明顯不足時(shí)，則可能出現(xiàn)衰老期。處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，但有細(xì)小泥花，以濾紙過(guò)濾時(shí)，濾速快。 注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)。停 滯 期對(duì) 數(shù) 期靜 止 期衰 老 期 在污水生物處理過(guò)程中，如果條件適宜，活性污泥的增長(zhǎng)過(guò)程與純種單細(xì)胞微生物的增殖過(guò)程大體相仿。但由于活性污泥是多種微生物的混合群體, 其生長(zhǎng)

14、受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、pH、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響，因此，在處理構(gòu)筑物中通常僅出現(xiàn)生長(zhǎng)曲線中的某一兩個(gè)階段。處于不同階段時(shí)的污泥，其特性又很大的區(qū)別。 在廢水生物處理中，微生物是一個(gè)混合群體，它們也有一定的生長(zhǎng)規(guī)律。有機(jī)物多時(shí),以有機(jī)物為食料的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì),數(shù)量最多；當(dāng)細(xì)菌很多時(shí)，出現(xiàn)以細(xì)菌為食料的原生動(dòng)物;而后出現(xiàn)以細(xì)菌及原生動(dòng)物為食料的后生動(dòng)物，如右圖所示。 微生物要求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無(wú)機(jī)鹽及生長(zhǎng)因素。 微 生 物 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì)

15、 微生物的組成微生物組成水80干物質(zhì)20無(wú)機(jī)質(zhì)10有機(jī)物90C 53.1%,O 28.3%,N 12.4%,H 6.2%P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等細(xì)胞分子式：C5H7O2N(有機(jī)部分)細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷)一般估算營(yíng)養(yǎng)比例： BOD N P 100 5 1 (1)水：組成部分，代謝過(guò)程的溶劑。細(xì)菌約80%的成分為水分。 (2)碳源：碳素含量占細(xì)胞干物質(zhì)的50左右，碳源主要構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)、繁殖和運(yùn)動(dòng)所需要的能量，一般污水中含有足夠碳源。 (3)氮源：提供微生物合成細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。 (4

16、)無(wú)機(jī)元素：主要有磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素。作用：構(gòu)成細(xì)胞成分，酶的組成成分,維持酶的活性，調(diào)節(jié)滲透壓，提供自養(yǎng)型微生物的能源。 磷：核酸、磷脂、ATP轉(zhuǎn)化。硫：蛋白質(zhì)組成部分，好氧硫細(xì)菌能源。鉀：激活酶。鈣：穩(wěn)定細(xì)胞壁，激活酶。鎂：激活酶，葉綠素的重要組成部分 (5)生長(zhǎng)因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等。微生物的營(yíng)養(yǎng)各類微生物所生長(zhǎng)的溫度范圍不同，約為5 80 。此溫度范圍，可分為最低生長(zhǎng)溫度、最高生長(zhǎng)溫度和最適生長(zhǎng)溫度（是指微生物生長(zhǎng)速度最快時(shí)溫度）。依微生物適應(yīng)的溫度范圍，微生物可以分為中溫性（2045 ） 、好熱性（高溫性）（45以上）和好冷性（低溫性）（20以下）三類。當(dāng)溫度超過(guò)

17、最高生長(zhǎng)溫度時(shí)，會(huì)使微生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴(yán)重者可使微生物死亡。低溫會(huì)使微生物代謝活力降低，進(jìn)而處于生長(zhǎng)繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。 微 生 物 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動(dòng)物的pH適應(yīng)范圍是在410之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性（pH6.57.5）的環(huán)境。廢水生物處理過(guò)程中應(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。 微 生 物 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 影響微生物生長(zhǎng)的

18、環(huán)境因素微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 微 生 物 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以24mg/L為宜。微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 質(zhì) 微 生 物 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 影響微生物生長(zhǎng)的環(huán)境因素在工業(yè)廢水中，有時(shí)存在著對(duì)微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)在細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。在廢水生物處理時(shí)，對(duì)這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫 度 pH 值 溶 解 氧

19、 有 毒 物 質(zhì) 第三節(jié) 反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù) 生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。 污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應(yīng)速度。 生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)目前的研究?jī)?nèi)容： (1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系； (2)微生物增長(zhǎng)速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系； (3)反應(yīng)機(jī)理研究，從反應(yīng)物過(guò)渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。 生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來(lái)表示生化反應(yīng)速度。 圖中的生化反應(yīng)可以用下式表示： 即 該式反映了底物減少

20、速率和細(xì)胞增長(zhǎng)速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)重要規(guī)律。 反 應(yīng) 速 度 tytdXd1dSd SdXdyPXSzy tytdSddXd及式中：反應(yīng)系數(shù) 又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度A成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)對(duì)這種反應(yīng)物是一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物A、B的濃度A、B成正比時(shí)，或與一種反應(yīng)物A的濃度A的平方A2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與AB2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為三級(jí)反應(yīng)；也可稱這種反應(yīng)是A的一級(jí)反應(yīng)或B的二級(jí)反應(yīng)。在生化反應(yīng)過(guò)程中，底物的降解速度和反應(yīng)器中的底物濃度有關(guān)。 一般地：

21、aA+bB gG+hH如果測(cè)得反應(yīng)速度：vdcA/dt=kcAa cBba+b=n, n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 設(shè)生化反應(yīng)方程式為：現(xiàn)底物濃度S以S表示，則生化反應(yīng)速度： 式中：k反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異； n反應(yīng)級(jí)數(shù)。 上式亦可改寫為：該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)n。PXSzyknvlgSlglgntvSdSdnktvSdSd或lgvlgS 反應(yīng)速度不受反應(yīng)物濃度的影響時(shí)，稱這種反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)。在溫度不變的情況下，零級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度是常數(shù)。 對(duì)反應(yīng)物A而言，零級(jí)反應(yīng)：式中：v反應(yīng)速度； t反應(yīng)時(shí)間； k反應(yīng)速度常數(shù), 受溫度影響。 在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正

22、值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。ktkvddA，ktA0A 反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，稱這種反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物A而言，一級(jí)反應(yīng)： 式中：v 反應(yīng)速度； t反應(yīng)時(shí)間； k反應(yīng)速度常數(shù), 受溫度影響。 在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。AAddktkvA，tk3 . 2lglgA0A 反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。 對(duì)反應(yīng)物A而言，二級(jí)反應(yīng)：式中：v反應(yīng)速度； t反應(yīng)時(shí)間； k反應(yīng)速度常數(shù), 受溫度影響。 在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物A的量增加時(shí)，k為正值；在廢水生物處

23、理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。2A2AddktkvA，ktA0A11第四節(jié) 米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式 一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的。這種反應(yīng)亦可以說(shuō)是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。在有足夠底物又不受其他因素影響時(shí)，則酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時(shí)，這個(gè)反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，所有的酶全部與底物結(jié)合后，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，此時(shí)再增加底物的濃度對(duì)速度就無(wú)影響，是零級(jí)反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時(shí)所需的底

24、物濃度并不相同，甚至差異有時(shí)很大。濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響vmaxn=00n1n=1KS底物濃度底物濃度S1/2 vmax酶酶反反應(yīng)應(yīng)速速度度v 中間產(chǎn)物假說(shuō)： 酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行，即酶與底物先絡(luò)合成一個(gè)絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個(gè)絡(luò)合物再進(jìn)一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)酶，以下式表示：式中，S代表產(chǎn)物，E代表酶，ES代表酶產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），P代表產(chǎn)物。從上式可以看出，當(dāng)?shù)孜颯濃度較低時(shí)，只有一部分酶E和底物S形成酶-底物中間產(chǎn)物ES。此時(shí)，若增加底物濃度，則將有更多的中間產(chǎn)物形成，因而反應(yīng)速度亦隨之增加。當(dāng)?shù)孜餄舛群艽髸r(shí)，反應(yīng)體系中的酶分子已基本全部和底物結(jié)合成ES絡(luò)合物。此時(shí)，底物濃度雖再增加，但

25、無(wú)剩余的酶與之結(jié)合，故無(wú)更多的ES絡(luò)合物生成，因而反應(yīng)速度維持不變。EPESES321kkk 1913年前后，米歇里斯和門坦提出了表示整個(gè)反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系的式子，稱為米歇里斯門坦方程式，簡(jiǎn)稱米氏方程式，即：式中:v酶促反應(yīng)速度；vmax最大酶反應(yīng)速度； S底物濃度； Km米氏常數(shù)。 此式表明，當(dāng)Km和vmax已知時(shí)，酶反應(yīng)速度與酶底物濃度之間的定量關(guān)系。 由上式得： 該式表明，當(dāng)vmax/v=2或v=1/2vmax時(shí)，Km=S，即Km是v=1/2vmax時(shí)的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。 SmSmaxSmSmaxKvKvv) 1(maxSmvvK 米 氏 方 程 式 SsSm

26、axKvv 當(dāng)?shù)孜餄舛萐很大時(shí)，SKm，Km+SS，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即v=vmax,呈零級(jí)反應(yīng)，在這種情況下，只有增大底物濃度，才有可能提高反應(yīng)速度。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過(guò)試驗(yàn)，得出底物降解速度和底物濃度之間的關(guān)系式，類同米氏方程式，如下：式中：Ks為飽和常數(shù)，即當(dāng)時(shí)的底物的濃度，故又稱半速度常數(shù)。SmmaxKvv 當(dāng)?shù)孜餄舛萐較小時(shí)，SKm，Km+S=Km，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即 呈一級(jí)反應(yīng)。此時(shí)，增加底物濃度可以提高酶反應(yīng)的速度。但隨著底物濃度的增加，酶反應(yīng)速度不再按正比例關(guān)系上升，呈混合級(jí)反應(yīng)。 米 氏 常 數(shù) 的 意 義 米氏常數(shù)

27、Km是酶反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡即穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡常數(shù)。具有重要物理意義：Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃度無(wú)關(guān)。不同的酶，Km值不同。如果一個(gè)酶有幾種底物，則對(duì)每一種底物，各有一個(gè)特定的Km。并且，Km值不受pH及溫度的影響。因此，Km值作為常數(shù)，只是對(duì)一定的底物、pH及溫度條件而言。測(cè)定酶的Km值，可以作為鑒別酶的一種手段，但必須在指定的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。同一種酶有幾種底物就有幾個(gè)Km值。其Km值最小的底物，一般稱為該酶的最適底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底物。1/Km可以近似地反映酶對(duì)底物親和力的大小，1/Km愈大，表明親和力越大，最適底物與酶的親和力最大，不需很高的底物濃

28、度，就可較易地達(dá)到vmax。 米 氏 常 數(shù) 的 測(cè) 定 對(duì)于一個(gè)酶促反應(yīng)，Km值的確定方法很多。實(shí)驗(yàn)中即使使用很高的底物濃度，也只能得到近似的vmax值，而達(dá)不到真正的vmax值，因而也測(cè)不到準(zhǔn)確的Km值。為了得到準(zhǔn)確的Km值，可以把米氏方程的形式加以改變，使它成為直線方程式的形式，然后用圖解法定出Km值。 目前，一般用的圖解求Km值法為蘭微福布克作圖法或稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程改寫成如下的形式，即： 實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇不同的S，測(cè)定對(duì)應(yīng)的v。求出兩者的倒數(shù)，作圖即可得出如下圖的直線。量取直線在兩坐標(biāo)軸上的截距1/vmax和 -1/Km ，就可以求出Km及vmax。maxSmaxm111v

29、vKv 米 氏 常 數(shù) 的 測(cè) 定 第五節(jié) 莫諾特（Monod）方程式 微生物增長(zhǎng)速度和微生物本身的濃度、底物濃度之間的關(guān)系是廢水生物處理中的一個(gè)重要課題。有多種模式反映這一關(guān)系。當(dāng)前公認(rèn)的是莫諾特方程式： 式中：S限制微生物增長(zhǎng)的底物濃度，mg/L； 微生物比增長(zhǎng)速度，即單位生物量的增長(zhǎng)速度。式中：X微生物濃度，mg/L； max 的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物 的增長(zhǎng)速度時(shí)的值； KS飽和常數(shù)。 sssmaxkXXd/dtsssmaxkvmaxn=00n1n=1KS底物濃度底物濃度S1/2 vmax酶酶反反應(yīng)應(yīng)速速度度v 在一切生化反應(yīng)中，微生物的增長(zhǎng)是底物降解的結(jié)果，彼此之間存在著一個(gè)定量關(guān)系?，F(xiàn)如以dS（微反應(yīng)時(shí)段dt內(nèi)的底物消耗量）和d X（dt內(nèi)的微生物增長(zhǎng)量）之間的比例關(guān)系值，通過(guò)下式表示之： 式中： Y 產(chǎn)率系數(shù)； X 微生物濃度； 微生物增長(zhǎng)速度； 微生物比增長(zhǎng)速度；底物降解速度；底物比降解速度?；蚧騍XddYSXSXd/dd/dvvttYqXvYS/SXXtvddXXtvddSSXXvXSvq以及代入式得：式中：q和qmax為底物的比降解速度及其最大值；s為底物濃度；Ks為飽和常數(shù)。Y qmaxmaxY q目前廢水生物處理工程中常用的兩個(gè)基本反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式sssmaxkSS