水污染控制工程1-5(11)

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)第一節(jié) 概述概述 污水生物處理方法是建立在環(huán)境自凈作用基礎(chǔ)污水生物處理方法是建立在環(huán)境自凈作用基礎(chǔ)上的上的人工強(qiáng)化技術(shù)人工強(qiáng)化技術(shù)，可創(chuàng)造出有利于微生物生長(zhǎng)繁，可創(chuàng)造出有利于微生物生長(zhǎng)繁殖的良好環(huán)境，增強(qiáng)微生物殖的良好環(huán)境，增強(qiáng)微生物的代謝功能，促進(jìn)微生物的的代謝功能，促進(jìn)微生物的增殖，加速有機(jī)物的無機(jī)化，增殖，加速有機(jī)物的無機(jī)化，增進(jìn)污水的凈化進(jìn)程。增進(jìn)污水的凈化進(jìn)程。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述好氧生物處理好氧生物處理缺氧生物處理缺氧生物處理厭氧生物處理厭氧生物處理對(duì)溶解氧的需求對(duì)溶解氧的需求懸浮生長(zhǎng)法懸浮生長(zhǎng)法附著生長(zhǎng)法附著生長(zhǎng)法微生物

2、的生長(zhǎng)方式微生物的生長(zhǎng)方式第二節(jié) 廢水生物處理基本原理污水生物處理的基本原理 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)化和交換的過程。 底物：污水中可被微生物通過酶的催化作用而進(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：可通過生物的降解轉(zhuǎn)化的有機(jī)物量。 可生物降解底物量：包括有機(jī)的和無機(jī)的可生物利用物質(zhì)。 污水生物處理是微生物在酶的催化作用下，利用微生物的新陳代謝功能，對(duì)污水中的污染物質(zhì)進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化。新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)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

3、謝 分解代謝：分解復(fù)雜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，并釋放出能量。 合成代謝：通過一系列的生化反應(yīng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的細(xì)胞成分，制造自身。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磷酸根+新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)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 分解代謝：分解復(fù)雜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降解高能化合物，并釋放出能量。 合成代謝：通過一系列的生化反應(yīng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的細(xì)胞

4、成分，制造自身。 有機(jī)物底物的分解（生物氧化）主要以脫氫（包括失電子）方式實(shí)現(xiàn)，底物氧化后脫下的氫可表示為：發(fā)酵呼吸缺氧呼吸好氧呼吸根據(jù)最終電子受體的不同根據(jù)最終電子受體的不同+-2H2H +2e第二節(jié) 廢水生物處理基本原理一、發(fā)酵與呼吸 指微生物將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全指微生物將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物。氧化的某種中間產(chǎn)物。最終電子受體無需外加，就是來源于初最終電子受體無需外加，就是來源于初始發(fā)酵的分解代謝產(chǎn)物。始發(fā)酵的分解代謝產(chǎn)物。 這種這種生物氧化作用不徹底生物氧化作用不徹底，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比原，最終形成的還原性產(chǎn)物，是比

5、原來底物簡(jiǎn)單的有機(jī)物，來底物簡(jiǎn)單的有機(jī)物，在反應(yīng)過程中，釋放的能量較少，在反應(yīng)過程中，釋放的能量較少，故厭故厭氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)過程中，為了滿足能量的需要，消耗氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)過程中，為了滿足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的發(fā)酵過程：例如，葡萄糖的發(fā)酵過程：總反應(yīng)式：總反應(yīng)式：+61263C H O2CH COCOOH 4H4eCHO2CH2COCOCOOH2CH323+3324H42CH CHO2CH CH OHe92.0kJ2COOHCH2CHOHC2236126 （一） 發(fā)酵 （二） 呼 吸 微生物在降解底物的過程中，將釋放出

6、的電子交給電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放能量的過程，稱為呼吸作用。 好氧呼吸：最終電子受體為分子氧 缺氧呼吸： 最終電子受體為化合態(tài)氧 發(fā)酵與呼吸的區(qū)別？發(fā)酵與呼吸的區(qū)別？異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物 異養(yǎng)型微生物以異養(yǎng)型微生物以有機(jī)物為底物（電子供體），有機(jī)物為底物（電子供體），其終點(diǎn)產(chǎn)物為其終點(diǎn)產(chǎn)物為二氧化碳、氨和水等無機(jī)物，同時(shí)放出能量。如下式所示：二氧化碳、氨和水等無機(jī)物，同時(shí)放出能量。如下式所示： 有機(jī)廢水的好氧生物處理，如活性污泥法、生物膜法、污泥有機(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。的好氧消化

7、等屬于這種類型的呼吸。2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14ONOHC4222729111、好氧呼吸 2.自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物 自養(yǎng)型微生物以自養(yǎng)型微生物以無機(jī)物為底物（電子供體），無機(jī)物為底物（電子供體），其終點(diǎn)產(chǎn)物也其終點(diǎn)產(chǎn)物也是無機(jī)物，同時(shí)放出能量。是無機(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)道存在該式所示的生化反應(yīng)生物脫氮工藝中的生物生物脫氮工藝中的生物硝化過程硝化過程1、好氧呼吸 以以化合態(tài)氧化物化合態(tài)氧化物，如，如NONO3

8、3- -，NONO2 2- -，SOSO4 42-2-，S S2 2OO3 32-2-，COCO2 2等等代替分子氧，作為最終電子受體的生物氧化作用。代替分子氧，作為最終電子受體的生物氧化作用。 如在反硝化作用中，電子受體為如在反硝化作用中，電子受體為NONO3 3- -。 缺氧呼吸過程也需要細(xì)胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有缺氧呼吸過程也需要細(xì)胞色素等中間電子傳遞體，并伴隨有磷酸化作用，磷酸化作用，底物可被徹底氧化底物可被徹底氧化，能量得以分級(jí)釋放，故無氧呼，能量得以分級(jí)釋放，故無氧呼吸也產(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)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

9、子轉(zhuǎn)移至最終電子受體，移至最終電子受體，故釋放的能量不如好氧呼吸的多。故釋放的能量不如好氧呼吸的多。2、缺氧呼吸 好氧呼吸、缺氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同， 如下表所示。呼吸方式最終電子受體產(chǎn)能結(jié)果好氧呼吸分子氧2817.3 kJ缺氧呼吸化合態(tài)氧1755.6 kJ發(fā)酵有機(jī)物92 kJ第二節(jié) 廢水生物處理基本原理二、好氧生物處理好氧生物處理是在有好氧生物處理是在有游離氧（分子氧）游離氧（分子氧）存在的條件下，好氧存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。廢水好氧生物處理的最終過程廢水好氧生物處理的最終過程二、廢水

10、的好氧生物處理有機(jī)物被微生物攝取后，通有機(jī)物被微生物攝取后，通過代謝活動(dòng)，約有過代謝活動(dòng)，約有1/3被分被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活解、穩(wěn)定，并提供其生理活動(dòng)所需的能量；約有動(dòng)所需的能量；約有2/3被被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)），即進(jìn)行微生物（細(xì)胞質(zhì)），即進(jìn)行微生物自身生長(zhǎng)繁殖。自身生長(zhǎng)繁殖。有機(jī)物有機(jī)物 + 氧氧 +微生物微生物好氧生物處理的反應(yīng)速度較快，所需的反應(yīng)時(shí)間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。且處理過程中散較短，故處理構(gòu)筑物容積較小。且處理過程中散發(fā)的臭氣較少。所以，目前對(duì)中、低濃度的有機(jī)發(fā)的臭氣較少。所以，目前對(duì)中、

11、低濃度的有機(jī)廢水，或者說廢水，或者說BOD5濃度小于濃度小于500mg/L的有機(jī)廢水，的有機(jī)廢水，基本上采用好氧生物處理法。基本上采用好氧生物處理法。在廢水處理工程中，好氧生物處理法有在廢水處理工程中，好氧生物處理法有活性污泥活性污泥法法和和生物膜法生物膜法兩大類。兩大類。二、廢水的好氧生物處理二、廢水的好氧生物處理第二節(jié) 廢水生物處理基本原理三、厭氧生物處理 廢水的厭氧生物處理是在廢水的厭氧生物處理是在沒有分子氧及化合態(tài)氧存在沒有分子氧及化合態(tài)氧存在的條件下，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。在厭氧生物處理過程

12、中，復(fù)雜的有機(jī)化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化合生物處理過程中，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。物，同時(shí)釋放能量。 厭氧生物處理過程厭氧生物處理過程由于僅少量有機(jī)由于僅少量有機(jī)物用于合成，故物用于合成，故相對(duì)于好氧生物相對(duì)于好氧生物處理法，其污泥處理法，其污泥增長(zhǎng)率小得多。增長(zhǎng)率小得多。三、廢水的厭氧生物處理有機(jī)物有機(jī)物 +微生物微生物 由于廢水厭氧生物處理過程不需另加氧源，故由于廢水厭氧生物處理過程不需另加氧源，故運(yùn)行費(fèi)用低運(yùn)行費(fèi)用低。此外，它還具有此外，它還具有剩余污泥量少、可回收能量（剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 主要缺點(diǎn)是主要缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較

13、慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容積大積大等。為維持較高的反應(yīng)速度，需等。為維持較高的反應(yīng)速度，需維持較高的溫度維持較高的溫度，就要消，就要消耗能源。耗能源。 對(duì)于對(duì)于有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（一般有機(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。可采用厭氧生物處理法。 三、廢水的厭氧生物處理第三節(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)曲線來反映。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）穩(wěn)定期（減速增長(zhǎng)期）衰老期（衰亡期） 如果活性污泥被接種到與原來生長(zhǎng)條件不

14、同的廢水中（營(yíng)養(yǎng)類型發(fā)生變化，如果活性污泥被接種到與原來生長(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)過若干時(shí)間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干時(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)。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

15、養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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，活性強(qiáng)沉淀不易，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，活性強(qiáng)沉淀不易，用濾紙過濾時(shí)，濾速很慢。用濾紙過濾時(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，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

16、，以濾紙過濾時(shí)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。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，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，以濾紙過濾時(shí)，濾速快。以濾紙過濾時(shí)，濾速快。 注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)。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

17、 老 期 在污水生物處理過程中，如果條件適宜，活性污泥的增長(zhǎng)過在污水生物處理過程中，如果條件適宜，活性污泥的增長(zhǎng)過程與純種單細(xì)胞微生物的增殖過程大體相仿。但由于活性污泥程與純種單細(xì)胞微生物的增殖過程大體相仿。但由于活性污泥是多種微生物的混合群體是多種微生物的混合群體, , 其生長(zhǎng)受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、其生長(zhǎng)受廢水性質(zhì)、濃度、水溫、pHpH、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響，因此，在處理構(gòu)筑物中、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，其特性有很大的區(qū)別。泥，其特性有很大的區(qū)別。

18、在廢水生物處理中，微生物在廢水生物處理中，微生物是一個(gè)混合群體，它們也有一是一個(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)定的生長(zhǎng)規(guī)律。有機(jī)物多時(shí), ,以以有機(jī)物為食料的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)有機(jī)物為食料的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì), ,數(shù)數(shù)量最多；當(dāng)細(xì)菌很多時(shí)，出現(xiàn)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)物以細(xì)菌為食料的原生動(dòng)物; ;而后而后出現(xiàn)以細(xì)菌及原生動(dòng)物為食料出現(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。的后生動(dòng)物，如右圖所示。 為了獲得既具有較強(qiáng)氧化和吸附有機(jī)物的能力，又有良好沉降性能的活性污泥，在實(shí)際中常將活性污泥控制在穩(wěn)定期末期和衰亡期初期。 微生物要求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須包括微生物要求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必

19、須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，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、主要有：水、碳素營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無機(jī)鹽及生長(zhǎng)因素。無機(jī)鹽及生長(zhǎng)因素。BOD5:N:P=100:5:1 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) 一般好氧處理多屬中溫微生物，一般好氧處理多屬中溫微生物，最適溫度范圍為最適溫度范圍為2037；厭氧處理常；厭氧處理常用中溫和高溫兩種類型微生物，厭氧中用中溫和高溫兩種類型微生物，厭氧中溫消化常用溫度為溫消化常用溫度為3338，高溫消化，高溫消化常用常用5257。 大多

20、數(shù)細(xì)菌適宜中偏堿環(huán)境，活大多數(shù)細(xì)菌適宜中偏堿環(huán)境，活性污泥法曝氣池中的最適性污泥法曝氣池中的最適pH值為值為6.58.5。 好氧處理以好氧處理以23mg/L為宜；厭氧為宜；厭氧反硝化控制在反硝化控制在0.5mg/L以下，厭氧磷釋以下，厭氧磷釋要求放低于要求放低于0.3mg/L。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。第四節(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

21、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)物實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)

22、速度與一種反應(yīng)物A A的濃度的濃度S SA A成正比時(shí)，稱這種成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)對(duì)這種反應(yīng)物是一級(jí)反應(yīng)。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)物實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物A A、B B的濃度的濃度S SA A、S SB B成正比時(shí)，成正比時(shí)，或與一種反應(yīng)物或與一種反應(yīng)物A A的濃度的濃度S SA A的平方的平方S SA A2 2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。二級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與S SA AS SB B2 2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為三級(jí)反應(yīng)；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)是也可稱這種反應(yīng)是A A的一級(jí)反應(yīng)或的一級(jí)

23、反應(yīng)或B B的二級(jí)反應(yīng)。的二級(jí)反應(yīng)。在生化反應(yīng)過程中，底物的降解速度和反應(yīng)器中的底物濃度在生化反應(yīng)過程中，底物的降解速度和反應(yīng)器中的底物濃度有關(guān)。有關(guān)。 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)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)。反應(yīng)。在溫度不變的情況下，零級(jí)反應(yīng)

24、的反應(yīng)速度是常數(shù)。 對(duì)反應(yīng)物對(duì)反應(yīng)物A A而言，零級(jí)反應(yīng)：而言，零級(jí)反應(yīng)：式中式中：v v反應(yīng)速度；反應(yīng)速度； t t反應(yīng)時(shí)間；反應(yīng)時(shí)間； k k反應(yīng)速度常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù), , 受溫度影響。受溫度影響。 在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A A的量增加時(shí)，的量增加時(shí)，k k為正值；在廢水為正值；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。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。ktSkvddA，AA0SSkt+ 反應(yīng)速度反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，與反應(yīng)物濃度的一次方成正比關(guān)系，稱這種反應(yīng)稱這種反應(yīng)為為一一級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物級(jí)反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)物A A而言，一級(jí)反應(yīng)

25、：而言，一級(jí)反應(yīng)： 式中式中：v v 反應(yīng)速度；反應(yīng)速度； t t反應(yīng)時(shí)間；反應(yīng)時(shí)間； k k反應(yīng)速度常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù), , 受溫度影響。受溫度影響。 在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A A的量增加時(shí)，的量增加時(shí)，k k為正值；在廢水生為正值；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。物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。AAddkStSkSvA，AA0lglg2.3kSSt+ 反應(yīng)速度反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，與反應(yīng)物濃度的二次方成正比，稱這種反應(yīng)為稱這種反應(yīng)為二二級(jí)反應(yīng)。級(jí)反應(yīng)。 對(duì)反應(yīng)物對(duì)反應(yīng)物A A而言，二級(jí)反應(yīng)：而言，二級(jí)反應(yīng)：式中式中：v v反

26、應(yīng)速度；反應(yīng)速度； t t反應(yīng)時(shí)間；反應(yīng)時(shí)間； k k反應(yīng)速度常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù), , 受溫度影響。受溫度影響。 在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A A的量增加時(shí)，的量增加時(shí)，k k為正值；在廢水生為正值；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。物處理中，有機(jī)污染物逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。2A2kStSkSvAAdd，AA011ktSS第五節(jié) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)一、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)亦可以說是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促種反應(yīng)亦可以說是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)

27、。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pHpH、溫度、反應(yīng)、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。 中間產(chǎn)物假說：中間產(chǎn)物假說： 酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行，即酶與底物先絡(luò)合酶促反應(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：和游離態(tài)酶，以下式表示：式中，式中，S S代表產(chǎn)物，代表產(chǎn)物，E E代表酶，代表酶，ESES代表酶產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)代表酶產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），合物），P P代表產(chǎn)物。代表產(chǎn)物。從上式可以看出，當(dāng)?shù)孜飶?/p>

28、上式可以看出，當(dāng)?shù)孜颯 S濃度較低時(shí)，只有一部分酶濃度較低時(shí)，只有一部分酶E E和底和底物物S S形成酶形成酶- -底物中間產(chǎn)物底物中間產(chǎn)物ESES。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。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)合成結(jié)合成ESES絡(luò)合物。絡(luò)合物。此時(shí)，底物濃度雖再增加，但無剩余的酶與之結(jié)合，故無更此時(shí)，底物濃度雖再增加，但無剩余的酶與之結(jié)合，故無更多的多的ESES絡(luò)合物生成，因而反應(yīng)速度維持不變。絡(luò)合物生成，

29、因而反應(yīng)速度維持不變。EPESES321kkk 1913 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：程式，簡(jiǎn)稱米氏方程式，即：式中式中: :v v酶促反應(yīng)速度；酶促反應(yīng)速度；v vmaxmax最大酶反應(yīng)速度；最大酶反應(yīng)速度； S S底物濃度；底物濃度； K Kmm米氏常數(shù)。米氏常數(shù)。 此式表明，當(dāng)此式表明，當(dāng)K Kmm和和v vmaxmax已知時(shí)，酶反應(yīng)速度與酶底物濃度已知時(shí)，酶反應(yīng)速度與酶底物濃度之間的定量

30、關(guān)系。之間的定量關(guān)系。 由上式得：由上式得： 該式表明，當(dāng)該式表明，當(dāng)v vmaxmax/ /v v=2=2或或v v=1/2=1/2v vmaxmax時(shí)，時(shí)，K Kmm=S S，即即K Kmm是是v v=1/2=1/2v vmaxmax時(shí)時(shí)的的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。 SmSmaxSmSmaxKvKvv) 1(maxSmvvK 米 氏 方 程 式 當(dāng)?shù)孜餄舛犬?dāng)?shù)孜餄舛萐 S很大時(shí)，很大時(shí)，S SK Kmm，K Kmm+ +S SS S，酶反應(yīng)速度達(dá)到，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即最大值，即v=vv=vmaxmax, ,呈零級(jí)反應(yīng)呈零級(jí)反應(yīng)。 當(dāng)?shù)孜餄舛犬?dāng)?shù)孜餄舛萐

31、 S較小時(shí)，較小時(shí)，S SK Kmm，K Kmm+ +S S=K Kmm，酶反應(yīng)速，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即度和底物濃度成正比例關(guān)系，即 呈一級(jí)反應(yīng)。此呈一級(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)。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)。SKvvmmaxvmaxn=00n1n=1Km底物濃度底物濃度S1/2 vmax酶酶反反應(yīng)應(yīng)速速度度v 米 氏 常 數(shù) 的 意 義 米氏常數(shù)米氏常數(shù)K Kmm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)。是酶反應(yīng)處于

32、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：具有重要物理意義：K Kmm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)，而與酶的濃度無關(guān)。不同的酶，度無關(guān)。不同的酶，K Kmm值不同。如果一個(gè)酶有幾種底物，則對(duì)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)特定的每一種底物，各有一個(gè)特定的K Kmm。因此，。因此，K Kmm值作為常數(shù)，只是值作為常數(shù)，只是對(duì)一定的底物、對(duì)一定的底物、p pH H及溫度條件而言。測(cè)定酶的及溫度條件而言。測(cè)定酶的K Kmm值，可以作為值，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。鑒別酶的一種手段，但必

33、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)同一種酶有幾種底物就有幾個(gè)K Kmm值。其值。其K Kmm值最小的底物，一值最小的底物，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。物。1/ 1/K Kmm可以近似地反映酶對(duì)底物親和力的大小，可以近似地反映酶對(duì)底物親和力的大小，1/ 1/K Kmm愈大，表愈大，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，不需很高的底物濃度，就可較易地達(dá)到濃度，就可較易地達(dá)到v vmamax x。 米 氏 常 數(shù) 的 測(cè) 定 對(duì)于一個(gè)酶促反

34、應(yīng)對(duì)于一個(gè)酶促反應(yīng)，K Kmm值的確定方法很多。實(shí)驗(yàn)中即使使值的確定方法很多。實(shí)驗(yàn)中即使使用很高的底物濃度，也只能得到近似的用很高的底物濃度，也只能得到近似的v vmaxmax值，而達(dá)不到真正值，而達(dá)不到真正的的v vmaxmax值值，因而也測(cè)不到準(zhǔn)確的因而也測(cè)不到準(zhǔn)確的K Kmm值值。為了得到準(zhǔn)確的為了得到準(zhǔn)確的K Kmm值，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，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，然后用圖解法定出然后用圖解法定出K Kmm值。值。 目前，一般用的圖解求目前，一般用的圖解求K Kmm值法為蘭微福布克作圖法或稱值法為蘭微福布克作圖法或稱

35、雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程改寫成如下的形式，即：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)，選擇不同的實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇不同的S S，測(cè)定對(duì)應(yīng)的，測(cè)定對(duì)應(yīng)的v v。求出兩者的倒數(shù)。求出兩者的倒數(shù)，作作圖即可得出如圖即可得出如下下圖的直線。量取直線在兩坐標(biāo)軸上的截距圖的直線。量取直線在兩坐標(biāo)軸上的截距1/ 1/v vmaxmax和和 -1/-1/K Kmm ，就可以求出，就可以求出K Kmm及及v vmaxmax。maxmaxm111vSvKv 米 氏 常 數(shù) 的 測(cè) 定 第五節(jié) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)二、莫諾特（Monod）方程式 式中：式中：X X微生物濃度，微生物濃度，mg/Lm

36、g/L； 微生物比增長(zhǎng)速度，即單位生物量的增長(zhǎng)速度。微生物比增長(zhǎng)速度，即單位生物量的增長(zhǎng)速度。 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。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：當(dāng)前公認(rèn)的是莫諾特方程式： 式中：式中：S S 限制微生物增長(zhǎng)的底物濃度，限制微生物增長(zhǎng)的底物濃度，mg/Lmg/L； maxmax 的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物 的增長(zhǎng)速度時(shí)的的增長(zhǎng)速度時(shí)的值；值； K KS S

37、 飽和常數(shù)。飽和常數(shù)。 SkSsmaxd/ dXtXSkSsmaxvmaxn=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vmaxmaxS111SK例：設(shè)在完全混合反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)流微生物生例：設(shè)在完全混合反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)流微生物生長(zhǎng)試驗(yàn)，反應(yīng)溫度為長(zhǎng)試驗(yàn)，反應(yīng)溫度為2020，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：試根，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：試根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果定出據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果定出K Ks s和和maxmax值，以及值，以及S S關(guān)系式。關(guān)系式。 例：設(shè)在完全混合反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)流微生物例：設(shè)在完全混合反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)流微生物生長(zhǎng)試驗(yàn)，反應(yīng)溫度為生長(zhǎng)試驗(yàn)，反應(yīng)溫度為2020，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：試根，實(shí)

38、驗(yàn)結(jié)果如下：試根據(jù)右式實(shí)驗(yàn)結(jié)果定出據(jù)右式實(shí)驗(yàn)結(jié)果定出K Ks s和和maxmax值，以及值，以及S S關(guān)系關(guān)系式。式。 解：根據(jù)莫諾特方程式解：根據(jù)莫諾特方程式S S的關(guān)系式為：的關(guān)系式為： 圖中直線方程為：圖中直線方程為：據(jù)以上整理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作 關(guān)系圖，得：s11或sssmaxkmaxSmaxS1)1(1Ks1110.26()0.985ss10.260.985第五節(jié) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)三、底物利用速率 污水處理領(lǐng)域中，底物的利用或降解速率比微污水處理領(lǐng)域中，底物的利用或降解速率比微生物量的增長(zhǎng)速率更為重要和實(shí)用。生物量的增長(zhǎng)速率更為重要和實(shí)用。 底物利用速率與微生物群體濃度成正比，即：底物利

39、用速率與微生物群體濃度成正比，即：式中：式中： 底物利用（降解）速率；底物利用（降解）速率； X X 微生物濃度微生物濃度 r 比例常數(shù)，及比底物利用速率。比例常數(shù)，及比底物利用速率。 SXddrtSdd t 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。現(xiàn)如以間存在著一個(gè)定量關(guān)系?，F(xiàn)如以d dS S（微反應(yīng)時(shí)段（微反應(yīng)時(shí)段d dt t內(nèi)的底物消內(nèi)的底物消耗量）和耗量）和d dX X（d dt t內(nèi)的微生物增長(zhǎng)量）之間的比例關(guān)系值，通過內(nèi)的微生物增長(zhǎng)量）之間的比例關(guān)系值，通過下式表示之：下式表示之： 式中：式中

40、： Y Y 產(chǎn)率系數(shù)；產(chǎn)率系數(shù)； X X 微生物濃度；微生物濃度； 微生物增長(zhǎng)速度；微生物增長(zhǎng)速度； 微生物比增長(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/dvvttYXXS/XvYvrtvddXXtvddSSXXvXSvr以及以及代入式代入式得勞得勞- -麥方程：麥方程：式中：式中：r r和和r rmaxmax為底物的比降解速度及其最大值；為底物的比降解速度及其最大值；s s為底物為底物濃度；濃度；K Ks s為飽和常數(shù)。為飽和常數(shù)。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sssmaxkSSmaxKrrs由式或或SXddYSXSXd/dd/dvvttYrXvYS/SXXYrYrmaxmax第五節(jié) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)四、微生物增長(zhǎng)與有機(jī)底物降解 1951 1951年由霍克來金年由霍克來金(Heukelekian)(Heukelekian)等人提出了：等人提出了：微生物增長(zhǎng)的基本方程微生物增長(zhǎng)的基本方程 微生物增長(zhǎng)與底物降