第三章污水生物處理及生化動力學基礎(chǔ)

1、第第三三章章 污水生物處理及生化動力學基礎(chǔ) 主要內(nèi)容n廢水的好氧生物處理與厭氧生物處理n微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境n反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)n米-門方程n莫諾特方程n廢水生物處理工程的基本數(shù)學模式 分解代謝（異化）：微生物在利用底物的過程中，一部分底物在酶的催化作用下降解并同時釋放出能量的過程，也稱生物氧化。 合成代謝（同化）：微生物利用另一部分底物或分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，在合成酶的作用下合成微生物細胞的過程。 依據(jù)電子受體不同，分解代謝可分為發(fā)酵發(fā)酵和呼吸呼吸兩種類型。呼吸又可分為好氧呼吸好氧呼吸和缺氧呼吸缺氧呼吸。3.1 廢水的好氧與厭氧生物處理好氧呼吸好氧呼吸是在分子氧分子氧參與下的生

2、物氧化，反應(yīng)的最終受氫體(電子受體）是分子氧分子氧，包括脫氫和氧化脫氫和氧化兩個過程。缺氧呼吸缺氧呼吸是在無分子氧無分子氧的情況下進行的生物氧化，只只有脫氫過程，沒有氧化過程有脫氫過程，沒有氧化過程，受氫體不是分子氧分子氧，而是一些簡單的有機物或無機物（氧化型化合物）。 發(fā)酵發(fā)酵：微生物將有機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，同時釋放能量并產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物。這種生物氧化作用不徹底，釋放的能量較少，如葡萄糖發(fā)酵為乙醇。C6H12O62CH3CH2OH + 2CO2 + 能量(92.0kJ)好氧呼吸異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物，以有機物為底物（電子供體），其終點產(chǎn)物為二氧化碳

3、、銨和水等無機物，同時放出能量，如下式：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量(2817.3kJ)C11H29O7N+14O2+H11CO2+13H2O+NH4+能量自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物，以無機物為底物（電子供體），其終點產(chǎn)物也是無機物，同時放出能量，如下式：NH4+2O2NO3- +2H+H2O+能量缺氧呼吸缺氧呼吸缺氧呼吸：指以無機氧化物代替分子氧，如NO-3,NO-2,SO42-,CO2作為最終電子受體的生物氧化作用，如在反硝化作用中，受氫體為NO-2和NO-3。C6H12O6 + 4 NO-36CO2 + 6H2O+2N2+能量(1755.6kJ)廢水的好氧處理好氧生物處理

4、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物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。好氧生物處理反應(yīng)速度快，時間短，處理構(gòu)筑物容積小，適宜于處理中低濃度的有機廢水（BOD52000mg/L）。 厭氧生物處理厭氧生物處理是在沒有氧（分子氧）的條件下，兼性細菌和厭氧細菌降解和穩(wěn)定有機物的處理方法。3.2 微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境 微生物的生長曲線分為四個時期微生物的生長曲線分為四個時期：延遲期（適應(yīng)期）：增長非常緩慢對數(shù)增長期：呈指數(shù)式增長穩(wěn)定期（減速增長期）：停止增長衰亡期：逐漸死亡3.2 微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境污水生物處理過程中微生物種類污水生物處理過程中微生物種類組成：組

5、成：細菌、真菌、藻類、原生動物和后生動物它們的營養(yǎng)關(guān)系：它們的營養(yǎng)關(guān)系：細菌和真菌以水中的有機物、氮和磷等為營養(yǎng)進行有氧和無氧呼吸合成自身細胞。藻類利用CO2和水中氮、磷進行光合作用合成自身細胞并向水體提供O2。藻類的細胞死亡后成為菌類繁殖的營養(yǎng)。原生動物吞食水中固態(tài)有機物、菌類和藻類。后生動物捕食水中固體有機物、菌類、藻類和原生動物。3.2 微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境微生物生長環(huán)境微生物生長環(huán)境：營養(yǎng)營養(yǎng) 營養(yǎng)是微生物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，好氧微生物要求碳氮磷比為BOD5：N：P：=100：5：1。溫度溫度 根據(jù)適應(yīng)溫度范圍，微生物可分為溫性(好冷性)、中溫性和高溫性(好熱性)三類。低溫性微生物的

6、生長溫度為20以下，中溫性微生物的生長溫度為2045，高溫性微生物的生長溫度為45以上。在適宜的溫度范圍內(nèi)，每升高10，生化反應(yīng)速度就提高12倍。 pHpH值值 不同的微生物具有不同的pH值適應(yīng)范圍。細菌、放線菌、藻類和原生動物的pH值適應(yīng)范圍是pH：410。酵母菌和霉菌的最適pH：3.06.0。3.2 微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境微生物生長環(huán)境微生物生長環(huán)境：溶解氧溶解氧 好氧微生物的代謝過程以分子氧為受氫體，并參與部分物質(zhì)的合成。進行好氧生物處理時，要保持一定濃度的溶解氧。厭氧微生物在有氧條件下生成H2O2，但沒有能分解H2O2的酶而被其殺死。所以，在厭氧生物處理反應(yīng)器中不能有分子氧存在。其

7、他氧化態(tài)物質(zhì)如SO42-、NO3-、PO42-和Fe3+等也會對厭氧生物處理產(chǎn)生影響，應(yīng)控制它們的濃度。有毒物質(zhì)有毒物質(zhì) 對微生物有抑制和毒害作用的化學物質(zhì)叫有毒物質(zhì)。它能破壞細胞的結(jié)構(gòu)，使酶變性而失去活性。3.3 反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)生物化學反應(yīng)生物化學反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學反應(yīng)。反應(yīng)速度反應(yīng)速度：在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時間里底物底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時間里底物底物的減少或細胞細胞的增加來表示生化反應(yīng)速度。dtSdydtXd底物（S）細胞(X)最終產(chǎn)物(P)合成分解dtXdydtSd1反應(yīng)系數(shù)：y=dX/dS，稱為產(chǎn)率系數(shù)，m

8、g（生物量）/mg降解的底物反應(yīng)級數(shù)零級反應(yīng)零級反應(yīng)：反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度無關(guān)一級反應(yīng)一級反應(yīng)：反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物濃度成正比二級反應(yīng)二級反應(yīng)：反應(yīng)速度與2種反應(yīng)物濃度或一種反應(yīng)物濃度的平方平方成正比三級反應(yīng)三級反應(yīng)nSkdtSdvkSnvlglglgkdtdvAAAkdtdv2AAkdtdvlgS對lgv作圖直線的斜率n即為反應(yīng)級數(shù)3.4 米-門方程酶促反應(yīng)中間產(chǎn)物學說酶促反應(yīng)中間產(chǎn)物學說: 酶促反應(yīng)分兩步進行，酶先與底酶促反應(yīng)分兩步進行，酶先與底物形成一個中間產(chǎn)物，再進一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)的酶物形成一個中間產(chǎn)物，再進一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)的酶 S+EESP+Ek1k2k3底物濃度S較低時

9、，只有一部分酶E和底物形成中間產(chǎn)物ES，此時，增加底物濃度，更多中間產(chǎn)物形成，反應(yīng)速度隨之增加，當?shù)孜餄舛萐很大時，反應(yīng)體系中的酶分子E已基本全部和底物結(jié)合形成ES，此時底物濃度再增加，無剩余酶與之結(jié)合，不能形成，反應(yīng)速度維持不變3.4 米-門方程n酶促反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系可用米氏方程表示: SmSKvvm a xV: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)，半速度常數(shù)V=1/2 Vmax時，Km= S(1)S很大時，很大時，sKm, s+Km= s,酶促反應(yīng)速度達到最酶促反應(yīng)速度達到最大值，即大值，即v=vmax，呈零級反應(yīng)，呈零級反應(yīng)(2)S很小時，很小時，sKm

10、, s+Km=Km，酶促反應(yīng)速度與底，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比例關(guān)系，即物濃度成正比例關(guān)系，即v=vmax*s/km，呈一級反應(yīng)，呈一級反應(yīng)米氏常數(shù)的意義及測定是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，與濃度無關(guān)如果一個酶有幾個底物，則對每一種底物，各有一個特定的米氏常數(shù)（表11-3）同一種酶有幾個底物就有幾個米氏常數(shù)，其米氏常數(shù)常數(shù)最小的底物，一般稱為該酶的最適底物或天然底物米氏常數(shù)越大對底物親和力越小，反之越大米氏常數(shù)由雙倒數(shù)作圖法求出：米氏常數(shù)求解米氏常數(shù)求解由雙倒數(shù)作圖法求出：maxmax111vvKvSm3.5 莫諾特(Monod)方程微生物增長速度和微生物本身的濃度、底物之間的關(guān)系

11、可用莫諾特(Monod)方程反映：S SSKmaxS:底物濃度：微生物的比增長速率，單位生物量的增長速度max:最大比增長速率X:微生物的濃度KS：飽和常數(shù)1/tdtdXX微生物增長與底物降解之間的關(guān)系可用產(chǎn)率系數(shù)Y來表示：qvvYXSXxY-產(chǎn)率系數(shù)vX-微生物增長速度：dx/dtvS-底物降解速度：ds/dt-微生物比增長速率，vx/xq-底物比降解速率，vs/xX-微生物濃度Ks，max的求解，雙倒數(shù)法：的求解，雙倒數(shù)法：3.6 廢水生物處理工程的基本數(shù)學模式推導(dǎo)水生物處理工程的數(shù)學模式的幾點假定：整個處理系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，即反應(yīng)器中的微生物濃度和底物濃度不隨時間變化，維持一個常數(shù)反應(yīng)器中的物質(zhì)按完全混合及均勻分布的情況考慮，即反應(yīng)器中的微生物濃度和底物濃度不隨位置變化，維持一個常數(shù)整個反應(yīng)過程中，氧的供應(yīng)是充分的（對于好氧處理）微生物增長與底物降解的基本關(guān)系式XdSXKdtdYdtddX/dt:微生物凈增長速度dS/dt:底物利用速度Y:產(chǎn)率系數(shù)Kd:內(nèi)源呼吸系數(shù)X:反應(yīng)器中微生物濃度污水生物處理法的分類污水生物處理法的分類生物處理法生物處理法天然