生化反應動力學

關于生化反應動力學第1頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五第一節(jié)、污水生物處理基本原理污水中有機底物的生物氧化主要以脫氫（包括失電子）方式實現(xiàn)，底物氧化后脫下的氫可表示為：微生物進行分解代謝獲取能量。酶的活性的影響發(fā)酵、呼吸方式（好氧呼吸與缺氧呼吸）第2頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五細菌：主要成分，分解能力強，凈化污水的第一承擔者。真菌：主要是霉菌（絲狀菌），能分解（含N）有機物，但量不能太多。原生動物：肉足蟲

（指示生物）鞭毛蟲、纖毛蟲后生動物：輪蟲（處理水質(zhì)優(yōu)異的標志）后生動物原生動物真菌細菌微生物的組成第3頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五1.1發(fā)酵與呼吸呼吸微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給電子受體，從而生成水或不愿型產(chǎn)物并釋放能量的過程稱為呼吸作用。以分子氧作為最終電子受體的稱為好氧呼吸，以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為缺氧呼吸。呼吸與發(fā)酵的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放能量后再交給最終電子受體。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。在發(fā)酵條件下有機物只是部分地氧化，因此，只釋放出一小部分能量，合成少量ATP。發(fā)酵過程發(fā)酵過程不需要外界提供電子受體。在厭氧發(fā)酵中主要存在兩種發(fā)酵類型：丙酸型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵。第4頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五1.2好氧生物處理

污水處理工程中，好氣生物處理法有活性污泥法和生物膜法兩大類。污水格柵泵間沉砂池初沉池曝氣池二沉池

消毒剩余污泥回流污泥活性污泥法處理基本流程第5頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五生物膜法處理基本流程處理水生物膜法的基本流程初沉池處理水二沉池回流排泥排泥原污水第6頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五1.3厭氧生物處理沒有分子氧及化合態(tài)氧存在兼性細菌與厭氧細菌降解穩(wěn)定有機物質(zhì)概述有機物的轉(zhuǎn)化甲烷二氧化碳、水、氨、硫化氫細胞物質(zhì)（少量）有機物的轉(zhuǎn)化

通過對新型構(gòu)筑物質(zhì)研究開發(fā)，其容積可縮小，但為維持較高的反應速率，必須維持較高的反應溫度，故要消耗能源。第7頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五1.4脫氮除磷基礎理論一、脫氮1、氮的四種存在形式：有機氮氨態(tài)氮（亞）硝酸氮N22、氮的危害：水體富營養(yǎng)化，不利農(nóng)灌3、去除方式物理化學法：吹脫（NH3+H2O===NH4++OH-）pH<10.5生物法:(1)氨化反應:有機氮→氨態(tài)氮(有02參與)(2)硝化反應:氨態(tài)氮→NO2-NO3-(3)反硝化反應：NO2-NO3-→N2和細菌組成部分第8頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五二、除磷

沉淀或與微生物成為一體而排出混凝：鋁鹽、鐵鹽、石灰生物除PADP+H3PO4+能量ATP+H2O1）好氧：聚P菌對P的過剩攝取，合成ATP和聚磷酸鹽2）厭氧：聚P菌釋放P三、生物脫氮除磷理論與技術(shù)進展SHARON工藝（短程硝化反硝化）OLAND工藝ANAMMOX工藝反硝化聚磷工藝第9頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五2.1微生物的生長規(guī)律

微生物接種培養(yǎng)基后，保持培養(yǎng)液體積不變以時間為橫坐標，以菌數(shù)為縱坐標，可以作出一條反映微生物在整個培養(yǎng)期間菌數(shù)變化規(guī)律的曲線，這種曲線稱為生長曲線(growthcurve)。第二節(jié)、微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境第10頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五對數(shù)增殖期時間微生物量減衰增殖期內(nèi)源呼吸期微生物增殖曲線X0abcdS(BOD)降解曲線氧利用速率曲線增殖速率–有機物濃度呈一級反應關系增殖速率–微生物量呈一級反應關系

活性污泥微生物增殖曲線第11頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五遲緩期對數(shù)期穩(wěn)定期衰老期有機物濃度低，營養(yǎng)物質(zhì)明顯不足時。處于衰老期的污泥較松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有細小泥花，以濾紙過濾時，濾速快。廢水中的有機物濃度較低,污泥濃度較高時。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,以濾紙過濾時濾速快。處理效果好的活性污泥構(gòu)筑物中，污泥處于靜止狀態(tài)。廢水中有機物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜。處于對數(shù)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菌，混合液沉淀后其上層液混濁，用濾紙過濾時，濾速很慢。生長條件與原來不同，或污水處理廠因故中斷運行后再運行時出現(xiàn)。該時期是否存在、時間的長短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長條件等有關。微生物增殖特點第12頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五2.2微生物的生長環(huán)境

微生物的生長與環(huán)境條件關系極大。在廢水生物處理過程中，應設法創(chuàng)造良好的環(huán)境，讓微生物很好的生長、繁殖，以達到令人滿意的處理效果以及經(jīng)濟效益。影響微生物生長的因素很多，一般來說，其最主要的是營養(yǎng)、溫度、pH、溶解氧以及有毒物質(zhì)。第13頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五1.微生物的營養(yǎng)廢水中大多數(shù)含有微生物能夠利用的碳源。但是，對于有些含有碳量低的工業(yè)廢水來講，可能還應另加碳源，如生活污水、米泔水、淀粉漿料等。微生物還需要氮、磷營養(yǎng)，它們之間的比例，一般為：BOD5:N:P=100:5:1。生活污水的氮、磷含量較高，采用生物處理時不需要另外投加。但有些工業(yè)廢水含磷、氮低，需要另外投加。第14頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五2.溫度

根據(jù)微生物生長的最適溫度不同，可以將微生物分為嗜冷、兼性嗜冷、嗜溫、嗜熱和超嗜熱等五種不同的類型。它們都有各自的最低、最適和最高生長溫度范圍。第15頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五溫度影響具體表現(xiàn)：影響酶活性。每種酶催化酶都有最適的酶促反應溫度，溫度變化影響酶促反應速率，最終影響細胞物質(zhì)合成；影響細胞質(zhì)膜的流動性。溫度變化影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌；影響物質(zhì)的溶解度。物質(zhì)只有溶于水才能被機體吸收或分泌，一般除氣體物質(zhì)以外，溫度上升物質(zhì)的溶解度增加，溫度降低物質(zhì)的溶解度降低，最終影響微生物的生長。第16頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五3.pH值微生物生長過程中機體內(nèi)發(fā)生的絕大多數(shù)的反應是酶促反應，而酶促反應都有一個最適pH范圍，酶促反應速率最高，微生物生長速率最大，因此微生物生長也有一個最適生長的pH范圍。微生物生長還有一個最低與最高的pH范圍，低了或高出這個范圍，微生物的生長就被抑制，微生物不同生長的最適、最低與最高的pH范圍也不同。第17頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五最適pH值范圍的選取如用活性污泥法處理廢水，曝氣池混合液的pH值宜為6.5-8.5，如果曝氣池混合液pH值達到9.0時，原生動物將由活躍轉(zhuǎn)為呆滯，菌膠團粘性物質(zhì)解體，活性污泥結(jié)構(gòu)遭到破壞，處理效果顯著下降。當廢水的pH值變化較大時，應設置調(diào)節(jié)池，使進入反應器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH值范圍。如果進水pH值突然降低，曝氣池混合液呈酸性，活性污泥結(jié)構(gòu)亦會變化，二次沉淀池中將出現(xiàn)大量浮泥現(xiàn)象。第18頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五4.溶解氧好氧生物處理中，如果溶解氧不足，好氧微生物由于得不到足夠的氧，其活性受到影響，新陳代謝能力降低，同時對溶解氧要求較低的微生物將應運而生，影響正常的生化反應過程，造成處理效果下降。好氧生物處理的溶解氧一般以2-4mg/L為宜。在這種情況下，活性污泥后生物膜的結(jié)構(gòu)正常，沉降、絮凝性能好。第19頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五5.有毒物質(zhì)在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱為有毒物質(zhì)。毒害作用主要表現(xiàn)細胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。為此，在廢水生物處理中，對這些有毒物質(zhì)應嚴加控制。第20頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五第三節(jié)反應速度與反應級數(shù)在生化反應中，反應速度是指單位時間里底物的減少量、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的減少量或細胞的增加來表示生化反應速度。圖11－5是圖11－1和圖11－2的概括，圖中的生化反應可以以下式表示：

生物化學反應是一種以生物酶為催化劑的化學反應。一、反應速率第21頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

式中，反應系數(shù)，

又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。式（11－9）反映了底物減少量速率和細胞增加速率之間的關系，它是廢水生物處理中研究生化反應過程的一個重要規(guī)律。了解這個規(guī)律，可以更合理地設計和管理廢水生物處理過程。

實驗表明反應速度與一種反應物A的濃度成正比時，稱這種反應對這種反應物是一級反應。實驗表明反應速度與二種反應物A、B的濃度、成正比時，或與一種反應物A的濃度的平方成正比時，稱這種反應為二級反應。實驗表明反應速度與成正比時，稱這種反應為三級反應；也可稱這種反應是A的一級反應或B的二級反應。例如，B的濃度大大大于,即使大部分A已進入反應，基本上不變，這時反應速度與成正比。二、反應級數(shù)第22頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

實驗表明，在生化反應過程中，底物的降解速度和反應器中的底物濃度有關。設生化反應方程式第23頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

現(xiàn)底物濃度以表示，則生化反應速度：

式中，k為反應速度常數(shù)，隨溫度而異，n為反應級數(shù)。上式亦可改寫為：

（11－10）式可以圖11－6來表示，圖中直線的斜率即為反應級數(shù)n值。第24頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

反應速度不受反應物濃度影響時，稱這種反應為零級反應。在溫度不變的情況下，零級反應的反應速度常數(shù)。零級反應：一級反應：第25頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

第26頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五式中：v——反應速度；

t——反應時間；

k——反應速度常數(shù)，受溫度影響。在反應過程中，反應物A的量增加時，k為正值；反之，k為負值。在廢水生物處理中，有機污染物逐漸減少，反應常數(shù)為負值。第27頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五一、莫諾特（Monod）方程式

莫諾特于1942年用純種的微生物在單一底物的培養(yǎng)基上進行了微生物增殖速率與底物濃度之間關系的試驗。試驗結(jié)果得出了如圖下所示的形式。這個結(jié)果和米歇里斯-門坦于1913年通過試驗所取得的酶促反應速度與底構(gòu)濃度之間關系的結(jié)果是相同的。因此，莫諾特認為，可以通過經(jīng)典的米氏方程式來描述底物濃度與微生物比增殖速度之間的關系,即：式中μ——微生物的比增殖速度，即單位生物量的增殖速度，t-1；

μmax——微生物最大比增殖速度，t-1；

Ks——飽和常數(shù)，為當μ＝1/2μmax時的底物濃度，也稱之為半速度常數(shù)，質(zhì)量/容積；

S——有機底物濃度。第五節(jié)微生物動力學第28頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五二、米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式1.底物濃度對酶反應速度的影響

一切生化反應都是在酶催化下進行的。這種反應亦可以說是一種酶促反應或酶反應。酶促反應速度受酶濃度、底物濃度、pH值、溫度、反應產(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的影響時，則酶促反應與酶濃度成正比。但是當?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時，這個反應速度與底物濃度成正比，是一級反應。當?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r，所有的酶全部與底物結(jié)合后，酶反映速度達到最大值，此時再增加底物對速度就無影響，呈零級反應，見下圖：第29頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五第30頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

對于上圖中的現(xiàn)象，曾提出過各種假設予以解釋，其中比較合理的是中間產(chǎn)物學說。根據(jù)這個學說，酶促反應分兩步進行,即酶與底物先絡合成一個絡合物（中間產(chǎn)物），這個絡合物再進一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)酶，現(xiàn)以下面公式表示：式中，S代表底物，E代表酶，ES代表酶-底物中間產(chǎn)物（絡合物）以及P代表產(chǎn)物。

由上面兩式可看出，當?shù)孜颯濃度較低時，只有一部分酶E和底物S形成酶-底物中間產(chǎn)物ES。此時，若增加底物濃度，則將有更多的中間產(chǎn)物形成，因而反映速度亦隨之增加。而當?shù)孜餄舛群艽髸r，反應體系中的酶分子已基本全部和底物結(jié)合成ES絡合物。此時，底物濃度雖再增加，但無剩余的酶與之結(jié)合，故無更多的ES絡合物生成，因而反應速度維持不變。分析第31頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五2.米氏方程

1913年前后，米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）在前人工作的基礎上，采用純酶作了大量的試驗研究，并根據(jù)中間產(chǎn)物學說，提出了表示整個反應過程中，底物濃度與酶促反應之間的關系式，稱為：米歇里斯-門坦方程，簡稱：米氏方程式，即:式中：v——酶反應速度

vmax——最大酶反應速度

[S]——底物濃度

Km——米氏常數(shù)第32頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五由上式可以得知：當[S]Km時，v=Vmax/Km[S]當[S]Km時,v=Vmax當[S]=Km時,v=Vmax/2

Km的物理意義：米氏常數(shù)是當酶反應速率達到最大反應速率的一半時的底物濃度。因此,米氏常數(shù)的單位為mol/L。第33頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五

在廢水生物處理工程中，米氏方程式是我們常用的一個反應動力學方程。在具體應用中，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過試驗，得出底物降解速度和底物濃度之間的關系式，類同米氏方程式：第34頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五3.米氏常數(shù)的意義及測定

①Km是酶的一個重要的特征常數(shù)。只與酶的性質(zhì)有關，而與其濃度無關。Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測定的，不同條件下具有不同的Km值。Km值可用來鑒別酶。②Km值可以判斷酶的專一性和天然底物。有的酶可作用于幾種底物，因此有幾個

Km值，同一種酶有幾種底物就有幾個Km值，其中Km值最小的底物一般稱為該酶的最適底物或天然底物。1/Km值可近似地表示酶對底物親和力的大小，1/Km值大表示親和程度大，酶的催化活性低;1/Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高?？膳袛嗝傅膶Ｒ恍?。第35頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五斜率=Km/Vmax1/Vmax-1/Km

目前，一般常用的圖解求Km值的方法為蘭維福-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下面形式：

第36頁，共39頁，2022年，5月20日，8點37分，星期五三、廢水生物處理工程的基本數(shù)學模式1.推導廢水生物處理工程數(shù)學模式的幾點假設（1）整個處理系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)：反應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)。即：

dρx/dt=0

及-dρs/dt=0

式中：ρx——反應器中微生物的平均濃度；ρs—