第03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).ppt

1、2020年7月29日,羅朝暉,1,Concepts of Biological Process in Waste Water Treatment and General Biochemical Dynamics,第三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),2020年7月29日,羅朝暉,2,污水的生物處理技術(shù)處理對(duì)象是污水中呈溶解狀態(tài)和膠體狀態(tài)的有機(jī)性污染物和某些有毒物質(zhì)。,污水的生物處理技術(shù)就是利用微生物能夠分解氧化有機(jī)物，并使之轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定物質(zhì)的功能，并采取一定的人工技術(shù)措施，創(chuàng)造有利于微生物生長(zhǎng)、繁殖的良好環(huán)境來(lái)處理污水的技術(shù)。,根據(jù)參與代謝活動(dòng)微生物的種類，污水的生物處理技術(shù)可分為好

2、氧法和厭氧法兩大類。,2020年7月29日,羅朝暉,3,一、微生物的呼吸類型 Respiration of Microorganism,1、好氧呼吸 Aerobic Respiration 分子氧參與生物氧化，且是最終受氫體。按微生物和底物類型分為 1）異養(yǎng)型微生物 有機(jī)物為底物 C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+能量 2）自養(yǎng)型微生物 無(wú)機(jī)物為底物 H2S+2O2H2SO4+能量,Aerobic and Anaerobic Biological Process,in Waste Water Treatment,第一節(jié) 廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理,微生物的呼吸是一個(gè)對(duì)底物的氧化

3、還原過(guò)程，都有氫原子的轉(zhuǎn)移，按受氫體的不同分為：,2020年7月29日,羅朝暉,4,2、厭氧呼吸 Anaerobic Respiration,無(wú)分子氧參與，最終受氫體為氧以外的物質(zhì)，按最終受氫體不同分為 1）發(fā)酵 受氫體為供氫體的分解產(chǎn)物（有機(jī)物） C6H12O6 4H + 2CH3COCOOH2CO2+2CH3CHO2CH3CH2OH 2）無(wú)氧呼吸 受氫體為無(wú)機(jī)氧化物 C6H12O6 + 4NO3- 6CO2 + 6H2O + 2N2,2020年7月29日,羅朝暉,5,污水的好氧生物處理技術(shù)，又分為活性污泥法和生物膜法兩種。,反應(yīng)速度快，散發(fā)臭氣少 適合處理BOD低的污水,二、廢水的好氧生物

4、處理,2020年7月29日,羅朝暉,6,反應(yīng)速度慢，運(yùn)行費(fèi)用低，適合處理BOD高的污水,三、廢水的厭氧生物處理,2020年7月29日,羅朝暉,7,一、微生物的生長(zhǎng)規(guī)律,第二節(jié) 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律與生長(zhǎng)環(huán)境,停滯期 對(duì)數(shù)期 靜止期 衰老期,活菌數(shù),總菌數(shù),死菌數(shù),時(shí)間,速度,菌數(shù)對(duì)數(shù),A、純菌種培養(yǎng)的微生物的生長(zhǎng)規(guī)律,2020年7月29日,羅朝暉,8,1 細(xì)菌 以異養(yǎng)型的原核細(xì)菌為主 2 真菌 如絲狀菌，具有分解碳水化合物及含氮化合物的功能 3 原生動(dòng)物： 如肉足蟲(chóng)、鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)，原生動(dòng)物的食物是細(xì)菌 4 后生動(dòng)物 主要指輪蟲(chóng),廢水中的微生物群體以細(xì)菌為主，也有真菌、放線菌、酵母菌以及原生動(dòng)物、

5、后生動(dòng)物等微型動(dòng)物,在活性污泥系統(tǒng)，凈化污水的主要是細(xì)菌，第二是原生動(dòng)物。,以活性污泥為例,B、廢水中的微生物,2020年7月29日,羅朝暉,9,活性污泥微生物增殖也可以分為四個(gè)階段： 適應(yīng)期、對(duì)數(shù)增殖期、減衰增殖期和內(nèi)源呼吸期。,C、活性污泥微生物增殖的四個(gè)階段,1、適應(yīng)期（或停滯期）： 活性污泥微生物對(duì)新的環(huán)境條件的適應(yīng)過(guò)程。微生物沒(méi)有增殖，卻產(chǎn)生了質(zhì)的變化，并產(chǎn)生了某些變異，微生物的酶系統(tǒng)也產(chǎn)生了適應(yīng)新環(huán)境條件的變化。,2、對(duì)數(shù)（增殖）期： 環(huán)境條件是有機(jī)物非常豐富?；钚晕勰嘣鲩L(zhǎng)速率與有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物無(wú)關(guān)，而與生物量有關(guān)。 活性污泥質(zhì)地松散，絮凝、吸附、對(duì)有機(jī)物的降解以及沉淀性能都不好。,20

6、20年7月29日,羅朝暉,10,3、減衰增殖期（或靜止期）： 有機(jī)底物的濃度下降，污泥濃度高，微生物開(kāi)始衰亡。 活性絮凝體形成，凝聚、吸附以及沉淀性能都有提高，污水處理水質(zhì)較好并穩(wěn)定,4、內(nèi)源呼吸期（或衰老期）： 有機(jī)底物含量低并保持一常數(shù)。微生物開(kāi)始分解代謝自身的細(xì)胞物質(zhì)以維持生命活動(dòng)。 活性絮凝體形成速率提高，凝聚、吸附、降解以及沉淀性能大大提高，污水處理水質(zhì)良好且穩(wěn)定,C、活性污泥微生物增殖的四個(gè)階段,活性污泥的能量含量，即營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)底物量（F）與微生物量（M）的比值（FM）是活性污泥微生物增殖速度的重要影響因素。,2020年7月29日,羅朝暉,11,2 水溫 影響微生物的生理活動(dòng) 好

7、氧處理中最佳溫度2030C，一般控制在1035C,二、微生物生長(zhǎng)環(huán)境,1 營(yíng)養(yǎng)平衡 必須使C、N、P達(dá)到一定的濃度并保持一定的平衡關(guān)系（BOD5:N:P100:5:1） 一般的生活污水，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩，可與工業(yè)廢水一起處理，P、N不能滿足時(shí)，應(yīng)投加必要的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),2020年7月29日,羅朝暉,12,3 pH值 微生物有最適宜pH值范圍 微生物能夠逐漸適應(yīng)過(guò)高或過(guò)低的pH值 4 溶解氧 影響好氧微生物活性，好氧生物處理的溶解氧以24mg/L為宜 5 有毒物質(zhì) 破壞細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)，并使酶失去活性,二、微生物生長(zhǎng)環(huán)境,2020年7月29日,羅朝暉,13,一、反應(yīng)速度,y：產(chǎn)率系數(shù) y = dX

8、/dS，mg（生物量）/mg（降解底物）,生化反應(yīng)速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量,第三節(jié) 生化反應(yīng)反應(yīng)速度和級(jí)數(shù),S y X + z P,生化反應(yīng)可以表示為,得：,2020年7月29日,羅朝暉,14,如：零級(jí)反應(yīng) v=k 一級(jí)反應(yīng) v=kA 二級(jí)反應(yīng) v=kA2,反應(yīng)級(jí)數(shù)指反應(yīng)速度與反應(yīng)器中的反應(yīng)物濃度的比率關(guān)系,二、反應(yīng)級(jí)數(shù),生化反應(yīng)中，底物降解速度與反應(yīng)器中的底物濃度有關(guān),S y X + z P,反應(yīng)速度,lg v,lg S,k=0,k=1,k=2,2020年7月29日,羅朝暉,15,不同反應(yīng)級(jí)數(shù)下反應(yīng)物濃度變化,A= A0 - k t,A,t,lgA= lg

9、A0 - k t / 2.3,lgA,t,1/A= 1/A0 + k t,1/A,t,0級(jí)反應(yīng),一級(jí)反應(yīng),二級(jí)反應(yīng),2020年7月29日,羅朝暉,16,一、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響 Effect of Substance Concentration on the Enzyme-Catalyzed Reaction,所有的生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，可稱為酶反應(yīng)或酶促反應(yīng),酶促反應(yīng)受酶濃度、底物濃度、pH值、溫度、抑制劑和激活劑等影響,酶促反應(yīng)速度v,底物濃度S,一級(jí)反應(yīng)區(qū),混合級(jí)反應(yīng)區(qū),零級(jí) 反應(yīng)區(qū),A、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響,第四節(jié) Michaelis-Menten方程,a. 當(dāng)?shù)?/p>

10、物濃度較低時(shí)，v與S成正比 b. 隨底物濃度增加，v不按正比升高 c. 再加大底物濃度，v不變,2020年7月29日,羅朝暉,17,B、中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō),中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)要點(diǎn)： 酶促反應(yīng)分為兩步 1、酶與底物形成絡(luò)合中間產(chǎn)物ES，ES的形成速度很快，且很不穩(wěn)定 2、絡(luò)合物分解成最終產(chǎn)物和酶。第二步反應(yīng)速度極低，是控制反應(yīng),由于E+P生成ES的速度極小(尤其在起始階段，P的生成很少)，可以忽略不計(jì)，上式可簡(jiǎn)化為,2020年7月29日,羅朝暉,18,二、米氏方程（底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度關(guān)系）,Vmax指該酶促反應(yīng)的最大速度 s為底物濃度 Km是米氏常數(shù) V是在某一底物濃度時(shí)相應(yīng)的反應(yīng)速度,2、米式方程的含義

11、： A、當(dāng)?shù)孜餄舛群艿蜁r(shí)， s Km，此時(shí)V Vmax，反應(yīng)速度達(dá)最大速度，底物濃度再增高也不影響反應(yīng)速度,1、半速度常數(shù),當(dāng)v = vmax時(shí)， Km s,2020年7月29日,羅朝暉,19,三、米氏常數(shù)的意義,1、Km值是酶的特征性常數(shù)，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無(wú)關(guān) 2、 Km值與酶所催化的底物種類和酶促反應(yīng)條件(如溫度、pH、有無(wú)抑制劑等)有關(guān) 3、同一種酶有幾種底物就有幾種Km值，最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物,Km（1/Km）值可以反映酶與底物的親和力大小 Km愈大，酶與底物的親和力愈小；Km值愈小，酶與底物親和力愈大。酶與底物親和力大，表示不需要很高的底物濃度，便可容易

12、地達(dá)到最大反應(yīng)速度,2020年7月29日,羅朝暉,20,四、Km和Vmax的求法,1、底物濃度反應(yīng)速度曲線是矩形雙曲線，從圖中很難精確地測(cè)出Km和Vmax,2、雙倒數(shù)作圖(Double Reciprocal Plot of Lineweaver-Burk Plot),2020年7月29日,羅朝暉,21,1 莫諾（Monod）方程 表達(dá)微生物增殖速率與底物濃度關(guān)系 試驗(yàn)：1942年，研究純種微生物在單一底物培養(yǎng)基上的增殖速率與底物濃度之間的關(guān)系, =max,max, =max/2,0 S=KS S=S S,第五節(jié) Monod方程,2020年7月29日,羅朝暉,22, 微生物的比增殖速度，即單位生

13、物量的增殖速度，t -1 max 微生物最大比增殖速度，t -1 KS 飽和常數(shù)，即 = 1/2 max 時(shí)的底物濃度 s 有機(jī)底物濃度,莫諾方程式,2020年7月29日,羅朝暉,23,設(shè)：微生物的比增殖速度（）與底物的比降解速度之間呈比例關(guān)系，即,則底物的比降解速度也可以用米門方程表示：,同時(shí)，按底物的比降解速度 的物理意義有：,X 混合液中活性污泥總量,底物的比降解速度,2020年7月29日,羅朝暉,24,兩個(gè)極限條件的結(jié)論： 高濃度條件（SKS） max 有機(jī)底物降解速度與有機(jī)底物濃度無(wú)關(guān)（零級(jí)反應(yīng)）， 而與污泥濃度（生物量）有關(guān)（一級(jí)反應(yīng)） 低濃度條件（SKS） 有機(jī)底物降解遵循一級(jí)反應(yīng),2 莫諾方程式的推論,2020年7月29日,羅朝暉,25,實(shí)踐證明：莫諾方程式適用于微生物與有機(jī)底物均為種類多樣的活性污泥處理系統(tǒng)。 一般的城市污水（BOD400mg/L，COD300mg/L），可用方程 來(lái)表示。將其積分整理后可得：,2020年7月29日,羅朝暉,26,