第03章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础

中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖1ConceptsofBiologicalProcessinWasteWaterTreatmentandGeneralBiochemicalDynamics第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖2污水的生物处理技术处理对象是污水中呈溶解状态和胶体状态的有机性污染物和某些有毒物质。污水的生物处理技术就是利用微生物能够分解氧化有机物，并使之转化为稳定物质的功能，并采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物生长、繁殖的良好环境来处理污水的技术。根据参与代谢活动微生物的种类，污水的生物处理技术可分为好氧法和厌氧法两大类。中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖3一、微生物的呼吸类型RespirationofMicroorganism1、好氧呼吸AerobicRespiration分子氧参与生物氧化，且是最终受氢体。按微生物和底物类型分为1）异养型微生物有机物为底物C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量2）自养型微生物无机物为底物H2S+2O2H2SO4+能量AerobicandAnaerobicBiologicalProcessinWasteWaterTreatment第一节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理微生物的呼吸是一个对底物的氧化还原过程，都有氢原子的转移，按受氢体的不同分为：中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖42、厌氧呼吸AnaerobicRespiration无分子氧参与，最终受氢体为氧以外的物质，按最终受氢体不同分为1）发酵受氢体为供氢体的分解产物（有机物）C6H12O64[H]+2CH3COCOOH2CO2+2CH3CHO2CH3CH2OH2）无氧呼吸受氢体为无机氧化物C6H12O6+4NO3-6CO2+6H2O+2N2↑中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖5污水的好氧生物处理技术，又分为活性污泥法和生物膜法两种。反应速度快，散发臭气少适合处理BOD低的污水二、废水的好氧生物处理有机物C、OH、NP、S呼吸(分解)CO2,H2O,NH3＋能合成新细胞物质（生长）氧微生物好氧生物处理中有机物的转化中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖6反应速度慢，运行费用低，适合处理BOD高的污水三、废水的厌氧生物处理产气阶段有机物C、OH、NP、S呼吸(分解)能有机酸，醇，CO2，H2S，NH3合成新细胞物质（生长）微生物厌氧生物处理中有机物的转化合成新细胞物质（生长）呼吸(分解)能CH4，CO2H2S，NH3产酸阶段中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖7一、微生物的生长规律第二节微生物的生长规律与生长环境停滞期对数期静止期衰老期活菌数总菌数死菌数时间速度菌数对数A、纯菌种培养的微生物的生长规律中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖81细菌以异养型的原核细菌为主2真菌如丝状菌，具有分解碳水化合物及含氮化合物的功能3原生动物：如肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫，原生动物的食物是细菌4后生动物主要指轮虫废水中的微生物群体以细菌为主，也有真菌、放线菌、酵母菌以及原生动物、后生动物等微型动物在活性污泥系统，净化污水的主要是细菌，第二是原生动物。以活性污泥为例B、废水中的微生物中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖9活性污泥微生物增殖也可以分为四个阶段：适应期、对数增殖期、减衰增殖期和内源呼吸期。C、活性污泥微生物增殖的四个阶段1、适应期（或停滞期）：活性污泥微生物对新的环境条件的适应过程。微生物没有增殖，却产生了质的变化，并产生了某些变异，微生物的酶系统也产生了适应新环境条件的变化。2、对数（增殖）期：环境条件是有机物非常丰富。活性污泥增长速率与有机营养物无关，而与生物量有关。活性污泥质地松散，絮凝、吸附、对有机物的降解以及沉淀性能都不好。中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖103、减衰增殖期（或静止期）：有机底物的浓度下降，污泥浓度高，微生物开始衰亡。活性絮凝体形成，凝聚、吸附以及沉淀性能都有提高，污水处理水质较好并稳定4、内源呼吸期（或衰老期）：有机底物含量低并保持一常数。微生物开始分解代谢自身的细胞物质以维持生命活动。活性絮凝体形成速率提高，凝聚、吸附、降解以及沉淀性能大大提高，污水处理水质良好且稳定C、活性污泥微生物增殖的四个阶段活性污泥的能量含量，即营养物和有机底物量（F）与微生物量（M）的比值（F／M）是活性污泥微生物增殖速度的重要影响因素。中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖112水温影响微生物的生理活动好氧处理中最佳温度20~30C，一般控制在10~35C二、微生物生长环境1营养平衡必须使C、N、P达到一定的浓度并保持一定的平衡关系（BOD5:N:P＝100:5:1）一般的生活污水，营养物质过剩，可与工业废水一起处理，P、N不能满足时，应投加必要的N、P等营养物质中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖123pH值微生物有最适宜pH值范围微生物能够逐渐适应过高或过低的pH值4溶解氧影响好氧微生物活性，好氧生物处理的溶解氧以2~4mg/L为宜5有毒物质破坏细胞的正常结构，并使酶失去活性二、微生物生长环境中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖13一、反应速度dtXdydtSd1y：产率系数y=d[X]/d[S]，mg（生物量）/mg（降解底物）生化反应速度：单位时间底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量第三节生化反应反应速度和级数Sy·X+z·P生化反应可以表示为得：中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖14如：零级反应v=k一级反应v=k[A]二级反应v=k[A]2反应级数指反应速度与反应器中的反应物浓度的比率关系二、反应级数生化反应中，底物降解速度与反应器中的底物浓度有关Sy·X+z·PnSkdtSdv][反应速度lgvlg[S]k=0k=1k=2中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖15不同反应级数下反应物浓度变化ρA=ρA0-ktρAtlgρA=lgρA0-kt/2.3lgρAt1/ρA=1/ρA0+kt1/ρAt0级反应一级反应二级反应中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖16一、底物浓度对酶反应速度的影响EffectofSubstanceConcentrationontheEnzyme-CatalyzedReaction所有的生化反应都是在酶的催化下进行的，可称为酶反应或酶促反应酶促反应受酶浓度、底物浓度、pH值、温度、抑制剂和激活剂等影响酶促反应速度v底物浓度[S]一级反应区混合级反应区零级反应区A、底物浓度对酶反应速度的影响第四节Michaelis-Menten方程a.当底物浓度较低时，v与[S]成正比b.随底物浓度增加，v不按正比升高c.再加大底物浓度，v不变中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖17B、中间产物学说中间产物学说要点：酶促反应分为两步1、酶与底物形成络合中间产物ES，ES的形成速度很快，且很不稳定2、络合物分解成最终产物和酶。第二步反应速度极低，是控制反应EPESESkkk321由于E+P生成ES的速度极小(尤其在起始阶段，P的生成很少)，可以忽略不计，上式可简化为中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖18二、米氏方程（底物浓度对酶反应速度关系）SmSKvvmaxVmax指该酶促反应的最大速度ρs为底物浓度Km是米氏常数V是在某一底物浓度时相应的反应速度2、米式方程的含义：A、当底物浓度很低时，ρsKm则V≈Vmax/Km·ρs，反应速度与底物浓度呈正比。B、当底物浓度很高时，ρsKm，此时V≈Vmax，反应速度达最大速度，底物浓度再增高也不影响反应速度1、半速度常数当v=½vmax时，Km＝ρs中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖19三、米氏常数的意义1、Km值是酶的特征性常数，只与酶的性质有关，与酶的浓度无关2、Km值与酶所催化的底物种类和酶促反应条件(如温度、pH、有无抑制剂等)有关3、同一种酶有几种底物就有几种Km值，最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物Km（1/Km）值可以反映酶与底物的亲和力大小Km愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖20四、Km和Vmax的求法1、底物浓度－反应速度曲线是矩形双曲线，从图中很难精确地测出Km和Vmax2、双倒数作图(DoubleReciprocalPlotofLineweaver-BurkPlot)maxmax111vvKvsmv1maxvKmmax1vmK1中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖211莫诺（Monod）方程表达微生物增殖速率与底物浓度关系试验：1942年，研究纯种微生物在单一底物培养基上的增殖速率与底物浓度之间的关系=maxmax=max/20S=KSS=S'S第五节Monod方程中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖22SSSKmax微生物的比增殖速度，即单位生物量的增殖速度，t-1max微生物最大比增殖速度，t-1KS饱和常数，即=1/2max时的底物浓度ρs有机底物浓度莫诺方程式中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖23设：微生物的比增殖速度（）与底物的比降解速度之间呈比例关系，即或则底物的比降解速度也可以用米－门方程表示：SKSSmax同时，按底物的比降解速度的物理意义有：Xdt)SS(ddtdSX10X混合液中活性污泥总量SKXSdtdSSmax底物的比降解速度中国地质大学环境学院水处理工程第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础2020年1月29日罗朝晖24SKSSmaxSKXSdtdSSmax两个极限条件的结论：•高浓度条件（S＞＞KS）＝max有机底物降解速度与有机底物浓度无关（零级反应），而与污泥浓度（生物量）有关（一级反应）•低浓度条件（S＜＜KS）有机底物降解遵循一级反应XKXdtdS1maxXSKdtdS-SKKS22Smax2莫诺方程式的推论中国地质大学环境学院水处理工程