第三章 废水生物处理的基本概念及生化反应动力学基础

水污染控制工程第3章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础目录第一节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理第二节微生物的生长规律和生长环境第三节反应速度和反应级数第四节米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式第五节莫诺特（Monod）方程式第六节废水生物处理工程的基本数学摸式第一节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理一、微生物的呼吸类型二、废水的好氧生物处理三、废水的厌氧生物处理一、微生物的呼吸类型微生物的呼吸指微生物利用营养物质获取能量的生理功能。微生物的呼吸按呼吸过程与氧的关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。微生物的呼吸类型项目受氢体供氢体实质最终产物特点好氧异养型（有机物）自养型（无机物）分子氧底物脱氢氧化二氧化碳水热能氧化彻底热能大脱氢酶和氧化酶系统厌氧发酵（有机物）无氧（无机物）有机物无机物有机物无机物脱氢还原简单化合物热能氧化不彻底热能小脱氢酶系统二、废水的好氧处理好氧生物处理指有分子氧存在的条件下，好氧微生物降解有机物为无机物，使其稳定、无害化的处理方法。处理对象：以胶体或溶解态存在的有机物。适用范围：中、低浓度有机废水，或BOD5小于500mg/l的有机废水。特点：反应速度较快，所需反应时间较短，故处理构筑物容积小，处理过程散发臭气较少图11-1好氧生物处理过程中有机物转化示意图好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有机物分解为无机物，把2/3有机物合成为微生物自身，当活性污泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化和无害化。有机物+氧M分解代谢合成代谢原生质H2O、CO2、NH3+能量内源呼吸净增细胞物质M、O2H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43-+能量（有氧呼吸）1/32/3放热合成代谢方程式：CXHYOZ+NH3+O2→C5H7NO2+CO2+H2O-能量三、废水的厌氧生物处理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。适用范围：有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/l）特点：不需加氧，故运行费用低，剩余污泥少，可回收能量。缺点反应速度慢，反应时间长，处理构筑物容积大。I类产物甲酸甲醇甲胺乙酸等通过不同途径转化为CH4、CO2等废水或污泥中不溶态大分子有机物蛋白质多糖脂类氨基酸C6H12O6甘油脂肪酸II类产物丙酸丁酸乳酸乙醇等水解酸化产氢产乙酸产甲烷发酵菌甲烷菌产氢产乙酸菌CO2[H]乙酸发酵菌图3-2厌氧生物处理过程中有机物转化示意图废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机物（不溶性）→小分子有机物（溶解性）、无机物→有机酸、无机物→CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降解和稳定。第二节微生物的生长规律和生长环境一、微生物的生长规律按微生物的生长速度，其生长可分为四个期：停滞期、对数期、静止期、衰老期。停滞期：微生物的生长速度从零逐渐开始增加，细菌总数增加。出现于污泥培养驯化阶段，或水质发生变化、停产后又生产阶段。对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快速增加。当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，可能处于对数期。处于对数期的微生物降解有机物速度快，但沉降性能差。静止期：微生物生长速度开始下降，细菌总数达到平衡。当废水中有机物浓度降低，污泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此时污泥絮凝性好，二沉池出水水质最好。衰老期：微生物生长速度变为负值，细菌总数下降。当有机物浓度低，营养物明显不足，则可能处于衰老期。此时污泥较松散，沉降性能好，出水中有细小泥花。二、微生物的生长环境1.微生物的营养：碳源、氮源、磷源是微生物生长所需的必要营养物质，其比例一般为BOD5：N：P=100：5：1(COD:N:P=800:5:1)。2.温度：按温度可把微生物分为低温性（5-20℃）、中温性（20-45℃）、高温性（45-80℃）三类。好氧生物处理中，以中温性微生物为主，所以适宜温度为25-40℃。厌氧生物处理甲烷菌为中温菌，其它阶段为高温菌，所以厌氧生物处理如果产甲烷温度控制在33-38℃，如果不产甲烷，只是发酵产酸温度控制在52-57℃比较适宜。3.PH值：活性污泥最适宜的PH值范围是6.5-8.5。4.溶解氧：是影响生物处理效果的重要因素。好氧生物处理溶解氧一般以2-4mg/L为宜。厌氧生物处理不能有氧。5.有毒物质：重金属等有毒物质能使微生物细胞结构遭到破坏以及生物酶变性，失去活性。生化反应动力学内容及任务任务：1研究各种因素对反应速度的影响。2研究反应机理。内容：1底物降解速率与底物浓度、微生物量等因素之间的关系。2微生物的增长速率与底物浓度、微生物量等因素之间的关系。第三节反应速度和反应级数一、反应速度二、反应速率方程和反应级数一、反应速度在生化反应中，反应速度是指单位时间单位体积内底物的减少量、细胞质或产物的增加量。例生化反应：S→y·X+z·P反应速度：如果反应过程V恒定，则反应速度：三个组分的反应速度之间的关系：VdtdnSSVdtdnXXVdtdnPPdtdCSSdtdCXXdtdCPPzy1PXS二、反应速率方程和反应级数等温恒容不可逆反应：aA+Bb+cC→dD+Ee+…反应速率方程反应级数：x+y+z=0零级反应x+y+z=1一级反应x+y+z=2二级反应x+y+z=3三级反应zCyBxAAACCkCdtdC第四节米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式米氏在一切生化反应都是在酶催化进行的前提下，提出微生物分解代谢的酶反应方程式：米氏方程式：式中：ν—酶反应速度νmax—最大酶反应速度CS—底物浓度Km—米氏常数（半速度常数）EPESESSmSmaxCKC图11-10酶反应速度与底物浓度的关系底物浓度CSKm酶反应速度ν1/2νmaxνmax0混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）一级反应区（n=1）SmSmaxCKC分析米氏方程式当CS很大时，即CS》Km时，ν=νmax，呈零级反应，此时酶与底物全部结合为ES，所以增加底物浓度，对酶反应速度无任何影响。当CS很小时，即CS《Km时，，呈一级反应，ν与CS成正比，此时部分酶与底物结合，所以增加底物浓度，可提高反应速度。当CS介于上述二者之间，由小到大增加时，ν与CS呈混合级反应，即n=0-1，增加CS，ν缓慢增加。SmmaxCK米氏方程式动力学系数米氏常数（Km）的物理意义：Km是时的底物浓度，它与酶和底物有关，一个酶和一个底物对应一个Km，1/Km表示酶与底物的亲和力，1/Km越大，亲和力越大。米氏方程式动力学系数确定法：兰维福-布克（Lineweaver-Burk）作图法（双倒数作图法）max21maxSmaxm1C1k1图11-11作图法求km和νmax示意1SC1max1bmaxmkk第五节莫诺特（Monod）方程式莫诺特（Monod）方程式是Monod于1942年以纯菌种对单一底物的分批培养实验基础上提出了描述微生物增长的动力学方程。式中：μ—微生物的比增长速度，μmax—微生物的比增长速度；CS—底物浓度；CX—微生物浓度kS—饱和系数（半增长速度常数）q、qmax—底物的比降解速度及最大值。SSSmaxCkCXXCdt/dCSSSmaxCkCqq或XSCdt/dCq作业：P77：2、4、5、6、7、10