第三篇污水的生物處理

第8章污水生化處理理論基礎

8.1污水的好氧生物處理和厭氧生物處理8.2微生物的生長規律和生長環境8.3米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式8.4微生物生長動力學8.5廢水的可生化性8.1污水的好氧生物處理和厭氧生物處理

一、微生物的新陳代謝和呼吸類型二、污水的好氧生物處理

三、污水的厭氧生物處理

一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

微生物的能量代謝：微生物的新陳代謝

新陳代謝=分解代謝+合成代謝

微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能（即分解代謝過程）。根據與氧氣的關系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

微生物的呼吸

一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

好氧呼吸好氧呼吸是在有分子氧（O2）參與的生物氧化，反應的最終受氫體是分子氧。

異氧型微生物以有機物為底物（電子供體），終點產物為二氧化碳、氨和水等，同時放出能量。C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJC11H29O7N+14O2+H+——11CO2+13H2O+NH4++能量自養型微生物

以無機物為底物，終點產物也是無機物，同時放出能量。H2S+2O2——H2SO4+能量NH4++2O2——NO3－

+2H++H2O+能量一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

2.厭氧呼吸厭氧呼吸是在無分子氧的情況下進行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統，沒有氧化酶系統。（1）發酵

指供氫體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產物（有機物）。C6H12O6——2CH3COCOOH+4H2CH3COCOOH——2CO2+2CH3CHO4H+2CH3CHO——2CH3CH2OH總反應式：C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ（2）無氧呼吸

是指以無機氧化物，如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。

C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-

——2N2+12H2O總反應式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ一、微生物的新陳代謝和呼吸類型

呼吸方式受氫體化學反應式好氧呼吸分子氧C6H12O6+6O2-——6CO2+6H2O+2817.3kJ無氧呼吸無機物C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ發酵有機物C6H12O6——2CH3CH2OH+2CO2+92.0kJ三種呼吸方式獲得的能量水平比較二、污水的好氧生物處理

二、污水的好氧生物處理

有機物的氧化分解（有氧呼吸）：

原生質的同化合成（以氨為氮源）：

原生質的氧化分解（內源呼吸）：

三、污水的厭氧生物處理

好氧生物處理與厭氧生物處理的比較：

好氧生物處理的反應速度較快，所需的反應時間較短，故處理構筑物容積較小。且處理過程中散發的臭氣較少。所以，目前對中、低濃度的有機廢水，或者說BOD5小于500mg/L的有機廢水，基本采用好氧生物處理。由于厭氧生物處理不需另加氧源，故運行費用低。此外，它還具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等優點。其主要缺點是反應速度較慢，反應時間較長，處理構筑物容積大等。此外，需維持較高的反應溫度，就要消耗能源。對于有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧處理法。

8.2微生物的生長規律和生長環境

一、微生物的生長規律1、停滯期2、對數期3、靜止期4、衰老期

8.2微生物的生長規律和生長環境

8.2微生物的生長規律和生長環境

二、微生物的生長環境

1、微生物的營養

水處理中微生物對C、N、P三大營養元素的要求：對好氧生物處理BOD5：N：P=100：5：1，對厭氧生物處理C/N=（10—20）：1碳源--異氧型微生物利用有機碳源，自氧菌利用無機碳源。氮源--無機氮（NH3及NH4+）和有機氮（尿素，氨基酸，蛋白質等）。補充氮，磷，鉀

：與生活污水混合添加藥劑：硫酸銨，硝酸銨，尿素（補充氮源）；磷酸鈉、磷酸鉀等（補充磷源）8.2微生物的生長規律和生長環境

二、微生物的生長環境

2、溫度各類微生物生長的溫度范圍不同，約為5℃~80℃。此范圍內可分成最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度。以微生物適應的范圍，可分為中溫性（20—45℃）、高溫性（45℃以上）、低溫性（20℃以下）好氧生物處理中以中溫菌細菌為主，最適溫度20—37℃；厭氧生物處理中，中溫性甲烷菌最適溫度范圍為25—40℃，高溫性為50—60℃，厭氧處理常采用溫度為33℃—38℃和52—57℃。8.2微生物的生長規律和生長環境

二、微生物的生長環境

3.pH值不同的微生物有不同的pH適應范圍。細菌、放線菌、藻類和原生物的pH值適應范圍是在4—10之間；大多數細菌適宜中性或偏堿性環境（6.5-7.5）；氧化硫化桿菌，喜歡在酸性環境，最適pH值為3；酵母菌和霉菌要求在酸性或偏酸性的環境中生活，最適pH為3.0—6.0。活性污泥法處理廢水，曝氣池混合液的最適pH宜為6.5-8.5。當廢水的pH值變化較大時，應設置調節池。8.2微生物的生長規律和生長環境

二、微生物的生長環境

4.溶解氧溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。例如，廢水的好氧生物處理中，如果溶解氧不足，由于得不到足夠的氧，其活性受到影響，新陳代謝能力降低，同時對氧要求低的微生物應運而生，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。5.有毒物質在工業廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學物質，這類物質稱為有毒物質。其毒害作用主要表現于細胞的正常結構遭到破壞以及菌體內的酶變質，并失去活性。如重金屬離子（砷、鉛、鎘、鉻、鐵、銅、鋅等）能與細胞內的蛋白質結合，使它變質，致使酶失去活性。8.2微生物的生長規律和生長環境

8.3米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式

一、反應速度和反應級數二、酶催化反應的基本特征三、底物濃度對酶反應速度的影響四、米氏方程式五、Km與Vmax的意義及測定一、反應速度和反應級數

一、反應速度和反應級數

二、酶催化反應的基本特征

1、較高的催化效率2、有很強的專一性3、具有溫和的反應條件4、酶易變性與失活三、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。這種反應宜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、反應產物、活化劑和抑制劑等因素的影響。

式中，S代表底物，E代表酶，ES代表酶-底物中間產物，P代表產物。

中間產物學說酶反應速度與底物濃度的關系四、米氏方程式

對單一底物參與的簡單酶反應：根據化學動力學，其反應機理可表示為根據質量作用定律，P的生成率可表示為

根據上述假設有和或表示為反應體系中酶的總濃度CE0為所以(A)(B)將(B)帶入(A)，得rP,max——P的最大生成速率，mol/(L·s)CE0——酶的總濃度，亦為酶初始濃度，mol/L即五、Km與Vmax的意義及測定米氏方程

其中（米氏常數）米氏常數是酶反應處于動態平衡，即穩態時的平衡常數。是V=1/2Vmax時的底物濃度，故又稱半速度常數。Km值是酶的特征常數之一，只與酶性質有關，而與酶濃度無關。不同的酶，Km值不同。如果一個酶有幾種底物，則對每一種底物，各有一個特定的Km值。同一種酶的幾種底物中，Km值最小的底物一般稱為該酶的最適底物或天然底物。最大酶反應速率rp,max=k+2CE0。它表示了當全部的酶都成復合物狀態時的反應速率。

五、Km與Vmax的意義及測定

Km與Vmax的測定8.4微生物生長動力學

一、細胞反應速率的定義二、莫諾特（Monod）方程三、微生物生長與底物降解的基本關系式一、細胞反應速率的定義

微生物比增長速率μ的提出μ表示每單位微生物的增長速度當微生物生長不受外界條件限制（對數增長期）時，一、細胞反應速率的定義

絕對速率是單位時間單位反應體積某一組分的變化量。比速率

是以單位濃度細胞為基準而表示的各個組分的變化速率。Cx、Cs、CO——分別為細胞、底物和氧的濃度細胞生長速率基質消耗速率細胞生長比速率氧消耗速率基質消耗比速率氧消耗比速率二、莫諾特（Monod）方程1942年，現代細胞生長動力學奠基人Monod提出，在微生物生長曲線的對數期和平衡期，細胞的比生長速率與限制性底物濃度的關系可用下式表示：

μ

——微生物比生長速率，（s-1）；μmax——微生物最大比生長速率，（s-1）；Cs——限制性底物濃度，（g/L）；Ks——飽和常數，即當μ=1/2μmax時的底物濃度。Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設如下：細胞的生長為均衡式生長，因此描述細胞生長的唯一變量是細胞的濃度；培養基中只有一種基質是生長限制性基質，而其他組分為過量，不影響細胞的生長；細胞的生長視為簡單的單一反應，細胞得率為一常數。

(1)當限制性基質濃度很低時，Cs＜＜

Ks此時，(2)當Cs＞＞Ks時，μ=μmax此時，(3)當Cs處于兩種情況之間時，Monod方程三、微生物生長與底物降解的基本關系式

在一切生化反應中，微生物增長是底物降解的結果，彼此之間存在著一個定量關系，可通過下式表示：其中

微生物總增長速度底物利用速度微生物比增長速度

比底物利用速度Y微生物產率系數若定義qmax=μmax/Y，則可得其中，qmax——最大比底物降解速度