污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础共48页
水污染控制工程：第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力 学基础
（1）生化转化：
C、溶解性无机物的转化（氮和磷的转化）
生活废水中氮的形态：氨和有机氮（包括氨基 酸、蛋白质、核苷）的形式存在。
Ⅱ 生物处理基本原理
2、微生物主要种类和作用
• 微生物主要种群：古细菌、细菌和真核生 物。生物处理中起作用的微生物属于古细 菌和细菌类群，但原生动物和其他微型真 核生物也有一定作用。
（1）细菌：细菌的分类方式很多，从水处理 工程角度，最重要的是从操作方式上分类。
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力 学基础
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力 学基础
•依据功能分类：
• 硝化菌
• 硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。 在一群自养型好氧微生物的作用下，首先由 亚硝酸菌将氨氮转化为NO2-，称为亚硝酸反 应，第二阶段由硝酸菌将NO2-进一步氧化为 硝酸盐，称为硝化反应。
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力 学基础
（3）真核生物：真菌和原生动物常常在 生物处理中出现。
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力 学基础
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力 学基础
（b）无氧呼吸 是指以含氧无机物，如NO3-, NO2-, SO42-, S2O32-, CO2等代替分子氧，作为最 终受氢体的生物氧化作用。
C6H12O6 + 6H2O —— 6 CO2 + 24 H 24 H + 4 NO3- —— 2N2 + 12 H2O 总反应式：
第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
微生物的新陈代谢
新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质， 通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进行物 质转化和交换的过程。
分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获 得能量； 合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转化 为复杂的细胞成分，机体制造自身。
底物降解： 污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质 称为底物或基质。 可生物降解有机物量：有机物的降解转化 可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质
厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧 化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底 物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能 量较少。
如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量 的可燃气体。
厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和 无氧呼吸。
好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的 能量水平不同， 如下表所示。
呼吸方式
好氧呼吸
能量利用率42％
无氧呼吸
发酵
能量利用率26％
1.发酵 指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最
终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。 这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是
比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较 少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的 需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 2817.3kJ
C11H 29O7
14O2
H
11CO2
13H2O
NH
4
能量
异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物：
第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学.
第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学207、微生物新陈代谢的本质是什么?它包括了哪些内容?208、什么是生物酶及其酶促反应?209、在生化反应过程中酶所起的作用是什么?酶具有哪些特征?210、微生物的呼吸作用有哪几种类型?各有什么特点?211、试述好氧呼吸和厌氧呼吸的本质。
212、微生物生长曲线的研究在废水生物处理中的指导意义是什么?213、微生物内源呼吸的本质是什么?214、影响微生物生长的环境因素有哪些?各如何影响?215、 ATP 在生物反应过程中所起的作用是什么?216、试推导 M-M 方程式。
217、证明当μ=μm /2时, Ks =[S]0。
218、试根据能量代谢作用解释为何厌氧生物处理过程中所产生的剩余污泥量要比好氧生物处理少?219、试推导一级反应、二级反应的速率常数表达式。
220、何谓反应的半衰期?写出一级反应和二级反应的半衰期公式并对它们进行比较说明。
221、试分别推导完全混合间歇反应器、连续流完全混合反应器、串联运行的连续流完全混合反应器和推流式反应器的反应时间与出水中基质浓度间的关系表达式。
222、某城市污水日流量为 5000 m3/d,进水 BOD 5为 200 mg/L,要求经处理后出水中的 BOD 5浓度≤ 20 mg/l。
假定反应为一级反应,速率常数为 K =0.75d -1 。
试比较下列反应器系统所需的总容积。
(1单个完全混合反应器(CSTR ;(2两个串联运行的完全混合反应器(CSTR ;(3四个串联运行的完全混合反应器(CSTR ;(4推流式反应器(PF 。
223、测定反应器中液体质点停留时间的方法有哪些?试举例说明之。
224、何谓反应器的停留时间分布函数?225、反应器中的水流扩散度可用什么指标加以描述?理想的推流式反应器和理想法的完全混合反应器中的毕克莱数(Peclet 趋于多少?为什么说实际运行条件下的推流式反应器和完全混合反应器的 Peclet 数并非分别为 0或∞ ?226、生物处理动力学的研究包括哪几个方面的内容?它们之间有何联系?227、何谓微生物的比增殖速度?写出其表达式。
污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
求得：
1 Xa Y S S V 1 b Q
0
V Q
为水力停留时间
在恒化器处于静态的时候， x
x 为固体停留时间（SRT），也称为平均细胞停留时间
（MCRT）或者污泥龄
系统中的活性生物量 x 1 活性生物量的产率
即泥龄是净比生长速率的倒数
第 1章
污水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础
1.1 基本速率表达式 Basic Rate Expressions
细菌生长动力学，最常用的是莫诺特方程
1 dX a S μ syn μ X dt K S a syn
syn 为合成的比生长速率，T-1
x min
S 随着 x 增加而单调下降
S min ， S min 是维持稳态 接近极小值 S
b Y q b
菌体需要的最小基质浓度
S min K
如果 S S min ，细胞的净生长速率就是负数，菌体不会累积 而将逐渐消失，只有 S S min ，才能维持稳态菌体。 4）当
无穷大，可以将 S 从 S 0 降低到 S min
不能去除基质，没有活性菌体累积
刚刚产生污泥流失时的 x 值称为 x min
0 K S x min 0 S Y q b bK
min 增大，逐渐达到其极限值： 随着 S 0 增大， x
min x
lim
1 Y q b
2）对于所有的 x 3）对于很大的 x
X a为活性菌体的浓度，MxL-3
S 为限制生长速率的基质浓度，MsL-3
第十一章-污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础
由于硝化菌是自养菌，若水中BOD5值过高，将有助 于异养菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。
硝化细菌生长影响因子：
硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用 的进行，泥龄应取大于硝化菌最小世代时间（3～ 10d）两倍以上。
对好氧生物处理 BOD5：N：P=100：5：1， 对厌氧生物处理 C / N = （10－20）：1
P277
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
碳源--异养菌利用有机碳源。
氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质 等）。
补充氮、磷 ：1） 与生活污水混合；2） 添加药剂：硫酸铵，硝酸 铵，尿素（补充氮源）； 磷酸钠、磷酸钾等 （补充磷源）
NH4+ +2O2——NO3－ +2H+ +H2O + 能量
一、微生物的新陈代谢
（三）缺氧呼吸 是指在无分子氧但有化合态氧的情况下，以无机氧化物，
如NO3-, NO2-, SO42-, S2O32-, CO2等代替分子氧，作为最 终受氢体的生物氧化作用。
C6H12O6 + 6H2O —— 6 CO2 + 24 H 24 H + 4 NO3- —— 2N2 + 12 H2O 总反应式： C6H12O6 + 4 NO3-——6 CO2 + 6H2O + 2N2 + 1755.6 kJ
氨化
硝化
反硝化
1.氨化反应
在氨化微生物的作用下，有机N化合物可以 在好氧或厌氧条件下分解转化为氨态氮。
以氨基酸为例：
第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
厌氧微生物包括专性厌氧在0.005×101KPa生长和 耐氧厌氧微生物。
兼性厌氧即可在有氧条件下又可在无氧条件下生长
繁殖。 2019/10/15
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天津工业大学
水污染控制工程课程课件
活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧 浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积 越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度 就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。
11.2 微生物的生长规律及生长环境
1. 微生物的生长规律
微生物的生长规律一般是以生长曲线来反 映的，污水处理中混合生长的活性污泥也有类 似的生长曲线。
细菌生长的阶段可分为停滞期，对数期， 静止期，衰亡期。
生
长+ 速0 率_
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时间t
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生
长+
速0 率_
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ATP
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1.微生物的呼吸
水污染控制工程课程课件
按照被氧化底物的不同分为自养和异养型
自养型
化能自养 光能自养
异养型
化能异养 光能异养
污水好氧生物处理系统
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水污染控制工程课程课件
1.微生物的呼吸
厌氧呼吸——在无O2的情况下进行的生物氧化， 以有机物为底物，经呼吸链传递氢，最终由氧气以
3） pH
大多数细菌，藻类和原生动物最适pH为6.5～7.5， 它们的pH适应范围在4～10。
pH <2 3～6 7.5～8.0 >10
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嗜
霉
细
酸
环境教学课件第十一章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
K2 = K1 • Q(T2-T1) 其中Q 为温度系数
当T1 = 20 0 c T= 4~20 0 c Q=1.135 T= 20~30 0 c Q=1.056
第12页，共18页。
第四节 米歇里斯——门坦方程（M—-M方程）方程式
米歇里斯——门坦方程（M—-M方程），也称作米氏方程：底物降解速率与底
基本概念：
生物化学反应:一种以生物酶为催化挤的化学反应(由微生物参加以生物好氧生物 化学反应,三大要素:底物 ；微生物；氧气。
底物:一切在生物体内可通过酶的催化作用而进行的生化变化的物质
微生物:通过显微镜能看到的生物 氧：在一个大气压下200 c下，氧溶解度10mg/g. 底物降解:废水中有的营养物质,被微生物从利用和转化,使得厚有复杂的高分子氧化分 解为低分子的过程..
（1） 整个处理系统处于稳定状态
dx/dt=0 -ds/dt=0 （2） 反应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑
dx/dt=0 -ds/dt=0
(3) 整个反应过程中，氧的供应是充分的。
d[s]
d[s]
dt
=Y
g
dt g
kd [s]
H 式 方程
第17页，共18页。
THANKS！
第18页，共18页。
的最适底物或天然底物。
第15页，共18页。
寞 诺 特 （Monod) 方 程 式
莫诺特方程：微生物增长速率与底物浓度关系。
U=Umax[s]/[ Ks+ s]
—— [s]底物浓度 —— Ks为饱和常数
q=qmax [s]/[ Ks+ s]
——q底物比降解速度
第16页，共18页。
H 式 方程
污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础-2
废水可生化性的评价方法
1、BOD5／COD值法
用BOD5／COD值评价废水的可生化性是广泛采用的 COD值评价废水的可生化性是广泛采用的 一种最为简易的方法。在一般情况下，BOD COD值愈 一种最为简易的方法。在一般情况下，BOD5／COD值愈 大，说明废水可生物处理性愈好。表1 大，说明废水可生物处理性愈好。表1中所列数据评价 废水的可生化性。
生化处理方法分类
生化处理方法主要可分为好氧处理和厌氧处理两种类型。
好氧处理与厌氧处理的主要区别
①起作用的微生物不同。好氧处理是由好氧微生物和 兼性微生物起作用；而厌氧处理是厌氧菌和兼性菌 起作用。 ②产物不同。好氧处理中有机物被转化为CO2、H2O、 ②产物不同。好氧处理中有机物被转化为CO NH3或NO2-、SO42-等。厌氧处理中有机物被转化为CH4、 等。厌氧处理中有机物被转化为CH NH3等。 ③反应速率不同。好氧处理有机物转化速率快，处理 设备内停留时间短、设备体积小。厌氧处理有机物 转化速率慢，需要时间长，设备体积庞大。 ④对环境要求条件不同。好氧处理要求充分供氧。厌 氧处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件要求甚严。
4、摇床试验与模型试验 (1)摇床试验 (1)摇床试验 在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机 营养盐溶液，在摇床上振摇，培养瓶中的混合液在摇 床振荡过程中不断更新液面，使大气中的氧不断溶解 于混合液中，以供微生物代谢有机物之用，经过一定 时间后，对混合液进行过滤或离心分离，然后测定清 液的COD或BOD，以考察待测物质去除效果。 液的COD或BOD，以考察待测物质去除效果。 (2)模型试验 (2)模型试验 指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。 模型装置通常可分为间歇流和连续流反应器两种。
表2 废水可ห้องสมุดไป่ตู้化性评价参考数据
第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学
第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学207、微生物新陈代谢的本质是什么？它包括了哪些内容？208、什么是生物酶及其酶促反应？209、在生化反应过程中酶所起的作用是什么？酶具有哪些特征？210、微生物的呼吸作用有哪几种类型？各有什么特点？211、试述好氧呼吸和厌氧呼吸的本质。
212、微生物生长曲线的研究在废水生物处理中的指导意义是什么？213、微生物内源呼吸的本质是什么？214、影响微生物生长的环境因素有哪些？各如何影响？215、ATP在生物反应过程中所起的作用是什么？216、试推导M-M方程式。
217、证明当μ＝μm/2时，Ks＝[S]0。
218、试根据能量代谢作用解释为何厌氧生物处理过程中所产生的剩余污泥量要比好氧生物处理少？219、试推导一级反应、二级反应的速率常数表达式。
220、何谓反应的半衰期？写出一级反应和二级反应的半衰期公式并对它们进行比较说明。
221、试分别推导完全混合间歇反应器、连续流完全混合反应器、串联运行的连续流完全混合反应器和推流式反应器的反应时间与出水中基质浓度间的关系表达式。
222、某城市污水日流量为5000 m3/d，进水BOD5为200 mg/L，要求经处理后出水中的BOD5浓度≤20 mg/l。
假定反应为一级反应，速率常数为K＝0.75d－1 。
试比较下列反应器系统所需的总容积。
（1）单个完全混合反应器（CSTR）；（2）两个串联运行的完全混合反应器（CSTR）；（3）四个串联运行的完全混合反应器（CSTR）；（4）推流式反应器（PF）。
223、测定反应器中液体质点停留时间的方法有哪些？试举例说明之。
224、何谓反应器的停留时间分布函数？225、反应器中的水流扩散度可用什么指标加以描述？理想的推流式反应器和理想法的完全混合反应器中的毕克莱数（Peclet ）趋于多少？为什么说实际运行条件下的推流式反应器和完全混合反应器的Peclet 数并非分别为0或∞？226、生物处理动力学的研究包括哪几个方面的内容？它们之间有何联系？227、何谓微生物的比增殖速度？写出其表达式。
污水生物处理概念及动力学基础图文学习教案
第25页范/共4围9页，需要具体分析。
第二十六页，共48页。
反应(fǎnyìng)速度和反应(fǎny
第26页/共49页
第二十七页，共48页。
生化(shēnɡ huà)反应动力学
生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应 。 污水生物处理(chǔlǐ)中，人们总是创造合适的环境条件 去得到希望的 反应速度。 生化反应动力学目前的研究内容： (1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等 方面的关系； (2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素 等方面的关系； (3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途 径。
适用范围：中、低浓度有机(yǒujī)废水，或 BOD5小于500mg/l的有机(yǒujī)废水。
特点：反应速度较快，所需反应时间较短，故 处理构筑物容积小第，11页处/共理49页过程散发臭气较少
第十二页，共48页。
有机物+氧
1/3 M
分解代 （有谢氧呼吸）
H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43- +能量
Pseudomonas cepacia：能降解90种以上有机物 甲基汞、有毒氰、酚类化合物等都能被微生物 作为营养物质分解利用。
第4页/共49页
第五页，共48页。
繁殖(fánzhí)快、易变 异、适应性强
大肠杆菌在条件适宜时17min就分裂一次；有一种 假单胞细菌在不到10min就分裂一次；
低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下 可以快速适应；
第6页/共49页
第七页，共48页。
从可持续发展的战略观点来衡量： 废水生物处理还有消耗大量有机碳、剩余污泥量大、
释放较多二氧化碳等缺点。
利用微生物的无穷(wúqióng)潜力和反应设备的发展及 相关学科技术的进步，与其他工艺相交叉，利用协同作 用。废水生物处理工艺必将取得更大的发展，发挥更大 的作用。
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— 废除 法律。 ——塞·约翰逊
力学基础
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you