污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础共46页文档
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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
在去除SOM的生化处理过程中，许多呈 胶体状的不溶性有机物被微生物捕获利用， 并最终转化为稳定的不再受微生物活动影响 的稳定产物，这种稳定产物的形成过程称为 稳定化。
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：
废水生物处理基本概念和生化反应动力学基础
停滞期（调整期） 对数期（生长旺盛期） 静止期（平衡期） 衰老期（衰亡期）
混合微生物群体的生长：
第三节 反应速度和反应级数
一、反 应 速 度
在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最 终产物的增加量或细胞的增加量。
图中的生化反应可以用下式表示：
S y X z P 及 dX y dS
dt
dt
即
dS 1 dX
dt y dt
式中：反应系数 底物）。
y
dX dS
又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的
二、反 应 级 数
v d[S] k[S]n dt
（11－2）
n
=
0
零级反应，v
=
d[S] =k→[S]
dt
=
[S0]-kt
n
=
1
一级反应，v
=d[S] dt
＝k[S]→lg[S]=
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混合微生物群体的生长：
第三节 反应速度和反应级数
一、反 应 速 度
在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最 终产物的增加量或细胞的增加量。
图中的生化反应可以用下式表示：
S y X z P 及 dX y dS
dt
dt
即
dS 1 dX
dt y dt
式中：反应系数 底物）。
y
dX dS
又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的
二、反 应 级 数
v d[S] k[S]n dt
（11－2）
n
=
0
零级反应，v
=
d[S] =k→[S]
dt
=
[S0]-kt
n
=
1
一级反应，v
=d[S] dt
＝k[S]→lg[S]=
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第十章 污水生物处理基本概念及生化反应动力学基础
不同类型微生物进行分解代谢所利用的底物 不同，异样微生物利用有机物，自养微生物利 用无机物。 有机底物的生物氧化主要脱氢（包括失电子） 方式实现。
微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能， 根据与氧气的关系，分为两大类，即好氧呼吸 和厌氧呼吸。 好氧呼吸：底物中的氢被脱氢酶活化，并从底 物中脱出交给辅酶(递氢体)，同时放出电子， 氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化 氧和从底物中脱出的氢结合成水。因此，好氧 呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。
3. PH值：活性污泥最适宜的PH值范围是6.5-8.5。 4. 溶解氧：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。
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、产物或细胞质的增加量。例： 生化反应：S→y· X+z · P 反应速度： dn P dn X dn S
S Vdt
X Vdt P Vdt
如果反应过程V恒定，则反应速度：
dC S S dt dC X X dt dC P P dt
总反应式：
C6H12O6 →2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ
3. 无氧呼吸
指以无机氧化物，如NO3-、 NO2-、SO42等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作 用。 如反硝化作用：C6H12O6+6H2O → 6CO2+24[H]
24[H]+4NO3- →2N2↑+的生长规律和生长环境
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
第四章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
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以氨基酸为例：
RCHNH2COOH+O2
氨化菌
RCOOH+CO2+NH3
氧化脱氨基
+ O2 → RCOOH+ CO2 + NH3 RCHNH 2COOH
水解脱氨基
+ H2O → RCOOH+ NH3
还原脱氨基
CH3CH2COOH+CH3COOH +2H2+2CO2
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（二）呼吸 呼吸作用与发酵的根本区别：电子载体不是将电子直接交给底物 降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再 交给最终电子受体。 电子传递系统： 多酶氧化还原体系，NADH、FADH2等还原载体上的氢原子以 质子和电子的形式在其上进行定向传递。 电子传递系统的功能： 1、从电子供体接受电子并将电子传递给电子受体； 2、通过合成 ATP 把在电子传递过程中释放的一部分能量保存起来。 氧化还原酶： NADH 脱氢酶、黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素、醌及其化合物。
有机氮（蛋白质、 尿素）
生物脱氮全过程
细菌分解及水解
氨氮
有机氮 同化 溶解及自氧化
O2
亚硝酸盐
有机氮（净 生长）
NH4+ 同化反硝化
O2
硝酸盐
脱氮
氮气
有机碳
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影响硝化反硝化反应过程的主要因素
硝化反应 细菌特征 反应机理 碳源要求 硝化菌是化能自养菌，生理 活动不需要有机性营养物质 从CO2获取碳源，从无机物的 氧化中获取能量 混合液中有机物含量不应过 高，BOD＜20mg/L 氧是硝化反应的电子受体， DO≮1 mg/L 硝化菌对pH值变化敏感，最 佳pH值：8.0－8.4 适宜温度：20－30℃，低于 5℃时，硝化反应停止 增殖缓慢，污泥龄30d以上 反硝化反应 反硝化菌是异养兼性厌氧菌，在 无氧条件下进行生命代谢活动 以硝酸氮为电子受体，以有机碳 为电子供体，使硝酸盐还原 混合液中有机物含量不应过低， BOD/T-N ≮ 3－5，当碳源不足 时，应考虑外加碳源（甲醇） 反应器内溶解氧较高时，反硝化 菌将利用氧进行呼吸，阻碍硝酸 氮的还原，DO ≯ 0.5mg/L 反硝化菌对pH值变化敏感，最佳 pH值：6.5－7.5，当pH值高于8或 低于6时，反硝化速率降低 适宜温度：20－40℃，低于15℃ 时，反硝化速率降低 污泥龄无特殊要求
以氨基酸为例：
RCHNH2COOH+O2
氨化菌
RCOOH+CO2+NH3
氧化脱氨基
+ O2 → RCOOH+ CO2 + NH3 RCHNH 2COOH
水解脱氨基
+ H2O → RCOOH+ NH3
还原脱氨基
CH3CH2COOH+CH3COOH +2H2+2CO2
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（二）呼吸 呼吸作用与发酵的根本区别：电子载体不是将电子直接交给底物 降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再 交给最终电子受体。 电子传递系统： 多酶氧化还原体系，NADH、FADH2等还原载体上的氢原子以 质子和电子的形式在其上进行定向传递。 电子传递系统的功能： 1、从电子供体接受电子并将电子传递给电子受体； 2、通过合成 ATP 把在电子传递过程中释放的一部分能量保存起来。 氧化还原酶： NADH 脱氢酶、黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素、醌及其化合物。
有机氮（蛋白质、 尿素）
生物脱氮全过程
细菌分解及水解
氨氮
有机氮 同化 溶解及自氧化
O2
亚硝酸盐
有机氮（净 生长）
NH4+ 同化反硝化
O2
硝酸盐
脱氮
氮气
有机碳
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影响硝化反硝化反应过程的主要因素
硝化反应 细菌特征 反应机理 碳源要求 硝化菌是化能自养菌，生理 活动不需要有机性营养物质 从CO2获取碳源，从无机物的 氧化中获取能量 混合液中有机物含量不应过 高，BOD＜20mg/L 氧是硝化反应的电子受体， DO≮1 mg/L 硝化菌对pH值变化敏感，最 佳pH值：8.0－8.4 适宜温度：20－30℃，低于 5℃时，硝化反应停止 增殖缓慢，污泥龄30d以上 反硝化反应 反硝化菌是异养兼性厌氧菌，在 无氧条件下进行生命代谢活动 以硝酸氮为电子受体，以有机碳 为电子供体，使硝酸盐还原 混合液中有机物含量不应过低， BOD/T-N ≮ 3－5，当碳源不足 时，应考虑外加碳源（甲醇） 反应器内溶解氧较高时，反硝化 菌将利用氧进行呼吸，阻碍硝酸 氮的还原，DO ≯ 0.5mg/L 反硝化菌对pH值变化敏感，最佳 pH值：6.5－7.5，当pH值高于8或 低于6时，反硝化速率降低 适宜温度：20－40℃，低于15℃ 时，反硝化速率降低 污泥龄无特殊要求
废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础PPT课件
第三节 反应速度和反应级数
化学反应速度：单位时间内，反应物浓度的减少或生成物浓度的增加表示。
生化反应速度：在生化反应中，单位时间里，底物的减少量、最终产物的增 加量。
合成
细胞
底物
分解
最终产物
2. 反应级数
lgv 2级
ns
yx + zp
v=d[s]/dt =k[s]n 式中k为反应常数，随温度而异； n为反应级数；
微生物的生长环境
影响微生物生长的主要环境有： 1. 微生物的营养 最佳营养比为BOD5 ：N：P=100：5：1 2. 温度 中温细菌为主，它的最适合温度200 c~370 c 3.PH值 4.溶解氧 好氧2~4mg/l 5.有毒物质
生化反应动力学基础
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..
一.底物降解与酶促速度
影响酶促反应速度的因素有：酶浓度、底物浓度、温度、PH、产物 浓度。
零级反应区 酶反应速度
中间产物学说：
S + E k1 ES k3 P+ E k2
½ vmax 混合级反应区
一级反应区
底物浓度
M—-M方程
S + E k1
E k3 S
P+ E
k2
串连反应
V=Vmax[s]/Km+[s]
第章十一章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础节第一节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理节第二节微生物的生长规律和生长环境节第三节反应速度和反应级数节第四节里米歇里门坦方程式第五节莫诺特方程式六第六节废水生物处理工程的基本数学模式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类型
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
25
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_
2019/10/15
0
时间t
15
天津工业大学
生
长+
速0 率_
水污染控制工程课程课件
ATP
6
天津工业大学
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
2019/10/15
7
天津工业大学
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
2019/10/15
嗜
霉
细
酸
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。