第十一章污水生物处理的基本概念与生化反应动力学基础PPT课件
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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：
污水生物处理基本概念和生化反应动力学基础93页PPT
污水生物处理基本概念和走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
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
生化反应动力学课件
第一节、污水生物处理基本原理
污水中有机底物的生物氧化主要以脱氢（包括失电子）方式实 现，底物氧化后脱下的氢可表示为：
微生物进行分解代谢获取能量。 酶的活性的影响 发酵、呼吸方式（好氧呼吸与缺氧呼吸）
微生物的组成
细菌
真菌
原生动物
后生动物
细菌：主要成分，分解能力强，净化污水的第一承担者 。
真菌：主要是霉菌（丝状菌），能分解（含N）有机物 ，但量不能太多。
③ 当废水的pH值变化较大时，应设置调节池，使进入反应 器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH值范围。
4.溶解氧
—好氧生物处理中，如果溶解氧不足，好氧微生物由于 得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降 低，同时对溶解氧要求较低的微生物将应运而生，影 响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。
，反应常数为负值。
第五节 微生物动力学
一、 莫诺特（Monod）方程式
莫诺特于1942年用纯种的微生物在单一底物的培养基上进行了 微生物增殖速率与底物浓度之间关系的试验。试验结果得出了 如图下所示的形式。这个结果和米歇里斯-门坦于1913年通过试 验所取得的酶促反应速度与底构浓度之间关系的结果是相同的 。因此，莫诺特认为，可以通过经典的米氏方程式来描述底物 浓度与微生物比增殖速度之间的关系,即：
静 止 期 的
机 物 浓 度
于 静 止
效 果 好
液 清 澈
活 性 污
,
较 低 污
状 态 。
的 活 性 污
,
以 滤 纸
泥 絮 凝 性
泥 浓 度 较
细好处有 小，于机 泥混衰物 花合老浓 ，液期度 以沉的低 滤淀污， 纸后泥营 过上较养 滤清松物 时液散质 ，清，明 滤澈沉显 速，降不 快但性足 。有能时
污水中有机底物的生物氧化主要以脱氢（包括失电子）方式实 现，底物氧化后脱下的氢可表示为：
微生物进行分解代谢获取能量。 酶的活性的影响 发酵、呼吸方式（好氧呼吸与缺氧呼吸）
微生物的组成
细菌
真菌
原生动物
后生动物
细菌：主要成分，分解能力强，净化污水的第一承担者 。
真菌：主要是霉菌（丝状菌），能分解（含N）有机物 ，但量不能太多。
③ 当废水的pH值变化较大时，应设置调节池，使进入反应 器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH值范围。
4.溶解氧
—好氧生物处理中，如果溶解氧不足，好氧微生物由于 得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降 低，同时对溶解氧要求较低的微生物将应运而生，影 响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。
，反应常数为负值。
第五节 微生物动力学
一、 莫诺特（Monod）方程式
莫诺特于1942年用纯种的微生物在单一底物的培养基上进行了 微生物增殖速率与底物浓度之间关系的试验。试验结果得出了 如图下所示的形式。这个结果和米歇里斯-门坦于1913年通过试 验所取得的酶促反应速度与底构浓度之间关系的结果是相同的 。因此，莫诺特认为，可以通过经典的米氏方程式来描述底物 浓度与微生物比增殖速度之间的关系,即：
静 止 期 的
机 物 浓 度
于 静 止
效 果 好
液 清 澈
活 性 污
,
较 低 污
状 态 。
的 活 性 污
,
以 滤 纸
泥 絮 凝 性
泥 浓 度 较
细好处有 小，于机 泥混衰物 花合老浓 ，液期度 以沉的低 滤淀污， 纸后泥营 过上较养 滤清松物 时液散质 ，清，明 滤澈沉显 速，降不 快但性足 。有能时
污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础课件
其毒害作用主要表现于细胞的正常结构遭到 破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。如重金 属离子（砷、铅、镉、铬、铁、铜、锌等）能与 细胞内的蛋白质结合，使它变质，致使酶失去活 性。
学习交流PPT
32
11.2 微生物的生长规律和生长环境
学习交流PPT
33
11.3 反应速度和反应级数 一、反应速度
学习交流PPT
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19
• 反硝化反应的适宜pH值为6.5～7.5。pH值高于8 或低于6时，反硝化速率将迅速下降。
• 反硝化反应的温度范围较宽，在5℃～40℃范围 内都可以进行。但温度低于15℃时，反硝化速 率明显下降。
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20
4.同化作用
• 污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成 微生物细胞的组成成分，并以剩余污泥的形式 得以从污水中去除的过程，称为同化作用。
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15
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。
➢硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的 溶解氧量最好保持在2mg/L以上。
➢在硝化反应过程中，有H+释放出来，使pH值下降。 硝化菌受pH值的影响很敏感，为了保持适宜的pH 值7～8，应在废水中保持足够的碱度，以调节pH 值的变化。1g氨态氮(以N计)完全硝化，需碱度(以 CaCO3计)7.1g。
（一）、微生物的营养
水处理中微生物对C、N、P三大营养元素的要求：
对好氧生物处理 BOD5：N：P=100：5：1，
P277
对厌氧生物处理 C / N = （10－20）：1
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）。
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11.2 微生物的生长规律和生长环境
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11.3 反应速度和反应级数 一、反应速度
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19
• 反硝化反应的适宜pH值为6.5～7.5。pH值高于8 或低于6时，反硝化速率将迅速下降。
• 反硝化反应的温度范围较宽，在5℃～40℃范围 内都可以进行。但温度低于15℃时，反硝化速 率明显下降。
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4.同化作用
• 污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成 微生物细胞的组成成分，并以剩余污泥的形式 得以从污水中去除的过程，称为同化作用。
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15
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。
➢硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的 溶解氧量最好保持在2mg/L以上。
➢在硝化反应过程中，有H+释放出来，使pH值下降。 硝化菌受pH值的影响很敏感，为了保持适宜的pH 值7～8，应在废水中保持足够的碱度，以调节pH 值的变化。1g氨态氮(以N计)完全硝化，需碱度(以 CaCO3计)7.1g。
（一）、微生物的营养
水处理中微生物对C、N、P三大营养元素的要求：
对好氧生物处理 BOD5：N：P=100：5：1，
P277
对厌氧生物处理 C / N = （10－20）：1
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）。
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
K=B•e-Ea/RT
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
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。
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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
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H 式 方程
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生
长+
速0
率_
时间t
细 菌 数 目 的
对 0数8.11.2020 值0
时间t
17
天津工业大学
生
长+
速0 率_
水污染控制工程课程课件
时间t
细
菌
数
目 的
对
数
时间t
值0
c.静止期
生长速率常数R等于零，生长的与死亡的数量相等。 细菌总数达到最大值，并恒定一段时间。这一时期，细 08.11.胞202开0 始贮存糖原，异染粒，脂肪等贮藏物，多数芽孢杆 18 菌开始形成芽孢。
天津生工业大学
长+
速0 率_
水污染控制工程课程课件
时间t
细
菌
数
目
的
对
数
时间t
值0
d.衰亡期
个体死亡的速度超过新生的速度，细菌利用贮存
物质进行内源呼吸，一部分细胞物质被氧化分解；细
胞08.1形1.202态0 多样，会发生不规则的退化形态或畸形；有的19 微生物在这时产生抗生素等次代谢产物。
合成
有机物＋微生物 （C, O, H, N, S, P）
新的细胞质
合成 新的细胞质
有机酸，醇 分解 H2S,CO2,
NH3,
+ 能量 分解 CH4, CO2, NH3, H2S
+ 能量
08.11.2020
12
天津工业大学
4. 脱氮除磷原理
脱氮
有机物 氨 化
NH3-N 好 氧 硝 化
08.11.2020
代谢，约有三分之一分解、稳定、并提供其生理活 动所需的能量；三分之二被转化，合成为新的原生 质，微生物进行自身的细胞生长。
2/3 合成
有机物＋氧＋微生物 （C, O, H, N, S, P）
80%，CO2、H2O、NH3
新的细胞质
内源代谢
20%，细胞残留物
1/3
分解
CO2, H2O, NH3, SO42-, PO43-
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
08.11.2020
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
莫诺特方程式；劳-麦方程式；微生物 增长与底物降解的基本关系式
08.11.2020
2
天津工业大学
11.1 污水生物处理基本原理
水污染控制工程课程课件
微生物对溶解氧需求 不同
好氧生物处理
微生物生长方式 不同
悬浮生长法
缺氧生物处理
附着生长法
08.11.厌202氧0 生物处理
3
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11.1 污水生物处理基本原理
氧化 有机物
氧化的基质
中间有机物 最终受氢体
代谢有机物
08.11.2020
5
天津工业大学
1.微生物的呼吸
水污染控制工程课程课件
好氧呼吸：当存在外在的电子受体——氧O2，底 物可全部氧化成CO2和H2O，产生ATP。
底 物
e
释放的电子
NAD(P)+ FAD或FMN
电子传递体系
O2→H2O
08.11.2020
水污染控制工程课程课件
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
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水污染控制工程课程课件
本章内容
❖ 11.1 污水生物处理基本原理 污水生物处理方法；脱氮除磷基础理论
❖ 11.2 微生物的生长规律及生长环境 ❖ 11.3 生化反应的反应速度和反应级数
反应速度；反应级数 ❖ 11.4 微生物生长动力学
时间t
细 菌 数 目 的
对 数
a值.停滞0期
时间t
有的细菌产生适应的酶，细胞物质增加，有的细菌不适
应新环境而死亡，细菌数有所减少。适应的细菌生长到某个 0程8.11度.202便0 开始分裂，进入停滞期的第二阶段，加速期。细菌的16 生长繁殖速度逐渐加快，细菌总数有所增加。
b.对数生长期
生长速率常数最大，细胞分裂的代时G最短；细菌 总数的增加率和活菌数的增加率一致；对外界不良环境 因素的抵抗力强；代谢活力强，群体中的细胞化学成份 及形态和生理特性都很一致。
水污染控制工程课程课件
1.微生物的呼吸
微生物的呼吸是获取能量的生理功 能。呼吸作用的本质是氧化还原的统一 过程。
发酵
呼吸
好氧呼吸 无氧呼吸
天津工业大学
1.微生物的呼吸
水污染制工程课程课件
发酵：微生物将有机物氧化释放的电子直接交给 底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放 能量，产生代谢物。
污水和污泥的厌氧生物处理
NO2- , NO3-
水污染控制工程课程课件
N2
13
天津工业大学
水污染控制工程课程课件
除磷
厌氧放磷
有机基质 产酸菌
厌氧区
有机酸等 聚P
聚磷菌
08.11.2020
PO43-
PHB 聚磷菌
好氧吸磷
好氧区
大量吸收 水中P
大部分 （P）去除
聚聚P聚P聚PP
PHB
聚P
O2 聚磷菌
聚磷菌
14
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水污染控制工程课程课件
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_
08.11.2020
0
时间t
15
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生
长+
速0 率_
水污染控制工程课程课件
+ 能量
热
08.11.2020
10
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3. 废水的厌氧生物处理
水污染控制工程课程课件
厌氧生物处理是在无氧的条件下，利用兼性和
厌氧微生物分解有机物的一种生物处理法。在厌氧 生物处理中，有机物被降解为简单的化合物，同时 释放能量。
08.11.2020
11
天津工业大学
水污染控制工程课程课件
在这个过程中，有机物的转化分为三部分，一部 分H物2被转S等转化无化为机、甲物合烷，成，并为还为新有细的一胞原部合生分质成转的提化组供为成能C部量O分，2,。少H量2O的, N有H机3,
外的无机化合物，如NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、 CO2受氢。
有
机 —H2 底 物A
辅酶 脱氢酶
辅酶－H2
08.11.2污020水脱氮、厌氧产甲烷过程
受氢体－H2 氧化酶
受氢体NO3-、 NO2-、SO42-、 CO32-、CO2
8
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2. 废水的好氧处理
水污染控制工程课程课件
在有氧的条件下，好氧微生物降解有机物。如
活性污泥法和生物膜法，微生物利用废水中的有机 物为营养源进行好氧代谢。有机物经过一系列的生 化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质 稳定下来，达到无害化的要求。
08.11.2020
9
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2. 废水的好氧处理
水污染控制工程课程课件
好氧生物处理中，有机物被微生物摄取后，通过