污水生物處理的基本概念和生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1污水生物處理的基本概念和生化污水生物處理的基本概念和生化(shn hu)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共52頁。11.1 污水(w shu)生物處理基本原理水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的呼吸(hx) 微生物的呼吸是獲取能量的生理功能。呼吸作用的本質(zhì)是氧化還原的統(tǒng)一過程。發(fā)酵好氧呼吸無氧呼吸呼吸第2頁/共52頁第二頁，共52頁。2022-4-1831.微生物的呼吸(hx)水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件發(fā)酵：微生物將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給(jio i)底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同

2、時(shí)釋放能量，產(chǎn)生代謝物。有機(jī)物氧化的基質(zhì)中間有機(jī)物氧化氧化代謝有機(jī)物最終受氫體污水和污泥的厭氧生物處理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第3頁/共52頁第三頁，共52頁。2022-4-184好氧呼吸：當(dāng)存在外在的電子受體氧O2，底物可全部氧化(ynghu)成CO2和H2O，產(chǎn)生ATP。水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的呼吸(hx)底物NAD(P)+FAD或FMN電子傳遞體系釋放的電子eO2H2OATP第4頁/共52頁第四頁，共52頁。2022-4-185自養(yǎng)自養(yǎng)型型化能自養(yǎng)化能自養(yǎng)光能自養(yǎng)光能自養(yǎng)異養(yǎng)型異養(yǎng)型化能異養(yǎng)化能異養(yǎng)光能異養(yǎng)光能異養(yǎng)按照

3、被氧化底物的不同分為按照被氧化底物的不同分為(fn wi)自養(yǎng)和異養(yǎng)型自養(yǎng)和異養(yǎng)型污水好氧生物處理(chl)系統(tǒng)水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件1.微生物的呼吸天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第5頁/共52頁第五頁，共52頁。2022-4-186水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的呼吸(hx)有有機(jī)機(jī)底底物物H2A輔輔酶酶輔酶輔酶H2受氫體受氫體NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2受氫體受氫體H2脫氫酶脫氫酶氧化酶氧化酶污水脫氮、厭氧產(chǎn)甲烷過程第6頁/共52頁第六頁，共52頁。2022-4-1872. 廢

4、水(fishu)的好氧處理水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第7頁/共52頁第七頁，共52頁。2022-4-188合 成合 成(hchng) 有機(jī)物氧微生物有機(jī)物氧微生物（C, O, H, N, S, P）2/3新的細(xì)胞質(zhì)新的細(xì)胞質(zhì)+ 能量能量熱熱分解分解CO2, H2O, NH3, SO42-, PO43-1/3水污染控制工程課程課件水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)內(nèi)源代謝內(nèi)源代謝80%，CO2、H2O、NH320%，細(xì)胞殘留物，細(xì)胞殘留物第8頁/共52頁第八頁，共52頁。2022-4-1893. 廢水(fishu)的厭氧生物處理

5、水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第9頁/共52頁第九頁，共52頁。2022-4-1810 有機(jī)物微生物有機(jī)物微生物（C, O, H, N, S, P）合成合成分解分解新的細(xì)胞質(zhì)新的細(xì)胞質(zhì)有機(jī)酸，醇有機(jī)酸，醇H2S,CO2, NH3, + 能量能量合成合成分解分解新的細(xì)胞質(zhì)新的細(xì)胞質(zhì)CH4, CO2, NH3, H2S+ 能量能量水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第10頁/共52頁第十頁，共52頁。2022-4-1811有機(jī)物有機(jī)物氨化好氧硝化(xio hu)厭氧反硝化(xio hu)NH3-NNO

6、2- , NO3-N2脫氮水污染控制工程課程課件水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第11頁/共52頁第十一頁，共52頁。2022-4-1812水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)除磷聚聚P聚聚P聚聚P聚聚P大部分大部分（P）去除）去除(q ch)厭氧放磷厭氧放磷好氧吸磷好氧吸磷第12頁/共52頁第十二頁，共52頁。2022-4-1813水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)1. 微生物的生長規(guī)律0生長速率時(shí)間t第13頁/共52頁第十三頁，共52頁。2022-4-1814生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值

7、0時(shí)間t時(shí)間ta.停滯期 有的細(xì)菌產(chǎn)生適應(yīng)的酶，細(xì)胞物質(zhì)增加，有的細(xì)菌不適應(yīng)新環(huán)境而死亡(swng)，細(xì)菌數(shù)有所減少。適應(yīng)的細(xì)菌生長到某個(gè)程度便開始分裂，進(jìn)入停滯期的第二階段，加速期。細(xì)菌的生長繁殖速度逐漸加快，細(xì)菌總數(shù)有所增加。水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第14頁/共52頁第十四頁，共52頁。2022-4-1815生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時(shí)間t時(shí)間t第15頁/共52頁第十五頁，共52頁。2022-4-1816c.靜止期 生長速率常數(shù)(chngsh)R等于零，生長的與死亡的數(shù)量相等。細(xì)菌總數(shù)達(dá)到最大值，并恒定一段時(shí)間。這一時(shí)期，細(xì)胞開始貯

8、存糖原，異染粒，脂肪等貯藏物，多數(shù)芽孢桿菌開始形成芽孢。 生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時(shí)間t時(shí)間t水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第16頁/共52頁第十六頁，共52頁。2022-4-1817生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時(shí)間t時(shí)間t水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第17頁/共52頁第十七頁，共52頁。2022-4-1818水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第18頁/共52頁第十八頁，共52頁。2022-4-1819水污染控制工程課程水污染控制工程課程(k

9、chng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué) 微生物的營養(yǎng)物質(zhì)有六種營養(yǎng)要素，水、碳源、氮源、能源、無機(jī)鹽，生長因子。 生活污水處理系統(tǒng)中的微生物，營養(yǎng)物需要 一 定 的 比 例 ( b l ) ， 一 般 為BOD5:N:P=100:5:1。1） 營養(yǎng)(yngyng)第19頁/共52頁第十九頁，共52頁。2022-4-1820 溫度是影響微生物生長的重要(zhngyo)因素。在適宜的溫度內(nèi)微生物能大量繁殖生長。水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)v水溫上升還有利于混合、攪拌(jiobn)、沉降等物理過程，但不利于氧的轉(zhuǎn)移。v污水生物處理的水溫在20

10、37時(shí)效果最好。 2） 溫度 第20頁/共52頁第二十頁，共52頁。2022-4-1821pH10嗜酸性微生物嗜堿性微生物霉菌酵母菌細(xì)菌放線菌水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第21頁/共52頁第二十一頁，共52頁。2022-4-1822水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第22頁/共52頁第二十二頁，共52頁。2022-4-18234）溶解氧水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第23頁/共52頁第二十三頁，共52頁。2022-4-1824水污染控制工程課

11、程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第24頁/共52頁第二十四頁，共52頁。2022-4-1825水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第25頁/共52頁第二十五頁，共52頁。2022-4-1826底物底物S細(xì)胞細(xì)胞X最終產(chǎn)物最終產(chǎn)物P合成合成分解分解 生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間底物(d w)的減少、 最 終 產(chǎn) 物 的 增 加 量 或 細(xì) 胞 的 增 加 量 。廢水生物(shngw)處理中生化反應(yīng)的速度如何表達(dá)？以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來表示。水污染控制工程課程課件水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)天津

12、工業(yè)大學(xué)第26頁/共52頁第二十六頁，共52頁。2022-4-1827SY X + Z Pd Xd S= Y ()d td td S1d X=()d tYd t 反應(yīng)了底物減少速率和細(xì)胞增長速率之間的關(guān)系，它是污水生物處理中的研究生化反應(yīng)的一個(gè)重要(zhngyo)的規(guī)律。反應(yīng)系數(shù)，又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg(生物量)/mg(降解(jin ji)的底物)dXY=dS水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第27頁/共52頁第二十七頁，共52頁。2022-4-1828水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第28頁/共52

13、頁第二十八頁，共52頁。2022-4-18290V,AAAdkkktdt一級反應(yīng)(fnyng)： 0V,lglg2.3AAAAAdkkktdt二級反應(yīng)(fnyng)： 22011V,AAAAAdkkktdt 反應(yīng)過程中，反應(yīng)物反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A A的量增加時(shí)，的量增加時(shí)，k k為正值。為正值。反之，反之，k k為負(fù)值。為負(fù)值。 在廢水處理中，有機(jī)污染物的濃度逐漸減少，在廢水處理中，有機(jī)污染物的濃度逐漸減少，反反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。水污染控制工程課程課件水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第29頁/共52頁第二十九頁，共52頁。2022-4-1830SYX+ZPVVnndSd

14、SSkSdtdt或 式中，式中，k為反應(yīng)速度常數(shù)為反應(yīng)速度常數(shù)(chngsh)，隨溫度而異，隨溫度而異，n為反應(yīng)為反應(yīng)級數(shù)。級數(shù)。上式取對數(shù)改寫為上式取對數(shù)改寫為 knVlglgSlg水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)以S表示，則生化反應(yīng)的速度為：s底物的濃度第30頁/共52頁第三十頁，共52頁。2022-4-1831kSnVlglglg2級級1級級0級級lgS0lgV 與與lgS的關(guān)系的關(guān)系lgV水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第31頁/共52頁第三十一頁，共52頁。2022-4-1832 對生

15、化反應(yīng)動力學(xué)更深層的研究，是對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究、探討活性污泥對有機(jī)底物的代謝、降解過程(guchng)，揭示這一反應(yīng)過程(guchng)的本質(zhì)，使人們能夠更自覺的對反應(yīng)速度加以控制和調(diào)節(jié)。研究生物研究生物(shngw)處理反應(yīng)動力學(xué)的目的是什么？處理反應(yīng)動力學(xué)的目的是什么？水污染控制工程課程課件水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第32頁/共52頁第三十二頁，共52頁。2022-4-1833v有機(jī)底物(d w)的降解速度與有機(jī)底物(d w)濃度、活性污泥微生物量等因素的關(guān)系。v活性污泥微生物增殖速度（增長速度）與有機(jī)底物(d w)濃度、微生物量等因素的關(guān)系。 對活性污泥處理系統(tǒng)反應(yīng)動

16、力學(xué)的研究的重點(diǎn)在于確定活性污泥的反應(yīng)速度(fn yng s d)和各項(xiàng)主要環(huán)境因素的關(guān)系，主要內(nèi)容為：水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第33頁/共52頁第三十三頁，共52頁。2022-4-1834水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第34頁/共52頁第三十四頁，共52頁。2022-4-1835水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)maxSSKS微生物比增長速度，即單位生物量的增長，微生物比增長速度，即單位生物量的增長，d1d1；S S限制微生物增長的底物

17、的濃度，限制微生物增長的底物的濃度，g/Lg/LX X微生物濃度，微生物濃度，g/Lg/L ax ax底物濃度很大，不再影響底物濃度很大，不再影響(y(yngxingxing)ng)微生物的增長微生物的增長速度時(shí)速度時(shí)的最大值，的最大值，d1d1；KSKS飽和常數(shù)，飽和常數(shù)，g/L g/L 。當(dāng)。當(dāng)1/21/2axax時(shí)的底物濃度。時(shí)的底物濃度。 d/X dtX莫諾特（Monod）方程式第35頁/共52頁第三十五頁，共52頁。2022-4-1836dX 1dt XYdS 1dt XrY,Yrr水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)微生物增長與底物降解

18、存在微生物增長與底物降解存在(cnzi)一定的關(guān)系一定的關(guān)系XYSd /S dtrX比底物利用速率比底物利用速率勞-麥方程式底物(d w)的利用速率第36頁/共52頁第三十六頁，共52頁。2022-4-1837YrmaxmaxSSrrKsSKsS=Yrmax為比底物降解速度的最大值KS為r1/2rmax時(shí)底物的濃度，又稱半速度常數(shù)。 對于實(shí)際的污水處理(w shu ch l)領(lǐng)域來說，r比底物降解速度比微生物的比增長速度更實(shí)際，應(yīng)用性更強(qiáng)，是要討論的對象。水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)maxSSKS勞-麥方程式第37頁/共52頁第三十七頁，共

19、52頁。2022-4-1838水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)底物的利用速率底物的利用速率SeSSS 用于合成細(xì)用于合成細(xì)胞的底物胞的底物用于提供能用于提供能量的底物量的底物第38頁/共52頁第三十八頁，共52頁。2022-4-1839usedSdSdSdtdtdt水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)總底物總底物(d w)利用速率利用速率用于合成細(xì)胞的用于合成細(xì)胞的底物利用底物利用(lyng)速率速率用于提供能量的用于提供能量的底物利用速率底物利用速率底物的利用速率底物的利用速率第39頁/共52頁第

20、三十九頁，共52頁。2022-4-1840gSedXdXdX=-dtdtdt微生物的凈增長(zngzhng)速率微生物凈增長微生物凈增長(zngzhng)速率速率微生物合成微生物合成(hchng)速率速率內(nèi)源呼吸微生物自內(nèi)源呼吸微生物自身氧化速率身氧化速率（內(nèi)源代謝速率）（內(nèi)源代謝速率）水污染控制工程課程課件水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)第40頁/共52頁第四十頁，共52頁。2022-4-1841gSedXdXdX=-dtdtdt水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)SUdXdS)Y)dtdt（ （微生物的合成微生物的合成(hchng

21、)速率速率Y Y產(chǎn)率系數(shù)：被利用產(chǎn)率系數(shù)：被利用(lyng)(lyng)單位底物轉(zhuǎn)換成微生物單位底物轉(zhuǎn)換成微生物體量的系數(shù)。體量的系數(shù)。mgmg微生物量微生物量/mg/mg被微生物利用被微生物利用(lyng)(lyng)的有機(jī)底物的有機(jī)底物第41頁/共52頁第四十一頁，共52頁。2022-4-1842gSedXdXdX=-dtdtdt水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)eddX)K Xdt（微生物的內(nèi)源代謝微生物的內(nèi)源代謝(dixi)速率速率KdKd：內(nèi)源代謝系數(shù)或衰減系數(shù)，單位：內(nèi)源代謝系數(shù)或衰減系數(shù)，單位(dnwi)(dnwi)微生物量微生物量

22、在單位在單位(dnwi)(dnwi)時(shí)間內(nèi)源代謝消耗的微生物量的系數(shù)，時(shí)間內(nèi)源代謝消耗的微生物量的系數(shù)，d-1 d-1 。第42頁/共52頁第四十二頁，共52頁。2022-4-1843水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)生物處理反應(yīng)器內(nèi)，微生物凈增長和底物(d w)降解之間的關(guān)系由上式表達(dá)。上述關(guān)系式稱為微生物增長基本方程。gSedXdXdX=-dtdtdtdgUdXdS=Y-K Xdtdt第43頁/共52頁第四十三頁，共52頁。2022-4-1844gUddddX dt(dS dt)=Y-KXXYrKK1r=+YY（）水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課件課件天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)dgUdXdS=Y-K Xdtdt第44頁/共52頁第四十四頁，共52頁。2022-4-1845 實(shí)際工程中，產(chǎn)率系數(shù)實(shí)際工程中，產(chǎn)率系數(shù)Y Y常以實(shí)際測定的觀測產(chǎn)率系常以實(shí)際測定的觀測產(chǎn)率系數(shù)數(shù)Yobs(Yobs(微生物凈增長系數(shù)微生物凈增長系數(shù)) )替代，謝拉德和施羅德替代，謝拉德和施羅德19731973年提出年提出(t ch)(t ch)微生物凈增長的速率：微生物凈增長的速率：gobsUdXdS)Y)dtdt（表觀表觀(bio un)產(chǎn)率系數(shù)產(chǎn)率系數(shù)水污染控制工程課程水污染控制工程課程(kchng)課