污水生物處理概念及動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1、四川師范大學(xué)范璐污水生物處理概念及動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)主要內(nèi)容 污水生物處理技術(shù)的起源和發(fā)展前景污水生物處理技術(shù)的起源和發(fā)展前景 污水生物處理的基本原理污水生物處理的基本原理 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境反應(yīng)速率和反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率和反應(yīng)級(jí)數(shù)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)環(huán)境生物技術(shù) Environmental Biotechnology Environmental Bioengineeringl現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科在解決環(huán)境污染問題中具有非常重要的作用。在解決環(huán)境污染問題中具有非常重要的作用。l環(huán)境生物技術(shù)的核心是

2、微生物工程環(huán)境生物技術(shù)的核心是微生物工程微生物對(duì)污染物降解的巨大潛力微生物對(duì)污染物降解的巨大潛力l個(gè)體微小、比表面積大、代謝速率快個(gè)體微小、比表面積大、代謝速率快l 較大的酵母菌，一般為橢圓形，寬1-5um,長(zhǎng)5-30um。l比表面積大比表面積大：大腸桿菌與人相比，其比表面積約為人的：大腸桿菌與人相比，其比表面積約為人的30萬(wàn)倍，為營(yíng)養(yǎng)物的吸收與代謝產(chǎn)物的排泄奠定了基礎(chǔ)；萬(wàn)倍，為營(yíng)養(yǎng)物的吸收與代謝產(chǎn)物的排泄奠定了基礎(chǔ)；l代謝速度快代謝速度快：大腸桿菌在合適條件下，每小時(shí)可以消耗：大腸桿菌在合適條件下，每小時(shí)可以消耗相當(dāng)于自身重量相當(dāng)于自身重量2000倍的糖；假絲酵母（倍的糖；假絲酵母（Cand

3、ida utilis）合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍，比食用公牛強(qiáng)倍，比食用公牛強(qiáng)10萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。種類繁多、分布廣泛、代謝類型多樣種類繁多、分布廣泛、代謝類型多樣lW. B. Whitman (U. Of Georgia)細(xì)菌普查，地球上存在51030個(gè)細(xì)菌, 非?；钴S的群體在海、陸、空等一般環(huán)境和極端環(huán)境中的極端環(huán)境微生物；lPseudomonas cepacia：能降解90種以上有機(jī)物甲基汞、有毒氰、酚類化合物等都能被微生物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解利用。繁殖快、易變異、適應(yīng)性強(qiáng)繁殖快、易變異、適應(yīng)性強(qiáng)l大腸桿菌在條件適宜時(shí)大腸桿菌在條件適宜時(shí)17min就分裂一次；有一就分

4、裂一次；有一種假單胞細(xì)菌在不到種假單胞細(xì)菌在不到10min就分裂一次；就分裂一次；l低溫、高溫、高壓、酸、堿、鹽、輻射等條件下低溫、高溫、高壓、酸、堿、鹽、輻射等條件下可以快速適應(yīng)；可以快速適應(yīng)；l對(duì)于進(jìn)入環(huán)境中的對(duì)于進(jìn)入環(huán)境中的“陌生陌生”污染物，微生物可通污染物，微生物可通過突變而改變?cè)瓉淼拇x類型而降解之過突變而改變?cè)瓉淼拇x類型而降解之l廢水生物處理技術(shù)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)揮了巨廢水生物處理技術(shù)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用，取得了很大的進(jìn)步。大的作用，取得了很大的進(jìn)步。l然而，由于工業(yè)和城市的飛速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，特別然而，由于工業(yè)和城市的飛速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)

5、，特別是發(fā)展中國(guó)家，水污染至今還沒有得到有效的控制。污水是發(fā)展中國(guó)家，水污染至今還沒有得到有效的控制。污水處理技術(shù)離盡善盡美還相差很遠(yuǎn)處理技術(shù)離盡善盡美還相差很遠(yuǎn)主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)：生化環(huán)境不夠生化環(huán)境不夠理想、微生物數(shù)量不夠多、反應(yīng)速率尚低、處理設(shè)施的基理想、微生物數(shù)量不夠多、反應(yīng)速率尚低、處理設(shè)施的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用很高、運(yùn)行不夠穩(wěn)定、難降解有機(jī)物處建投資和運(yùn)行費(fèi)用很高、運(yùn)行不夠穩(wěn)定、難降解有機(jī)物處理效果差等理效果差等。污水生物處理的歷程及前景展望l從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略觀點(diǎn)來衡量：從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略觀點(diǎn)來衡量： 廢水生物處理還有消耗大量有機(jī)碳、剩余污泥量大、廢水生物處理還有消耗大量有機(jī)碳、剩余

6、污泥量大、釋放較多二氧化碳等缺點(diǎn)。釋放較多二氧化碳等缺點(diǎn)。l利用微生物的無(wú)窮潛力和反應(yīng)設(shè)備的發(fā)展及相關(guān)學(xué)科利用微生物的無(wú)窮潛力和反應(yīng)設(shè)備的發(fā)展及相關(guān)學(xué)科技術(shù)的進(jìn)步，與其他工藝相交叉，利用協(xié)同作用。廢水技術(shù)的進(jìn)步，與其他工藝相交叉，利用協(xié)同作用。廢水生物處理工藝必將取得更大的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。生物處理工藝必將取得更大的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。污水的好氧生物處理和厭氧生污水的好氧生物處理和厭氧生物處理物處理 微微 生生 物物 的的 呼呼 吸吸 類類 型型微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸好氧呼吸厭氧呼吸厭氧呼吸根據(jù)氧化的底物、氧化產(chǎn)物的不同根據(jù)氧

7、化的底物、氧化產(chǎn)物的不同 按反應(yīng)過程中的最終受氫體的不同按反應(yīng)過程中的最終受氫體的不同 自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)型微生物 無(wú)氧呼吸無(wú)氧呼吸異養(yǎng)型微生物異養(yǎng)型微生物發(fā)發(fā) 酵酵根據(jù)受氫體的不同分為根據(jù)受氫體的不同分為微生物的呼吸類型微生物的呼吸類型項(xiàng)目受氫體供氫體實(shí)質(zhì)最終產(chǎn)物特點(diǎn)好氧異養(yǎng)型（有機(jī)物）自養(yǎng)型（無(wú)機(jī)物）分子氧底物脫氫氧化二氧化碳水熱能氧化徹底熱能大脫氫酶和氧化酶系統(tǒng)厭氧發(fā)酵（有機(jī)物）無(wú)氧（無(wú)機(jī)物）有機(jī)物無(wú)機(jī)物有機(jī)物無(wú)機(jī)物脫氫還原簡(jiǎn)單化合物熱能氧化不徹底熱能小脫氫酶系統(tǒng)廢水的好氧處理廢水的好氧處理*好氧生物處理好氧生物處理指有分子氧存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物為無(wú)機(jī)物，使其穩(wěn)定、無(wú)害化的處

8、理方法。*處理對(duì)象：以膠體或溶解態(tài)存在的有機(jī)物。*適用范圍：中、低濃度有機(jī)廢水，或BOD5小于500mg/l的有機(jī)廢水。*特點(diǎn)：反應(yīng)速度較快，所需反應(yīng)時(shí)間較短，故處理構(gòu)筑物容積小，處理過程散發(fā)臭氣較少圖圖11-1 好氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化示意圖好氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化示意圖 好氧生物處理是利用微生物的新陳代謝功能，把好氧生物處理是利用微生物的新陳代謝功能，把1/31/3有機(jī)物有機(jī)物分解為無(wú)機(jī)物，把分解為無(wú)機(jī)物，把2/32/3有機(jī)物合成為微生物自身，當(dāng)活性污泥有機(jī)物合成為微生物自身，當(dāng)活性污泥進(jìn)入二沉池時(shí)，作為剩余污泥排放，達(dá)到了有機(jī)物的穩(wěn)定化和進(jìn)入二沉池時(shí)，作為剩余污泥排放，達(dá)到了有機(jī)

9、物的穩(wěn)定化和無(wú)害化。無(wú)害化。有機(jī)物+氧 M分解代謝合成代謝原生質(zhì)H2O、CO2、NH3+ 能量?jī)?nèi)源呼吸凈增細(xì)胞物質(zhì)M、O2H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43- +能量（有氧呼吸）1/32/3放熱合成代謝方程式：CXHYOZ+NH3+O2 C5H7NO2+CO2+H2O-能量廢水的厭氧生物處理廢水的厭氧生物處理*在斷絕與空氣接觸的條件下，依賴兼性厭氧菌和專性厭氧菌的生物化學(xué)作用，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解的過程，稱為厭氧生物處理法或厭氧消化法。*厭氧生物處理法的處理對(duì)象是：高濃度有機(jī)工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水的污泥、動(dòng)植物殘?bào)w及糞便等。*適用范圍：有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（一般BOD52000mg/

10、l）*特點(diǎn)：不需加氧，故運(yùn)行費(fèi)用低，剩余污泥少，可回收能量。缺點(diǎn)反應(yīng)速度慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容積大。 I類類產(chǎn)產(chǎn)物物甲酸甲酸甲醇甲醇甲胺甲胺乙酸等乙酸等 通通過過不同不同途徑途徑轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為CHCH4 4、 、COCO2 2等等 廢廢水或水或污污泥泥中不溶中不溶態(tài)態(tài)大大分子有機(jī)物分子有機(jī)物 蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)多糖多糖脂脂類類 氨基酸氨基酸C C6 6H H1212O O6 6甘油甘油脂肪酸脂肪酸 II類類產(chǎn)產(chǎn)物物 丙酸丙酸丁酸丁酸乳酸乳酸乙醇等乙醇等 水解酸化水解酸化產(chǎn)氫產(chǎn)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸乙酸 產(chǎn)產(chǎn)甲甲烷烷 發(fā)發(fā)酵酵菌菌 甲甲烷烷菌菌 產(chǎn)氫產(chǎn)氫產(chǎn)產(chǎn)乙乙酸菌酸菌 CO2 H乙酸乙酸發(fā)發(fā)酵酵菌菌圖圖3-

11、2 厭氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化示意圖厭氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化示意圖 廢水的厭氧生物處理可分為三個(gè)階段，大分子有機(jī)物廢水的厭氧生物處理可分為三個(gè)階段，大分子有機(jī)物（不溶性）（不溶性）小分子有機(jī)物（溶解性）小分子有機(jī)物（溶解性） 、無(wú)機(jī)物、無(wú)機(jī)物有機(jī)有機(jī)酸、無(wú)機(jī)物酸、無(wú)機(jī)物CH4、CO2、NH3、H2S，使有機(jī)物得以降解，使有機(jī)物得以降解和穩(wěn)定。和穩(wěn)定。微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和生長(zhǎng)環(huán)境 1. 1.微生物的生長(zhǎng)規(guī)律微生物的生長(zhǎng)規(guī)律 微生物的生長(zhǎng)規(guī)律一般是以生長(zhǎng)曲線來反映。微生物的生長(zhǎng)規(guī)律一般是以生長(zhǎng)曲線來反映。按微生物生長(zhǎng)速率，其生長(zhǎng)可分為四個(gè)生長(zhǎng)期按微生物生長(zhǎng)速率，其生長(zhǎng)可分為四個(gè)生長(zhǎng)期停滯期（調(diào)

12、整期）停滯期（調(diào)整期）對(duì)數(shù)期（生長(zhǎng)旺盛期）對(duì)數(shù)期（生長(zhǎng)旺盛期）靜止期（平衡期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）衰老期（衰亡期） 如果活性污泥被接種到與原來生長(zhǎng)條件不同的廢水中（營(yíng)養(yǎng)如果活性污泥被接種到與原來生長(zhǎng)條件不同的廢水中（營(yíng)養(yǎng)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運(yùn)類型發(fā)生變化，污泥培養(yǎng)馴化階段），或污水處理廠因故中斷運(yùn)行后再運(yùn)行，則可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干行后再運(yùn)行，則可能出現(xiàn)停滯期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干時(shí)間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。時(shí)間的停滯后才能適應(yīng)新的廢水，或從衰老狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。停滯期是否存在或停滯期的長(zhǎng)短

13、，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水停滯期是否存在或停滯期的長(zhǎng)短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長(zhǎng)條件等因素有關(guān)。性質(zhì)、生長(zhǎng)條件等因素有關(guān)。 當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，且培養(yǎng)條件適宜，則活性污泥可能處在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。處在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的污泥絮凝性較差，呈分散狀處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的污泥絮凝性較差，呈分散狀態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，態(tài)，鏡檢能看到較多的游離細(xì)菌，混合液沉淀后其上層液混濁，含有機(jī)物濃度較高，活性強(qiáng)沉淀不易含有機(jī)物濃度較高，活性強(qiáng)沉淀不易，用濾紙過濾時(shí)，濾速很慢。，用濾紙過濾時(shí)，濾速很慢。停停 滯滯 期期對(duì)

14、對(duì) 數(shù)數(shù) 期期 當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，污泥濃度較高時(shí)，污泥則有可當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，污泥濃度較高時(shí)，污泥則有可能處于靜止期，處于能處于靜止期，處于靜止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀靜止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上層液清澈，以濾紙過濾時(shí)濾速快。處理效果好的活性污泥后上層液清澈，以濾紙過濾時(shí)濾速快。處理效果好的活性污泥法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。法構(gòu)筑物中，污泥處于靜止期。 當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，營(yíng)養(yǎng)物明顯不足時(shí)，則可能出當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較低，營(yíng)養(yǎng)物明顯不足時(shí)，則可能出現(xiàn)衰老期。處于衰老期的現(xiàn)衰老期。處于衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后

15、上清液清澈，但有細(xì)小泥花，以濾紙過濾時(shí)，濾速快后上清液清澈，但有細(xì)小泥花，以濾紙過濾時(shí)，濾速快。 注注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)。意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)。靜靜 止止 期期衰衰 老老 期期 微生物要求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須微生物要求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無(wú)機(jī)鹽及營(yíng)養(yǎng)源、氮素營(yíng)養(yǎng)源、無(wú)機(jī)鹽及生長(zhǎng)因素。生長(zhǎng)因素。 2. 微微 生生 物物 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 環(huán)環(huán) 境境 影影響響微微生生物物生生長(zhǎng)長(zhǎng)的的環(huán)環(huán)境境因因素素微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫溫 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有

16、有 毒毒 物物 質(zhì)質(zhì) 微生物的組成微生物的組成微生物微生物組成組成水水80干物質(zhì)干物質(zhì)20無(wú)機(jī)質(zhì)無(wú)機(jī)質(zhì)10有機(jī)物有機(jī)物90C 53.1%,O 28.3%,N 12.4%,H 6.2%P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等等細(xì)胞分子式：細(xì)胞分子式：C5H7O2N(有機(jī)部分有機(jī)部分)細(xì)胞分子式：細(xì)胞分子式：C60H87O23N12P(考慮磷考慮磷)一般估算營(yíng)養(yǎng)比例：一般估算營(yíng)養(yǎng)比例： BOD N P 100 5 1 (1)水：組成部分，代謝過程的溶劑。細(xì)菌約水：組成部分，代謝過程的溶劑。細(xì)菌約80%的成分為的成分為水分。水分。 (2)碳源：碳素含量占細(xì)

17、胞干物質(zhì)的碳源：碳素含量占細(xì)胞干物質(zhì)的50左右，碳源主要構(gòu)左右，碳源主要構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)、繁殖和運(yùn)動(dòng)所需要成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)、繁殖和運(yùn)動(dòng)所需要的能量，一般污水中含有足夠碳源。的能量，一般污水中含有足夠碳源。 (3)氮源：提供微生物合成細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。氮源：提供微生物合成細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。 (4)無(wú)機(jī)元素：主要有磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素。作無(wú)機(jī)元素：主要有磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素。作用：構(gòu)成細(xì)胞成分，酶的組成成分用：構(gòu)成細(xì)胞成分，酶的組成成分,維持酶的活性，調(diào)節(jié)滲透壓，維持酶的活性，調(diào)節(jié)滲透壓，提供自養(yǎng)型微生物的能源。提供自養(yǎng)型微生物的能

18、源。 磷：核酸、磷脂、磷：核酸、磷脂、ATP轉(zhuǎn)化。硫：蛋白質(zhì)組成部分，好氧硫轉(zhuǎn)化。硫：蛋白質(zhì)組成部分，好氧硫細(xì)菌能源。鉀：激活酶。鈣：穩(wěn)定細(xì)胞壁，激活酶。鎂：激活酶，細(xì)菌能源。鉀：激活酶。鈣：穩(wěn)定細(xì)胞壁，激活酶。鎂：激活酶，葉綠素的重要組成部分葉綠素的重要組成部分 (5)生長(zhǎng)因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等。生長(zhǎng)因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等。微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)各類微生物所生長(zhǎng)的溫度范圍不同，各類微生物所生長(zhǎng)的溫度范圍不同，約為約為5 80 。此溫度范圍，可分為最低、最高和最此溫度范圍，可分為最低、最高和最適生長(zhǎng)溫度（是指微生物生長(zhǎng)速度最快適生長(zhǎng)溫度（是指微生物生長(zhǎng)速度最快時(shí)溫度）。時(shí)溫度

19、）。依微生物適應(yīng)的溫度范圍，微生物可依微生物適應(yīng)的溫度范圍，微生物可以分為以分為中溫性中溫性（2045 ） 、好熱性、好熱性（高溫性）（高溫性）（45以上以上）和和好冷性好冷性（低（低溫性）溫性）（20以下以下）三類。三類。當(dāng)溫度超過最高生長(zhǎng)溫度時(shí)，會(huì)使微當(dāng)溫度超過最高生長(zhǎng)溫度時(shí)，會(huì)使微生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴(yán)重者可使微生物死亡。壞而失活，嚴(yán)重者可使微生物死亡。低溫會(huì)使微生物代謝活力降低，進(jìn)而低溫會(huì)使微生物代謝活力降低，進(jìn)而處于生長(zhǎng)繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生處于生長(zhǎng)繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。命力。 微微 生生 物物 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng)

20、 環(huán)環(huán) 境境 影影響響微微生生物物生生長(zhǎng)長(zhǎng)的的環(huán)環(huán)境境因因素素微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫溫 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 質(zhì)質(zhì) 不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的pHpH適應(yīng)范適應(yīng)范圍。圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動(dòng)物細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動(dòng)物的的pHpH適應(yīng)范圍是在適應(yīng)范圍是在4 41010之間。之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性中性和偏堿性（pHpH6.56.57.57.5）的環(huán)境。）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適pHpH范圍。范圍。當(dāng)廢水的當(dāng)廢水的pHpH變化較大時(shí)，變化較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)

21、器（如曝氣池），使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的的廢水，保持在合適的pHpH范圍。范圍。 微微 生生 物物 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 環(huán)環(huán) 境境 影影響響微微生生物物生生長(zhǎng)長(zhǎng)的的環(huán)環(huán)境境因因素素微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫溫 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 質(zhì)質(zhì) 微微 生生 物物 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 環(huán)環(huán) 境境 影影響響微微生生物物生生長(zhǎng)長(zhǎng)的的環(huán)環(huán)境境因因素素溶解氧是影響生物處理效果的重溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以好氧微生物處理的溶解氧一般以2 24mg/L4mg/L為宜。為宜。微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫溫 度度 pH 溶溶 解解

22、 氧氧 有有 毒毒 物物 質(zhì)質(zhì) 微微 生生 物物 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 環(huán)環(huán) 境境 影影響響微微生生物物生生長(zhǎng)長(zhǎng)的的環(huán)環(huán)境境因因素素在工業(yè)廢水中，有時(shí)存在著對(duì)微生在工業(yè)廢水中，有時(shí)存在著對(duì)微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)。物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)在細(xì)胞的正常其毒害作用主要表現(xiàn)在細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。并失去活性。在廢水生物處理時(shí)，對(duì)這些有毒物在廢水生物處理時(shí)，對(duì)這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。范圍，需要具體分析。微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng) 溫溫 度度 p

23、H 值值 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 質(zhì)質(zhì) 反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù) 生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的污水生物處理中，人們總是創(chuàng)造合適的環(huán)境條件去得到希望的反應(yīng)速度。反應(yīng)速度。 生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)目前的研究?jī)?nèi)容：生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)目前的研究?jī)?nèi)容： (1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；關(guān)系； (2)微生物增長(zhǎng)速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面微生物增長(zhǎng)速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；

24、的關(guān)系； (3)反應(yīng)機(jī)理研究，從反應(yīng)物過渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。反應(yīng)機(jī)理研究，從反應(yīng)物過渡到產(chǎn)物所經(jīng)歷的途徑。 生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來表示生化反應(yīng)速度。 圖中的生化反應(yīng)可以用下式表示： 即 該式反映了底物減少速率和細(xì)胞增長(zhǎng)速率之間的關(guān)系，是廢水生物處理中研究生化反應(yīng)過程的一個(gè)重要規(guī)律。 反反 應(yīng)應(yīng) 速速 率率 tytdXd1dSd SdXdyPXSzy tytdSddXd及式中：反應(yīng)系數(shù) 又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg（生物量）/mg（降解的底物）。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速

25、度與一種反應(yīng)物實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A A的濃度的濃度A A成正比成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)對(duì)這種反應(yīng)物是一級(jí)反應(yīng)。時(shí)，稱這種反應(yīng)對(duì)這種反應(yīng)物是一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與二種反應(yīng)物A A、B B的濃度的濃度A A、B B成正比時(shí)，或與一種反應(yīng)物成正比時(shí)，或與一種反應(yīng)物A A的濃度的濃度A A的平方的平方A A2 2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速度與A AB B2 2成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)成正比時(shí)，稱這種反應(yīng)為三級(jí)反應(yīng)；也可稱這種反應(yīng)是為三級(jí)反應(yīng)；也可稱這種反應(yīng)是A A的一級(jí)反應(yīng)或的一級(jí)反應(yīng)或B B的二

26、的二級(jí)反應(yīng)。級(jí)反應(yīng)。 反反 應(yīng)應(yīng) 級(jí)級(jí) 數(shù)數(shù) 設(shè)生化反應(yīng)方程式為：設(shè)生化反應(yīng)方程式為：現(xiàn)底物濃度現(xiàn)底物濃度S S以以SS表示，則生化反應(yīng)速度：表示，則生化反應(yīng)速度： 式中：式中：k k反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異；反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異； n n反應(yīng)級(jí)數(shù)。反應(yīng)級(jí)數(shù)。 上式亦可改寫為：上式亦可改寫為：該式可用圖表示，圖中直該式可用圖表示，圖中直線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)n n。PXSzyknvlgSlglgnktvSdSdlgvlgS米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式 一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的。這種反應(yīng)亦可以一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的。這種反應(yīng)

27、亦可以說是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底說是一種酶促反應(yīng)或酶反應(yīng)。酶促反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、物濃度、pHpH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。的影響。在有足夠底物又不受其他因素影響時(shí)，則酶促反應(yīng)速度與在有足夠底物又不受其他因素影響時(shí)，則酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。酶濃度成正比。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時(shí)，這個(gè)反應(yīng)當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時(shí)，這個(gè)反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級(jí)反應(yīng)。速度與底物濃度成正比，是一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，所有的酶全部與底物結(jié)合當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，所有

28、的酶全部與底物結(jié)合后，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，此時(shí)再增加底物的濃度對(duì)速后，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，此時(shí)再增加底物的濃度對(duì)速度就無(wú)影響，是零級(jí)反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時(shí)所需的底物度就無(wú)影響，是零級(jí)反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時(shí)所需的底物濃度并不相同，甚至差異有時(shí)很大。濃度并不相同，甚至差異有時(shí)很大。濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響vmaxn=00n1n=1KS底物濃度底物濃度S1/2 vmax酶酶反反應(yīng)應(yīng)速速度度v 中間產(chǎn)物假說：中間產(chǎn)物假說： 酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行，即酶與底物先絡(luò)合酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行，即酶與底物先絡(luò)合成一個(gè)絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個(gè)絡(luò)合物再進(jìn)一步分解成產(chǎn)物成一個(gè)絡(luò)合物（中間產(chǎn)物），這個(gè)

29、絡(luò)合物再進(jìn)一步分解成產(chǎn)物和游離態(tài)酶，以下式表示：和游離態(tài)酶，以下式表示：式中，式中，S S代表產(chǎn)物，代表產(chǎn)物，E E代表酶，代表酶，ESES代表酶產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)代表酶產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），合物），P P代表產(chǎn)物。代表產(chǎn)物。EPESES321kkk 1913年前后，米歇里斯和門坦提出了表示整個(gè)反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系的式子，稱為米歇里斯門坦方程式，簡(jiǎn)稱米氏方程式，即：式中:v酶促反應(yīng)速度；vmax最大酶反應(yīng)速度； S底物濃度； Km米氏常數(shù)。 此式表明，當(dāng)Km和vmax已知時(shí)，酶反應(yīng)速度與酶底物濃度之間的定量關(guān)系。 由上式得： 該式表明，當(dāng)vmax/v=2或v=1/2vmax時(shí)，

30、Km=S，即Km是v=1/2vmax時(shí)的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。 SmSmaxSmSmaxKvKvv) 1(maxSmvvK 米 氏 方 程 式 SsSmaxKvv 當(dāng)?shù)孜餄舛萐很大時(shí)，SKm，Km+SS，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即v=vmax,呈零級(jí)反應(yīng)，在這種情況下，只有增大底物濃度，才有可能提高反應(yīng)速度。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過試驗(yàn)，得出底物降解速度和底物濃度之間的關(guān)系式，類同米氏方程式，如下：式中：Ks為飽和常數(shù)，即當(dāng)時(shí)的底物的濃度，故又稱半速度常數(shù)。NoImage 當(dāng)?shù)孜餄舛萐較小時(shí)，SKm，Km+S=Km，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即 呈

31、一級(jí)反應(yīng)。此時(shí)，增加底物濃度可以提高酶反應(yīng)的速度。但隨著底物濃度的增加，酶反應(yīng)速度不再按正比例關(guān)系上升，呈混合級(jí)反應(yīng)。 米 氏 常 數(shù) 的 意 義 米氏常數(shù)米氏常數(shù)K Kmm是酶反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡即穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡常數(shù)。是酶反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡即穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡常數(shù)。具有重要物理意義：具有重要物理意義：K Kmm值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃度無(wú)關(guān)。不同的酶，度無(wú)關(guān)。不同的酶，K Kmm值不同。如果一個(gè)酶有幾種底物，則對(duì)值不同。如果一個(gè)酶有幾種底物，則對(duì)每一種底物，各有一個(gè)特定的每一種底物，各有一個(gè)特定的K Kmm。并且，。并且，K Km

32、m值不受值不受p pH H及溫度及溫度的影響。因此，的影響。因此，K Kmm值作為常數(shù)，只是對(duì)一定的底物、值作為常數(shù)，只是對(duì)一定的底物、p pH H及溫度及溫度條件而言。測(cè)定酶的條件而言。測(cè)定酶的K Kmm值，可以作為鑒別酶的一種手段，但必值，可以作為鑒別酶的一種手段，但必須在指定的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。須在指定的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。同一種酶有幾種底物就有幾個(gè)同一種酶有幾種底物就有幾個(gè)K Kmm值。其值。其K Kmm值最小的底物，一值最小的底物，一般稱為該酶的最適底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底般稱為該酶的最適底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底物。物。1/ 1/K Kmm可以近似地反映酶對(duì)底物親和力的大小，可以近似地反映酶對(duì)底物親和力的大小，1/ 1/K Kmm愈大，表愈大，表明親和力越大，最適底物與酶的親和力最大，不需很高的底物明親和力越大，最適底物與酶的親和力最大，不需很高的底物濃度，就可較易地達(dá)到濃度，就可較易地達(dá)到v vmamax x。 米 氏 常 數(shù) 的 測(cè) 定 目前，一般用的圖解求Km值法為蘭微福布克作圖法或稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程改寫成如下的形式，即： 實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇不同的S，測(cè)定對(duì)應(yīng)的v。求出兩者的倒數(shù)，作圖即可得出如下圖的直線。量取直線在兩坐標(biāo)軸上的截距1/vmax和 -1/Km ，就可以求出Km及vmax。max