第十二章-廢水生化處理理論基礎(chǔ)課件

第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)1廢水處理工藝城市污水處理系統(tǒng)簡介格柵沉砂一沉池消毒低效處理穩(wěn)定塘曝氣塘高效處理活性污泥生物濾池生物轉(zhuǎn)盤二沉池消毒三級處理二級處理一級處理預(yù)處理溶解性固體反滲透電解蒸餾有機(jī)物活性炭吸附懸浮物化學(xué)絮凝過濾除磷化學(xué)沉淀脫氮硝化-反硝化離子交換折點氯化吹脫污泥處理生物處理濃縮、消化脫水、過濾離心、干化非生物處理濃縮、調(diào)理脫水、過濾離心、焚燒進(jìn)水出水出水出水污泥處置消毒廢水處理工藝城市污水處理系統(tǒng)簡介格柵一沉池消毒低效處理高2生物處理系統(tǒng)三個基本要素:作用者：微生物作用對象：可被微生物利用的污染物，如有機(jī)物環(huán)境條件：DO、pH、T、ORP、營養(yǎng)物質(zhì)等生物處理系統(tǒng)三個基本要素:3污水生物處理類型

（微生物對溶解氧的需求不同）好氧生物處理：水中存在溶解氧缺氧生物處理：水中無分子氧但有化合態(tài)氧厭氧生物處理：水中既無分子氧又無化合態(tài)氧污水生物處理類型

（微生物對溶解氧的需求不同）好氧生物處理：4污水生物處理類型

（微生物生長方式不同）懸浮生長法

典型代表：活性污泥法附著生長法

典型代表：生物膜法污水生物處理類型

（微生物生長方式不同）懸浮生長法5主要參考書1、高廷耀、顧國維、周琪主編：水污染控制工程（第三版）高等教育出版社2、梅特卡夫和埃迪公司：廢水工程處理及回用化學(xué)工業(yè)出版社3、張自杰排水工程（下冊）（第四版）中國建筑工業(yè)出版社4、張自杰主編：廢水處理理論與設(shè)計中國建筑工業(yè)出版社5、張忠祥、錢易：廢水生物處理新技術(shù)清華大學(xué)出版社6、R.E.斯皮斯著工業(yè)廢水的厭氧生物技術(shù)中國建筑工業(yè)出版社7、相關(guān)設(shè)計規(guī)范《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006)(2011年修訂版）環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范(環(huán)保部網(wǎng)站）（/hjbhbz/bzwb/other/hjbhgc/）等主要參考書1、高廷耀、顧國維、周琪主編：水污染控制工程（第三6環(huán)境生物技術(shù)

EnvironmentalBiotechnologyEnvironmentalBioengineering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。環(huán)境生物技術(shù)的核心是微生物工程環(huán)境生物技術(shù)EnvironmentalBiot7微生物對污染物降解的巨大潛力_____個體微小、比表面積大、代謝速率快較大的酵母菌，一般為橢圓形，寬1-5um,長5-30um。_____比表面積大：大腸桿菌與人相比，其比表面積約為人的30萬倍，為營養(yǎng)物的吸收與代謝產(chǎn)物的排泄奠定了基礎(chǔ)；______代謝速度快：發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1hr內(nèi)可分解其自重的1000~10000倍；假絲酵母（Candidautilis）合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍，比食用公牛強(qiáng)10萬倍。微生物對污染物降解的巨大潛力_____個體微小、比表面積大、8種類繁多、分布廣泛、代謝類型多樣W.B.Whitman(U.OfGeorgia)細(xì)菌普查，地球上存在51030個細(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；Pseudomonascepacia：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養(yǎng)物質(zhì)分解利用。種類繁多、分布廣泛、代謝類型多樣W.B.Whitman9繁殖快、易變異、適應(yīng)性強(qiáng)大腸桿菌在條件適宜時17min就分裂一次；有一種假單胞細(xì)菌在不到10min就分裂一次；低溫、高溫、高壓、酸、堿、鹽、輻射等條件下可以快速適應(yīng)；對于進(jìn)入環(huán)境中的“陌生”污染物，微生物可通過突變而改變原來的代謝類型而降解之繁殖快、易變異、適應(yīng)性強(qiáng)大腸桿菌在條件適宜時17min就分裂10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。然而，由于工業(yè)和城市的飛速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，特別是發(fā)展中國家，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)。污水生物處理的歷程及前景展望廢水生物處理技術(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，11主要缺點：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)施的基建投資和運行費用很高、運行不夠穩(wěn)定、難降解有機(jī)物處理效果差等。從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略觀點來衡量：廢水生物處理有消耗大量有機(jī)碳、剩余污泥量大、釋放較多二氧化碳等缺點。利用微生物的無窮潛力和反應(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。廢水生物處理工藝必將取得更大的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。主要缺點：生化環(huán)境不夠理想、微生物數(shù)量不夠多、反應(yīng)12細(xì)菌的呼吸與生物氧化病毒（噬菌體）細(xì)菌的生理微生物代謝與合成真核細(xì)胞微生物分批培養(yǎng)物的生長規(guī)律需氧代謝厭氧代謝原核細(xì)胞微生物細(xì)菌的生物催化劑——酶細(xì)菌成分、營養(yǎng)與生長環(huán)境水處理中的微生物第十二章廢水生化處理理論基礎(chǔ)細(xì)菌的呼吸與生物氧化病毒（噬菌體）細(xì)菌的微生物代真核細(xì)胞微生13第一節(jié)水處理中的微生物細(xì)菌：給水和廢水處理中最重要的一類微生物菌膠團(tuán)：有些細(xì)菌的粘液層能粘結(jié)起來，使許多細(xì)菌成團(tuán)塊狀生長，稱為菌膠團(tuán)。菌膠團(tuán)細(xì)菌：并非所有的細(xì)菌都能形成菌膠團(tuán)，能夠形成菌膠團(tuán)的細(xì)菌稱為菌膠團(tuán)細(xì)菌。1、原核細(xì)胞生物僅有原始的核物質(zhì)，無核膜與核仁的分化，也無細(xì)胞器第一節(jié)水處理中的微生物細(xì)菌：給水和廢水處理中最重要的一14菌膠團(tuán)：活性污泥和生物膜的重要組成部分較強(qiáng)的吸附和氧化能力活性污泥性能的好壞主要可根據(jù)所含菌膠團(tuán)多少、大小及結(jié)構(gòu)緊密程度來判斷。新生菌膠團(tuán)顏色較淺旺盛的生命力氧化分解有機(jī)物能力強(qiáng)老化菌膠團(tuán)顏色較深生命力較差氧化分解有機(jī)物能力弱為了使廢水處理達(dá)到較好的效果，要求菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密，吸附、沉降性能良好。菌膠團(tuán)：活性污泥和生物膜的重要組成部分新生菌膠團(tuán)老化菌膠團(tuán)為15細(xì)菌種類產(chǎn)堿桿菌屬動膠菌屬黃桿菌屬假單胞菌屬葡萄球菌屬微球菌屬埃希氏菌屬芽孢桿菌屬甲烷八疊球菌屬甲烷桿菌屬甲烷球菌屬需氧性細(xì)菌。細(xì)菌中較大的菌屬，在土壤和水體中極常見。有的能夠利用硝酸鹽通過厭氧呼吸進(jìn)行反硝化。兼性厭氧化能異養(yǎng)型細(xì)菌。可分解蛋白質(zhì)。細(xì)菌種類產(chǎn)堿動膠黃桿假單胞葡萄球微球埃希氏芽孢甲烷八疊甲烷甲16絲狀菌（FilamentousBacteria）維持廢水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力。在正常運行的廢水生物處理系統(tǒng)中，絲狀菌往往是生物絮體或生物膜的骨架，其上附著菌膠團(tuán)，絲狀細(xì)菌和菌膠團(tuán)細(xì)菌形成互惠關(guān)系。污泥膨脹：絲狀菌過度繁殖，特別是游離于菌膠團(tuán)之外的非結(jié)構(gòu)性絲狀菌的大量繁殖絲狀菌（FilamentousBacteria）污泥膨脹：17絲狀菌種類貝日阿托氏菌鐵細(xì)菌發(fā)硫細(xì)菌球衣菌專性需氧菌。構(gòu)成生物膜的重要菌種。易于游離，發(fā)生污泥膨脹。（加設(shè)生物選擇器控制）一般生活在含氧少、溶有較多鐵質(zhì)和二氧化碳的水中。易造成鐵質(zhì)水管腐蝕和堵塞絲狀菌種類貝日阿鐵細(xì)菌發(fā)硫球衣菌專性需氧菌。構(gòu)成生物膜的重要18放線菌單細(xì)胞微生物。具有分枝的絲狀菌，介于真菌和細(xì)菌之間。不少抗生素是由放線菌產(chǎn)生放線菌中的諾卡氏菌屬有分解無機(jī)氰化物和烴類化合物的能力，在處理含烴類和無機(jī)氰化物的廢水中起重要作用。藍(lán)細(xì)菌

有時列入藻類，也稱為藍(lán)藻。細(xì)胞結(jié)構(gòu)為原核。海洋中的“赤潮”有時也是藍(lán)細(xì)菌大量繁殖所致。放線菌藍(lán)細(xì)菌19原生動物：單細(xì)胞動物常被用作系統(tǒng)的指示生物（主要用于城市污水）。其作用主要在于吞噬細(xì)菌——控制細(xì)菌的增殖速度，保持微生物群體的生態(tài)平衡。還可直接吞食廢水中的固體有機(jī)物，吸收溶解性有機(jī)物——直接發(fā)揮凈化作用。2、真核細(xì)胞生物

細(xì)胞核化程度較高，有核膜和核仁。原生動物：單細(xì)胞動物2、真核細(xì)胞生物20真菌類似植物的低等生物，結(jié)構(gòu)比細(xì)菌、放線菌復(fù)雜。真菌形態(tài)有單細(xì)胞和多細(xì)胞兩種。與水的生物處理相關(guān)的是單細(xì)胞的酵母菌和多細(xì)胞的霉菌。藻類含有能進(jìn)行光合作用的葉綠素的低等植物。自然生物處理技術(shù)（氧化塘）常利用藻類的光合作用。真菌藻類213、病毒沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的唯一的微生物，大多數(shù)為核酸與蛋白質(zhì)組成的大分子，只含有DNA或RNA一種類型的核酸。3、病毒22第二節(jié)微生物組成與生長環(huán)境因子1、微生物組成元素——細(xì)菌生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)(必須包含該細(xì)胞物質(zhì)中所含的元素），以及酶的活力及運輸系統(tǒng)所必須的元素。細(xì)菌所含的主要生物元素：C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Cl、Fe等；根據(jù)主要元素占細(xì)菌干重的比例，判斷水質(zhì)中含有的主要元素含量是否滿足細(xì)菌生長需要量。細(xì)菌所含的次要生物元素：Zn、Mn、Cu、Co等次要元素在細(xì)菌代謝中必不可少，起專一的催化或結(jié)構(gòu)上的作用。第二節(jié)微生物組成與生長環(huán)境因子1、微生物組成元素23微生物組成水80％干物質(zhì)20％無機(jī)質(zhì)10％有機(jī)物90％C53.1%,O28.3%,N12.4%,H6.2%P50%,S15%,Na11%,Ca9%,Mg8%,K6%,Fe1%等微生物組成水干物質(zhì)無機(jī)質(zhì)有機(jī)物C53.1%,O28.3%24細(xì)菌的有機(jī)組成成分Hoover實驗式：C5H7NO2

或C60H87O23N12PHelmer實驗式：C7H10NO3

或C118H170O51N17P為了便于寫出反應(yīng)大致的化學(xué)計量關(guān)系，對反應(yīng)過程所需的物質(zhì)量進(jìn)行估算，采用下式代表細(xì)菌的成分：

C5H7NO2

一般估算好氧微生物營養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝100∶5∶1厭氧微生物營養(yǎng)比例：BOD∶N∶P＝400∶5∶1細(xì)菌的有機(jī)組成成分Hoover實驗式：一般估算好氧微生物營養(yǎng)25各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃。可分為最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度（是指微生物生長速度最快時溫度）。2、影響微生物生長的環(huán)境因素溫度溫度超過最高生長溫度時，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。低溫會使微生物代謝活力降低，生長繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但可能仍保存其生命力。類別生長溫度（℃）備注最低最適最高低溫性微生物-5～010～2025～30水生微生物中溫性微生物5～1020～4045～50大多數(shù)腐生性微生物以及所有寄生性微生物高溫性微生物25～4550～6070～80土壤、堆肥、溫泉中的微生物各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃。26

不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。需要指出的是pH值是指混合液而言。對于堿性廢水，生化反應(yīng)可以起緩沖作用。對于以有機(jī)酸為主的酸性廢水，生化反應(yīng)也可以起緩沖作用。

pH值對細(xì)菌生長的影響，主要是可以改變底物和菌體酶蛋白的帶電狀態(tài)。

細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。影響微生物生長的環(huán)境因素pH值不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。需要指出的是pH值27氧化還原電勢：各種細(xì)菌生活時要求的氧化還原條件不同。氧化還原條件的高低可用氧化還原電勢E來表示。一般需氧細(xì)菌要求E在0.3～0.4V左右，但E在0.1V以上均可生長；厭氧菌則需要E在0.1V以下才能生活；對于兼性細(xì)菌來說，E在0.1V以上，進(jìn)行需氧呼吸，E在0.1V以下，則進(jìn)行厭氧呼吸。在廢水生物處理的一般運轉(zhuǎn)情況下，需氧的活性污泥法系統(tǒng)，E常在200～600mV之間。生物濾池（高負(fù)荷）法濾池出水的E隨著濾池處理效率的降低，自311mV降至-39mV，二次沉淀池出水E可降至-89mV，這是由于氧的消耗和還原性物質(zhì)如氫的硫化氫的產(chǎn)生造成的。厭氧生物處理中污泥消化池中E值常保持在-100～-200mV的范圍內(nèi)。影響微生物生長的環(huán)境因素ORP氧化還原電勢：各種細(xì)菌生活時要求的氧化還原條件不同。氧化28影響微生物生長的環(huán)境因素

溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以2～4mg/L為宜；厭氧生物處理溶解氧在0.5mg/L以下?；钚晕勰嘈跄w的大小不同，所需要的最小溶解氧濃度也就不一樣。絮凝體越小，與污水的接觸面積越大，也越利于對氧的攝取，所需要的溶解氧濃度就小。反之絮凝體大，則所需的溶解氧濃度就大。為了使沉降分離性能良好，較大的絮凝體是所期望的，因此溶解氧濃度以2-3mg/L左右為宜。溶解氧溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。溶解氧29在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)，主要包括人工合成有機(jī)物和重金屬等。在廢水生物處理時，對這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。有毒物質(zhì)影響微生物生長的環(huán)境因素

馴化：廢水生物處理中，有計劃、有目的地控制細(xì)菌生長條件，件使細(xì)菌遺傳性有利于處理廢水的定向誘導(dǎo)過程。其目的是使微生物適應(yīng)環(huán)境。在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的30吸收能量，進(jìn)行合成反應(yīng)將吸收的營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)的過程提供基質(zhì)同化作用第三節(jié)微生物新陳代謝分解反應(yīng)，放出能量，將自身細(xì)胞物質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)分解的過程。異化作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源1、對有機(jī)物的去除，二者都有重要貢獻(xiàn)；2、合成量的大小，對后續(xù)污泥的處理有直接影響（污泥的處理費用一般可以占整個城市污水處理廠的40~50%）。吸收能量，進(jìn)行提供基質(zhì)同化第三節(jié)微生物新陳代謝分解反應(yīng)，放31磷酸根+代謝過程中的能量循環(huán)能量循環(huán)：三磷酸腺苷ATP(adenosinetriphosphate)AMP+～P→ADP+～P→ATPADP磷酸化生成ATP；ATP水解產(chǎn)生能量。低能化合物高能化合物ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP磷酸根+代謝過程中的能量循環(huán)低能化合物高能化合物ATP能量生32微生物的呼吸類型微生物的呼吸指微生物獲取能量的生理功能好氧呼吸厭氧呼吸根據(jù)氧化的底物、氧化產(chǎn)物的不同按反應(yīng)過程中的最終受氫體的不同自養(yǎng)型微生物無氧呼吸異養(yǎng)型微生物發(fā)酵根據(jù)受氫體的不同分為微生物的呼吸類型微生物的呼吸指微生物獲取能量的33好氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氫體化學(xué)反應(yīng)式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ無氧呼吸無機(jī)物C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ發(fā)酵能量利用率26％有機(jī)物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ好氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵三種呼吸方式，獲得的能量水平不同，34光能營養(yǎng)菌：利用光和作用機(jī)構(gòu)，將光能轉(zhuǎn)化為ATP的高能磷酸鍵，分為光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型。類型電子供體電子受體代表細(xì)菌光能自養(yǎng)型H2OCO2藍(lán)細(xì)菌（含葉綠素）H2S，S，H2CO2著色細(xì)菌綠細(xì)菌光能異養(yǎng)型各種有機(jī)物有機(jī)物紅螺菌科（Rhodospirillum）光能營養(yǎng)細(xì)菌類型

光能營養(yǎng)菌：利用光和作用機(jī)構(gòu)，將光能轉(zhuǎn)化為ATP的高能磷酸鍵35化能有機(jī)營養(yǎng)菌：能利用有機(jī)物作為電子供體的稱為化能有機(jī)營養(yǎng)菌，或者化能異養(yǎng)菌，它們包括各種需氧菌和厭氧菌。類型電子供體電子受體碳源代表細(xì)菌化能有機(jī)營養(yǎng)有機(jī)物O2有機(jī)物各種細(xì)菌有機(jī)物NO3-有機(jī)物地衣芽孢桿菌有機(jī)物SO42-有機(jī)物硫酸鹽還原菌有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物梭菌、乳酸菌化能無機(jī)營養(yǎng)H2O2CO2氫-氧化細(xì)菌H2SO2CO2硫桿菌H2SNO3-CO2脫氮硫桿菌Fe2+O2CO2氧化亞鐵硫桿菌NH3O2CO2亞硝酸單胞菌NO2-O2CO2硝化桿菌H2CO2CO2產(chǎn)甲烷細(xì)菌H2CO2CO2醋桿菌化能營養(yǎng)細(xì)菌類型化能有機(jī)營養(yǎng)菌：能利用有機(jī)物作為電子供體的稱為化能有機(jī)營養(yǎng)菌36營養(yǎng)物CO2＋H2O新生細(xì)胞有機(jī)化合物合成細(xì)菌能量O2a好氧、異養(yǎng)菌營養(yǎng)物NO2－或NO3－新生細(xì)胞CO2合成細(xì)菌能量O2b好氧、自養(yǎng)菌NH4＋營養(yǎng)物CO2＋CH4新生細(xì)胞有機(jī)化合物合成細(xì)菌能量c厭氧、異養(yǎng)菌細(xì)菌代謝類型示意圖營養(yǎng)物CO2＋H2O新生細(xì)胞有機(jī)化合物合成細(xì)菌能量O2a好37好氧活性污泥中微生物的代謝產(chǎn)物模式圖：有機(jī)污染物CxHyOz代謝產(chǎn)物CO2,H2O合成細(xì)胞物質(zhì)C5H7NO2+O2微生物+能量+O2（內(nèi)源呼吸）內(nèi)源呼吸產(chǎn)物CO2、H2O內(nèi)源呼吸殘留物合成代謝分解代謝+能量好氧活性污泥中微生物的代謝產(chǎn)物模式圖：有機(jī)污染物代謝產(chǎn)物合成38有機(jī)污染物1/32/3無機(jī)物+能細(xì)胞物質(zhì)20%80%無機(jī)物+能殘留物質(zhì)有機(jī)污染物的降解主要是通過靜止期、衰亡期微生物的內(nèi)源呼吸進(jìn)行，并非直接的生物氧化(僅33％)。有機(jī)1/32/3無機(jī)物+能細(xì)胞物質(zhì)20%80%無機(jī)物+能殘留39酶（enzyme）：由活細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有高度催化專一性的特殊蛋白質(zhì)。第四節(jié)細(xì)菌的生物催化劑——酶酶的名稱催化反應(yīng)氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶水解酶異構(gòu)酶裂解酶合成酶酶（enzyme）：由活細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有高度催化專一性40影響酶催化活性的因素pH值：當(dāng)?shù)孜餅閮尚噪娊赓|(zhì)時，隨pH變化表現(xiàn)出不同的解離狀態(tài)。溫度：在酶的最適宜溫度范圍內(nèi)，每升高10oC，反應(yīng)速率增加1～2倍。激活劑：加強(qiáng)催化效力。常用Fe2+抑制劑：減弱、抑制甚至破壞酶的作用。如重金屬離子失活酶活性酶NH3+COOH失活酶NH2COO-COO-NH3+H+H+OH-OH-影響酶催化活性的因素pH值：當(dāng)?shù)孜餅閮尚噪娊赓|(zhì)時，隨pH變化41一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，為酶促反應(yīng)。反應(yīng)速率受酶濃度、底物濃度、pH、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素的影響。在底物足夠又不受其他因素影響時，酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。當(dāng)?shù)孜餄舛仍谳^低范圍內(nèi)，而其他因素恒定時，這個反應(yīng)速度與底物濃度成正比，是一級反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，再增加底物的濃度對速度就無影響，是零級反應(yīng)，但各自達(dá)到飽和時所需的底物濃度并不相同，甚至差異有時很大。二、酶促反應(yīng)速度——底物濃度對酶反應(yīng)速率的影響一切生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，為酶促反應(yīng)。反應(yīng)速二、酶42目前較公認(rèn)的是1913年由Michuelis和Menten首先提出的中間產(chǎn)物學(xué)說。基本論點是，首先由酶（E）和底物（S）結(jié)合生成中間產(chǎn)物（ES），然后中間產(chǎn)物再形成產(chǎn)物（P），同時使酶（E）重新游離出來，表示為下列反應(yīng)式中，S代表產(chǎn)物，E代表酶，ES代表酶－產(chǎn)物中間產(chǎn)物（絡(luò)合物），P代表產(chǎn)物。中間產(chǎn)物假說目前較公認(rèn)的是1913年由Michuelis和Mente43米氏方程式表示整個反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系，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)。由上式得：該式表明，當(dāng)Vmax/V=2或V=1/2Vmax時，Km=S，即Km是V=1/2Vmax時的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。米氏方程式米氏方程式表示整個反應(yīng)中底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系44

⑴當(dāng)?shù)孜餄舛萐很大時，S?Km，Km+S≈S，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，即V=Vmax,呈零級反應(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。

⑵當(dāng)?shù)孜餄舛萐較小時，S?Km，Km+S=Km，酶反應(yīng)速度和底物濃度成正比例關(guān)系，即呈一級反應(yīng)。此時，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，呈混合級反應(yīng)。

實際應(yīng)用時，我們采用了微生物濃度cx代替酶濃度cE。通過試驗，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)時的底物的濃度，故又稱半速度常數(shù)。⑴當(dāng)?shù)孜餄舛萐很大時，S?Km，Km+S≈S，酶反應(yīng)速45vmaxn=00<n<1n=1KS底物濃度[S]1/2vmax酶反應(yīng)速度vvmaxn=00<n<1n=1KS底物濃度[S]1/2vm461．米氏常數(shù)的意義①Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)②如果一種酶有幾種底物，則對每一種底物各有一個Km值.③同一種酶有幾種底物相應(yīng)有幾個Km值，其中Km值最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。

2.Km與Vmax的測定一般常用的圖解法為Lineweaver-Burk作圖法，也稱雙倒數(shù)作圖法。此法先將米氏方程式改寫為如下形式：關(guān)于米氏方程的幾點說明1．米氏常數(shù)的意義關(guān)于米氏方程的幾點說明47第十二章--廢水生化處理理論基礎(chǔ)ppt課件48第五節(jié)微生物的生長生物個體物質(zhì)有規(guī)律地、不可逆增加，導(dǎo)致個體體積擴(kuò)大的生物學(xué)過程。生長：生物個體生長到一定階段，通過特定方式產(chǎn)生新的生命個體，即引起生命個體數(shù)量增加的生物學(xué)過程。繁殖：生長是一個逐步發(fā)生的量變過程，繁殖是一個產(chǎn)生新的生命個體的質(zhì)變過程。增殖曲線、影響因子、生化動力學(xué)第五節(jié)微生物的生長生物個體物質(zhì)有規(guī)律地、不可逆增加，導(dǎo)致49注意：1）間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2）底物是一次投加微生物量時間氧利用速率曲線微生物增殖曲線(M)BOD變化曲線(F)一、微生物的增殖曲線注意：1）間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2）底物是一次投加微生物量時間氧利用50活性污泥的增殖曲線的分區(qū)可將增殖曲線分為四個時期1)適應(yīng)期2)對數(shù)增殖期3)減速增殖期4)內(nèi)源呼吸期適應(yīng)期對數(shù)期減速期內(nèi)源期活性污泥的增殖曲線的分區(qū)可將增殖曲線分為四個時期適對減內(nèi)51適應(yīng)期

1）定義：微生物對于新的環(huán)境條件、污水中不同種類的有機(jī)物污染物等的短暫的適應(yīng)過程；有些教材中也叫做停滯期2）活性污泥微生物的變化：數(shù)量基本沒有變化；菌體體積增大；酶系統(tǒng)相應(yīng)調(diào)整；新的變異；等。3）水質(zhì)指標(biāo)基本無變化。適應(yīng)期1）定義：微生物對于新的環(huán)境條件、污水中不同種類52如果活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中（營養(yǎng)類型發(fā)生變化、污泥培養(yǎng)馴化），或污水處理廠因故中斷運行后再運行，則可能出現(xiàn)適應(yīng)期。這種情況下，污泥需經(jīng)過若干時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)。適應(yīng)期是否存在或適應(yīng)期的長短，與接種活性污泥的數(shù)量、廢水性質(zhì)、生長條件等因素有關(guān)。如果活性污泥被接種到與原來生長條件不同的廢水中（53對數(shù)增殖期微生物的增值速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，僅由微生物本身特有的最小世代時間所控制，即只受微生物自身生理機(jī)能的限制；微生物以最高速率對有機(jī)物進(jìn)行攝取，以最高速率增殖，合成新細(xì)胞；活性污泥具有高的能量水平，微生物的活動能力很強(qiáng)，污泥質(zhì)地松散，不易形成較好的絮凝體，沉淀性能不佳；F/M值高(2.2kgBOD/kgVSS.d)，有機(jī)物豐富，營養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；活性污泥的代謝速率極高，需氧量大；對數(shù)增殖期微生物的增值速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，僅由微54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數(shù)增殖期。處于對數(shù)增殖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，含有機(jī)物濃度較高，活性強(qiáng)沉淀不易，用濾紙過濾時，濾速很慢。一般不采用此階段作為運行工況。（但也有這樣的工藝，如高負(fù)荷活性污泥法）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55減速增殖期（靜止期）F/M值下降到一定水平后，有機(jī)物的濃度成為微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率與殘存的有機(jī)物呈正比，為一級反應(yīng)；有機(jī)底物的降解速率也開始下降；微生物的增殖速率在逐漸下降，直至最終下降為零，但活性污泥的量仍持續(xù)增長并最終達(dá)到最高；絮凝體開始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均較好；出水水質(zhì)有較大改善，且整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定；處于減速增殖期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上層液清澈，以濾紙過濾時濾速快。大多數(shù)運行效果好污水廠曝氣池的運行工況。減速增殖期（靜止期）F/M值下降到一定水平后，有機(jī)物的濃度成56內(nèi)源呼吸期內(nèi)源呼吸的速率在本期之初首次超過了合成速率，因此從整體上來說，活性污泥的量在減少，最終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物，而這些物質(zhì)多是難于降解的細(xì)胞壁等；污泥的無機(jī)化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機(jī)物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好；處于衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有細(xì)小泥花，以濾紙過濾時，濾速快。注意合成產(chǎn)率系數(shù)和觀測產(chǎn)率系數(shù)。一般不采用這一階段作為運行工況，但也有采用，如延時曝氣法。內(nèi)源呼吸期內(nèi)源呼吸的速率在本期之初首次超過了合成速率，因此從57二、微生物生長的影響因子微生物要求的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營養(yǎng)源、氮素營養(yǎng)源、無機(jī)鹽及生長因素。影響微生物生長的影響因子微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)二、微生物生長的影響因子微生物要求的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞58各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃?？煞譃樽畹汀⒆罡吆妥钸m生長溫度（是指微生物生長速度最快時溫度）。微生物可以分為中溫性（20～45℃）、好熱性（高溫性）（45℃以上）和好冷性（低溫性）（20℃以下）三類。當(dāng)溫度超過最高生長溫度時，會使微生物的蛋白質(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。低溫會使微生物代謝活力降低，進(jìn)而處于生長繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。影響微生物生長的影響因子微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃。微生物59不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。影響微生物生長的影響因子微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。微生物的營養(yǎng)溫60影響微生物生長的影響因子溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以2～4mg/L為宜。微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。微生物的營養(yǎng)溫61影響微生物生長的影響因子在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生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)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。在廢水生物處理時，對這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。微生物的營養(yǎng)溫度pH值溶解氧有毒物質(zhì)馴化：廢水生物處理中，有計劃、有目的地控制細(xì)菌生長條件，件使細(xì)菌遺傳性有利于處理廢水的定向誘導(dǎo)過程。其目的是使微生物適應(yīng)環(huán)境。在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)62三、微生物生長動力學(xué)——Monod方程基質(zhì)濃度（S）比增殖速率（μ）一級反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級反應(yīng)區(qū)（0＜n＜1）零級反應(yīng)區(qū)（n=0）Ks莫諾于1942年和1950年曾兩次進(jìn)行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)試驗，關(guān)聯(lián)出微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。莫諾發(fā)現(xiàn)微生物比增殖速率和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系與酶促反應(yīng)速度與基質(zhì)濃度之間的關(guān)系相同，從而提出了與米—門方程式相似的莫諾模式三、微生物生長動力學(xué)——Monod方程基質(zhì)濃度（S）比增殖速63

莫諾特方程：微生物增長速度和微生物本身的濃度、底物濃度之間的關(guān)系。

式中：S——底物濃度，mg/L；

μ——微生物比增長速度，即單位生物量的增長速度。式中：x——微生物濃度，mg/L；

μmax——μ的最大值，底物濃度很大，不再影響微生物的增長速度時的μ值；

KS——飽和常數(shù)，即當(dāng)μ=μm/2時的底物濃度，故又稱半速度常數(shù)。

莫諾特方程：微生物增長速度和微生物本身的濃度、底物濃度64米—門公式（1913）Michaelis—MentenV—酶反應(yīng)速度；Vmax—最大酶反應(yīng)速度；S—基質(zhì)濃度；Km—米氏常數(shù)?；|(zhì)濃度（S）酶反應(yīng)速度（V）一級反應(yīng)區(qū)（n=1）混合級反應(yīng)區(qū)（0＜n＜1）零級反應(yīng)區(qū)（n=0）Km純酶單一基質(zhì)培養(yǎng)米—門公式（1913）V—酶反應(yīng)速度；基質(zhì)濃度（S）酶反應(yīng)65莫諾模式是通過單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)試驗得出的，但活性污泥處理系統(tǒng)的微生物是多種屬的微生物群體，污水中的有機(jī)基質(zhì)也是多種類的，莫諾方程能否應(yīng)用？莫諾模式是通過單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)試驗得出的，但活性污泥處理66注：速率與比速率的比較

絕對速率是單位時間單位反應(yīng)體積某一組分的變化量。比速率是以單位濃度細(xì)胞為基準(zhǔn)而表示的各個組分的變化速率。Cx、Cs、CO——分別為細(xì)胞、底物和氧的濃度細(xì)胞生長速率基質(zhì)消耗速率細(xì)胞生長比速率氧消耗速率基質(zhì)消耗比速率氧消耗比速率注：速率與比速率的比較絕對速率67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反應(yīng)速度。

生化反應(yīng)動力學(xué)目前的研究內(nèi)容：(1)底物降解速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(guān)系；(2)微生物增長速率與底物濃度、生物量、環(huán)境因素等方面的關(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。四．生化反應(yīng)動力學(xué)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)。四68在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度可以用單位時間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量來表示。在廢水生物處理中，是以單位時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)過程的一個重要規(guī)律。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），也可以叫做生物體產(chǎn)量。在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度可以用單位時間里底物的減少量、69生物體產(chǎn)量：生物體的生產(chǎn)量與基質(zhì)消耗量的比值定義為生物體產(chǎn)量，與所利用的電子供體有關(guān)。在廢水好氧處理過程中，一般用葡萄糖代表廢水中的有機(jī)物（基質(zhì)），

有機(jī)物的好氧生物降解過程中，好氧微生物的合成：3(180)8(32)2(17)2(113)根據(jù)葡萄糖的消耗，計算微生物的產(chǎn)量：生物體產(chǎn)量：生物體的生產(chǎn)量與基質(zhì)消耗量的比值定義為生物體產(chǎn)量70微生物細(xì)胞組織氧化分解的COD：同理，葡萄糖的COD通過其氧化反應(yīng)計算，有：用COD表示細(xì)菌的產(chǎn)量，有：Y＝0.39g細(xì)胞COD/g利用的COD在處理工藝中，實際觀測的產(chǎn)量將低于上述數(shù)值。微生物細(xì)胞組織氧化分解的COD：同理，葡萄糖的COD通過其氧71在一切生化反應(yīng)中，微生物的增長是底物降解的結(jié)果，彼