內科大水污染控制工程課件03廢水生物處理的基本概念和生化反應動力學基礎

水污染控制工程第3章廢水生物處理的基本概念和生化反應動力學基礎目錄第一節廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理第二節微生物的生長規律和生長環境第三節反應速度和反應級數第四節米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式第五節莫諾特（Monod）方程式第六節廢水生物處理工程的基本數學摸式第一節廢水的好氧生物處理和厭氧生物處理一、微生物的呼吸類型二、廢水的好氧生物處理三、廢水的厭氧生物處理一、微生物的呼吸類型

微生物的呼吸指微生物利用營養物質獲取能量的生理功能。微生物的呼吸按呼吸過程與氧的關系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。1.好氧呼吸（1）異養微生物的好氧呼吸：以有機物為底物，最終產物為二氧化碳、氨和水等無機物，同時釋放能量。

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3KJC11H29O7N+14O2+H+→11CO2+13H20+NH4++能量（2）自養微生物好氧呼吸：以無機物為底物，其最終產物也是無機物，同時釋放能量。

H2S+2O2→H2SO4+能量

NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量2.厭氧呼吸（1）發酵：指供氫體和受氫體都是有機物的生物氧化作用，最終受氫體無需外加，就是供氫體的分解產物。（大分子→小分子）

C6H12O6→2CH3COCOOH+4[H]2CH3COCOOH→2CO2+2CH3CHO4[H]+2CH3CHO→2CH3CH2OH

總反應式：

C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ

（2）無氧呼吸：指以無機氧化物，如NO3-、NO2-、SO42-等代替分子氧，作為最終受氫體的生物氧化作用。如反硝化作用：C6H12O6+6H2O→6CO2+24[H]24[H]+4NO3-→2N2↑+12H20總反應式：

C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6KJ同一種底物：通過呼吸釋放的能量：好氧呼吸>無氧呼吸>發酵(p60,表11-1）二、廢水的好氧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物為無機物，使其穩定、無害化的處理方法。處理對象：以膠體或溶解態存在的有機物。適用范圍：中、低濃度有機廢水，或BOD5小于500mg/l的有機廢水。特點：反應速度較快，所需反應時間較短，故處理構筑物容積小，處理過程散發臭氣較少圖11-1好氧生物處理過程中有機物轉化示意圖

好氧生物處理是利用微生物的新陳代謝功能，把1/3有機物分解為無機物，把2/3有機物合成為微生物自身，當活性污泥進入二沉池時，作為剩余污泥排放，達到了有機物的穩定化和無害化。有機物+氧M分解代謝合成代謝原生質H2O、CO2、NH3+能量內源呼吸凈增細胞物質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-能量三、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作用，對有機物進行生物降解的過程，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象是：高濃度有機工業廢水、城鎮污水的污泥、動植物殘體及糞便等。適用范圍：有機污泥和高濃度有機廢水（一般BOD5≥2000mg/l）特點：不需加氧，故運行費用低，剩余污泥少，可回收能量。缺點反應速度慢，反應時間長，處理構筑物容積大。

I類產物甲酸甲醇甲胺乙酸等

通過不同途徑轉化為CH4、CO2等

廢水或污泥中不溶態大分子有機物

蛋白質多糖脂類

氨基酸C6H12O6甘油脂肪酸

II類產物

丙酸丁酸乳酸乙醇等

水解酸化產氫產乙酸

產甲烷

發酵菌

甲烷菌

產氫產乙酸菌

CO2[H]乙酸發酵菌圖3-2厭氧生物處理過程中有機物轉化示意圖

廢水的厭氧生物處理可分為三個階段，大分子有機物（不溶性）→小分子有機物（溶解性）、無機物→有機酸、無機物→CH4、CO2、NH3、H2S，使有機物得以降解和穩定。第二節微生物的生長規律和生長環境一、微生物的生長規律按微生物的生長速度，其生長可分為四個期：停滯期、對數期、靜止期、衰老期。停滯期：微生物的生長速度從零逐漸開始增加，細菌總數增加。出現于污泥培養馴化階段，或水質發生變化、停產后又生產階段。對數期：微生物以最大速度增長，細菌總數快速增加。當廢水中有機物濃度高，且培養條件適宜，可能處于對數期。處于對數期的微生物降解有機物速度快，但沉降性能差。靜止期：微生物生長速度開始下降，細菌總數達到平衡。當廢水中有機物濃度降低，污泥濃度較高時，微生物可能處于靜止期。此時污泥絮凝性好，二沉池出水水質最好。衰老期：微生物生長速度變為負值，細菌總數下降。當有機物濃度低，營養物明顯不足，則可能處于衰老期。此時污泥較松散，沉降性能好，出水中有細小泥花。二、微生物的生長環境1.微生物的營養：碳源、氮源、磷源是微生物生長所需的必要營養物質，其比例一般為BOD5：N：P=100：5：1。2.溫度：按溫度可把微生物分為低溫性（5-20℃）、中溫性（20-45℃）、高溫性（45-80℃）三類。好氧生物處理中，以中溫性微生物為主，所以適宜溫度為25-40℃。厭氧生物處理甲烷菌為中溫菌，其它階段為高溫菌，所以厭氧生物處理如果產甲烷溫度控制在33-38℃，如果不產甲烷，只是發酵產酸溫度控制在52-57℃比較適宜。3.PH值：活性污泥最適宜的PH值范圍是6.5-8.5。4.溶解氧：是影響生物處理效果的重要因素。好氧生物處理溶解氧一般以2-4mg/L為宜。厭氧生物處理不能有氧。5.有毒物質：重金屬等有毒物質能使微生物細胞結構遭到破壞以及生物酶變性，失去活性。第三節反應速度和反應級數一、反應速度二、反應速率方程和反應級數一、反應速度

在生化反應中，反應速度是指單位時間單位體積內底物的減少量、產物或細胞質的增加量。例生化反應：S→y·X+z·P反應速度：如果反應過程V恒定，則反應速度：三個組分的反應速度之間的關系：二、反應速率方程和反應級數等溫恒容不可逆反應：

aA+Bb+cC→dD+Ee+…反應速率方程反應級數：

x+y+z=0零級反應

x+y+z=1一級反應

x+y+z=2二級反應

x+y+z=3三級反應

第四節米歇里斯-門坦（Michaelis-Menten）方程式

米氏在一切生化反應都是在酶催化進行的前提下，提出微生物分解代謝的酶反應方程式：米氏方程式：式中：ν—酶反應速度

νmax—最大酶反應速度

CS—底物濃度

Km—米氏常數（半速度常數）圖11-10酶反應速度與底物濃度的關系底物濃度CSKm酶反應速度ν1/2νmaxνmax0混合級反應區（0<n<1）零級反應區（n=0）一級反應區（n=1）分析米氏方程式當CS很大時，即CS》Km時，ν=νmax，呈零級反應，此時酶與底物全部結合為ES，所以增加底物濃度，對酶反應速度無任何影響。當CS很小時，即CS《Km時，，呈一級反應，ν與CS

成正比，此時部分酶與底物結合，所以增加底物濃度，可提高反應速度。當CS介于上述二者之間，由小到大增加時，ν與CS

呈混合級反應，即n=0-1，增加CS，ν緩慢增加。米氏方程式動力學系數米氏常數（Km）的物理意義：Km是時的底物濃度，它與酶和底物有關，一個酶和一個底物對應一個Km，1/Km表示酶與底物的親和力，1/Km越大，親和力越大。米氏方程式動力學系數確定法：蘭維福-布克（Lineweaver-Burk）作圖法（雙倒數作圖法）圖11-11作圖法求km和νmax示意第五節莫諾特（Monod）方程式

莫諾特（Monod）方程式是Monod于1942年以純菌種