（环境工程专业论文）生物降解微生态系统优化技术的基础研究.pdf

摘要 摘要 本文从微生物生态学的理论出发，应用环境生物技术和生物降解技术的手段，进行了 生物降解微生态系统优化的技术基础研究。通过对微生态系统理论分析，讨论了优化生 物降解微生态系统的理论基础；通过复合菌群的选择富集培养和水体微生物修复试验， 研究了水体微生态系统的优化方法及其在水体修复的作用；通过复合菌群对常规生物降 解微生态系统的影响试验，研究了利用复合菌群优化构建微生态系统的方法和优化生物 降解微生态系统的应用技术。本文的主要结论如下： ( 1 ) 优化生物降解过程中微生态系统对促进生物降解技术的提高有重要作用。投加 外源复合菌群和利用反应器的生物选择作用是优化生物降解微生态系统的重要措施。 ( 2 ) 外源微生物一方面可以调节生物降解微生态系统中微生物种群和群落的相互作 用，另一方面可以提高微生态系统中微生物浓度和代谢活性，从而达到优化微生态系统 的目的。 ( 3 ) 利用选择培养基对复合菌群进行富集培养，可以得到不同优势菌为主的富集培 养液，提高了微生物的代谢活性和对环境的适应性。复合菌群富集培养效果受到培养基 碳、氮源形式培养基组成和浓度、厌氧和好氧条件、环境p h 值、菌种接种量的影响。 ( 4 ) 复合菌群经过不同富集培养，对污染水体的生物降解均具有一定的促进作用。 其中，以复合培养基培养的复合菌群的生物降解效果最佳。复合菌群的富集培养方式不 同、环境水体的有机物浓度及溶解氧浓度均影响微生物对水体修复效果，说明了环境水 体微生态系统对水体演替的影响。 ( 5 ) 复合菌群和活性污泥协同作用，可以提高系统的生物降解能力，生物降解符合 一级反应动力学方程。复合菌群对活性污泥的微生态系统具有优化作用。复合菌群共培 养污泥与引种培养污泥相比，大大改善了污泥的凝聚和沉降性能，提高了污泥的生物活 性和系统的耐冲击负荷的能力。 ( 6 ) 在生物膜系统中通过引种和共培养复合菌群后，生物膜微生态系统较活性污泥 微生态系统更加稳定。其中，利用复合菌群共培养生物膜，系统生物降解稳定性明显提 高。 ( 7 ) 结合s b r 生物选择的特点及生物膜微生态系统特点，利用复合菌群通过共培养 构建的复合菌群s b r 膜法生物降解反应器，进一步优化了生物降解微生态系统，强化 了生物降解能力。试验结果表明，系统处理出水n 0 3 - n 、n h 3 - n 、p 、c o d 的浓度分别 可以达到0 5 6 m g l 、1 3 0 m g l 、0 1 8 m g l 、4 6 0 m g l ，和对照组出水2 0 1 m g l 、1 7 0 m g l 、 o 5 2 m g l 及1 2 0 5 m g l 相比有显著提高。 关键词：微生态系统优化复合菌群富集培养生物降解 塑塑查兰塑主兰垡堡壅生塑堕塑壁生查墨竺垡些垫查塑苎! ! 堕窭 p r e l i m i n a r ys t u d i e so i lt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u eo f m i c r o - e c o s y s t e m i nb i o d e g r a d a t i o np r o c e s s e s a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fm i c r o o r g a n i s me c o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h e so no p t i m i z a t i o no ft h e b i o d e g r a d a t l o nm i c r o e c o s y s t e m w e r ec o n d u c t e d b y u s eo fe n v i r o n m e n t a l b i o t e c h n o l o g y a n d b i o d e g r a d a t i o n t e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r t h e t h e o r e t i c a lb a s i so f o p t i m i z i n gb i o d e g r a d a t i o n m i c r o - e c o s y s t e m w a sf o r m e dt h o u g ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s e s o fm i c r o - e c o s y s t e m a f t e re n r i c h m e n t i n c u b a t i o ne x p e r i m e n t so f c o m p l e xb a c t e r i u m ，e f f e c t so f t h eo p t i m i z a t i o no f w a t e rb o d ym i c r o e c o s y s t e m o n 血ei m p r o v e m e n to fw a t e rb i o r e m e d i a t i o nw e r ea l s os t u d i e d t h o u g ht h ei n f l u e n c ee x p e r i m e n t so f c o m p l e xb a c t e r i u m o nn o r t o n i b i o d e g r a d a t i o nm i c r o - e c o s y s t e m ，t h e m e t h o d so f m i c r o - e c o s y s t e m o p t i m i z a t i o n a n de s t a b l i s h m e n ta sw e l la s a p p l i c a t i o nt e c h n i q u e so fb i o d e g r a d a t i o nm i c r o - e c o s y s t e m o p t i m i z a t i o nw e r es t u d i e db yu s eo fc o m p o u n db a c t e r i u m t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h em i c r o e c o s y s t e mo p t i m i z a t i o ni nt h eb i o d e g r a d a t i o np r o c e s sh a da ni m p o r t a n tf u n c t i o no n p r o m o t i n gb i o d e g r a d a t i o nt e c h n o l o g y a d d i n ge x t r a n e o u sc o m p l e xb a c t e r i u ma n du t i l i z i n gt h er e a c t o r s b i o s e l e c t i o nw e r et h ek e ym e a s u r eo f o p t i m i z i n gt h eb i o d e g r a d a t i o nm i c r o - e c o s y s t e m ( 2 ) t h ee n t e r i cm i c r o o r g a n i s m sc o u l da d i u s tm u t u a le f f e c t sb e t w e e ns p e c i e sa n dc o m m u n i t yo f m i c r o o r g a n i s m s i nt h e b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o nm i c r o e c o s y s t e m o no n eh a n d ，a n di n c r e a s et h e m i c r o o r g a n i s mc o n c e n t r a t i o na n di t s m e t a b o l i s ma c t i v i t yo nt h eo t h e rh a n d ，f r o mw h i c ht h et a r g e to f o p t i m i z i n gm i c r o e c o s y s t e mi sr e a c h e d ( 3 ) t h ee n r i c h m e n ti n c u b a t i o no fc o m p l e xb a c t e r i u mb ys e l e c t i n gc u l t u r em e d i u mc o u l dr e c e i v et h e e n r i c h m e n ti n c u b a t i o nl i q u i dw i t hd i f f e r e n td o m i n a n tm i c r o b e sa n dr a i s em i c r o b i a lm e t a b o l i ca c t i v i t ya n d i t sa d a p t a b i l i t yt oe n v i r o n m e n t t h ee f f e c to f c o m p o u n db a c t e r i u me n r i c h m e n tc u l t u r ei sa f f e c t e db yc a r b o n a n dn i t r o g e nf o r mi nt h ec u l t u r em e d i a , c o n s t i t u t ea n dc o n c e n t r a t i o no fc u l t u r em e d i a ，a n a e r o b i ca n d a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，p ha n di n o c u l u m sc o n c e n t r a t i o no f b a c t e r i u m ( 4 ) a f t e r d i f f e r e n te n r i c h m e n t i n c u b a t i o n ，c o m p o u n d b a c t e r i u mh a v es o m ef a c i l i t a t i o nt o b i o d e g r a d a t i o no fp o l l u t e dw a t e r i nt h o s e c o m p o u n dc u l t u r em e d i ah a v et h eb e s te f 诧c to fb i o d e g r a d a t i o n r e n o v a t i o nf u n c t i o no fb a c t e r i u mt ow a t e rb o d yi sa f f e c t e db ye n r i c h m e n ti n c u b a t i o nw a y so f c o m p o u n d b a c t e r i u m ，o r g a n i cm a r e r c o n c e n t r a t i o no fe n v i r o n m e n t a lw a t e ra n dd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h e o t h e rh a n d ，i te x p l a i n si n f l u e n c eo f w a t e r m i c r o e c o s y s t e mt ow a t e r - b o d ys u c c e s s i o n ( 5 ) t h ec o o p e r a t i o no fc o m p o u n db a c t e r i u ma n da c t i v a t e ds l u d g ec o u l dr a i s eb i o d e g r a d a t i o no f s y s t e ma n di t sb i o d e g r a d a d o nm a t c h e df i r s t - o r d e rd y n a m i c a lr e a c t i o ne q u a t i o n c o m p o u n db a c t e r i u mh a d t h ee f f e c to f o p t i m i z a t i o nt oa c t i v a t e ds l u d g em i c r o - e c o s y s t e m c o m p a r e dt oi n t r o d u c t i o n - c u l t u r es l u d g e ， c o m p o u n d b a c t e r i u mc o - c u l t u r e s l u d g ei m p r o v e dc o a c i e r a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n o fs l u d g e ，i n c r e a s e d b i o l o g i c a la c t i v i t yo f s l u d g ea n ds y s t e m sr e s i s t a n c ea b i l i t yt oi m p a c tl o a d ( 6 ) i nt h es y s t e mo fb i o f i l m ，m i c r o e c o l o g yo fb i o - f i l mw a sm o r es t a b l et h a na c t i v a t e ds l u d g e sa f t e r i n t r o d u c t i o n - c u l t u r ea n dc o o p e r a t i o nc o m p o u n db a c t e r i u m a n da p p l y i n go fc o - o p e r a t i o nb i o - f i l mo f c o m p o u n db a c t e r i u m ，t h es t a b i l i t yo f b i o d e g r a d a t i o ni nt h es y s t e r nh a v ej m p r o v e d ( 7 ) c o m b i n e d w i t hb i o - s e l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs b ra n dc h a r a c t e r i s t i c o fb i o m e m b r a n e m i c r o e c o s y s t e m ，s b rm e m b r a n eb i o d e g r a d a t i o n r e a c t o rc o n s t r u c t e d b yc o c u l t u r e w i t h c o m p o u n d b a c t e r i u mh a do p t i m i z e db i o d e g r a d a t i o n m i c r o - e c o s y s t e m ，s t r e n g t h e n e db i o d e g r a d a t i o nc a p a c i t y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tc o n c e n t r a t i o no f n 0 3 - n 、n h 3 n 、p 、c o di no u t - w a t e ri nt h es y s t e r nh a di n c r e a s e d a p p a r e n t l yw i t ht h ev a l u e so f o 5 6 m g l ，1 3 0 m 【g , 0 1 8 m 鲫a n d4 6 0 mg ，ic o m p a r e dt oc o n t r o ls a m p l ew i t h t h ev a l u e so f 2 0 1 m g 九，i 7 0 m g , 0 5 2 m g ia n d1 2 0 5 m g i k e y w o r d ：m i c r o e c o s y s t e mo p t i m i z a t i o n c o m p l e xb a c t e r i u m e n r i c h m e n ti n c u b a t i o n b i o d e g r a d a t i o n 日u百 水是生命之源，是社会经济发展过程中最重要的资源。长期以来，由于对水资源 的不合理利用和废水的无序排放，导致了水资源短缺和水环境污染的日益严重，制约 了社会经济的可持续发展。为此，研究和开发经济合理、高教稳定的生物降解技术， 已经成为世界各国迫切需要解决的重要问题。 利用微生物进行污染物的生物降解技术，从它的诞生起就显示了强大的生命力， 并成为污染治理与环境保护的重要手段。随着环境生物技术的发展和生物降解理论研 究的不断深入，生物降解技术在深度和广度上都有了前所未有的发展。微生物生态学 研究及微生物多样性研究技术手段的提高，使得人们对生物降解过程的认识，从宏观 水平逐步向微观水平上发展。 一方面，环境生物技术的发展，尤其是特殊功能微生物的发现和培育、微生物固 定化技术及分子生物学技术的发展，进一步改善并强化了生物降解的技术与工艺，推 动了生物降解技术水平的提高：另一方面，通过研究微生物之间的微生态关系，优化 和构建生物降解过程中的微生态系统，成为提高生物降解的广谱性和生物降解效能的 重要途径。 因此，研究生物降解过程中微生态系统优化的技术方法，并进一步利用现代环境 生物技术的产品( 复合菌群) 优化生物降解微生态系统，对促进环境生物技术的应用 和生物降解理论与技术的提高。有重要的理论意义和实际应用价值。 本文依托水利部“9 4 8 ”项目“引进有机污水回用于农灌溉的e m 技术”、江苏省 自然科学基金项目“城市水体微生物修复技术”及科技部“8 6 3 ”项目“河网区面源污 染控制成套技术”的资助，进行了生物降解微生态系统优化技术的基础研究。 本论文的主要研究目的： ( 1 ) 通过微生态系统的理论分析，形成优化生物降解微生态系统的理论基础和技术方法； ( 2 ) 通过对复合菌群的富集选择培养及水体修复试验，研究复合菌群微生态系统演替； 影响水体微生态系统的生态因子及改善水体微生态系统对水体修复的优化作用： ( 3 ) 通过复合菌群对常规生物降解微生态系统的影响研究，形成利用外源复合菌群优化 生物降解微生态系统的方法及应用技术。 论文的主要创新点包括： ( 1 ) 提出了生物降解微生态系统优化的理论依据，以及利用外源微生物及生物选择 作用优化生物降解微生态系统的方法，为生物降解技术发展提供了新的思路； ( 2 ) 提出了通过外源微生物及生态环境因子对微生态系统调节作用，优化环境水体 a 河海大学博士学位论文生物降解微生态系统优化技术的基础研究 的微生态系统，提高微生物修复效果的方法： ( 3 ) 结合s b r 生物选择特点、生物膜微生态系统的特点，利用复合微生物菌群的 共培养技术，构建形成了复合微生物菌群生物降解微生态系统反应器技术。 b 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：叁塾2 0 0 4 年9 , e i1 2 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海 大学研究生院办理。 论文作者。签名，：叁塾 2 。4 年9 月，2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义【l 叫 1 1 1 研究目的 生物降解过程中微生物之问以及微生物与其相互之间构成了复杂的微生物生态系 统。在不同的微生物生物降解环境下，会形成相应独特的微生物生态系统。微生物生 态系统中，微生物不仅具有种类和代谢功能的多样性，而且具有共生存环境的多样性， 直接影响微生物对有机物的生物转化和生物降解过程。 微生态系统的多样性的形成原因在于：一方面由于受到微生物生理、遗传和群居适 应的影响，形成了微生物及其群落的多样性；另一方面由于生物降解系统的物理和化 学环境因子的不同和变化，也会导致系统中微生物及其群落结构的多样性。其中，特 定环境条件下系统中微生物之间的相互作用关系( 即，微生态关系) 构成了微生态系统的 重要组成部分，对微生态系统的稳定和变化起重要作用。 微生态系统能够具有对外界干扰进行自我控制和自我适应的能力，系统的结构越为 复杂，系统的稳定性越强，适应环境变化的能力也越强。因此，优化生物降解微生态 系统，为极大范围的提高生物降解的效能提供了可能。本文研究的目的： ( 1 ) 通过微生态的理论分析，讨论了优化生物降解微生态系统的理论基础和技术方法 ( 2 ) 通过对复合菌群的富集选择培养及水体修复试验，研究影响水体微生态系统的生态因 子及对水体修复的优化作用； ( 3 ) 通过复合菌群对常规生物降解微生态系统的影响研究，形成利用外源复合菌群优化生 物降解微生态系统的方法及应用技术。 1 1 2 研究的意义 ( 1 ) 水资源匮缺和水污染严重 人类真正能够利用的仅是江河湖泊以及地下水中的部分，约占地球总水量的0 2 6 。目 前，世界上有8 0 个国家约1 5 亿人口面临淡水不足，其中2 6 个国家的3 亿多人口完全生活在 缺水状态中，到2 0 1 0 年还将有8 个国家加入缺水国行列。 我国是世界上1 3 个贫水国之，水资源总量仅为28 万亿m 3 。我国6 6 8 座城市中有3 0 0 余座映水，其中1 1 0 多个城市严重缺水。到2 1 世纪中叶，全国总人口达到1 6 亿时，人均占有 水资源将下降到1 7 5 0 m 3 ，水资源的不足将严重影响我国的社会经济的发展。 坷海大学博士学位论文生物降解微生态系统优化技术的基础研究 我国现有城市中仅有1 2 3 个城市建有3 0 7 座不同处理等级的城市污水处理厂，城市污水集 中处理率仅约2 5 左右。2 0 0 2 年，我国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿t ，其中工业 废水排放量2 0 7 2 亿t ，城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿t ：废水中化学需氧量排放总量1 3 6 7 万t ， 其中工业废水化学需氧量排放量5 8 4 万t ，生活污水中排放量7 8 3 万t ；废水中n h 3 - n 排放量 1 2 9 万t ，其中工业废水n h 3 - n 排放量4 2 万t ，城镇生活污水n h 3 - n 排放量8 7 万t 。大量的污 水未经处理而直接排放，使得我国的水环境污染异常严重。目前，我国七大水系、主要湖泊、 近岸海域及部分地区的地下水都遭受到不同程度的污染。全国七大水系监测的7 5 2 个重点断面 中，i i i i 类水质占2 9 5 ，类水质占1 7 ，7 ，v 类和劣v 类水质占5 2 8 。城市水环境污 染和水资源短缺已经成为影响和制约我国经济持续稳定增长的重要因素。据专家预测，我国每 年由于水污染造成的直接经济损失约1 5 0 亿元，因缺水损失工业产值约2 3 0 0 亿元。因此，研 究和开发新型的水处理技术对我国的水环境保护和经济的可持续发展具有重要意义。 ( 2 ) 生物处理理论研究深入 随着社会经济的发展，一方面废水中成分日益复杂，尤其是废水中含有大量有毒、难降解 的有机污染物使得生物处理作用受到影响：另一方面人们对废水生物处理的效能和处理后的水 质要求也在不断提高。因此，研究开发高效经济的生物处理技术，具有广泛的应用前景。特别 是微生物基础理论研究的深入和环境生物技术的日新月异的发展，为生物降解的发展提供了理 论和技术支撑，多学科的综合交叉为生物降解技术的创新提供了重要途径。 利用生态学的原理与方法，优化生物降解过程中的微生物生态系统，对生物降解理论的发 展和生物降解技术的提高具有十分重要的意义。 1 2 常规生物降解技术的研究进展与趋势分析 1 2 1 微生物生化反应理论概述o 】 ( 1 ) 微生物反应概述 1 ) 微生物反应的特征 微生物是生物降解的主体在微生物反应过程中，微生物是反应过程的生物催化剂，它摄 取原料中的养分，通过其体内的特定酶系进行复杂的生化反应：同时，微生物本身又是一个个 微小的生化反应器，反应物透过微生物周围的细胞壁和细胞膜，进入微生物体内，在酶的作用 下进行催化反应。因此，反应体系中微生物的组成和特性以及微生物在反应过程中的演变，对 微生物反应过程起着关键作用。 微生物反应的复杂过程主要表现在：一方面，微生物反应体系中既有细胞的生长，又有 基质的消耗和产物的生成。三者的动力学规律既有联系，又有明显的差别，各自均有最佳的反 应条件。另一方面，微生物反应过程大多数包含了多种代谢途径，因而在不同的环境条件下， 第一章绪论 会得到不同的代谢产物。 此外，微生物反应过程中，微生物细胞的形态、组成、活l 生都处在动态变化过程中，微生 物细胞要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同阶段的微生物有着不同的微生物活性， 使得表征微生物的反应过程更加复杂。 2 ) 微生物反应动力学的描述 微生物反应动力学是研究生化反应过程的速率及其影响因素。生化反应动力学包含两个层 次的动力学：一是本征动力学，又称微观动力学：二是宏观动力学，又称反应器动力学。上述 模型分别从不同的层次和角度研究微生物生化反应过程。 模型的简化微生物反应动力学包括细胞生长动力学、反应基质消耗动力学和代谢产物生 成动力学。细胞生长、繁殖和代谢是一个复杂的生物化学过程，一方面该过程既包括细胞内的 生化反应，胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质俪整及反应；另一方面细胞的培养和代 谢又是一个复杂群体的生命活动，每个细胞都经历着生长、成熟直至衰老的过程，同时还伴有 退化和变异：此外，该体系还具有多相、多组分、非线性的特点。因此，为了满足工程应用的 要求，常常需要对微生物反应动力学过程进行合理的简化。微生物反应模型的简化内容包括以 下几个方面： 第一，微生物反应动力学只是对细胞群体的动力学行为的描述。不考虑细胞之间的差别， 而是取典| 生质上的平均值，从而可以建立确定论模型：如果考虑每个细胞之间的差别，则可以 建立概率论模型。 第二，如果在细胞的生长过程中，细胞内各种成分均以相同的比例增加，通过物料衡算 可以建立均衡生长的非结构模型。在考虑细胞组成变化的基础上可以建立结构模型，一般选取 r n a 、d n a 、糖类及蛋白质的含量作为过程的变量，它能从机理上描述细胞的动态行为。 第三，反应器内细胞浓度很高时，将细胞作为与培养液分离的生物相进行处理，可以建 立分离化模型。如果把细胞和培养液视为同一相，则在此基础上可以建立均一化模型。 反应速度的描述微生物的生化反应可以用下式 ；c s 为限制性基质浓 度( g l ) ；k s 等于比生长速率为最大比生长速率的一半时的限制性基质浓度。该方程称为 m o n o d 方程，它在形式上与酶催化动力学的米- 门方程( m - m ) 相似。但m o n o d 方程是从经验 得出的，常称为形式动力学。m o n o d 方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下： a ) 细胞的生长为均衡式生长，描述细胞生长的变量是细胞的浓度； b ) 只有种基质浓度是生长限制性基质，其它组分不影响细胞的生长： c ) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数： 当c s 聪时，u = u 。，若继续提高基质浓度，细胞生长速率基本不变。此时细胞比生 长速率与基质浓度无关，呈零级动力学关系。 由( 1 - 2 ) 和( 1 - 1 0 ) 可以导出细胞的生长速率公式： 舻等叩c ，= 一去c ， m 当c s k s ，以= 卢二c x ( 1 - 1 4 ) 由于方程表述简单，不足以完整地说明复杂的微生物生化反应过程。因此，一些学者同时 提出了其它一系列的模型 5 - 6 。 有抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学包括基质抑制动力学和产物抑制动力学。 基质抑制动力学在进行微生物的培养过程中，如果培养基中某种基质的浓度达到一定程 度，细胞的比生长速率将随该基质浓度的舞高而下降，表现出基质对微生物生长的抑制作用。 a n d r e w 、w e b b 、a i b a 等提出了用于描述受基质抑制的微生物生长动力学模型【5 。1 产物抑制动力学微生物在生长繁殖过程中，一些代谢产物有时会影响微生物细胞的生 长。h i n s h e l w o o d 研究了代谢产物的浓度对微生物细胞生长比速率“的几种可能影响，包括有 线性下降式、指数下降式或分段函数式。表1 1 列出一些产物抑制的模型。 表中，口表示有基质和产物抑制时的比生长速率；硒表示仅有产物抑制时的比生长速率； c r 。表示充许的最大产物浓度；k 驴为产物抑制常数：k 、k 1 分别为相应方程的经验参数；n 为产物抑制的幂指数。 表1 1 产物抑制模型 提出者模型备注 h i n s h e l w o o d 邓m “赢k c e k c e ) 线性关系 a i b a 。矗唧c - k c p ， 一。 c 3k i p c p l e l i m s k - y p p m 缸k s + csk p + cp 最常用方程之一 l e v e n s p i e ll = t 。( 1 一c 。c p 。) “ 最常用方程之一 第一章绪论 3 1 细胞浓度对其比生长速率的影响 微生物生长过程中，随着微生物的生长繁殖，微生物细胞的浓度不断增加。微生物细胞的 浓度将影响其自身的生长和繁殖，主要表现在对微生物细胞的比生长速率的影响。细胞浓度 对其生长速率的影响动力模型可以用表1 2 中的公式表达。式中，芦。表示当细胞浓度为零时 的比生长速率；k x 表示细胞抑制系数；n 表示群体数；。表示初始群体数。 表1 2 细胞浓度对其比生长速率影响的动力学模型 提出者模型 = 。一k ，t v e r h u l 或| | ：| 一 c s 一。i 、。t l 一k ；+ cs 一。f t f l ) = k 。c ： v e r h u l s t - p e a r t n = n o 3 e ”、。 4 ) 分批培养时的细胞生长动力学 微生物分批培养时，细胞的生长可分为多个不同的阶段，每一阶段细胞的生长特点不同， 细胞生长动力学的表达式也不同。主要表现为细胞比生长速率与时间t 的关系。 延迟期延迟期的时间t l 可由下式求出： 铲，一( 景 l o g 丢 m 或表示为：c ，= c ，。p “”“。 ( i 1 7 ) t l 的长短与接种量、基质浓度等因素有关。 指数生长期在此期内_ 股存在有： = m ， d c 。 1 - 1 8 ) o 2 五二一m a x 。c x 减速期细胞生长速度减慢，与基质浓度的关系符合m o n o d 方程： c 舻“百豸( 1 - 1 9 ) r ；= “c 。 静止期细胞浓度达到最大，细胞将不再生长。细胞生长动力学可表示为： 河海大学博士学位论文 生物降解微生态系统优化技术的基础研究 叫t 一号 ( 1 - 2 0 ) 其中，n 、b 为经验常数。 最大细胞浓度为：c = c 。e x p ( # 。、。f ) ( 1 - 2 1 ) 衰亡期在衰亡期中，细胞生长动力学可表示为： 0 = ( 一k a ) c ， ( 1 - 2 2 ) 其活细胞浓度为： q=cexp(一kf)(1-23) 其中，磁为参数。 ( 3 ) 动力学参数的估算 目前，微生物反应动力学方程般只能通过实验确立。通过动力学实验，可以确立反应速 度与反应物浓度间的函数关系。通常是建立反应基质的浓度与时间的关系、细胞浓度与时间的 关系，或代谢产物浓度与时间的关系，从而确立动力学参数的数值、检验所采用的微生物反应 动力学方程是否合适。 具体可表示成两种形式：一种是其浓度随时间的变化速率与浓度的关系，它可以直接用于 微分动力学方程，该法称为微分法；另种是浓度与时间的关系，实质上表示的是动力学方程 的积分形式，该法称为积分法。 1 ) 积分法求取动力学参数 积分反应器如果反应器进出口间基质转化率高，反应基质在进出口之间的浓度差很大， 则此反应器称为积分反应器。作为积分反应器，其转化率一般要求高于5 0 。 典型的实验积分反应器为间歇操作反应器。间歇操作反应器的主要特点是：微生物的反应 过程中，既无反应基质的加入，也无代谢产物的排出( 氧和二氧化碳的加入与排出例外) ，反 应过程中浓度随时间而变化。管式反应器也是常见的积分反应器，它的反应物料连续稳定地加 入和流出，反应基质、细胞和产物的浓度沿反应器的轴向位置而发生变化。如果动力学实验中 所测得的数据是浓度与时间的关系时，将所假设的动力学方程进行积分求得积分式，再将其线 性化。若为一直线，可认为所假设的动力学方程是正确的，并据此求取动力学参数。 幂函数型动力学方程积分式可表达为： 11 专一专2 ( n - 1 ) k t ( 1 - 2 4 ) c sc h 式中：n 为反应级数；k ，为反应速率常数；t 为时间； c 。为基质初始浓度；c s 为任一时间t 时的在质浓度。 第一章绪论 酶催化反匝的m m 万程积分式为： 。，= ( c ，。一c ，) + t 。1 月三2 ( 1 - 2 5 ) 移项整理为： 】。鱼 生：鱼_ 一一1 ( 1 - 2 6 ) c 。，一csk mc 。，一c 。k 。 线性化作图，亦可确定其动力学参数。 对微生物反应，描述整个反应体系至少要有两个微分方程，一是细胞的生长，另一个是基 质的消耗。需要联立求解该微分方程组才能得到变量g 或c 。的解。通常其解的积分表达式非 常复杂ag a t e s 提i t i t 乖j n t 式进行图解试差法求取动力学参数的方法： l。一cs：ciln(1+ad)一钔(i-27)c ， ，。l j b=粤(c，。+c。)k e ，一。 “” d = c ，。一c ， 假设_ 初始a 值，以m 毒如n ( 1 删1 乍图，进行迭f 瀣为啊直缘据此直线估 算其动力学参数。 当基质浓度较低时，即c ，。 k s ，可以利用一级反应动力学来表示基质的消耗速率： -dcs：士鱼旦q(1-28)dt t ，；k 。、 当c x = c x 。= 常数时，可积分得： - 鲁= 盖卜 c t 根据上式，用半对数坐标作图，可求出括号中参数。 当c k s 时，王l = um 缸，c x = c ，o p 因此，可以得雪| ： 9 o l 一 j 一一r c 旦， ， ，r 一 蛳警 b h = i i 口 c p水 河海大学博士学位论立生物降解微生态系统优化技术的基础研究 等2 案c3 等“。 似， 将( 1 - 3 0 ) 积分得到： 譬= 士( e 一1 ) ( 1 3 1 ) 乙z 。 ix s 可由上式作图为一直线，其斜率为1 厂y 砧 从上述讨论可以看出，应用积分法进行动力学参数估算，只有对最简单的动力学形式才是 可行的。 2 ) 微分法求取动力学参数 微分反应器如果在一反应器中进出口间基质的转化率很小，即反应基质在进出口之间的 浓度差很小，则此反应器称为微分反应器；对于微分反应器，其转化率一般要求小于1 0 。典 型的微分反应器为连续匿流搅拌槽式反应器。在微分反应器内般无浓度梯度和温度梯度。微 分反应器的优点在于其速率与变量的关系可用代数方程组来描述。因而，进行实验数据的处理 较为方便。 对于微分反应器来晚，要想得到反应全过程的数据，则必须设置不同的反应情况进行实验。 微分反应器的另个问题是由于进出口浓度差很小，因而对分析方法要求极高。对此，可采用 准微分反应器的操作方式来解决。微分法是根据不同实验条件下测得的反应速率，直接由速率 方程估计参数值a 如果是在微分反应器进行的动力学实验，则可根据实验数据直接求出其反应 速率值：如果是在积分反应器进行的动力学实验，此时得到的是浓度随时间变化曲线，可用图 解法、数值法和解析法求出其相应的反应速率值，再用上述方法确定其动力学参数。 对微生物反应，细胞的比生长速率“可在一定的时间范围，直接用图解微分法来求取： “：一1 堡 。 c 。r 式中，c ，为测定的时间区间出内细胞浓度的平均值。 根据m o n o d 方程有： 上：里土。上 牡u 。c s u 一 以1 “对i q 做图，可确定动力学参数。 同时，又可将m o n o d 方程，按e h 作图法改写为： 1 0 ( 1 3 2 ) ( 1 - 3 3 ) 第一章绪沦 考c2 等k 一击k jj_ ( 1 3 4 ) 或生：生+ 旦( 1 - 3 5 ) p 。a x。积 通过作图，求取相应的动力学参数。 1 2 2 常规生物降解技术研究进展 i h 9 1 生物降解( b i o d e g r a d a t i o n ) 是指有机物在微生物酶的作用下，经过一系列的生化反应转化 成简单化合物的过程。有机物可以全部转化成无机物，也可以是发生局部的转化。后者常称之 为生物的转化作用( b i o w a n s f o r m a l i o n ) 。生物降解系统中的碳源、微生物组成、营养和环境条 件直接影响生物降解和转化的过程以及生物降解的效率。 生物降解技术作为一种重要的水处理手段，与物理化学方法相比有许多优越之处t 2 0 - 2 3 l 。主 要表现在：污染物的生物降解与转化过程可在常规环境下高效并相对彻底地完成；微生物具有 来源广、易培养、繁殖快、适应性强和易实现变异等特性：微生物通过有针对性地进行筛选、 培养和驯化能很好地适应各种环境，可以使大多数的有机物质实现生物降解。现代环境生物技 术研究的深入使得传统的生物降解技术有了更加广阔的发展前景。 生物降解的方法可根据所利用的微生物种类和条件、生化反应器型式、水体性质的不同分 为多种类型。按微生物的种类可以分为：好氧生物处理法、厌氧生物处理法、稳定塘技术： 按微生物的生长方式可以分为：悬浮生长法和附着生长法；按反应器的型式可以分为：完全混 合式反应器、间歇式反应器、完全推流式反应器、固定填充床反应器、流化床反应器、转盘式 反应器。不同的类型之间又可以迸一步相互组合，形成新型的生物降解反应器形式。 ( 1 ) 活f 生污泥法降解技术 活性污泥法是由阿登( e a r d e m ) 和洛基特( w tl o o k e r ) 于1 9 1 4 年创造的，活陛污泥 法污水处理厂在曼彻斯特建成并已经运行了近1 0 0 年的历史。活胜污泥法属于好氧生物氧化 法，主要利用好氧和兼性异养细菌的生命活动来氧化水体中的有机物。随着人们对活性污泥法 生物降解理论研究的逐步深入，新型潘陛污泥法的工艺不断被开发。新型活性污泥法包括：间 歇式活性污泥法( s b r ) 、a o 法、a b 法、l i n p o r 法、o d 法、井式曝气法、高速微涡活 性污泥法( h r m v a s p ) 、上流式生物反应器法( u b r ) 及无剩余污泥的膜分离活性污泥法。 目前活性污泥法的主要研究集中在以下方面：i ) 人工改良微生物群落，以适应处理各种 组成和浓度的有机废水；2 ) 提高潘生污泥系统的抗冲击负荷能力： 3 ) 提高生物降解效率，减 少或甚至不排剩余污泥： 4 ) 开发活| 生污泥法的装置化技术，增加操作的灵活眭：5 ) 减少占地 河海大学博士学位论文 生物降解微生态系统优化技术的基础研究 面积、投资及运转费用。 ( 2 ) 生物膜法降解技术 生物膜法主要利用微生物在固体表面的附着生媳a t b d 同g r 叫咖对废水进行生物处理。 1 8 9 3 年英国科贝特城( c o r b e t t ) 和索尔福城( s a l f o r d ) 首先建成了世界上第一座滴潦池( t r i c l d i n g f i l t e r s ) 。上世纪初德国克洛斯贝奇等人、美国布斯韦尔等人在研究接接触曝气法基础上改 良演化形成生物接触氧化法：1 9 6 0 年德国哈特曼等人研制开发了生物转盘法；1 9 7 8 年第一座 用于脱氮的生物流化床建于英国。 在过去的二十多年，人们对生物膜法降解方法进行了大量的研究，取得了一系列的研究成 果，出现了多种不同的生物膜法生物降解反应器。主要包括：微孔膜反应器( m e m