污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础学习教案

1、会计学1污水生物处理的基本概念和生化污水生物处理的基本概念和生化(shn hu)反应动力学基础反应动力学基础第一页，共52页。11.1 污水(w shu)生物处理基本原理水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学1.微生物的呼吸(hx) 微生物的呼吸是获取能量的生理功能。呼吸作用的本质是氧化还原的统一过程。发酵好氧呼吸无氧呼吸呼吸第2页/共52页第二页，共52页。2022-4-1831.微生物的呼吸(hx)水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件发酵：微生物将有机物氧化释放的电子直接交给(jio i)底物本身未完全氧化的某种中间产物，同

2、时释放能量，产生代谢物。有机物氧化的基质中间有机物氧化氧化代谢有机物最终受氢体污水和污泥的厌氧生物处理天津工业大学天津工业大学第3页/共52页第三页，共52页。2022-4-184好氧呼吸：当存在外在的电子受体氧O2，底物可全部氧化(ynghu)成CO2和H2O，产生ATP。水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学1.微生物的呼吸(hx)底物NAD(P)+FAD或FMN电子传递体系释放的电子eO2H2OATP第4页/共52页第四页，共52页。2022-4-185自养自养型型化能自养化能自养光能自养光能自养异养型异养型化能异养化能异养光能异养光能异养按照

3、被氧化底物的不同分为按照被氧化底物的不同分为(fn wi)自养和异养型自养和异养型污水好氧生物处理(chl)系统水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件1.微生物的呼吸天津工业大学天津工业大学第5页/共52页第五页，共52页。2022-4-186水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学1.微生物的呼吸(hx)有有机机底底物物H2A辅辅酶酶辅酶辅酶H2受氢体受氢体NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2受氢体受氢体H2脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶污水脱氮、厌氧产甲烷过程第6页/共52页第六页，共52页。2022-4-1872. 废

4、水(fishu)的好氧处理水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第7页/共52页第七页，共52页。2022-4-188合 成合 成(hchng) 有机物氧微生物有机物氧微生物（C, O, H, N, S, P）2/3新的细胞质新的细胞质+ 能量能量热热分解分解CO2, H2O, NH3, SO42-, PO43-1/3水污染控制工程课程课件水污染控制工程课程课件天津工业大学天津工业大学内源代谢内源代谢80%，CO2、H2O、NH320%，细胞残留物，细胞残留物第8页/共52页第八页，共52页。2022-4-1893. 废水(fishu)的厌氧生物处理

5、水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第9页/共52页第九页，共52页。2022-4-1810 有机物微生物有机物微生物（C, O, H, N, S, P）合成合成分解分解新的细胞质新的细胞质有机酸，醇有机酸，醇H2S,CO2, NH3, + 能量能量合成合成分解分解新的细胞质新的细胞质CH4, CO2, NH3, H2S+ 能量能量水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第10页/共52页第十页，共52页。2022-4-1811有机物有机物氨化好氧硝化(xio hu)厌氧反硝化(xio hu)NH3-NNO

6、2- , NO3-N2脱氮水污染控制工程课程课件水污染控制工程课程课件天津工业大学天津工业大学第11页/共52页第十一页，共52页。2022-4-1812水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学除磷聚聚P聚聚P聚聚P聚聚P大部分大部分（P）去除）去除(q ch)厌氧放磷厌氧放磷好氧吸磷好氧吸磷第12页/共52页第十二页，共52页。2022-4-1813水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学1. 微生物的生长规律0生长速率时间t第13页/共52页第十三页，共52页。2022-4-1814生长速率细菌数目的对数值

7、0时间t时间ta.停滞期 有的细菌产生适应的酶，细胞物质增加，有的细菌不适应新环境而死亡(swng)，细菌数有所减少。适应的细菌生长到某个程度便开始分裂，进入停滞期的第二阶段，加速期。细菌的生长繁殖速度逐渐加快，细菌总数有所增加。水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第14页/共52页第十四页，共52页。2022-4-1815生长速率细菌数目的对数值0时间t时间t第15页/共52页第十五页，共52页。2022-4-1816c.静止期 生长速率常数(chngsh)R等于零，生长的与死亡的数量相等。细菌总数达到最大值，并恒定一段时间。这一时期，细胞开始贮

8、存糖原，异染粒，脂肪等贮藏物，多数芽孢杆菌开始形成芽孢。 生长速率细菌数目的对数值0时间t时间t水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第16页/共52页第十六页，共52页。2022-4-1817生长速率细菌数目的对数值0时间t时间t水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第17页/共52页第十七页，共52页。2022-4-1818水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第18页/共52页第十八页，共52页。2022-4-1819水污染控制工程课程水污染控制工程课程(k

9、chng)课件课件天津工业大学天津工业大学 微生物的营养物质有六种营养要素，水、碳源、氮源、能源、无机盐，生长因子。 生活污水处理系统中的微生物，营养物需要 一 定 的 比 例 ( b l ) ， 一 般 为BOD5:N:P=100:5:1。1） 营养(yngyng)第19页/共52页第十九页，共52页。2022-4-1820 温度是影响微生物生长的重要(zhngyo)因素。在适宜的温度内微生物能大量繁殖生长。水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学v水温上升还有利于混合、搅拌(jiobn)、沉降等物理过程，但不利于氧的转移。v污水生物处理的水温在20

10、37时效果最好。 2） 温度 第20页/共52页第二十页，共52页。2022-4-1821pH10嗜酸性微生物嗜碱性微生物霉菌酵母菌细菌放线菌水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第21页/共52页第二十一页，共52页。2022-4-1822水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第22页/共52页第二十二页，共52页。2022-4-18234）溶解氧水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第23页/共52页第二十三页，共52页。2022-4-1824水污染控制工程课

11、程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第24页/共52页第二十四页，共52页。2022-4-1825水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第25页/共52页第二十五页，共52页。2022-4-1826底物底物S细胞细胞X最终产物最终产物P合成合成分解分解 生化反应中，反应速度是指单位时间底物(d w)的减少、 最 终 产 物 的 增 加 量 或 细 胞 的 增 加 量 。废水生物(shngw)处理中生化反应的速度如何表达？以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示。水污染控制工程课程课件水污染控制工程课程课件天津工业大学天津

12、工业大学第26页/共52页第二十六页，共52页。2022-4-1827SY X + Z Pd Xd S= Y ()d td td S1d X=()d tYd t 反应了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，它是污水生物处理中的研究生化反应的一个重要(zhngyo)的规律。反应系数，又称产率系数，mg(生物量)/mg(降解(jin ji)的底物)dXY=dS水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第27页/共52页第二十七页，共52页。2022-4-1828水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第28页/共52

13、页第二十八页，共52页。2022-4-18290V,AAAdkkktdt一级反应(fnyng)： 0V,lglg2.3AAAAAdkkktdt二级反应(fnyng)： 22011V,AAAAAdkkktdt 反应过程中，反应物反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值。为正值。反之，反之，k k为负值。为负值。 在废水处理中，有机污染物的浓度逐渐减少，在废水处理中，有机污染物的浓度逐渐减少，反反应常数为负值。应常数为负值。水污染控制工程课程课件水污染控制工程课程课件天津工业大学天津工业大学第29页/共52页第二十九页，共52页。2022-4-1830SYX+ZPVVnndSd

14、SSkSdtdt或 式中，式中，k为反应速度常数为反应速度常数(chngsh)，随温度而异，随温度而异，n为反应为反应级数。级数。上式取对数改写为上式取对数改写为 knVlglgSlg水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学以S表示，则生化反应的速度为：s底物的浓度第30页/共52页第三十页，共52页。2022-4-1831kSnVlglglg2级级1级级0级级lgS0lgV 与与lgS的关系的关系lgV水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第31页/共52页第三十一页，共52页。2022-4-1832 对生

15、化反应动力学更深层的研究，是对反应机理进行研究、探讨活性污泥对有机底物的代谢、降解过程(guchng)，揭示这一反应过程(guchng)的本质，使人们能够更自觉的对反应速度加以控制和调节。研究生物研究生物(shngw)处理反应动力学的目的是什么？处理反应动力学的目的是什么？水污染控制工程课程课件水污染控制工程课程课件天津工业大学天津工业大学第32页/共52页第三十二页，共52页。2022-4-1833v有机底物(d w)的降解速度与有机底物(d w)浓度、活性污泥微生物量等因素的关系。v活性污泥微生物增殖速度（增长速度）与有机底物(d w)浓度、微生物量等因素的关系。 对活性污泥处理系统反应动

16、力学的研究的重点在于确定活性污泥的反应速度(fn yng s d)和各项主要环境因素的关系，主要内容为：水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第33页/共52页第三十三页，共52页。2022-4-1834水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学第34页/共52页第三十四页，共52页。2022-4-1835水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学maxSSKS微生物比增长速度，即单位生物量的增长，微生物比增长速度，即单位生物量的增长，d1d1；S S限制微生物增长的底物

17、的浓度，限制微生物增长的底物的浓度，g/Lg/LX X微生物浓度，微生物浓度，g/Lg/L ax ax底物浓度很大，不再影响底物浓度很大，不再影响(y(yngxingxing)ng)微生物的增长微生物的增长速度时速度时的最大值，的最大值，d1d1；KSKS饱和常数，饱和常数，g/L g/L 。当。当1/21/2axax时的底物浓度。时的底物浓度。 d/X dtX莫诺特（Monod）方程式第35页/共52页第三十五页，共52页。2022-4-1836dX 1dt XYdS 1dt XrY,Yrr水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学微生物增长与底物降解

18、存在微生物增长与底物降解存在(cnzi)一定的关系一定的关系XYSd /S dtrX比底物利用速率比底物利用速率劳-麦方程式底物(d w)的利用速率第36页/共52页第三十六页，共52页。2022-4-1837YrmaxmaxSSrrKsSKsS=Yrmax为比底物降解速度的最大值KS为r1/2rmax时底物的浓度，又称半速度常数。 对于实际的污水处理(w shu ch l)领域来说，r比底物降解速度比微生物的比增长速度更实际，应用性更强，是要讨论的对象。水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学maxSSKS劳-麦方程式第37页/共52页第三十七页，共

19、52页。2022-4-1838水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学底物的利用速率底物的利用速率SeSSS 用于合成细用于合成细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页/共52页第三十八页，共52页。2022-4-1839usedSdSdSdtdtdt水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学总底物总底物(d w)利用速率利用速率用于合成细胞的用于合成细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页/共52页第

20、三十九页，共52页。2022-4-1840gSedXdXdX=-dtdtdt微生物的净增长(zngzhng)速率微生物净增长微生物净增长(zngzhng)速率速率微生物合成微生物合成(hchng)速率速率内源呼吸微生物自内源呼吸微生物自身氧化速率身氧化速率（内源代谢速率）（内源代谢速率）水污染控制工程课程课件水污染控制工程课程课件天津工业大学天津工业大学第40页/共52页第四十页，共52页。2022-4-1841gSedXdXdX=-dtdtdt水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学SUdXdS)Y)dtdt（ （微生物的合成微生物的合成(hchng

21、)速率速率Y Y产率系数：被利用产率系数：被利用(lyng)(lyng)单位底物转换成微生物单位底物转换成微生物体量的系数。体量的系数。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)的有机底物的有机底物第41页/共52页第四十一页，共52页。2022-4-1842gSedXdXdX=-dtdtdt水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学eddX)K Xdt（微生物的内源代谢微生物的内源代谢(dixi)速率速率KdKd：内源代谢系数或衰减系数，单位：内源代谢系数或衰减系数，单位(dnwi)(dnwi)微生物量微生物量

22、在单位在单位(dnwi)(dnwi)时间内源代谢消耗的微生物量的系数，时间内源代谢消耗的微生物量的系数，d-1 d-1 。第42页/共52页第四十二页，共52页。2022-4-1843水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学生物处理反应器内，微生物净增长和底物(d w)降解之间的关系由上式表达。上述关系式称为微生物增长基本方程。gSedXdXdX=-dtdtdtdgUdXdS=Y-K Xdtdt第43页/共52页第四十三页，共52页。2022-4-1844gUddddX dt(dS dt)=Y-KXXYrKK1r=+YY（）水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课件课件天津工业大学天津工业大学dgUdXdS=Y-K Xdtdt第44页/共52页第四十四页，共52页。2022-4-1845 实际工程中，产率系数实际工程中，产率系数Y Y常以实际测定的观测产率系常以实际测定的观测产率系数数Yobs(Yobs(微生物净增长系数微生物净增长系数) )替代，谢拉德和施罗德替代，谢拉德和施罗德19731973年提出年提出(t ch)(t ch)微生物净增长的速率：微生物净增长的速率：gobsUdXdS)Y)dtdt（表观表观(bio un)产率系数产率系数水污染控制工程课程水污染控制工程课程(kchng)课