污水生物处理概念及动力学基础图文学习教案

1、会计学1污水生物处理概念污水生物处理概念(ginin)及动力学基及动力学基础图文础图文第一页，共48页。生物工程生物工程第1页/共49页第二页，共48页。微生物对污染物降解的巨大微生物对污染物降解的巨大(jd)(jd)潜力潜力第2页/共49页第三页，共48页。第3页/共49页第四页，共48页。种类繁多、分布广泛、代谢种类繁多、分布广泛、代谢(dixi)类型类型多样多样第4页/共49页第五页，共48页。繁殖繁殖(fnzh)(fnzh)快、易变快、易变异、适应性强异、适应性强第5页/共49页第六页，共48页。污水生物处理的历程(lchng)及前景展望第6页/共49页第七页，共48页。第7页/共49

2、页第八页，共48页。污水的好氧生物污水的好氧生物(shngw)(shngw)处理和厌氧处理和厌氧生物生物(shngw)(shngw)处理处理 第8页/共49页第九页，共48页。微微 生生 物物 的的 呼呼 吸吸 类类 型型微生物的呼吸指微生物获取微生物的呼吸指微生物获取(huq)能量的生理功能能量的生理功能好氧呼吸好氧呼吸厌氧呼吸厌氧呼吸根据氧化的底物、氧化产物的不同根据氧化的底物、氧化产物的不同 按反应过程中的最终受氢体的不同按反应过程中的最终受氢体的不同 自养型微生物自养型微生物 无氧呼吸无氧呼吸异养型微生物异养型微生物发发 酵酵根据受氢体的不同分为根据受氢体的不同分为第9页/共49页第十

3、页，共48页。微生物的呼吸微生物的呼吸(hx)(hx)类类型型项目受氢体供氢体实质最终产物特点好氧异养型（有机物）自养型（无机物）分子氧底物脱氢氧化二氧化碳水热能氧化彻底热能大脱氢酶和氧化酶系统厌氧发酵（有机物）无氧（无机物）有机物无机物有机物无机物脱氢还原简单化合物热能氧化不彻底热能小脱氢酶系统第10页/共49页第十一页，共48页。废水废水(fishu)(fishu)的好氧处理的好氧处理第11页/共49页第十二页，共48页。图图11-1 好氧生物好氧生物(shngw)处理过程中有机物转化示意图处理过程中有机物转化示意图有机物+氧 M分解代谢合成代谢原生质H2O、CO2、NH3+ 能量内源呼吸

4、净增细胞物质M、O2H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43- +能量（有氧呼吸）1/32/3放热合成代谢(dixi)方程式：CXHYOZ+NH3+O2 C5H7NO2+CO2+H2O-能量第12页/共49页第十三页，共48页。废水的厌氧生物废水的厌氧生物(shngw)(shngw)处理处理第13页/共49页第十四页，共48页。 I类类产产物物甲酸甲酸甲醇甲醇甲胺甲胺乙酸等乙酸等 通过不同通过不同途径转化途径转化为为CHCH4 4、COCO2 2等等 废水或污泥废水或污泥中不溶态大中不溶态大分子有机物分子有机物 蛋白质蛋白质多糖多糖脂类脂类 氨基酸氨基酸C C6 6H H1212O O6

5、6甘油甘油脂肪酸脂肪酸 II类类产产物物 丙酸丙酸丁酸丁酸乳酸乳酸乙醇等乙醇等 水解酸化水解酸化产氢产乙酸产氢产乙酸 产甲烷产甲烷 发发酵酵菌菌 甲甲烷烷菌菌 产氢产氢产乙产乙酸菌酸菌 CO2 H乙乙酸酸发发酵酵菌菌图图3-2 厌氧生物厌氧生物(shngw)处理过程中有机物转化示处理过程中有机物转化示意图意图定。第14页/共49页第十五页，共48页。微生物的生长规律微生物的生长规律(gul)(gul)和生长环境和生长环境 第15页/共49页第十六页，共48页。1. 1.微生物的生长微生物的生长(shngzhng)(shngzhng)规律规律 微生物的生长规律微生物的生长规律(gul)一般是以生

6、长曲线来反映。一般是以生长曲线来反映。按微生物生长速率按微生物生长速率(sl)，其生长可分为四个生长期，其生长可分为四个生长期停滞期（调整期）停滞期（调整期）对数期（生长旺盛期）对数期（生长旺盛期）静止期（平衡期）静止期（平衡期）衰老期（衰亡期）衰老期（衰亡期）第16页/共49页第十七页，共48页。 如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同(b tn)(b tn)的废水中（营养类型发生变化，污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行的废水中（营养类型发生变化，污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停滞期。这种情况下，污泥需

7、经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，则可能出现停滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。 当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游离细

8、菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易，用滤纸过滤时，滤速很慢。离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易，用滤纸过滤时，滤速很慢。停停 滞滞 期期对对 数数 期期第17页/共49页第十八页，共48页。 当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止(jngzh)(jngzh)期，处于静止期，处于静止(jngzh)(jngzh)期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中

9、，污泥处于静止过滤时滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止(jngzh)(jngzh)期。期。 当污水中有机物浓度较低，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。处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，但有细小泥花，以滤纸过滤时当污水中有机物浓度较低，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。处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，但有细小泥花，以滤纸过滤时，滤速快。，滤速快。 注意合成产率系数和观测产率系数。注意合成产率系数和观测产率系数。静静 止止 期期衰衰 老老 期期第18页/共49页第十九页，共48页。 微生物要求的营养物质必须微生物要求的营养物质

10、必须包括组成细胞的各种原料和产生包括组成细胞的各种原料和产生能量的物质，主要有：水、碳素能量的物质，主要有：水、碳素营养源、氮素营养源、无机盐及营养源、氮素营养源、无机盐及生长因素。生长因素。 2. 微微 生生 物物 的的 生生 长长 环环 境境 影影响响微微生生物物生生长长的的环环境境因因素素微生物的营养微生物的营养(yngyng) 温温 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 质质 第19页/共49页第二十页，共48页。微生物的组成微生物的组成(z chn)微生物微生物组成组成水水80干物质干物质20无机质无机质10有机物有机物90C 53.1%,O 28.3%,N 12.4%,H

11、 6.2%P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等等细胞细胞(xbo)分子式：分子式：C5H7O2N(有机部分有机部分)细胞细胞(xbo)分子式：分子式：C60H87O23N12P(考虑磷考虑磷)一般估算营养比例：一般估算营养比例： BOD N P 100 5 1第20页/共49页第二十一页，共48页。 (1)水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的成分为水分。的成分为水分。 (2)碳源：碳素含量占细胞干物质的碳源：碳素含量占细胞干物质的50左右左右(zuyu)，碳源主要构成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长

12、、繁殖和运动所需要的能量，一般污水中含有足够碳源。，碳源主要构成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运动所需要的能量，一般污水中含有足够碳源。 (3)氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。 (4)无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素。作用：构成细胞成分，酶的组成成分无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素。作用：构成细胞成分，酶的组成成分,维持酶的活性，调节渗透压，提供自养型微生物的能源。维持酶的活性，调节渗透压，提供自养型微生物的能源。 磷：核酸、磷脂、磷：核酸、磷脂、ATP转化。硫：蛋白质组成部分，好氧硫细菌能源。钾：激活酶。钙

13、：稳定细胞壁，激活酶。镁：激活酶，叶绿素的重要组成部分转化。硫：蛋白质组成部分，好氧硫细菌能源。钾：激活酶。钙：稳定细胞壁，激活酶。镁：激活酶，叶绿素的重要组成部分 (5)生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。微生物的营养微生物的营养(yngyng)第21页/共49页第二十二页，共48页。各类微生物所生长的温度范围不同，各类微生物所生长的温度范围不同，约为约为5 80 。此温度范围，可分为最低、最高和最此温度范围，可分为最低、最高和最适生长温度（是指微生物生长速度最适生长温度（是指微生物生长速度最快时温度）。快时温度）。依微生物适应的温度范围，微生物可依微生物

14、适应的温度范围，微生物可以分为以分为中温性中温性（2045 ） 、好热性、好热性（高温性）（高温性）（45以上以上）和和好冷性好冷性（低温性）（低温性）（20以下以下）三类。三类。当温度超过最高生长温度时，会使微当温度超过最高生长温度时，会使微生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破坏而失活，严重者可使微生物死亡破坏而失活，严重者可使微生物死亡。低温会使微生物代谢活力降低，进而低温会使微生物代谢活力降低，进而处于生长繁殖停止状态，但仍保存其处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生命力。生命力。 微微 生生 物物 的的 生生 长长 环环 境境 影影响响微微生生物物生生长长的的

15、环环境境因因素素微生物的营养微生物的营养(yngyng) 温温 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 质质 第22页/共49页第二十三页，共48页。不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的pHpH适应范适应范围。围。细菌、放线菌、藻类和原生动物细菌、放线菌、藻类和原生动物的的pHpH适应范围是在适应范围是在4 41010之间。之间。大多数细菌适宜大多数细菌适宜中性和偏碱性中性和偏碱性（pHpH6.56.57.57.5）的环境。）的环境。废水生物处理过程中应保持最适废水生物处理过程中应保持最适pHpH范围。范围。当废水的当废水的pHpH变化较大时，变化较大时，应设置应设置调节池调节池，

16、使进入反应器（如曝气，使进入反应器（如曝气池）的废水，保持在合适的池）的废水，保持在合适的pHpH范范围。围。 微微 生生 物物 的的 生生 长长 环环 境境 影影响响微微生生物物生生长长的的环环境境因因素素微生物的营养微生物的营养(yngyng) 温温 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 质质 第23页/共49页第二十四页，共48页。 微微 生生 物物 的的 生生 长长 环环 境境 影影响响微微生生物物生生长长的的环环境境因因素素溶解氧是影响生物处理效果的溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。重要因素。好氧微生物处理的溶解氧一般好氧微生物处理的溶解氧一般以以2 24mg/L4mg/

17、L为宜。为宜。微生物的营养微生物的营养(yngyng) 温温 度度 pH 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 质质 第24页/共49页第二十五页，共48页。 微微 生生 物物 的的 生生 长长 环环 境境 影影响响微微生生物物生生长长的的环环境境因因素素在工业废水中，有时存在着对微在工业废水中，有时存在着对微生物具有抑制和杀害作用的化学物生物具有抑制和杀害作用的化学物质。质。其毒害作用主要表现在细胞的正其毒害作用主要表现在细胞的正常结构遭到破坏以及菌体内的酶变常结构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失去活性。质，并失去活性。在废水生物处理时，对这些有毒在废水生物处理时，对这些有毒物质应严加控制，但

18、毒物浓度的允物质应严加控制，但毒物浓度的允许范围，需要具体分析。许范围，需要具体分析。微生物的营养微生物的营养(yngyng) 温温 度度 pH 值值 溶溶 解解 氧氧 有有 毒毒 物物 质质 第25页/共49页第二十六页，共48页。反应反应(fnyng)(fnyng)速度和反应速度和反应(fnyng)(fnyng)级数级数第26页/共49页第二十七页，共48页。 生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。污水生物处理污水生物处理(chl)中，人们总是创造合适的环境条件中，人们总是创造合适的环境条件去得到希望的去得到希望的反应速度。反应速度。 生

19、化反应动力学目前的研究内容：生化反应动力学目前的研究内容： (1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；方面的关系； (2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；等方面的关系； (3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历的途径。径。 生化(shn hu)反应动力学 第27页/共49页第二十八页，共48页。 在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物(d w)(d w)的减少量、最终产物的增加量或细

20、的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物(d w)(d w)的减少或细胞的增加来表示的减少或细胞的增加来表示生化反应速度。生化反应速度。 图中的生化反应可以用下式表示：图中的生化反应可以用下式表示： 即即 该式反映了底物该式反映了底物(d w)(d w)减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理中研究减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。生化反应过程的一个重要规律。 反反 应应 速速 率率 tytdXd1dSd SdXdyPXSzy tytdSddXd及式中：

21、反应系数 又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解(jin ji)的底物）。第28页/共49页第二十九页，共48页。实验表明反应速度与一种实验表明反应速度与一种(y zhn)(y zhn)反应物反应物A A的浓的浓度度AA成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应。实验表明反应速度与二种反应物实验表明反应速度与二种反应物A A、B B的浓度的浓度AA、BB成正比时，或与一种成正比时，或与一种(y zhn)(y zhn)反应物反应物A A的浓度的浓度AA的的平方平方A2A2成正比时，称这种反应为二级反应。成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度

22、与实验表明反应速度与AB2AB2成正比时，称这种反成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是应为三级反应；也可称这种反应是A A的一级反应或的一级反应或B B的二的二级反应。级反应。 反反 应应 级级 数数 第29页/共49页第三十页，共48页。 设生化反应方程式为：设生化反应方程式为：现底物浓度现底物浓度SS以以SS表示，则生化反应速度：表示，则生化反应速度： 式中：式中：kk反应速度常数，随温度反应速度常数，随温度(wnd)(wnd)而异；而异； n n反应级数。反应级数。 上式亦可改写为：上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数线的斜率即为反

23、应级数n n。PXSzyknvlgSlglgnktvSdSdlgvlgS第30页/共49页第三十一页，共48页。米歇里斯-门坦（Michaelis-Menten）方程式 第31页/共49页第三十二页，共48页。一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可以说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可以说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的影响。、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的影响。在有足够底物又不受其他因素影响时，则酶促反应速度与酶浓度成正比。在有足够底

24、物又不受其他因素影响时，则酶促反应速度与酶浓度成正比。当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应速度与底物浓度成正比，是一级反应。当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应速度与底物浓度成正比，是一级反应。当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与底物结合当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与底物结合(jih)(jih)后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物的浓度对速度后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物的浓度对速度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底物浓度并不相同，甚至差异有时很大。就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底物浓度并不相同，甚至差异有时

25、很大。浓度浓度(nngd)对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响第32页/共49页第三十三页，共48页。vmaxn=00n1n=1KS底物浓度底物浓度S1/2 vmax酶酶反反应应速速度度v第33页/共49页第三十四页，共48页。 中间产物假说：中间产物假说： 酶促反应酶促反应(fnyng)(fnyng)分两步进行，即酶与分两步进行，即酶与底物先络合成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步底物先络合成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步分解成产物和游离态酶，以下式表示：分解成产物和游离态酶，以下式表示：式中，式中，S S代表产物，代表产物，E E代表酶，代表酶，ESES代表酶产物中间产

26、物（络代表酶产物中间产物（络合物），合物），P P代表产物。代表产物。EPESES321kkk第34页/共49页第三十五页，共48页。 1913年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反应中底物浓度与酶促反应速度之间关系的式子(sh zi)，称为米歇里斯门坦方程式，简称米氏方程式，即：式中:v酶促反应速度；vmax最大酶反应速度； S底物浓度； Km米氏常数。 此式表明，当Km和vmax已知时，酶反应速度与酶底物浓度之间的定量关系。 由上式得： 该式表明，当vmax/v=2或v=1/2vmax时，Km=S，即Km是v=1/2vmax时的底物浓度，故又称半速度常数。 SmSmaxSmSmaxKvKv

27、v) 1(maxSmvvK 米 氏 方 程 式 第35页/共49页第三十六页，共48页。SsSmaxKvv 当底物浓度S很大时，SKm，Km+SS，酶反应速度达到最大值，即v=vmax,呈零级反应，在这种情况下，只有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。 实际应用时，我们采用了微生物浓度cx代替酶浓度cE。通过试验，得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米氏方程式，如下：式中：Ks为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常数。NoImage 当底物浓度S较小时，SKm，Km+S=Km，酶反应速度和底物浓度成正比例关系，即 呈一级反应。此时，增加底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓

28、度的增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。第36页/共49页第三十七页，共48页。 米 氏 常 数 的 意 义 米氏常数米氏常数KmKm是酶反应处于动态平衡即稳态时的平衡常数。是酶反应处于动态平衡即稳态时的平衡常数。具有重要物理意义：具有重要物理意义：KmKm值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。不同浓度无关。不同(b tn)(b tn)的酶，的酶，KmKm值不同值不同(b tn)(b tn)。如。如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的KmKm。并且

29、，。并且，KmKm值不受值不受pHpH及温度的影响。因此，及温度的影响。因此，KmKm值作为常数值作为常数，只是对一定的底物、，只是对一定的底物、pHpH及温度条件而言。测定酶的及温度条件而言。测定酶的KmKm值，值，可以作为鉴别酶的一种手段，但必须在指定的实验条件下进行可以作为鉴别酶的一种手段，但必须在指定的实验条件下进行。同一种酶有几种底物就有几个同一种酶有几种底物就有几个KmKm值。其值。其KmKm值最小的底物，值最小的底物，一般称为该酶的最适底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然一般称为该酶的最适底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底物。底物。1/Km1/Km可以近似地反映酶对底物亲和力

30、的大小，可以近似地反映酶对底物亲和力的大小，1/Km1/Km愈大，愈大，表明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底表明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底物浓度，就可较易地达到物浓度，就可较易地达到vmaxvmax。 第37页/共49页第三十八页，共48页。 米 氏 常 数 的 测 定 目前，一般用的图解求Km值法为兰微福布克作图法或称双倒数作图法。此法先将米氏方程改写成如下的形式，即： 实验时，选择不同(b tn)的S，测定对应的v。求出两者的倒数，作图即可得出如下图的直线。量取直线在两坐标轴上的截距1/vmax和 -1/Km ，就可以求出Km及vmax。maxSm

31、axm111vvKv第38页/共49页第三十九页，共48页。 米 氏 常 数 的 测 定 第39页/共49页第四十页，共48页。莫诺特（莫诺特（Monod）模式）模式(msh)方程式方程式第40页/共49页第四十一页，共48页。 微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系(gun x)是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系(gun x)。当前公认的是莫诺特方程式： 式中：S限制微生物增长的底物浓度，mg/L； 微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。式中：X微生物浓度，mg/L； max 的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物 的增长速度时的值； KS饱和常数。 sssmaxkXXd/dtS第41页/共49页第四