《水污染控制技术》课件-第05周-污水生物处理基础

污水生物处理基础Sewagebiologicaltreatmentbasis污水生物处理基础污水生物处理基础污水生物处理是利用自然界中分布范围广、繁殖代谢速度快、代谢营养类型多样、适应能力强的微生物的新陈代谢作用，对污水进行净化处理的一种技术。污水生物处理方法是建立在水体自净作用基础上的人工生物强化技术。意义：在于调控有利于微生物生长繁殖的良好环境，增加系统微生物总量，优化生态系统的组成及比例，强化微生物的代谢作用，加速有机物的无机化和氮磷去除，改善泥水分离的水动力学条件，促进污水生物净化过程。污水生物处理基础根据微生物代谢活动需氧差异，污水生物处理分为：好氧生物处理缺氧生物处理厌氧生物处理水中存在溶解氧的条件下进行的生物处理过程。是去除城镇污水中有机物最有效的方法。水中无分子氧存在，存在原子氧的条件下进行的生物处理过程。去除污水氨氮的主要途径。既无分子氧又无原子氧的条件下进行的生物处理过程。用于高浓度有机污水的处理和磷的生物去除。污水生物处理基础根据微生物代谢活动需氧差异，污水生物处理分为：好氧生物处理缺氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法相结合，实现有机物、氮和磷的同时生物去除。生物膜法悬浮生长法附着生长法污水处理系统中的微生物1微生物的生长规律和生长环境2微生物的代谢3反应速率和反应级数4微生物生长动力学5污水的可生化性6污水处理系统中的微生物Microbesinsewagetreatmentsystems1污水处理系统中的微生物细菌类真菌类原生动物后生动物种类很多。最具代表性的为假单孢菌属，利用有机物作为氮源和碳源。腐生或寄生的丝状菌，丝状菌的异常增殖是导致活性污泥膨胀的主要原因。有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫。原生动物不断摄取水中的游离细菌，起到进一步净化水质的作用。—轮虫。轮虫的出现被认为是水质稳定的标志。污水处理系统中的微生物污水处理过程中微生物生态系统污水处理构筑物中的细菌类、原生动物和后生动物等组成了具有一定食物链关系的微生物生态系统。原生动物：一次捕食者和污水净化的二次承担者细菌类：污水处理的主要承担者后生动物：第二捕食者微生物的生长规律和生长环境Thegrowthlawandenvironmentofmicroorganisms2微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律一般通过生长曲线反映。生长曲线表示微生物在不同培养环境下生长情况及其生长过程。延迟期对数增长期稳定期内源呼吸期按微生物的生长速率，分为4个时期：微生物的生长规律和生长环境1.延迟期1234BOD活菌数培养时间细菌数目的对数微生物的生长曲线细胞一般不繁殖，活细胞数目不会增加，但细胞体积会显著增大。2.对数增长期微生物细胞以基本恒定的生长速度繁殖。细胞的增殖数量与培养时间成正比。微生物的生长规律和生长环境3.稳定期1234BOD活菌数培养时间细菌数目的对数微生物的生长曲线微生物活动能力降低，细菌分泌物增多，活性污泥絮体开始形成。该时期活性污泥既具有生物氧化有机物的能力，还有良好的絮凝沉降性能。4.内源呼吸期微生物细胞仅靠内源呼吸维持代谢。生长速度为0。微生物的生长规律和生长环境在污水生物处理工程中，利用微生物的生长规律调控污水处理系统运行具有非常重要的意义。为了获得既具有较强氧化能力和吸附有机物的能力，又具有良好沉降性能的微生物，在污水处理实际中常将微生物控制在稳定期末期和内源呼吸期初期。例：将微生物维持在对数增长期。将微生物维持在内源呼吸末期。X√微生物的生长规律和生长环境碳、氮、磷BOD5:N:P=100：5：1微生物的营养pH值水温溶解氧有毒物质适宜的pH值范围：6.5~8.5低温性微生物20℃以下中温性微生物20~45℃高温性微生物45℃以上好氧生物处理厌氧生物处理微生物的生长规律和生长环境碳、氮、磷BOD5:N:P=100：5：1适宜的pH值范围：6.5~8.5溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。好氧生物处理的溶解氧2~3mg/L；缺氧反硝化控制溶解氧在0.5mg/L以下，厌氧磷释放则要求溶解氧低于0.3mg/L。微生物的营养pH值水温溶解氧有毒物质微生物的生长规律和生长环境碳、氮、磷BOD5:N:P=100：5：1适宜的pH值范围：6.5~8.5对微生物具有抑制和毒害作用的化学物质。生物处理中应对有毒物质严加控制。微生物的营养pH值水温溶解氧有毒物质微生物的代谢Metabolismofmicroorganisms3微生物的代谢新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催化发生复杂的生化反应，在体内不断进行物质转化和能量交换的过程。机体与环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的自我更新过程。同化作用：（又叫做合成代谢）是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质，并且储存能量的变化过程。异化作用：（又叫做分解代谢）是指生物体能够把自身的一部分组成物质加以分解，释放出其中的能量，并且把分解的终产物排出体外的变化过程。微生物的代谢分解代谢代谢产物(H2O,CO2,NH3)能量合成代谢新细胞物质内源呼吸产物(H2O,CO2,NH3)能量内源呼吸残留物分解代谢：微生物在利用底物的过程中，一部分底物在酶的催化作用下降解并同时释放出能量的过程。合成代谢：微生物利用另一部分底物或产生的中间产物在合成酶的作用下合成微生物细胞的过程。微生物的代谢根据氧化还原反应中最终电子受体的不同，分解代谢可分为：分解代谢呼吸发酵好氧呼吸缺氧呼吸最终电子受体为O2含氧化合物底物未完全氧化的某种中间产物可降解有机物1/3氧化2/3合成无机物+能量新细胞物质无机物+能量残留物质80%20%微生物三项代谢之间的数量关系图微生物的代谢微生物的呼吸

一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命。呼吸作用的生物现象：呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他生命活动，多余的能量以热量形式释放。通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。微生物的代谢微生物的呼吸类型微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能好氧呼吸厌氧呼吸根据氧化的底物、氧化产物的不同按反应过程中的最终受氢体的不同自养型微生物无氧呼吸异养型微生物发酵根据受氢体的不同分为微生物的代谢好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。有分子氧参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。底物中的氢被脱氢酶活化，并从底物中脱出交给辅酶（递氢体），同时放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这个过程中，同时放出能量。依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产物也不同。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物呼吸两种。

好氧呼吸微生物的代谢异养型微生物

异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终点产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。如下式所示：

异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合成有机物的一类厌氧微生物。有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。微生物的代谢2.自养型微生物

自养型微生物以无机物为底物（电子供体），其终点产物也是无机物，同时放出能量。大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应生物脱氮工艺中的生物硝化过程

光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合作用色素合成有机物。CO2+H2O[CH2O]＋O2

化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。光叶绿素微生物的代谢厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量的可燃气体。厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。

厌氧呼吸微生物的代谢

1.发酵指供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：微生物的代谢

2.缺氧呼吸是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。在反硝化作用中，受氢体为NO3-，可用下式所示：总反应式：

在缺氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。微生物的代谢

好氧呼吸、缺氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同，如下表所示。呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ缺氧呼吸无机物C6H12C6+4NO3-

→

6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ发酵能量利用率26％有机物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ微生物的代谢

生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学反应。污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件去得到希望的反应速度。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径。

生化反应动力学

反应速率和反应级数Metabolismofmicroorganisms4反应速率和反应级数

在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、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的减少或细胞的增加来表示生化反应速度。

图中的生化反应可以用下式表示：

即该式反映了底物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。

反应速率

及式中：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）。反应速率和反应级数实验表明反应速度与一种反应物A的浓度ρA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A、B的浓度ρA、ρB成正比时，或与一种反应物A的浓度ρA的平方ρA2成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度与ρA·ρB2成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是A的一级反应或B的二级反应。

反应级数

反应速率和反应级数

设生化反应方程式为：现底物浓度ρS以[S]表示，则生化反应速度：

式中：k——反应速度常数，随温度而异；

n——反应级数。

上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数n。或lgvlg[S]反应速率和反应级数

反应速度不受反应物浓度的影响时，称这种反应为零级反应。在温度不变的情况下，零级反应的反应速度是常数。

对反应物A而言，零级反应：式中：v——反应速度；

t——反应时间；

k——反应速度常数,

受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。反应速率和反应级数

反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应为一级反应。对反应物A而言，一级反应：

式中：v

——反应速度；

t——反应时间；

k——反应速度常数,

受温度影响。

在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。反应速率和反应级数

反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二级反应。

对反应物A而言，二级反应：式中：v——反应速度；

t——反应时间；

k——反应速度常数,

受温度影响。在反应过程中，反应物A的量增加时，k为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。反应速率和反应级数污水处理过程-反应动力学污水的处理效率重要污水处理的产物之一微生物也是我们关心的问题微生物生长动力学Metabolismofmicroorganisms5微生物生长动力学米歇里斯-门坦

（Michaelis-Menten）方程式微生物生长与底物的关系？首先介绍酶促反应速率与底物之间关系的研究微生物生长动力学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、pH、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。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。浓度对酶反应速度的影响微生物生长动力学vmaxn=00<n<1n=1KS底物浓度[S]1/2vmax酶反应速度v微生物生长动力学

中间产物假说：酶促反应分两步进行，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分解成产物和游离态酶，以下式表示：式中，S代表产物，E代表酶，ES代表酶－产物中间产物（络合物），P代表产物。从上式可以看出，当底物S浓度较低时，只有一部分酶E和底物S形成酶-底物中间产物ES。此时，若增加底物浓度，则将有更多的中间产物形成，因而反应速度亦随之增加。当底物浓度很大时，反应体系中的酶分子已基本全部和底物结合成ES络合物。此时，底物浓度虽再增加，但无剩余的酶与之结合，故无更多的ES络合物生成，因而反应速度维持不变。微生物生长动力学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，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；

ρS——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=ρS，即Km是v=1/2vmax时的底物浓度，故又称半速度常数。

米氏方程式

⑴当底物浓度ρS很大时，ρS»Km，Km+ρS≈ρS，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。

⑵当底物浓度ρS较小时，ρS«Km，Km+ρS=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。微生物生长动力学微生物生长动力学

米

氏

常

数

的

意

义

米氏常数Km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：Km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。不同的酶，Km值不同。如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的Km。并且，Km值不受pH及温度的影响。因此，Km值作为常数，只是对一定的底物、pH及温度条件而言。测定酶的Km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。同一种酶有几种底物就有几个Km值。其Km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底物。1/Km可以近似地反映酶对底物亲和力的大小，1/Km愈大，表明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底物浓度，就可较易地达到vmax。

微生物生长动力学微生物生长动力学

米

氏

常

数

的测定

对于一个酶促反应，Km值的确定方法很多。实验中即使使用很高的底物浓度，也只能得到近似的vmax值，而达不到真正的vmax值，因而也测不到准确的Km值。为了得到准确的Km值，可以把米氏方程的形式加以改变，使它成为直线方程式的形式，然后用图解法定出Km值。

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，选择不同的ρS，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。微生物生长动力学

米

氏

常

数

的测定微生物生长动力学莫诺特（Monod）模式方程式研究微生物的比生长速率与底物的浓度之间的关系——探讨微生物生长动力学微生物生长动力学

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。当前公认的是莫诺特方程式：式中：ρS——限制微生物增长的底物浓度，mg/L；

μ——微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。式中：ρX——微生物浓度，mg/L；

μmax——μ的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物的增长速度时的μ值；

KS——饱和常数。S微生物生长动力学vmaxn=00<n<1n=1KS底物浓度[S]1/2vmax酶反应速度v目前废水生物处理工程中常用的两个基本反应动力学方程式微生物生长动力学

例：设在完全混合反应器内进行了连续流微生物生长试验，反应温度为20℃，实验结果如下：试根据右式实验结果定出Ks和μmax值，以及μ－ρS关系式。解：根据莫诺特方程式μ－ρS的关系式为：图中直线方程为：据以上整理的实验结果，作关系图，得：或微生物生长动力学底物利用速率利用率与微生物群体浓度的关系(微生物浓度与底物浓度的关系）底物利用速率与底物浓度之间的关系式：劳-麦公式公式探讨微生物生长动力学

在废水生物处理中，废水中的有机污染物质（即底物、基质）正是需要去除的对象；生物处理的主体是微生物；而溶解氧则是保证好氧微生物正常活动所必需的。因此，可以把有机质、微生物、溶解氧之间的数量关系用数学公式表达。现在，废水生物处理工程实践中，人们已经把前述的米-门方程式和莫诺特方程式引用进来，结合处理系统的物料衡算，提出了所需的生物处理的数学模式，供废水生物处理系统的设计和运行之用。废水生物处理工程的基本数学模式微生物生长动力学推导废水生物处理工程数学模式的几点假定⑶整个反应过程中,氧的供应是充分的（对于好氧处理）。⑴整个处理系统处于稳定状态反应器中的微生物浓度和底物浓度不随时间变化，维持一个常数。即：式中：ρX——反应器中微生物的平均浓度；

ρS——反应器中底物的平均浓度。及和⑵反应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑

整个反应器中的微生物浓度和底物浓度不随位置变化维持一个常数。而且，底物是溶解性的。即：微生物生长动力学1951年由霍克来金(Heukelekian)等人提出了：

微生物增长与底物降解的基本关系式式中：Y——产率系数；

Kd——内源呼吸（或衰减）系数；

ρX——反应器中微生物浓度。——微生物净增长速度；——底物利用（或降解）速度；微生物生长动力学

在实际工程中,产率系数（微生物增长系数）Y常以实际测得的观测产率系数（微生物净增长系数）Yobs代替。故式从上式得：式中：μ′为微生物比净增长速度。上列诸式表达了生物反应处理器内,微生物的净增长和底物降解之间的基本关系，亦可称废水微生物处理工程基本数学模式。可改写为：或同理，从式得：污水的可生化性Biochemicalityofsewage6污水的可生