1. 第三章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础

2. 一、废水的好氧生物处理和 厌氧生物处理 呼吸（respiration, inspiration灵感） 呼吸：获取能量的生理功能
底物：能被微生物酶催化的物质，实质上是反应中提供氢和电子的物质。
（酶 enzyme 微生物 microorganism 催化 catalyze.To modify, especially to increase, the rate of (a chemical reaction) by catalysis（催化作用）.

3. 过程：底物＋微生物＋受氢体——微生物生命活动＋生化反应终产物（生化反应）
注意：反应物质＋反应条件——反应规律
实质：脱氢酶脱氢、受氢体受氢（电子活化）
好氧微生物与厌氧微生物的区别：厌氧微生物没有氧化酶系统，只有脱氢酶
类型：好氧，厌氧——根据受氢体（Hydrogen Acceptor）不同

4. 1.微生物的呼吸类型
(1)好氧呼吸
(2)厌氧呼吸 发酵
无氧呼吸

5. （1）好氧呼吸（aerobic）：受氢体为分子氧；依据底物不同
heterotrophic bacterium autotrophic bacterium
异养型 自养型
受氢体 氧 氧
底物 有机物 无机物
终点产物 无机物 无机物
能量 多 比较少

6. （2） 厌氧呼吸（anaerobic）：受氢体为除氧以外的有机物或无机物
发酵ferment 无氧呼吸
受氢体 有机物 无机物
底物 有机物 无机氧化物
终点产物 有机物 无机物
能量释放 较少 较少
提问：为什么厌氧微生物消耗底物比好氧微生物多？而释放能量少？
产物包含能量？

7. 2.废水的好氧生物处理

8. 废水的厌氧生物处理

9. 好氧 厌氧
底物 溶解或胶体态的有机物 高浓度有机物或无机物
微生物 好氧微生物 厌氧微生物和兼性微生物
产物 无机物，微生物增长（多） 可燃气体，无机物，微生物增长（少）
条件（微生物生长）氧 无氧
特点 快、效果好、所需容积小 慢、不彻底、所需容积小
受环境影响 小 难启动，条件苛刻
对环境影响 污泥量大 酸臭、但污泥量小
适用 BOD5<500mg/L BOD5>2000mg/L（为什么）

10. 二、微生物的生长规律和生长环境 1.微生物的生长规律
（1）微生物的生长曲线 表示微生物在不同培养环境下生长情况及其生长过程
纯菌种研究微生物生长分生长周期：
停滞期（调整）：条件变化过程中；几何级数生长；污泥较少
对数期（旺盛生长）：量大底物浓度高；等速生长；污泥絮凝性差
静止期（平衡）：量小底物浓度低；减速生长；污泥浓度较高，絮凝性好
衰老期（衰亡）：底物浓度很低；内源呼吸，不生长；污泥沉降性能好

12. 活性污泥生长 ——与细菌生长类似，更复杂，受环境影响因素多:
细菌、藻类、丝状菌、放线菌、原生动物、后生动物，构成食物链，其混合体构成活性污泥。——黄褐色，土腥味（土臭素、龙脑）——正常的必要指标。
细菌：原核生物；菌胶团＋丝状菌——较大群体，其中菌胶团为污泥主体
球衣细菌（碳水化合物）硫丝细菌（丝状细菌）——污泥膨胀
白硫细菌（含硫化合物）

13. 藻类（氧化塘中绿藻、小球藻、栅藻、衣藻等）、放线菌（丝状菌，如诺卡氏菌）、真菌、立克次氏体、衣原体、支原体
原生动物：最低等的单细胞动物，个体很小，长度 微米之间，普通显微镜可见。有关的包括肉足类（变形虫）、鞭毛类（绿眼虫）、纤毛类（自由游动型如草履虫；固着型如钟虫或叫柄纤毛虫）等
后生动物：多细胞生物，轮虫（最小的一种）和线虫——处理效果较好的指征。
轮虫：滤食微型藻类、细菌、有机碎屑；捕食原生动物、小轮虫

14. (2) 混合微生物的生长。
污泥的食物链生物有对应的滞后关系——生态学

15. 三、微生物的生长环境（条件） 最主要因素：营养、温度、pH、DO、有毒物质 营养：底物浓度，C/N/O
温度：不同微生物有不同适应范围，是确定污水生化处理的重要条件 原理
pH：同温度，调节池——均质作用，调节pH
DO：好氧与厌氧、兼性差别——绝大多数污水处理系统中细菌为兼性。（设问）
好氧细菌处于厌氧环境耐受力（1到几天）远大于厌氧细菌处于溶解氧高环境中耐受力（部分中毒死亡）。

16. 微好氧菌：DO较低接近于零，生长良好处于优势的好氧菌。丝状菌—污泥膨胀。
好氧： mg/L
（絮凝体内 mg/L ，絮凝体外部混合液0.5-2 mg/L ，剩余1 mg/L ）
厌氧：<0.2 mg/L
缺氧：<0.5 mg/L
有毒物质：抑制和杀害作用的化学物质，工业废水中。表现：细胞正常结构破坏，菌体内酶变质并失去活性。（酶的特性：高效、特异、变异性）
变异因素：高温、高压、强酸碱、重金属盐、紫外线等。

17. 三、反应速度和反应级数 动力学－研究反应速率和各种关系的学说
　　 生化反应动力学是研究污水生物处理中有机物降解速率和微生物增长速率的动力学模式，用数学模式将生物处理动力学过程公式化。
□ 有机物降解动力学关系
□ 微生物增长动力学关系

18. 1.反应速度 以生物酶为催化剂的生物化学反应。
定义：单位时间，底物减少量或产物增加量衡量。一般以底物减少量。因为产物增加量需要鉴定，成本较高。
产率系数
观测产率系数（净增长系数）：降解1kgBOD5有机物所净增加的细胞量。

19. 以S表示废物（污染物），X表示微生物细胞，P表示分解最终产物，生化反应可以下式表示
S→y·X+z·P （11-7） 以及
（11-8） 即
（11-9）
式中，反应系数y，又称产率系数，mg(生物量)/mg(降解的底物)。

20. 2.反应级数 反应级数不同,代表反应速度与反应物浓度关系的不同： 零级反应: V不受反应物浓度影响
一级反应：V与一种反应物A的浓度 成正比。
二级反应：V与两种反应物A、B的浓度 、 成正比或与反应物A的浓度 的平方 成正比。
三级反应：V与 成正比时，称为三级反应， 也可称该反应是A的一级反应或B的二级反应。

21. S→y·X+z·P
现底物浓度 以及[S]表示，则生化反应速度： 或
式中，k为反应速度常数，随温度而异，n为反应级数。
上式亦可改写为：
（11-10）
（11-10）式可以图11-6来表示，图中直线的斜率即为反应级数n值。
在温度不变的情况下，零级反应速度是常数。

23. 对反应物A而言，
零级反应： （11-11）
一级反应： （11-12）
二级反应： （11-13）
式中： V ——反应速度；
t ——反应时间；
k ——反应速度常数，受温度影响。

27. 四.米歇里斯—门坦 （Michaelis-Menten）方程式 1. 底物浓度对酶反应速度的影响
（11-14）
式中，S代表底物，E代表酶，ES代表酶-底物中间产物（络合物）以及P代表产物。

29. 2.米氏方程 （11-15） 式中 ——酶反应速度； ——最大酶反应速度； ——底物浓度； Km——米氏常数。
式中 ——酶反应速度；
——最大酶反应速度；
——底物浓度；
Km——米氏常数。
上述表明，当Km和 已知时，酶反应速度与酶底物浓度之间的定量关系。
由（11-15）式得：
（11-16）

30. （2）当底物浓度 较小时， ,酶反应速度和底物浓度成正比例关系，即 ，呈一级反应。
（1）当底物浓度 很大时， ，酶反应速度达最大值,即 ，呈零级反应，此时，再增加底物浓度，对酶反应浓度无任何影响，因为酶已被底物所饱和，只有增加酶浓度，才有可能提高反应速度。
（2）当底物浓度 较小时， ,酶反应速度和底物浓度成正比例关系，即 ，呈一级反应。
（11-17）

31. 3.米氏常数的意义及测定 （1） 值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关， 而与酶浓度无关。不同的酶，数值不同。
（1） 值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关， 而与酶浓度无关。不同的酶，数值不同。
（2）如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的 。
（3）同一种酶有几种底物就有几个值。其值最小的底物，一般称为该酶的最适底物或天然底物。
（11-18）

33. 五、莫诺特（Monod）方程式 （11-19） 式中： ——限制微生物增长的底物的浓度，mg/L；
——微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度；
——微生物浓度，mg/L；
—— 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；
——饱和常数。

36. 由（11-20）式， 以及 代入（11-19）式得：
（11-21）
式中q及 为底物的比降解速度及其最大值； 为底物浓度；
为饱和常数，即 时的底物浓度，故又称半速度常数。
及 值可通过实验，采用如前介绍的双倒数作图法去求得，并由此定出11-21式。
（11-21）式和（11-19）式是废水生物处理工程中目前常用的二个基本的反应动力学方程式。在实践中，可以结合物料衡算，应用到废水生物处理工程的科研、设计和运行管理的领域中去 。

37. [例]：设在完全混和反应器内进行了连续微生物生长实验，反应温度为 20℃，实验结果如下：
试根据实验结果定出 和 值，以及 关系式。
解：根据莫诺特方程式， 的关系式为： 或
现按实验结果作 关系图，去求出 和 值。
根据以上整理的实验结果，作 关系图，如图11-13所示。
从图11-13，得：

38. 图中直线方程为： 即

39. 六. 废水生物 处理工程的基本数学模式 1. 推导废水生物处理工程数学模式的三点假定 2. 微生物增长与底物降解的基本关系式 （11-24）
1. 推导废水生物处理工程数学模式的三点假定
2. 微生物增长与底物降解的基本关系式
（11-24）
式中：
——微生物净增长速度；

40. ——底物利用（或降解）速度；
——产率系数；
——内源呼吸（或衰减）系数；
——反应器中微生物浓度

41. 在实际工程中，产率系数（或称微生物增长系数）Y常以实际测得的观测产率系数（或称微生物净增长系数） 替代。为此，（11-24）式可改写为：
（11-25）
从（11-24）式得：
或 （11-26）
式中 为微生物比净增长速度。
同理，从11-25式得：
（11-27）

42. 总结 几个基本方程式 米氏：底物浓度——酶反应速度 monod：底物浓度——微生物比增长和底物比降解速度
总结 几个基本方程式
米氏：底物浓度——酶反应速度
monod：底物浓度——微生物比增长和底物比降解速度
半速度常数：Km Ks，最大速度一半时反应物浓度
双倒数作图法求最大值及半速度常数
设计——经验数据，反应动力学理论结合实践（上世纪70年代后）

43. 废水生物处理：有机污染物——去除对象，底物
主体——微生物
DO——条件——数学模型——生化反应动力学方程式——质量守恒＋monod＋米氏——生物处理数学模式——设计与运行