第十一章 污水生物處理的基本概念和生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

第十一章污水生物處理的基本概念和生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/2023111.1污水生物處理基本原理污水生物處理方法；脫氮除磷基礎(chǔ)理論11.2微生物的生長規(guī)律及生長環(huán)境11.3生化反應(yīng)的反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速度；反應(yīng)級數(shù)11.4微生物生長動力學(xué)莫諾特方程式；勞-麥方程式；微生物增長與底物降解的基本關(guān)系式

水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)本章內(nèi)容2/1/20232水污染控制工程課程課件11.1污水生物處理基本原理污水生物處理技術(shù)微生物對溶解氧需求不同缺氧生物處理厭氧生物處理好氧生物處理微生物生長方式不同附著生長法懸浮生長法天津工業(yè)大學(xué)2/1/2023311.1污水生物處理基本原理水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的呼吸

微生物的呼吸是獲取能量的生理功能。呼吸作用的本質(zhì)是氧化還原的統(tǒng)一過程。發(fā)酵好氧呼吸無氧呼吸呼吸2/1/202341.微生物的呼吸水污染控制工程課程課件發(fā)酵：微生物將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量，產(chǎn)生代謝物。有機物氧化的基質(zhì)中間有機物氧化代謝有機物最終受氫體污水和污泥的厭氧生物處理天津工業(yè)大學(xué)2/1/20235好氧呼吸：當(dāng)存在外在的電子受體——氧O2，底物可全部氧化成CO2和H2O，產(chǎn)生ATP。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的呼吸底物NAD(P)+FAD或FMN電子傳遞體系釋放的電子eO2→H2OATP2/1/20236自養(yǎng)型化能自養(yǎng)光能自養(yǎng)異養(yǎng)型化能異養(yǎng)光能異養(yǎng)按照被氧化底物的不同分為自養(yǎng)和異養(yǎng)型污水好氧生物處理系統(tǒng)水污染控制工程課程課件1.微生物的呼吸天津工業(yè)大學(xué)2/1/20237厭氧呼吸——在無O2的情況下進行的生物氧化，以有機物為底物，經(jīng)呼吸鏈傳遞氫，最終由氧氣以外的無機化合物，如NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2受氫。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的呼吸有機底物—H2A輔酶輔酶－H2受氫體NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2受氫體－H2脫氫酶氧化酶污水脫氮、厭氧產(chǎn)甲烷過程2/1/20238

在有氧的條件下，好氧微生物降解有機物。如活性污泥法和生物膜法，微生物利用廢水中的有機物為營養(yǎng)源進行好氧代謝。有機物經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，逐級釋放能量，最終以低能位的無機物質(zhì)穩(wěn)定下來，達到無害化的要求。2.廢水的好氧處理水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202392.廢水的好氧處理

好氧生物處理中，有機物被微生物攝取后，通過代謝，約有三分之一分解、穩(wěn)定、并提供其生理活動所需的能量；三分之二被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)，微生物進行自身的細(xì)胞生長。合成有機物＋氧＋微生物（C,O,H,N,S,P）2/3新的細(xì)胞質(zhì)+能量熱分解CO2,H2O,NH3,SO42-,PO43-1/3水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)內(nèi)源代謝80%，CO2、H2O、NH320%，細(xì)胞殘留物2/1/202310

厭氧生物處理是在無氧的條件下，利用兼性和厭氧微生物分解有機物的一種生物處理法。在厭氧生物處理中，有機物被降解為簡單的化合物，同時釋放能量。3.廢水的厭氧生物處理水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202311

在這個過程中，有機物的轉(zhuǎn)化分為三部分，一部分轉(zhuǎn)化為甲烷，還有一部分轉(zhuǎn)化為CO2,H2O,NH3,H2S等無機物，并為細(xì)胞合成提供能量，少量的有機物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分。有機物＋微生物（C,O,H,N,S,P）合成分解新的細(xì)胞質(zhì)有機酸，醇H2S,CO2,NH3,+能量合成分解新的細(xì)胞質(zhì)CH4,CO2,NH3,H2S+能量水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/2023124.脫氮除磷原理有機物氨化好氧硝化厭氧反硝化NH3-NNO2-,NO3-N2脫氮水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202313水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)除磷聚P聚P聚P聚P大部分（P）去除大量吸收水中P厭氧放磷好氧吸磷2/1/20231411.2微生物的生長規(guī)律及生長環(huán)境 微生物的生長規(guī)律一般是以生長曲線來反映的，污水處理中混合生長的活性污泥也有類似的生長曲線。細(xì)菌生長的階段可分為停滯期，對數(shù)期，靜止期，衰亡期。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)1.微生物的生長規(guī)律0生長速率時間t0+_2/1/202315生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時間t0+_時間ta.停滯期有的細(xì)菌產(chǎn)生適應(yīng)的酶，細(xì)胞物質(zhì)增加，有的細(xì)菌不適應(yīng)新環(huán)境而死亡，細(xì)菌數(shù)有所減少。適應(yīng)的細(xì)菌生長到某個程度便開始分裂，進入停滯期的第二階段，加速期。細(xì)菌的生長繁殖速度逐漸加快，細(xì)菌總數(shù)有所增加。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202316b.對數(shù)生長期

生長速率常數(shù)最大，細(xì)胞分裂的代時G最短；細(xì)菌總數(shù)的增加率和活菌數(shù)的增加率一致；對外界不良環(huán)境因素的抵抗力強；代謝活力強，群體中的細(xì)胞化學(xué)成份及形態(tài)和生理特性都很一致。

生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時間t0+_時間t2/1/202317c.靜止期

生長速率常數(shù)R等于零，生長的與死亡的數(shù)量相等。細(xì)菌總數(shù)達到最大值，并恒定一段時間。這一時期，細(xì)胞開始貯存糖原，異染粒，脂肪等貯藏物，多數(shù)芽孢桿菌開始形成芽孢。

生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時間t0+_時間t水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202318 d.衰亡期 個體死亡的速度超過新生的速度，細(xì)菌利用貯存物質(zhì)進行內(nèi)源呼吸，一部分細(xì)胞物質(zhì)被氧化分解；細(xì)胞形態(tài)多樣，會發(fā)生不規(guī)則的退化形態(tài)或畸形；有的微生物在這時產(chǎn)生抗生素等次代謝產(chǎn)物。

生長速率細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)值0時間t0+_時間t水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/2023192.微生物的生長環(huán)境（污水生物處理的影響因素）營養(yǎng)溫度pH溶解氧毒物水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202320水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)有六種營養(yǎng)要素，水、碳源、氮源、能源、無機鹽，生長因子。生活污水處理系統(tǒng)中的微生物，營養(yǎng)物需要一定的比例，一般為BOD5:N:P=100:5:1。1）營養(yǎng)2/1/202321溫度是影響微生物生長的重要因素。在適宜的溫度內(nèi)微生物能大量繁殖生長。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)水溫上升還有利于混合、攪拌、沉降等物理過程，但不利于氧的轉(zhuǎn)移。污水生物處理的水溫在20~37℃時效果最好。2）溫度2/1/2023223）pH

大多數(shù)細(xì)菌，藻類和原生動物最適pH為6.5～7.5，它們的pH適應(yīng)范圍在4～10。pH<23～67.5～8.0>10嗜酸性微生物嗜堿性微生物霉菌酵母菌細(xì)菌放線菌水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202323對于好氧生物處理，pH值一般以6.5~8.5為宜。pH值低于6.5，真菌即開始與細(xì)菌競爭;降低到4.5時，真菌將占優(yōu)勢，嚴(yán)重影響沉降分離;pH值超過9.0時，代謝速度受到阻礙。pH值是指混合液而言,對于酸性廢水及堿性廢水，生化反應(yīng)具有緩沖作用。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202324根據(jù)微生物與分子氧的關(guān)系，將微生物分為好氧和兼性厭氧和厭氧微生物。好氧微生物里分專性好氧在氧分壓0.2×101KPa下生長良好的微生物。微量好氧微生物，0.003～0.2×101KPa下生長繁殖良好的微生物。厭氧微生物包括專性厭氧在0.005×101KPa生長和耐氧厭氧微生物。兼性厭氧即可在有氧條件下又可在無氧條件下生長繁殖。4）溶解氧

水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202325活性污泥絮凝體的大小不同，所需要的最小溶解氧濃度也就不一樣。絮凝體越小，與污水的接觸面積越大，也越利于對氧的攝取，所需要的溶解氧濃度就小。反之絮凝體大，則所需的溶解氧濃度就大。好氧生物處理濃度以2~3mg/L左右為宜。反硝化反應(yīng)溶解氧0.5mg/L厭氧放磷溶解氧低于0.3mg/L水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/2023265）不利因素，毒物廢水處理中，存在對微生物有毒害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)如重金屬、H2S、鉻酸鹽、砷酸鹽、氰、氨苯、硝酸根、苯、酚、甲醛、丙酮等。這些物質(zhì)對細(xì)菌的毒害作用，或是破壞細(xì)菌細(xì)胞某些必要的生理結(jié)構(gòu)，或是抑制細(xì)菌的代謝進程。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/20232711.3生化反應(yīng)的反應(yīng)速度和反應(yīng)級數(shù)

11.3.1反應(yīng)速度底物S細(xì)胞X最終產(chǎn)物P合成分解

生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時間底物的減少、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。廢水生物處理中生化反應(yīng)的速度如何表達？以單位時間里底物的減少或細(xì)胞的增加來表示。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202328反應(yīng)了底物減少速率和細(xì)胞增長速率之間的關(guān)系，它是污水生物處理中的研究生化反應(yīng)的一個重要的規(guī)律。反應(yīng)系數(shù)，又稱產(chǎn)率系數(shù)，mg(生物量)/mg(降解的底物)水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/20232911.3.2反應(yīng)級數(shù)

反應(yīng)級數(shù)的概念：一級反應(yīng)，反應(yīng)速度與一種反應(yīng)物A的濃度ρA成正比；二級反應(yīng)，反應(yīng)速度與兩種反應(yīng)物的濃度ρA×ρB成正比，或與一種反應(yīng)物的濃度的平方ρA2成正比；三級反應(yīng)，反應(yīng)速度與ρAρB2成正比，也可稱為反應(yīng)物A的一級反應(yīng)和反應(yīng)物B的二級反應(yīng)。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202330對反應(yīng)物A而言，零級反應(yīng)：

一級反應(yīng)：

二級反應(yīng)：

反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A的量增加時，k為正值。反之，k為負(fù)值。在廢水處理中，有機污染物的濃度逐漸減少，反應(yīng)常數(shù)為負(fù)值。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202331

生化反應(yīng)中，底物的降解速度和反應(yīng)器中底物的濃度有關(guān)，生化反應(yīng)的方程式為：

式中，k為反應(yīng)速度常數(shù)，隨溫度而異，n為反應(yīng)級數(shù)。上式取對數(shù)改寫為knVlglgSlg+=水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)以S表示，則生化反應(yīng)的速度為：底物的濃度2/1/202332kSnVlglglg+=2級1級0級lgS0lgV與lgS的關(guān)系lgV水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/20233311.4生物處理的反應(yīng)動力學(xué)

對生化反應(yīng)動力學(xué)更深層的研究，是對反應(yīng)機理進行研究、探討活性污泥對有機底物的代謝、降解過程，揭示這一反應(yīng)過程的本質(zhì)，使人們能夠更自覺的對反應(yīng)速度加以控制和調(diào)節(jié)。研究生物處理反應(yīng)動力學(xué)的目的是什么？水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202334有機底物的降解速度與有機底物濃度、活性污泥微生物量等因素的關(guān)系?；钚晕勰辔⑸镌鲋乘俣龋ㄔ鲩L速度）與有機底物濃度、微生物量等因素的關(guān)系。

對活性污泥處理系統(tǒng)反應(yīng)動力學(xué)的研究的重點在于確定活性污泥的反應(yīng)速度和各項主要環(huán)境因素的關(guān)系，主要內(nèi)容為：水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/20233511.4.1莫諾特（Monod）方程式——微生物群體增長速率

莫諾特1942年用純種的微生物在單一的底物的培養(yǎng)基中進行了微生物的增殖速率和底物濃度之間的關(guān)系的實驗。莫諾特認(rèn)為，可以通過經(jīng)典的米門方程式來描述底物濃度與微生物比增殖速度之間的關(guān)系,也可以描述曝氣池中活性污泥的增長速度。

水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)2/1/202336水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)μ—微生物比增長速度，即單位生物量的增長，d-1；S——限制微生物增長的底物的濃度，mg/LX——微生物濃度，mg/Lμ

max——底物濃度很大，不再影響微生物的增長速度時μ的最大值，d-1；KS——飽和常數(shù)，mg/L

。當(dāng)μ＝1/2μmax時的底物濃度。

莫諾特（Monod）方程式2/1/202337水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)微生物增長與底物降解存在一定的關(guān)系比底物利用速率11.4.2勞-麥方程式——底物的利用速率2/1/202338底物的比降解速度也可用米門方程的形式表示：

rmax為比底物降解速度的最大值KS為r＝1/2rmax時底物的濃度，又稱半速度常數(shù)。

對于實際的污水處理領(lǐng)域來說，r比底物降解速度比微生物的比增長速度更實際，應(yīng)用性更強，是要討論的對象。水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)勞-麥方程式2/1/20233911.4.3微生物增長與底物降解的基本關(guān)系式

廢水處理系統(tǒng)中，存在微生物增長和底物降解之間存在一定量的關(guān)系。

水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)底物的利用速率用于合成細(xì)胞的底物用于提供能量的底物2/1/202340水污染控制工程課程課件天津工業(yè)大學(xué)總底物利用速率用于合成細(xì)胞的底物利用速率用于提供能量的底物利用速率底物的利用速率2/1/202341微生物的凈增長速率微生物凈增長速率微