污水生物处理概念及动力学基础

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1、四川师范大学 范璐,污水生物处理概念及动力学基础,主要内容,污水生物处理技术的起源和发展前景污水生物处理的基本原理微生物的生长规律和生长环境 反应速率和反应级数 微生物生长动力学,环境生物技术,Environmental Biotechnology Environmental Bioengineering 现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科在解决环境污染问题中具有非常重要的作用。 环境生物技术的核心是微生物工程,微生物对污染物降解的巨大潜力,个体微小、比表面积大、代谢速率快较大的酵母菌，一般为椭圆形，宽1-5um,长5-30um。,比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表面积约为人的30万

2、倍，为营养物的吸收与代谢产物的排泄奠定了基础； 代谢速度快：大肠杆菌在合适条件下，每小时可以消耗相当于自身重量2000倍的糖；假丝酵母（Candida utilis）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍。,种类繁多、分布广泛、代谢类型多样,W. B. Whitman (U. Of Georgia)细菌普查，地球上存在51030个细菌, 非常活跃的群体在海、陆、空等一般环境和极端环境中的极端环境微生物； Pseudomonas cepacia：能降解90种以上有机物甲基汞、有毒氰、酚类化合物等都能被微生物作为营养物质分解利用。,繁殖快、易变异、适应性强,大肠杆菌在条件适宜时17

3、min就分裂一次；有一种假单胞细菌在不到10min就分裂一次； 低温、高温、高压、酸、碱、盐、辐射等条件下可以快速适应； 对于进入环境中的“陌生”污染物，微生物可通过突变而改变原来的代谢类型而降解之,废水生物处理技术经历了百余年的发展和应用，发挥了巨大的作用，取得了很大的进步。 然而，由于工业和城市的飞速发展，在世界范围内，特别是发展中国家，水污染至今还没有得到有效的控制。污水处理技术离尽善尽美还相差很远主要缺点：生化环境不够理想、微生物数量不够多、反应速率尚低、处理设施的基建投资和运行费用很高、运行不够稳定、难降解有机物处理效果差等。,污水生物处理的历程及前景展望,从可持续发展的战略观点来衡

4、量：废水生物处理还有消耗大量有机碳、剩余污泥量大、释放较多二氧化碳等缺点。利用微生物的无穷潜力和反应设备的发展及相关学科技术的进步，与其他工艺相交叉，利用协同作用。废水生物处理工艺必将取得更大的发展，发挥更大的作用。,污水的好氧生物处理和厌氧生物处理,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,微生物的呼吸类型,废水的好氧处理,好氧生物处理指有分子氧存在的条件下，好氧微生物降解有机物为无机物，使其稳定、无害化的处理方法。 处理对象：以胶体或溶解态存在的有机物。 适用范围：中、低浓度有机废水，或BOD5小于500mg/l的有机废水。 特点：反应速度较快，所需反应时间较

5、短，故处理构筑物容积小，处理过程散发臭气较少,图11-1 好氧生物处理过程中有机物转化示意图,好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有机物分解为无机物，把2/3有机物合成为微生物自身，当活性污泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化和无害化。,合成代谢方程式： CXHYOZ+NH3+O2 C5H7NO2+CO2+H2O-能量,废水的厌氧生物处理,在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。 适用范围：有

6、机污泥和高浓度有机废水（一般BOD52000mg/l） 特点：不需加氧，故运行费用低，剩余污泥少，可回收能量。缺点反应速度慢，反应时间长，处理构筑物容积大。,图3-2 厌氧生物处理过程中有机物转化示意图,废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机物（不溶性）小分子有机物（溶解性） 、无机物有机酸、无机物CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降解和稳定。,微生物的生长规律和生长环境,1.微生物的生长规律,微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。,按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期,如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中（营养类型发生变化，污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故

7、中断运行后再运行，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。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 滞 期,对 数 期,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期，处于静止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

8、活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。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，滤速快。 注意合成产率系数和观测产率系数。,静 止 期,衰 老 期,2. 微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微生物的组成,细胞分子式：C5H7O2N(有机部分),细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷),一般估算营养比例： BODNP 100 5 1,(1)水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的成分为

9、水分。(2)碳源：碳素含量占细胞干物质的50左右，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。(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,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、ATP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。,微生物的营养,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,

10、微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH,溶 解 氧,有 毒 物 质,微 生 物 的 生 长 环 境,影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素,微生物的营养,温 度,pH 值,溶 解 氧,有 毒 物 质,反应速度和反应级数,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

11、。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,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）。,实

12、验表明反应速度与一种反应物A的浓度A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A、B成正比时，或与一种反应物A的浓度A的平方A2成正比时，称这种反应为二级反应。实验表明反应速度与AB2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,设生化反应方程式为：现底物浓度S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。,米歇里斯-门坦 （Michaelis-Menten）方程式,一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可

13、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,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

14、，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。,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；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。,米 氏 方 程 式,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：

15、 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。,米 氏 常 数 的 测 定

16、,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。,米 氏 常 数 的 测 定,莫诺特（Monod）模式方程式,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：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。,S,