废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础.ppt
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1、第十一章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础第一节第一节第一节第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理废水的好氧生物处理和厌氧生物处理废水的好氧生物处理和厌氧生物处理废水的好氧生物处理和厌氧生物处理第二节第二节第二节第二节 微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律和生长环境第三节第三节第三节第三节 反应速度和反应级数反应速度和反应级数反应速度和反应级数反应速度和反应级数第四节第四节第四节第四节 米歇里斯米歇里斯米歇里斯米歇里斯-门坦门坦门坦门坦 (Michaelis-MentenMichaelis-MentenMichaelis-M
2、entenMichaelis-Menten)方程式)方程式)方程式)方程式 第五节第五节第五节第五节 莫诺特(莫诺特(莫诺特(莫诺特(MonodMonodMonodMonod)方程式)方程式)方程式)方程式 第六节第六节第六节第六节 废水生物处理工程的废水生物处理工程的废水生物处理工程的废水生物处理工程的 基本数学模式基本数学模式基本数学模式基本数学模式第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理一、微一、微 生生 物物 的的 新新 陈陈 代代 谢谢 新陈代谢:新陈代谢:微生物不断从外界环境中摄取营养物微生物不断从外界环境中摄取营养物质,通过生物酶催化的复杂生化反应,在体内不断进质,通过生物酶催化
3、的复杂生化反应,在体内不断进行物质转化和交换的过程。行物质转化和交换的过程。分解代谢:分解代谢:分解复杂营养物质,降解高能化合物,分解复杂营养物质,降解高能化合物,获得能量。获得能量。合成代谢:合成代谢:通过一系列的生化反应,将营养物质通过一系列的生化反应,将营养物质转化为复杂的细胞成分,机体制造自身。转化为复杂的细胞成分,机体制造自身。底物降解:底物降解:污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质。化学变化的物质称为底物或基质。可生物降解有机物量:可生物降解有机物量:可通过生物的降解转化的量。可通过生物的降解转化的量。可生
4、物降解底物量:可生物降解底物量:包括有机的和无机的可生物利用物质。包括有机的和无机的可生物利用物质。新陈代谢新陈代谢合成代谢合成代谢(同化作用同化作用)分解代谢分解代谢(异化作用异化作用)复杂物质分解为简单物质复杂物质分解为简单物质简单物质合成为复杂物质简单物质合成为复杂物质吸收能量吸收能量释放能量释放能量能量代谢能量代谢物质代谢物质代谢二、微二、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能量的生理功能微生物的呼吸指微生物获取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
5、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 酵酵根据根据受氢体受氢体的不同分为的不同分为1 1、好氧呼吸、好氧呼吸 -有有分分子子氧氧参参与与的的情情况况下下进进行行的的生生物物氧氧化化,反反应应的的最终受氢体最终受氢体是分子氧。是分子氧。异养型微生物:异养型微生物:自养型微生物:自养型微生物:C C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 2 6CO 6CO2 2+6H+6H2 2O+O+能量能量 H H2 2S+2OS+2O2 2 H H2 2SOSO4 4+能量能量 NHNH4 4+2O+2O2 2 NO NO3 3-+2H+2
6、H+H+H2 2O O+能量能量BODBOD碳化阶段碳化阶段BODBOD硝化阶段硝化阶段 2 2、厌氧呼吸、厌氧呼吸 -无分子氧(无分子氧(O O2 2)的情况下进行的生物氧化。)的情况下进行的生物氧化。1 1)发酵:)发酵:2 2)无氧呼吸:)无氧呼吸:最终受氢体是最终受氢体是有机物分解的中间产物有机物分解的中间产物最终受氢体是一些最终受氢体是一些无机氧化物无机氧化物 好氧呼吸、无氧呼吸、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无氧呼吸无机物C6H12C6+4NO3-6C
7、O2+6H2O+2N2+1755.6kJ发酵能量利用率26有机物C6H12C6 2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ三、废水的好氧生物处理()好氧生物处理:在有分子氧存在的条件下,好氧微生物降解有机物,使其稳好氧生物处理:在有分子氧存在的条件下,好氧微生物降解有机物,使其稳 定、无害化的处理方法。定、无害化的处理方法。有机物分解的最终产物有机物分解的最终产物:CO2、H2O 注意注意:低浓度有机物废水低浓度有机物废水:45)好冷性(低温性)(20)。一、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 不同的微生物有不同的pH
8、适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH适应范围是在410之间。大多数细菌适宜中性和偏碱性(pH6.57.5)的环境。废水生物处理过程中应保持最适pH范围。一、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 一、微 生 物 的 生 长 环 境 影响微生物生长的环境因素溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。微生物分类:好氧微生物、厌氧微生物、兼性微生物好氧微生物处理的溶解氧一般以24mg/L为宜。微生物的营养 温 度 pH 溶 解 氧 有 毒 物 质 一、微 生 物 的 生 长 环 境 影响微生物生长的环境因素破坏细菌细胞的正常结
9、构,使菌体内的酶变质,并失去活性。微生物的营养 温 度 pH 值 溶 解 氧 有 毒 物 质 例,氰化物强烈抑制细例,氰化物强烈抑制细胞色素呼吸酶胞色素呼吸酶二、微生物的生长规律二、微生物的生长规律 微生物的生长规律一般是以微生物的生长规律一般是以生长曲线生长曲线来反映。来反映。按微生物生长速率,其生长可分为四个生长期按微生物生长速率,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)混合微生物群体的生长:混合微生物群体的生长:第三节 反应速度和反应级数 在生化反应中,反应速度是指单
10、位时间里底物的减少量、最在生化反应中,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。终产物的增加量或细胞的增加量。图中的生化反应可以用下式表示:即 一、反 应 速 度 及式中:反应系数 又称产率系数,mg(生物量)/mg(降解的底物)。n=0 零级反应,零级反应,v=kS=S0-ktn=1 一级反应,一级反应,v=kSlgS=lgS0-t n=2 二级反应,二级反应,v=kS2 1/S=1/S0+kt(112)二、反 应 级 数 第四节 米歇里斯-门坦(Michaelis-Menten)方程式 一、中间产物学说一、中间产物学说()酶促反应速度和底物浓度的关系酶促反应速度和
11、底物浓度的关系见见(P68图图1110)。中间产物学说:中间产物学说:根据此学说,酶促反应分两步进行。第一根据此学说,酶促反应分两步进行。第一步,酶(步,酶(E)与底物()与底物(S)作用形成中间产物()作用形成中间产物(ES),),此中间产物被看作稳定的络合物;第二步,络合物被进此中间产物被看作稳定的络合物;第二步,络合物被进一步分解为产物(一步分解为产物(P)和游离态的酶()和游离态的酶(E)。)。S+EESP+EK1K2K3vmaxn=00n K Km m时,时,K Km m S S S S ,v=vv=vmaxmax,呈零级反,呈零级反应,酶促反应速度达到最大值。应,酶促反应速度达到最
12、大值。(2 2)当)当S S K Km m时,时,K Km m S S K Km m,呈一级反应,酶促反应,呈一级反应,酶促反应速度和底物浓度呈正比关系速度和底物浓度呈正比关系1、物理意义、物理意义(1)Km值只与酶的性质有关,而与酶浓度无关。值只与酶的性质有关,而与酶浓度无关。(2)如果一个酶有几种底物,则对每一种底物,各有)如果一个酶有几种底物,则对每一种底物,各有一个特定的一个特定的Km(表(表113)。)。(3)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Km值,值,Km值最值最小的底物,称为该酶的最适合底物。小的底物,称为该酶的最适合底物。三、米 氏 常 数 的 意 义
13、 及测定(P70)2 2、测定、测定图解法(双倒数作图法)图解法(双倒数作图法)(11115 5)在指定的实验条件下:在指定的实验条件下:(1 1)选择不同的)选择不同的S S v v;(2 2)求倒数)求倒数 (3 3)作曲线)作曲线第五节 莫诺特(Monod)方程式 反映了微生物增长速率和微生物本身的浓度反映了微生物增长速率和微生物本身的浓度,底物浓度之间的关系底物浓度之间的关系:vmaxn=00n1n=1KS底物浓度底物浓度S1/2 vmax微微生生物物增增长长速速度度v第六节 废水生物处理工程的基本数学模式 反映反映:有机质、微生物、有机质、微生物、DODO之间的数量关系之间的数量关系
14、一、推导废水生物处理工程数学模式的几点假设一、推导废水生物处理工程数学模式的几点假设 二、微生物增长与底物降解的基本关系式二、微生物增长与底物降解的基本关系式 (1)(1)整个处理系统处于稳定状态整个处理系统处于稳定状态 (2)(2)反应器中的物质按完全混合及均匀分布的情况考虑反应器中的物质按完全混合及均匀分布的情况考虑 (3)(3)整个反应过程中整个反应过程中,氧的供应充足氧的供应充足74fPU8*lg+*a&gy&6N3suVAjMV%1p$GnumiqKzj(zb3ND0A%C(ECn&(R5O4zYLdHx5DFj%8rL*QFIzTckVoowH89U7G!4-FH!ZHL8nols
15、gSNY%)6y(CFMZu&X+&*EZbLloAzSJiKGENum0rnaAzvjar+Wssx$ZiGyhlHdznBKd*YSEkcRVI8i+OIfQWKVWcAS+roB(P4pLTzb8R1#M2dTSo0son+eMUOA6k)+VtJl#z!vX51d5x9#8ZZE*biyF+Ez#2uB7BrVg2h5wb3ZSY5rk-ZDVQMaea8Tz61Xf3XCUFfI23bdVmrm1W36*EJSjwi(tQ7al$EHRjAr)y1TeVN-S-w0T#RQH+V0%-8c3XfbpfY$WlfdbiAE&FGJjhIC)Xd248$YKq7E*VU6aX2S-CkY
16、lu1f*L)XNbnotW27nZXD5mcEQiD-Wf#7dxn*oJe6m9xexA+1Y%p*OrcPqlw2cscHT5QOp25ec0PVheMyrI8cVCo+*xHs7zeWEUOB4$zf-b)Y7Z)M5CDlSOIiok3MYpL5B1+1g)152HD6tdtd)OYG8j*7PDBltJB5ml(%GTX9WInRV!$&ASX4151ktKWH2paW9UFjtV7R5XFVQ5S5eSHD*oqksgF7q-#9!zwzJ57*IW+JCCNPB)*QCL(xO&%AoLn$Llv8%&ZnMo0)Bl$L9q!MTFZ5&ap$YSYkgMiG4Xhzltn2
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