1、69 需氧化(6)脂肪酸的脂肪酸的氧化作用氧化作用 脂肪水解成的长链脂肪酸从5R胞内的游离脂肪酸降解时。主要进行氧化(这种氧化在脂肪酸的碳位发生)，使碳原子两个两个地从脂肪酸链上断下来，最后全都降解成乙酞辅酶A（如图631）。69 需氧化6-10 厌氧代谢 厌氧生物代谢过程（如图厌氧生物代谢过程（如图6-32）分为三个阶段。）分为三个阶段。第一阶段是由兼性细菌产生的水解购类，将大分子物质或不溶性物质第一阶段是由兼性细菌产生的水解购类，将大分子物质或不溶性物质水解成低分子可溶性有机物，如葡萄糖水解成低分子可溶性有机物，如葡萄糖(己糖己糖)、氨基酸、脂肪酸和甘油等。、氨基酸、脂肪酸和甘油等。第二阶
2、段是由产酸细菌把可溶性有机物氧化成为低分子的有机酸、醇第二阶段是由产酸细菌把可溶性有机物氧化成为低分子的有机酸、醇等，并合酸细胞物质。等，并合酸细胞物质。第三阶段是由产甲烷细菌把第二阶段的产物近一步氧化成甲烷、二氧第三阶段是由产甲烷细菌把第二阶段的产物近一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的细胞物质。化碳等，并合成新的细胞物质。6-10 厌氧代谢6-10 厌氧代谢（2）丁酸型发酵）丁酸型发酵 这是由梭状芽孢秆菌所进行的一类发酵，因发酵产物中都有丁酸，不同梭菌的最终产物除有丁酸外，还可分别产生乙酸、乙醇、丁醇、丙酮、异丙醇等。根据发酵产物不同，可分为丁酸发酵、丁醇异丙醇发酵等。1丙酮酸的厌氧氧化
3、丙酮酸的厌氧氧化 葡萄糖经1，6二磷酸果糖降解为丙酮酸，是大多数厌氧和兼性厌氧微生物进行葡萄糖厌氧分解的共同途径。（1）乙醇发酵乙醇发酵 在厌氧条件下，细菌或酵母菌将EMP途径生成的丙酮酸进一步降解为乙醇。6-10 厌氧代谢（5）乳酸发酵）乳酸发酵1.同型乳酸发酵同型乳酸发酵 丙酮酸经乳酸脱氢酶的催化，被NADH2还原成乳酸，称为同型乳酸发酵，除生成乳酸外，还有乙醇和CO2。2.异型乳酸发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵是经HMP途径分解至5磷酸木酮糖，在磷酸解酮酶的作用下裂解，并吸收无机磷生成乙酰磷酸和3磷酸甘油醛。乙酰磷酸被还原成乙醇，放出H3PO4，3-磷酸甘油醛经酵解转化为丙酮酸，再还原成乳
4、酸。整个过程净得1个ATP。（3）丙酸发酵）丙酸发酵 丙酸发酵的过程是葡萄糖、甘油或乳酸先转化为丙酮酸，再由丙酮酸经一序列反应生成丙酸。（4）混合酸发酵和）混合酸发酵和2，3丁二醇发酵丁二醇发酵 大肠杆卤发酵葡萄粉产生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各种有机酸，并产生2，3丁二醇、乙酞甲基甲醇和甘油，称为混合酸发酵。它们发酵经EMP途径到丙酮酸，再由丙酮酸进一步分解或转化成甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等产物。6-10 厌氧代谢2.甲烷的生成甲烷的生成 甲烷可能的生成途径如图甲烷可能的生成途径如图6-34。(6)胶醋酸杆菌的醋酸发酵胶醋酸杆菌的醋酸发酵 胶醋酸杆菌的醋酸发酵是中国用于酿造糖醋的主要方式，利
5、用葡萄糖或果糖进行厌氧发酵，生成醋酸。6-10 厌氧代谢（2）有关甲烷形成的机理，存在看多种学说，归纳起来主要有二种）有关甲烷形成的机理，存在看多种学说，归纳起来主要有二种:一种是二氧化碳还原论，最早出一种是二氧化碳还原论，最早出Van Niel于于1930年提出，反应机理为年提出，反应机理为OH2CHH4CO2422(6-59)另一种为乙酸形成甲烷说，由另一种为乙酸形成甲烷说，由Busewdll和和S0llo于于1948年提出，他们利用示年提出，他们利用示踪原子研究的结果，认为甲烷是由乙酸直接分解而得。先将乙酸氧化生成踪原子研究的结果，认为甲烷是由乙酸直接分解而得。先将乙酸氧化生成CO2和和
6、H2，然后两形成，然后两形成CH4。乙酸产生甲烷的反应为脱羧反应：乙酸产生甲烷的反应为脱羧反应：-3423HCOCHOHCOOHCH(6-64)（1）厌氧生物处理最终的重要产物是沼气，甲烷占）厌氧生物处理最终的重要产物是沼气，甲烷占60%70%。由产甲烷菌在厌。由产甲烷菌在厌氧条件下产生，产甲烷菌现已证明是由甲烷杆菌氧条件下产生，产甲烷菌现已证明是由甲烷杆菌M.O.H.菌株和乙醇氧化菌菌株和乙醇氧化菌“S”菌株组成。菌株组成。6-11微生物的生物合成 1.氨基酸的合成氨基酸的合成 氨基酸是合成蛋白质的原料，各种氨基酸结构不同，合成途径也各异、氨基酸是合成蛋白质的原料，各种氨基酸结构不同，合成途
7、径也各异、重要方式有氨基化作用和转氨基作用。另一方式是以初生氨基酸作为前体合重要方式有氨基化作用和转氨基作用。另一方式是以初生氨基酸作为前体合成次生氨基酸。成次生氨基酸。如以谷氨酸作前体合成脯氨酸、鸟氨峻、瓜氨酸和精氨酸。如以谷氨酸作前体合成脯氨酸、鸟氨峻、瓜氨酸和精氨酸。(1)以谷氨酸为前体合成的氨基酸以谷氨酸为前体合成的氨基酸 (2)以天冬氨酸为前体合成的氨基酸以天冬氨酸为前体合成的氨基酸 (3)酪氢酸、苯丙氨酸和色氨酸的合成酪氢酸、苯丙氨酸和色氨酸的合成 (4)其它氨基酸的合成其它氨基酸的合成 在废水的生物处理过程中有机物质的生物降解与微生物细胞物质的合成在废水的生物处理过程中有机物质的
8、生物降解与微生物细胞物质的合成同时进行、有机物降解的中间产物一部分成为生物合成的原料，生成新的细胞物同时进行、有机物降解的中间产物一部分成为生物合成的原料，生成新的细胞物质；另一部分继续氧化分解放出能量为生物合成提供能源。质；另一部分继续氧化分解放出能量为生物合成提供能源。在生物合成中，最重要的是氨基酸合成。在氨基酸合成基础上通过核糖体在生物合成中，最重要的是氨基酸合成。在氨基酸合成基础上通过核糖体的的RNA进行蛋白质的合成。进行蛋白质的合成。6-11微生物的生物合成 氨基酸生成的另一主要途径为转氨基作用利氨基化作用。氨基酸生成的另一主要途径为转氨基作用利氨基化作用。微少物休内存在的谷氨酰胺和
9、天冬氨酰胺可分别经本身的酰胺酶作用，微少物休内存在的谷氨酰胺和天冬氨酰胺可分别经本身的酰胺酶作用，分别脱氨生成谷氨酸和天冬氨酸：分别脱氨生成谷氨酸和天冬氨酸：6-11微生物的生物合成 转氨基反应是一个转氨基反应是一个氨基酸的氨基通过转氨基酶的催化将氨基转移到一氨基酸的氨基通过转氨基酶的催化将氨基转移到一个个酮基酸的酮基位置上，生成与原来酮基酸的酮基位置上，生成与原来酮基酸相应的酮基酸相应的氨基酸。原来的氨基酸。原来的氨基酸转变成相应的氨基酸转变成相应的酮基酸。此反应没有自由酮基酸。此反应没有自由NH3生成，通式为：生成，通式为：氨基化作用主要有还原性氨基化反应和直接氨基化作用。还原性氨基化氨基
10、化作用主要有还原性氨基化反应和直接氨基化作用。还原性氨基化反应是酮基酸氨基化作用中主要的反应，也是固定氨的主要反应。反应是酮基酸氨基化作用中主要的反应，也是固定氨的主要反应。酮基酮基酸经还原性氨基化反应，生成氨基酸：酸经还原性氨基化反应，生成氨基酸：6-11微生物的生物合成(1)磷酸甘油的合成磷酸甘油的合成 葡萄糖经EMP途径生成磷酸二羟丙酮，在磷酸甘油脱氢酶催化下生成磷酸甘油(逆甘油降解途径)。也可以由甘油被磷酸甘油激酶激活，生成磷酸甘油。(2)脂肪酸的合成脂肪酸的合成 (3)脂肪脂肪(甘油三酯甘油三酯)的合成的合成 生成的a磷酸甘油与二分子的脂酰CoA形成a磷酸甘油二酯，a磷酸甘油二酯借助
11、于磷酸酶脱醋酸与另一分子脂酰CoA连接成甘油三酯。(4)卵磷脂的合成卵磷脂的合成 ，甘油二酯和磷酰胆碱结合生成卵磷脂。磷酰胆碱的胆碱是由丝氨酸脱羧后进行甲基化形成的。胆碱经胆碱磷酸激酶催化生成磷酰胆碱。2.脂肪的合成脂肪的合成 微生物利用糖代谢的中间产物作碳源合成脂肪。首先合成微生物利用糖代谢的中间产物作碳源合成脂肪。首先合成-磷酸甘油与磷酸甘油与脂肪酸，然后用两者再合成脂肪。脂肪酸，然后用两者再合成脂肪。6-11微生物的生物合成（1)核苷酸的合成核苷酸的合成 微生物不是先合成嘌呤环，再与核糖的磷酸酯结合起来生成核苷酸，而是先微生物不是先合成嘌呤环，再与核糖的磷酸酯结合起来生成核苷酸，而是先生
12、成次黄嘌呤核苷酸（肌苷酸生成次黄嘌呤核苷酸（肌苷酸)。次黄嘌吟核苷酸次黄嘌吟核苷酸(AMP)的合成中微生物都是先合成的合成中微生物都是先合成IMP，然后由它再转变，然后由它再转变为其它嘌呤核苷酸。如腺嘌呤核苷酸由为其它嘌呤核苷酸。如腺嘌呤核苷酸由IMP嘌呤环上第六个碳原子氨化而来，内嘌呤环上第六个碳原子氨化而来，内天冬氨酸供给氨基，天冬氨酸供给氨基，GTP参加反应。参加反应。3.核酸的合成核酸的合成 核酸的核酸的DNA和和RNA的合成，首先要合成相应核苷酸后，再通过的合成，首先要合成相应核苷酸后，再通过DNA 或或RNA聚合酶催化下按照模板上碱基排列次序严格的进行复制合成。聚合酶催化下按照模板
13、上碱基排列次序严格的进行复制合成。6-11微生物的生物合成(2)DNA的合成的合成 DNA的生物合成可概括为三个阶段：的生物合成可概括为三个阶段：形成脱氧核糖核苷酸（形成脱氧核糖核苷酸（dAMP,dCMP,dGMP和和dTMP)；通过适当的激酶将通过适当的激酶将dAMP，dCMP,dGMP和和dTMP磷酸化为相应的三磷酸核苷；磷酸化为相应的三磷酸核苷；在有在有Mg2+和适当样板和适当样板(引物引物DNA)存在的条件下，存在的条件下，DNA聚合酶聚合酶(催化催化DNA合成的合成的酶酶)以各种三磷酸脱氧核苷以各种三磷酸脱氧核苷(dATP,dGTP,dCTP和和dTTP)为底物合成大分子为底物合成大
14、分子DNA。(3)RNA的合成的合成 RNA的生物合成反应是的生物合成反应是RNA聚合酶以各种三磷酸聚合酶以各种三磷酸5核苷核苷(ATP，GTP，CTP，UTP)为底物，以为底物，以DNA为模板合成的。所合成的为模板合成的。所合成的RNA的核苷酸顺序能反映的核苷酸顺序能反映模板模板DNA的核苷酸顺序。的核苷酸顺序。6-11微生物的生物合成 4单糖的生物合成单糖的生物合成 各类微生物合成单糖的主要途径是从丙酮酸、磷酸烯醇丙酮酸合成各类微生物合成单糖的主要途径是从丙酮酸、磷酸烯醇丙酮酸合成6磷磷酸葡萄糖。用于合成葡萄糖的各种前体物质，有酸葡萄糖。用于合成葡萄糖的各种前体物质，有TCA环的中间代谢物
15、、一些氨环的中间代谢物、一些氨基酸以及基酸以及CO2等。前体物质通过各分支途径后，均汇集到达条主要合成途径中等。前体物质通过各分支途径后，均汇集到达条主要合成途径中来。但是各种微生物利用的分支途径的程度不同。用于合成单糖的三羧酸循环来。但是各种微生物利用的分支途径的程度不同。用于合成单糖的三羧酸循环的中间代谢物是一些可被氧化的草酰乙酸的化合物，这些中间代谢物先被氧化的中间代谢物是一些可被氧化的草酰乙酸的化合物，这些中间代谢物先被氧化为草酰乙酸然后由磷酸炳醇丙酮酸按化激酶催化，转化为磷酸烯醇丙酮酸，为草酰乙酸然后由磷酸炳醇丙酮酸按化激酶催化，转化为磷酸烯醇丙酮酸，最后逆最后逆EMP途径合成葡萄糖
16、。途径合成葡萄糖。第七章 废水生物化学处理基础 1947年，首次出现了“生物化学工程”(Biochemical engineering)一词。1965年Aiba等人的专著物化学工程(Biochemical Engineering)出版，标志着这一学科的正式出现。1971年Coulson及Richardson等著述的化学工程标准教材新添了第三卷，其中包括了一章生物化学反应工程，标志着生物化学工程已成为化学工程的个新的组成部分。此后出版的生物化学工程专著有Atkinson的生物化学反应器(Biochemical Reactors，1974年)，Bailey及ollis的生物化学工程基础(Bioch
17、emical Engineering Fundamentals1977年)等书。生物化学工程中应用的发酵器有两种基本类型，一种是利用微生物絮体的作用，这与废水处理中的活性污泥法相类似；另一种是利用微生物膜的作用，这与废水处理中的生物滤池法相类似。本章主要内容：7-1 单个细菌的模型7-2 细菌的连续增殖7-3 细菌增殖速率与底物消耗速率关系式7-4 BOD与TbOD7-5 微生物集团的模型7-6 微生物膜的阻力与厚度第七章 废水生物化学处理基础7-1 单个细菌的模型 底物一般是通过细胞的粘液层、细胞壁与细胞膜进入细胞内部的，而代谢作用只发生在细胞内部的细胞质区。发生代谢作用后，底物也就消失了。
18、这里，我们假设：不考虑复杂的代谢过程；把底物的消失引用流体力学中“汇”的概念来解释；粘液层、细胞壁、细胞膜等作为底物传递的边界。这样就得到一个细菌的简化模型，如图7-1所示。7-1 单个细菌的模型 扩散区指细胞壁外粘液层的部分，其表面积为ad cm2，底物通过扩散区时服从Fick的第一扩散定律，即底物的通量为：Nd=D dd 扩散区的内面为透酶区。这一区指细胞膜的透酶所起的运输作用。透酶是细脑膜内的一类立体专一性载体分子，这类分子也是一种蛋白质，取名透酶以示区别于代谢酶。透酶区的通量可用下列公式来表示：PpPKaN 代谢区指细胞膜内的区域。这一区域内虽然产生了许多极复杂的代谢途径，但组成代谢途
19、径的每一个反应都是由酶控制的，因而服从于MichaelisMenten方程。代谢区内底物消耗速率可以表示为：m m Kadtd7-1 单个细菌的模型 当代谢区消耗底物的速率恰好和底物通过两个运输区的速率相等时，便得到一个稳定的状态，这时存在下列关系：m mmppprdKaVKaaddDad 当底物不需透酶区的运输时，式（7-4）简化为：m pm pm m mmrda)K(aaVKaVddDad 当包含透酶区时，由式（7-4）看出底物的消耗速率完全由运输过程来控制，即由下列关系控制：ppprdKaaddDad7-2 细菌的连续增殖 简单的恒化器见图73，是一个工作容积可以小至100mL的容器。进
20、入恒化器的灭菌培养液的流量为f mL/h，恒化器的溢流流量也是f rnL/h，恒化器内液体容积为V并不断供给灭菌空气，以保证细菌的需氧过程。培养液处在不断搅拌过程巾，以保证培养液的成分均匀。就整个体系而言，当达到每秒钟增加的细菌个数与每秒钟排掉的细菌个数相等时，恒化器即处于稳定状态。图73所示的恒化器实际可看作是一个CSTR。7-2 细菌的连续增殖 每小时通过溢流量f所排掉的细菌质量为：f 1mL中的细菌质量=f =Dx Vx 由于细菌的增殖率可表示为dx/dt=x，所以当恒化器处于稳定条件下时得：在恒化器中，Monod方程可写为：DxxdtdxsmaxKD7-2 细菌的连续增殖 由图7-5可
21、知，当生物处理设备的进水有机物浓度在一定范围内波动时不会引起微生物特性很大的变化，因而系统的运行能处 于 稳 定 状 态。根 据Monod方程，可以求得恒化器稳态条件的营养物浓度为：DDKmaxs7-3 细菌增殖速率与底物消耗速率关系式 把底物的消耗速率分成两部分一部分是由于细菌生长新的细胞物质而产生的，以 表示，另一部分是为维持细菌处于活的状态所需的能量而产生的，以 表示，这就得：（7-13）维持生长总 dtddtddtd生长 dtd维持 dtd 由：式中，Yc称为真产率因数。维持能量所需的消耗速率 应该与细菌的质量x 成正比，可以表示为：式中，m称为维持系数，量纲为时间-1。这样（7-13
22、）可以写成：dtdxY1dtd 总dtdxY1dtdc 生长mxdtd 维持维持 dtdCY1mY1生化需氧量（生化需氧量（BOD）水中有机物通过微生物的氧化变成简单无机化合物的过程中，对水中溶解氧的消耗速率，称为它的生化需氧量(BOD)。7-4 BOD与TbOD 细菌以有机物为食物而生长，在生长过程中，一部分有机构转化成为新的细菌细胞，同时产生二氧化碳和水等。当水中食物不足时，细菌又从本身物质中吸取能量以维持生命这一现象称为内源代谢(endogenous metabalism)或内源呼吸(endogenous respiration)。细菌死后又以有机物的形式作为细菌的食物而重复上述过程。另
23、外，活的细菌与死的细菌又是原生动物和其它较高级微生物的食物，原生动物这类微生物因此称为捕食微生物。生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD与TbOD 图77给出了新鲜生活废水的生化需氧量历时曲线形式和温度对历时曲线的影响。第一阶段：由于含碳有机物的分解所需要的生化需氧 量，也 称 碳 质 B O D（carbonaceous BOD）；第二阶段：（硝化阶段）代表含氮有机物硝化过程的需 氧 量，称 为 氮 质BOD(nitrogenous BOD)。生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD与TbOD 当典型的碳源物质葡萄糖完全氧化时可以写成：则可认为生化需氧量等于2.67有机物碳原子
24、的质量浓度。细菌细胞的合成可以写成：由此可计算，每合成1g干细菌，约需单体氧0.985g。细菌的氧化分解可以写成：按这一反应计算，每克干细菌的完全氧化约需单体氧1.42g。OH6CO6O6OHC2226126OH110CO59NOHC17NH17O59OHC24222753261263222275NHOH2CO5O5NOHC生化需氧量（生化需氧量（BOD）7-4 BOD与TbOD 含碳有机物完全氧化成二氧化碳及水的生化需氧量称为总生化需氧量，以BODL或BODu表示。硝化BOD的反应可表示为：按这两个反应，可得：硝化BOD=4.57(有机氮+氨氮)mg/L+1.14（NO2-氮）mg/L 这里
25、特别指出：上述生化需氧量概念为其原始涵义，与生化需氧量试验所测得的生化需氧量完全不是一个同一概念。OH2H2NO2O3NH22223H2NO2H2ONO2322BOD试验试验 从图7-8中看出，接种细菌的生长过程中有一个滞后期，在这一段时间内细菌的浓度没有变化，接种的细菌在滞后期中虽然也要摄取一定食物及溶解氧但是量甚少，所以有机物浓度可以视作无变化。BOD值应为零，只是当细菌开始增殖后，有机物浓度才开始下降，当细菌浓度达最大值时，有机物浓度也降为零。在有机物浓度为零以后细菌靠内源呼吸以及死的细菌以取得营养物。在这一阶段，由于有足够的细菌为食料，原生动物也开始增殖起来。细茵的内源呼吸以及原生动物
26、的生长代谢都同时摄人氧。包括在这一阶段的BOD值中。7-4 BOD与TbOD图7-8反映了BOD试验所存在的两方面的问题：BOD5与总BOD值不会具有一定的数量关系。按曲线通过原点的一级反应来处理BOD数据的办法xianran 是不严格的。TbOD BOD坪值（BOD plateau）：在微生物不断摄取有机物底物增殖的过程中，微生物处于对数生长期。有机底物必然会迅速地减少，表现为生化需氧量迅速地增长，当底物消耗完后，微生物生长进入静止期，生化需氧量的增长必然很快地缓慢下来，这在生化需氧量历时曲线上会出现一个台阶，这一点的BOD值称为BOD坪值。7-4 BOD与TbOD Grady及Busch提
27、出，有机底物的总BOD等于BOD坪值加上在坪值点所产生的细菌量的理论BOD值。即：总BOD=BOD坪值+细菌的BOD理论值 TbOD试验方法：试验方法：(1)获取驯化后的细菌悬浮液，并用自来水洗去其中所含残余有机物。(2)测定细菌悬浮液的COD及质量浓度。(3)测定废水的COD值。(4)将细菌悬浮液a mL与废水b mL混合后并进行曝气，以促进细菌的代谢作用并保持试样成分均匀，作为试验的别问0点。(5)按一定的时间间隔取水样，测定混合液的COD、经0.45m孔径滤膜过滤后的滤液COD以及悬浮固体量。7-4 BOD与TbOD(6)计算bba 稀释系数COD-CODCODu混合液最小混合液初始CO
28、D-CODCODt滤液最小滤液初始bbaCODODTbbbaCODCODCODut）（细菌生长的TbOD试验结果试验结果 TbOD试验结果可绘成图710所示的曲线。当混合液的COD曲线变水平后，表示了水中有机物已经消耗光，其值CODm与混合液初始COD之差CODmi CODm代表了BOD坪值，即废水中的有机物完全转化成细菌物质后所需的氧量。当滤液的COD曲线变成水平后，CODfiCODf代表了由于微生物作用所去除的氧的总需要量，这个量按定义也就是有机物的总BOD值(BODL)。7-4 BOD与TbOD 在生物化学过程中，微生物集团(microbial mass)的形态有：固定在填料壁上的微生物
29、膜或者在液相内处于悬浮状态的微牛物絮体。7-5 微生物集团的模型 为要进行微生物集团模型的数学公式推导，需要做出下面假定：(1)微生物集团的成分是稳定的，即不随时间而变化；(2)微生物细胞的功能也是不随时间变化的，细胞的总性质只是局部环境的函数；(3)在微生物集团整体中，菌龄分布以及其它微生物的生活特性也是不随时间变化的。某一点浓度 是指这一点附近的无穷小空间内浓度的平均值，按这个浓度所定义的扩散系数称为有效扩散系数De。7-5 微生物集团的模型微生物膜的微分方程式微生物膜的微分方程式 膜或絮体中所含的活微生物的比表面积a：微生物膜的厚度为L，在膜与液体界面处的底物浓度为b。把膜按一个单向的底
30、物扩散过程来处理。底物在y方向上扩散。在稳定状态时取dy厚度，面积为dxdz的体积微元dxdydz内的物料衡算关系得：经整理得：边界条件为：y=L 时，时，y=0 时，时，VVa微生物集团的体积面积中所含活微生物的总表dxdzN)adxdydz(rdxdzNydyy0KadydD22eb0dxd7-5 微生物集团的模型基本方程的解基本方程的解 引入有效系数E 当无扩散阻力时，通量Nb应该等于面积1cm2、厚L体积中所含微生物的总表面积上在单位时间内所消耗的底物量：在有扩散阻力的条件下，通量可表示为：0dYdf,0Y1f,1Y0f)k(1f)Lk(dYfdb32222b3b3maxb3b331b
31、3b331b31bbbbk1kNk1kkLkk1kkLkk1LkK1LKaKa)L1a(NbbbLyENdydDN 1y22LybLydYdfMB1B1LKDa)L/y(d)/(dB1LKadydDEb7-5 微生物集团的模型微生物絮体的解微生物絮体的解 Atkinson等把球形絮体的特征长度定义为：絮体的通量表达式：对絮体来说，底物的去除速率以按单位湿絮体容积中的每克干微生物物质所去除的量来表示较为方便，即：ppAVL)k1(AkEVNb3pb1p)k1(EkVNARb30b1p0pf 大量试验证明，底物从主体液体传递入生物膜内时受到两层膜的阻力：生物膜自身的阻力及生物膜外的滞液膜(附面层)
32、的阻力。生物膜自身的传质阻力称内传质阻力。生物膜外滞液膜的阻力称外传质阻力，其值显然与滞液膜的厚度有关。7-6 微生物膜的阻力与厚度 在求解方程时如果考虑外传质阻力，便必须确定生物膜与液体界面处的底物浓度，而该浓度的测量十分困难。为解决这一问题，目前采用三种办法：不考虑外传质阻力。用易于测定的主体液体的底物浓度b来表示生物膜表面处的底物浓度s。用包括了内、外传质阻力的全有效系数法来解式（7-26）。关于传质阻力关于传质阻力 生物膜的厚度是生物膜一个重要的特征量因为它既影响膜内的微生物质量又影响膜内底物的传递阻力。7-6 微生物膜的阻力与厚度关于生物膜厚度关于生物膜厚度 当生物膜厚L足够小，以致
33、可以考虑传质阻力不存在时，E=1，因此，当存在L厚度的阻力，即L相当大时，有两种情形：b值小时，b值大时，b21b12kkLkLk1Nmax31b3b1NLkkkLkNb3b3maxb3b1k1kNk1LkN 对于絮体在 值小，以致可以考虑扩散阻力不存在时，E=1,有 当值大时，即存在扩散阻力，也分为两种情况：b值小时得 b值大时得 b3b3maxfb30b1fk1kR)k1(kRb0pp21f)VA(kkRmaxf301fRkkR031maxfkkRppAV第八章 活性污泥法8l 活性污泥法的基本概念82 CSTR型活性污泥法83 CSTR型活性污泥法的设计84 活塞流型活性污泥法85 硝化
34、86 污泥氧消化反应器87 活性污泥数学模型8l 活性污泥法的基本概念废水混合液 反应器（需氧生物氧化）二次沉淀池（固液分离）处理后废水 混合作用废弃污泥回流污泥沉淀污泥废弃污泥氧源分散空气或氧气图8-1 活性污泥法基本流程图1基本流程8l 活性污泥法的基本概念(1)发生需氧生物氧化过程的反应器。这是活性污泥法的核心部分。(2)向反应器混合液中分散空气或纯氧的氧源。(3)对反应器中液体进行混合的设备或手段。(4)对混合液进行固液分离的沉淀池，把混合液分成沉淀的生物固体与经处理后的废水两部分。(5)收集二次沉淀池的沉淀固体并回流到反应器的设备。(6)从系统中废弃一部分生物固体的手段。图形说明：8
35、l 活性污泥法的基本概念2废水处理中的“微生物”术语及其定量表示方式 在“微生物”以及由它构成的复合术语中，“微生物”本身并不具有严格的涵义，只有从它所描述的现象和有关术语的来源中，才能找出它们所指的具体内容。近年来，MLVSS在测定过程中仍然免不了包括一些并无生命活动的有机固体，所以用MLVSS米表示混合液中微生物的含量仍然有误差，因而主张采用只有活的生物才具有的脱氧核糖核酸(DNA)的含量来表水混合液中的微生物量。然而，DNA的测定技术很复杂，在废水处理工程中很难普及，除非特殊研究需要，目前在废水处理中仍多以MLVSS来表示微生物的含量。涵义：8l 活性污泥法的基本概念3活性污泥法中的生物
36、动力学参数 在活性污泥法中用混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS代表细菌浓度x，并改用大写X表示。因为在活性污泥法中的微生物是采用自然选样即“适者生存，不适者死亡”的方式培养的，所以在混合液中的多种细菌和多种有机物底物之间，势必一一相对应地存在着Monod关系式。这样，当用MLVSS代替总的活细菌浓度和用BOD代替总的有机物底物浓度时，其总结果也应当仍然符合单一底物和单一菌种间所存在的基本关系。8l 活性污泥法的基本概念单一底物和单一菌种间的Monod关系式，即式（7-9）：sKmax)(1(dtdxxxkdtdx故得 又因为 式中，k为常数，以式(622)代入上式得xkdtdxdtdy废水中第
37、i种底物与第j种细菌的关系如下(8-1)：ijijixkdtd结论证明：8l 活性污泥法的基本概念jikx x 代入式(81)得：iiijijixkxkkdtd(8-2)如果假定各种底物的 值基本一样,则将各种底物的方程(82)相加起来后可得下列入程式：jkxkdtid(8-3)又因活细菌的浓度x=(MLVSS)。又以 BOD5 或BODL代替则式(83)可与成下列形式：)(dMLVSSkdt 假定废水中有机物成分不变，那么，可进一步假定每种细菌在全部细菌总浓度x中所占的比例也不变，即：8l 活性污泥法的基本概念 比较式(84)及式(81)可以看出，用MLVSS代替活细菌浓度，BOD代替有机物
38、浓度的结果。仍然符合单一底物与单一菌种间存在的基本关系(81)。同样，也可以采用MLSS来替代活细菌的浓度。因为测定MLSS比MLVSS简单一些，以后公式都是以x代表MLSS。可得到下列一组方程：XKRmaxg0gYRRbX0gRYRG式中(8-5)两边除以x,则得比增殖率rg的表达式为：KrXRggmaxrg=8l 活性污泥法的基本概念 7-5引人了有效系数E所得通量的关系式(731)。通量的单位为质量每时间面积，如果单位面积不论，则有有机物的去除速率 d/dt，得出：KXrEomaxR0=KXrEg maxRg=KXkoR0=KXkgRg=这样单一限制底物浓度及单一菌种浓度x 的d/dt及
39、及dx/dt通过对于通过对于 及x涵义的改变及有效系数E的概念，最后变成 R0 和Rg的表达式(813)及(814)。8l 活性污泥法的基本概念在这种新关系下，仍然得到下列式子：bXRYOGRg=上式子中的YG及b具有新的涵义。在活性污泥法中，当有机物浓度相对于饱和常数K较小时，式(810)近似于一级反应方程式：romaxKrg=Kckenfelder将r0max/K称为平均反应速率系数 Ke：KromaxKe=有关上述的各生物动力学参数均可采用如图73所示的恒化器求得。8l 活性污泥法的基本概念 本课在讨论时虽然以BODL代表有机物浓度，MLVSS代表微生物浓度，但试验时，有机物浓度P可以用
40、BODL,BOD5,COD或其它方法表示，微生物浓度可以用MLVSS、MLSS或其它方法表示。表82、表83分别为所收集到的活性污泥法处理废水的生物动力学参数。表82 20时生活污水的生物动力学常数mgCODmmVSSYG/dmgVSSmgCODk/0LmgK/*b/d-10.350.450.050.106825100*K值基准为COD8l 活性污泥法的基本概念表83 混合培养物Monod方程参数值maxss废水类别/h-1/mg.L-1值基准生活污水0.160.42260COD生活污水0.55120BOD5家禽废水3500BOD5大豆废水0.5355BOD5纺织废水0.2986BOD58l
41、活性污泥法的基本概念(1)底物的代谢速率取决于系统的生物动力学条件。(2)生物絮体的沉降和浓缩性能 活性污泥系统要求产生沉降和浓缩性能良好的生物絮体，以保证有足够高浓度的回流污泥和满足要求的低悬浮物含量的出水。(3)传氧的限制 活性污泥系统是利用需氧微生物来处理废水的，这些微生物需要有机底物、溶解氧和其它一些营养物以维持生命活动，4活性污泥系统性能的控制因素82 CSTR型活性污泥法1基本方程式基本方程式图82 CSTR型的活性污泥法系统82 CSTR型活性污泥法 进入反应器的原废水流量为Q，其中有机物浓度为i、细菌质量浓度为Xi。回流比为R，流量Q与沉淀池回流流量RQ汇合后进入反应器。回流中
42、的有机物浓度为细菌质量浓度为X u反应器中由空气或纯氧进行曝气，其容积为V，有机物及细菌浓度分别为和X。废弃污泥流量为Qw，由反应器的出水中排出，其中所含有机物及细菌浓度也和反应器内的浓度一样，分别为和X。由反应器出水中废弃污泥也和由反应器中直接废弃污泥的效果完全一样，如图中虚线所示。图形说明：82 CSTR型活性污泥法按8l符号，以 R0、Rg分别表示反应器容积内以BODL，表示的有机物去除速率从以MLSS表示的细菌增殖率，根据公式写出容积V内的有机物及细菌的物料衡算方程式，得出下列两个基本关系：Qi+RQ+VR0=(1+R)Q+Vd/dt QXi+RQX+VRg=(1+R)QX+VdX/d
43、t在稳定状态下，d/dt及dX/dt等于零，因此得，Qi+RQ+VR0=(1+R)QQXi+RQX+VRg=(1+R)QX稳定状态这一假定很重要，下面的许多公式和有关的参数都是在这一假定上建立起来的。82 CSTR型活性污泥法2细菌的平均停留时间细菌的平均停留时间c和增殖率和增殖率R g细菌总量每日从系统中流走的活反应器中的活细菌总量c=MCRT也称为污泥停留时间(SRT)。固体停留时间(solids retention time)或简称污泥龄(sludge age)。按图82的废弃污泥位置，c可表示为：可表示为：iewwQXXQQXQVX)(c=当无回流，当Qw0时得：QXVXc=QVMCR
44、T c的定义为：82 CSTR型活性污泥法 当忽略式(822a)及式(823a)中的(Q-Qw)Xe-QX1项时，则分别得下列c的简化公式：XQVXwc=QVmQQXQVXwc=利用 c的表达式，可从稳定状态的式(820)推导出细菌的增殖率 Rg和c的关系。由于式(820)中 XiXu，可以忽略Q及Xi项。得出下列关系：1RXXRVQ）（Rg=进行一系列推算，得出：1）（eWWXQQXQQVQRg=XVXXQQXQeWW)(=82 CSTR型活性污泥法比较上式即可得出下列重要关系：CWXVXQRg=仿照式(88)得比增殖率rg公式为：CWgVQr1当由沉淀池底排走Qw时，按照同样的推导过程可得
45、出下列类似关系：CWWXXVXXQVXQRg=CWgVXXQr182 CSTR型活性污泥法 污泥龄是活性污泥法设计和运行的重要参数。它起了代替另一个习用的参数食料与微生物量比FM，或称食料与生物量比的作用。FM定义为每天对单位挥发性悬浮固体质量所施加的有机物量，用下式计算：VXQMFi FM虽然也称为单位质量的负荷率(unit mass loading rate)但它的单位实际是d-1，恰好是污泥龄量纲的倒数。另外，FM参数不像MCRT那样，没有在稳定条件下才能使用的限制，用起来似乎简单一些，这就是一些使用者所强调之处。82 CSTR型活性污泥法3c和有机物的去除速率和有机物的去除速率R0 )
46、1(1)1(RRRRVQiiRg=式中代表VQ，可称反应器的名义水力停留时间。i、u与均按有机物的BODL计。u约等于。在二沉淀池中，对于溶解性的有机物(包括胶体物质)，则不存在沉淀的问题，也不会有浓缩的现象。因此，底流中有机物浓度 u应该基本上和近水的有机物浓度相等。这样上式可化为：)(iRg=利用式(822b)，可由式(831a)得到 c和有机物的去除速率和有机物的去除速率R0 的关系式：的关系式：）iWcQQ(Rg=82 CSTR型活性污泥法产率因数Y与污泥龄 c间也存在一个简单的关系：bXRYOGRg=gORR由下式；Y1gRX=c代入上式整理得 CGGYbYY11这样就可以根据式子绘
47、成一条直线，从而求出 Yg和b的值。4 c和产率因数和产率因数Y82 CSTR型活性污泥法5反应器中有机物浓度和微生物浓度X bKkYXRoGCg1bXKXkYoGRg=由上式可解出有机物浓度 的表达式：)1()1(ccoGcbkYbK化简后得：1coGkYK82 CSTR型活性污泥法微生物浓度X的表达式：CXbXRYOG关系代人上式得:bXYiGCX由上式得出反应器中细菌质量浓度X的表达式：c)(1icciGYbYRg =X=82 CSTR型活性污泥法 由本章公式可知,活性污泥法的试验就是求出有关废水处理的b、K、Y c、K0四个动力学参数，从式(834)看出，当分母趋近于零时，反应器的有机
48、物浓度趋近于无穷大，相应的极小值为：bkYoOc1min 不可能超过 i变成无穷大，解释：在污泥龄cmin保持为进水1的值，即实际上未来得及发生生化过程。在这一cmin值时，相应地出现了最小的X值，由式(835)可看出，当=i时X0，说明细菌尚未增殖。6讨论82 CSTR型活性污泥法 c必须大于 cmin否则反应器不能起到去除有机物 和增殖细菌的作用。虽然 c小于 cmin时也可以算出Y值来，但由于小于cmin的c值实际上不对能存在，所以相应的Y值也是不存在的。图8-3、8-4及8-5分别用具体数据表示了上面所分析的各种情况。图8-3 CSTR的出水BODL-c曲线 总结：82 CSTR型活性
49、污泥法图8-4 CSTR的出水MLSS-c曲线图8-5 Y-c曲线83 CSTR型活性污泥法的设计1确定最短的污泥龄确定最短的污泥龄cmin并选用并选用c设计值设计值)(minKbkYKoCc 得出cmin后，即可按的条件c cmin，选用几个设计的值，进行下列一系列计算。根据计算结果，最后进行比较选择。最短的污泥龄为：83 CSTR型活性污泥法的设计2.计算反应器容积反应器容积V为：XQYbXQYiCciCG)()1()(V=式中：1)1()1(coccoGcYkKbkYbK 从上式看出，在已知后(c值已选定)，对不同的微生物质量浓度X，相应地存在反应器容积V。因此，对于个选定的c值，还要同
50、时选择几个X值构成一组，这样就计算出对应的一组反应器容积V来。选择几个c值就得出几组容积V。83 CSTR型活性污泥法的设计3.计算反应器内氧的摄入率R0 本文中以BODL代表有机物的浓度，它的去除速率R0 成为负值，所以-R0代表去除速率的绝对值应为正值。如果不考虑R0负号，氧的摄入率可表示为：)14.11(YRO2OR=式子中 R0取下式的绝对值：CYXR0=上式可用于计算 R0。从式子(8-41)可看出对于不同的X值有一个相应的R02。选择几个c值就得出几组容积V，也相应地存在一组 R02值。83 CSTR型活性污泥法的设计4二次沉淀池的设计 先根据沉淀试验所得的固体下沉速率及固体浓度的
