第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学
(作业解答提要)2014-水污染控制工程
(1) 微生物的营养 (2) 温度 (3) pH 值 (4) DO (5) 有毒物质
5、某种污水在一连续进水和完全均匀混合的反应器中进行处理，反应不可逆， 符合一级反应，V=kSA，K=0.15 d-1，求当反应池容积为 20 m3，反应效率为 98％时， 该反应池能够处理的污水流量为多大？ 解答：设 Q 为污水流量，S 为底物浓度：则 Q*S=20*v=k*S*20 则:Q=20k=0.15*20=3m3/d Q(实)=Q/98%=3.06 m3/d
厌氧生物处理：在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳 定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、 转化为简单的化合物，同时释放能量。适用于有机污泥和高浓度有机废水（一般 BOD5≥2000mg/L）。
2、简述发酵和呼吸的区别。 解答：根据氧化还原反应中最终电子受体的不同，分解代谢可分成发酵和呼
2. 解释污泥泥龄的概念，说明它在污水处理系统设计和运行管理中的作用。 解答： 污泥泥龄即生物固体停留时间，其定义为在处理系统（曝气池）中微生物的
平均停留时间。在工程上，就是指反应系统内微生物总量与每日排出的剩余微生 物量的比值。
活性污泥泥龄是活性污泥处理系统设计\运行的重要参数。 （1）在曝气池设计中的活性污泥法，即是因为出水水质、曝气池混合液污 泥浓度、污泥回流比等都与污泥泥龄存在一定的数学关系，由活性污泥泥龄即可 计算出曝气池的容积。 （2）在剩余污泥的计算中也可根据污泥泥龄直接计算每天的剩余污泥。 （3）在活性污泥处理系统运行管理过程中，污泥泥龄也会影响到污泥絮凝 的效果。 （4）污泥泥龄也有助于进步了解活性污泥法的某些机理，而且还有助于说 明活性污泥中微生物的组成。
废水生物处理的基本原理
2、活性污泥中的微生物群落
• ① 菌胶团 • ② 丝状菌：球衣菌属、贝硫菌属、发硫细菌
属、透明颤菌属、亮发菌属和线丝菌属；
• ③ 真菌：具有分解碳水化合物、蛋白质及其 他含氮化合物的能力。，但若大量出现会导 致污泥膨胀，
• ④原生动物：可作为污水处理的指示生物。 • ⑤ 微型后生动物：在处理水质良好时会有该
4、活性污泥的沉降性能指标
• ① 污泥沉降比（SV）：混合液在量筒内静置 30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液的百 分数，以%表示；能够反映曝气池正常运行时的 污泥量，可用于控制剩余污泥的排放量，还可反 映污泥膨胀的异常现象的发生。
• ② 污泥指数（SVI）：曝气池出口处的混合液 经30min沉淀后，每克干污泥所形成的沉淀污泥 所占的容积，以毫升计算：
磷的去除效果； • 5、其他水生生物： • 在氧化塘（氧化沟）内，藻类和细菌共存于同一环境
中，保持互生关系.
第二节 活性污泥膨胀和控制对策
• 正常的活性污泥颗粒体积膨胀，继而分裂为 沉降性很差的小颗粒污泥，引起二沉池池面 飘泥严重，出水水质急剧变差的现象。
• 本质—污泥密度变小或黏附能力下降。
第二节 活性污泥膨胀和控制对策
动力消 耗
较小 较差 多
发生 较合理
较大 较强 少
不发生 较大
管路堵 塞
否 是
三、氧化塘的微生物群落及其处理废水机制
• 氧化塘是人工的、接近自然生态系统，微生物群落主 要有（见图2.3-4）。
• 1、细菌：降解有机污染物‘ • 2、 藻类：向塘内提供溶解氧； • 3、原生动物和后生动物： • 4、水生植物：可提高塘对有机污染物和无机营养物氮、
•
SVI=SV（ml/L）/MLVSS（g/L）
第三章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
微生物的新陈代谢
新陈代谢：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，在体内不断进行物 质转化和交换的过程。
分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获 得能量； 合成代谢：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。
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化学变化的物质 称为底物或基质。 可生物降解有机物量：有机物的降解转化 可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质
厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧 化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底 物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能 量较少。
如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量 的可燃气体。
厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和 无氧呼吸。
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
好氧呼吸
能量利用率42％
无氧呼吸
发酵
能量利用率26％
1.发酵 指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最
终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。 这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是
比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较 少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的 需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 2817.3kJ
C11H 29O7
14O2
H
11CO2
13H2O
NH
4
能量
异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物：
第十四章生化反应动力学 - 第六章水体污染与自净
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， 速度和底物浓度成正比例关系，即
反应。
,酶反应 ，呈一级
（11-17）
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。
（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 。
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。
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
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）
二、微生物的生长规律和生长环境 1.微生物的生长规律
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 度常数。
时的底物浓度，故又称半速
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
第六章 污水的厌氧生物处理
传统的厌氧处理：长期限制其应用 七十年代以后：获得了高速发展 厌氧生物处理的对象：
高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动 植物的残体及粪便等
第一节 厌氧生物处理的基本原理
一、 厌氧消化的生化反应阶段
布赖恩特的四阶段理论：
由于水解发酵细菌和产甲烷菌的生理特性和对环境 条件的要求不一致。在实际应用中，经常将甲烷发 酵分为两段：水解发酵产生有机酸阶段和产甲烷段。
发酵系统中的CO2分压很高(20.3～40.5kPa)，发 酵液的实际pH值比在大气条件下的实测值为低。 一般认为，实测值应在7.2～7.4之间为好。 低于 7.0时，pH值有继续下降的趋势，低于6.5时，将 使正常的处理系统遭到破坏。 与原水或污泥pH值有一定关系 ：最好为6～8
高于9或低于5，导致处理系统的pH值很快偏移。
• 采用缺氧－好氧工艺相结合，达到生物脱氮 除磷的目的。 A/O A/A/O
二、厌氧发酵的控制条件 1、温度 两个最适温度：
在35º C和55º C附近
工程中的中温消化温度为 30－38º C（33－35º C）， 高温消化温度为50－55º C， 厌氧消化对温度的变化很 敏感，要求日变化小于 ±2º C，温度突变幅度太大， 会导致系统停止产气。
2、pH值
厌氧发酵的最佳的pH为6.8－7.2
三、消化池的热量计算 将废水提高到池温所需的热量：
Q1＝qv C（t2-t1）
消化池温度高于周围环境，通过池壁、池盖 等散失的热量Q2
Q2＝KA（t2-t1)
第四节 厌氧和好氧技术的联合运用
• 高浓废水的处理，通过厌氧处理，大幅度降 低BOD，以便于进一步进行好氧处理。 • 好氧处理难降解或不降解的有机物，通过厌 氧分解成较小分子，再通过好氧菌进一步分解。 印染废水的处理：
废水生化处理基础知识
混合液悬浮固体浓度
MLSS（混合液悬浮固体浓度）：指曝气池 中污水和活性污泥混合后的混合液悬浮固 体数量，用MLSS表示，单位是mg/L。它近 似的表示曝气池中活性微生物的浓度，是 运行管理的一个重要参数。
MLVSS（混合液挥发性悬浮固体浓度）： 指混合液中悬浮固体中有机物的含量，用 MLVSS表示，它较MLSS更能确切的代表 活性污泥微生物的数量。
营养元素
营养元素在工业废水生化处理中作用至关重要。生物培养的微生物按 照其细胞组成及代谢性质，在生长繁殖过程中需要一定量的营养元素， 主要以氮磷为主。所以工业废水生物培养过程中，需要经常性的投加 营养物质，以保证废水中有足够的氮和磷。 BOD：N：P=100：5：1，这是好氧生化系统中的比例，在好氧生化 培养中，缺乏氮元素将导致丝状的或者分散状的微生物群体产生，使 其沉降性能差。另外，缺乏氮元素使新的细胞难以形成，而老的细胞 继续去除BOD物质，结果微生物向细胞壁外排泄过量的副产物——绒 毛状絮状物，这些絮状物沉淀性能差。根据经验，从废水中每去除 100kgBOD需要加5kg氮和1kg磷。 在许多条件下，氮以氨形式，磷 以磷酸形式加入废水中。细菌需要氮以产生蛋白质，需要磷以产生分 解废水中有机物质的酶。一般细菌较易利用氨态氮，在处理工业废水 时，如果废水含氮量低，不能满足微生物的需要，需要另外补加氮营 养，如尿素、硫酸铵、粪水等。微生物中主要以细菌对磷的要求较多， 工业废水中一般需要补加磷元素，如磷酸钾、磷酸钠等。
污泥的沉降比
SV30（污泥的沉降比）：污泥的沉降比是指曝气 池中的混合液在1000ml的量筒中，静置30min后， 沉降污泥与混合液的体积之比，一般用SV30表示。 SV30是衡量活性污泥沉降性能和浓缩性能的一个 指标。对于某种浓度的活性污泥，SV30越小，说 明其沉降性能和浓缩性能越好。正常的活性污泥 其MLSS浓度为1500~4000mg/L。SV30一般在 15%~30%的范围内。
第六章生化反应动力学
第六章 生物反应动力学基础（张婷婷）请对发现的文字错误及格式等进行修订，同时对我蓝色标出的要求进行补充完善。
注意此章节中公式编辑器所编辑的公式均可正常显示并编辑，所以不用更改为word 格式。
辛苦了，谢谢！孔秀琴一、底物降解速率底物降解速率即每天每公斤活性污泥能降解多少公斤的BOD 5,其单位为：d kgVSS kgBOD ⋅/5，是反映生物反应器处理能力的重要参数。
生物反应系统中，反应器容积等重要参数是根据系统的底物降解速率（污泥负荷）来确定的。
底物降解速率的函数关系式如下：Sk Sv Xdt dS s +=max（6-1） 式中： XdtdS —比降解速率，单位 d -1m a x v —最大比底物降解速率，即单位微生物量利用底物的最大速率K S —饱和常数 X —微生物浓度 S —底物浓度环境工程中，一般S 较小，当S K S ≤≤时，分母略去S ，并令2maxk k s=υ，,即可得下式：S k XdtdS2= （6-2） 上式积分可得：错误！未找到引用源。
t X t S S ⋅⋅-=2k 0e （6-3）那么已降解的底物含量为：）（tX k t S S S S ⋅⋅-∆=-=2e-100 （6-4） 式中：∆S —降解的有机底物浓度0S —初始的有机底物浓度t S —t 时刻剩余的有机底物浓度上式中，因一般生物系统活性污泥浓度x 为定值，所以可令12k X k =，同时把已降解的底物浓度用BOD t 浓度代替，初始底物浓度用BOD U 代替,，即得下式：)1(1t k u t e BOD BOD ⋅-= （6-5）即得5日生化需氧量和总需氧量之间的换算关系式：（6-6）因C o20时，23.01=k ，则可得到：u BOD BOD 68.05=环境工程中，用污泥负荷来表示有机物（底物）的降解速率，是特定工艺处理能力的度量参数。
在工程设计中，在确定生物反应器的容积及排泥量等关键数据时，污泥负荷是重要的设计参数，其值的选取直接关系到整个工程的造价。
废水生物处理基本概念和生化反应动力学基础
混合微生物群体的生长：
第三节 反应速度和反应级数
一、反 应 速 度
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。
图中的生化反应可以用下式表示：
S y X z P 及 dX y dS
dt
dt
即
dS 1 dX
dt y dt
式中：反应系数 底物）。
y
dX dS
又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的
二、反 应 级 数
v d[S] k[S]n dt
（11－2）
n
=
0
零级反应，v
=
d[S] =k→[S]
dt
=
[S0]-kt
n
=
1
一级反应，v
=d[S] dt
＝k[S]→lg[S]=
zl!2FY5N84x7)iVJtzp3bUABsWlKp)Pj LxNz#hLN!Y7TE6J1FgXlAjJIeseUPFKWQv)#U8ppJ&8&YE%0h(+40i0hY6og#s67M7KYEyDj w2q*QhEiuyXU9fwyAAoGwKTQpJ p3ueEMV!PETq)rM#4Gwgfa+NXk&uHiS&d3z x!$SUTHIy35FH Dp8vR#cdTOC 4FnYBWic w#lX#iq#ZTdqNDJPEOh2hr mPQUKk*i*4R8f(He)lU!K2eK54(hpYm+2xKnrgh)P6r mRPj H1M19LmCPmOf&H u6tSeD xeLFZ 093LTg6!ymGM34jEj r m-H) NK+K1%rt%bD W54r F&V4m4l70#dhLofzomK-!ladsPsEvS71O15O$sQbv WkO0CEGp0z&mksUSqp-O&Hbbdc#3#%0KLW!B(gAne-
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第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学207、微生物新陈代谢的本质是什么？它包括了哪些内容？
208、什么是生物酶及其酶促反应？
209、在生化反应过程中酶所起的作用是什么？酶具有哪些特征？
210、微生物的呼吸作用有哪几种类型？各有什么特点？
211、试述好氧呼吸和厌氧呼吸的本质。
212、微生物生长曲线的研究在废水生物处理中的指导意义是什么？
213、微生物内源呼吸的本质是什么？
214、影响微生物生长的环境因素有哪些？各如何影响？
215、ATP在生物反应过程中所起的作用是什么？
216、试推导M-M方程式。
217、证明当μ＝μm/2时，Ks＝[S]0。
218、试根据能量代谢作用解释为何厌氧生物处理过程中所产生的剩余污泥量要比好氧生物处理少？
219、试推导一级反应、二级反应的速率常数表达式。
220、何谓反应的半衰期？写出一级反应和二级反应的半衰期公式并对它们进行比较说明。
221、试分别推导完全混合间歇反应器、连续流完全混合反应器、串联运行的连续流完全混合反应器和推流式反应器的反应时间与出水中基质浓度间的关系表达式。
222、某城市污水日流量为5000 m3/d，进水BOD5为200 mg/L，要求经处理后出水中的BOD5浓度≤20 mg/l。
假定反应为一级反应，速率常数为K＝0.75d－1 。
试比较下列反应器系统所需的总容积。
（1）单个完全混合反应器（CSTR）；
（2）两个串联运行的完全混合反应器（CSTR）；
（3）四个串联运行的完全混合反应器（CSTR）；
（4）推流式反应器（PF）。
223、测定反应器中液体质点停留时间的方法有哪些？试举例说明之。
224、何谓反应器的停留时间分布函数？
225、反应器中的水流扩散度可用什么指标加以描述？理想的推流式反应器和理想法的
完全混合反应器中的毕克莱数（Peclet ）趋于多少？为什么说实际运行条件下的推流式反应器和完全混合反应器的Peclet 数并非分别为0或∞？
226、生物处理动力学的研究包括哪几个方面的内容？它们之间有何联系？
227、何谓微生物的比增殖速度？写出其表达式。
228、Monod 一相说的理论基础是什么？
229、何谓产率系数？试写出有关表达式并加以必要的说明。
230、说明微生物净增长速率、合成速率及内代谢速率的含义及它们之间的相互关系。
240、试述Eckenfelder 二相说建立的基本出发点，为什么说二相说试一相说的两种特例？
241、试分别说明哥莱夫（Grav ）模式、劳伦斯－麦卡蒂（Lawrence-McCarty ）模式和麦金尼（McKinney ）模式建立的理论基础，写出它们的基本表达式。
242、设在完全混合反应器内进行了连续流微生物增长试验，反应温度为20℃的试验结果列于下表。
试根据试验结果计算Ks 和μm 的值。
题242表 μ（h －
1） Se （mg/l ） 0.66
0.50
0.40
0.33
0.28
20.0 10.0 6.5 5.0 4.0
243、假定有机物的降解服从一级反应关系，试推导在完全混合活性污泥法中存在下列关系：（So －
Se ）/(Xt)＝KSe ，并说明如何通过试验可由此式求得废水中不可生物降解有机物的浓度Se 。
244、假定Xe ＝0，试求下图所示完全混合活性污泥系统中的污泥龄θC ，为什么θC 必须不短于所需利用为什么的世代期？
题243图
题244图
245、已知某工厂排放的废水量为1200m3/d，经初沉池处理后出水中的BOD5为S0＝210mg/L。
试根据以下参数采用哥莱夫（Grav）模式计算完全混合曝气池所需的容积，并与采用经验法计算所得得曝气池容积进行比较。
曝气池中得X v＝3000mg/L；
要求处理出水BOD5为Se＝10mg/L；
反应速率常数K΄a=17.0 d-1。