第七章废水生物化学处理基础
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C5H7 NO2 5O2 5CO2 2H2O NH3
按这一反应计算，每克干细菌的完全氧化约需单体氧1.42g。
§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
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：
2NH3 3O2 2NO2 2H 2H2O
1 m 1 Y YC
§7wenku.baidu.com4 BOD与TbOD
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)。 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。
由图7-5可知，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ρ为：
KsD m ax D
§7-3 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
式中，Yc称为真产率因数。 示为：
1 dx d Yc dt dt 生长
维持能量所需的消耗速率 d dt 应该与细菌的质量x 成正比，可以表
维持
式中，m称为维持系数，量纲为时间-1。 这样（7-13）可以写成：
d mx dt 维持
当代给水与废水处理原理
高良敏
博士、教授
安徽理工大学地球与环境学院
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》(Biochemical Engineering Fundamentals．1977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。
BOD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 图7-8反映了BOD试验所存在的两方面的 虽然也要摄取一定食物及溶解氧．但是量 问题： 甚少，所以有机物浓度可以视作无变化。 ① BOD5与总BOD值不会具有一定的数量 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 关系。 大值时，有机物浓度也降为零。在有机物 ② 按曲线通过原点的一级反应来处理 浓度为零以后．细菌靠内源呼吸以及死的 BOD数据的办法xianran 是不严格的。 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的生 长代谢都同时摄人氧。包括在这一阶段的 BOD值中。
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，CODfi—CODf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)。
§7-5 微生物集团的模型
§7-5 微生物集团的模型
微生物膜的微分方程式 某一点浓度ρ 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。 膜或絮体中所含的活微生物的比表面积a：
a V中所含活微生物的总表 面积 微生物集团的体积 V
微生物膜的厚度为L，在膜与液体界面处的底物浓度为ρb。 把膜按一个单向的底物扩散过程来处理。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： N ydydxdz r(adxdydz) N ydxdz 经整理得： 边界条件为：
当底物不需透酶区的运输时，式（7-4）简化为：
d ad D d
rd '' V a m m '' Km
Vm a p '' a a (K '' ) m m p
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：
质而产生的，以 ddt 表示，另一部分是为维持细菌处于活的状态所需的
生长
能量而产生的，以 ddt 表示，这就得：
维持
d d d dt 总 dt 生长 dt 维持
（7-13）
由：
1 dx d Y dt dt 总
§7-4 BOD与TbOD
TbOD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0.45µ m孔径滤 膜过滤后的滤液COD以及悬浮固体量。 (6)计算
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。
2 NO2 O2 2H 2NO3 2H
§7-4 BOD与TbOD
稀释系数 ab b
CODu 混合液初始 COD - 混合液最小 COD
Tb OD COD ab b
CODt 滤液初始COD - 滤液最小COD
细菌生长的 COD CODt CODu） （
ab b
§7-4 BOD与TbOD
TbOD试验结果
TbOD试验结果可绘成图7— 10所示的曲线。当混合液的COD 曲线变水平后，表示了水中有机
d ad D d
rd
a ' a p p ' Kp
§7-2 细菌的连续增殖
简单的恒化器见图7—3，是一个工 作容积可以小至100mL的容器。进入恒 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 7—3所示的恒化器实际可看作是一个 CSTR。
§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
当典型的碳源物质葡萄糖完全氧化时可以写成：
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O
则可认为生化需氧量等于2.67×有机物碳原子的质量浓度。 细菌细胞的合成可以写成： 24C6H12O6 59O2 17NH3 17C5H7O2 N 59CO2 110H2O 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：
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膜或者在液相内处于悬浮状态的微牛物絮体。 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。
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：
d ad D d
rd '' a ' V a m a p p m K p ' K m ''
第七章 废水生物化学处理基础
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TbOD §7-5 微生物集团的模型 §7-6 微生物膜的阻力与厚度
§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。 这里，我们假设： ①不考虑复杂的代谢过程； ②把底物的消失引用流体力学中“汇”的概念来解释； ③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。
§7-4 BOD与TbOD
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。 Grady及Busch提出，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
NP a p' K P '
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，但组成代谢途径的每一个反应都是由酶控制的，因而服从于Michaelis— Menten方程。代谢区内底物消耗速率可以表示为：
d'' a m '' dt K m ''
§7-1 单个细菌的模型
§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 × x = Dx
V
由于细菌的增殖率可表示为dx/dt=µ 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：
dx x Dx dt
D
m ax Ks
§7-2 细菌的连续增殖
§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
图7—7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 BOD （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)。
§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： d Nd= －D
d
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：
按这一反应计算，每克干细菌的完全氧化约需单体氧1.42g。
§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
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：
2NH3 3O2 2NO2 2H 2H2O
1 m 1 Y YC
§7wenku.baidu.com4 BOD与TbOD
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)。 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。
由图7-5可知，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ρ为：
KsD m ax D
§7-3 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
式中，Yc称为真产率因数。 示为：
1 dx d Yc dt dt 生长
维持能量所需的消耗速率 d dt 应该与细菌的质量x 成正比，可以表
维持
式中，m称为维持系数，量纲为时间-1。 这样（7-13）可以写成：
d mx dt 维持
当代给水与废水处理原理
高良敏
博士、教授
安徽理工大学地球与环境学院
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》(Biochemical Engineering Fundamentals．1977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。
BOD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 图7-8反映了BOD试验所存在的两方面的 虽然也要摄取一定食物及溶解氧．但是量 问题： 甚少，所以有机物浓度可以视作无变化。 ① BOD5与总BOD值不会具有一定的数量 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 关系。 大值时，有机物浓度也降为零。在有机物 ② 按曲线通过原点的一级反应来处理 浓度为零以后．细菌靠内源呼吸以及死的 BOD数据的办法xianran 是不严格的。 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的生 长代谢都同时摄人氧。包括在这一阶段的 BOD值中。
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，CODfi—CODf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)。
§7-5 微生物集团的模型
§7-5 微生物集团的模型
微生物膜的微分方程式 某一点浓度ρ 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。 膜或絮体中所含的活微生物的比表面积a：
a V中所含活微生物的总表 面积 微生物集团的体积 V
微生物膜的厚度为L，在膜与液体界面处的底物浓度为ρb。 把膜按一个单向的底物扩散过程来处理。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： N ydydxdz r(adxdydz) N ydxdz 经整理得： 边界条件为：
当底物不需透酶区的运输时，式（7-4）简化为：
d ad D d
rd '' V a m m '' Km
Vm a p '' a a (K '' ) m m p
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：
质而产生的，以 ddt 表示，另一部分是为维持细菌处于活的状态所需的
生长
能量而产生的，以 ddt 表示，这就得：
维持
d d d dt 总 dt 生长 dt 维持
（7-13）
由：
1 dx d Y dt dt 总
§7-4 BOD与TbOD
TbOD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0.45µ m孔径滤 膜过滤后的滤液COD以及悬浮固体量。 (6)计算
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。
2 NO2 O2 2H 2NO3 2H
§7-4 BOD与TbOD
稀释系数 ab b
CODu 混合液初始 COD - 混合液最小 COD
Tb OD COD ab b
CODt 滤液初始COD - 滤液最小COD
细菌生长的 COD CODt CODu） （
ab b
§7-4 BOD与TbOD
TbOD试验结果
TbOD试验结果可绘成图7— 10所示的曲线。当混合液的COD 曲线变水平后，表示了水中有机
d ad D d
rd
a ' a p p ' Kp
§7-2 细菌的连续增殖
简单的恒化器见图7—3，是一个工 作容积可以小至100mL的容器。进入恒 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 7—3所示的恒化器实际可看作是一个 CSTR。
§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
当典型的碳源物质葡萄糖完全氧化时可以写成：
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O
则可认为生化需氧量等于2.67×有机物碳原子的质量浓度。 细菌细胞的合成可以写成： 24C6H12O6 59O2 17NH3 17C5H7O2 N 59CO2 110H2O 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：
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膜或者在液相内处于悬浮状态的微牛物絮体。 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。
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：
d ad D d
rd '' a ' V a m a p p m K p ' K m ''
第七章 废水生物化学处理基础
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TbOD §7-5 微生物集团的模型 §7-6 微生物膜的阻力与厚度
§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。 这里，我们假设： ①不考虑复杂的代谢过程； ②把底物的消失引用流体力学中“汇”的概念来解释； ③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。
§7-4 BOD与TbOD
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。 Grady及Busch提出，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
NP a p' K P '
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，但组成代谢途径的每一个反应都是由酶控制的，因而服从于Michaelis— Menten方程。代谢区内底物消耗速率可以表示为：
d'' a m '' dt K m ''
§7-1 单个细菌的模型
§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 × x = Dx
V
由于细菌的增殖率可表示为dx/dt=µ 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：
dx x Dx dt
D
m ax Ks
§7-2 细菌的连续增殖
§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
图7—7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 BOD （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)。
§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： d Nd= －D
d
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：