污水生物处理基本概念和生化反应动力学基础
(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。
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
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-
高廷耀《水污染控制工程》(第4版)(下册)考研真题精选-第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动
第十一章污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础一、选择题活性污泥法中，为了既获得好的处理效果，又使污泥有良好的沉降性能，一般将活性污泥控制在（）。
[中国地质大学（武汉）2011年研]A．延迟期末期B．对数增长期末期C．稳定期末期D．衰亡期末期【答案】C【解析】A项，延迟期末期微生物细胞进入新环境开始吸收营养物质合成新的酶系，一般不繁殖，活细胞数目不会增加甚至减少。
B项，对数增长期末期微生物维持在活力很强的状态，因为若要维持较高的生物活性，就需要有充足的营养物质，含有高浓度有机物的进水容易造成出水有机物超标，使出水达不到排放要求；另外，对数增长期的微生物活力强，使活性污泥不易凝聚和沉降，给泥水分离造成一定困难。
D项，衰亡期末期，此时处理过的污水中含有的有机物浓度固然很低，但由于微生物氧化分解有机物能力很差，所需反应时间较长，因此，在实际工作中是不可行的。
所以，为了获得既具有较强氧化和吸附有机物能力，又具有良好的沉降性能的活性污泥，在实际中常将活性污泥控制在稳定期末期和衰亡期初期。
二、填空题1．反硝化脱氮中，当碳源不足时，可以补充______或______。
[宁波大学2017年研]【答案】糖类；有机酸类【解析】反硝化细菌在反硝化过程中利用各种有机底质（包括糖类、有机酸类、醇类、烷烃类、苯酸盐类和其他苯衍生物）作为电子供体，NO3－作为电子受体，逐步还原NO3－至N2。
2．EBPR的英文全称是______，主要包括______和______两个过程。
[中国科学技术大学2015年研]【答案】Enhanced biological phosphorus removal；厌氧释磷；好氧吸磷【解析】EBPR是指强化生物除磷系统，即Enhanced biological phosphorus removal。
生物除磷最基本的原理是在厌氧—好氧或厌氧—缺氧交替运行的系统中，利用聚磷微生物具有厌氧释磷及好氧（或缺氧）超量吸磷的特性，使好氧或缺氧段中混合液磷的浓度大量降低，最终通过排放含有大量富磷污泥而达到从污水中除磷的目的。
第十章 污水生物处理基本概念及生化反应动力学基础
不同类型微生物进行分解代谢所利用的底物 不同，异样微生物利用有机物，自养微生物利 用无机物。 有机底物的生物氧化主要脱氢（包括失电子） 方式实现。
微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能， 根据与氧气的关系，分为两大类，即好氧呼吸 和厌氧呼吸。 好氧呼吸：底物中的氢被脱氢酶活化，并从底 物中脱出交给辅酶(递氢体)，同时放出电子， 氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化 氧和从底物中脱出的氢结合成水。因此，好氧 呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。
3. PH值：活性污泥最适宜的PH值范围是6.5-8.5。 4. 溶解氧：影响生物处理效果的重要因素。好氧生物 处理溶解氧一般以2-4mg/L为宜。厌氧生物处理不能 有氧。 5. 有毒物质：重金属等有毒物质能使微生物细胞结构 遭到破坏以及生物酶变性，失去活性。
第三节 反应速度和反应级数
一、反应速度 二、反应速率方程和反应级数
一、反应速度
在生化反应中，反应速度是指单位时间单位体 积内底物的减少量、产物或细胞质的增加量。例： 生化反应：S→y· X+z · P 反应速度： dn P dn X dn S
S Vdt
X Vdt P Vdt
如果反应过程V恒定，则反应速度：
dC S S dt dC X X dt dC P P dt
总反应式：
C6H12O6 →2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ
3. 无氧呼吸
指以无机氧化物，如NO3-、 NO2-、SO42等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作 用。 如反硝化作用：C6H12O6+6H2O → 6CO2+24[H]
24[H]+4NO3- →2N2↑+的生长规律和生长环境
污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础
求得：
1 Xa Y S S V 1 b Q
0
V Q
为水力停留时间
在恒化器处于静态的时候， x
x 为固体停留时间（SRT），也称为平均细胞停留时间
（MCRT）或者污泥龄
系统中的活性生物量 x 1 活性生物量的产率
即泥龄是净比生长速率的倒数
第 1章
污水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础
1.1 基本速率表达式 Basic Rate Expressions
细菌生长动力学，最常用的是莫诺特方程
1 dX a S μ syn μ X dt K S a syn
syn 为合成的比生长速率，T-1
x min
S 随着 x 增加而单调下降
S min ， S min 是维持稳态 接近极小值 S
b Y q b
菌体需要的最小基质浓度
S min K
如果 S S min ，细胞的净生长速率就是负数，菌体不会累积 而将逐渐消失，只有 S S min ，才能维持稳态菌体。 4）当
无穷大，可以将 S 从 S 0 降低到 S min
不能去除基质，没有活性菌体累积
刚刚产生污泥流失时的 x 值称为 x min
0 K S x min 0 S Y q b bK
min 增大，逐渐达到其极限值： 随着 S 0 增大， x
min x
lim
1 Y q b
2）对于所有的 x 3）对于很大的 x
X a为活性菌体的浓度，MxL-3
S 为限制生长速率的基质浓度，MsL-3
第十一章-污水生物处理的基本概念生化反应动力学基础
③内源呼吸碳源——细菌体内的原生物质及其贮存 的有机物。
反硝化反应的适宜pH值为6.5～7.5。pH 值高于8或低于6时，反硝化速率将迅速 下降。
反硝化反应的温度范围较宽，在5℃～ 40℃范围内都可以进行。但温度低于 15℃时，反硝化速率明显下降。
4.同化作用
11.2 微生物的生长规律和生长环境
一、微生物的生长 规律
1、停滞期
2、对数期 3、静止期 4、衰老期
实际运用中，将活性污泥控制在哪个生长期？为什么？
11.2 微生物的生长规律和生长环境
原生动物 5
后生动物
11.2 微生物的生长规律和生长环境
二、微生物的生长环境 （一）、微生物的营养
水处理中微生物对C、N、P三大营养元素的要求：
好氧吸磷：进入好（缺）氧状态后，聚磷菌将储存 于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌 增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷 的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。
由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定 运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥， 也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚 磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。 (正常细 胞含磷1％～3％，聚磷菌吸磷量可达12％)
3.反硝化作用
污水中的硝态氮NO3-－N和亚硝态氮NO2-－N， 在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的 过程。具体反应如下： 6NO2-＋3CH3OH→ 3N2＋3CO2+3H2O＋6OH－ 6NO3-＋5CH3OH→ 3N2＋7H2O＋5CO2+6OH－
反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，在 有氧存在时，它会以O2为电子受体进行 好氧呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在 时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有 机碳为电子供体和营养源进行反硝化反 应。
水污染控制工程高廷耀程学习重点
水污染控制工程 Wastewater Treatment一、水质指标：物理指标、化学指标、生物指标（一）BOD5(5日生化需氧量）：指5天内水中有机污染物被好氧微生物分解时所需的氧量（mg/L）（二)水体自净作用：以河流为例，指河水中的污染物在河水向下游流动中浓度自然降低的现象。
(1）物理净化：指污染物由于稀释、扩散、沉淀等作用，使河水污染物浓度降低的过程。
(2)化学净化：指污染物由于氧化、还原、分解等作用，使河水污染物浓度降低的过程。
（3）生物净化：由于水中生物活动，尤其是水中微生物对有机物氧化分解作用而使河水污染物浓度降低的过程。
二、污水的物理处理（一）格栅（Screening）：在水处理中，格栅是用来去除可能阻塞水泵机及管道阀门的较粗大的悬浮物，并保证后续处理设备能正常运行的一种装置。
Screening to remove large subjects,such as stones or sticks that could plug lines or block tank inlets.（二)沉淀的基础理论1.沉淀法：利用水中悬浮颗粒和水的密度差,在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。
2.沉淀法的四种用法：1.污水处理系统的预处理（沉砂池—预处理手段去除污水中易沉降的无机性颗粒物）2.污水的初步处理（初沉池)（经济有效地去除污水中的悬浮固体和呈悬浮状态的有机物）3.生物处理后的固液分离(二次沉淀池,简称二沉池)4。
污泥处理阶段的污泥浓缩(污泥浓缩池）3.沉淀类型(1)自由沉淀：悬浮颗粒物浓度不高:沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰,颗粒各单独进行沉淀，颗粒沉淀轨迹呈直线。
沉淀过程中，颗粒的物理性质不变.发生在沉砂池。
（2）絮凝沉淀：悬浮颗粒物浓度不高：沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈曲线。
沉淀过程中，颗粒的质量、形状、沉速是变化的.化学絮凝沉淀属于这种类型.（3）区域沉淀（成层沉淀或拥挤沉淀）：悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上）：颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响,颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下降，与澄清水之间有清晰的泥水界面。
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
•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
•根据受氢体的不同分为
•好氧呼吸
•厌氧呼吸
•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
•异养型微生物 •自养型微生物
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•发 酵 •无氧呼吸
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。
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
第二节 污水生物处理的 基本原理
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
•1.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。
污水生物处理基本概念 和生化反应动力学基础
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2020/11/23
污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
•第一节 概述
1.污水生物处理技术的起源和发展 微生物的特点和污水生物处理的概念 污水生物处理工艺的应用历史 污水生物处理技术的发展过程 前景展望
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
•2.自养型微生物 • 自养型微生物以无机物为底物（电子供体），其终点产物 也是无机物，同时放出能量。
• 光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光 合作用色素合成有机物。
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
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•污水生物处理的历程及前景展望
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。
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•好氧呼吸
好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后， 通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。 有分子氧参与的生物氧化， 反应的最终受氢 体是分子氧。
依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物 不同，氧化产物也不同。好氧呼吸有异养型 微生物呼吸和自养型微生物呼吸两种 。
•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。
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•复杂物质分解为简单物质
•新陈代 谢
•分解代谢 •(异化作 用)
•合成代谢 •(同化作 用)
•释放能 量
•吸收能 量
•能量代 谢
•简单物质合成为复杂物质
•物质代 谢
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。
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比表面积大：大肠杆菌与人相比，其比表面积 约为人的30万倍，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：发酵乳糖的细菌在1hr内可分解 其自重的1000~10 000倍；假丝酵母
•分解与合成的相互关系：
1）二者不可分，而是相互依赖的；a、分解过程为合成提供能量和前物，
而合成则给分解提供物质基础；b、分解过程是一个产能过程，合成过程
则是一个耗能过程。
2)对有机物的去除，二者都有重要贡献；
•3）合成量的大小，对后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般
可以占整个城市污水处理厂的40~50%）。
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1.异养型微生物 • 异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终点产物 为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。如下式所示：
• • 有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污 泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
•微 生 物 的 呼 吸
• 一切生物时刻都在进行着呼吸，没吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他 生命活动，多余的能量以热量形式释放。 • 通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物 质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。
（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。
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
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；
从可持续发展的战略观点来衡量： 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。
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
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。
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污水生物处理基本概念和生化反应动 力学基础
繁殖快、易变异、适应性强
大肠杆菌在条件适宜时17min就分裂一次；有一 种假单胞细菌在不到10min就分裂一次；
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
•why
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