12废水生化处理理论基础

②专属性。酶对其所作用的物质即底物有着严格的选择性。一种 酶只能作用于一些结构极其相似的化合物，甚至只能作用于一种 化合物而发生一定的反应。
③对环境条件极为敏感。迄今为止，已知所有酶的化学组成与一 般蛋白质并没有不同。它和蛋白质一样，在高温、高压、强酸、 强碱、重金属离子、紫外线及高强辐射等条件下，都会因蛋白质 变性而降低甚至丧失催化活性，也常因温度、pH值等的变化或抑 制剂的存在而使其活性发生变化。 另外，酶能在常温、常压和中性环境下进行催化反应，而一般非 酶催化剂往往需要在高温、高压的环境下才能使催化反应正常进 行。
一般在废水处理中常控制F/M在较低范围内，利用平衡 期或内源代谢初期的微生物的生长活动，使废水中的 有机物稳定化，以取得较好的处理效果。
二、微生物生长动力学
1．微生物的增长速度
Monod 方程描述限制增长营养物的剩余浓度与微生物 比增长率之间的关系为:
（12－12）
式中
μ——微生物比增长速度(单位微生物量的增长 速率)，时间-1；
在微生物的生命活动过程中，这两种代谢过程不是单 独进行的，而是相互依赖，共同进行的，分解代谢为 合成代谢提供物质基础和能量来源，通过合成代谢又 使生物体不断增加，两者的密切配合推动了一切生物 的生命活动。
二、微生物生长的营养及影响因素
营养物对微生物的作用是：（1）提供合成细胞物质时
所需要的物质；（2）作为产能反应的反应物，为细胞增长 的生物合成反应提供能源；（3）充当产能反应所释放电子
的受氢体。所以微生物所需要的营养物质必须包括组成细胞 的各种元素和产生能量的物质。 影响微生物生长的因素最重要的是营养条件、温度、pH 值、需氧量以及有毒物质。
1．微生物的营养
对好氧生物处理，BOD5:N:P=100:5:1，碳源以BOD5值 表示，N以NH3-N计，P以PO43-中的P计；对厌氧消化处理， C/N比值在（1～20）：1的范围内时，消化效率最佳。 2．反应温度 微生物可分为高温性（嗜热菌）、中温性、常温性和 低温性（嗜冷菌）四类，如表12-1所示。
第十二章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
废水生化处理理论基础
废水处理微生物基础 酶及酶反应 微生物生长动力学 废水的可生化性 废水生化处理方法总论
废水生化处理是利用生物的新陈代谢作用，对废水中 的污染物质进行转化和稳定、使之无害化的处理方法。
对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。所谓微生 物是肉眼不能看见，只能凭借显微镜才能观察到的单 细胞及多细胞生物。从狭义角度说主要是指菌类生物， 包括细菌、放线菌、真菌以及病毒等。从广义角度说， 除了菌类生物及病毒外，还包括藻类、原生动物和一 些后生动物。
一、废水可生化性
①脂肪烃或正烷烃较芳香烃或环烷烃易降解；不饱和脂
K1K2 K3
式中，S代表底物；E代表酶；ES代表中间产物；P为产物； K1、K2、K3分别是各步反应的速度常数。
米凯利斯和门坦在分析中间产物学说的基础上，提出了 表示整个反应过程中底物浓度与酶促反应速度之间的关系 式，称为米凯利斯-门坦方程式，简称米氏方程，即
式中 V——酶反应速度； Vmax——最大酶反应速度； S——底物浓度； Km——米氏常数 [Km＝(K２＋K３)/K1]
μm——微生物最大比增长速度，时间-1； S——溶液中限制生长的底物浓度，质量/容积； Ks——饱和常数。即当μ=μm/2时的底物浓度， 故又称半速度常数，质量/容积。
2．微生物生长与底物利用速度
微生物的增长速度与底物的降解速度有一个比例关系：
（12－13）
式中：Y——微生物产率系数； ——微生物总增长速度； dS ——底物利用速度； q——比底物利用速度。 dt 将式（12－12）代入式（12－13），可得
图12－2 酶反应速度与底物浓度的关系
米氏方程
对于图12-2中的现象，曾提出过各种假设予以解释，其 中比较合理的是中间产物学说。 根据这个学说,酶促反应分两步进行，首先酶与底物形成 中间络合物（中间产物），这个反应是可逆反应，然后结 合物再分解为产物和游离态酶。反应过程可用下式表示：
E S ES P E
5.有毒物质
有毒物质对微生物的毒害作用，主要表现在使细菌细 胞的正常结构遭到破坏以及使菌体内的酶变质，并失去活 性。 有毒物质可分为：①重金属离子（铅、铜、铬、砷、 铜、铁、锌等）；②有机物类（酚、甲醛甲醇、苯、氯苯 等）；③无机物类（硫化物、氰化钾、氯化钠、硫酸根、 硝酸根等）。
return
第二节
3.平衡期
在微生物经过对数期大量繁殖后，使培养液中
的底物逐渐被消耗，再加上代谢产物的不断积累，
从而造成了不利于微生物生长繁殖的食物条件和
环境条件，致使微生物的增长速度逐渐减慢，死 亡速度逐渐加快，微生物数量趋于稳定。
4.衰老期（内源代谢期）
在平衡期后，培养液中的底物近乎被耗尽，微
生物只能利用菌体内贮存的物质或以死菌体作为
主酶与辅基或辅酶组成全酶，两者不能单独起催化作用，只有结合 成全酶才能起催化作用，其中蛋白质部分决定催化什么样的底物以及 在什么部位发生反应，辅基或辅酶则决定催化什么样的化学反应。双 成分酶常保留在细胞内部，所以是内酶。
酶所具有的独特性能：
①催化效率高。对于同一反应，酶比一般化学催化剂的催化速度 高106～1013倍。酶催化的高效性还表现在用极少量酶就可使大量 反应物转化为产物。
表12-1 各类微生物生长的温度范围
类别 高温性 中温性 最低温度 最适温度 最高温度 30℃ 10℃ 类别 最低温度 最适温度 最高温度 5℃ O℃ 10～30℃ 5～10℃ 40℃ 3O℃
50～60℃ 70～80℃ 常温性 30～40℃ 50℃ 低温性
3．pH值
一般好氧生化处理pH值可在6.5～8.5之间变化;厌氧生物处 理要求较严格，pH值在6.7～7.4之间。因此，当排出废水pH值 变化较大时，应设臵调节池。 4．溶解氧 好氧微生物在降解有机物的代谢过程中以分子氧作为受氢 体，如果分子氧不足，降解过程就会因为没有受氢体而不能进 行，微生物的正常生长规律就会受到影响，甚至被破坏。 厌氧微生物对氧气很敏感，当有氧存在时，会形成H2O2积累， 对微生物细胞产生毒害作用，使其无法生长。
微生物的代谢活动经调整，适应了新的培养环境后，在 营养物质较丰富的条件下，微生物的生长繁殖不受底物的 限制，微生物的生长速度达到最大，菌体数量以几何级数 的速度增加，菌体数量的对数值与培养时间成直线关系， 故有时亦称对数期为等速生长期。
在这种情况下，微生物体内能量高，絮凝性和沉降性能 均较差，出水中有机物浓度也很高，也就是说，在废水生 物处理过程中，如果控制微生物处于对数增长期，虽然反 应速率快，但想取得稳定的出水以及较高的处理效果是比 较困难的。
2.Km与Vmax的测定 对一个酶促反应，由于在确定Km值及Vmax值时, 只能得到近似 的Vmax值，同时Km也测不准确,所以,一般常用图解法。 图解法为Lineweaver-Burk作图法，也称双倒数作图法。此 法先将米氏方程式改写为如下形式：
实验时，选择不同的Ｓ，测定相应 的Ｖ，以1/Ｖ对1/Ｓ作图，可得如图 12-3所示直线，直线在纵坐标上的截 距为１/ Vmax，直线的斜率为Km/Vmax ， 由此可求出Km与Vmax值。
养料，进行内源呼吸，维持生命。在此时期，由
内源代谢造成的菌体细胞死亡速率超过新细胞的
增长速率，使微生物数量急剧减少，生长曲线显
著下降，故衰老期也称为内源代谢期。
生物负荷率--F/M
在废水生物处理中，我们通过控制底物量(F)与微生物 量(M)的比值F/M (此值称为生物负荷率)，使微生物处 于不同的生长状况，从而控制微生物的活性和处理效 果。
关于米氏方程的几点说明
1．米氏常数的意义 ①Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关,而与酶的 浓度无关。不同的酶具有不同的Km值，如表12-3所示。 ②如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个Km值 ③同一种酶有几种底物相应有几个Km值，其中Km值最小的 底物称为该酶的最适底物或天然底物。
三、酶制剂
近二三十年来，随着生物化学和微生物学技术的迅速发展，人们可从 生物体中把酶分离提取出来，制成用于生产活动的酶制剂。如从动物 胰脏提取胰蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。但由于动植物的来源有 限，不能适应生产上大量用酶的需要，故目前大多采用微生物发酵法 来制取酶。目前市场上商品酶制剂品种已近200种，广泛应用于食品、 纺织、制革、石油、医药等行业。如淀粉酶用于纺织品的退浆，可节 约大量的碱并提高棉布质量；蛋白碱用于制革工业的脱毛和软化，既 节省了时间，又改善了劳动卫生条件；制丝业及照相器材业利用蛋白 酶使生丝及底片脱胶等。对酶制剂用于废水生物处理也进行了大量研 究，并得以应用。如日本研究将具有分解氰能力的产碱杆菌和无色杆 菌制成氰分解酶，可使氰分解成氨和碳酸，对处理电镀含氰废水和丙 烯腈废水很有效；利用脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等混合酶 处理生活污水；利用多酚氧化酶处理含酚废水等。目前还正在寻找研 制能分解有机汞、多氯联苯、塑料和环状有机化合物的酶。
四、适应酶
微生物具有变异的特性，即遗传的变异性。人们根据 这一特点，人为地改变微生物的环境条件，使微生物在受 到各种物理、化学等因素的影响后，发生变异，并在机体 内产生适应新环境的酶，即适应酶。
人们就利用这个特性为生产服务。如活性污泥的培养驯 化就是利用了这一特性，即在活性污泥的培养驯化过程中， 不适应废水的微生物逐渐死亡，适应该废水的微生物逐渐 增加，并在该种废水的诱发下，在微生物的细胞内产生适 应酶。
第一节 废水处理微生物基础
一、微生物的新陈代谢
1．分解代谢 高能化合物分解为低能化合物， 物质由繁到简并逐级释放能量的过 程叫分解代谢或异化作用。 2．合成代谢 微生物从外界获得能量，将低 能化合物合成生物体的过程叫合成 代谢，或称同化作用。