2020年第三章_废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础参照模板
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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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
•
发酵
无氧呼吸
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。 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。
•
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
2H
NAD(P) NAD(P)H H
2H
NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）
好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这过 程中，同时放出能量。
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和自养型微生物两种 。
•
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：
分解代谢 (异化作用)
新陈代谢
合成代谢 (同化作用)
复杂物质分解为简单物质
释放能量 吸收能量
能量代谢
物质代谢
简单物质合成为复杂物质
•
能量循环：三磷酸腺苷ATP(Adenosine Triphosphate) AMP+~P→ADP+ ~P →ATP ADP磷酸化生成ATP： ATP水解产生能量
ADP磷酸化
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。
•
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。
光
CO2+H2O 叶绿素
[CH2O]＋O2
些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸
的多。
•
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
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。
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 2817.3kJ
C11H29O7 N
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：
化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。
光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合成 有机物的一类厌氧微生物。
•
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 6H2O 6CO2 24[H ]
24[H
]
4 NO3
2
N
2
12 H 2O
总反应式：
C6 H12O6
4 NO3
6CO2
6H 2O
2
N
2
1755.6kJ
在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间
电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以
分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有
化能自养微生物 化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需 的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。
H2S 2O2 H2SO4 能量
大型合流污水沟道和污水沟 道存在该式所示的生化反应
NH
4
2O2
NO3
2H
H 2O
能量
•生物脱氮工艺中的生物硝化过程
厌氧呼吸
厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。 厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程 中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶 传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。
例如葡萄糖发酵的过程：
C6 H12O6 2CH3COCOOH 4[H ]
2CH3COCOOH 2CO2 2CH3CHO
4[H ] 2CH3CHO 2CH3CH 2OH
总反应式：
C6H12O6 2CH3CH• 2OH 2CO2 92.0kJ
2.无氧呼吸
是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代 替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。 在反硝化作用中，受氢体为NO3-可用下式所示：
氧化磷酸化 光合磷酸化
底物水平磷酸化 电子传递磷酸化
低能化合物
ATP
细胞合成
磷酸根
能量
生理需要
高能化合物
ADP
•
热能释放
微生物的呼吸
一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命
呼吸作用的生物现象： 呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其它生命 活动、多余以热量形式释放； 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
No free lunch for the bugs, No free lunch for us either.
Let us serve the bugs before bugs serve us better.
•
第十一章 废水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础
•
第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
•
发酵
无氧呼吸
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。 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。
•
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
2H
NAD(P) NAD(P)H H
2H
NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）
好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这过 程中，同时放出能量。
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和自养型微生物两种 。
•
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：
分解代谢 (异化作用)
新陈代谢
合成代谢 (同化作用)
复杂物质分解为简单物质
释放能量 吸收能量
能量代谢
物质代谢
简单物质合成为复杂物质
•
能量循环：三磷酸腺苷ATP(Adenosine Triphosphate) AMP+~P→ADP+ ~P →ATP ADP磷酸化生成ATP： ATP水解产生能量
ADP磷酸化
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。
•
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。
光
CO2+H2O 叶绿素
[CH2O]＋O2
些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸
的多。
•
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
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。
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 2817.3kJ
C11H29O7 N
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：
化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。
光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合成 有机物的一类厌氧微生物。
•
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 6H2O 6CO2 24[H ]
24[H
]
4 NO3
2
N
2
12 H 2O
总反应式：
C6 H12O6
4 NO3
6CO2
6H 2O
2
N
2
1755.6kJ
在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间
电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以
分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有
化能自养微生物 化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需 的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。
H2S 2O2 H2SO4 能量
大型合流污水沟道和污水沟 道存在该式所示的生化反应
NH
4
2O2
NO3
2H
H 2O
能量
•生物脱氮工艺中的生物硝化过程
厌氧呼吸
厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。 厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程 中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶 传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。
例如葡萄糖发酵的过程：
C6 H12O6 2CH3COCOOH 4[H ]
2CH3COCOOH 2CO2 2CH3CHO
4[H ] 2CH3CHO 2CH3CH 2OH
总反应式：
C6H12O6 2CH3CH• 2OH 2CO2 92.0kJ
2.无氧呼吸
是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代 替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。 在反硝化作用中，受氢体为NO3-可用下式所示：
氧化磷酸化 光合磷酸化
底物水平磷酸化 电子传递磷酸化
低能化合物
ATP
细胞合成
磷酸根
能量
生理需要
高能化合物
ADP
•
热能释放
微生物的呼吸
一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命
呼吸作用的生物现象： 呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其它生命 活动、多余以热量形式释放； 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
No free lunch for the bugs, No free lunch for us either.
Let us serve the bugs before bugs serve us better.
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第十一章 废水生物处理的基本概念 和生化反应动力学基础
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第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理