溶解氧
有毒物质
第三节
反应速度和反应级数
生化反应动力学
生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学 反应。 污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件 去得到希望的反应速度。 生化反应动力学目前的研究内容： (1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因 素等方面的关系； (2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境 因素等方面的关系； (3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历 的途径。
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
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：可通过生物的降解转化的量。 可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。
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。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细 胞的增加来表示生化反应速度。
图中的生化反应可以用下式表示：
S y X z P
及

d X dt
d S y dt
一般估算营养比例： BOD∶N∶P ＝100 ∶5 ∶1
微生物的营养
(1)水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约80%的成分为 水分。 (2)碳源：碳素含量占细胞干物质的50％左右，碳源主要构 成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运动所需要 的能量，一般污水中含有足够碳源。 (3)氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。 (4)无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素。作 用：构成细胞成分，酶的组成成分,维持酶的活性，调节渗透压， 提供自养型微生物的能源。 磷：核酸、磷脂、ATP转化。硫：蛋白质组成部分，好氧硫 细菌能源。钾：激活酶。钙：稳定细胞壁，激活酶。镁：激活酶， 叶绿素的重要组成部分 (5)生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。
C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ
废水的好氧生物处理
图示表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有1/3被 分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有2/3被转化，合成 为新的原生质（细胞质），即进行微生物自身生长繁殖。
废水的好氧生物处理
好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间 较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散 发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机 废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水， 基本上采用好氧生物处理法。
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：
C 6 H 12 O 6 6H 2 O 6CO
2
24[H]
24[H] 4NO
3
2N
2
12H 2 O
总反应式：
C 6 H 12 O 6 6O
C 11 H 29 O 7 N 14O
2
6CO

2
6H 2 O 2817.3kJ
13H 2 O NH
4
2
H
11CO
2
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。
即

Hale Waihona Puke d S dt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。 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。
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
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。
C 6 H 12 O 6 4NO
3
6CO
2
6H 2 O 2N
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。
复杂物质分解为简单物质
分解代谢 (异化作用) 新陈代谢
释放能量 能量代谢 吸收能量 物质代谢
合成代谢 (同化作用)
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。
底物水平磷酸化 氧化磷酸化 ADP磷酸化 光合磷酸化 低能化合物 电子传递磷酸化
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
微生物的组成
水 80％ 微生物 组成 有机物 90％ C 53.1%,O 28.3%, N 12.4%,H 6.2% P 50%,S 15%,Na 11%,Ca 9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等
干物质 20％
无机质 10％ 细胞分子式：C5H7O2N(有机部分) 细胞分子式：C60H87O23N12P(考虑磷)
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
各类微生物所生长的温度范围不同， 约为5℃ ～80℃ 。 此温度范围，可分为最低生长温度、 最高生长温度和最适生长温度（是指微 生物生长速度最快时温度）。 依微生物适应的温度范围，微生物可 以分为中温性（20～45℃ ） 、好热性 （高温性）（45℃以上）和好冷性（低 温性）（20℃以下）三类。 当温度超过最高生长温度时，会使微 生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破 坏而失活，严重者可使微生物死亡。 低温会使微生物代谢活力降低，进而 处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生 命力。
温 度
pH
溶解氧
有毒物质
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
不同的微生物有不同的pH适应范围。 细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH 适应范围是在4～10之间。 大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH＝ 6.5～7.5）的环境。 废水生物处理过程中应保持最适pH范 围。 当废水的pH变化较大时，应设置调节 池，使进入反应器（如曝气池）的废水， 保持在合适的pH范围。
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。
H 2 S 2O
4
2
H 2 SO
3
4
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 生物脱氮工艺中的生物 硝化过程
NH
2O
2
NO
2H

H 2 O 能量
C 6 H 12 O 6 2CH 3 COCOOH 2CH 3 COCOOH 2CO 4[H]
2
2CH 3 CHO
4[H] 2CH 3 CHO 2CH 3 CH 2 OH
总反应式：
C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH 2CO
2
92.0kJ
2.无氧呼吸
有毒物质
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度
pH
溶解氧
溶解氧是影响生物处理效果的 重要因素。 好氧微生物处理的溶解氧一般 以2～4mg/L为宜。
有毒物质
微生物的生长环境
微生物的营养 影 响 微 生 物 生 长 的 环 境 因 素
温 度 pH 值
在工业废水中，有时存在着对微生物 具有抑制和杀害作用的化学物质，这类 物质我们称之为有毒物质。 其毒害作用主要表现在细胞的正常结 构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失 去活性。 在废水生物处理时，对这些有毒物质 应严加控制，但毒物浓度的允许范围， 需要具体分析。
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％
受氢体
分子氧 无机物 有机物
化学反应式
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ
无氧呼吸 发酵
能量利用率26％
C6H12C6+4NO3 - → 6CO2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ