第1章--废水生化处理--基本原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.1 废水处理微生物技术,1.2 酶及酶反应,1.3 微生物生长动力学,1.4 废水的可生化性,第一章 废水生化处理理论基础,1.1 废水处理微生物技术,1.1.1微生物的呼吸类型,1.好氧呼吸,好氧呼吸是指有分子氧（O,2,）参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。,1.1好氧微生物的类型,（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，,同时释放出能量,（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,2.厌氧呼吸,厌氧呼吸是在无分子氧的情况下进行的生物氧化，根据反应过程中最终受氢体的不同可分为发酵和无氧呼吸。,（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）,（2）无氧呼吸 是指以无机氧化物，如,等代替体分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。,治理废水的生物化学方法：,利用微生物或植物来净化废水的技术，称之为生物化学法。,包括好氧法、厌氧法、氧化塘等生物治理方法,好氧法,好氧微生物必须在水中溶解氧很丰富的条件下才能生存繁衍。好氧微生物以废水中的有机物作为它们进行新陈代谢的基质（营养物），通过好氧微生物的代谢活动，把有机物转化为 H,2,O 和CO,2,以及少量的硝酸盐，从而达到净化废水的目的,。,好氧生化反应在常温下进行，气温越高，水温也随之升高，反应速度也越快，处理废水效率也越高,好氧生化反应过程中，好氧微生物大量消耗水中的溶解氧，因而必须不间断地向废水中供给氧，称之为曝气。曝气要消耗掉很多的能量，所以好氧生化治理技术，能耗比较高。,厌氧法主要用来处理高浓度可生化的有机废水。如酒精糟液、造纸黑液、印染废水、含酚废水、制药废水等等，以及污水处理厂产生的剩余污泥。厌氧生化反应可以在三种不同温度下进行。高温厌氧50-55，中温厌氧30-38，低温厌氧10-25。如果在45左右，其处理效果反而不好。厌氧生化反应的反应速度慢，往往需要 2-4 天甚至更长的时间。随着厌氧技术的发展，目前某些废水的厌氧周期可以缩短到8-12小时，甚至可以更短一些。,厌氧技术的操作方法有污泥法和生物膜法。厌氧技术所采用的设施的构型有许多种，而且正在不断改进之中。如升流式厌氧污泥床、挡板式厌氧反应池、厌氧膨胀床、厌氧流化床、厌氧滤池、厌氧生物转盘、二级厌氧反应池等等。由于厌氧碱性发酵周期很长，甲烷菌对生存条件的要求又非常苛刻（即非常娇气），所以近年来有许多工程只让厌氧过程进行到酸性发酵为止。酸性发酵能使大分子有机物水解、断裂成低分子量有机物，生成有机酸，从而提高了该废水的可生化性，然后转入好氧生化处理。此种方法称为水解工艺、酸化工艺或H/O工艺。,稳定塘是指建造或者利用一个面积广大的水塘，废水放于其中，让塘中繁殖起的微生物乃至植物来净化废水，就是稳定塘。水深在2.5m以上的是厌氧塘；水深在0.5-2.5m之间的是兼性塘，即有厌氧作用，也有一定的好氧作用；水深在0.5m以下的是氧化塘，具有一定的降解有机污染物的能力，而且运行费用非常低，但是占地面积大，只有在若干特殊的地域才能采用。,在此，必须特别强调指出，不论什么类型的稳定塘，都必须经过专门的计算、设计和科学论证，不能把排污单位存放废水的大水坑，任意命名为氧化塘、稳定塘。,经过专门设计建造的湿地以及芦苇塘、水生植物及林地都有一定的净化废水的能力，也属于生物化学法的一种，称做生态学方法。凡是有广阔地域可供利用的地方，应大力发展稳定塘和生态学方法。这种方法投资少，运行费用极低。,第二节 酶及其反应,1,概述,酶及其应用方式,本质上都是蛋白质,生物体内，所有的反应均在酶催化下完成，而且这些反应极为巧妙，且选择性很高,酶很容易失活,研究酶反应过程及其应用，就是要保持酶的催化活性防止或抑制其失活，从而有效地应用酶反应生产有用物质,。,2 酶的特性,酶的分类及命名,系统命名法,惯用名,(,即俗名,),酶的特性,酶的催化特性及酶活力,酶的专一性,酶的变形与失活,酶的辅助因子,单体酶、寡聚酶及多酶复合物,酶的催化特性,酶作为催化剂,具有催化剂的所有特性。酶参与生物化学反应，加快反应速度，在反应中立体结构和离子价态可以变化，但反应终止时一般酶本身不消耗、并恢复到原来状态。,在热力学上，与普通催化剂相同，酶能降低反应活化能，但它不能改变反应的平衡常数。换言之，无论有无催化剂存在，平衡常数只决定于反应的自由能。催化剂只能加快反应达到平衡的速度，而不能改变反应自由能。,酶催化效率的表征,分子活力,:,适当条件下，每摩尔酶在单位时间内催化底物转化为产物的摩尔数或反应基团的当量数,催化中心活力,:,表示每个催化活力中心单位平均时间内催化底物转化为产物的分子数,大多数酶的分子活力在每分钟,1000,左右，但最高可达到一百万以上,酶所催化的反应速率,的表征,酶单位,在特定条件下,(,例如,25,0,C,，,最适,pH,，,最适底物浓度等,),，每分钟催化一微摩尔底物转化为产物的酶量为一个酶单位，或称国际单位，用,U,表示。,分子活力,指每微摩尔酶蛋白所具有的酶活力单位数，,U/,mol,。,比活力,指每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数，,U/mg,。,酶的专一性,绝对专一性,:,一种酶只能催化一种化合物进行一种反应。例脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳和水。,相对专一性,:,一种酶能够催化一类具有相同化学键或化学官能团的物质进行某种类型的反应。如脂肪酶可以催化所有脂类化合物水解，故不仅可水解脂肪，也可水解所有其它的脂肪酸酯。,立体专一性,:,除了催化立体异构体相互转变的消旋酶及差向异构酶外，酶只能作用于所有立体异构体的其中一种这种专一性称为,立体专一性,，或称为立体选择性。例如，氨基酰化酶能催化酰基,L,氨基酸水解，却不能催化酰基,D,氨基酸水解。,序列专一性,:,基因工程中常用的限制性核酸内切酶,(EC3,1,23,类,),能识别,DNA,链中,4,7,个碱基序列，在一定位置将,DNA,切断。酶的这种性质称为,序列专一性,酶的变性与失活,酶常因变性而活力降低，部分或完全失去活力，即,失活,酶的变性多数不可逆,物理因素,:,热、压力、紫外线、,x,线、声波、振荡和冻结等,化学因素,:,酸、碱、丙酮、乙醇、尿素、表面活性剂、重金属盐或氧化剂,(,包括空气中的氧,),等化学药品的影响,相界面的吸附作用也会引起变性，即界面变性,热变性,在不同温度下分别进行酶反应实验，并在反应一定时间后测定生成的产物量，可发现在某一温度时的产率最高。使产物产率最高的温度称为酶反应的最适温度。,从温血动物组织中提出的酶，最适湿度般在36至40之间，植物酶的最适温度稍高，在40一50之间，从细菌中分离出的某些酶(如Taq DNA聚合酶)的最遁温度可达70。,酸碱变性,酶蛋白质中游离氨基及羧基的存在，使酶的离子状态因,pH,大小而异。适当改变,pH,，酶的离子状态也会相应变化，而且往往底物的离子状态也发生变化。,最适,pH,是本身的固有参数,酶反应通常在其最适,pH,的缓冲溶液中进行,各种酶的最适,PH,近似于生产这种酶的生物体内的,pH,大多数酶的虽适,PH,在,5.0,一,9.0,之间,即使在最适pH的缓冲溶液中，溶液浓度或离子强度也会影响酶活性,酶活力与,pH,的关系,(1),酵母的蔗糖酶,(2),杆菌种的,-,淀粉酶，,(3),米曲霉的氨基酰化酶,(4),杆菌种的碱蛋白酶,氧化变性,巯基,(SH),是某些酶特别是氧化还原酶保持其活性的必要基团。这些酶称为巯基酶或,SH,酶这种酶容易被空气中的氧等许多氧化剂氧化，使与巯基缩合形成,S-S,键而失活。保存和管理这些酶一定要特别注意不被氧化。,酶的辅助因子,辅酶、辅基、金属离子、辅底物,金属离子,能与酶有效结合的金属离子有Na,+,、K,+,、Mg,2+,、Ca,2+,、Zn,2+,、Mn,2+,、Co,2+,、Fe,3+,、Mo,6+,等,辅酶,若非蛋白质部分与酶蛋白结合得不牢固，易用渗析方法分离时称为,辅酶,多数辅酶属于维生素类物质,辅基,非蛋白质部分与酶蛋白结合得比较牢固，不易用渗析方法将其与酶蛋白分离的称为,辅基,辅底物,在酶催化反应中，化学状态发生变化的辅酶或辅基有时称为辅底物，或计量性辅酶,NAD,+,、,NADP,+,、,泛醌（辅酶,Q,）、,谷胱苷肽、,ATP,、,辅酶,A,和四氢叶酸等,辅底物在反应中作为第二底物，以一定摩尔比即以一定化学计量关系与原底物作用，反应后其化学状态发生变化，不能获复到原来状态,辅底物的热稳定性,单体酶、寡聚酶及多酶复合物,单体酶是由一条多肽链构成的。,寡聚酶,许多酶是由多条被称为亚基的多肽链组成，这种酶称为寡聚酶。,寡聚酶的每个亚基都有一个催化中心。现已知存在由,60,多个亚基构成的寡聚酶。,寡聚酶的分子量约等于亚基数与亚基分子量的乘积，大约为几万到几百万。,寡聚酶中有一类称之为变构酶的调节酶。这些酶由多个分别具有调节中心和催化中心的亚基构成,同功酶：,同一生物体内几个性质极为相似、能催化同一反应的酶,多功能酶：,在不同反应条件下能催化不同的寡聚酶，。,多酶复合物,有许多具有不同功能的酶高度聚合，成为,多酶复合物,3 酶促反应速度,E+S ES E+P,E是酶，S是基质，ES是酶与基质的复合物，P是产物，k是反应速度常数,ES形成速度：,v,1,=k,1,ES,ES分解速度：,v,2,v,3,=k,2,ES+k,3,ES,平衡时：,v,1,=v,2,v,3,k,1,ES=k,2,ES+k,3,ES,k,1,k,2,k,3,ES(k,2,+k,3,)/k,1,ES k,m,ES,(E,0,-ES)E,(E,0,-ES)S k,m,ES,E,0,S ES(k,m,+S),v,3,=k,3,ES,E,0,S v/k,3,(k,m,+S),v=k,3,E,0,S/(k,m,+E),v=V,max,S/(k,m,+E),第三节 微生物生长动力学,什么是微生物生长动力学？,微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学可反映细胞适应环境变化的能力。,一、,微生物生长曲线,细胞的生长过程可以用细胞浓度的变化来描述和表达。若取细胞浓度的对数值与细胞生长时间对应作图，可得到分批培养时的细胞浓度变化曲线。,分批培养细胞的五个生长阶段,延迟期：细胞浓度无明显变化,对数期：细胞浓度随时间呈指数生长,减速期：细胞的生长速率开始减缓,静止期：细胞浓度不再增加，为最大值,衰亡期：细胞开始死亡，细胞生长速率,为负值,二、微生物生长动力学,1、比生长速率,若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。,（1）,（2）,式（1）表明，细胞物质随时间的增加而增加,式（2）表明，细胞数目随时间的增加而增加,若为常数，则,：,对式（1）积分得：,在大多数情况下，生长是以物质的增加衡量的，因而 得到应用。,此式可在,t=t,d,（t,d,为倍增时间）,时求得，,t,d,即在,时所需时间，于是,t,d,=ln2/,=0.693/,。,为比生长速率，单位是,h,-1,。,例题：某微生物的 0.125 h,-1,，求t,d,。,比生长速率的意义,比生长速率是菌体繁殖速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系,在对数生长期，是一个常数，这时,2、,无抑制的细胞生长动力学 Monod方程,现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：,Monod方程是典型的均衡生长模型，,其基本假设如下：,细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞,生长的唯一变量是细胞的浓度；,培养基中只有一种基质是生长限制性基 质，而其它组分为过量，不影响细胞的生长；,细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长,速率为一常数。,Monod,方程中 为比生长速率,(h,-1,),；,为最大比生长速率,(h,-1,),，S为限制性基质浓度,(g,L),；,Ks,为饱和常数,(g/L),，其值等于比生长速率为最大比生长速率一半时（）的限制性基质浓度。,细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系,将Monod方程变为,并作图。通过该图，即可以获得两个,重要的动力学参数。,Ks,和,m,值随菌种、限制性基质种类的变化,微生物,限制生长基质,Ks,m（hr）,大肠杆菌,葡萄糖,0.22,-,大肠杆菌,乳糖,0.58,-,啤酒酵母,乳糖,2.63.0,0.18,啤酒酵母,葡萄糖,0.56,-,纤维素分解菌,葡萄糖,0.86,0.125,固氮菌,葡萄糖,0.160.33,0.13,青霉菌,氧气,0.007,0.35,Monod,方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程,归纳于下表,单基质限制的细胞生长动力学模型,第四节废水的可生化性,废水的可生化性，是指该废水中的污染物被微生物降解的可能性。,确定污水的可生化性，对进行污水处理工艺的选择及污水治理规划的制定具有重要意义目前，普遍采用 BOD,5,/CODcr,比值衡量污水的 可 生 化 性。当BOD,5,/CODcr大于0.3,时，污水可考虑用生物方法处理。国外用 BOD,5,/TOD及,BOD,5,/TOC,比值作指标，比值大于0.6 及比值大于1.0 时污水是可生化的。比值小于0.2 及比值小于0.3时污水是不可能生物处理的。,