生化反应动力学
第1节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理
一、微生物的呼吸类型
二、废水的好氧生物处理
三、废水的厌氧生物处理
一、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。根据与氧气的关系，分为两大类，即好氧呼吸和厌氧呼吸。由于呼吸作用是生物氧化和还原的过程，存在着电子、原子转移，而在有机物的分解和合成过程中，都有氢原子的转移，因此，呼吸作用可按受氢体的不同来划分。分述如下：
1．好氧呼吸
好氧呼吸是在有分子氧(O2) 参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。
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。首先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。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：好氧呼吸有下述两种：
(1)异养型微生物异氧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。如式(3—1) 和式(3—2) 所示： C 6H 1206+602---6CO 2+6H20+2817.3kJ(3—1)
C 11H 29O 7N+14O2+H+---11CO 2+13H20+NH4++能量(3—2)
有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等都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，如式(3—3) 和式(3—4) 所示： H 2S 十202---H 2SO 4+能量(3—3)
NH 4++202---N 3—NO 3-+2H+十H 20+能量(3—4)
大型合流污水沟道和污水沟道存在式(3—3) 所示的生化反应，是引起沟道顶部腐蚀的原因。式(3—4) 为生物脱氮工艺中的生物硝化过程。 好氧呼吸过程中，底物被氧化得比较彻底，获得的能量也较多。
2．厌氧呼吸
厌氧呼吸是在五分子氧(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。因此，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，
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。
(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。
现以葡萄糖为例，说明发酵的反应过程，见下式：
C 6H 12O 6--2CH 3COCOOH+4[H]
2CH 3COCOOH--2CO 2+2CH3CHO
4[H]+2CH3CHO--2CH 3CH 2OH
总反应式：
C 6H 1206—2CH 3CH 2OH+2CO2+92.0kJ(3—5)
(2)无氧呼吸是指以无机氧化物，如NO 3-，N02-，S042-，S 2O 32-，CO 2等代替分子
氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。如在反硝化作用中，受氢体为N03—可用下式所示：
C 6H 1206+6H20--6CO 2十24[H]
24[H]+4NO3---2N 2+12H20
总反应式：
C 6H 1206+4NO3-—一6CO 2十6H 20+2N2+1755.6kJ(3—6)
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。
由上可见，上述三种呼吸方式，获得的能量水平不同。
二、废水的好氧生物处理
好氧生物处理是在有游离氧(分子氧) 存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用〃废水中存在的有机污染物(以溶解状与胶体状的为主) ，作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。废水好氧生物处理的最终过程表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有三分之二被转化，合成为新的原生质(细胞质) ，即进行微生物自身生长繁殖。后者就是废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称其剩余活性污泥或生物膜，又称生物污泥。在废水生物处理过程中，生物污泥经固—液分离后，需进行进一步处理和处置。
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BOD 浓度小于500mg ／L 的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。
在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。
三、废水的厌氧生物处理
厌氧生物处理是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。在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH 4，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO 2、H 20、NH 3、H 2S 等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新
的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。
废水厌氧生物处理过程中有机物的转化如所示。
由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量(CH4) 等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时
间较长，处理构筑物容积大等。但通过对新型构筑物的研究开发，其容积可缩小。此外，为维持较高的反应速度，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。
对于有机污泥和高浓度有机废水(一般B005≥2000mg/L)可采用厌氧生物处
理法。
生化反应动力学
第1节废水的好氧生物处理和厌氧生物处理
一、微生物的呼吸类型
二、废水的好氧生物处理
三、废水的厌氧生物处理
一、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。根据与氧气的关系，分为两大类，即好氧呼吸和厌氧呼吸。由于呼吸作用是生物氧化和还原的过程，存在着电子、原子转移，而在有机物的分解和合成过程中，都有氢原子的转移，因此，呼吸作用可按受氢体的不同来划分。分述如下：
1．好氧呼吸
好氧呼吸是在有分子氧(O2) 参与的生物氧化，反应的最终受氢体是分子氧。
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。首先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。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：好氧呼吸有下述两种：
(1)异养型微生物异氧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。如式(3—1) 和式(3—2) 所示： C 6H 1206+602---6CO 2+6H20+2817.3kJ(3—1)
C 11H 29O 7N+14O2+H+---11CO 2+13H20+NH4++能量(3—2)
有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等都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，如式(3—3) 和式(3—4) 所示： H 2S 十202---H 2SO 4+能量(3—3)
NH 4++202---N 3—NO 3-+2H+十H 20+能量(3—4)
大型合流污水沟道和污水沟道存在式(3—3) 所示的生化反应，是引起沟道顶部腐蚀的原因。式(3—4) 为生物脱氮工艺中的生物硝化过程。 好氧呼吸过程中，底物被氧化得比较彻底，获得的能量也较多。
2．厌氧呼吸
厌氧呼吸是在五分子氧(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。因此，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，
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。
(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。
现以葡萄糖为例，说明发酵的反应过程，见下式：
C 6H 12O 6--2CH 3COCOOH+4[H]
2CH 3COCOOH--2CO 2+2CH3CHO
4[H]+2CH3CHO--2CH 3CH 2OH
总反应式：
C 6H 1206—2CH 3CH 2OH+2CO2+92.0kJ(3—5)
(2)无氧呼吸是指以无机氧化物，如NO 3-，N02-，S042-，S 2O 32-，CO 2等代替分子
氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。如在反硝化作用中，受氢体为N03—可用下式所示：
C 6H 1206+6H20--6CO 2十24[H]
24[H]+4NO3---2N 2+12H20
总反应式：
C 6H 1206+4NO3-—一6CO 2十6H 20+2N2+1755.6kJ(3—6)
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。
由上可见，上述三种呼吸方式，获得的能量水平不同。
二、废水的好氧生物处理
好氧生物处理是在有游离氧(分子氧) 存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用〃废水中存在的有机污染物(以溶解状与胶体状的为主) ，作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。废水好氧生物处理的最终过程表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有三分之二被转化，合成为新的原生质(细胞质) ，即进行微生物自身生长繁殖。后者就是废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称其剩余活性污泥或生物膜，又称生物污泥。在废水生物处理过程中，生物污泥经固—液分离后，需进行进一步处理和处置。
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BOD 浓度小于500mg ／L 的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。
在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。
三、废水的厌氧生物处理
厌氧生物处理是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。在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH 4，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO 2、H 20、NH 3、H 2S 等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新
的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。
废水厌氧生物处理过程中有机物的转化如所示。
由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量(CH4) 等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时
间较长，处理构筑物容积大等。但通过对新型构筑物的研究开发，其容积可缩小。此外，为维持较高的反应速度，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。
对于有机污泥和高浓度有机废水(一般B005≥2000mg/L)可采用厌氧生物处
理法。