PAGEPAGE7第七章廢水生物化學處理基礎（一）教學設計1.1本章節內容歸納本章節主要內容包括以下幾個方面①單個細菌傳質模型Michaelis—Menten方程②微生物增長與底物降解動力學Monod方程③微生物增長與底物降解及內源呼吸Heukelekian方程式④BOD與TbOD（BOD坪值）⑤微生物集團的模型、生物膜的阻力與厚度1.2本章節重點本章節重點：Michaelis—Menten方程機制、Monod方程作用及應用、Heukelekian方程式作用及應用、BOD與TbOD相互關系及快速測定、微生物基團的模型、生物膜的阻力與厚度及分析本章節難點：Heukelekian方程系數取值、BOD快速測定、生物膜的阻力與厚度分析過程1.3本章節教學內容本章教學內容如下7.廢水生物化學處理基礎7.1單個細菌的模型7.2細菌的連續增殖7.3細菌增殖速率與底物消耗速率關系式7.4BOD與TbOD7.5微生物集團的模型7.6微生物膜的阻力和厚度1.4本章節教學方法1.情景導入從養豬場關心的參數如體重增長、飼料消耗過程入手，分析Michaelis—Menten-Monod-Heukelekian。2.雙案例關聯BOD及COD關系在基礎研究方面的應用（案例十三）BOD快速測定工程設計方面的應用（案例十四）1.5本章節教學互動與考核在課程雙案例教學過程中，引導研究生進行相關的教學討論。研究生在進行教學討論之前，主動加強與指導老師的溝通，明確以后研究方向所需要的本門課程的相關理論知識，了解這些理論知識在研究過程中的意義、地位、作用及如何應用，了解基礎理論在創新工作中的作用。利用本課程建立的教學網站，并將這類問題變成啟發問答式用來和學生互動，通過互動了解研究生對各個知識點掌握情況、學習的主動性、創新性等，并將互動情況作為課程成績考核的一個部分，主要問題有：①Michaelis—Menten中常數的定義、②背景底物、③Monod方程飽和常數、④Heukelekian方程產率系數與表觀產率系數、⑤BOD在線測定原理、⑥微生物膜的阻力和厚度相互關系（二）教學內容1.單個細菌傳質模型Michaelis—Menten方程2.微生物增長與底物降解動力學Monod方程3.微生物增長與底物降解及內源呼吸Heukelekian方程式4.BOD與TbOD（BOD坪值）BOD快速測定原理5.微生物集團的模型、生物膜的阻力與厚度生物膜厚度與阻力、傳質關系第七章廢水生物化學處理基礎§7.1單個細菌的模型擴散區指細胞壁外粘液層的部分，其表面積為adcm2，，底物通過擴散區時服從Fick的第一擴散定律，即底物的通量為：Nd=－D（7-1）擴散區的內面為透酶區。這一區指細胞膜的透酶所起的運輸作用。透酶是細腦膜內的一類立體專一性載體分子，這類分子也是一種蛋白質，取名透酶以示區別于代謝酶。透酶區的通量可用下列公式來表示：（7-2）通量Np只與透酶區外的底物濃度ρ’有關，而與代謝區中的底物濃度ρ’’無關。當ρ’＞ρ’時，稱為被動運輸；ρ’＜ρ’時，稱為主動運輸。代謝區指細胞膜內的區域。這一區域內雖然產生了許多極復雜的代謝途徑，但組成代謝途徑的每一個反應都是由酶控制的，因而服從于Michaelis—Menten方程。代謝區內底物消耗速率可以表示為：（7-3）式中，ρ’’表示代謝區中底物的濃度，am及Km為Michaelis-Menten方程的常數。當代謝區消耗底物的速率恰好和底物通過兩個運輸區的速率相等時，便得到一個穩定的狀態，這時存在下列關系：（7-4）式中，ad為擴散區的外表面積，下標rd指濃度dρ/dγ計值的擴散外徑，ap為透酶區的外表面積，Vm為代謝區的容積。當底物不需透酶區的運輸時，式（7-4）簡化為：（7-5）當包含透酶區時，由式（7-4）看出底物的消耗速率完全由運輸過程來控制，即由下列關系控制：（7-6）表達不需要透酶運輸的式（7-5）和需要透酶運輸的式（7-6）可以共用下列公式來表示：（7-7）式中，a代表底物所通過的表面積；α及K為常數，α代表式（7-5）的Vmαm/αm或式（7-6）的αp；ρ為相應的濃度ρ’或ρ’’。§7-2細菌的連續增殖細菌的增殖率可表示為dx/dt=μx，所以當恒化器處于穩定條件下時得：在恒化器中，Monod方程可寫為：（7-8）Monod方程中μmax和Ks值取決于所采用的細菌和營養物類別。根據Monod方程，即式（7-8），可以求得恒化器穩態條件的營養物濃度ρ為：（7-9）§7-3細菌增殖速率與底物消耗速率關系式=+（7-10）式中：Yc稱為真產率因數。可以寫成：（7-11）§7-4BOD與TbOD1.生化需氧量（BOD）與BOD試驗第一階段：由于含碳有機物的分解所需要的生化需氧量，也稱碳質BOD（carbonaceousBOD）；第二階段：（硝化階段）代表含氮有機物硝化過程的需氧量，稱為氮質BOD(nitrogenousBOD)。當典型的碳源-葡萄糖完全氧化時可以寫成：(7-12)則可認為生化需氧量等于2.67×有機物碳原子的質量濃度。細菌細胞的合成可以寫成：(7-13)由此可計算，每合成1g干細菌，約需單體氧0.985g。細菌的氧化分解可以寫成：(7-14)按這一反應計算，每克干細菌的完全氧化約需單體氧1.42g。含碳有機物完全氧化成二氧化碳及水的生化需氧量稱為總生化需氧量，以BODL或BODu表示。硝化BOD的反應可表示為：(7-15)(7-16)按這兩個反應，可得：硝化BOD=4.57(有機氮+氨氮)mg/L+1.14（NO2-氮）mg/L（7-17）這里特別指出：上述生化需氧量概念為其原始涵義，與生化需氧量試驗所測得的生化需氧量完全不是一個同一概念。2.TbODBOD坪值（BODplateau）：在微生物不斷攝取有機物底物增殖的過程中，微生物處于對數生長期。有機底物必然會迅速地減少，表現為生化需氧量迅速地增長，當底物消耗完后，微生物生長進入靜止期，生化需氧量的增長必然很快地緩慢下來，這在生化需氧量歷時曲線上會出現一個臺階，這一點的BOD值稱為BOD坪值。試驗證明，BOD坪值在10~37℃內的測定值變化不大，而且可以用呼吸儀進行測定。Grady及Busch提出，有機底物的總BOD等于BOD坪值加上在坪值點所產生的細菌量的理論BOD值。即：總BOD=BOD坪值+細菌的BOD理論值（7-17）TbOD試驗可以提供三個重要設計參數：(1)BODL；(2)處理過程所需的O2量；(3)細茵產量。§7-5微生物集團的模型在生物化學過程中，微生物集團(microbialmass)的形態有：固定在填料壁上的微生物膜，或者在液相內處于懸浮狀態的微生物絮體。k2的量綱為長度-1，因此M為量綱為1的微生物膜厚度。M又稱Thiele模數，其物理意義可通過下列變換予以了解：從上式可看出，E可以表示成B及M的函數形式：由f函數的漸近解及式（7-32）得出：對絮體來說，底物的去除速率以按單位濕絮體容積中的每克干微生物物質所去除的量來表示較為方便，即：式中，底物去除速率Rf的單位為mol/h?g,ρ0為微生物物質的密度，單位為g（干）/cm3（濕絮體）。§7-6微生物膜的阻力與厚度1.關于傳質阻力在考慮外傳質阻力的條件下，以主體濃度表示的底物降解速率方程：（7-18）2.關于生物膜厚度當生物膜厚L足夠小，以致可以考慮傳質阻力不存在時，E=1，因此，由式（7-30）和式（7-31）得：