微生物反应动力学与微生物反应器解析

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1、第八章微生物反应动力学与反应器解析一、微生物生长速率（一）微生物的生长速率的定义(15.3.1)X：活细胞浓度(mg/L)μ：比生长速率(specificgrowthrate，1/h)td:倍增时间(doublingtime)第一节微生物反应动力学微生物的Logistic增长曲线时间tXdX/dt=a(Xm-X)XXm第一节微生物反应动力学（二）微生物生长速率与基质浓度的关系S：生长限制性基质的浓度(mg/L)μmax：最大比生长速率(1/h)Ks：饱和系数(mg/L)。Ks与μ＝μmax/2时的S值相等Monod（莫诺特）方程第一节微生物反应动力学Monod方程与麦氏(Michaelis

2、-Menten)方程的区别Michaelis-Menten方程中的Ks有明确的物理意义（与基质和酶的亲和力有关），而Monod方程中的Ks仅是一个试验值。Michaelis-Menten方程有理论推导基础，而Monod方程是纯经验公式，没有明确的理论依据。第一节微生物反应动力学12富营养细胞(Eutroph)与贫营养细胞(Oligotroph)的比较富营养细胞：Ks值较大，在低基质浓度时的生长速率低。贫营养细胞：Ks值较小，在低基质浓度时的亦能快速生长。即能使基质消耗到很低的水平。环境治理中哪种微生物比较理想？第一节微生物反应动力学由Monod方程可知，S>0，则μ>0实际上,S>Smin

3、时，μ＝0（观察不到微生物的生长）b：自我衰减系数(1/h)考虑维持代谢时的微生物生长速率方程：维持代谢(maintenancemetabolism)自呼吸/内源呼吸(endogenousmetabolism)现象该现象由维持代谢或自呼吸/内源呼吸引起第一节微生物反应动力学两种生长限制性基质共存时的生长速率方程当两种基质S1和S2均为限制性基质时，微生物的比增长速率可表示为：(15.3.5)第一节微生物反应动力学（三）抑制性物质共存时的生长速率方程1.基质抑制常见的抑制性基质：苯酚、氨、醇类(15.3.7)HaldaneEquation第一节微生物反应动力学Kp：代谢产物抑制系数(mg/L

4、)2.代谢产物抑制(15.3.8)该关系式也适合于其它共存物质（非基质)第一节微生物反应动力学（一）分散体系的基质消耗速率1.基质消耗速率的表达式基质消耗速率(volumetricsubstrateconsumptionrate)(15.3.12)细胞(表观)产率系数比基质消耗速率(specificsubstrateconsumptionrate，－νs)(15.3.14)定义式第一节微生物反应动力学当μ可以用Monod方程表达时，(15.3.14)可改写为：式中νmax为最大比基质消耗速率。(15.3.15)最大比基质消耗速率第一节微生物反应动力学2.考虑维持代谢的基质消耗速率表达式基质

5、消耗速率=用于微生物生长的消耗速率＋用于维持细胞活性的消耗速率(15.3.16)细胞真实产率系数(15.3.17)第一节微生物反应动力学(15.3.17)(15.3.14)(15.3.19)x第一节微生物反应动力学（三）生物膜的基质消耗速率1．微生物膜的物料衡算与基本方程微生物膜：附着生长在固体表面上的微生物的聚集体。可视为固体催化剂固体微生物膜液相第一节微生物反应动力学固体微生物膜液相基质S在厚度为dz，面积为dxdy的微小单元内的物料衡算（微生物膜表面光滑、内部均匀）扩散进入量：扩散出的量：反应消耗量：基质在微生物膜内的有效扩散系数以微生物膜体积为基准的基质消耗速率第一节微生物反应动力

6、学在稳态状态下：扩散进入量＝扩散出的量＋反应消耗量微生物膜的基本方程第一节微生物反应动力学2．微生物膜内的基质浓度分布微生物膜内的基质消耗反应为一级反应时微生物膜的密度，即膜内的微生物浓度。固体微生物膜液相(15.3.29)边界条件：z＝0，S＝S*掌握膜内各处的浓度对评价生物特性，指导操作有重要意义第一节微生物反应动力学球形催化剂的西勒数(15.3.39)修正西勒数第一节微生物反应动力学三、微生物生长速率与基质消耗速率的关系在环境工程中，常常需要根据污染物的生物降解速率预测微生物的生长量(15.3.16)(15.3.60)(15.3.59)常数b第一节微生物反应动力学在污水生物处理中Yx

7、/s*：污泥真实转化率或污泥真实产率b：微生物的自身氧化率(衰减系数)污水的活性污泥法处理系统的b值为0.003-0.0081/h(15.3.61)第一节微生物反应动力学四、代谢产物的生成速率代谢产物的生成速率（两种生成速率之和）根据生成途径分类细胞生长偶联产物(growthassociatedproducts):与细胞生长有关的产物，生成速率正比于细胞生长速率非生长偶联产物(non－growthassociatedpr