微生物反应动力学与微生物反应器解析.pptVIP

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(specific growth rate，1/h) td: 倍增时间(doubling time) 第一节 微生物反应动力学 微生物的Logistic增长曲线 时间t X dX/dt=a(Xm-X)X Xm 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-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 1 2 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，S0，则μ0 实际上, S Smin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(maintenance metabolism) 自呼吸/内源呼吸(endogenous metabolism)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) Haldane Equation 第一节 微生物反应动力学 Kp：代谢产物抑制系数(mg/L) 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(volumetric substrate consumption rate) (15.3.12) 细胞(表观)产率系数 比基质消耗速率 (specific substrate consumption rate，－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/s*：