水污染控制工程（一）：绪 论

水污染控制工程
课程教材
高廷耀，顾国维,水污染控制工程,第 2版,
北京,高等教育出版社,1999
绪 论
环境工程
环境工程是一门运用工程、技术的方法和手段
来控制环境污染及改善环境质量的学科
水污染控制
工程
从技术和工程上解决、预测和控制水污染的问
题，提供提高水环境质量、合理利用水资源的方法，
满足不同用途和要求的用水的工艺技术和工程措施。
水质分析指标
物
理
性
指
标
感官性指标，水的色度来源
于金属化合物或有机化合物
感官性指标，水的异臭来源于
还原性硫和氮的化合物、挥发
性有机物和氯气等污染物质
挥发性物质 溶解物质
固定性物质 悬浮固体物质
加速耗氧反应，最终导
致水体缺氧或水质恶化
造成水中溶解氧减少 工业废水
常引起水
体热污染
色度
固体物质
嗅和味
温度
化 学 性 指 标
无
机
性
指
标
植物营
养元素
pH和碱度
重金属
过多的氮、磷进入天然水体，易导致
富营养化，使水生植物尤其是藻类大量繁
殖，造成水中溶解氧急剧变化，影响鱼类
生存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展
为沼泽和干地。
重金属主要指汞、镉、铅、铬、镍，以及
类金属砷等生物毒性显著的元素，一般指
序号 21－ 83，比重大于 4的金属，也包括
具有一定毒害性的一般重金属，如锌、铜,
钴、锡等。
一般要求处理后污水的 pH在 6～ 9之
间。当天然水体遭受酸碱污染时,pH发
生变化，消灭或抑制水体中生物的生长,
妨碍水体自净，还可腐蚀船舶 。
碱度指水中能与强酸定量作用的物质
总量，按离子状态可分为三类：氢氧化物
碱度；碳酸盐碱度；重碳酸盐碱度。
作为微量金属元素。
重金属的主要危害：生物毒性，抑制
微生物生长，使蛋白质凝固 ;逐级富集至人
体，影响人体健康。
化 学 性 指 标
有
机
物
总有机碳（ TOC）和总需氧量（ TOD）
TOC,total organism carbon
在 950℃ 高温下，以铂作为催化剂，使水样气化燃烧，然后测定气体
中的 CO2含量，从而确定水样中碳元素总量。
测定中应该去除无机碳的含量。
各种水质之间 TOC或 TOD与 BOD不存在固定的相关关系。在水质条
件基本不变的条件下,BOD与 TOC或 TOD 之间存在一定的相关关系 。
TOD,total oxygen demand
在 900~950℃ 高温下，将污水中能被氧化的物质（主要是有机物,
包括难分解的有机物及部分无机还原物质），燃烧氧化成稳定的氧
化物后，测量载气中氧的减少量，称为总需氧量（ TOD）。
TOD测定方便而快速。
化 学 性 指 标
有
机
物
化学需氧量（ COD）
常用的氧化剂主要是重铬酸钾 K2Cr2O7 （称 CODCr )和高锰酸钾
KMnO4 (称 CODMn 或 OC ) 。
酸性条件下，硫酸银作为催化剂，氧化性最强。
废水中无机的还原性物质同样被氧化。
如果废水中有机物的组成相对稳定，则化学需氧量和生化需氧量之
间应有一定的比例关系：生活污水通常在 0.4~0.5。
COD,chemical oxygen demand
?用化学方法氧化分解废水水样中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合
成氧量（ O2）（ mg/L）。
化 学 性 指 标
有
机
物
生化需氧量（ BOD）
反映了在有氧的条件下，水中可生物降解的有机物的量
主要污染特性（以 mg/L为单位）。
有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般可分为
两个阶段：第一个阶段主要是有机物被转化成二氧化碳,
水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。
污水的生化需氧量通常只指第一阶段有机物生物氧化所
需的氧量，全部生物氧化需要 20~100d完成。
实际中，常以 5d作为测定生化需氧量的标准时间，称 5
日生化需氧量（ BOD5）；通常以 20℃ 为测定的标准温度。
BOD,biological oxygen demand
在规定条件下微生物氧化分解污水或受污染的天然水样中有机物所
需要的氧量（ 20℃, 5d）。
生 物 性 指 标
生活污水：肠道传染病、肝炎病毒,SARS,
寄生虫卵等
制革屠宰等工业废水：炭疽杆菌、钩端螺旋体等
医院污水：各种病原体
危害：传播疾病，影响卫生，导致水体缺氧
来源及
危害
水中细菌总数反映了水体有机污染程度和
受细菌污染的程度。
常以细菌个数 /mL计。
饮用水,<100个 / mL
医院排水,<500个 / mL
细菌总数
大肠菌群的值可表明水样被粪便污染的程
度，间接表明有肠道病菌存在的可能性。
常以大肠菌群数 /L计。
饮用水,<3个 /L
城市排水,<10000个 /L
游泳池,<1000个 /L
大肠菌群
根据污水处理程度
一级处理 只去除漂浮物和易沉物，使城市污水排入水体时不致立即出现不洁现象。
二级处理
去除漂浮物和易沉物外，进而稳
定污水中的有机物，基本上消除污水
的耗氧性能。使水体接纳污水后不至
于出现严重缺氧情况，水体生态系统
将基本上维持原有的平衡状态。
深度处理 降低出水中的氮、磷化合物浓度。
根据污水处理原理
物理方法 格栅、筛网、过滤、沉淀、气浮、离心分离、膜分离等
化学方法 混凝、中和、化学沉淀、氧化还原、消毒、电解
物理化学 吸附、萃取、离子交换
生物处理
绿色植物
食草动物
食肉动物
微生物
生
产
者
消费者
分解者 氮、磷 二氧化碳
水
微生物是一类体形微小, 结构简单, 必须借助显微镜才能看清的生物群体
微
生
物
非
细
胞
形
态
的
微
生
物
细
胞
形
态
的
微
生
物
病毒（包括噬菌体）
细菌
放线菌
蓝藻
藻类
真菌（霉菌、酵母菌）
原生动物（鞭毛、纤毛等）
后生动物
原核生物
原核生物
微生物的特点
个体小、代谢强度大
分布广、种类多、代谢类型多样
繁殖快
数量多、易变异
水体的自净作用
河流的自净作用是指河水中的污染物质在河
水向下游流动中浓度自然降低的现象。
根据净化机制分为三类
物理净化,
稀释、扩
散、沉淀
化学净化,
氧化、还
原、分解
生物净化：水中
微生物对有机物
的氧化分解作用
土壤的净化作用
废水的生物处理法
利用自然存在的微生物的代谢作用, 把水中的有机
污染物转化为简单的无机物的过程 （ 生物化学处理法 ）,
即利用微生物的生命活动过程来转化污染物, 使之无害
化的方法 。
废水的生物处理过程是天然污水自净的人工化过程, 人
工浓缩的过程 。
有机物
N,P
溶解性
胶体状
细菌
原生动物
后生动物
处理出水
增殖微生物
食料移动 产物移动
反应器 分离 提供条件
废水的生物处理的对象
是污水中可被生物降解的溶解性有机污染物,
部分胶体状有机污染物和少量无机污染物 。
废
水
生
物
处
理
污水的自然处理法 （ 12章 稳定塘和污水的土地处理 ）
污水的好氧生物处理－－活性污泥法 （ 14章 ）
废水生物处理的基本概念和生化动力学基础 （ 11章 ）
污水的好氧生物处理－－生物膜法 （ 13章 ）
污水的厌氧生物处理法 （ 15章 )
城市污水的深度处理 （ 18章 ）
污泥的处理和处置 （ 20章 ）
污水处理厂的设计 （ 21章 ）
第一章 废水生物处理的基本概
念和生化反应动力学基础
第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理
第二节 微生物的生长规律和生长环境
第三节 反应速度和反应级数
第四节 米歇里斯 -门坦
（ Michaelis-Menten）方程式
第五节 莫诺特（ Monod）方程式
第六节 废水生物处理工程的
基本数学模式
第一节 废水的好氧生物处理和
厌氧生物处理
微 生 物 的 新 陈 代 谢
新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物
质，通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进
行物质转化和交换的过程。
分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，
获得能量。
合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质
转化为复杂的细胞成分，机体制造自身。
新陈代谢
合成代谢
(同化作用 )
分解代谢
(异化作用 )
复杂物质分解为简单物质
简单物质合成为复杂物质
吸收能量
释放能量
能量代谢 物质代谢
能量循环：三磷酸腺苷 ATP(adenosine triphosphate)
AMP+~P→ADP+ ~P →ATP
ADP磷酸化生成 ATP； ATP水解产生能量。
低能化合物
高能化合物
ATP
能量 生理需要
细胞合成
热能释放
ADP磷酸化
光合磷酸化
底物水平磷酸化
电子传递磷酸化 氧化磷酸化
ADP
磷酸根
+
污水中可被微生物通过酶的催化作用而进
行生物化学变化的物质称为底物（或基质）。
可生物降解有机物量：可通过生物的降解转化的有机物量。
可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。
区别
底物降解
废 水 的 可 生 化 性
根据 BOD5与 CODcr的比值大小判断,
B/C>0.45 B/C>0.30 B/C<0.25 B/C<0.2
生化性好 可生化 较难生化 不易生化
根据测定相对耗氧速率判断,
耗氧速率就是单位生物量在单位时间内的耗氧量。
以有废水污染物（底物）浓度为横坐标，以相对
耗氧速率为纵坐标，通过实验获得相对耗氧曲线。
底物浓度
相
对
耗
氧
速
率 内源代谢
相对耗氧速率
B
A
C
D
微 生 物 的 呼 吸
一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没
有生命。
呼吸作用的生物现象,
通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物
质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。
呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他
生命活动，多余的能量以热量形式释放。
呼吸作用的本质是生物的氧化和还原的统一
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
好氧呼吸 厌氧呼吸
根据氧化的底物、氧化产物的不同 按反应过程中的最终受氢体的不同
自养型微生物 无氧呼吸 异养型微生物 发 酵
根据受氢体的不同分为
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。
有分子氧参与的生物氧化,反应的最终受氢体是分子氧。
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。
NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）
好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这个
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。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物呼吸
两种 。
??? HN A D ( P ) HN A D ( P )
H2?
H2?
好 氧 呼 吸
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，同时放出能量。如下式所示,
异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。
化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生
物。
光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原 CO2，
合成有机物的一类厌氧微生物。
有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥
的好氧消化等属于这种类型的呼吸。
2 8 1 7, 3 k JO6H6 C O6OOHC 2226126 ????
能量NHO1 3 H1 1 C OH1 4 ONOHC 422272911 ?????? ??
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。
能量SOH2OSH 4222 ???
能量OH2HNO2ONH 2324 ????? ???
大型合流污水沟道和污水沟
道存在该式所示的生化反应
生物脱氮工艺中的生物
硝化过程
光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合
作用色素合成有机物。
CO2+H2O [CH2O]＋ O2
化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光
合作用，合成有机物所需的能量来自氧化 NH3,H2S等无机物。
光
叶绿素
厌氧呼吸是在无分子氧（ 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。
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，故释放能
量较少。
如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量
的可燃气体。
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。
厌 氧 呼 吸
1.发酵
指供氢体和受氢体都参与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。
例如，葡萄糖的发酵过程,
总反应式,
4 [ H ]C O C O O H2 C HOHC 36126 ??
C H O2 C H2 C OC O C O O H2 C H 323 ??
OHCH2 C HC H O2 C H4 [ H ] 233 ??
9 2, 0 k J2 C OOHCH2 C HOHC 2236126 ???
2.无氧呼吸
是指以无机氧化物，如 NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等
代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。
在反硝化作用中，受氢体为 NO3-，可用下式所示,
总反应式,
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。
2 4 [ H ]6 C OO6HOHC 226126 ???
O1 2 H2N4 NO2 4 [ H] 223 ??? ??
1 7 5 5, 6 k J2NO6H6 C O4 NOOHC 22236126 ????? ??
好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的
能量水平不同,如下表所示。
呼吸方式 受氢体 化学反应式
好氧呼吸
能量利用率 42％ 分子氧 C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3kJ
无氧呼吸 无机物 C6H12C6+4NO3 - → 6CO
2+6H2O+2N2↑+1755.6kJ
发酵
能量利用率 26％ 有机物 C6H12C6 →2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ
kJ3 1 0OH2HNO2ONH 2324 ????? ???
问题：在废水的生物处理中如何利用微生物的呼吸类型
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臵。
废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。
废水的好氧生物处理
图示表明，有机物被微生物
摄取后，通过代谢活动，约有 1/3
被分解、稳定，并提供其生理活
动所需的能量；约有 2/3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。
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 BOD5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。
废水的好氧生物处理的特点
废水的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 CH4，这是一
种可燃气体，可回收利用；还有部分
被分解为 CO2,H2O,NH3,H2S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。
废水的厌氧生物处理
废水厌氧生物处理的特点
? 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，出水水质差等。为维持较
高的反应速度，需维持较高的温度，就要消耗
能源。
? 对于有机污泥和高浓度有机废水（一般
BOD5≥2000mg/L ）可采用厌氧生物处理法。
第二节 微生物的生长规律和
生长环境
微生物的生长规律
微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。
按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期
停滞期（调整期）
对数期（生长旺盛期）
静止期（平衡期）
衰老期（衰亡期）
如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中（营养类型发生变化，
污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停
滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从
衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污
泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。
当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长
期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游
离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易，
用滤纸过滤时，滤速很慢。
当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止期，
处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时
滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。
当污水中有机物浓度较低，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。处于
衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花，
以滤纸过滤时，滤速快。 注意合成产率系数和观测产率系数。
停 滞 期
对 数 期
静 止 期
衰 老 期
在污水生物处理过程中，如果条件适宜，活性污泥的增长
过程与纯种单细胞微生物的增殖过程大体相仿。但由于活性污
泥是多种微生物的混合群体,其生长受废水性质、浓度、水温、
pH、溶解氧等多种环境因素的影响，因此，在处理构筑物中
通常仅出现生长曲线中的某一两个阶段。处于不同阶段时的污
泥，其特性又很大的区别。
在废水生物处理中，微生物
是一个混合群体，它们也有一
定的生长规律。有机物多时,以
有机物为食料的细菌占优势,数
量最多；当细菌很多时，出现
以细菌为食料的原生动物 ;而后
出现以细菌及原生动物为食料
的后生动物，如右图所示。
微生物要求的营养物质必须
包括组成细胞的各种原料和产生
能量的物质，主要有：水、碳素
营养源、氮素营养源、无机盐及
生长因素。
微 生 物 的 生 长 环 境
影
响
微
生
物
生
长
的
环
境
因
素
微生物的营养
温 度
pH
溶 解 氧
有 毒 物 质
微生物的组成
微生物
组成
水
80％
干物质
20％
无机质
10％
有机物
90％
C 53.1%,O 28.3%,
N 12.4%,H 6.2%
P 50%,S 15%,Na 11%,Ca
9%,Mg 8%,K 6%,Fe 1%等
细胞分子式,C5H7O2N(有机部分 )
细胞分子式,C60H87O23N12P(考虑磷 )
一般估算好氧微生物营养比例,BOD∶ N∶ P ＝ 100 ∶ 5 ∶ 1
厌氧微生物营养比例,BOD∶N∶P ＝ 400 ∶5 ∶1
(1)水：组成部分，代谢过程的溶剂。细菌约 80%的成分为
水分。
(2)碳源：碳素含量占细胞干物质的 50％左右，碳源主要构
成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运动所需要
的能量，一般污水中含有足够碳源。
(3)氮源：提供微生物合成细胞蛋白质的物质。
(4)无机元素：主要有磷、硫、钾、钙、镁等及微量元素。作
用：构成细胞成分，酶的组成成分,维持酶的活性，调节渗透压，
提供自养型微生物的能源。
磷：核酸、磷脂,ATP转化。硫：蛋白质组成部分，好氧硫
细菌能源。钾：激活酶。钙：稳定细胞壁，激活酶。镁：激活酶，
叶绿素的重要组成部分
(5)生长因素：氨基酸、蛋白质、维生素等。
微生物的营养
各类微生物所生长的温度范围不同，
约为 5℃ ～ 80℃ 。
此温度范围，可分为最低生长温度、
最高生长温度和最适生长温度（是指微
生物生长速度最快时温度）。
依微生物适应的温度范围，微生物可
以分为中温性 （ 20～ 45℃ ）,好热性
（高温性） （ 45℃ 以上 ） 和好冷性（低
温性） （ 20℃ 以下 ） 三类。
当温度超过最高生长温度时，会使微
生物的蛋白质迅速变性及酶系统遭到破
坏而失活，严重者可使微生物死亡。
低温会使微生物代谢活力降低，进而
处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生
命力。
微 生 物 的 生 长 环 境
影
响
微
生
物
生
长
的
环
境
因
素
微生物的营养
温 度
pH
溶 解 氧
有 毒 物 质
不同的微生物有不同的 pH适应范围。
细菌、放线菌、藻类和原生动物的 pH
适应范围是在 4～ 10之间。
大多数细菌适宜中性和偏碱性（ pH＝
6.5～ 7.5）的环境。
废水生物处理过程中应保持最适 pH范
围。
当废水的 pH变化较大时，应设臵调节
池，使进入反应器（如曝气池）的废水，
保持在合适的 pH范围。
微 生 物 的 生 长 环 境
影
响
微
生
物
生
长
的
环
境
因
素
微生物的营养
温 度
pH
溶 解 氧
有 毒 物 质
微 生 物 的 生 长 环 境
影
响
微
生
物
生
长
的
环
境
因
素
溶解氧是影响生物处理效果的
重要因素。
好氧微生物处理的溶解氧一般
以 2～ 4mg/L为宜。
微生物的营养
温 度
pH
溶 解 氧
有 毒 物 质
微 生 物 的 生 长 环 境
影
响
微
生
物
生
长
的
环
境
因
素
在工业废水中，有时存在着对微生物
具有抑制和杀害作用的化学物质，这类
物质我们称之为有毒物质。
其毒害作用主要表现在细胞的正常结
构遭到破坏以及菌体内的酶变质，并失
去活性。
在废水生物处理时，对这些有毒物质
应严加控制，但毒物浓度的允许范围，
需要具体分析。
微生物的营养
温 度
pH 值
溶 解 氧
有 毒 物 质
第三节 反应速度和反应级数
生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学
反应。
污水生物处理中，人们总是创造合适的环境条件
去得到希望的反应速度。
生化反应动力学目前的研究内容,
(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因
素等方面的关系；
(2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境
因素等方面的关系；
(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历
的途径。
生化反应动力学
在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增
加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细
胞的增加来表示生化反应速度。
图中的生化反应可以用下式表示,
即
该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理
中研究生化反应过程的一个重要规律。
反 应 速 度
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Xd?y
PXS ???? zy ? ? ? ????????? tyt d SddXd及
式中：反应系数 又称产率系数,mg（生物量） /mg（降解的
底物）。
实验表明反应速度与一种反应物 A的浓度 ρ A成正比时，称这
种反应对这种反应物是一级反应。
实验表明反应速度与二种反应物 A,B的浓度 ρ A,ρ B成正比
时，或与一种反应物 A的浓度 ρ A的平方 ρ A2成正比时，称这种
反应为二级反应。
实验表明反应速度与 ρ A·ρ B2成正比时，称这种反应为三级反
应；也可称这种反应是 A的一级反应或 B的二级反应。
在生化反应过程中，底物的降解速度和反应器中的底物浓度
有关。
一般地,aA+bB → gG+hH
如果测得反应速度,v＝ dcA/dt=kcAa · cBb
a+b=n,n为反应级数。
反 应 级 数
设生化反应方程式为,
现底物浓度 ρ S以 [S]表示，则生化反应速度,
式中,k—— 反应速度常数，随温度而异；
n—— 反应级数。
上式亦可改写为,
该式可用图表示，图中直
线的斜率即为反应级数 n。
PXS ???? zy
knv lg]Sl g [lg ??
n
tv ]S[d
]S[d ?? nk
tv ]S[d
]S[d ??或
lgv
lg[S]
反应速度不受反应物浓度的影响时，称这种反应为零级
反应。在温度不变的情况下，零级反应的反应速度是常数。
对反应物 A而言，零级反应,
式中, v—— 反应速度；
t—— 反应时间；
k—— 反应速度常数,
受温度影响。
在反应过程中，反应物 A的量增加时,k为正值；在废水
生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。
ktkv ?? dd A?,kt?? A0A ??
反应速度 与反应物浓度的一次方成正比关系,称这种反应
为 一 级反应。对反应物 A而言，一级反应,
式中, v —— 反应速度；
t—— 反应时间；
k—— 反应速度常数,
受温度影响。
在反应过程中，反应物 A的量增加时,k为正值；在废水生
物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。
AAd
d ??? k
tkv A ??, t
k
3.2lglg A0A ?? ??
反应速度 与反应物浓度的二次方成正比,称这种反应为 二
级反应。
对反应物 A而言，二级反应,
式中, v—— 反应速度；
t—— 反应时间；
k—— 反应速度常数,
受温度影响。
在反应过程中，反应物 A的量增加时,k为正值；在废水生
物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值。
2
A
2
A d
d ??? k
tkv A ??, kt?? A0A
11
??
第四节 米歇里斯 -门坦
（ Michaelis-Menten） 方程式
一切生化反应都是在酶的催化下进行的。这种反应亦可以
说是一种酶促反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底
物浓度,pH、温度、反应产物、活化剂和抑制剂等因素的
影响。
在有足够底物又不受其他因素影响时，则酶促反应速度与
酶浓度成正比。
当底物浓度在较低范围内，而其他因素恒定时，这个反应
速度与底物浓度成正比，是一级反应。
当底物浓度增加到一定限度时，所有的酶全部与底物结合
后，酶反应速度达到最大值，此时再增加底物的浓度对速
度就无影响，是零级反应，但各自达到饱和时所需的底物
浓度并不相同，甚至差异有时很大。
浓度对酶反应速度的影响
vmax
n=0
0<n<1
n=1
KS 底物浓度 [S]
1/2 vmax
酶
反
应
速
度
v
中间产物假说,酶促反应分两步进行，即酶与底物先络合
成一个络合物（中间产物），这个络合物再进一步分解成产物
和游离态酶，以下式表示,
式中,S代表产物,E代表酶,ES代表酶－产物中间产物（络合
物）,P代表产物。
从上式可以看出，当底物 S浓度较低时，只有一部分酶 E和底
物 S形成酶 -底物中间产物 ES。
此时，若增加底物浓度，则将有更多的中间产物形成，因而
反应速度亦随之增加。
当底物浓度很大时，反应体系中的酶分子已基本全部和底物
结合成 ES络合物。
此时，底物浓度虽再增加，但无剩余的酶与之结合，故无更
多的 ES络合物生成，因而反应速度维持不变。
EPESES 3
2
1 ?? ??
? ??
? ??? k
k
k
1913年前后，米歇里斯和门坦提出了表示整个反应中底物
浓度与酶促反应速度之间关系的式子，称为米歇里斯－门坦方
程式，简称米氏方程式，即,
式中,v—— 酶促反应速度； vmax—— 最大酶反应速度；
ρ S—— 底物浓度； Km—— 米氏常数。
此式表明，当 Km和 vmax已知时，酶反应速度与酶底物浓度
之间的定量关系。
由上式得,
该式表明，当 vmax/v=2或 v=1/2vmax时,Km=ρ S,即 Km是
v=1/2vmax时 的 底物浓度，故又称半速度常数。
Sm
Sm a x
Sm
Sm a x ???? ???? KvKvv
)1( m a xSm ?? vvK ?
米 氏 方 程 式
Ss
Sm a x ???? Kvv
⑴ 当底物浓度 ρ S很大时,ρ S?Km,Km+ρ S≈ ρ S，酶反应
速度达到最大值，即 v=vmax,呈零级反应，在这种情况下，只
有增大底物浓度，才有可能提高反应速度。
实际应用时，我们采用了微生物浓度 cx代替酶浓度 cE。通
过试验，得出底物降解速度和底物浓度之间的关系式，类同米
氏方程式，如下,
式中, Ks为饱和常数，即当时的底物的浓度，故又称半速度常
数。
S
m
m ax ?Kvv ?
⑵ 当底物浓度 ρ S较小时,ρ S?Km,Km+ρ S=Km，酶反应速
度和底物浓度成正比例关系，即 呈一级反应。此
时，增加底物浓度可以提高酶反应的速度。但随着底物浓度的
增加，酶反应速度不再按正比例关系上升，呈混合级反应。
米 氏 常 数 的 意 义
米氏常数 Km是酶反应处于动态平衡即稳态时的平衡常数。
具有重要物理意义,
Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓
度无关。不同的酶,Km值不同。如果一个酶有几种底物，则对
每一种底物，各有一个特定的 Km。并且,Km值不受 pH及温度
的影响。因此,Km值作为常数，只是对一定的底物,pH及温度
条件而言。测定酶的 Km值，可以作为鉴别酶的一种手段，但必
须在指定的实验条件下进行。
同一种酶有几种底物就有几个 Km值。其 Km值最小的底物，一
般称为该酶的最适底物或天然底物。如蔗糖是蔗糖酶的天然底
物。
1/Km可以近似地反映酶对底物亲和力的大小,1/Km愈大，表
明亲和力越大，最适底物与酶的亲和力最大，不需很高的底物
浓度，就可较易地达到 vmax。
米 氏 常 数 的 测 定
对于一个酶促反应, Km值的确定方法很多。实验中即使使
用很高的底物浓度，也只能得到近似的 vmax值，而达不到真正
的 vmax值, 因而也测不到准确的 Km值 。 为了得到准确的 Km值，
可以把米氏方程的形式加以改变，使它成为直线方程式的形式，
然后用图解法定出 Km值。
目前，一般用的图解求 Km值法为兰微福－布克作图法或称
双倒数作图法。此法先将米氏方程改写成如下的形式，即,
实验时，选择不同的 ρ S，测定对应的 v。求出两者的倒数,
作图即可得出如 下 图的直线。量取直线在两坐标轴上的截距
1/vmax和 -1/Km,就可以求出 Km及 vmax。
m a xSm a x
m 111
vv
K
v ??? ?
米 氏 常 数 的 测 定
第五节 莫诺特 （ Monod） 方程式
微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系
是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系。
当前公认的是莫诺特方程式,
式中,ρ S—— 限制微生物增长的底物浓度,mg/L；
μ —— 微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。
式中,ρ X—— 微生物浓度,mg/L；
μ max —— μ 的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物
的增长速度时的 μ 值；
KS—— 饱和常数。
ss
s
m a x ?
???
?? k
X
X d/d
?
?? t?
ss
s
m a x ?
???
?? k
vmax
n=0
0<n<1
n=1
KS 底物浓度 [S]
1/2 vmax
酶
反
应
速
度
v
在一切生化反应中，微生物的增长是底物降解的结果，彼此
之间存在着一个定量关系。现如以 dρ S（微反应时段 dt内的底物
消耗量）和 d ρ X（ dt内的微生物增长量）之间的比例关系值，
通过下式表示之,
式中,Y —— 产率系数；
ρ X —— 微生物浓度；
—— 微生物增长速度；
—— 微生物比增长速度；
—— 底物降解速度；
—— 底物比降解速度。
或 或 SXdd ???Y SXSX d/d d/d vvttY ?? ?? qXvY S ??? ?? //S XX
tv dd XX ??
tv dd SS ??
X
X?? v?
X
S?vq ?
以及
代入式
得,
式中,q和 qmax为底物的比降解速度及其最大值； ρ s为底
物浓度； Ks为饱和常数。
Yq? ?? m a x m a xYq? ??
目前废水生物
处理工程中常用的
两个基本反应动
力学方程式
ss
sm a x ???? ?? k
SS
m a x ?
?
?? Kqq
由式 或 或
S
Xdd ???Y
S
X
S
X d/d d/d vvttY ?? ?? qXvY
S
?
?
? ??
/
/
S
XX
例：设在完全混合反应器内进行了
连续流微生物生长试验，反应温度为
20℃,实验结果如下：试根据右式实
验结果定出 Ks和 μ max值，以及 μ － ρ S
关系式。
解：根据莫诺特方程式 μ － ρ S的关
系式为,
图中直线方程为,
据以上整理的实验结果，作 关系图，得,
s
11
???
或
ss
sm a x ???? ?? k
m a xSm a x
S 1)1(1 ???? ?? K
max
1?? ? ? ?1m a x 1 h? ??? 103.0 14/ m a xS ????K 1010 m a xS ?? ?K
1)1(101
s
?? ??
s
s10 ??? ??
第六节 废水生物处理工程的
基本数学模式
在废水生物处理中，废水中的有机污染物质
（即底物,基质）正是需要去除的对象；生物处理
的主体是微生物；而溶解氧则是保证好氧微生物正
常活动所必需的。因此，可以把有机质、微生物、
溶解氧之间的数量关系用数学公式表达。
现在，废水生物处理工程实践中，人们已经把
前述的米 -门方程式和莫诺特方程式引用进来，结合
处理系统的物料衡算，提出了所需的生物处理的数
学模式，供废水生物处理系统的设计和运行之用。
推导废水生物处理工程数学模式的几点假定
⑶ 整个反应过程中,氧的供应是充分的 （对于好氧处理）。
⑴ 整个处理系统处于稳定状态 反应器中的微生物浓度和
底物浓度不随时间变化，维持一个常数。即,
式中,ρ X—— 反应器中微生物的平均浓度；
ρ S—— 反应器中底物的平均浓度。
及
0dd X ?t? 0dd S ?? t?
和
⑵ 反应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑 整个反应
器中的微生物浓度和底物浓度不随位臵变化维持一个常数。而
且，底物是溶解性的。即,
0dd X ?l? 0dd S ?l?
1951年由霍克来金 (Heukelekian)等人提出了,
微生物增长与底物降解的基本关系式
式中,
Y—— 产率系数；
Kd—— 内源呼吸（或衰减）系数；
ρ X —— 反应器中微生物浓度。
—— 微生物净增长速度；
—— 底物利用（或降解）速度；
gX )d
d(
t
?
uS )d
d(
t
?
XduSgX )d
d()
d
d( ??? ??? K
tYt
在实际工程中,产率系数（微生物增长系数） Y常以实际测
得的观测产率系数（微生物净增长系数） Yobs代替。故式
从上式得,
式中,μ ′ 为微生物比净增长速度。
上列诸式表达了生物反应处理器内,微生物的净增长和底物降
解之间的基本关系，亦可称废水微生物处理工程基本数学模式。
XduSgX )d
d()
d
d( ??? ??? K
tYt
可改写为,
uSobsgX )d
d()
d
d(
tYt
?? ?
dY q K?? ? ? ?或 d
X
uS
X
gX )d/(d)d/(d KtYt ??
?
?
?
?
同理，从式 得,
qY ?? obs'?