水污染控制工程
第 3章 废水生物处理的基本概念
和生化反应动力学基础
内蒙古科技大学
环境工程教研室
目录
? 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摸式
第一节 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 指微生物利用营养物质获取能
量的生理功能。
? 微生物的呼吸按呼吸过程与氧的关系分为好
氧呼吸和厌氧呼吸。
1.好氧呼吸
（ 1）异养微生物的好氧呼吸：以有机物为底物，
最终产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时
释放能量。
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3KJ
C11H29O7N+14O2+H+ → 11CO2+13H20+NH4++能量
（ 2）自养微生物好氧呼吸：以无机物为底物，
其最终产物也是无机物，同时释放能量。
H2S+2O2 → H2SO4+能量
NH4++2O2 → NO3-+2H++H2O+能量
2.厌氧呼吸
（ 1）发酵：指供氢体和受氢体都是有机物的生
物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供
氢体的分解产物。（大分子 → 小分子）
C6H12O6 → 2CH3COCOOH+4[H]
2CH3COCOOH → 2CO2+2CH3CHO
4[H]+2CH3CHO → 2CH3CH2OH
总反应式,
C6H12O6 → 2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ
（ 2）无氧呼吸：指以无机氧化物，如 NO3-,
NO2-,SO42-等代替分子氧，作为最终受氢体
的生物氧化作用。
如反硝化作用,C6H12O6+6H2O → 6CO2+24[H]
24[H]+4NO3- → 2N2↑ +12H20
总反应式,
C6H12O6+4NO3- → 6CO2+6H2O+ 2N2↑ +1755.6KJ
同一种底物：通过呼吸释放的能量：好氧呼吸
>无氧呼吸 >发酵 (p60,表 11-1）
二、废水的好氧处理
? 好氧生物处理 指有分子氧存在的条件下，好氧
微生物降解有机物为无机物，使其稳定、无害
化的处理方法。
? 处理对象：以胶体或溶解态存在的有机物。
? 适用范围：中、低浓度有机废水，或 BOD5小
于 500mg/l的有机废水。
? 特点：反应速度较快，所需反应时间较短，故
处理构筑物容积小，处理过程散发臭气较少
图 11-1 好氧生物处理过程中有机物转化示意图
好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把 1/3有机
物分解为无机物，把 2/3有机物合成为微生物自身，当活性污
泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化
和无害化。
有机物 +氧 M
分解代谢
合成代谢
原生质
H2O,CO2,
NH3 + 能量
内源呼吸
净增细胞物质
M,O2
H2O,CO2,NH3,SO42-,PO43- +能量
（有氧呼吸） 1/3
2/3
放
热
合成代谢方程式,
CXHYOZ+NH3+O2 → C5H7NO2+CO2+H2O-能量
三、废水的厌氧生物处理
? 在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专
性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解
的过程，称为 厌氧生物处理法或厌氧消化法。
? 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废
水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。
? 适用范围：有机污泥和高浓度有机废水（一般
BOD5≥2000mg/l）
? 特点：不需加氧，故运行费用低，剩余污泥少，可
回收能量。缺点反应速度慢，反应时间长，处理构
筑物容积大。
I
类
产
物
甲酸
甲醇
甲胺
乙酸等
通过不同
途径转化
为 CH4,CO2
等
废水或污泥
中不溶态大
分子有机物
蛋白质
多糖
脂类
氨基酸
C6H12O6
甘油
脂肪酸
II 类
产
物
丙酸
丁酸
乳酸
乙醇等
水解酸化 产氢产乙酸 产甲烷
发
酵
菌
甲
烷
菌
产氢
产乙
酸菌
CO2
[H]
乙酸
发
酵
菌
图 3-2 厌氧生物处理过程中有机物转化示意图
废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机
物（不溶性） → 小分子有机物（溶解性）,无机物 → 有
机酸、无机物 → CH4,CO2,NH3,H2S，使有机物得
以降解和稳定。
第二节 微生物的生长规律和生长环境
一、微生物的生长规律
按微生物的生长速
度，其生长可分为四个
期,
?停滞期,
?对数期,
?静止期,
?衰老期。
? 停滞期：微生物的生长速度从零逐渐开始增
加，细菌总数增加。出现于污泥培养驯化阶
段，或水质发生变化、停产后又生产阶段。
? 对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数
快速增加。当废水中有机物浓度高，且培养
条件适宜，可能处于对数期。处于对数期的
微生物降解有机物速度快，但沉降性能差。
? 静止期：微生物生长速度开始下降，细菌总
数达到平衡。当废水中有机物浓度降低，污
泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此
时污泥絮凝性好，二沉池出水水质最好。
? 衰老期：微生物生长速度变为负值，细菌总
数下降。当有机物浓度低，营养物明显不足，
则可能处于衰老期。此时污泥较松散，沉降
性能好，出水中有细小泥花。
二、微生物的生长环境
1.微生物的营养：碳源、氮源、磷源是微生物生长
所需的必要营养物质，其比例一般为 BOD5,N：
P=100,5,1。
2.温度：按温度可把微生物分为低温性（ 5-20℃ ）、
中温性（ 20-45℃ ）、高温性（ 45-80 ℃ ）三类。
好氧生物处理中，以中温性微生物为主，所以适
宜温度为 25-40 ℃ 。厌氧生物处理甲烷菌为中温
菌，其它阶段为高温菌，所以厌氧生物处理如果
产甲烷温度控制在 33-38 ℃,如果不产甲烷，只
是发酵产酸温度控制在 52-57 ℃ 比较适宜。
3.PH值：活性污泥最适宜的 PH值范围是 6.5-8.5。
4.溶解氧：是影响生物处理效果的重要因素。好氧生
物处理溶解氧一般以 2-4mg/L为宜。厌氧生物处理不
能有氧。
5.有毒物质：重金属等有毒物质能使微生物细胞结构
遭到破坏以及生物酶变性，失去活性。
第三节 反应速度和反应级数
? 一、反应速度
? 二、反应速率方程和反应级数
一、反应速度
在生化反应中,反应速度 是指单位时间单位体
积内底物的减少量、产物或细胞质的增加量。例
生化反应,S→ y·X+z ·P
反应速度,
如果反应过程 V恒定，则反应速度,
三个组分的反应速度之间的关系,
V d t
dn S
S ??? V d t
dn X
X ?? V d t
dn P
P ??
dt
dC S
S ??? dt
dC X
X ?? dt
dC P
P ???
zy1
PXS ????
?
?
二、反应速率方程和反应级数
等温恒容不可逆反应,
aA+Bb+cC→ dD+Ee+…
? 反应速率方程
? 反应级数,
x+y+z=0 零级反应
x+y+z=1 一级反应
x+y+z=2 二级反应
x+y+z=3 三级反应
z
C
y
B
x
A
A
A CCkCdt
dC ????
第四节 米歇里斯 -门坦（ Michaelis-Menten）
方程式
米氏在一切生化反应都是在酶催化进行的前提下，提出
微生物分解代谢的酶反应方程式,
米氏方程式,
式中,ν— 酶反应速度
νmax— 最大酶反应速度
CS— 底物浓度
Km— 米氏常数（半速度常数）
EPESES ????
Sm
S
m a x CK
C
????
图 11-10酶反应速度与底物浓度的关系
底物浓度 CS Km
酶
反
应
速
度
ν 1/2νmax
νmax
0
混合级反应区
（ 0<n<1）
零级反应区
（ n=0）
一级反应区
（ n=1）
Sm
S
m a x CK
C
????
分析米氏方程式
?当 CS很大时，即 CS,Km时,ν= νmax，呈零级反
应，此时酶与底物全部结合为 ES，所以增加底物浓
度，对酶反应速度无任何影响。
?当 CS很小时,即 CS,Km时，,呈一级反
应,ν 与 CS 成正比，此时部分酶与底物结合，所以
增加底物浓度，可提高反应速度。
?当 CS介于上述二者之间，由小到大增加时,ν 与
CS 呈混合级反应，即 n=0-1，增加 CS,ν缓慢增加。
S
m
m a x C
K
???
米氏方程式动力学系数
?米氏常数（ Km） 的物理意义,Km是
时的底物浓度，它与酶和底物有关，一个酶和一
个底物对应一个 Km,1/ Km表示酶与底物的亲和
力,1/ Km越大，亲和力越大。
?米氏方程式动力学系数确定法：兰维福 -布克
（ Lineweaver-Burk）作图法（双倒数作图法）
m a x2
1 ???
m a xSm a x
m 1
C
1k1
?
?
?
?
?
图 11-11 作图法求 km和 νmax示意
?
1
SC
1
max
1b
??
max
mkk ??
第五节 莫诺特（ Monod）方程式
莫诺特（ Monod）方程式是 Monod于 1942年
以纯菌种对单一底物的分批培养实验基础上提出了
描述微生物增长的动力学方程。
式中,μ— 微生物的比增长速度,
μmax— 微生物的比增长速度；
CS— 底物浓度； CX— 微生物浓度
kS— 饱和系数（半增长速度常数）
q,qmax— 底物的比降解速度及最大值。
SS
S
m a x Ck
C
????
X
X
C
dt/dC??
SS
S
m a x Ck
Cqq
??或
X
S
C
dt/dCq ?
作业,
P77,2,4,5,6,7,10
第 3章 废水生物处理的基本概念
和生化反应动力学基础
内蒙古科技大学
环境工程教研室
目录
? 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摸式
第一节 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 指微生物利用营养物质获取能
量的生理功能。
? 微生物的呼吸按呼吸过程与氧的关系分为好
氧呼吸和厌氧呼吸。
1.好氧呼吸
（ 1）异养微生物的好氧呼吸：以有机物为底物，
最终产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时
释放能量。
C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+2817.3KJ
C11H29O7N+14O2+H+ → 11CO2+13H20+NH4++能量
（ 2）自养微生物好氧呼吸：以无机物为底物，
其最终产物也是无机物，同时释放能量。
H2S+2O2 → H2SO4+能量
NH4++2O2 → NO3-+2H++H2O+能量
2.厌氧呼吸
（ 1）发酵：指供氢体和受氢体都是有机物的生
物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供
氢体的分解产物。（大分子 → 小分子）
C6H12O6 → 2CH3COCOOH+4[H]
2CH3COCOOH → 2CO2+2CH3CHO
4[H]+2CH3CHO → 2CH3CH2OH
总反应式,
C6H12O6 → 2CH3CH2OH+2CO2+92.0KJ
（ 2）无氧呼吸：指以无机氧化物，如 NO3-,
NO2-,SO42-等代替分子氧，作为最终受氢体
的生物氧化作用。
如反硝化作用,C6H12O6+6H2O → 6CO2+24[H]
24[H]+4NO3- → 2N2↑ +12H20
总反应式,
C6H12O6+4NO3- → 6CO2+6H2O+ 2N2↑ +1755.6KJ
同一种底物：通过呼吸释放的能量：好氧呼吸
>无氧呼吸 >发酵 (p60,表 11-1）
二、废水的好氧处理
? 好氧生物处理 指有分子氧存在的条件下，好氧
微生物降解有机物为无机物，使其稳定、无害
化的处理方法。
? 处理对象：以胶体或溶解态存在的有机物。
? 适用范围：中、低浓度有机废水，或 BOD5小
于 500mg/l的有机废水。
? 特点：反应速度较快，所需反应时间较短，故
处理构筑物容积小，处理过程散发臭气较少
图 11-1 好氧生物处理过程中有机物转化示意图
好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把 1/3有机
物分解为无机物，把 2/3有机物合成为微生物自身，当活性污
泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化
和无害化。
有机物 +氧 M
分解代谢
合成代谢
原生质
H2O,CO2,
NH3 + 能量
内源呼吸
净增细胞物质
M,O2
H2O,CO2,NH3,SO42-,PO43- +能量
（有氧呼吸） 1/3
2/3
放
热
合成代谢方程式,
CXHYOZ+NH3+O2 → C5H7NO2+CO2+H2O-能量
三、废水的厌氧生物处理
? 在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专
性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解
的过程，称为 厌氧生物处理法或厌氧消化法。
? 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废
水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。
? 适用范围：有机污泥和高浓度有机废水（一般
BOD5≥2000mg/l）
? 特点：不需加氧，故运行费用低，剩余污泥少，可
回收能量。缺点反应速度慢，反应时间长，处理构
筑物容积大。
I
类
产
物
甲酸
甲醇
甲胺
乙酸等
通过不同
途径转化
为 CH4,CO2
等
废水或污泥
中不溶态大
分子有机物
蛋白质
多糖
脂类
氨基酸
C6H12O6
甘油
脂肪酸
II 类
产
物
丙酸
丁酸
乳酸
乙醇等
水解酸化 产氢产乙酸 产甲烷
发
酵
菌
甲
烷
菌
产氢
产乙
酸菌
CO2
[H]
乙酸
发
酵
菌
图 3-2 厌氧生物处理过程中有机物转化示意图
废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机
物（不溶性） → 小分子有机物（溶解性）,无机物 → 有
机酸、无机物 → CH4,CO2,NH3,H2S，使有机物得
以降解和稳定。
第二节 微生物的生长规律和生长环境
一、微生物的生长规律
按微生物的生长速
度，其生长可分为四个
期,
?停滞期,
?对数期,
?静止期,
?衰老期。
? 停滞期：微生物的生长速度从零逐渐开始增
加，细菌总数增加。出现于污泥培养驯化阶
段，或水质发生变化、停产后又生产阶段。
? 对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数
快速增加。当废水中有机物浓度高，且培养
条件适宜，可能处于对数期。处于对数期的
微生物降解有机物速度快，但沉降性能差。
? 静止期：微生物生长速度开始下降，细菌总
数达到平衡。当废水中有机物浓度降低，污
泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此
时污泥絮凝性好，二沉池出水水质最好。
? 衰老期：微生物生长速度变为负值，细菌总
数下降。当有机物浓度低，营养物明显不足，
则可能处于衰老期。此时污泥较松散，沉降
性能好，出水中有细小泥花。
二、微生物的生长环境
1.微生物的营养：碳源、氮源、磷源是微生物生长
所需的必要营养物质，其比例一般为 BOD5,N：
P=100,5,1。
2.温度：按温度可把微生物分为低温性（ 5-20℃ ）、
中温性（ 20-45℃ ）、高温性（ 45-80 ℃ ）三类。
好氧生物处理中，以中温性微生物为主，所以适
宜温度为 25-40 ℃ 。厌氧生物处理甲烷菌为中温
菌，其它阶段为高温菌，所以厌氧生物处理如果
产甲烷温度控制在 33-38 ℃,如果不产甲烷，只
是发酵产酸温度控制在 52-57 ℃ 比较适宜。
3.PH值：活性污泥最适宜的 PH值范围是 6.5-8.5。
4.溶解氧：是影响生物处理效果的重要因素。好氧生
物处理溶解氧一般以 2-4mg/L为宜。厌氧生物处理不
能有氧。
5.有毒物质：重金属等有毒物质能使微生物细胞结构
遭到破坏以及生物酶变性，失去活性。
第三节 反应速度和反应级数
? 一、反应速度
? 二、反应速率方程和反应级数
一、反应速度
在生化反应中,反应速度 是指单位时间单位体
积内底物的减少量、产物或细胞质的增加量。例
生化反应,S→ y·X+z ·P
反应速度,
如果反应过程 V恒定，则反应速度,
三个组分的反应速度之间的关系,
V d t
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二、反应速率方程和反应级数
等温恒容不可逆反应,
aA+Bb+cC→ dD+Ee+…
? 反应速率方程
? 反应级数,
x+y+z=0 零级反应
x+y+z=1 一级反应
x+y+z=2 二级反应
x+y+z=3 三级反应
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第四节 米歇里斯 -门坦（ Michaelis-Menten）
方程式
米氏在一切生化反应都是在酶催化进行的前提下，提出
微生物分解代谢的酶反应方程式,
米氏方程式,
式中,ν— 酶反应速度
νmax— 最大酶反应速度
CS— 底物浓度
Km— 米氏常数（半速度常数）
EPESES ????
Sm
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m a x CK
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图 11-10酶反应速度与底物浓度的关系
底物浓度 CS Km
酶
反
应
速
度
ν 1/2νmax
νmax
0
混合级反应区
（ 0<n<1）
零级反应区
（ n=0）
一级反应区
（ n=1）
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分析米氏方程式
?当 CS很大时，即 CS,Km时,ν= νmax，呈零级反
应，此时酶与底物全部结合为 ES，所以增加底物浓
度，对酶反应速度无任何影响。
?当 CS很小时,即 CS,Km时，,呈一级反
应,ν 与 CS 成正比，此时部分酶与底物结合，所以
增加底物浓度，可提高反应速度。
?当 CS介于上述二者之间，由小到大增加时,ν 与
CS 呈混合级反应，即 n=0-1，增加 CS,ν缓慢增加。
S
m
m a x C
K
???
米氏方程式动力学系数
?米氏常数（ Km） 的物理意义,Km是
时的底物浓度，它与酶和底物有关，一个酶和一
个底物对应一个 Km,1/ Km表示酶与底物的亲和
力,1/ Km越大，亲和力越大。
?米氏方程式动力学系数确定法：兰维福 -布克
（ Lineweaver-Burk）作图法（双倒数作图法）
m a x2
1 ???
m a xSm a x
m 1
C
1k1
?
?
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?
?
图 11-11 作图法求 km和 νmax示意
?
1
SC
1
max
1b
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mkk ??
第五节 莫诺特（ Monod）方程式
莫诺特（ Monod）方程式是 Monod于 1942年
以纯菌种对单一底物的分批培养实验基础上提出了
描述微生物增长的动力学方程。
式中,μ— 微生物的比增长速度,
μmax— 微生物的比增长速度；
CS— 底物浓度； CX— 微生物浓度
kS— 饱和系数（半增长速度常数）
q,qmax— 底物的比降解速度及最大值。
SS
S
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SS
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Cqq
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X
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作业,
P77,2,4,5,6,7,10
