第三章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础 第一节第一节 废水的好氧生物处理和废水的好氧生物处理和厌氧生物处理厌氧生物处理微 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，机体制造自身底物降解：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+PADP+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+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：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HNAD(P)HNAD(P)H2H2 好 氧 呼 吸 1.异养型微生物异养型微生物 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：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的好氧消化等属于这种类型的呼吸2817.3kJO6H6CO6OOHC2226126能量NHO13H11COH14ONOHC4222729112.自养型微生物自养型微生物 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，同时放出能量是无机物，同时放出能量能量SOH2OSH4222能量OH2HNO2ONH2324大型合流污水沟道和污水沟大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应道存在该式所示的生化反应生物脱氮工艺中的生物生物脱氮工艺中的生物硝化过程硝化过程 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。
作用色素合成有机物CO2+H2O CH2OO2 化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光化能自养微生物：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合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物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，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）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。
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：例如，葡萄糖的发酵过程：总反应式：总反应式：4HCOCOOH2CHOHC36126CHO2CH2COCOCOOH2CH323OHCH2CHCHO2CH4H23392.0kJ2COOHCH2CHOHC2236126 2.2.无氧呼吸无氧呼吸 是指以无机氧化物，如是指以无机氧化物，如NONO3 3-，NONO2 2-，SOSO4 42-2-，S S2 2OO3 32-2-，COCO2 2等等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用在反硝化作用中，受氢体为在反硝化作用中，受氢体为NONO3 3-，可用下式所示：可用下式所示：总反应式：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。
如好氧呼吸的多24H6COO6HOHC226126O12H2N4NO24H2231755.6kJ2NO6H6CO4NOOHC22236126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置机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示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，有机物被微生物图示表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有摄取后，通过代谢活动，约有1/3被分解、稳定，并提供其生理活被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有动所需的能量；约有2/3被转化，被转化，合成为新的原生质（细胞质），合成为新的原生质（细胞质），即进行微生物自身生长繁殖。
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、低浓度的有机发的臭气较少所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说废水，或者说BOD5浓度小于浓度小于500mg/L的有机废水，的有机废水，基本上采用好氧生物处理法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法和生物膜法两大类废水的好氧生物处理废水的好氧生物处理 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，有机物的转化分为在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为三部分进行：部分转化为CH4，这是一，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无等无机物，并为细胞合成提供能量；少量机物，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，其污成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多泥增长率小得多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（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，处理构筑物容积大等为维持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（一般对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD52000mg/L）可采用厌氧生物处）可采用厌氧生物处理法废水的厌氧生物处理第二节第二节 微生物的生长规律和微生物的生长规律和生长环境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，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，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，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，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，滤速快以滤纸过滤时，滤速快注意合成产率系数和观测产率系数注意合成产率系数和观测产率系数停停 滞滞 期期对对 数数 期期静静 止止 期期衰衰 老老 期期 在污水生物处理过程中，如果条件适宜，活性污泥的增长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泥是多种微生物的混合群体,其生长受废水性质、浓度、水温、其生长受废水性质、浓度、水温、pHpH、溶解氧等多种环境因素的影响，因此，在处理构筑物中、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泥，其特性又很大的区别在废水生物处理中，微生物在废水生物处理中，微生物是一个混合群体，它们也有一是一个混合群体，它们也有一定的生长规律有机物多时定的生长规律有机物多时,以以有机物为食料的细菌占优势有机物为食料的细菌占优势,数数量最多；当细菌很多时，出现量最多；当细菌很多时，出现以细菌为食料的原生动物以细菌为食料的原生动物;而后而后出现以细菌及原生动物为食料出现以细菌及原生动物为食料的后生动物，如右图所示的后生动物，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90C 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)一般估算营养比例：BOD N P 100 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（2045）、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410之间大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH6.57.5）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，应设置调节池，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24mg/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 第三节第三节 反应速度和反应级数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得到希望的反应速度生化反应动力学目前的研究内容：生化反应动力学目前的研究内容：(1)(1)底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因底物降解速率与底物浓度、生物量、环境因素等方面的关系；素等方面的关系；(2)(2)微生物增长速率与底物浓度、生物量、环境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；因素等方面的关系；(3)(3)反应机理研究，从反应物过渡到产物所经历反应机理研究，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：图中的生化反应可以用下式表示：即即 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。
中研究生化反应过程的一个重要规律反 应 速 度 tytdXd1dSd SdXdyPXSzy tytdSddXd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实验表明反应速度与一种反应物A A的浓度的浓度A A成正比时，称这成正比时，称这种反应对这种反应物是一级反应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实验表明反应速度与二种反应物A A、B B的浓度的浓度A A、B B成正比成正比时，或与一种反应物时，或与一种反应物A A的浓度的浓度A A的平方的平方A A2 2成正比时，称这种成正比时，称这种反应为二级反应反应为二级反应实验表明反应速度与实验表明反应速度与A AB B2 2成正比时，称这种反应为三级反成正比时，称这种反应为三级反应；也可称这种反应是应；也可称这种反应是A A的一级反应或的一级反应或B B的二级反应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：一般地：a aA+A+b bB B g gG+G+h hH H如果测得反应速度：如果测得反应速度：v vd dc cA A/d/dt t=kckcA Aa a c cB Bb ba+ba+b=n n,n n为反应级数。
为反应级数反 应 级 数 设生化反应方程式为：设生化反应方程式为：现底物浓度现底物浓度S S以以SS表示，则生化反应速度：表示，则生化反应速度：式中：式中：k k反应速度常数，随温度而异；反应速度常数，随温度而异；n n反应级数反应级数上式亦可改写为：上式亦可改写为：该式可用图表示，图中直该式可用图表示，图中直线的斜率即为反应级数线的斜率即为反应级数n nPXSzyknvlgSlglgntvSdSdnktvSdSd或lgvlgS 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对反应物A A而言，零级反应：而言，零级反应：式中：式中：v v反应速度；反应速度；t t反应时间；反应时间；k k反应速度常数反应速度常数,受温度影响受温度影响在反应过程中，反应物在反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值；在废水为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值ktkvddA，ktA0A 反应速度与反应物浓度的一次方成正比关系，称这种反应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。
对反应物为一级反应对反应物A A而言，一级反应：而言，一级反应：式中：式中：v v 反应速度；反应速度；t t反应时间；反应时间；k k反应速度常数反应速度常数,受温度影响受温度影响在反应过程中，反应物在反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值；在废水生为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值AAddktkvA，tk3.2lglgA0A 反应速度与反应物浓度的二次方成正比，称这种反应为二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对反应物A A而言，二级反应：而言，二级反应：式中：式中：v v反应速度；反应速度；t t反应时间；反应时间；k k反应速度常数反应速度常数,受温度影响受温度影响在反应过程中，反应物在反应过程中，反应物A A的量增加时，的量增加时，k k为正值；在废水生为正值；在废水生物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值物处理中，有机污染物逐渐减少，反应常数为负值2A2AddktkvA，ktA0A11第四节第四节 米歇里斯米歇里斯-门坦门坦（Michaelis-MentenMichaelis-Menten）方程式方程式 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vmaxn=00n1n=1KS底物浓度底物浓度S1/2 vmax酶酶反反应应速速度度v 中间产物假说：中间产物假说：酶促反应分两步进行，即酶与底物先络合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：和游离态酶，以下式表示：式中，式中，S S代表产物，代表产物，E E代表酶，代表酶，ESES代表酶产物中间产物（络代表酶产物中间产物（络合物），合物），P P代表产物代表产物从上式可以看出，当底物从上式可以看出，当底物S S浓度较低时，只有一部分酶浓度较低时，只有一部分酶E E和底和底物物S S形成酶形成酶-底物中间产物底物中间产物ESES。
此时，若增加底物浓度，则将有更多的中间产物形成，因而此时，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结合成ESES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，故无更多的多的ESES络合物生成，因而反应速度维持不变络合物生成，因而反应速度维持不变EPESES321kkk 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；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=S，即Km是v=1/2vmax时的底物浓度，故又称半速度常数SmSmaxSmSmaxKvKvv)1(maxSmvvK 米 氏 方 程 式 米 氏 常 数 的 意 义 米氏常数米氏常数K Kmm是酶反应处于动态平衡即稳态时的平衡常数。
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：具有重要物理意义：K Kmm值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓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，度无关不同的酶，K Kmm值不同如果一个酶有几种底物，则对值不同如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有一个特定的每一种底物，各有一个特定的K Kmm并且，K Kmm值不受值不受pHpH及温度及温度的影响因此，的影响因此，K Kmm值作为常数，只是对一定的底物、值作为常数，只是对一定的底物、pHpH及温度及温度条件而言测定酶的条件而言测定酶的K Kmm值，可以作为鉴别酶的一种手段，但必值，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同一种酶有几种底物就有几个K Kmm值其K Kmm值最小的底物，一值最小的底物，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1/1/K Kmm可以近似地反映酶对底物亲和力的大小，可以近似地反映酶对底物亲和力的大小，1/1/K Kmm愈大，表愈大，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，就可较易地达到浓度，就可较易地达到v vmaxmax。
米 氏 常 数 的 测 定 对于一个酶促反应，对于一个酶促反应，K Kmm值的确定方法很多实验中即使使值的确定方法很多实验中即使使用很高的底物浓度，也只能得到近似的用很高的底物浓度，也只能得到近似的v vmaxmax值，而达不到真正值，而达不到真正的的v vmaxmax值，因而也测不到准确的值，因而也测不到准确的K Kmm值为了得到准确的值为了得到准确的K Kmm值，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，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，然后用图解法定出然后用图解法定出K Kmm值目前，一般用的图解求目前，一般用的图解求K Kmm值法为兰微福布克作图法或称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，选择不同的实验时，选择不同的S S，测定对应的，测定对应的v v求出两者的倒数，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1/1/v vmaxmax和和 -1/-1/K Km m，就可以求出，就可以求出K Kmm及及v vmaxmax。
maxSmaxm111vvKv 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：当前公认的是莫诺特方程式：式中：式中：S S限制微生物增长的底物浓度，限制微生物增长的底物浓度，mg/Lmg/L；微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度式中：式中：X X微生物浓度，微生物浓度，mg/Lmg/L；maxmax 的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物的最大值，底物浓度很大，不再影响微生物 的增长速度时的的增长速度时的值；值；K KS S饱和常数饱和常数sssmaxkXXd/dtsssmaxkvmaxn=00n1n=1KS底物浓度底物浓度S1/2 vmax酶酶反反应应速速度度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dS（微反应时段dt内的底物消耗量）和d 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；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SXddYSXSXd/dd/dvvttYqXvYS/SXXtvddXXtvddSSXXvXSvq以及以及代入式代入式得：得：式中：式中：q q和和q qmaxmax为底物的比降解速度及其最大值；为底物的比降解速度及其最大值；s s为底为底物浓度；物浓度；K Ks s为饱和常数为饱和常数Y qmaxmaxY q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sssmaxkSSmaxK由式由式或或SXddYSXSXd/dd/dvvttYqXvYS/SXX 例：设在完全混合反应器内进行了例：设在完全混合反应器内进行了连续流微生物生长试验，反应温度为连续流微生物生长试验，反应温度为2020，实验结果如下：试根据右式实，实验结果如下：试根据右式实验结果定出验结果定出K Ks s和和maxmax值，以及值，以及S S关系式解：根据莫诺特方程式解：根据莫诺特方程式S S的关的关系式为：系式为：图中直线方程为：图中直线方程为：据以上整理的实验结果，作据以上整理的实验结果，作 关系图，得：关系图，得：s11或sssmaxkmaxSmaxS1)1(1Kmax11max1 h103.014/maxSK1010maxSK1)1(101sss10第六节第六节 废水生物处理工程的废水生物处理工程的基本数学模式基本数学模式 在废水生物处理中，废水中的有机污染物质在废水生物处理中，废水中的有机污染物质（即底物（即底物 、基质）正是需要去除的对象；生物处理、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、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，人们已经把现在，废水生物处理工程实践中，人们已经把前述的米前述的米-门方程式和莫诺特方程式引用进来，结合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 整个反应过程中整个反应过程中,氧的供应是充分的氧的供应是充分的（对于好氧处理）整个处理系统处于稳定状态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：X反应器中微生物的平均浓度；S反应器中底物的平均浓度及0ddXt0ddSt和 反应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑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置变化维持一个常数而且，底物是溶解性的即：0ddXl0ddSl 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；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)dd(tuS)dd(tXduSgX)dd()dd(KtYt 在实际工程中在实际工程中,产率系数（微生物增长系数）产率系数（微生物增长系数）Y常以实际测常以实际测得的观测产率系数（微生物净增长系数）得的观测产率系数（微生物净增长系数）Yobs代替故式代替故式 从上式得：从上式得：式中：式中：为微生物比净增长速度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)dd()dd(KtYt可改写为：可改写为：uSobsgX)dd()dd(tYtdYqK 或或dXuSXgX)d/(d)d/(dKtYt同理，从式 得：qYobs。