细菌以有机物为食物而生长，在生长过程中，一部分有机构转 化成为新的细菌细胞，同时产生二氧化碳和水等。当水中食物不足 时，细菌又从本身物质中吸取能量以维持生命．这一现象称为内源 代谢(endogenous metabalism)或内源呼吸(endogenous respiration)。细 菌死后．又以有机物的形式作为细菌的食物而重复上述过程。另外， 活的细菌与死的细菌又是原生动物和其它较高级微生物的食物，原 生动物这类微生物因此称为捕食微生物。
维持能量所需的消耗速率ddt维持应该与细菌的质量x 成正比，可以表
示为：
d mx
dt 维持
式中，m称为维持系数，量纲为时间-1。
这样（7-13）可以写成：
1 m 1 Y YC
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§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
水中有机物通过微生物的氧化变成简单无机化合物的过程中， 对水中溶解氧的消耗速率，称为它的生化需氧量(BOD)。
质而产生的，以 d 表示，另一部分是为维持细菌处于活的状态所需的 dt 生长
能量而产生的，以
表示，这就得：
d dt
维持
（7-13） d d d
dt 总 dt 生长 dt 维持
由：
d 1 dx dt 总 Y dt
式中，Yc称为真产率因数。
d 1 dx dt 生长 Yc dt
生物化学工程中应用的发酵器有两种基本类型，一种是利用微生物 絮体的作用，这与废水处理中的活性污泥法相类似；另一种是利用微生 物膜的作用，这与废水处理中的生物滤池法相类似。
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第七章 废水生物化学处理基础
本章主要内容：
§7-1 单个细菌的模型 §7-2 细菌的连续增殖 §7-3 细菌增殖速率与底物消耗速率关系式 §7-4 BOD与TbOD §7-5 微生物集团的模型 §7-6 微生物膜的阻力与厚度
制，即由下列关系控制：
a
d
D
d d
r
d
a
p
a p' Kp '
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§7-2 细菌的连续增殖
简单的恒化器见图7—3，是一个工 作容积可以小至100mL的容器。进入恒 化器的灭菌培养液的流量为f mL/h，恒 化器的溢流流量也是f rnL/h，恒化器内 液体容积为V．并不断供给灭菌空气， 以保证细菌的需氧过程。培养液处在不 断搅拌过程巾，以保证培养液的成分均 匀。就整个体系而言，当达到每秒钟增 加的细菌个数与每秒钟排掉的细菌个数 相等时，恒化器即处于稳定状态。图 7—3所示的恒化器实际可看作是一个 CSTR。
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§7-2 细菌的连续增殖
每小时通过溢流量f所排掉的细菌质量为： f × 1mL中的细菌质量 = f ×x = Dx
V
由于细菌的增殖率可表示为dx/dt=µx，所以d当x 恒 化x 器D处x 于稳定条件下时得：
在恒化器中，Monod方程可写为：
dt
D max Ks
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§7-2 细菌的连续增殖
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§7-1 单个细菌的模型
底物一般是通过细胞的粘液层、细胞壁与细胞膜进入细胞内部的，而代 谢作用只发生在细胞内部的细胞质区。发生代谢作用后，底物也就消失了。 这里，我们假设：
①不考虑复杂的代谢过程； ②把底物的消失引用流体力学中“汇”的概念来解释； ③粘液层、细胞壁、细胞膜等作为底物传递的边界。 这样就得到一个细菌的简化模型，如图7-1所示。
NP
a p' KP '
代谢区指细胞膜内的区域。这一区域内虽然产生了许多极复杂的代谢途 径，但组成代谢途径的每一个反应都是由酶控制的，因而服从于Michaelis— Menten方程。代谢区内底物消耗速率可以表示为：
d'' dt
a m'' Km ''
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§7-1 单个细菌的模型
当代谢区消耗底物的速率恰好和底物通过两个运输区的速率相等时，便 得到一个稳定的状态，这时存在下列关系：
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§7-1 单个细菌的模型
扩散区指细胞壁外粘液层的部分，其表面积为ad cm2，，底物通过扩散 区时服从Fick的第一扩散定律，即底物的通量为：
Nd= －D d
dБайду номын сангаас
扩散区的内面为透酶区。这一区指细胞膜的透酶所起的运输作用。透酶
是细脑膜内的一类立体专一性载体分子，这类分子也是一种蛋白质，取名透 酶以示区别于代谢酶。透酶区的通量可用下列公式来表示：
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§7-4 BOD与TbOD
生化需氧量（BOD）
图7—7给出了新鲜生活 废水的生化需氧量历时曲线 形式和温度对历时曲线的影 响。
第一阶段：由于含碳有 机物的分解所需要的生化需 氧量，也称碳质BOD （carbonaceous BOD）；
当代给水与废水处理原理
高良敏 博士、教授 安徽理工大学地球与环境学院
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第七章 废水生物化学处理基础
1947年，首次出现了“生物化学工程”( Biochemical engineering) 一词。1965年Aiba等人的专著《物化学工程》(Biochemical Engineering) 出版，标志着这一学科的正式出现。1971年Coulson及Richardson等著述 的化学工程标准教材新添了第三卷，其中包括了一章生物化学反应工程， 标志着生物化学工程已成为化学工程的—个新的组成部分。此后出版的 生物化学工程专著有Atkinson的《生物化学反应器》(Biochemical Reactors，1974年)，Bailey及ollis的《生物化学工程基础》(Biochemical Engineering Fundamentals．1977年)等书。
由图7-5可知，当生物
处理设备的进水有机物浓
度在一定范围内波动时不
会引起微生物特性很大的
变化，因而系统的运行能
处于稳定状态。根据
Monod方程，可以求得恒
化器稳态条件的营养物浓
度ρ为：
KsD max D
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§7-3 细菌增殖速率与底物消耗速率关系式
把底物的消耗速率分成两部分．一部分是由于细菌生长新的细胞物
ad
D
d d
r
d
a
p
a p' Kp '
Vm
a m'' Km ''
当底物不需透酶区的运输时，式（7-4）简化为：
a
d
D
d d
r
d
Vm
a m'' K m ''
Vm a p'' a m (K p ''
)
a m
当包含透酶区时，由式（7-4）看出底物的消耗速率完全由运输过程来控