1. 水体中的细菌

   1. 细菌的生活特性

在降解有机物过程中，微生物中的细菌所起的作用最大（在水体中数量多，氧化能力强），其次是原生动物。在对水样作 BOD 测定时，因藻类有发生光合作用的能力而干扰测定，因此测定试验要在避光条件下进行。

细菌的生活特性表现在一定环境条件下（如适宜的温度 20～40℃和 pH 值 6～8），摄取水体中有机食物以进行体内呼吸作用和同化作用。所谓呼吸作用，就是在内酶催化下进行生物氧化反应从而产生能量的过程，所得能量可供细菌活动和生长繁殖之需。所谓同化作用，就是细菌吸收化学能并将其转为自用形式的过程。后一种过程又包括：①将外界食物通过细胞壁摄取进入体内的过程。对于不能直接摄取的固体物质或大分子物质，则先分泌出外酶，把细胞周围这些物质转化为可溶性物质，或水解为小分子产物后，再使之渗入到细胞体内；②在细胞中将在呼吸过程中所产生的部分降解产物作为建造自身材料（蛋白质、糖类、脂肪）的过程。进入细菌体内的能量流及其分配情况如图 6－1 所示。

如前述，根据不同菌类对氧的需求情况，可将细菌分为好氧细菌（需空气中氧或水中溶解氧）、厌氧细菌（无氧条件下对有机物等进行发酵或其他厌氧分解）、兼氧细菌（在有氧、无氧条件下皆可生长）三类。这三类细菌都能对水体中有机物产生降解作用。显然，厌氧细菌的降解行为是不涉及耗氧问题的。

水体中含碳有机物（如糖类）是细菌的最好食料。经好氧细菌分解，最终产物是 CO2 和 H2O；经厌氧细菌分解最终产物有有机酸、乙醇、CO2、CH4、H 等。水体中含硫、氮有机物经好氧分解产物有 SO ^2-、NO -、CO 和 H O 等；

经厌氧分解产物有 H2S、硫醇、吲哚 等。在 20℃水体中， 一般经过 5 天后，含碳有机物中约 70％数量被细菌分解，且数据稳定；经过10 天后，可分解有机碳化合物约 90％。此后，水体中细菌以水中含氮有机化合物作为主要食料，在残留溶解氧参与作用下将这些化合物作生物分解。例如在有氨化细菌的情况下，水中氨基酸被降解为氨：

RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3

在有亚硝酸菌和硝酸细菌存在的条件下，再能发生硝化反应（见 2.3.3.1 中反应式）。

对于天然水水样的 BOD 值测定，可直接利用水体内原有细菌；对氯化过的或经过高温处理过的工厂排水，则要作微生物接种后再测定 BOD 值；对某些含有微生物难降解有机物的工业废水，则需对微生物预先驯化。

1. 细菌生长繁殖曲线和 BOD 曲线

细菌通过不断呼吸而生长，又通过不断分裂的方式而繁殖（在适宜的环境条件下每 20～30 分钟分裂一次）。将少量细菌接种于一定量的培养基内， 在适宜温度下培养，定时测定其数量，则可得到细菌的生长和繁殖曲线如图6－2 所示。细菌的生长和繁殖可粗分为三个阶段：第一阶段是对数生长阶段，即生长率上升阶段。其初期（也称诱导期），细菌有一个适应新环境的过程，一般只生长不繁殖。此后细菌迅速繁殖，这时为繁殖所需的食料供应是充分的，而细菌的生长却受自身生理机能的限制。对数生长阶段临近结束时，细菌生长率最大，它们对培养基中有机物的分解速率也最快。在对数生长阶段中细菌数的对数与时间呈直线关系，

即 dN = k N 或 N = N e ^k0t

或 ln N

= ln N + k t

(6 − 1)

dt 0 0 t 0

t 0 0

式中 N0——在时间 t=0 时，每单位体积内细菌个数； Nt——在时间 t 时，每单位体积内细菌个数； k0——对数生长速率常数。

如果每一个细菌都具有相同大小的质量，则单位体积内活性微生物总质量 M 符合下列关系式：

dM = k M

dt ⁰

细菌繁殖的第二阶段是生长率下降阶段，由于培养基中食料逐渐减少，细菌排泄物积累，从而影响了细菌的生长率。第三阶段是内源呼吸阶段，培养基中所含食料已所剩无几，菌体内贮存物甚至体内酶都被当作营养物质以维持菌体生命。最后细菌进入衰老死亡时期，但在体内还可保留一定的残留细胞。

取实际水样，测定其随时间变化的 BOD 值，可得到如图 6－3 所示的 BOD 曲线。图中，BOD5 和 BODu（最终生化需氧量，一般写作 BOD20 表示 20 天期间的耗氧量）代表细菌降解水样中有机碳化合物所需氧量，特用碳化需氧量CBOD 表示。硝化需氧量 NOD 则表示有机氮化合物被氨化细菌无机化为 NH4+ 及随后又由硝化细菌将 NH4+氧化为 NO2-、NO3-的需氧总量。当存在诱导期时， BOD 曲线起始处会出现一个少量耗氧区段（图中未显示），在这个生化反应

预备阶段，因细菌生长所需而消耗少量溶解氧。此外，水样中含有一些无机还原性物质（如 Fe²⁺、S^2-、SO ^2-等），对这一阶段的 BOD 值也有一些贡献。

这两方面因素引起的耗氧被称为瞬时需氧量（IDOD）。为了在 BOD 试验中将CBOD 和 NOD 区分开来，可取另一培养瓶，外加 10mg/L2-氯-6-（三氯甲基） 吡啶试剂作同样的 BOD 测定，该试剂是 NOD 测定的抑制剂，而对 CBOD 测定无影响，所以测得结果是单纯的 CBOD 值。

1. 生化需氧过程中的生物系统和生化反应

生化需氧过程中的生物系统可用图 6－4 表示。从这个图中我们可以看到，在生化需氧过程中，细菌和原生动物（原生动物以吞食细菌为生）所起的主导作用，以及其他各组分之间的相互转换关系。一般，如水样中除细菌外没有别的微生物，则在 24～48 小时处细菌增殖达到极大，再维持数天后， 老龄细菌逐渐死灭。在水样中有细菌和原生动物共存条件下，一般是细菌先增殖，到一定程度后，细菌数开始减少，因为它们被原生动物作为有机物之外的食料吞食了，这时原生动物才开始增殖。

在生物需氧过程中发生的反应有氧化反应、合成反应和内源呼吸反应（氧化反应在好氧、厌氧条件下皆能发生，而且细菌生长和能量利用情况也很相似，但反应产物是十分相异的）。典型反应归纳列举如下：

1. 有机物质氧化（呼吸）反应

CxHyOz+O2→CO2+H2O+能量

1. 无机物质氧化（呼吸）反应

NH4++2O2→NO3-+H2O+2H^+＋能量

1. 合成细胞原生质（合成）反应

CxHyOz+NH3+O2+能量→C5H7O2N+H2O

CxHyOz+H⁺+NO3-+能量→ C5H7O2N+N2+CO2+H2O

1. 细菌原生质氧化（内源呼吸）反应

C5H7O2N+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量

细菌的呼吸是在活的原生质中进行的一种生物化学过程，由此产生的能量可供细菌的各种生命活动之用；另一方面，细菌的内源呼吸导致细菌物质的自身破坏和内耗。实际上，细菌发挥正常活动功能（如在水体中运动、体内酶的激活）只需要很少能量，这一份额的能量单靠内源呼吸也已足够提供。按专业研究人员提出的假说，微生物的生长是以下两种相反过程竞争的结果：同化外来营养物质和内耗体内细胞物质。即使环境中所含营养物质并不缺乏，细菌体内破坏原生质的过程也还是发生着的。对外来营养物质发生同化过程的速率正比于细胞中原生质的质量和细胞的外表面积，内源呼吸的速率则首先取决于外界环境的条件。

研究表明，各种有机物的理论需氧量 ThOD 均由两部分组成，其中一部分是生物可降解的（以 ThODB 表示），另一部分是生物不可降解的（以 ThODNB 表示）。在微生物的代谢过程中，前者的一部分（以 a·ThODB 表示）按上列

反应（1），经呼吸作用而分解为最终产物（CO2、H2O、无机盐等），同时释出能量；另一部分（以 b·ThODB 表示）则按上列反应（3），通过能量吸收而合成新的细胞物质。

合成的新细胞物质在内源呼吸过程中，一部分（以 b·c·ThODB 表示）

按上列反应（4）被缓慢分解，并释出能量，另一部分（以 b·d·ThODB 表示） 则作为残留细胞被保留下来。所谓最终生化需氧量（BODu）即指分解代谢与内源呼吸两部分需氧量之和。

对上述理论需氧量和生化需氧量之间关系可归结如下：

ThOD_NB





ThOD

a·ThODB



b·c·ThOD 

ThODB b·ThOD 

^B BOD

 

 

BODu

^B b·d·ThOD

= BOD5

1 − e ^−5k1

u

(6 − 2)

在以上图式中，a 为分解代谢系数，b 为合成细胞系数，c 为内源呼吸系数， d 为残留细胞系数，k1 为生化反应速度常数。对一般生活污水来说 k1=0.23d^-1

（20℃）；对一般生活污水或接近于此的工业废水，它们的 a、b、c、d 近似值分别为 1/3、2/3、0.8 和 0.2。

可用实验方法求得 k1 值。影响 k1 数值的因素有水质类型和温度等。k1 随温度 t 变化的关系式为

k1（t）=k1（20）θ(t-20) （6－3）

式中，θ为温度系数。当 t=4～20℃时，θ取值 1.135；当 t=20～30℃时， θ取值 1.024。