废水生物处理的目的：是使废水中挟带的有机污染物，通过微生物的代谢活动，使其转化、稳定，达到无害化。因此认识废水生物处理的本质，必然要对微生物的生理活动特性，有清楚的理解，只有把废水生物处理过程的物质运动和微生物的生理活动联系起来进行理解、思考，才有可能把废水生物处理的几个基本概念掌握清楚。
微生物的新陈代谢和底物的降解
一、新陈代谢
微生物同所有生物一样，在生命活动过程中不断从外界环境摄取营养物，通过生物酶的复杂系列化反应，提供能量和合成新的物质，不断进行着生长繁殖和自我更新，并向外界排泄废物。
新陈代谢：生物体在生命活动过程中，从外界吸取养料并在体内不断进行物质转化的交换作用。如生长、发育、繁殖、遗传和变异等，都是通过新陈代谢来实现的，这点在水处理微生物学中已详细讲述。
新陈代谢分为二类
1、分解代谢(又称异化作用)
生物体从外界环境吸取营养物后，通过分解代谢的作用，一方面使复杂的高分子物质降解为简单的低分子物质；另一方面将高能物质所含的能量逐级释放出来，因此，分解代谢的实质：物质由繁到简、由不稳定到稳定、逐级放能的过程。如葡萄糖的分解:
C6H12O6 + 6O2 ──→6CO2 + 6H2O +2817.3 KJ
2、合成代谢(又称同化作用)
生物体从外界环境吸取营养物后,通过一系列的反应,转化成复杂细胞物质的作用，即有机物自身物质的制造过程。它是在分解代谢的基础上进行的。分解代谢的实质：由低能量的较简单的物质，转化成高能量较复杂的细胞物质的过程。
分解代谢和合成代谢同时发生、相互依赖、密切配合，构成一个有机的新陈代谢体系，合成代谢过程中需要的能量和物质由分解代谢提供，而分解代谢过程中产生的能量和物质又用于合成代谢。
二、底物的降解
底物：在废水中，可被生物利用的物质，或者，一切生物体内可通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质。(可以是有机的也可以是无机的)
底物的降解：废水中含有的营养物质被微生物代谢、利用、转化，使得原有复杂的高分子物质氧化分解为简单的低分子物质的过程。若废水中的底物主要是有机物，那么，这个过程也被称为有机物的降解。在氨的硝化过程中，其底物的降解是用NH3-N表示的。
底物降解的意义：如果废水中的底物中可生物降解的，说明该废水采用生物法进行无害化处理是可行的。废水生物处理的可行性和废水的组成及生物的生活条件有密切关系，如有机物的可生物降解性能如何？工业废是否对微生物有毒害作用，以及微生物所要求的环境条件和营养物质是否得到满足等。这三方面均影响废水处理的可行性。
废水生物处理可行性的试验方法
1、测定废水BOD5与COD的比值
通过BOD5与COD值的测定，可大体了解废水中可生物降解的那部分有机物质占全部有机物质的比例。在工程实际中，人们一般常通过这个比值去评定工业废水生物处理的可行性。
BOD5/COD ＞45％ 可生物降解较好
＞30％ 可生物处理
＜30％ 较难生物处理
＜25％ 不宜生物处理
上述方法，由于比较简单，人们较常采用，不过按此法判断废水可生化性，并确定是否可以采用生物处理工艺，严格来讲，还是很粗糙的(如营养配比，有毒物等)。一般再通过生物处理实验，去确定该工艺废水是否可以采用生化处理工艺较为妥当。
2、测定微生物的呼吸耗氧过程法
当废水与微生物接触后，微生物进行新陈代谢，同时呼吸耗氧。用瓦勃呼吸仪或溶氧测定仪，测得不同时间的耗氧量累计值或耗氧速率，绘制成微生物的呼吸过程线(O2-T或dO2/dt-T)，通过微生物的内源呼吸过程线以及废水接触后呼吸过程线的比较，去确定废水的可生化性。这个呼吸耗氧过程随底物性质而异，反映了底物被氧化分解的规律。
讨论：
ａ线位于b线之上，说明废水量底物可被生物降解，相距越大，可生化性越好。
ａ线位于b线之下，说明废水底物对微生物有抑制作用，相距越大，抑制越大
与内源呼吸线重合，则说明废水中的底物是难降解的，但不是有害物。
微生物的生长规律和生长的环境
在废水生物处理中，微生物的种类是多种多样的它们的生长繁殖与环境条件密切相关。各种微生物所要求的环境条件各不相同，为了充分了解微生物的生长规律，我们从纯种培养的微生物生长曲线来研究。
一、纯种培养的微生物生长曲线
将少量单细胞微生物接种到液体培养基中，在适宜的温度下培养，个体细胞的增长数量和时间之间有一定的规律性，若按时取样计算，就可以得到总菌数和时间的关系曲线，即微生物生长曲线。
按微生物生长速度的，整个曲线可以划分为四个时期。
1、停止期(调整期、适应期)
微生物刚接种到培养基中，细胞内各种酶系有一个适应过程，因此开始时，细菌不繁殖，菌数不增加，但经过一定时间后，酶系开始适应，菌体开始生长发育。
2、对数期(生长旺盛期、等速生长期)
细菌经过停止期适应后，就开始以最快的速度繁殖，此阶段细菌以几何级数增加，细菌生长速率为一常数，微生物的营养丰富，生物体的生长不受底物的限制，生物活性大，细菌的死亡速度远小于增长速度。细菌的增长可以用下式表示：
B＝B0×2n 式中n--世代数 n＝t/G G--为世代时间 t--为培养时间
B0--培养起始的细菌数 B--培养t时间的细菌数
将上式取对数：lgB＝lgB0＋nlg2＝lgB0＋(t/G)×lg2＝lgB0＋kt (设k＝1/Glg2)
由上式可知细菌数与培养时间的关系为一对数关系，其增长速率为ｋ，是一常数。
3、静止期(平衡期、减速增长期)
细菌经过对数期后，培养基中的营养物逐渐被消耗减少，细菌繁殖速度减慢，并受到营养物(底物)的控制，此期间内繁殖速度与死亡速度几乎相等。
4、衰老期(内源代谢期)
此阶段由于营养物近于耗尽，细菌将因得不到营养物而只能利用菌体内的贮存物质或以死菌体作为养料，进行着内源呼吸，维持生命活动。少数细菌可分裂，大部分自溶死亡，死亡速度大于繁殖速度，微生物的生长显著下降。
从纯种培养的微生物生长曲线中我们可以看出，微生物的生长与环境中营养物质的多少有密切关系。在水处理中，存在着各种微生物，我们通过控制F/M(生物负荷)，就可以得到不同的微生物生长率，微生物的活性和处理效果。如果F/M高，微生物在于对数增长期，繁殖速度快，活力强，微生物的增长速度只与本身的数量有关，而与底物无关，但微生物的絮凝沉降性差，出水挟带较多的微生物，使出水水质变差。在水处理中一般是利用静止期和衰老期，以便取得较好的处理效果。
二、混合微生物群和生长
在废水生物处理中，微生物是一个生物群体，其生长情况比纯种培养要复杂的多，各种微生物必然相互影响，并共处于同一生态平衡中。通过显微境观察，我们可以看到不同微生物在培养系统中，都有自己的生长规律和生长曲线，而每条曲线都有自己的形状和位置。这一切都和环境中营养物的变化以及微生物相互依在有关。
如有机物多(F)时，细菌多，同时出现以细菌为食料的原生动物；
如有机和少(F)时，细菌少，原生动物减少，同时出现以细菌、原生动物为食料的后生动物。这种情况称为微生物的递变现象。
三、微生物生长的环境影响
1、微生物的营养
微生物的标准营养配比为：BOD5∶N∶P=100∶5∶1。如果废水中营养配比满足不了要求，我们就必须增加一些营养物，否则将影响处理效率。一般来说生活废水可以满足营养要求，而工业废水要具体分析。如果条件许可，工业废水和生活废水一起处理具有较多的优越性。
2、反应温度
种类微生物所需的反应温度范围是不同的。就整个微生物世界来说，其温度范围在5--80℃。根据种类微生物所适应的温度范围可分为三大类：
中温性 20--45℃ 好热性 大于45℃ 好冷性 小于20℃
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去活性，严重时使微生物死亡；低温时不会使微生物致死，只会使代谢活力降低(冬眠、休眠)，因此高温比低温危害性大。
但实际水处理中，有很多工业废水水温较高，如焦化厂、炼油厂、印染厂的废水，一般都在40--60℃。如果通过冷却来降低水温，此法是不经济的。应该利用微生物的变异性培养一些高温性微生物，为工业废水服务。如江氨污水处理工艺：塔式生物滤池中培养一些高温性微生物，处理生产废水。
3、pH值
不同微生物有不同的PH范围。在水处理中保持一个微生物的最适宜PH值范围是十分必要的，否则对微生物的生长带来不良影响。通常要求PH值范围4-10之间，最适宜的PH为6.5-7.5，但也有例外，如氧化硫化杆菌PH可以是1-3。
pH值突起 活性污泥呆滞 pH值突落 活性污泥结构恶化，引起污泥澎胀
4、溶解氧
仅对好氧微生物而言，一般要求水中溶解氧DO=2--4mg/L.溶解氧不足，好氧微生物活性受到影响，代谢降低，有机物的处理下降;严重缺氧，厌氧微生物大量繁殖，好氧微生物大量死亡;供氧过多，经济上不合算。
5、有毒物质
有毒物质：对微生物有抑制和杀害作用的物质。
主要表现：细胞正常结构遭到破坏(蛋白质与重金属结合)，酶变质，失去活性。有害物质达到一定的浓度的时候才表现出来，书中P183页列出了各类有害物质的溶许浓度。
