摘要： 由于好氧生物處理效率高、使用廣泛，已成為生物處理法的主要方法，通常所說的生物法均指此類而言。厭氧生物處理法主要用于污泥的消化處理和高濃度有機廢水的處理。好氧生物處理采用的方法有生物膜法、活性污泥法以及氧化塘法。

關(guān)鍵詞：生物膜，好氧，厭氧，溶解氧，活性污泥，曝氣，沉淀，氧化塘

概述：工業(yè)廢水的種類繁多，不同企業(yè)廢水的性質(zhì)與成分差異很大，甚至對同一類企業(yè)，也因原料、生產(chǎn)工藝等條件不同而異，對于不同的工業(yè)廢水，其處理方法也不同。按照廢水處理的原理，可把各種處理方法歸納為：物理法、化學法、物理化學法、生物法四類。生物處理法分為好氧與厭氧兩大類。如表1所示：

表1.廢水處理的分類情況

1. 生物膜法

生物膜主要是由脂類和蛋白質(zhì)分子以非共價鍵組合裝配而成。生物膜的骨架是磷脂類的雙分子層，或稱脂雙層(lipid bilayer，圖1)。

脂雙層的表面是磷脂分子的親水端，內(nèi)部是磷脂分子疏水的脂肪酸鏈。脂雙層有屏障作用，使膜兩側(cè)的水溶性物質(zhì)不能自由通過，這對細胞正常結(jié)構(gòu)和功能的保持是很重要的。脂雙層中還有以不同方式鑲嵌其間的蛋白質(zhì)分子，生物膜的許多重要功能都是由這些蛋白質(zhì)分子來執(zhí)行的。有的蛋白質(zhì)分子和物質(zhì)運輸有關(guān)，有的本身就是酶或重要的電子傳遞體，有的是激素或其他有生物學活性物質(zhì)的受體。除了脂類和蛋白質(zhì)以外，細胞膜的表面還有糖類分子，稱為膜糖。膜糖大多和蛋白質(zhì)分子相結(jié)合成為糖蛋白，也可和脂類分子結(jié)合而成糖脂。[1]

1.1 根據(jù)生物膜法處理系統(tǒng)中所用的填料的不同，生物膜法(如圖2所示)又可以分為以下幾種類型：

圖2.生物膜的構(gòu)造示意圖

1.1.1 滴濾系統(tǒng)（Trickling filter system）

該系統(tǒng)是一種簡單且相對便宜的膜式好氧處理裝置。在該處理系統(tǒng)中，通過轉(zhuǎn)動的柵欄噴淋裝置將污水均勻分布于多孔處理床（例如由石子等鋪成）上。在多孔處理床上可生長多種微生物群落和原生動物。當污水緩慢地流過處理床時，微生物就吸收并降解了其中的有機成分，使得污水得到處理。在這樣的處理系統(tǒng)中，天然形成了食物鏈，微生物利用有機物生長繁殖，原生動物等以微生物為食，從而維持在一個動態(tài)平衡中。如果污水中的營養(yǎng)（BOD）過高，就會導致微生物的過量生長繁殖從而引起多孔處理床的堵塞，這樣便會降低處理效果。

1.1.2 旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化系統(tǒng)（Rotating Biological Contactor，RBC）或生物轉(zhuǎn)盤

在這樣的處理系統(tǒng)中，一系列圓盤結(jié)構(gòu)裝置部分浸沒于污水中，部分在空氣中并不斷地旋轉(zhuǎn)，這樣便保持了良好的通氣效果及與污水的接觸，從而在圓盤上形成了“生物膜”。這樣的“生物膜”是由各種微生物、原生動物等構(gòu)成的微生物群落。在掃描電鏡下，典型的生物轉(zhuǎn)盤的“生物膜”有兩層結(jié)構(gòu)，外層主要由絲狀菌等好氧微生物組成，內(nèi)層由包括脫硫弧菌在內(nèi)的厭氧微生物構(gòu)成。因此這樣的“生物膜”具有去除BOD及無機物（主要是硫酸鹽）的功能。生物轉(zhuǎn)盤處理系統(tǒng)與滴濾系統(tǒng)相比，具有占地少、效率高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，但其前期投資較大。這種系統(tǒng)已經(jīng)成功地用于處理城市污水和各種工業(yè)廢水。

1.1.3 流化床反應器（Fluidized Bed Reactor，F(xiàn)BR）

由于污水的泵入或曝氣（空氣或氧氣）作用，流化床反應器中的載體物質(zhì)（浮石、砂子、塑料等）會在反應器中不斷流動，因而得名。在這種系統(tǒng)中，由下向上進入的廢水的流速或曝氣的程度被控制在足以使載體流動不互相接觸，但又不能破壞“生物膜”結(jié)構(gòu)的程度。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是載體的比表面積被充分利用，但能耗較高，運行成本也相對較高。該系統(tǒng)可用于BOD的去除，也可以用于廢水中硝酸鹽的處理。[2]

1.2 生物膜的特征：

生物膜由于固著在濾料或載體上，因此能在膜上生長增殖速度慢、世代時間長的細菌和較高級的微形生物，如絲狀菌，輪蟲、線蟲、寡毛蟲等。在生物膜上生長著參與凈化反應的微生物種屬多、類型全，構(gòu)成的食物鏈長而復雜。又因為生物膜法多為分段處理，在每段都能自然形成各自獨特的優(yōu)勢微生物種群。再者，由于生物膜生物相的多樣化和生物膜法處理工藝的結(jié)構(gòu)特點，使得生物膜法對水量、水質(zhì)變動具有較強的適應性，并能在低溫條件下保持較好的凈化功能。對濃度低的污水，也能夠取得較好的處理效果，它還具有良好的硝化功能。它與活性污泥法相比，處理工藝產(chǎn)生的污泥量少，約為活性污泥法的3/4，動力費一般較低，所產(chǎn)生的污泥宜于固液分離。

2. 活性污泥法

活性污泥（Activated sludge）可分為好氧活性污泥和厭氧顆?；钚晕勰?，不論是哪一種，活性污泥都是由各種微生物、有機物和無機物膠體、懸浮物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復雜的肉眼可見的絨絮狀微生物共生體。這樣的共生體有很強的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，可以達到處理和凈化污水的目的?；钚晕勰喾ㄊ亲畛Ｒ姷奈鬯锾幚矸椒?，污水在經(jīng)過初步沉淀去除各種大塊顆粒之后送到好氧反應池，在池中通過曝氣或攪拌供給氧氣。在活性污泥法中，經(jīng)處理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下來返回反應池，這樣可以維持很高的微生物密度和活性。當污水停留在好氧反應池期間，一部分有機物被處理成無機物，即礦化；另一部分轉(zhuǎn)化為微生物細胞物質(zhì)。在活性污泥法中，嚴重影響處理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差，由于絲狀細菌和真菌的過分繁殖將導致活性污泥膨脹[3]。雖然活性污泥的膨脹機理尚不完全清楚，但通常在碳氮比(C：N)和碳磷比(C：P)的比值較高，水中溶解的氧氣濃度較低的條件下容易產(chǎn)生。為維持良好的處理效果，應當避免發(fā)生污泥膨脹，因此在活性污泥法中要嚴格控制進入系統(tǒng)廢水的C：N和C：P的比值，并維持較高的溶解氧水平，這樣才能維持良好運行狀態(tài)。產(chǎn)生的活性污泥除一部分回流利用外，其它多余的則需要另外處理。處理的方法是厭氧消化、填埋或干燥。干燥后的處理物可以用作農(nóng)業(yè)肥料。

2.1.1 活性污泥法工藝的原理

圖3.活性污泥法的基本流程[4]

(1) 活性污泥工藝

活性污泥法工藝是一種應用最廣泛的廢水好氧生化處理技術(shù)，其主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)等組成。如圖3所示

廢水經(jīng)初次沉淀池后與二次沉淀池底部回流的活性污泥同時進入曝氣池，通過曝氣，活性污泥呈懸浮狀態(tài)，并與廢水充分接觸。廢水中的懸浮固體和膠狀物質(zhì)被活性污泥吸附，而廢水中的可溶性有機物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營養(yǎng)，代謝轉(zhuǎn)化為生物細胞，并氧化成為最終產(chǎn)物(主要是CO2)。非溶解性有機物需先轉(zhuǎn)化成溶解性有機物，而后才被代謝和利用。廢水由此得到凈化。凈化后廢水與活性污泥在二次沉淀池內(nèi)進行分離，上層出水排放；分離濃縮后的污泥一部分返回曝氣池[5]，以保證曝氣池內(nèi)保持一定濃度的活性污泥（具體過程如圖4所示），其余為剩余污泥，由系統(tǒng)排出。

菌膠團的作用：起絮凝作用的細菌形成的細菌團塊；強生物吸附能力和氧化分解有機物的能力；為原生動物提供良好的生存環(huán)境和附著場所；指示作用，顏色、透明度、數(shù)量、顆粒大小即結(jié)構(gòu)松散程度。[6]

活性污泥絮狀體的作用：有機物的吸附或黏附及其分解；金屬離子的吸附；防止原生生物對細菌的吞食；加強污泥的沉降性，有利于泥水分離。[7]

曝氣的作用：提供氧氣、攪拌。具體過程如圖4所示

回流污泥：使曝氣池中保持大量菌體以維持較高的反應速度，同時通過加入靜止期或衰亡期菌體限制絮狀體生成速度，利于絮狀體凝聚和沉淀。

(2) 活性污泥反應的影響因素：BOD[9]負荷率（F/M）也稱有機負荷率，以NS表示），水溫，pH值，溶解氧，營養(yǎng)平衡，有毒物質(zhì)。

圖4.某印染廠廢水耗氧量下降過程[8]

2.1.2 活性污泥系統(tǒng)的主要運行方式[10] ??? (1) 推流式活性污泥法 ??? (2) 完全混合活性污泥法 ??? (3) 分段曝氣活性污泥法 ??? (4) 吸附-再生活性污泥法 ??? (5) 延時曝氣活性污泥法 ??? (6) 高負荷活性污泥法 ??? (7) 淺層曝氣、深水曝氣、深井曝氣活性污泥法 ??? (8) 純氧曝氣活性污泥法 ??? (9) 氧化溝工藝 ??? (10) 序批活性污泥法

2.2 活性污泥脫氮除磷

2.2.1 活性污泥脫氮的原理

(1) 氮在污水中的存在形式和轉(zhuǎn)化

污水中氮主要以氨氮和有機氮形式存在?；钚晕勰喾摰巧锩摰闹饕问?。生物脫氮主要是靠一些專性細菌實現(xiàn)氮形式的轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化成無害氣體――氮氣，從污水中去除。

(2) 硝化過程

氨氮轉(zhuǎn)化的第一個過程是硝化過程――硝化菌把氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽的過程。

硝化過程分二步：第一步把氨氮轉(zhuǎn)成亞硝酸鹽，氨氮首先由亞硝酸鹽菌轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽；第二步亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。

(3) 反硝化過程

反硝化過程是反硝化菌異化硝酸鹽的過程，由硝化菌產(chǎn)生的硝酸鹽在反硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化成氮氣，從水中逸出，最終從系統(tǒng)中去除掉。氮的最終去除要通過反硝化過程完成。

反硝化過程分為兩步進行：第一步由硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽；第二步由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為一氧化氮、氧化二氮和氮氣。[11]

2.2.2 活性污泥除磷的原理

未經(jīng)處理的污水中磷的存在形式主要有三種：正磷酸鹽、聚合磷酸鹽和有機磷，后兩種成分約占進水總磷量的70%。

在某些好氧條件下微生物吸收磷會超過其正常的需求量，而在缺氧條件下微生物會把吸收的磷釋放掉。在反應器中按順序創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件，利用這些微生物超量吸收磷的特性，可以有效去除污水中的磷。

聚磷菌是去除磷的微生物的一種，這些微生物利用進水中的揮發(fā)酸在厭氧條件下釋放所貯存的磷，當厭氧區(qū)域后緊接一個好氧區(qū)域時，微生物可以吸收超過正常水平的磷。通過排泥排除多余的磷而達到除磷的目的。[11]

2.3 氧化溝工藝

氧化溝是一種改良的活性污泥法，其曝氣池呈封閉的溝渠形，污水和活性污泥混合液在其中循環(huán)流動，因此被稱為“氧化溝”，又稱“環(huán)行曝氣池”。

3.污水處理塘——生物塘

污水處理塘是一些適宜的自然池塘、經(jīng)人工改造的自然池塘，或是人工修建的池塘。這些池塘通過不同的工作原理和凈化機理，諸如厭氧、好氧、兼性生物處理、水生生物凈化、水生態(tài)系統(tǒng)凈化、封閉式貯留、調(diào)貯控制排放等，以保證其排水的水量水質(zhì)不超過受納水體的自凈容量。（具體特征如表2所示）

大多數(shù)的污水處理塘因是利用水塘中的微生物和藻類對污水和有機廢水進行需氧生物處理的方法，所以又稱生物塘。這是一種古老的廢水處理方法，特別是作為小城鎮(zhèn)的廢水處理方法已有多年的歷史。[12]

根據(jù)污水處理塘的凈化機理，大致可分為好氧塘、厭氧塘、兼性塘、曝氣氧化塘、塘田和魚塘等。

表2. 各種氧化塘的特征[13]

結(jié)語：生物膜法和活性污泥法是兩種相當主要的生物治理污水方法，生物膜法和活性污泥法一樣都是利用微生物來去除廢水中有機物的方法。但在活性污泥法中，微生物處于懸浮生長狀態(tài)，所以活性污泥系統(tǒng)又稱為懸浮生長系統(tǒng)。而生物膜中的微生物則附著生長在某些固體物的表面，于是生物膜處理系統(tǒng)又稱為附著生長系統(tǒng)。生物塘則需要相當?shù)臈l件，處理量也相對大了許多。（具體比較見表3）所以除了處理能力以外，還要同時考慮凈化裝置的前期投資。

因為微生物在我們的日常生活中分布廣泛，品種繁多，而且基因容易變異，是一個很好的能被挖掘的領(lǐng)域。他們自身的一些處理能力已經(jīng)被我們所利用，但是也可以看出，因為環(huán)境的關(guān)系，有時好氧的操作占了很大一部分，可是有些反應通過實驗可以發(fā)現(xiàn)厭氧情況下，處理的力度更勝一籌。這點是個很大的研究空間，如何更好的控制好反應過程，達到最好的處理程度；通過厭氧和好氧的轉(zhuǎn)換和反應器，處理方法的配合使用，達到最大的利用率。

表3. 生物方法處理廢水的情況

參考文獻：

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