一、污水的生物处理原理简介
污水处理的方法很多，其中生物处理法在城镇污水处理中占了重要位置，它与物理、化学法相比，具有经济、高效和无害化的优点。
污水的生物处理是利用微生物处理污水中有机污染物的过程，了解污水处理中的微生物及其作用原理，对于我们理解污水处理工艺过程有很大的帮助。
1、污水处理中的微生物
微生物是一类体形微小，肉眼看不到，结构简单的生物，通常借助光学显微镜或电子显微镜才能观察到。微生物主要包括细菌、放线菌、藻类、真菌、立克次氏体、衣原体、枝原体，以及原生动物和后生动物等类群，其中与污水处理关系密切的
是细菌、藻类、放线菌、原生动物和后生动物中的某些种类。
1）细菌
细菌是微小的、单细胞的、没有真正细胞核的原核生物。其大小只有几个μm，只有在放大一千倍以上的放大镜下方可对细菌进行观察。
2）丝状菌与放线菌
丝状菌是活性污泥中的重要组成部份，是一大群菌体相连而成的丝状微生物体总称；放线菌是一种有细长分枝的单细胞菌体。
3）藻类
藻类是一种具有光合作用的色素，并能独立生活的自养型低等植物，有单细胞的，也有多细胞的，按照色素组成，有绿藻、蓝藻、硅藻和褐藻等。
4）原生动物（单细胞动物）
原生动物门是动物界最原始的低等动物，由单细胞所组成，故有时也称它们为单细胞动物。原生动物个体一般微小，绝大多数仅在-μm之间。与污水处理有关的原生动物有肉足类、鞭毛类和纤毛类。
5）微型后生动物（多细胞动物）
微型后生动物也称多细胞动物，种类很多，在污水处理中常见的有轮虫、线虫和甲壳类动物等。
2.污水处理活性污泥中微生物的作用原理
在污水的生物处理方法中，活性污泥法是广泛应用的一种方法。该方法是在人工条件下，对污水中的各类微生物群体进行连续混合和培养，形成悬浮状态的活性污泥。利用活性污泥的中微生物的新陈代谢作用，分解去除污水中的有机污染物。
生物膜法利用是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥中的微生物新陈代谢作用，分解去除污水中的有机污染物。
污水中的微生物和其它生物一样，要维持其生命活动，就必须进行新陈代谢。细菌的新陈代谢是不断的从外界攝取其生长与繁殖所必需的营养物质，同时又不断的将自身产生的代谢产物排泄到环境中去的过程。
在污水生物处理过程中，微生物的营养物质就是污水中大量的有机污染物质，排出的则是稳定的无机物质。因此微生物的生命新陈代谢的过程，也就是污染物被处理掉的过程。
在微生物的新陈代谢过程中，一部份有机污染物被分解后生成CO2和H2O排入环境，这个过程称为分解代谢过程；而又有一部份则用于合成新的微生物细胞，这个过程称为合成代谢过程，合成代谢的产物以剩余污泥的方式排出系统。
微生物的新陈代谢作用包括同化作用和异化作用，同化作用是消耗能量、吸收营养转变为细胞物质的过程，异化作用是释放能量、将细胞内营养物质、细胞物质分解的过程。
1）微生物的营养
不同微生物所需要的营养物质的种类不同，能量来源也不同。活性污泥和生物膜中绝大部分细菌都利用有机污染物质（称为碳源物质）作为营养物质，并利用这些物质分解过程中所产生的能量作为生命活动所需的能量来源，这类细菌被称之为异养菌。污水中的有机污染物质就是被这些异养菌去除的。还有一类微生物利用无机物质作为营养，被称之为自养微生物。
自养微生物按照微生物生命所需能量来源不同，分为化能自养微生物和光能自养微生物。
化能自养微生物是利用无机物质作为营养物质，以无机化学反应所产生的能量做为能源的一类微生物，如硝化系统活性污泥中的亚硝化单胞菌和硝化杆菌就是自养微生物，亚硝化单胞菌将氨氮物质氧化成亚硝酸盐。利用这个无机反应产生的能量作为能源，将无机的二氧化碳还原并合成菌体，这也是污水中氨氮发生硝化的基本过程。
光能自养微生物都能进行光合作用，利用光能作为能源，利用CO2等无机物质合成细胞物质，如藻类即属于光能自养微生物。以污水中的无机碳做营养，进行光合作用，产生氧气。
2）微生物的呼吸作用
呼吸作用即微生物的异化作用，是微生物获取生命活动所需能量的途径。有氧气参与的呼吸作用，称为好氧呼吸；没有氧气参与的呼吸称为厌氧呼吸。由于呼吸类型的不同，微生物可分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性微生物。
好氧微生物需要生活在有氧环境中，没有氧则难以生存。它们在有氧的条件下，可以将有机物分解成CO2和水，这个过程称之为有机物的好氧分解。
厌氧微生物必需要生活在无氧环境中，如果有氧存在则反而会产生毒害作用。它们在无氧条件下，可以将复杂的有机物分解成有机酸等较简单的有机物和CO2等产物，这个过程称为厌氧分解。污水的厌氧处理和污泥的厌氧消化进行的就是厌氧分解过程。
兼性微生物既能在有氧环境下生活，也能在无氧环境中生长，在有氧环境中，它们对有机物进行好氧分解，在厌氧环境中，它们也能对有机物进行厌氧分解。在污水处理系统中，绝大部份细菌都为兼性菌。
3）影响微生物活性的因素
影响微生物活性的因素很多，主要有营养物质、溶解氧、PH、温度以及有毒物质等。
?营养物质：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、碳源、氮源、磷源、无机盐及生长素。
碳是构成微生物细胞的重要物质，参与污性污泥处理的微生物对碳源的需求量较大，一般来说，城市污水中含有的碳源是充足的，能满足污水处理微生物对碳源的需求，但对于有机物含量低的工业废水处理，应补充投加碳源，如动物粪便、淘米水或淀粉、甲醇等等。
?溶解氧：参与污水活性污泥处理是以好氧菌为主体的微生物种群，在曝气池内必须保持有足够的溶解氧，溶解氧不足，必将对微生物的生理活动产生不利的影响。
根据大量活性污泥法的运行经验，曝气池的溶解氧一般宜保持在不低于2mg/L的程度。
?PH值：微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适合的PH值环境中，微生物才能进行正常的生理活动。
不同的微生物有不同的pH适应范围。大多数细菌适宜中性和偏碱性（pH＝6.5～7.5）的环境。废水生物处理过程中应保持最合适的pH范围，一般为pH＝6.5～8.5。
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。
?温度：在影响微生物生理活动的各项因素中，温度的作用非常重要。温度适宜，能够促进微生物的生理活动，温度不适宜，会减弱甚至破坏微生物的生理活动。
参与活性污泥处理的微生物，其适宜温度介于10-45℃之间，为安全起见，一般活性污泥处理的最低和最高温度值分别控制在35℃和15℃。
?有毒物质：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，如重金属离子、酚、氰化物等。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。
有毒物质对微生物的毒害作用有一个量的概念，只有当有毒物质浓度达到一定的浓度时，其毒害和抑制作才会显现出来。
3.污水处理的生物脱氮除磷原理
污水中含有氮、磷等污染物质，过多氮、磷进入水体，会使水体富营养化，导致藻类大量繁殖，引起水质恶化。目前城市污水处理厂基本上都选择了生物脱氮除磷工艺，在去除水中有机污染物的同时，能有效的去除氮和磷。
n一、污水的生物处理原理简介
1）生物脱氮的基本原理
污水生物脱氮的基本原理，就是在氨化菌将有机氮转化为氨态氮基础上，在好氧状态下，由于硝化细菌和亚硝化细菌的硝化作用，将氮态氮转化为硝态氮和亚硝态氮，然后又在缺氧的状态下，通过反硝化细菌的反硝化作用，将硝态氮和亚硝态氮转化成N2，氮气溢出水面进入大气，水中含氮物质大量减少，从而达到脱氮的目的。
2）生物除磷的基本原理
在污水生物处理系统中，有一类兼性细菌叫聚磷菌，在厌氧条件下，聚磷菌的生长受到抑制，为了自身的生长，从体内释放出聚磷酸盐以获取能量，这个过程称为磷的释放。在进入好氧环境后，聚磷菌的活力得到充分恢复，便从污水中摄取大量的的溶解态的磷酸盐，从而完成聚磷的过程。由于聚磷菌在好氧环境中摄取的磷大大多于在厌氧环境中释放的磷，污水中的磷就转移到聚磷菌体中，从剩余污泥中排除，从而达到除磷的目的。
二、活性污泥法的基本原理
1、活性污泥处理法的基本概念与流程
活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。活性污泥法处理系统的一般由曝气池、二次沉淀池、污泥回流系统和曝气与空气扩散系统组成。
经预处处理（一级处理）后的污水从一端进入曝气池，与此同时，从二次沉淀池连续回流的活性污泥，作为接种污泥，也于此同步进入曝气池。
此外，从鼓风机站送来的压缩空气，通过干管和支管的管道系统和铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，其作用除向污水充氧外，还使曝气池内的污水、活性污泥处于剧烈搅动的状态。活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。
经过活性污泥净化作用后的混合液由曝气池的另一端流出进入二次沉淀池，在这里进行固液分离，活性污泥通过沉淀与污水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中一部分作为接种污泥回流曝气池，多余的一部分则作为剩余污泥排出系统。
2、活性污泥形态
活性污泥是活性污泥处理系统中的主体物质，在活性污泥上栖息着具有强大生命力的微生物群体。在微生物群体新陈代谢功能的作用下，使活性污泥具有将有机污染物转化为稳定的无机物质的活力，故此称之为“活性污泥”。
正常的处理城市污水的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，又称为生物絮凝体。由于活性污泥的絮状结构的缘故，使活性污泥易于沉淀，能使处理后的水比较容易的与污泥分离，最终达到污水净化的目的。
活性污泥的含水率很高，一般都在99%以上，其比重则因含水率不同而异，介于1.-1.之间。
3、评价活性污泥指标
活性污泥的好坏直接影响着污水的生物处理效果，是二级污水处理厂处理水质优劣的关键所在，可通过分析曝气池中活性污泥的指标，判断曝气池活性污泥的工作状况是否正常。
1）混合液悬浮固体浓度（MLSS）
它表示的是在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体的总重量，单位：mg/L。
污水处理所采用的工艺不同，MLSS也有差别，如在流式曝气池中，MLSS一般为0–mg/L，在完全混合的曝气池中，MLSS一般为0–mg/L。
2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）
它所表示的是混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度（通常采用℃下灼烧减重代表有机物质的量），单位：mg/L。
一般性况下，MLVSS/MLSS的比值较固定，生活污水常在0.75左右。
3）污泥沉降比（SV30）
混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率，以%表示。
沉降比反映活性污泥的沉降性能，同时也反映曝气池中活性污泥的量，可用于调节、控制剩余污泥的排放量，还可以用这个指标及早发现污泥异常的发生。
4）污泥容积指数（SVI）
简称污泥指数，它的物理意义是在曝气池出口处的混合液，在经过30min静沉后，每g干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积。
SVI=混合液(1L)30min静沉形成的活性污泥容积(mL)/混合液(1L)中悬浮固体干重(g)
＝SV(mL/L)/MLSS(g/L)单位：ml/g，习惯上不加单位。
SVI值能够反映活性污泥的凝聚、沉降性能，对生活污水及城市污水，此值以介于70～之间为宜。SVI值过低，说明泥粒细小，无机质含量高，
缺乏活性；过高，说明污泥的沉降性能不好，并且已有产生膨胀现象的可能。
5）污泥龄（SRT）
曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比，称之为污泥龄，即活性污泥在曝气池内的平均停留时间，因之又称为“生物固体平均停留时间”。
污泥龄（SRT）=曝气池内MLSS总量（MLSSX容积）/剩余污泥中固体量（排放量X浓度）
污泥龄的单位为d（天），曝气池的污泥龄与污泥负荷成反比，负荷
低，新增污泥量少，污泥泥龄就长，反之就短。
一般曝气池的污泥龄约4-8天，当要达到硝化阶段时，污泥龄需要8-12天
以上。
6）污泥负荷（F/M）
污泥负荷是指流入污水中BOD5的量（即有机污染物）和活性污泥量（微生物量）的比值，用F/M表示，单位为：kgBOD5/kgMLSS·d。
污泥负荷（F/M）=进入曝气池BOD5数量（水量X浓度）/曝气池中MLSS量（MLSSX容积）
污泥负荷为设计指标，取值与采用的工艺有关。污泥负荷对处理效果、污泥增长量和需氧量影响很大。工艺运行管理上应将污泥负荷控制在设计值。
由于BOD5数量取决于进水水质，一般难于调节，调节污泥负荷的主要手段是控制曝气池中MLSS，增加MLSS可降低污泥负荷，降低MLSS可提高污泥负荷，一般通过增加或减少排泥量来控制。
三、常用的活性污泥法工艺介绍
城镇集中式污水处理厂的污水处理工艺种类繁多，并各有各自优缺点和适用性。在做工程设计时，通常会甄选列出几种较为合适的污水处理工艺方案进行比选，再最后确定该项目的污水处理工艺。
城镇污水处理厂的污水生物处理方法主要有活性污泥法和生物膜法二种，本节主要介绍更为常见的活性污泥法工艺。较为常见的活性污泥法工艺有以下几大类：
1、传统的活性污泥法
2、氧化沟工艺
3、A/O工艺
4、A2/O工艺
5、SBR工艺
6、AB法工艺
1、传统的活性污泥工艺：传统活性污泥工艺是最早采用的活性污泥法工艺，主要是由曝气池、曝气系统、二次沉淀、污泥回流系统和污泥处理系统组成。
传统的活性污泥工艺运行关键在于要使曝气池保持高的反应速率，让曝气池中的活性污泥处于良好的状态，同时要使曝气池内保持足够高的活性污泥微生物浓度，为此，沉淀后的活性污泥又回流到曝气池前端，使之与进入曝气池的污水混合后充分接触，以重复吸附、氧化分解污水中的有机污染物。
传统活性污泥工艺由于存在不善于适应水质的变化，所供的氧不能充分利用、不具备生物除磷脱氮功能等缺点，因此，纯粹的传统活性污泥工艺已经很少采用。
在不断改进传统活性污泥工艺过程中，出现了工艺上的一些变形或组合，如氧化沟工艺、A2/O工艺，A/O工艺等，这些工艺改进了传统活性污泥工艺不能有效去除污水中的氮和磷等缺点，在实际污水处理工程中得到了广泛的应用。
2、氧化沟工艺：
氧化沟属于活性污泥处理工艺的一种变形工艺。它把传统工艺中的曝气池从原来矩形池或圆形池改成了封闭的环状沟。混合液在氧化沟曝气器的推动下做水平流动（平均流速＞0.3m／s），通常在沟内要循环几十圈，才能流出沟外，因而沟内各点的污染物浓度基本一样，使得氧化沟工艺具有很强的抗冲击负荷能力。
氧化沟工艺的曝气设备
氧化沟的曝气形式主要以表面曝气为主。常用的曝气装置有转刷、转蝶、表面曝气器、射流曝气装置和微孔曝气等，不同的曝气装置产生了不同的氧化沟形式，如采用表曝机的卡鲁塞尔氧化沟，采用转刷的DE氧化沟、采用转蝶
的奥贝尔氧化沟、采用射流曝气的JAC氧化沟等等。
与其他活性污泥法不同的是：氧化沟的曝气装置只在沟渠的某一处或几处安装，数目按处理厂规模、原污水水质及氧化沟构造决定。曝气装置的作用除给混合液供应足够的氧外，还要保证沟渠内不小于0.3m／s的水流速度，以维持活性污泥的悬浮状态。
氧化沟的工艺技术特点：
1）处理流程简捷：可不设初沉池；污泥平均停留时间较长，比一般活性污泥法产泥量较少。
2）氧化沟工艺结合了推流和完全混合两种流态，混合液在沟内做无终端循环，沟内混合液的水质较为均匀一致。
3）氧化沟混合液一但推动便在沟内循环流动，一定的流速可以防止悬浮物沉淀，因此氧化沟的整体体积功率密度较低，单位处理能耗较少。
4）有机负荷低，污泥龄长，对水温、水质和水量的变化有较强的适应性，处理效果好。
3、A/O工艺（厌氧-好氧生物除磷工艺）
该工艺具有同时去除有机物和磷的功能。具体做法是在常规的好氧活性污泥法处理系统前，增加一段厌氧生物处理过程，经过预处理的污水与回流污泥（含磷污泥）一起进入厌氧池，并借助水下推进式搅拌器的作用使其混合。
回流污泥中聚磷菌在厌氧池可吸收一部分有机物，同时释放出大量的磷。然后混合液进入好氧池，污水中的有机物在其中得到氧化分解，同时聚磷菌将污水中的磷超量吸收至体内，部分富磷污泥以剩余污泥的形式排出，实现磷的去除。
该工艺除磷流程简单，建设费用及运行费用都较低。且这种工艺厌氧段在好氧段之前，仅可以抑制丝状菌的生长，防止污泥膨胀，而且有利于聚磷菌的增殖。
4、A2/O工艺（厌氧/缺氧/好氧脱氮除磷工艺）
厌氧/缺氧/好氧（简称A2/O）生物脱氮除磷工艺是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺的综合，由厌氧池、缺氧池、好氧池串联而成。在该工艺流程内，BOD5、SS等有机污染物和以各种形式存在的氮和磷将一并被去除。
A2/O生物脱氮除磷系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌组成。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及由有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入大气中，从而达到脱氮的目的。在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷去除。
A2/O工艺技术特点：
A2/O工艺综合了有机物去除、脱氮、除磷三种功能，因而其工艺参数应同时满足各种功能的要求。如能有效地脱氮或除磷，一般也能同时高效地去除BOD5。但除磷和脱氮往往是相互矛盾的，具体体现在某些参数上，使这些参数只能局限在某一狭窄的范围内。这是A2/O系统工艺系统控制较复杂的主要原因。
5、SBR工艺（序批式活性污泥法工艺）
SBR活性污泥法又称序批式活性污泥法、间歇式活性污泥法，其污水处理机理与普通活性污泥法完全相同，仅运行操作不一样。随着自控技术的进步，特别是一些在线仪器仪表，如溶解氧仪、pH计、电导率、氧化还原电位
（ORP）仪等的使用，从20世纪70年代开始SBR工艺逐步得到应用。
SBR工艺流程中除了污水储存池和SBR池以外，其他构筑物与其它的污水处理方法没有多少区别。SBR工艺通常是由几座SBR单池构成一个完整的系统，污水引入具有曝气功能的SBR反应池，按时间顺序进行进水、反应（曝气）、沉淀、出水、闲置等五个基本操作过程，在这个操作周期内，一切过程都在一个设有曝气或搅拌装置的反应池内依次进行，这种操作周而复始。
SBR工艺的技术特性
1）工艺流程简洁，造价低，占地面积小。SBR池兼有了许多工艺功能，如曝气、反硝化、沉淀等，可以省去一些构筑物和相关的设备，土建的造价也相对较低。
2）处理效果好。SBR工艺是非连续的操作过程，整个的反应过程保持着最大的生化反应推动力，从而保证了比较好的处理效果。
3）控制灵活，易于实现脱氮除磷。工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。
4）良好的适应性。SBR对进水水质水量的波动具有较好的适应性。
5）自动化控制系统复杂程度较高。由于SBR运行时需对几个反应池进行连动控制，需要有较高的自动化控制系统进行运行控制。
SBR工艺的发展
SBR工艺由于在时间和空间上的特点，形成了运行操作上的灵活性，在污水处理中得到了广泛的应用。但传统或典型的SBR工艺形式在工程上存在一定的局限性，如进水流量大，则需调节反应系统，而对水质若有特殊要求，如脱氮除磷效果不够稳定等，因此，又出现了各种SBR工艺的变型，常见的有：
1）CAST工艺；
2）ICEAS工艺；
3）CASS工艺；
4）UNITANK工艺等等。
6、AB法工艺（吸附－生物降解工艺）
AB法是吸附-生物降解工艺的简称。AB工艺不设初沉池，采用合理的两段处理工艺流程，根据微生物生长和繁殖的规律，以及对有机物的代谢关系，使A段和B段分别在两种相差较为悬殊的负荷条件下运行。
AB法的A段以吸附作用为主，可以根据进水水质情况，采用好氧或缺氧的运行方式；B段以生物降解作用为主，可以采用活性污泥法（如氧化沟、SBR、A/O、A2/O等工艺）、生物膜法等多种处理工艺。
AB法的工艺技术特性
?该系统不设初沉池。A、B两级各自有独立的污泥回流系统，两级的污泥互不相混。
?处理效果稳定，具有抗冲击负荷和pH变化的能力。该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。
AB法适于处理城镇污水。而对于工业废水或某些工业废水比例较高的城镇污水，由于其中适应污水环境的微生物浓度很低，A段作用只相当于初沉池。另外，未进行有效预处理或水质变化较大的污水也不适宜使用AB法处理，因为在这样的污水管网系统中，微生物不宜生长繁殖，导致A段的处理效果因外源微生物的数量较少而受到严重影响。
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