§3.1 污水生物处理基本原理

新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进行物质转化和交换的过程。

分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量。

合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转化为复杂的细胞成分，机体制造自身。

底物降解：污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质。

可生物降解有机物量：可通过生物的降解转化的量。

可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。

能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate)AMP+~P→ADP+ ~P →ATP，ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。

微生物的呼吸:一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命。

呼吸作用的生物现象：呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他生命活动，多余的能量以热量形式释放。通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。

一、微生物的呼吸类型

微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能，根据受氢体的不同分为：

好氧呼吸：根据氧化的底物、氧化产物的不同分为异养型微生物和自养型微生物。

厌氧呼吸：按反应过程中的最终受氢体的不同分为发酵和无氧呼吸。

1、好氧呼吸

（1）异养型微生物

异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终点产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。

异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原CO₂，合成有机物的一类厌氧微生物。

有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。

（2）自养型微生物

自养型微生物以无机物为底物（电子供体），其终点产物也是无机物，同时放出能量。

光能自养微生物:需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合作用色素合成有机物。化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH₃、H₂S等无机物。

大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应，生物脱氮工艺中的生物硝化过程.

2、厌氧呼吸

厌氧呼吸是在无分子氧（O₂）的情况下进行的生物氧化。

厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。

厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。

如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量的可燃气体。

厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。

（1）发酵

指供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。

这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。

（2）无氧呼吸

是指以无机氧化物，如NO₃^-，NO₂^-，SO₄^2-，S₂O₃²-，CO₂等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。

二、废水的好氧生物处理

好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。

好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD₅浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。

在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。

三、废水的厌氧生物处理

废水的厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能量。

在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH₄，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO₂、H₂O、NH₃、H₂S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。

由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少、可回收能量（CH₄）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD₅≥2000mg/L）可采用厌氧生物处理法。

§3.2微生物的生长规律和生长环境

一、微生物的生长规律

微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。

按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期：

（1）停滞期（调整期）：如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中（营养类型发生变化，污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因故中断运行后再运行，则可能出现停滞期。这种情况下，污泥需经过若干时间的停滞后才能适应新的废水，或从衰老状态恢复到正常状态。停滞期是否存在或停滞期的长短，与接种活性污泥的数量、废水性质、生长条件等因素有关。

（2）对数期（生长旺盛期）：当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，则活性污泥可能处在对数生长期。处于对数生长期的污泥絮凝性较差，呈分散状态，镜检能看到较多的游离细菌，混合液沉淀后其上层液混浊，含有机物浓度较高，活性强沉淀不易，用滤纸过滤时，滤速很慢。

（3）静止期（平衡期）：当污水中有机物浓度较低，污泥浓度较高时，污泥则有可能处于静止期，处于静止期的活性污泥絮凝性好，混合液沉淀后上层液清澈，以滤纸过滤时滤速快。处理效果好的活性污泥法构筑物中，污泥处于静止期。

（4）衰老期（衰亡期）：当污水中有机物浓度较低，营养物明显不足时，则可能出现衰老期。处于衰老期的污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花，以滤纸过滤时，滤速快。 注意合成产率系数和观测产率系数。

在废水生物处理中，微生物是一个混合群体，它们也有一定的生长规律。有机物多时,以有机物为食料的细菌占优势,数量最多；当细菌很多时，出现以细菌为食料的原生动物；而后出现以细菌及原生动物为食料的后生动物。

在污水生物处理过程中，如果条件适宜，活性污泥的增长过程与纯种单细胞微生物的增殖过程大体相仿。但由于活性污泥是多种微生物的混合群体, 其生长受废水性质、浓度、水温、pH、溶解氧等多种环境因素的影响，因此，在处理构筑物中通常仅出现生长曲线中的某一两个阶段。处于不同阶段时的污泥，其特性又很大的区别。

二、微生物的生长环境

影响微生物生长的环境因素：

1、微生物的营养：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、碳素营养源、氮素营养源、无机盐及生长因素。

2、温度：各类微生物所生长的温度范围不同，约为5℃ ～80℃ 。此温度范围，可分为最低生长温度、最高生长温度和最适生长温度（是指微生物生长速度最快时温度）。依微生物适应的温度范围，微生物可以分为中温性（20～45℃ ） 、好热性（高温性）（45℃以上）和好冷性（低温性）（20℃以下）三类。当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活，严重者可使微生物死亡。低温会使微生物代谢活力降低，进而处于生长繁殖停止状态，但仍保存其生命力。

3、pH：不同的微生物有不同的pH适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH适应范围是在4～10之间。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适pH范围。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。

4、溶解氧：溶解氧是影响生物处理效果的重要因素。好氧微生物处理的溶解氧一般以2～4mg/L为宜。