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废水生物处理的目的和重要性

1.废水生物处理的目的

废水生物处理的主要目的有以下3点：

①絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；

②稳定和去除废水中的有机物；

③去除营养元素氮和磷。

2.废水生物处理的重要性

①城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济；

②废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法；

③目前世界上已建成的城市污水处理厂有90%以上是生物处理法；

④大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。

微生物在废水生物处理中的作用

微生物在废水生物处理中主要有三个作用：

①去除溶解性有机物（以COD或BOD5表示）（将其转化成CO2和H2O），去除其它溶解性无机营养元素如N（最终转化为N2气）、P（转化为富含磷的剩余污泥从水中分离出来）等；

②絮凝沉淀和降解胶体状固体物（某些难降解颗粒或胶体状有机物，可以通过微生物产生的胞外多聚物等具有絮凝效果的物质发生沉淀，与剩余污泥一同被排出系统；或通过吸附较长期地滞留在系统内而被缓慢降解）；

③稳定有机物（某些有毒有害难降解有机物可以被微生物初步分解或部分降解，而减轻毒性作用或得到部分稳定，或最终被完全转化为无机物而得到稳定）。

微生物代谢过程简介

1、废水生物处理过程中微生物代谢过程示意图

2、微生物代谢的基本要素

①能源：化学能，或光能——化能营养型、光能营养型；

②碳源：有机碳，或无机碳——异养型、自养型；

③无机营养元素——又分为宏量元素，如：N、P、S、K、Ca、Mg等，在处理工业废水时，N、P元素与所需要去除的有机污染物之间的营养平衡问题有时会很关键，必要时就需要在进行中投加一定量的N、P；以及微量元素，如Fe、Co、Ni、Mo等，微量元素对于某些特殊的细菌如产甲烷细菌等的生长十分重要，因此在设计和运行厌氧生物反应器时，应给予足够的重视，否则会出现所谓的“微量元素缺乏症”；

④特殊有机营养物（也称生长因子，如维生素、生物素等）：对于某些特殊细菌，某些特殊的维生素对其生长的影响会很大，因此，在必要时应考虑补充。

3、废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有：

①化能异养型代谢：在废水生物处理中最主要的代谢形式，主要用于对废水中有机物的去除，包括主要的好氧细菌和厌氧细菌；

②化能自养型代谢：也是废水生物处理中常见的一种代谢形式，主要包括硝化细菌（将氨氮氧化为亚硝酸盐，或进一步氧化为硝酸盐）、氢细菌（对其的应用还处在研究阶段）、铁细菌等；

③光合异养型代谢：利用光合细菌以高浓度有机废水为基质生产菌体蛋白；

④光合自养型代谢：在废水生物处理中少有应用。

废水生物处理中的微生物

1、细菌：

主要包括真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria)；是废水生物处理工程中最主要的微生物；

根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；

根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌——光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌——化能自养菌、化能异养菌；

根据生长温度的不同：低温菌（10ºC~15ºC)、中温菌(15ºC~45ºC)和高温菌(>45ºC)。

2、真菌：

真菌的三个主要特点：

①能在低温和低pH值的条件生长；

②在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2）；

③能降解纤维素。

真菌在废水处理中的应用：

①处理某些特殊工业废水；

②固体废弃物的堆肥处理

3、原生动物、后生动物：

原生动物主要以细菌为食；其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物。

后生动物以原生动物为食；也可作为指示生物。

关于废水处理中25个为什么？（生化篇）

1、什么叫废水的生化处理？ 

废水的生物化学处理是废水处理系统中最重要的过程之一，简称生化处理。生化处理是利用微生物的生命活动过程将废水中的可溶性的有机物及部分不溶性的有机物有效地去除，使水得到净化。事实上，我们对生化处理并不是很陌生的，天然的水体中存在着一条食物链，即大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃小虫，小虫吃微生物，微生物吃污水，如果没有这条食物链，自然界就要乱套了。在天然的河流中，有着大量的、依靠有机物生活的微生物，它们日日夜夜地将人们排入河流中的有机物（如工业废水、农药化肥、粪便等等有机物质）氧化或还原，最终转化为无机物质，如果没有微生物的存在，我们周围的河流，少则几个月，多则一、二年，就会成为臭河了，只是由于微生物太微小太分散，以致人们的肉眼看不见罢了。而废水的生化处理工程则是在人工条件下对这一过程的强化。人们将无以计数的微生物全部集中在一个池子内，创造一个非常适合微生物繁殖、生长的环境（如温度、pH值、氧气、氮磷等营养物质），使微生物大量增殖，以提高其分解有机物的速度和效率。然后再往池内泵入废水，使废水中的有机物质在微生物的生命活动过程中得到氧化降解，使废水得到净化和处理。与其他处理方法相比，生化法具有能耗低、不加药、处理效果好、处理费用低等特点。 

2、微生物是通过何种方式将废水中的有机污染物分解去除掉的？ 

由于废水中存在碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机物，这些无生命的有机物是微生物的食料，一部分降解、合成为细胞物质（组合代谢产物），另一部分降解氧化为水份，二氧化碳等（分解代谢产物），在此过程中废水中的有机污染物被微生物降解去除。 

3、微生物与哪些因素有关？ 

微生物除了需要营养，还需要合适的环境因素，如温度、pH值、溶解氧、渗透压等才能生存。如果环境条件不正常，会影响微生物的生命活动，甚至发生变异或死亡。

4、微生物最适宜在什么温度范围内生长繁殖？ 

在废水生物处理中，微生物最适宜的温度范围一般为16-30℃，最高温度在37-43℃，当温度低于10℃时，微生物将不再生长。 

在适宜的温度范围内，温度每提高10℃，微生物的代谢速率会相应提高，COD的去除率也会提高10%左右；相反，温度每降低10℃，COD的去除率会降低10%，因此在冬季时，COD的生化去除率会明显低于其它季节。 

5、微生物最适宜的pH条件应在什么范围？ 

微生物的生命活动、物质代谢与pH值有密切关系。大多数微生物对pH的适应范围在4.5-9，而最适宜的pH值的范围在6.5-7.5。当pH低于6.5时，真菌开始与细菌竞争，pH到4.5时，真菌在生化池内将占完全的优势，其结果是严重影响污泥的沉降结果；当pH超过9时，微生物的代谢速度将受到阻碍。 

不同的微生物对pH值的适应范围要求是不一样的。在好氧生物处理中，pH可在6.5-8.5之间变化；厌氧生物处理中，微生物以pH的要求比较严格，pH应在6.7-7.4之间。 

6、什么叫溶解氧？溶解氧与微生物的关系如何？ 

溶解在水体中的氧被称溶解氧。水体中的生物与好氧微生物，它们所赖以生存的氧气就是溶解氧。不同的微生物对溶解氧的要求是不一样的。好氧微生物需要供给充足的溶解氧，一般来说，溶解氧应维持在3mg/L为宜，最低不应低于2mg/L；兼氧微生物要求溶解氧的范围在0.2-2.0mg/L之间；而厌氧微生物要求溶解氧的范围在0.2mg/L以下。 

7、为什么高浓度的含盐废水对微生物的影响特别大？ 

我们先来描述一个渗透压的实验：用一张半渗透薄膜将两种不同浓度的盐溶液隔开，低浓度盐溶液的水分子就会透过半渗透薄膜进入高浓度盐溶液，而高浓度盐溶液的水分子也会透过半渗透薄膜进入低浓度盐溶液，但其数量要少，故高浓度盐溶液一侧的液面会升高，当两侧液面的高差产生了足够阻止水再流动的压力时渗透就会停止，这时两侧液面的高差产生的压力就是渗透压。一般来说，盐分浓度越高，渗透压越大。 

微生物在盐水溶液中的情况与渗透压的实验是相似的。微生物的单位结构是细胞，细胞壁相当于半渗透膜，在氯离子浓度小于等于2000mg/L时，细胞壁可承受的渗透压为0.5-1.0大气压，即使加上细胞壁和细胞质膜有一定的坚韧性和弹性，细胞壁可承受的渗透压也不会大于5-6大气压。但当水溶液中的氯离子浓度在5000mg/L以上时，渗透压大约将增大至10-30大气压，在这样大的渗透压下，微生物体内的水分子会大量渗透到体外溶液中，造成细胞失水而发生质壁分离，严重者微生物死亡。在日常生活中，人们用食盐（氯化钠）腌渍蔬菜和鱼肉，灭菌防腐保存食物，就是运用了这个道理。工程经验数据表明：当废水中的氯离子浓度大于2000mg/L时，微生物的活性将受到抑止，COD去除率会明显下降；当废水中的氯离子浓度大于8000mg/L时，会造成污泥体积膨胀，水面泛出大量泡沫，微生物会相继死亡。 

不过，经过长期驯化，微生物会逐渐适应在高浓度的盐水中生长繁殖。目前已经有人驯化出能够适应10000mg/L以上氯离子或硫酸根浓度的微生物。但是，渗透压的原理告诉我们，已经适应在高浓度的盐水中生长繁殖的微生物，细胞液的含盐浓度是很高的，一旦当废水中的盐分浓度较低或很低时，废水中的水分子会大量渗入微生物体内，使微生物细胞发生膨胀，严重者破裂死亡。因此，经过长期驯化并能逐渐适应在高浓度的盐水中生长繁殖的微生物，对生化进水中的盐分浓度要求始终保持在相当高的水平，不能忽高忽低，否则微生物将会大量死亡。 

8、什么叫好氧生化处理？什么叫兼氧生化处理？二者有何区别？ 

生化处理根据微生物生长对氧环境的要求的不同，可分为好氧生化处理与缺氧生化处理两大类，缺氧生化处理又可分为兼氧生化处理和厌氧生化处理。在好氧生化处理过程中，好氧微生物必须在大量氧的存在下生长繁殖，并降低废水中的有机物质；而兼氧生化处理过程中，兼氧微生物只需要少量氧即可生长繁殖并对废水中的有机物质进行降解处理，如果水中氧太多，兼氧微生物反而生长不好从而影响它对有机物质的处理效率。 

兼氧微生物可适应COD浓度较高的废水，进水COD浓度可提高到2000mg/L以上，COD去除率一般在50-80%；而好氧微生物只能适应于COD浓度较低的废水，进水COD浓度一般控制在1000-1500mg/L以下，COD去除率一般在50-80%，兼氧生化处理和好氧生化处理的时间都不太长，一般都在12-24小时。人们利用兼氧生化和好氧生化之间的差别和相同之长，将兼氧生化处理和好氧生化处理组合起来，让COD浓度较高的废水先进行兼氧生化处理，再让兼氧池的处理出水作为好氧池的进水，这样的组合处理可以减少生化池的容积，既节省了环保投资又减少了日常的运行费用。 

厌氧生化处理与兼氧生化处理的原理和作用是一样的。厌氧生化处理与兼氧生化处理的不同之处是：厌氧微生物繁殖生长及其对有机物质降解处理的过程中不需要任何氧，而且厌氧微生物可适应更高COD浓度的废水（4000-10000mg/L）。厌氧生化处理的缺点是生化处理时间很长，废水在厌氧生化池内的停留时间一般需要40小时以上。 

9、生物处理在废水处理工程上有哪些应用？ 

生物处理在废水处理工程上应用得最广泛最实用的技术有二大类：一类叫做活性污泥法，另一类叫做生物膜法。

活性污泥法是以悬浮状生物群体的生化代谢作用进行好氧的废水处理形式。微生物在生长繁殖过程中可以形成表面积较大的菌胶团，它可以大量絮凝和吸附废水的悬浮的胶体状或溶解的污染物，并将这些物质吸收入细胞体内，在氧的参与下，将这些物质完全氧化放出能量、CO2和H2O。活性污泥法的污泥浓度一般在4g/L。

而在生物膜法中，微生物附着在填料的表面，形成胶质相连的生物膜。生物膜一般呈蓬松的絮状结构，微孔较多，表面积很大，具有很强的吸附作用，有利于微生物进一步对这些被吸附的有机物分解和利用。在处理过程中，水的流动和空气的搅动使生物膜表面和水不断接触，废水中的有机污染物和溶解氧为生物膜所吸附，生物膜上的微生物不断分解这些有机物质，在氧化分解有机物质的同时，生物膜本身也不断新陈代谢，衰老的生物膜脱落下来被处理出水从生物处理设施中带出并在沉淀池中与水分离。生物膜法的污泥浓度一般在6-8g/L。

为了提高污泥浓度，进而提高处理效率，可以将活性污泥法与生物膜法结合起来，即在活性污泥池中添加填料，这种既有挂膜的微生物又有悬浮微生物的生物反应器称为复合式生物反应器，它具有很高的污泥浓度，一般在14g/L左右。 

10、生物膜法和活性污泥法有哪些异同之处？ 

生物膜法和活性污泥法是以生化处理的不同反应器形式，从外观上看主要区别在于前者的微生物不需要填料载体，生物污泥是悬浮的，而后者的微生物是固定在填料上的，然而它们处理废水、净化水质的机理是一样的。另外，二者的生物污泥都是好氧活性污泥，而且污泥的组成也具有一定的相似性。此外，生物膜法中的微生物，由于是固定在填料上的，可以形成比较稳定的生态系统，其生活能量和消耗能量不象活性污泥法中的微生物那样大，因此生物膜法的剩余污泥比活性污泥法要少。上海信谊百路达药业有限公司的接触氧化池采用生物膜法，而SBR生化池采用活性污泥法。 

11、什么叫活性污泥? 

从微生物角度来看，生化池中的污泥是由各种各样有生物活性的微生物组成的一个生物群体。如果把污泥的泥粒放在显微镜下观察，可以看到里面有多种微生物---细菌、霉菌、原生动物和后生动物（如轮虫、昆虫的幼虫和蠕虫等），它们构成一条食物链，细菌和霉菌能分解复杂的有机化合物，获得自身活动必需的能量并构造自身。原生动物以细菌和霉菌为食，又被后生动物所消耗，后生动物也可以直接依靠细菌生活。这种充满微生物、具有降解有机物能力的絮状泥粒就叫做活性污泥。 

活性污泥除了由微生物组成之外，还含有一些无机物质和吸附在活性污泥上不能再被生物降解的有机物（即微生物的代谢残余物）。活性污泥的含水率一般在98-99%。

活性污泥象矾花一样，具有很大的表面积，因此具有很强的吸附力和氧化分解有机物的能力。 

12、怎样评价活性污泥法与生物膜法中的活性污泥？ 

活性污泥法与生物膜法的活性污泥生长情况的判别和评价是不一样的。 

在生物膜法中，活性污泥生长情况的评价主要采用显微镜直接观察生物相。

在活性污泥法中，评价活性污泥生长情况的评价除了直接用显微镜观察生物相外，常用的评价指标还有：混合液悬浮固体（MLSS），混合液挥发性悬浮固体（MLVSS），污泥沉降比（SV），污泥沉降指数（SVI）等。 

13、在用显微镜进行生物相观察时，那一类微生物直接表明生化处理效果良好？ 

微型后生动物（如轮虫、线虫等）的出现则表明微生物群落生长良好，活性污泥的生态系统比较稳定，这时候的生化处理效果最佳，这就好比能经常捕获到大鱼的河流里，小鱼小虾生长良好的情况一样。 

14、什么叫混合液悬浮固体（MLSS）？ 

混合液悬浮固体（MLSS）亦要称为污泥浓度，它是指单位体积生化池混合液所含干污泥的重量，单位为毫克/升，用来表征活性污泥浓度。它包括有机物和无机物两部分。一般来说SBR生化池内MLSS值控制在2000-4000mg/L左右为宜。

15、什么叫混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）？ 

混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）是指单位体积生化池混合液所含干污泥中可挥发性物质的重量，单位也是毫克/升，由于它不包括活性污泥中的无机物，因此能较确切地代表活性污泥中微生物的数量。 

16、污泥沉降比（SV）？ 

污泥沉降比（SV）是指曝气池内混合液在100毫升量筒中，静止沉淀30分钟后，沉淀污泥与混合液之体积比（%），因此有时也用SV30来表示。一般来说生化池内的SV在20-40%之间。污泥沉降比测定比较简单，是评定活性污泥的重要指标之一，它常被用于控制剩余污泥的排放和及时反时污泥膨胀等异常现象。显然，SV与污泥浓度也有关系。 

17、污泥指数（SVI）？ 

污泥指数（SVI）全称污泥容积指数，1克干污泥在湿态时所占体积的毫升数，其计算公式如下为： 

       SVI＝SV*10/MLSS　　 

       SVI剔除了污泥浓度因素的影响，更能反映活性污泥凝聚性和沉降性，一般认为： 

        当60＜SVI＜100时， 污泥沉降性能好 

        当100＜SVI＜200时， 污泥沉降性能一般 

        当200＜SVI＜300时， 污泥由膨胀的趋势 

        当SVI＞300时， 污泥已膨胀 

18、溶解氧（DO）表示什么? 

溶解氧（DO）表示水中氧的溶解量，单位用mg/L表示。不同的生化处理方式对溶解氧的要求也不同，在兼氧生化过程中，水中的溶解氧一般在0.2-2.0mg/L之间，而在SBR好氧生化过程中，水中的溶解氧一般在2.0-8.0mg/L之间。因此，兼氧池操作时曝气量要小，曝气时间要短；而在SBR好氧池操作时，曝气量和曝气时间要大得多和长得多，而我们用的是接触氧化，溶解氧控制在2.0-4.0mg/L。 

19、废水中溶解氧的含量与哪些因素有关？ 

水中溶解氧的浓度可以用Henry定律来表示：当达到溶解平衡时： 

        C=KH*P 

        其中：C为溶解平衡时水中氧的溶解度； 

        P为气相中氧的分压； 

        KH为Henry系数，与温度有关；增加曝气努力使氧的溶解接近平衡，而同时活性污泥还会消耗水中的氧。因此废水中实际溶解氧量与水温、有效水深（影响压力）、曝气量、污泥浓度、盐度等因素有关。 

20、生化过程中微生物所需的氧气由谁提供？ 

生化过程中微生物所需的氧气主要由罗茨风机提供。

21、在生化过程中为什么需要经常补充废水中的营养物？

利用生化过程去除污染物的方法，主要是利用微生物的新陈代谢过程，而微生物的细胞合成等生命过程均需要有足够量和种类营养物质（包括微量元素）。对于化工类废水来说，由于生产产品的单一性，因此废水水质的组成的成分也较为单一，缺乏微生物必要的营养物质。比如讲，***公司的生产废水中只有碳和氮而没有磷，这种废水无法满足微生物新陈代谢需要，因此必须添加废水中磷完善微生物新陈代谢的过程，促进微生物细胞的合成。这就像人在吃米饭、面粉的同时，还要摄入足够量的维生素一样。 

22、废水中微生物所需的各营养元素之间的比例为多少？

微生物像动物植物一样也需要必要的营养物质才能够生长繁殖，微生物所需要的营养物质主要是指碳（C）、氮（N）、和磷（P），废水中主要营养元素的组成比例有一定的要求，对于好氧生化一般为C:N:P＝100:5:1（重量比）。

23、为什么会有剩余污泥产生？ 

在生化处理过程中，活性污泥中的微生物不断地消耗着废水中的有机物质。被消耗的有机物质中，一部分有机物质被氧化以提供微生物生命活动所需的能量，另一部分有机物质则被微生物利用以合成新的细胞质，从而使微生物繁衍生殖，微生物在新陈代谢的同时，又有一部分老的微生物死亡，故产生了剩余污泥。

24、怎样估算剩余污泥的产生量？ 

在微生物的新陈代谢过程中，部分有机物质（BOD）被微生物利用合成了新的细胞质以替代死亡了的微生物。因此，剩余污泥的产生量配被分解了的BOD数量有关，两者之间是有关联的。

工程设计时，一般都考虑每处理一公斤BOD5，产生0.6-0.8公斤的剩余污泥（100%），折算成含水率为80%的干污泥则为3-4公斤。 

25、什么叫生物炭法（PACT法）？ 

有些难以生物降解的制药废水，其生化处理出水中的COD要达到国家一级排放标准（100mg/L）以下是比较困难的，因此生化处理出水应再采用颗粒活性炭吸附处理技术以保证出水达标是不可缺少的。但是，颗粒活性炭吸附处理法有一个致命的弱点即处理成本太高，其根本原因是颗粒活性炭吸附处理COD的动态吸附容量在10%左右（重量百分比），即一吨活性炭只能吸附处理废水中的COD在100公斤左右。由于颗粒活性炭再生困难，处理成本高，因此颗粒活性炭处理技术的应用推广在国内还并不普遍。那么是不是可以开发一种新的技术，这种技术可以大幅度地提高活性炭的动态吸附容量，有效地降低废水的处理成本呢？ 

在生化进水中（或在曝气池内）投加粉末活性炭与回流的含炭污泥一起在曝气池内混合，从污泥浓缩池中排出的剩余污泥进污泥脱水装置。在曝气池内，活性污泥附着于粉末活性炭的表面，由于粉末活性炭巨大的比表面积及其很强的吸附能力，提高了污泥的吸附能力，特别在活性污泥与粉末活性炭界面之间的溶解氧和降解基质浓度有了很大幅度的提高，从而也提高了COD的降解去除率。一般来说在PACT系统内，活性炭吸附处理COD的动态吸附容量在100-350%（重量百分比），即一公斤粉末活性炭可吸附去除1.0-3.5公斤COD。而且，PACT法能处理生物难以降解的有毒有害的有机污染物质。

根据我们的工程调试经验，直接在SBR好氧生化池内定期（每15-30天）定量投加粉末活性炭可以获得很好的处理效果。其实粉末活性炭和颗粒活性炭的吸附处理机理是一样的，不过在SBR生化池内投加粉末活性炭更具有以下几个优点： 

节约投资成本； 

操作灵活方便； 

活性炭利用率高； 

可避免颗粒活性炭易长生物膜导致堵塞，影响出水速率的缺点： 

在粉末活性炭--活性污泥系统中，活性污泥附着于粉末活性炭的表面，由于粉末活性炭巨大的比表面积及其较强的吸附能力，在活性污泥与粉末活性炭界面间的溶解氧和降解基质浓度有了很大幅度的提高，从而也提高了COD的降解去除率。一般来说，COD的去除（视废水的种类）可以提高10-40%；

由于废水中的有毒有害有机物质被粉末活性炭所吸附，因此废水中有毒有害物质的浓度可以稳定在一个较低的水平，从而保证了生化处理系统的正常运行；对于防止氨氮指标反弹，保证出水氨氮指标达标具有很好的效果。

文章来源：公众号《水处理研究院》