7．1 污水生物处理的基本原理
7．1．1 发酵与呼吸
污水生物处理技术已有100多年的历史，与物理法、化学法相比，生物处理技术具有经济、高效的特点，可实现无害化和资源化。因此，生物处理技术一直是污水处理的主要技术，在城镇污水和工业废水的处理中发挥着巨大的作用。
污水生物处理是通过微生物的新陈代谢作用，对污水进行净化的过程。污水中的污染物主要是有机物，也含有一定量的无机物。有机物通常以悬浮颗粒、胶体颗粒和溶解态的形式存在于废水中。采用单纯的物理法和化学法很难将废水中的这些污染物同时去除，而大部分有机物和部分无机物可以作为微生物的营养源而被微生物所利用，称之为底物或基质。因此，在工程上常采用微生物对这些污染物进行转化。
微生物的新陈代谢由分解代谢和合成代谢两个过程组成。分解代谢也称为异化作用，是指将底物通过酶的催化作用降解成较小的、较简单物质的过程，又称为生物氧化。分解代谢是物质由复杂到简单、由不稳定到稳定并释放能量的过程。合成代谢又称为同化作用，是微生物利用另一部分底物或分解代谢过程中产生的中间产物，合成微生物细胞的过程是生物体将较简单的物质转化为复杂细胞物质的过程，合成代谢所需的能量由分解代谢过程提供。
根据生物氧化过程中最终电子受体（或最终受氢体）的不同，可将生物氧化分成3类，即发酵、好氧呼吸和无氧呼吸。
1．发酵
发酵是厌氧微生物获取能量的主要方式。在发酵过程中，有机物是电子供体，其不完全氧化的某种中间产物是最终电子受体，产物是比原来底物简单的有机物。因此，发酵的特点是：有机物氧化不彻底；释放能量较少；其余能量保留在最终产物中。
2．好氧呼吸（有氧呼吸）
好氧呼吸是指微生物氧化底物时，以分子氧（O2）作为最终电子受体的氧化作用。好氧呼吸的电子供体则与微生物的种类有关。
（1）异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终点产物为CO2、氨和水等无机物，同时放出能量，即
活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等都属于这种类型的呼吸。
（2）自养型微生物以无机物为底物（电子供体），如它在呼吸过程中，可以氧化硫化氢、氨和铁等，其终点产物也是无机物，同时放出能量，即
好氧呼吸过程的特点是：底物氧化彻底；产生的能量较多。
好氧呼吸可分为外源性呼吸和内源性呼吸。微生物利用外界供给的底物进行呼吸，叫外源性呼吸。如果外界没有供给底物，而是利用自身内部储存的能源性物质（如脂肪、多糖、聚β－羟基丁酸等）进行呼吸，则叫内源性呼吸（简称内源呼吸）。
3．无氧呼吸（厌氧呼吸）
凡是以
等无机氧化物代替分子氧作为最终电子受体（受氢体）的生物氧化作用，称为无氧呼吸作用。
无氧呼吸中的基质，通常是有机物，如葡萄糖、乙酸、甲醇等，通过厌氧呼吸作用可被降解成CO2。能进行无氧呼吸的微生物是专性厌氧菌和兼性细菌。与好氧呼吸相比，无氧呼吸产生的能量较少。
7．1．2 污水生物处理技术的分类
生物处理技术可以从3个方面进行分类：①污染物的生化转化；②生化环境中的最终电子受体；③反应器的构型。根据这种分类可以选择合适的生物处理单元。
7．1．2．1 污染物的生化转化
污水中的污染物可以分为4类，即溶解性有机物、不溶性有机物、溶解性无机物和不溶性无机物。
1．溶解性有机物的生物去除
生物处理单元在废水中的主要用途就是去除溶解性有机物。去除时，有机污染物中的大部分碳被氧化成二氧化碳，因此，溶解性有机物的生物去除也称为碳氧化。
当溶解性有机物的浓度比较低时，如可降解COD低于50mg／L时，生物吸附是比较经济的处理方法。而当COD介于50～4000mg／L之间时，采用好氧生物处理特别合适。对于高浓度有机废水，采用厌氧微生物处理比较合适。厌氧微生物也可用于处理COD低至1000mg／L的废水。当可降解COD大于50000mg／L时，采用蒸发和焚烧则可能更为经济。以上浓度均为溶解性有机物浓度。对于悬浮或胶体态有机物，用物理或化学方法更容易去除。但是，对于由溶解性、胶体和悬浮态混合组成的有机废水，通常采用生化法进行去除。
2．不溶性有机物的去除
把污染物转化为不可被微生物降解的，对环境不会造成危害的稳定产物的过程称为稳定化。污水中含有大量的有机胶体粒子，用沉降方法不易去除，但在去除溶解性有机物的工艺中，胶体性有机物也可被微生物捕获并被稳定化。
对于颗粒较大的不溶性有机物，可以先通过沉淀进行浓缩，然后再用生化处理进行稳定。好氧和厌氧方法都可以对其进行稳定化。
3．溶解性无机物的去除
氮和磷是引起水体富营养化的两个主要因素。生活污水中的磷有无机磷和有机磷。无机磷有正磷酸盐、聚磷酸盐（如焦磷酸盐、三聚磷酸盐）等，有机磷有磷脂、糖磷酸盐和核苷等。聚磷酸盐和有机磷可通过微生物的作用转化为正磷酸盐，而正磷酸盐可以通过聚磷菌吸收而去除。生活污水中的氮以氨和有机氮（如氨基酸、蛋白质和核苷）的形态存在。当有机物被降解时，有机氮转化为氨。氨可以被硝化菌通过硝化作用转化为硝酸盐和亚硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐可以被反硝化菌通过反硝化作用转化为氮气而去除。
7．1．2．2 生化环境中的最终电子受体
电子受体是微生物生物氧化过程中最重要的因素之一，主要有3种类型，即氧气、化合态氧（如硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等）和有机化合物。根据生化环境中电子受体的不同，一般将污水生物处理划分为好氧生物处理和厌氧生物处理。
1．好氧生物处理
当溶解氧供应充足而不会成为限制因素时，属好氧环境。在好氧环境中，利用好氧微生物（包括兼性微生物，但主要是好氧细菌）对废水中的有机污染物进行转化处理的方法称为好氧生物处理。这种方法处理的主要对象是溶解态和胶体态的有机物。这种方法要求向废水生化处理反应器中提供足量的氧，以确保好氧微生物对氧的需求。活性污泥法和生物膜法均属好氧生物处理法。
在好氧生物处理过程中存在着以下几种过程。
有机污染物的氧化分解［用（CHONSP）表示有机污染物］，即
新细胞（C5H7NO2P）的合成（以氨为氮源、磷酸盐为磷源），即
内源呼吸（氧化分解），即
好氧生物处理时，有机污染物被微生物吸收后，约有1／3被氧化分解成简单无机物，并释放出微生物生命活动所需的能量。约2／3的有机物作为微生物生长繁殖所需要的构造物质，转化成新的细胞物质，成为生物污泥（即活性污泥和生物膜）的来源。当废水中营养物质缺乏时，微生物会通过内源呼吸作用分解细胞内的物质，获得生命活动所需的最低限度的能量。参与内源呼吸的约80%的细胞物质会被分解为简单无机物，20%会最终转为生物残渣，成为生物污泥的一部分。通过内源呼吸微生物的量会减少。
好氧生物处理由于以氧作为电子受体，反应速率快，处理单位废水所需处理设备较小，处理过程中散发的臭气较少。当供氧速率能够满足生物氧化的耗氧速率时，才能采用好氧生物处理。因此，目前对于中、低浓度的有机污水，或者BOD5＜500mg／L的有机污水，基本上采用好氧生物处理法。
2．厌氧生物处理
厌氧生物处理是在污水中没有游离氧存在的条件下，以有机物和二氧化碳作为主要电子受体，利用厌氧和兼性微生物的生命活动过程，使废水中的有机物转化为较简单的有机物和无机物，同时释放能量。有机物的厌氧降解过程可以综合为3个概念性步骤：第一步，颗粒态的有机物水解成溶解性基质；第二步，溶解性基质发酵产生乙酸、二氧化碳和氢气，在这一步，有机物是电子受体；第三步，乙酸、氢气和部分二氧化碳转化为甲烷，在这一步，二氧化碳是最终电子受体。
在厌氧处理中，有机底物被依次转化为有机酸、醇类等中间产物以及CH4、CO2、H2、H2S和NH3等最终产物，并为细胞合成提供能量，少量有机底物则被转化、合成为新的细胞物质。
厌氧生物处理法降低污水的COD主要依靠将有机污染物转化为CH4并从水中逸出，如果没有CH4产生，COD减少得就非常少，只是与H2的产生和逸出有关。
在厌氧处理过程中，所需的电子受体是生化反应过程的产物，因此，该方法不需另外提供电子受体，更不需外加氧源，故运行费用低，可以回收能量（甲烷）。此外，仅有少量的有机污染物被转化成新的微生物，故该方法相对于好氧处理法污泥生成量少。该方法主要缺点是反应速率和微生物生长速率低，处理单位废水所需设备较大，而要提高反应速率就必须维持较高的反应温度，这将消耗能量。此外，该方法要求绝对厌氧环境，对其他环境条件（pH值、温度等）要求甚严，会释放出H2S和NH3等恶臭物质，卫生条件差。
一般情况下，当处理有机污泥或污水中BOD5＞2000mg／L时，采用厌氧生物处理法。
7．1．2．3 按微生物生长方式分类
根据微生物生长方式的不同，生物处理方法可分为悬浮生长法和附着生长法两类。采用悬浮生长法时，污水中的微生物需要通过搅拌等方法保持悬浮状态，并与相关污染物充分接触以达到一定的处理效率。活性污泥法是典型的悬浮生长生物处理法工艺。生物接触氧化法、生物滤池、生物转盘等都属于附着生长法，一般也称为生物膜法，这种方法中的微生物附着在固体载体上并形成生物膜。在生产实践中，也有人将悬浮生长法与附着生长法结合起来使用。
7．1．3 微生物的生长环境
影响微生物生长繁殖的环境因素较多，主要有营养物质、水温、pH值、溶解氧、有毒物质等。
7．1．3．1 营养条件
在废水的生物处理中，要取得良好的净化效果，就要为微生物提供充足的营养，以保证其发挥正常的新陈代谢功能。各种微生物体内含的元素和需要的营养元素大体一致。细菌的化学组成化学式为C5H7O2N，霉菌化学式为C10H17O6N，原生动物为C7H14O3N。所以在培养微生物时，可按菌体的主要成分比例供给营养。营养物质包括碳源、氮源、无机盐类（如磷、硫、镁、铁、钾、钙）和微量元素等，其中主要的营养物质是碳、氮、磷等。磷是微生物所需矿质元素中最主要的，占细胞全部矿质元素的50%左右。
在废水的好氧生物处理中，微生物群体对碳源、氮源和磷源的需求比例一般为BOD5NP＝10051；厌氧微生物群体对碳氮磷比要求为BOD5NP＝20051。
一般来说，废水中的BOD5最少不应低于100mg／L。但BOD5浓度也不应太高；否则氧化分解时会消耗过多的溶解氧。一旦耗氧速度超过溶氧速度，就会出现厌氧状态，使好氧过程遭到破坏。好氧生物处理中BOD5最大为500～1000mg／L，具体视充氧能力而定。
生活污水所含的营养物质可以满足生物法处理时微生物的营养需求，但有些工业废水含碳量低，有些则缺乏氮或磷，会影响微生物的新陈代谢，从而影响生物处理效果，这时需要另加碳源、氮源或磷源。可作为碳源的有生活污水、甲醇、乙酸钠、米泔水、淀粉浆料等；可作为氮源的有尿素、硫酸铵、硝酸盐、粪水等，无机氮最容易被利用；通过投加磷酸钾、磷酸钠和磷酸氢二钠等可以补充磷源。目前在污水的生物处理中，多采用工业废水与生活污水合并处理，既节约处理成本，又可提高处理效果。
7．1．3．2 水温
水温是影响微生物生理活动的重要因素。温度适宜，能够促进、强化微生物的生理活动。在微生物的酶系统不受变性影响的温度范围内，温度上升会使微生物生理活动旺盛，能够提高生化反应速率。
根据温度对微生物的约束作用，将其分为最适生长温度，即在一定温度范围内，随着温度上升微生物生长加快；最低生长温度，即低于这一温度微生物停止生长，但并不死亡；最高生长温度，即高于这一温度生物停止生长，并最终导致死亡。
好氧生化处理的实际工艺温度一般多在15～30℃，水温为30～35℃时处理效果最好。这就是城市污水在夏季易于进行生物处理，而在冬季净化效果降低的原因。当水温低于10℃或高于40℃时，可通过降低污泥负荷来保持与正常水温同样的净化功能。
根据温度不同，厌氧生化处理一般可分为中温消化（30～35℃）和高温消化（50～55℃）两大类。高温消化比中温消化所需的生化反应时间短，但所需的热量也大，因此从经济角度考虑，一般多采用中温消化。目前，低温厌氧消化（15～20℃）工艺已得到应用，可以大大降低运行费用。采用何种温度，在实际工作中要考虑污水的原有温度及改变温度的经济可行性。
7．1．3．3 pH值
由于水中氢离子浓度直接影响酶的活性，故pH值对微生物的新陈代谢有重要影响。大多数自然环境中pH值为5～9，许多微生物的生长也在此范围内，只有少数种类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。
好氧生物处理中，系统在中性环境中运行最佳，一般pH值在6．5～8．5范围内最好。当曝气池pH＞9．0时，原生动物将由活跃转为呆滞，菌胶团黏性物质解体，活性污泥结构受到破坏，处理效果显著下降。当pH＜6．5时，霉菌生长占优势，易引发污泥膨胀。
活性污泥中细菌经驯化后对酸碱度适应范围可进一步提高，但当pH＞11时，活性污泥会被破坏，处理效果会下降。此外，微生物对pH值的波动十分敏感，即使在其生长范围内，pH值突然改变也会导致细菌活动的明显减弱。在厌氧生物处理系统中，超过适宜的pH值范围往往引起严重后果，低于pH值下限时，会导致产甲烷菌活力丧失而乙酸菌大量繁殖，引起反应器系统的酸化，以致难以恢复到原有状态。
一般来说，污水中大多含有碳酸、碳酸盐类、铵盐及磷酸盐等物质，具有一定缓冲能力，但这种缓冲能力毕竟是有限的，一旦有强酸或强碱工业污水排入城市污水管道后，应对其是否超过缓冲能力并引起pH值变化进行仔细观测，以免影响污水处理厂的正常运行。
7．1．3．4 溶解氧
污水的好氧生物处理中，必须使反应器中有足够的溶解氨，使微生物进行有氧呼吸，如果溶解氧不足，微生物代谢活动受影响，处理效果明显下降。在好氧生物反应器中，溶解氧一般以2～4mg／L为宜。
厌氧细菌有专性厌氧细菌和兼性厌氧细菌。专性厌氧菌除通过发酵、光合作用获得能量外，有的能把硫酸盐等无机氧化物作为最终电子受体而加以利用。在兼性厌氧菌中，有氧存在时是借助呼吸，氧不存在时是借助发酵来获得能量，如反硝化细菌。厌氧细菌对氧很敏感，在有氧存在的条件下，生长会受到抑制，甚至导致死亡。在活性污泥系统中，控制缺氧区溶解氧浓度为0．2～0．5mg／L，厌氧区小于0．2～0．5mg／L。
7．1．3．5 有毒物质
对微生物有抑制和毒害作用的物质主要有：①重金属离子，如镉、铬、铅、汞、铜、银、铁、镍等；②有毒有机物，如酚、醛、苯、氯苯等；③有毒无机物，如氰化物、硫化物、硫酸铜、高锰酸钾、石灰水等。有些物质对微生物的毒害作用主要表现在细胞的正常结构遭到破坏，以及菌体内的酶变性等。重金属易与细胞蛋白质结合使之变性，或与酶的－SH基结合而使酶失去活性。
微生物对有毒物质的承受力有一定的浓度范围。对生物处理来讲，废水中存在的有毒物浓度的允许范围至今没有统一资料。毒物的毒害作用与pH值、水温、溶解氧、有无其他毒物及微生物的数量和微生物是否驯化等因素有关。最好经过试验确定。