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廢水生物處理的凈化原理概括起來說，就是通過微生物酶的作用，將廢水中的污染物氧化分解。在好氧條件下污染物最終被分解成CO2和H2O；在厭氧條件下污染物最終形成CH4、CO2、H2S、N2、H2和H2O以及有機(jī)酸和醇等。因此廢水生物處理是基于微生物的營養(yǎng)、代謝和結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的一種處理方法。

微生物降解污水有機(jī)物的過程對(duì)于理解廢水生物處理，首先要明白廢水中要去除的污染物必須是可以作為微生物的某一類或幾類營養(yǎng)物質(zhì)，這樣微生物才能將其攝取體內(nèi)，進(jìn)一步在酶的作用下將這些物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化。在這一過程中要保證微生物是活著的。另外廢水中還要滿足微生物對(duì)所有營養(yǎng)物質(zhì)的需求（碳源、氮源、磷源）。其次，微生物體內(nèi)的酶要能正常發(fā)揮作用，對(duì)攝入物質(zhì)才能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)化-分解和合成。一般來說，2／3以上的被攝入的物質(zhì)都會(huì)被分解掉，不到1／3部分會(huì)被變成新的細(xì)胞質(zhì)。另外，廢水中多種微生物生活在一起，既互生互惠也存在競爭、捕食，物質(zhì)還在食物鏈當(dāng)中會(huì)被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。即使微生物自身，還存在內(nèi)源呼吸，可以將細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行消耗性分解。最后一點(diǎn)，廢水生物處理中數(shù)量最多、占凈化主角地位的往往是具有菌膠團(tuán)特殊構(gòu)造的細(xì)菌，它們的菌膠團(tuán)凝聚黏附或附著上其他細(xì)菌、顆粒物和微生物就形成了懸浮在水中較大的絮體（Floc）或者貼附在水中固體物質(zhì)的表面、成為一層薄膜（即生物膜）。一旦廢水?dāng)噭?dòng)停止，這些懸浮水中的微生物群體（絮體）就會(huì)自行沉淀下來與水分離。而生物膜本身就固定在物體表面，水流經(jīng)過就與水分開了。廢水生物處理中參與凈化的微生物的這些特殊形態(tài)結(jié)構(gòu)極大地方便了微生物與水的自行分離，這對(duì)于回收活性微生物用于新的廢水凈化、提高出水水質(zhì)具有極其重要的意義。凈化后出水中攜帶的微生物本身就是一種“污染物”，構(gòu)成出水的總COD、SS、濁度、TN和TP。因此，微生物（俗稱“泥”）與水分離越徹底，出水中所含微生物的數(shù)量就越少，這一點(diǎn)對(duì)于活性污泥處理尤為重要。

廢水生物處理過程可歸納為三個(gè)連續(xù)進(jìn)行的階段，即絮凝吸附作用、氧化作用和沉淀作用。下面以活性污泥法為例說明這三個(gè)作用。

1．絮凝和吸附作用

吸附作用是發(fā)生在微小粒于表面的一種物理化學(xué)的作用過程。微生物個(gè)體很小，并且細(xì)細(xì)菌也具有膠體粒子所具有的許多特性，如細(xì)菌表面一般帶有負(fù)電荷，而廢水中有機(jī)物顆粒常帶正電荷，所以它們之間有很大的吸引作用。其表面附有的黏性物質(zhì)對(duì)廢水中的有機(jī)物顆粒、膠體物質(zhì)有較強(qiáng)吸附能力，對(duì)溶解性有機(jī)物的吸附能力很小。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性污泥絮體與廢水充分混合后，廢水中的有機(jī)物可在短時(shí)間內(nèi)迅速減參成的和膠體的有機(jī)污染物一旦黏附于活性污泥，即可通過固液分離的方法，將這些污染物以質(zhì)水中清除出去。吸附作用是一種物理化學(xué)作用，所以它的總吸附量有一個(gè)極限，達(dá)到此固展后，吸附作用就基本結(jié)束。吸附的速度在初期最大，隨著時(shí)間的推移，吸附速度愈來愈小。

2．氧化作用

氧化作用是發(fā)生在微生物體內(nèi)的一種生物化學(xué)的代謝過程。被活性污泥和生物膜吸附的大分子有機(jī)物質(zhì)，在微生物胞外酶的作用下，水解為可溶性的有機(jī)小分子物質(zhì)，然后透過細(xì)胞膜進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)。這些被吸收到細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)途徑，被氧化為無機(jī)物CO2和H2O等，并釋放出能量；與此同時(shí)，微生物利用氧化過程中產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物和呼吸作用釋放的能量，合成細(xì)胞物質(zhì)。在此過程中微生物不斷繁殖，有機(jī)物也就不斷地被氧化分解。

微生物對(duì)吸附的有機(jī)物氧化分解需要較長的時(shí)間，有的需要幾小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)才能完成。在微生物吸附有機(jī)物的同時(shí)，盡管氧化分解作用以相當(dāng)高的速率進(jìn)行著，但由于吸附時(shí)期較短，氧化分解掉的有機(jī)物僅占總吸附量的一小部分，大部分被吸附的有機(jī)物需要更長的時(shí)間才能全部氧化分解。

3．沉淀作用

廢水中有機(jī)物質(zhì)在活性污泥或生物膜的氧化分解作用下無機(jī)化后，處理后水往往排至自然水體中，這就要求排放前必須經(jīng)過泥水分離。

活性污泥特別是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分離，澄清水排走，污泥沉降至池底。這是廢水生化處理必須經(jīng)過的步驟，也是非常重要的步驟。若活性污泥或脫落的生物膜不能與水分離，則這兩種生物處理技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)。若泥水不經(jīng)分離或分離效果不好，由于活性污泥本身是有機(jī)體，進(jìn)入自然水體后將造成二次污染。