环境监测在线分析技术：污水生物处理方法及工艺

在自然界中，存在着大量以有机物为营养物质而生活的微生物，它们不但能够分解氧化一般的有机物并将其转化为稳定的化合物，而且还能转化某些有毒的有机物质，如酚、醛等。污水生物处理就是利用微生物分解氧化有机物的这一特性和功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长和繁殖的环境，获得大量具有高生物活性的微生物，以提高其分解氧化有机物效率的一种污水处理方法。

污水生物处理方法分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。好氧生物处理需要氧的供应，而厌氧生物处理则需保证无氧的环境。好氧生物处理工艺有活性污泥法和生物膜法。以上两种污水生物处理方法又涵盖了各种具体的工艺形式。

（1）好氧活性污泥法

向容器中的生活污水进行曝气，间隔一定时间后，停止曝气，去除上层污水，保留沉淀物，更换新鲜污水，如此连续操作，持续一段时间后，在污水中就形成一种黄褐色的絮状体。在显微镜下观察，该絮状体含有多种微生物。这种絮状体在曝气时，成悬浮状态，曝气停止后，易于沉淀，从而使污水得到净化、澄清。这种含有多种微生物的絮状体被称为“活性污泥”。以活性污泥为主体的污水生物处理工艺称为活性污泥法。

传统活性污泥法的基本工艺流程由曝气池、二沉池、曝气系统、污泥回流及剩余污泥排放5部分组成（图8.1）。曝气的作用是为微生物新陈代谢提供溶解氧及搅拌污水，使微生物和污染物充分接触，强化生化反应的传质过程。曝气池内的泥水混合液流入二沉池，进行泥水分离，活性污泥絮体沉入池底，泥水分离后的水作为处理出水。二沉池沉降下来的污泥一部分作为回流污泥返回曝气池，以维持曝气池内的微生物浓度相对平衡，另一部分作为剩余污泥排除。

图8.1　传统活性污泥法的基本工艺流程示意图

（2）好氧生物膜法

生物膜法是通过附着在载体或介质表面上的细菌等微生物生长繁殖，形成膜状活性生物污泥——生物膜，利用生物膜降解污水中有机物的生物处理方法。生物膜中的微生物以污水中的有机污染物为营养物质，在新陈代谢过程中将有机物降解，同时微生物自身也得到增殖（图8.2）。

图8.2　生物膜结构和有机物降解的示意图

生物膜刚开始运行时，同活性污泥法相似，也需要饲养微生物。对于城市污水，在20℃条件下，需要15～30 d，微生物在填料上生长、繁殖，形成稳定的生物膜。从图8.2可以看出，生物膜的表面上有很薄的附着水层，相对于外侧流动的水流，附着水层是静止的。由于流动水层比附着水层中的有机物浓度高，有机物的浓度梯度和水流的扰动扩散作用可使有机物、营养物和溶解氧进入附着水层，并进一步扩散到生物膜中，有机物被生物膜吸附、吸收和降解。微生物在分解有机物的过程中自身也进行合成，不断繁殖，使生物膜的厚度增加。传递进入生物膜的溶解氧很快被生物膜表层的好氧微生物所消耗，有机物的分解主要在生物膜的好氧膜中完成。随着时间的延长，滤料上的生物膜不断增厚，处于内层的生物膜所处环境溶解氧较低，出现厌氧的环境，厌氧产物增加，降低了生物膜在滤料上附着力，这种老化的生物膜很容易从附着的载体上脱落。在脱落的生物膜的位置上，随后又长出新的生物膜，生物膜的脱落与更新过程不断循环进行。(www.xing528.com)

由于生物膜法中微生物以附着的状态存在，所以固体停留时间长，这使得世代时间长、比增长速率慢的微生物在生物膜系统中更易于生长。生物膜法工艺的这个特性是区别于活性污泥法的一个重要特征，在市政污水处理中，对于世代时间相对较长的硝化细菌，在生物膜系统中显现出了较好的适用性。

（3）厌氧生物处理法

自1881年人类首次使用厌氧方法处理污水，至今已有100多年的历史。厌氧生物处理是指在无氧条件下，由厌氧和兼性微生物的共同作用，将有机物分解转化为CH4和CO2的过程。厌氧过程可分为3个阶段。

①第一阶段：水解发酵阶段。在水解与发酵细菌作用下，碳水化合物、蛋白质、脂肪被转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、二氧化碳、氢等，该阶段反应较迅速。

②第二阶段：产氢和乙酸阶段。在产氢产乙酸菌和同性乙酸菌的作用下，将第一阶段的产物转化成H2、CO2和CH3COOH。

③第三阶段：产甲烷阶段。CO2和H2在一类产甲烷菌作用下转变为甲烷和水，而乙酸在另一类产甲烷菌的作用下转变为甲烷和二氧化碳。

这3个阶段有机物和产物的相互转换和数量关系如图8.3所示。

图8.3　厌氧分解过程的3个阶段

厌氧生物处理方法相对于好氧生物处理法，具有去除难降解有机污染物、产生甲烷能源气体等优点，同时由于厌氧微生物生长缓慢，且易受环境条件影响，因此厌氧处理系统需要较长的启动时间，且厌氧处理后的出水难于直接达到排放标准，在实际应用中通常采用厌氧和好氧的组合处理工艺。