摘要： 由于好氧生物處理效率高、使用廣泛，已成為生物處理法的主要方法，通常所說(shuō)的生物法均指此類(lèi)而言。厭氧生物處理法主要用于污泥的消化處理和高濃度有機(jī)廢水的處理。好氧生物處理采用的方法有生物膜法、活性污泥法以及氧化塘法。

關(guān)鍵詞：生物膜，好氧，厭氧，溶解氧，活性污泥，曝氣，沉淀，氧化塘

概述：工業(yè)廢水的種類(lèi)繁多，不同企業(yè)廢水的性質(zhì)與成分差異很大，甚至對(duì)同一類(lèi)企業(yè)，也因原料、生產(chǎn)工藝等條件不同而異，對(duì)于不同的工業(yè)廢水，其處理方法也不同。按照廢水處理的原理，可把各種處理方法歸納為：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法四類(lèi)。生物處理法分為好氧與厭氧兩大類(lèi)。如表1所示：

表1.廢水處理的分類(lèi)情況

1. 生物膜法

生物膜主要是由脂類(lèi)和蛋白質(zhì)分子以非共價(jià)鍵組合裝配而成。生物膜的骨架是磷脂類(lèi)的雙分子層，或稱(chēng)脂雙層(lipid bilayer，圖1)。

脂雙層的表面是磷脂分子的親水端，內(nèi)部是磷脂分子疏水的脂肪酸鏈。脂雙層有屏障作用，使膜兩側(cè)的水溶性物質(zhì)不能自由通過(guò)，這對(duì)細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)和功能的保持是很重要的。脂雙層中還有以不同方式鑲嵌其間的蛋白質(zhì)分子，生物膜的許多重要功能都是由這些蛋白質(zhì)分子來(lái)執(zhí)行的。有的蛋白質(zhì)分子和物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)，有的本身就是酶或重要的電子傳遞體，有的是激素或其他有生物學(xué)活性物質(zhì)的受體。除了脂類(lèi)和蛋白質(zhì)以外，細(xì)胞膜的表面還有糖類(lèi)分子，稱(chēng)為膜糖。膜糖大多和蛋白質(zhì)分子相結(jié)合成為糖蛋白，也可和脂類(lèi)分子結(jié)合而成糖脂。[1]

1.1 根據(jù)生物膜法處理系統(tǒng)中所用的填料的不同，生物膜法(如圖2所示)又可以分為以下幾種類(lèi)型：

圖2.生物膜的構(gòu)造示意圖

1.1.1 滴濾系統(tǒng)（Trickling filter system）

該系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單且相對(duì)便宜的膜式好氧處理裝置。在該處理系統(tǒng)中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的柵欄噴淋裝置將污水均勻分布于多孔處理床（例如由石子等鋪成）上。在多孔處理床上可生長(zhǎng)多種微生物群落和原生動(dòng)物。當(dāng)污水緩慢地流過(guò)處理床時(shí)，微生物就吸收并降解了其中的有機(jī)成分，使得污水得到處理。在這樣的處理系統(tǒng)中，天然形成了食物鏈，微生物利用有機(jī)物生長(zhǎng)繁殖，原生動(dòng)物等以微生物為食，從而維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡中。如果污水中的營(yíng)養(yǎng)（BOD）過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致微生物的過(guò)量生長(zhǎng)繁殖從而引起多孔處理床的堵塞，這樣便會(huì)降低處理效果。

1.1.2 旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化系統(tǒng)（Rotating Biological Contactor，RBC）或生物轉(zhuǎn)盤(pán)

在這樣的處理系統(tǒng)中，一系列圓盤(pán)結(jié)構(gòu)裝置部分浸沒(méi)于污水中，部分在空氣中并不斷地旋轉(zhuǎn)，這樣便保持了良好的通氣效果及與污水的接觸，從而在圓盤(pán)上形成了“生物膜”。這樣的“生物膜”是由各種微生物、原生動(dòng)物等構(gòu)成的微生物群落。在掃描電鏡下，典型的生物轉(zhuǎn)盤(pán)的“生物膜”有兩層結(jié)構(gòu)，外層主要由絲狀菌等好氧微生物組成，內(nèi)層由包括脫硫弧菌在內(nèi)的厭氧微生物構(gòu)成。因此這樣的“生物膜”具有去除BOD及無(wú)機(jī)物（主要是硫酸鹽）的功能。生物轉(zhuǎn)盤(pán)處理系統(tǒng)與滴濾系統(tǒng)相比，具有占地少、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其前期投資較大。這種系統(tǒng)已經(jīng)成功地用于處理城市污水和各種工業(yè)廢水。

1.1.3 流化床反應(yīng)器（Fluidized Bed Reactor，F(xiàn)BR）

由于污水的泵入或曝氣（空氣或氧氣）作用，流化床反應(yīng)器中的載體物質(zhì)（浮石、砂子、塑料等）會(huì)在反應(yīng)器中不斷流動(dòng)，因而得名。在這種系統(tǒng)中，由下向上進(jìn)入的廢水的流速或曝氣的程度被控制在足以使載體流動(dòng)不互相接觸，但又不能破壞“生物膜”結(jié)構(gòu)的程度。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是載體的比表面積被充分利用，但能耗較高，運(yùn)行成本也相對(duì)較高。該系統(tǒng)可用于BOD的去除，也可以用于廢水中硝酸鹽的處理。[2]

1.2 生物膜的特征：

生物膜由于固著在濾料或載體上，因此能在膜上生長(zhǎng)增殖速度慢、世代時(shí)間長(zhǎng)的細(xì)菌和較高級(jí)的微形生物，如絲狀菌，輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)、寡毛蟲(chóng)等。在生物膜上生長(zhǎng)著參與凈化反應(yīng)的微生物種屬多、類(lèi)型全，構(gòu)成的食物鏈長(zhǎng)而復(fù)雜。又因?yàn)樯锬しǘ酁榉侄翁幚恚诿慷味寄茏匀恍纬筛髯元?dú)特的優(yōu)勢(shì)微生物種群。再者，由于生物膜生物相的多樣化和生物膜法處理工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得生物膜法對(duì)水量、水質(zhì)變動(dòng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并能在低溫條件下保持較好的凈化功能。對(duì)濃度低的污水，也能夠取得較好的處理效果，它還具有良好的硝化功能。它與活性污泥法相比，處理工藝產(chǎn)生的污泥量少，約為活性污泥法的3/4，動(dòng)力費(fèi)一般較低，所產(chǎn)生的污泥宜于固液分離。

2. 活性污泥法

活性污泥（Activated sludge）可分為好氧活性污泥和厭氧顆?；钚晕勰?，不論是哪一種，活性污泥都是由各種微生物、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物膠體、懸浮物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的肉眼可見(jiàn)的絨絮狀微生物共生體。這樣的共生體有很強(qiáng)的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，可以達(dá)到處理和凈化污水的目的?；钚晕勰喾ㄊ亲畛Ｒ?jiàn)的污水生物處理方法，污水在經(jīng)過(guò)初步沉淀去除各種大塊顆粒之后送到好氧反應(yīng)池，在池中通過(guò)曝氣或攪拌供給氧氣。在活性污泥法中，經(jīng)處理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下來(lái)返回反應(yīng)池，這樣可以維持很高的微生物密度和活性。當(dāng)污水停留在好氧反應(yīng)池期間，一部分有機(jī)物被處理成無(wú)機(jī)物，即礦化；另一部分轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞物質(zhì)。在活性污泥法中，嚴(yán)重影響處理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差，由于絲狀細(xì)菌和真菌的過(guò)分繁殖將導(dǎo)致活性污泥膨脹[3]。雖然活性污泥的膨脹機(jī)理尚不完全清楚，但通常在碳氮比(C：N)和碳磷比(C：P)的比值較高，水中溶解的氧氣濃度較低的條件下容易產(chǎn)生。為維持良好的處理效果，應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生污泥膨脹，因此在活性污泥法中要嚴(yán)格控制進(jìn)入系統(tǒng)廢水的C：N和C：P的比值，并維持較高的溶解氧水平，這樣才能維持良好運(yùn)行狀態(tài)。產(chǎn)生的活性污泥除一部分回流利用外，其它多余的則需要另外處理。處理的方法是厭氧消化、填埋或干燥。干燥后的處理物可以用作農(nóng)業(yè)肥料。

2.1.1 活性污泥法工藝的原理

圖3.活性污泥法的基本流程[4]

(1) 活性污泥工藝

活性污泥法工藝是一種應(yīng)用最廣泛的廢水好氧生化處理技術(shù)，其主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)等組成。如圖3所示

廢水經(jīng)初次沉淀池后與二次沉淀池底部回流的活性污泥同時(shí)進(jìn)入曝氣池，通過(guò)曝氣，活性污泥呈懸浮狀態(tài)，并與廢水充分接觸。廢水中的懸浮固體和膠狀物質(zhì)被活性污泥吸附，而廢水中的可溶性有機(jī)物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營(yíng)養(yǎng)，代謝轉(zhuǎn)化為生物細(xì)胞，并氧化成為最終產(chǎn)物(主要是CO2)。非溶解性有機(jī)物需先轉(zhuǎn)化成溶解性有機(jī)物，而后才被代謝和利用。廢水由此得到凈化。凈化后廢水與活性污泥在二次沉淀池內(nèi)進(jìn)行分離，上層出水排放；分離濃縮后的污泥一部分返回曝氣池[5]，以保證曝氣池內(nèi)保持一定濃度的活性污泥（具體過(guò)程如圖4所示），其余為剩余污泥，由系統(tǒng)排出。

菌膠團(tuán)的作用：起絮凝作用的細(xì)菌形成的細(xì)菌團(tuán)塊；強(qiáng)生物吸附能力和氧化分解有機(jī)物的能力；為原生動(dòng)物提供良好的生存環(huán)境和附著場(chǎng)所；指示作用，顏色、透明度、數(shù)量、顆粒大小即結(jié)構(gòu)松散程度。[6]

活性污泥絮狀體的作用：有機(jī)物的吸附或黏附及其分解；金屬離子的吸附；防止原生生物對(duì)細(xì)菌的吞食；加強(qiáng)污泥的沉降性，有利于泥水分離。[7]

曝氣的作用：提供氧氣、攪拌。具體過(guò)程如圖4所示

回流污泥：使曝氣池中保持大量菌體以維持較高的反應(yīng)速度，同時(shí)通過(guò)加入靜止期或衰亡期菌體限制絮狀體生成速度，利于絮狀體凝聚和沉淀。

(2) 活性污泥反應(yīng)的影響因素：BOD[9]負(fù)荷率（F/M）也稱(chēng)有機(jī)負(fù)荷率，以NS表示），水溫，pH值，溶解氧，營(yíng)養(yǎng)平衡，有毒物質(zhì)。

圖4.某印染廠廢水耗氧量下降過(guò)程[8]

2.1.2 活性污泥系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式[10] ??? (1) 推流式活性污泥法 ??? (2) 完全混合活性污泥法 ??? (3) 分段曝氣活性污泥法 ??? (4) 吸附-再生活性污泥法 ??? (5) 延時(shí)曝氣活性污泥法 ??? (6) 高負(fù)荷活性污泥法 ??? (7) 淺層曝氣、深水曝氣、深井曝氣活性污泥法 ??? (8) 純氧曝氣活性污泥法 ??? (9) 氧化溝工藝 ??? (10) 序批活性污泥法

2.2 活性污泥脫氮除磷

2.2.1 活性污泥脫氮的原理

(1) 氮在污水中的存在形式和轉(zhuǎn)化

污水中氮主要以氨氮和有機(jī)氮形式存在?；钚晕勰喾摰巧锩摰闹饕问?。生物脫氮主要是靠一些專(zhuān)性細(xì)菌實(shí)現(xiàn)氮形式的轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化成無(wú)害氣體――氮?dú)?，從污水中去除?/p>

(2) 硝化過(guò)程

氨氮轉(zhuǎn)化的第一個(gè)過(guò)程是硝化過(guò)程――硝化菌把氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽的過(guò)程。

硝化過(guò)程分二步：第一步把氨氮轉(zhuǎn)成亞硝酸鹽，氨氮首先由亞硝酸鹽菌轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽；第二步亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。

(3) 反硝化過(guò)程

反硝化過(guò)程是反硝化菌異化硝酸鹽的過(guò)程，由硝化菌產(chǎn)生的硝酸鹽在反硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，從水中逸出，最終從系統(tǒng)中去除掉。氮的最終去除要通過(guò)反硝化過(guò)程完成。

反硝化過(guò)程分為兩步進(jìn)行：第一步由硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽；第二步由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為一氧化氮、氧化二氮和氮?dú)狻11]

2.2.2 活性污泥除磷的原理

未經(jīng)處理的污水中磷的存在形式主要有三種：正磷酸鹽、聚合磷酸鹽和有機(jī)磷，后兩種成分約占進(jìn)水總磷量的70%。

在某些好氧條件下微生物吸收磷會(huì)超過(guò)其正常的需求量，而在缺氧條件下微生物會(huì)把吸收的磷釋放掉。在反應(yīng)器中按順序創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件，利用這些微生物超量吸收磷的特性，可以有效去除污水中的磷。

聚磷菌是去除磷的微生物的一種，這些微生物利用進(jìn)水中的揮發(fā)酸在厭氧條件下釋放所貯存的磷，當(dāng)厭氧區(qū)域后緊接一個(gè)好氧區(qū)域時(shí)，微生物可以吸收超過(guò)正常水平的磷。通過(guò)排泥排除多余的磷而達(dá)到除磷的目的。[11]

2.3 氧化溝工藝

氧化溝是一種改良的活性污泥法，其曝氣池呈封閉的溝渠形，污水和活性污泥混合液在其中循環(huán)流動(dòng)，因此被稱(chēng)為“氧化溝”，又稱(chēng)“環(huán)行曝氣池”。

3.污水處理塘——生物塘

污水處理塘是一些適宜的自然池塘、經(jīng)人工改造的自然池塘，或是人工修建的池塘。這些池塘通過(guò)不同的工作原理和凈化機(jī)理，諸如厭氧、好氧、兼性生物處理、水生生物凈化、水生態(tài)系統(tǒng)凈化、封閉式貯留、調(diào)貯控制排放等，以保證其排水的水量水質(zhì)不超過(guò)受納水體的自?xún)羧萘俊＃ň唧w特征如表2所示）

大多數(shù)的污水處理塘因是利用水塘中的微生物和藻類(lèi)對(duì)污水和有機(jī)廢水進(jìn)行需氧生物處理的方法，所以又稱(chēng)生物塘。這是一種古老的廢水處理方法，特別是作為小城鎮(zhèn)的廢水處理方法已有多年的歷史。[12]

根據(jù)污水處理塘的凈化機(jī)理，大致可分為好氧塘、厭氧塘、兼性塘、曝氣氧化塘、塘田和魚(yú)塘等。

表2. 各種氧化塘的特征[13]

結(jié)語(yǔ)：生物膜法和活性污泥法是兩種相當(dāng)主要的生物治理污水方法，生物膜法和活性污泥法一樣都是利用微生物來(lái)去除廢水中有機(jī)物的方法。但在活性污泥法中，微生物處于懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，所以活性污泥系統(tǒng)又稱(chēng)為懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)。而生物膜中的微生物則附著生長(zhǎng)在某些固體物的表面，于是生物膜處理系統(tǒng)又稱(chēng)為附著生長(zhǎng)系統(tǒng)。生物塘則需要相當(dāng)?shù)臈l件，處理量也相對(duì)大了許多。（具體比較見(jiàn)表3）所以除了處理能力以外，還要同時(shí)考慮凈化裝置的前期投資。

因?yàn)槲⑸镌谖覀兊娜粘Ｉ钪蟹植紡V泛，品種繁多，而且基因容易變異，是一個(gè)很好的能被挖掘的領(lǐng)域。他們自身的一些處理能力已經(jīng)被我們所利用，但是也可以看出，因?yàn)榄h(huán)境的關(guān)系，有時(shí)好氧的操作占了很大一部分，可是有些反應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)厭氧情況下，處理的力度更勝一籌。這點(diǎn)是個(gè)很大的研究空間，如何更好的控制好反應(yīng)過(guò)程，達(dá)到最好的處理程度；通過(guò)厭氧和好氧的轉(zhuǎn)換和反應(yīng)器，處理方法的配合使用，達(dá)到最大的利用率。

表3. 生物方法處理廢水的情況

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭亞拉, 生物膜的具體結(jié)構(gòu), 萬(wàn)方數(shù)據(jù)系統(tǒng)資源網(wǎng), www.wanfangdata.com.cn

[2] 高平平,晁群芳,張學(xué)禮等, TGGE分析焦化廢水處理系統(tǒng)活性污泥細(xì)菌種群動(dòng)態(tài)變化及多樣性[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(10):1963-1969

[3] 廖勁松,莊桂.廢水處理活性污泥法研究進(jìn)展[J].鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào),2000,21(3):81-86

[4] 馬麗華,張道方,黃民生,謝冰,活性污泥微生物分子生態(tài)學(xué)研究與應(yīng)用進(jìn)展,生態(tài)學(xué)報(bào), 2004,12(3):12-14

[5]徐亞同,不同碳源對(duì)生物反硝化的影響[J],環(huán)境科學(xué),1994,15(2):29-32.

[6]錢(qián)易,米祥友,現(xiàn)代廢水處理新技術(shù)[M],中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1993.5

[7]謝冰,姜京順,活性污泥微生物多樣性的分子生態(tài)學(xué)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 22(6):721-725.

[8]劉志娟,曾慶祝, 活性污泥法中爆氣的影響討論, 水產(chǎn)科學(xué)報(bào), 2005, 24: 44-45

[9]石憲奎, 江瀚, 倪文, 厭氧顆粒污泥膨脹床原理特征分析, 環(huán)境工程雜志, 2005,3:19-21

[10]劉剛,李清彪,重金屬生物吸附的基礎(chǔ)和過(guò)程研究[J], 水處理技術(shù),2002,28(1):18-21.

[11]陳閱增, 生物膜—流動(dòng)鑲嵌模型, 生物秀網(wǎng), http://www.bbioo.com/Index.html

[12]彭永臻等,廢水處理氧化塘工藝的在線模糊控制研究(一), 中國(guó)給水排水,1999,15(2),5-9.生物膜的發(fā)現(xiàn)與研究

[13]張彤,方漢平,微生物分子生態(tài)技術(shù)-16srRNA/DNA方法[J].微生物學(xué)通報(bào), 2003, 30(2): 97-101