生物方法处理水体污染

作者：梁黎婷　来源：上海师范大学　评论：　更新日期：2022年11月16日

摘要：由于好氧生物处理效率高、使用广泛，已成为生物处理法的主要方法，通常所说的生物法均指此类而言。厌氧生物处理法主要用于污泥的消化处理和高浓度有机废水的处理。好氧生物处理采用的方法有生物膜法、活性污泥法以及氧化塘法。

关键词：生物膜，好氧，厌氧，溶解氧，活性污泥，曝气，沉淀，氧化塘

概述：工业废水的种类繁多，不同企业废水的性质与成分差异很大，甚至对同一类企业，也因原料、生产工艺等条件不同而异，对于不同的工业废水，其处理方法也不同。按照废水处理的原理，可把各种处理方法归纳为：物理法、化学法、物理化学法、生物法四类。生物处理法分为好氧与厌氧两大类。如表1所示：

表1.废水处理的分类情况

	机理	主要方法
物理法	通过物理作用来分离或回收废水中的悬浮物质	筛滤、沉淀、气浮、过滤、离心分离、蒸发、结晶
化学法	借助化学反应的作用，来回收或去除废水中的溶解性物质或胶体物质	化学沉淀法、混凝法、中和法、氧化还原法
物理化学法	从废水中回收有用成分，分离溶解物质	吸附法、离子交换法、萃取法、汽提法、吹脱法、电渗析法、反渗透法
生物法	利用微生物的作用，使废水中溶解性和胶体性有机污染物降解，转化为简单的物质，将有毒物质转化为无害物质	生物膜法、活性污泥法、生物塘法

1. 生物膜法

生物膜主要是由脂类和蛋白质分子以非共价键组合装配而成。生物膜的骨架是磷脂类的双分子层，或称脂双层(lipid bilayer，图1)。

脂双层的表面是磷脂分子的亲水端，内部是磷脂分子疏水的脂肪酸链。脂双层有屏障作用，使膜两侧的水溶性物质不能自由通过，这对细胞正常结构和功能的保持是很重要的。脂双层中还有以不同方式镶嵌其间的蛋白质分子，生物膜的许多重要功能都是由这些蛋白质分子来执行的。有的蛋白质分子和物质运输有关，有的本身就是酶或重要的电子传递体，有的是激素或其他有生物学活性物质的受体。除了脂类和蛋白质以外，细胞膜的表面还有糖类分子，称为膜糖。膜糖大多和蛋白质分子相结合成为糖蛋白，也可和脂类分子结合而成糖脂。[1]

1.1 根据生物膜法处理系统中所用的填料的不同，生物膜法(如图2所示)又可以分为以下几种类型：

图2.生物膜的构造示意图

1.1.1 滴滤系统（Trickling filter system）

该系统是一种简单且相对便宜的膜式好氧处理装置。在该处理系统中，通过转动的栅栏喷淋装置将污水均匀分布于多孔处理床（例如由石子等铺成）上。在多孔处理床上可生长多种微生物群落和原生动物。当污水缓慢地流过处理床时，微生物就吸收并降解了其中的有机成分，使得污水得到处理。在这样的处理系统中，天然形成了食物链，微生物利用有机物生长繁殖，原生动物等以微生物为食，从而维持在一个动态平衡中。如果污水中的营养（BOD）过高，就会导致微生物的过量生长繁殖从而引起多孔处理床的堵塞，这样便会降低处理效果。

1.1.2 旋转生物接触氧化系统（Rotating Biological Contactor，RBC）或生物转盘

在这样的处理系统中，一系列圆盘结构装置部分浸没于污水中，部分在空气中并不断地旋转，这样便保持了良好的通气效果及与污水的接触，从而在圆盘上形成了“生物膜”。这样的“生物膜”是由各种微生物、原生动物等构成的微生物群落。在扫描电镜下，典型的生物转盘的“生物膜”有两层结构，外层主要由丝状菌等好氧微生物组成，内层由包括脱硫弧菌在内的厌氧微生物构成。因此这样的“生物膜”具有去除BOD及无机物（主要是硫酸盐）的功能。生物转盘处理系统与滴滤系统相比，具有占地少、效率高、运行稳定等优点，但其前期投资较大。这种系统已经成功地用于处理城市污水和各种工业废水。

1.1.3 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor，FBR）

由于污水的泵入或曝气（空气或氧气）作用，流化床反应器中的载体物质（浮石、砂子、塑料等）会在反应器中不断流动，因而得名。在这种系统中，由下向上进入的废水的流速或曝气的程度被控制在足以使载体流动不互相接触，但又不能破坏“生物膜”结构的程度。该系统的最大优点是载体的比表面积被充分利用，但能耗较高，运行成本也相对较高。该系统可用于BOD的去除，也可以用于废水中硝酸盐的处理。[2]

1.2 生物膜的特征：

生物膜由于固着在滤料或载体上，因此能在膜上生长增殖速度慢、世代时间长的细菌和较高级的微形生物，如丝状菌，轮虫、线虫、寡毛虫等。在生物膜上生长着参与净化反应的微生物种属多、类型全，构成的食物链长而复杂。又因为生物膜法多为分段处理，在每段都能自然形成各自独特的优势微生物种群。再者，由于生物膜生物相的多样化和生物膜法处理工艺的结构特点，使得生物膜法对水量、水质变动具有较强的适应性，并能在低温条件下保持较好的净化功能。对浓度低的污水，也能够取得较好的处理效果，它还具有良好的硝化功能。它与活性污泥法相比，处理工艺产生的污泥量少，约为活性污泥法的3/4，动力费一般较低，所产生的污泥宜于固液分离。

2. 活性污泥法

活性污泥（Activated sludge）可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥，不论是哪一种，活性污泥都是由各种微生物、有机物和无机物胶体、悬浮物构成的结构复杂的肉眼可见的绒絮状微生物共生体。这样的共生体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，可以达到处理和净化污水的目的。活性污泥法是最常见的污水生物处理方法，污水在经过初步沉淀去除各种大块颗粒之后送到好氧反应池，在池中通过曝气或搅拌供给氧气。在活性污泥法中，经处理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下来返回反应池，这样可以维持很高的微生物密度和活性。当污水停留在好氧反应池期间，一部分有机物被处理成无机物，即矿化；另一部分转化为微生物细胞物质。在活性污泥法中，严重影响处理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差，由于丝状细菌和真菌的过分繁殖将导致活性污泥膨胀[3]。虽然活性污泥的膨胀机理尚不完全清楚，但通常在碳氮比(C：N)和碳磷比(C：P)的比值较高，水中溶解的氧气浓度较低的条件下容易产生。为维持良好的处理效果，应当避免发生污泥膨胀，因此在活性污泥法中要严格控制进入系统废水的C：N和C：P的比值，并维持较高的溶解氧水平，这样才能维持良好运行状态。产生的活性污泥除一部分回流利用外，其它多余的则需要另外处理。处理的方法是厌氧消化、填埋或干燥。干燥后的处理物可以用作农业肥料。

2.1.1 活性污泥法工艺的原理

图3.活性污泥法的基本流程[4]

(1) 活性污泥工艺

活性污泥法工艺是一种应用最广泛的废水好氧生化处理技术，其主要由曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统等组成。如图3所示

废水经初次沉淀池后与二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，通过曝气，活性污泥呈悬浮状态，并与废水充分接触。废水中的悬浮固体和胶状物质被活性污泥吸附，而废水中的可溶性有机物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的营养，代谢转化为生物细胞，并氧化成为最终产物(主要是CO2)。非溶解性有机物需先转化成溶解性有机物，而后才被代谢和利用。废水由此得到净化。净化后废水与活性污泥在二次沉淀池内进行分离，上层出水排放；分离浓缩后的污泥一部分返回曝气池[5]，以保证曝气池内保持一定浓度的活性污泥（具体过程如图4所示），其余为剩余污泥，由系统排出。

菌胶团的作用：起絮凝作用的细菌形成的细菌团块；强生物吸附能力和氧化分解有机物的能力；为原生动物提供良好的生存环境和附着场所；指示作用，颜色、透明度、数量、颗粒大小即结构松散程度。[6]

活性污泥絮状体的作用：有机物的吸附或黏附及其分解；金属离子的吸附；防止原生生物对细菌的吞食；加强污泥的沉降性，有利于泥水分离。[7]

曝气的作用：提供氧气、搅拌。具体过程如图4所示

回流污泥：使曝气池中保持大量菌体以维持较高的反应速度，同时通过加入静止期或衰亡期菌体限制絮状体生成速度，利于絮状体凝聚和沉淀。

(2) 活性污泥反应的影响因素：BOD[9]负荷率（F/M）也称有机负荷率，以NS表示），水温，pH值，溶解氧，营养平衡，有毒物质。

图4.某印染厂废水耗氧量下降过程[8]

2.1.2 活性污泥系统的主要运行方式[10] (1) 推流式活性污泥法 (2) 完全混合活性污泥法 (3) 分段曝气活性污泥法 (4) 吸附-再生活性污泥法 (5) 延时曝气活性污泥法 (6) 高负荷活性污泥法 (7) 浅层曝气、深水曝气、深井曝气活性污泥法 (8) 纯氧曝气活性污泥法 (9) 氧化沟工艺 (10) 序批活性污泥法

2.2 活性污泥脱氮除磷

2.2.1 活性污泥脱氮的原理

(1) 氮在污水中的存在形式和转化

污水中氮主要以氨氮和有机氮形式存在。活性污泥法脱氮是生物脱氮的主要形式。生物脱氮主要是靠一些专性细菌实现氮形式的转化，最终转化成无害气体――氮气，从污水中去除。

(2) 硝化过程

氨氮转化的第一个过程是硝化过程――硝化菌把氨氮转化成硝酸盐的过程。

硝化过程分二步：第一步把氨氮转成亚硝酸盐，氨氮首先由亚硝酸盐菌转化成亚硝酸盐；第二步亚硝酸盐转化成硝酸盐。

(3) 反硝化过程

反硝化过程是反硝化菌异化硝酸盐的过程，由硝化菌产生的硝酸盐在反硝化菌的作用下转化成氮气，从水中逸出，最终从系统中去除掉。氮的最终去除要通过反硝化过程完成。

反硝化过程分为两步进行：第一步由硝酸盐转化为亚硝酸盐；第二步由亚硝酸盐转化为一氧化氮、氧化二氮和氮气。[11]

2.2.2 活性污泥除磷的原理

未经处理的污水中磷的存在形式主要有三种：正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷，后两种成分约占进水总磷量的70%。

在某些好氧条件下微生物吸收磷会超过其正常的需求量，而在缺氧条件下微生物会把吸收的磷释放掉。在反应器中按顺序创造适宜的环境条件，利用这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种，这些微生物利用进水中的挥发酸在厌氧条件下释放所贮存的磷，当厌氧区域后紧接一个好氧区域时，微生物可以吸收超过正常水平的磷。通过排泥排除多余的磷而达到除磷的目的。[11]

2.3 氧化沟工艺

氧化沟是一种改良的活性污泥法，其曝气池呈封闭的沟渠形，污水和活性污泥混合液在其中循环流动，因此被称为“氧化沟”，又称“环行曝气池”。

3.污水处理塘——生物塘

污水处理塘是一些适宜的自然池塘、经人工改造的自然池塘，或是人工修建的池塘。这些池塘通过不同的工作原理和净化机理，诸如厌氧、好氧、兼性生物处理、水生生物净化、水生态系统净化、封闭式贮留、调贮控制排放等，以保证其排水的水量水质不超过受纳水体的自净容量。（具体特征如表2所示）

大多数的污水处理塘因是利用水塘中的微生物和藻类对污水和有机废水进行需氧生物处理的方法，所以又称生物塘。这是一种古老的废水处理方法，特别是作为小城镇的废水处理方法已有多年的历史。[12]

根据污水处理塘的净化机理，大致可分为好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气氧化塘、塘田和鱼塘等。

表2. 各种氧化塘的特征[13]

名称	深度（m）	特性
好氧塘	池子较钱，深度小于1m	日光可透过水层到达塘底，藻类生长旺盛，塘内维持好氧条件
厌氧塘	池子较深，池深2-4m	接纳的有机物负荷较高，塘处于厌氧条件
兼性塘	池子的深度一般在1-2m	塘底为厌氧区，上部靠藻类供养和大气复氧，能维持好氧状态。在夜间，光合作用停止，塘表面的大气复氧低于塘内的耗氧，上层水的溶解氧可接近零
爆气氧化塘		一般利用藻类的光合作用供养和水面的自然复氧，也可通过人工爆气的方式补充氧
塘田和鱼塘		塘田可培植莲藕，水浮莲等水生植物，鱼塘可放养鱼，鸭等，形成菌，藻，水生植物，浮游动物，鱼，鸭等共同构成的水生生态系统

结语：生物膜法和活性污泥法是两种相当主要的生物治理污水方法，生物膜法和活性污泥法一样都是利用微生物来去除废水中有机物的方法。但在活性污泥法中，微生物处于悬浮生长状态，所以活性污泥系统又称为悬浮生长系统。而生物膜中的微生物则附着生长在某些固体物的表面，于是生物膜处理系统又称为附着生长系统。生物塘则需要相当的条件，处理量也相对大了许多。（具体比较见表3）所以除了处理能力以外，还要同时考虑净化装置的前期投资。

因为微生物在我们的日常生活中分布广泛，品种繁多，而且基因容易变异，是一个很好的能被挖掘的领域。他们自身的一些处理能力已经被我们所利用，但是也可以看出，因为环境的关系，有时好氧的操作占了很大一部分，可是有些反应通过实验可以发现厌氧情况下，处理的力度更胜一筹。这点是个很大的研究空间，如何更好的控制好反应过程，达到最好的处理程度；通过厌氧和好氧的转换和反应器，处理方法的配合使用，达到最大的利用率。

表3. 生物方法处理废水的情况

	分类	特点	缺点
生物膜法	滴滤系统，生物转盘流化床反应器，	与活性污泥法相比，处理工艺产生的污泥量少，约为活性污泥法的3/4，动力费一般较低，所产生的污泥宜于固液分离。	(1)滤料表面积小，BOD容积负荷小。 (2)附着于固体表面的微生物量较难控制，操作伸缩性差。 (3)靠自然通风供氧，不如活性污泥供氧充足，容易产生厌氧。
活性污泥法	好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥	有曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统	在活性污泥法中，严重影响处理效果的是污泥的沉降性能，因此要严格控制进入系统废水的C：N和C：P的比值，并维持较高的溶解氧水平，这样才能维持良好运行状态
生物塘法	好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气氧化塘、塘田和鱼塘	与活性污泥法比较，他最大的特点就是工艺流程简单，脱水性好，絮凝剂投加量低，泥龄长	是一种古老的废水处理方法，一般是作为小城镇的废水处理方法