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原生动物吞食水中固态有机物、菌类和藻类。
后生动物捕食水中固体有机物、菌类、藻类和原生动物。
二、微生物的代谢与污水的生物处理
微生物的生命过程是营养不断被利用，细胞物质不断合成又不断消耗的过程。
在这一过程中伴随着新生命的诞生，旧生命的死亡和营养物（基质）的转化。
污水的生物处理就是利用微生物对污染物（营养物）的代谢转化作用实现的。
（一）微生物的代谢
微生物从污水中摄取营养物质，通过复杂的生物化学反应合成自身细胞和排出废物。
这种为维持生命活动和生长繁殖而进行的生化反应过程叫新陈代谢，简称代谢。
根据能量的转移和生化反应的类型可将代谢分为分解代谢和合成代谢。
微生物将营养物分解转化为简单的化合物并释放出能量，这一过程叫做分解代谢或产能代谢；
微生物将营养物转化为细胞物质并吸收分解代谢释放的能量，这一过程叫做合成代谢。
当营养缺乏时，微生物对自身细胞物质进行氧化分解，以获得能量，这以过程叫做内源代谢，也叫内源呼吸。
当营养物充足的时，内源呼吸并不明显，但营养物缺乏时，内源呼吸是能量的主要来源。
没有新陈代谢就没有生命。
微生物通过新陈代谢不断地增殖和死亡。
微生物的分解代谢为合成代谢提供能量和物质，合成代谢为分解代谢提供催化剂和反应器。
两种代谢相互依赖、相互促进、不可分割。
微生物代谢消耗的营养物一部分分解成简单的物质排入环境，另一部分合成为细胞物质。
不同的微生物代谢速度不同，营养物用于分解和合成的比例也不相同。
厌氧微生物分解营养物不彻底，释放的能量少，代谢速度慢，将营养物用于分解的比例大，用于合成的比例小，细胞增殖慢。
好氧微生物分解营养物彻底，最终产物（CO2、H2O、NO3-、PO43-等）稳定，含有的能量最少，所以好氧微生物代谢中释放的能量多，代谢速度快，将营养物用于分解的比例小，用于合成的比例大，细胞增殖快。
（二）污水的好氧生物处理
好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。
微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢，将其分解成稳定的无机物质，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。
废水好氧生物处理的最终过程可用图3-1表示。
图3-1好氧生物处理过程中有机物转化示意图
图3-1表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；
约有三分之二被转化，合成为新的原生质（细胞质），即进
行微生物自身生长繁殖。
后者就是废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称其为剩余活性污泥或生物膜，又称生物污泥。
在废水生物处理过程中，生物污泥经固-液分离后，需进行进一步处理和处置。
好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。
且处理过程中散发的臭气较少。
所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。
在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。
（三）废水的厌氧生物处理
厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的
生物处理方法。
在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解，转化为简单的化合物，同时释放能量。
在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：
部分转化为CH4，这是一种可燃气体，可回收利用；
还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提
供能量；
少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。
由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。
废水厌氧生物处理过程中有机物的转化如图3-2所示。
由于废水厌氧生物处理过程中不需另加氧源，故运行费用低。
另外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等优点。
其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。
但通过对新型构筑物的研究开发，其容积可缩小。
另外，为维持较高的反应速度，需维持较高的反应温度，就要消耗能源。
对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧生物处理法。
图3-2厌氧生物处理过程中有机物转化示意图
三、微生物的生长环境
废水生物处理的主体是微生物，只有创造良好的环境条件让微生物大量繁殖才能获得令人满意的处理效果。
影响微生物生长的的条件主要有营养、温度、pH值、溶解氧及有毒物质等。
1、营养
营养是微生物生长的物质基础，生命活动所需的能量和物质来自于营养。
微生物细胞的组成（不包括H2O和无机物），可用化学式C5H7O2N或C60H87O23N12P表示。
不同微生物细胞的组成不尽相同，对碳氮磷比的要求也不完全相同。
好氧微生物要求碳氮磷比为BOD5:
N:
P=100:
5:
1[或COD:
P=（200~300）:
1]。
厌氧微生物要求碳氮磷比为BOD5:
6:
1。
其中N以NH3-N计，P以PO43－-P计。
微生物种类繁多，所需C、N、P的化学形式也不相同。
如异养菌需要有机物为碳源，而自养菌以CO2和HCO3－为碳源。
几乎所有的有机物都是微生物的营养源，为达到预期的净化效果，控制合适的C:
P比显得十分重要。
微生物除需要C、H、O、N、P外，还需要S、Mg、Fe、Ca、K等元素，以及Mn、Zn、Co、Ni、Cu、Mo、V、I、Br、B等微量元素。
2、温度
微生物的种类不同生长温度不同，各种微生物的总体温度范围是0~80℃。
根据适应的温度范围，微生物可分为低温性（好冷性）、中温性和高温性（好热性）三类。
低温性微生物的生长温度为20℃以下，中温性微生物的生长温度为20~45℃，高温性微生物的生长温度为45℃以上。
好氧生物处理以中温为主，微生物的最适生长温度为20～37。
厌氧生物处理时，中温微生物的最适生长温度为25~40℃，高温微生物的最适生长温度为50~60℃。
所以厌氧微生物处理常利用33~38℃和52~57℃两个温度段，分别叫做中温消化（发酵）和高温消化（发酵）。
随着科学技术的发展，厌氧反应已能在20~25℃的常温下进行，这就大大降低了运行费用。
在适宜的温度范围内，每升高10℃，生化反应速度就提高1~2倍。
所以，在较高最适温度条件下生物处理效果较好。
人为改变污水温度将增大处理成本，所以好氧生物处理一般在自然温度下进行，即在常温下进行。
好氧生物处理效果受气候的影响较小。
厌氧生物处理受温度影响较大，需要保持较高的温度，但考虑到运行成本，应尽量采用常温下运行（20~25℃）。
如果原污水的温度较高，应采用中温发酵（33~38℃）或高温发酵（52~57℃）。
如果有足够的余热或发酵过程中产生足够的沼气（高浓度有机污水和污泥消化），则可以利用余热或沼气的热能实现中温和高温发酵。
一般情况下，一日内温度的波动不宜超过
℃。
所以，在生物处理时要控制适宜的水温并保持稳定。
3、pH值
酶是一种两性电解质，pH值的变化影响酶的电离形式，进而影响酶的催化性能，所以pH值是影响酶活性的重要因素之一。
不同的微生物具有不同的酶系统，就有不同的pH值适应范围。
细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH值适应范围是4~10。
酵母菌和霉菌的最适pH为3.0~6.0。
大多数细菌适宜pH=6.5~8.5的中性和偏碱性环境。
好氧生物处理的适宜pH为6.5~8.5，厌氧生物处理的适宜pH为6.7~7.4（最佳pH为6.7~7.2）。
在生物处理过程中保持最适pH值范围非常重要。
否则，微生物酶的活性降低或丧失，微生物生长缓慢甚至死亡，导致处理失败。
进水pH值的突然变化会对生物处理产生很大的影响，这种影响不可逆转。
所以保持pH值的稳定非常重要。
4、溶解氧
好氧微生物的代谢过程以分子氧为受体，并参与部分物质的合成。
没有分子氧，好氧微生物就不能生长繁殖，所以，进行好氧生物处理时，要保持一定浓度的溶解氧（DO）。
供氧不足，适合低溶解氧生长的微生物（微量好氧的发硫菌）和兼性微生物大量繁殖。
它们分解有机物不彻底，处理效果下降，且低溶解氧状态下丝状菌优势生长，引起污泥膨胀。
溶解氧浓度过高，不仅浪费能量，而且会因营养相对缺乏而使细胞氧化和死亡。
为取得良好的处理效果，好氧生物处理时应控制溶解氧在2~3mg/L（二沉池出水0.5~1mg/L）为宜。
厌氧微生物在有氧的条件下生成H2O2，但没有分解H2O2的酶而被H2O2杀死。
所以，在厌氧生物处理反应器中决不能有分子氧存在。
其他氧化态物质如SO42－、NO3－、PO43－和Fe3+等也会对厌氧生物处理产生不良影响，也应控制它们的浓度。
5、有毒物质
对微生物有抑制和毒害作用的化学物质叫有毒物质。
它能破坏细胞的结构，使酶变性而失去活性。
如重金属能与酶的-SH基团结和，或与蛋白质结合使之变性或沉淀。
有毒物质在低浓度时对微生物无害，超过某一数值则发生毒害。
某些有毒物质在低浓度时可以成为微生物的营养。
有毒物质的毒性受pH值、温度和有无其他有毒物质存在等因素的影响，在不同条件下毒性相差很大，不同的微生物对同一毒物的耐受能力也不同，具体情况应根据实验而定。
在废水生物处理过程中，应严格控制有毒物质浓度，但有毒物质浓度的允许范围尚无统一的标准，表3-1的数据仅供参考。
表3-1 废水生物处理有毒物质允许浓度
毒物名称
允许浓度/（mg/L）
亚砷酸盐
5
CN
5~20
砷酸盐
20
氰化钾
8~9
铅
1
硫酸根
5000
镉
1~5
硝酸根
三价铬
10
苯
100
六价铬
2~5
酚
铜
5~10
氯苯
锌
甲醛
100~150
铁
甲醇
200
硫化物（以S计）
10~30
吡啶
400
氯化钠
10000
油脂
30~50
氨
100~1000
乙酸根
游离氯
0.1~1
丙酮
9000
四、污水的可生化性
污水可生化性指的是污水中污染物被微生物降解的难易程度，即污水生物处理的难易程度。
污水的可生化性取决于污水的水质，即污水所含污染物的性质。
若污水的营养比例适宜，污染物易被生物降解，有毒物质含量低，则污水的可生化性強，反之亦然。
适于微生物生长的污水，可生化性强，不适于微生物生长的污水可生化性差。
1、污水可生化性评价方法
污水的可生化性常用BOD5或COD的比值来评价。
5日生化需氧量BOD5粗略代表可生物降解的还原性物质的含量（主要是有机物），化学需氧量COD粗略代表还原性物质（主要为有机物）的总量。
由
（CODB为可生物降解的还原性物质含量）知，
为还原性物质中可生物降解部分所占的比例（CODB/COD）与生物降解速度（1/m）的乘积，能粗略代表还原性物质可生物降解的程度和速度，即污水的可生化性。
一般情况下，BOD5/COD值越大，污水的可生化性越强，具体评价标准参照表3-2。
表3-2 污水可生化性评价标准
BOD5/COD
<
0.3
0.3~0.45
>
0.45
可生化性
难生化
可生化
易生化
2、污水可生化性评价中的注意事项
BOD5/COD只能近似代表污水的可生化性，适用BOD5/COD评价污水的可生化性时应考虑以下方面的影响。
⑴固体有机物
有些固体有机物可在COD测定中被重铬酸钾氧化，以COD的形式表现出来，但在BOD5测定时对BOD5的贡献很小，不能以BOD5的形式表现出来，致使此时污水的BOD5/COD虽小，但生物处理的效果却不差。
⑵无机还原性物质
污水中的无机还原性物质在BOD5和COD的测定中也消耗溶解氧。
同一种无机还原性物质在两种测定中消耗的溶解氧量不同，指示BOD5/COD降低，但此时污水的可生化性不一定差。
⑶特殊有机物
有些有机物比较特殊，能被微生物部分氧化，却不能被K2Cr2O7氧化。
BOD5/COD虽大，但实际上污水的可生化性较差。
⑷BOD5/TOD
TOD比COD更能准确代表污水中有机物的含量，用BOD5/TOD评价污水的可生化性更加准确。
⑸接种微生物的驯化
在测定BOD5时是否采用经过驯化的菌种，对测定结果影响很大。
采用未经驯化的微生物接种，测得的结果偏低，采用经过驯化的微生物接种，测得的结果更加符合处理设施的实际运行情况。
接种未经驯化的微生物测得的BOD5/COD偏低，由此推断污水的可生化性较差是不符合实际情况的。
因此，在测定BOD5时，必须接入驯化菌种。
⑹水样稀释
测定BOD5时，往往需要对原污水加以稀释。
因为有毒物质在浓度不同时毒性不同，所以，不同的稀释比对测定结果影响很大。
合成有机物、无机盐、重金属、硫化物和SO42－等在浓度高时对微生物有毒害作用，而抑制微生物的生长，此时污水的可生化性较差。
如果在测定这种污水的BOD5时，水样将稀释，则由于有毒物质浓度降低，毒性减弱，所以污水可生化性增强，测得的BOD5/COD增大。
由此推断原污水的可生化性较强是错误的。
第二节 活性污泥法
活性污泥法是处理城市污水最广泛使用的方法，它能从污水中去除溶解的和胶体的可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质。
无机盐类（磷和氮的化合物）也能部分地被去除。
类似地工业废水也可用活性污泥法处理。
活性污泥法的特点：
①处理效率高、出水水质好。
这是因为微生物、溶解氧和有机物能够充分混合接触，传质效果好，可生化的有机物几乎全部被去除。
②去除的对象广，不但能去除溶解性的有机污染物，还可以去除较多地悬浮性的有机污染物以及部分无机物质。
③处理的水量范围广，不管水量小还是水量大都适应。
④运行工艺灵活，在运行中可有多种工艺可供选择。
⑤反应速度快。
⑥氧化彻底。
最终产物为CO2和H2O。
⑦可脱氮除磷，使出水水质进一步提高。
但活性污泥法也有如下不足之处：
①运行费用高。
②对水质水量地变化适应性较差。
③不适合处理高浓度有机废水。
④污泥较容易发生膨胀，影响处理效果。
⑤泥龄较短，产泥量大。
⑥污泥尚需进一步稳定处理。
活性污泥法本质上与天然水体（江、湖）的自净过程相似，二者都为好氧生物过程，只是它的净化强度大，因而活性污泥法使天然水体自净作用的人工化和强化。
活性污泥法经过近百年的发展，在理论和实践上都取得了很大的进步，本节将讨论活性污泥法的基本概念和实际应用问题。
一、活性污泥法的基本概念
（一）活性污泥
好氧微生物生长繁殖并凝聚在一起形成菌胶团。
在菌胶团上共生着其它微生物（原生动物等），并吸附和交织着无生命的固体杂质而形成活性污泥。
好氧活性污泥为褐色，稍有土腥味，具有良好的絮凝吸附性能。
在活性污泥的微观生态系统中，细菌占主导地位。
细菌等微生物的新陈代谢作用，以及菌胶团的吸附絮凝作用使污水中的污染物（有机物等）得以去除。
（二）活性污泥法基本流程
活性污泥法是由曝气池、二次沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统所组成，见图3-3。
图3-3活性污泥法的基本流程
污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。
曝气池是一个生物反应器，通过曝气设备充入空气，空气中的氧溶入污水使活性污泥混合液产生好氧代谢反应。
曝气设备不仅传递氧气进入混合液，且使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态。
这样，污水中的有机物、氧气同微生物能充分接触和反应。
随后混合液流入沉淀池，混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉淀下来和水分离。
沉淀池出水就是净化水。
沉淀池中的污泥大部分回流，称为回流污泥。
回流污泥的目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体浓度，也就是保持一定的微生物浓度。
曝气池中的生化反应引起了微生物的增殖，增殖的微生物通常从沉淀池中排除，以维持活性污泥系统的稳定运行。
这部分污泥叫剩余污泥。
剩余污泥中含有大量的微生物，排放环境前应进行处理，防止污染环境。
从上述流程可以看出，要使活性污泥法形成一个实用的处理方法，污泥除了有氧化和分解有机物的能力外，还要有良好的凝聚和沉淀性能，以使活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。
活性污泥中的细菌是一个混合群体，常以菌胶团的形式存在，游离状态的较少。
菌胶团是由细菌分泌的多糖类物质将细菌包覆成的粘性团块，使细菌具有抵御外界不利因素的性能。
菌胶团是活性污泥絮凝体的主要组成部分。
游离状态的细菌不易沉淀，而混合液中的原生动物可以捕食这些游离细菌，这样沉淀池的出水就会更清澈，因而原生动物有利于出水水质的提高。
（三）活性污泥降解污水中有机物的过程
活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程可分为两个阶段，吸附阶段和稳定阶段。
1、吸附阶段
活性污泥具有巨大的表面积，表面上含有多糖类黏性物质，使活性污泥具有很好的吸附性能。
污水与活性污泥混合后，污水中固体有机物等污染物首先被吸附转移到活性污泥表面，称为吸附阶段。
吸附阶段进行得很快，一般在15~45min左右。
吸附量的大小取决于污染物的状态。
如果污染物以固体或胶体态存在，吸附量就大；
如果以溶解态存在，吸附量就小。
被吸附的污染物有的可生物降解，有的是不可生物降解的有机物和无机物。
2、稳定阶段
吸附转移到活性污泥表面的污染物被微生物分解转化为CO2和H2O等简单化合物及自身细胞，这一过程叫做稳定阶段。
由于溶解态有机物能被微生物直接利用，所以溶解态有机物的降解无需吸附阶段，而直接由稳定阶段完成。
稳定阶段需要的时间较长，尤其是固体和胶态物质的稳定需要更长的时间。
如果有足够的时间，在吸附阶段吸附的可降解有机物就会在稳定阶段分解转化掉。
（四）活性污泥法的性能指标
性能良好的活性污泥应具有良好的吸附氧化性能和絮凝沉淀性能。
吸附氧化性能良好的污泥比较松散，表面积较大，活性和絮凝性能较好，但不一定具有良好的沉淀性能。
例如处于膨胀状态的污泥结构松散，絮凝性能较好，但难以沉淀，随水流失，出水水质变差。
沉淀性能好的污泥絮凝性能一般较好，也比较密实，但不一定有较强的活性。
如处于老化状态的污泥，絮凝沉淀性能较好，但活性较差。
为获得良好的净化效果，应使活性污泥具有很强的活性又有很好的沉淀性能。
评价活性污泥性能的指标主要有污泥浓度、污泥沉降比、污泥指数和泥龄等。
1、混合液悬浮固体（MLSS）
混合液悬浮固体也称污泥浓度，是指单位体积混合液含有的悬浮固体量（MLSS）或挥发性悬浮固体量（MLVSS），单位为mg/L根据长期的运行经验，采用鼓风曝气的传统活性污泥曝气池中，一般控制MLSS=2000~3000mg/L为宜。
MLSS为混合液中无机物、非活性有机物和活性微生物的总浓度；
MLVSS为混合液中挥发性有机物浓度，可以近似代表有机物和微生物的量。
虽然污泥浓度（MLSS和MLVSS）不等于活性微生物浓度，但在它们之间有着稳定的相关性，所以可用MLSS（或MLVSS）间接代表活性微生物含量。
在其他条件不变的情况下，污泥浓度越高，活性微生物浓度也越高，净化效果越好。
工程上一般采用MLSS作为间接计量活性污泥微生物量的指标，用（MLVSS）表示更切合实际。
对一定的废水来说，MLVSS与MLSS有一定的比值，如生活污水的比值为0.7左右。
其它废水可通过试验确定。
2、污泥沉降比（SV）
污泥沉降比指活性污泥混合液静置沉淀30min，所得污泥层体积与原混合液体积之比（%），即：
（式3-1）
混合液沉淀30min所得污泥层的密度一般接近最大密度，所以30min的沉降比近似等于完全沉降时的沉降比。
沉降比的大小同污泥的沉淀性能和污泥浓度有关，但相关性比较复杂。
污泥浓度（MLSS）相同的混合液，污泥沉降比越大，说明絮体越松散，污泥的沉降性能就越差；
污泥沉淀性能相同的混合液，污泥沉降比越大，污泥浓度就越大。
所以，对于特定的污泥处理系统，可以用污泥沉降比表示混合液的污泥浓度，并以此控制污泥回流量和剩余污泥排放量。
通常，污泥沉降比的正常范围为15%~30%。
污泥沉降比可以全面的反映污泥的沉降性能。
3、污泥体积指数（SVI）
污泥体积指数简称污泥指数（SI），是指曝气池混合液静置沉淀30min所得污泥层中，单位质量的干污泥所具有的体积，单位为mL/g。
如果知道SV和MLSS，便可求出SVI。
（式3-2）
式中SVI—污泥指数，mL/s；
SV—污泥沉降比，%；
MLSS—污泥浓度，g/mL。
污泥指数反映了活性污泥的密实性和沉降性能。
如果SVI较高，说明污泥松散，沉淀性能较差；
如果SVI过高，说明污泥已经膨胀，不易沉淀；
如果SVI较低，说明污泥比较密实，沉淀性能较好；
如果SVI过低，说明污泥细小密实，含无机物较多，已经老化，此时虽然有较好的沉淀性能，但活性和吸附性能都较差。
处理城市污水时，一般控制SVI=50~150为宜。
不同性质污水的正常SVI范围差异较大。
如果污水中溶解性有机物含量高，正常的SVI可能较高；
如果污水中无机悬浮物含量高，正常的SVI值可能较低。
特定污水的适宜SVI值应由实验和运行情况确定。
污泥指数能较全面地反映污泥地浓缩性能和沉淀性能。
4、泥龄
活性污泥系统正常运行的重要条件之一是必须保持曝气池内稳定的污泥量（MLSS）。
活性污泥反应的结果，使曝气池内的污泥量增加。
此外，在污泥增长的同时，伴随着微生物的老化和死亡，若不及时排出就会导致活性下降。
所以，每天必须从系统中排除与增长量相等的活性污泥量，即剩余污泥，以保持污泥量和活性的稳定。
微生物在曝气池中的平均停留时间，又称为泥龄，用θC表示，单位为d。
泥龄工程上是指，工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余污泥量的比值。
例如，
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