当污水遇上生化池，微生物主演的处理大戏

利用微生物去除污水中有机物污水处理单元

生化池，全称为生物化学反应池，是污水处理领域中的核心设备之一。它利用微生物的代谢作用，将污水中的有机物转化为无害物质，从而实现污水的净化处理。

生化池去除水中有机物的步骤为： 将无以计数的微生物全部集中在一个池子内，创造一个非常适合微生物繁殖、生长的环境（如温度、pH值、氧气、氮磷等营养物质），使微生物大量增殖，以提高其分解有机物的速度和效率。往池内泵入废水，使废水中的有机物质在微生物的生命活动过程中得到氧化降解，使废水得到净化和处理。

生化池提供了时间程序的污水处理，而不是连续提供的空间程序的污水处理。

 一、生化池的原理  

生化池通常由进水口、曝气装置、填料层（微生物群落或活性污泥层）、出水口等部分组成。

1、进水口： 将废水引入生化池；

2、曝气装置： 用于向池中提供充足的氧气，以支持微生物的生长和代谢活动；

3、填料层（微生物群落或活性污泥层）： 微生物附着和生长的主要场所，微生物是降解有机废弃物的关键，因此在生化池中存在大量的微生物群落；

4、出水口： 将处理后的水排出系统。

生化池的工作原理 基于微生物对有机废弃物进行降解分解。 在生化过程中，微生物通过代谢将有机质转换成无机盐和气体等可溶性无害物质。 这个过程可以被简单地描述为以下几个步骤：

1、初期：有机物的吸附与降解

当污水进入生化池后，首先会被填料层（或活性污泥层）上的微生物所吸附。这些微生物通过自身的代谢活动，将吸附在表面的有机物逐步分解为小分子物质，如二氧化碳、水和氨氮等。这一过程中，微生物会消耗大量的氧气，因此需要通过曝气装置不断向池中补充氧气。

在很多活性污泥系统里，当污水与活性污泥接触后很短的时间（10-45min）内就出现了很高的有机物（BOD）去除率这种初期高速去除现象是吸附作用所引起的。由于污泥表面积很大（可达2000-10000m2/m3混合液），且表面具有多糖类粘质层，因此，污水中悬浮的和胶体的物质是被絮凝和吸附去除的。

2、中期：微生物的代谢作用

活性污泥中的微生物以污水中各种有机物作为营养，在有氧的条件下，将其中一部分有机物合成新的细胞物质(原生质)，对另一部分有机物则进行分解代谢即氧化分解以获得合成新细胞所需要的能量，并最终形成CO2和H2O等稳定物质。

在生化池的某些区域，特别是在缺氧或厌氧条件下，会发生硝化与反硝化作用。 硝化作用 是指将氨氮转化为硝酸盐的过程，由自养型细菌完成；而 反硝化作用 则是指将硝酸盐还原为氮气并释放到大气中的过程，由异养型细菌完成。这两个过程的协同作用有助于进一步去除污水中的氮元素。

3、后期：絮凝体的形成与凝聚沉降

随着微生物的不断繁殖和代谢活动的进行，填料层（或活性污泥层）上的生物膜会逐渐增厚。当生物膜达到一定厚度时，其内部的微生物可能会因为缺乏足够的氧气和营养物质而死亡。此时，老化的生物膜会从填料上脱落下来，并被新的生物膜所取代。这一过程有助于保持生化池内微生物的活性和处理能力。

① 如果形成菌体的有机物不从污水中分离出去，这样的净化不能算结束。

② 为了使菌体从水中分离出来，现多采用重力沉降法。如果每个菌体都处于松散状态，由于其大小与胶体颗粒大体相同它们将保持稳定悬浮状态，沉降分离是不可能的。为此，必须使菌体凝聚成为易于沉降的絮凝体。

③ 絮凝体的形成是通过丝状细菌来实现的。

 二、生化池的作用  

根据生化池原理，可以总结出生化池的作用有两方面：

     1、去除有机物

    生化池能够高效去除污水中的有机物，包括蛋白质、碳水化合物、油脂等，从而降低污水的化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD），减轻后续处理工艺的负担。

    2、净化水质

    通过微生物的降解作用，生化池能够显著改善污水的水质，使其变得更加清澈透明。同时，生化池还能去除污水中的部分氮、磷等营养物质，防止水体富营养化。

1、水质条件： 包括污水的温度、pH值、溶解氧含量以及有机物浓度等因素都会对生化池的性能产生影响。

2、微生物种类与数量： 不同种类的微生物对有机物的降解能力有所不同，同时微生物的数量也会影响生化池的处理效率。

3、操作条件： 如曝气强度、水力停留时间等操作参数也会对生化池的性能产生重要影响。

1、优点

① 低成本：相比于其他处理方式，生化池的建设和运行成本较低；

② 高效率：通过合理地设计和运行，可以获得高效率的废水处理效果；

③ 环保：与传统处理方式相比，生化池对环境影响较小。

2、缺点

① 对环境敏感性较高：由于微生物在降解有机质时需要特定条件，因此对环境变化敏感；

② 需要专业技术支持：设计和运行一个高效的生化池需要专业技术支持；

③ 处理效果受限：某些有机物质难以被微生物降解，因此处理效果受到限制。

 三、生化池的分类  

废水的生物处理工艺分好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。 好氧生物处理又分为活性污泥系统和生物膜系统两类。

图1 生化池的分类

好氧活性污泥系统有传统活性污泥系统、AB活性污泥法、A2/O活性污泥法、SBR法、氧化沟工艺、MBR工艺等。

1、普通活性污泥法

普通活性污泥法主要由曝气池、曝气系统、二次沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排放系统组成。 传统活性污泥系统对废水中可降解有机污染物的处理效果较好，在理想情况下，BOD去除率可达90%以上。

图2 普通活性污泥法工艺流程

2、AB活性污泥法

AB工艺是吸附-生物降解工艺的简称， 它是在常规活性污泥法和两段活性污泥法基础上发展起来的一种新型废水处理工艺。 AB工艺的工作原理主要是充分利用微生物种群的特性，为其创造适宜的环境，使不同的生物群得到良好的繁殖、生长，通过生物化学作用净化废水。

AB工艺中的A段为高负荷的生物吸附段， 通常污泥负荷为2～6kgBOD?/（kgMLSS·d），为常规活性污泥法的10～20倍，污泥龄仅0.3～0.5d，水力停留时间通常只有约30～40min。A段曝气池利用活性污泥的吸附絮凝能力将废水中有机物吸附于活性污泥上，进而将其部分降解，产生的大量生物污泥在随后设置的A段沉淀池（或称为中间沉淀池）中进行泥水分离，大部分有机物质以剩余污泥方式排出。A段系统中的污泥同时具有吸附、絮凝、分解和沉淀等作用，可除去约50%～60%的有机物，且运行能耗较低（约为常规活性污泥法需氧量的30%）。 AB工艺中的B段为低负荷段， 污泥负荷通常为0.15～0.3kgBOD?/（kgMLSS·d），污泥龄15～20d，水力停留时间一般大于2h。在该段，经A段处理后残留于废水中的有机物将继续被氧化甚至硝化，以保证较好的运行稳定性和较高的废水处理效率，BOD?去除率可达90%～98%。

AB法工艺具有以下显著特点： ① AB工艺的微生物群体是完全分开的，有效地保证了处理效果。② AB工艺中有一个连续运转的高负荷A段，连续不断从外界接种具有较强繁殖能力和适应环境变化能力的短世代微生物，大大提高了处理工艺的稳定性。③ A段和B段中的活性污泥，分别由A段沉淀池和B段沉淀池（二次沉淀池）中分别回流，这种流程布置方式有利于利用原废水中的活性微生物，有利于在A段和B段生物处理池中保持各自的优势微生物种群，并及时以剩余污泥方式排出已截留的有机质，从而减少系统中氧的消耗。④ AB工艺中的A段，可根据原废水水质等情况的变化，而采用好氧或缺氧的运行方式。

图3 AB法工艺流程图

3、A2/O活性污泥法

A2/O是厌氧—缺氧—好氧生物脱氮除磷工艺的简称。 它在原来A/O工艺基础上，嵌入一个缺氧池，并将好氧池出水的混合液回流到缺氧池中，同时实现磷的摄取和硝化脱氮过程，组合起来即为A2/O工艺。该工艺系统要达到较好的脱氮效果，其生化反应的有机负荷必须很低；通过排出富磷的剩余污泥达到除磷的目的，好氧池内有机负荷应维持在相对高的水平。所以A2/O工艺需要严格控制溶解氧等条件，其工艺流程见图4。

图4 A2/O工艺流程

4、SBR法

序批式活性污泥工艺的发展事实上先于连续流活性污泥技术。 随着人们对SBR研究的深入，各种新型的SBR工艺不断出现。20世纪80年代初，澳大利亚开发出 间歇式循环延时曝气活性污泥法 （intermit-tent cyclic extended activated sludge， 简称ICEAS ），接着在1976年建成了世界上第一座ICEAS废水处理厂。随后在美国、加拿大、澳大利亚和日本等地得到了推广应用。后来美国的Goran-szy教授利用活性污泥基质累积-再生理论以及污泥活性和呼吸速率之间的关系，相继开发出了 循环式活性污泥法 （cyclic activated sludge technology， 简称CAST ）和 CASS工艺 （cyclic activatedsludge system，简称CASS）。这个时期，SBR的研究在与其他工艺的结合上也有了比较大的进步。如MBR工艺、DAT-IAT工艺、UNITANK工艺和AICS工艺等，其中DAT-IAT工艺和AICS工艺由我国自行研发设计，具有自主知识产权的工艺技术。

经典SBR通过在时间上的交替实现传统活性污泥法的整个过程，它在流程上只有一个池子，将调节池、曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼有水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。 经典的SBR反应器的运行过程见图5，运行过程由进水、曝气、沉淀、排水和待机等阶段构成一个循环。

图5 经典SBR工艺基本运行模式

5、DAT-IAT工艺

DAT-IAT工艺主体构筑物由需氧池 （demand aeration tank，简称 DAT ） 和间歇曝气池 （inter-mittent aeration tank， IAT ）组成，一般情况下一个DAT池连续进水，连续曝气，其出水分别进入三个IAT池，在此可完成曝气、沉淀、淹水和排出剩余污泥工序，是SBR的又一种变型。

图6 DAT-IAT工艺流程AICS工艺有机物降解运行模式

6、AICS工艺

交替式内循环活性污泥 （alternated internal cyclic system， 简称AICS ）工艺是结合了改进SBR工艺、活性污泥工艺和氧化沟工艺的优势，由北京市环境保护科学研究院提出的曝气沉淀一体化处理工艺。工艺继承了改进SBR工艺连续进水、连续出水、恒水位和交替式运行的特点，吸取氧化沟工艺循环水力流动特点和稳定的活性污泥系统特性，从根本上克服了反应器中污泥浓度分配不均匀现象，有效提高了工艺处理效率。

AICS工艺由水力相通的四个反应池组成，各反应池在空间上有序的发生状态改变（曝气、沉淀和出水）来达到连续处理和有机污染物去除的过程。

图7 AICS工艺有机物降解运行模式

7、氧化沟工艺

氧化沟是一种完全混合，并不需要初沉池的延时曝气活性污泥工艺，其结构形式采用环形沟渠，混合液在氧化沟曝气器的推动下作水平流动。 氧化沟系统主要有以下种类：单沟式转刷和转盘曝气系统、交替式多沟式氧化沟、射流曝气氧化沟、表曝系统氧化沟、一体化氧化沟等。 氧化沟一般由沟体、曝气设备、进水分配井、出水溢流堰和导流装置等部分组成。

生物膜法又称固定生长法，是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术，是一种固定膜法。 这种处理方法的实质是： 含有营养物质和微生物的废水在某些载体的表面流动，一定时间后，微生物会附着在载体表面增殖、生长，形成一层膜状生物污泥——生物膜。废水中的有机污染物，作为营养物质，被生物膜上的微生物摄取，废水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。

常见好氧生物膜系统共有六种： 生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池、曝气生物滤池、生物流化床、曝气生物流化床。

1、生物滤池

生物滤池是在间歇砂滤池和接触滤池的基础上发展起来的人工生物处理法。

生物滤池的工作原理： 在生物滤池中，废水通过布水器均匀地分布在滤池表面，滤池中装满了石子等填料（一般称之为滤料），废水沿着滤料的空隙从上向下流动到池底，通过集水沟、排水渠，流出池外。废水通过滤池时，滤料截留了废水中的悬浮物，同时把废水中的胶体和溶解性物质吸附在自己的表面，其中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进一步吸附了废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的物质，逐渐形成了生物膜。生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养，对废水中的有机物进行吸附氧化作用，因而废水在通过生物滤池时能得到净化。

生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附废水中的有机物，而且具有很强的氧化能力。在有机物被分解的同时，微生物的机体则在不断增长和繁殖，也就是增加了生物膜的数量。由于生物膜上微生物的老化死亡，生物膜将会从滤料表面脱落下来，然后随着废水流出池外。

图8 生物膜对废水的净化作用

2、生物转盘

生物转盘法是废水处于半静止状态，微生物生长在转盘的盘面上，转盘在废水中不断缓慢地转动，盘体与废水和空气交替接触，微生物从空气中摄取必要的氧，并对废水中污染物质进行生物氧化分解，使水体得到净化的处理方法。

图9 生物转盘处理系统的基本工艺

3、生物接触氧化池

生物接触氧化法又称为“淹没式生物滤池”，是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物处理技术。 它有与其他好氧生物膜法共同的特点是：微生物需在填料表面附着生长，填料可以是固定的，也可以处于不规则的浮动或流动之中，而废水则流动于填料的孔隙中，与生物膜接触并在生物膜上微生物的新陈代谢功能的作用下，废水中有机污染物得到去除，废水得到净化。

在接触氧化池中，微生物所需要的氧气来自水中，所以需要像活性污泥法那样不断向水中曝气供氧，空气多通过设在池底的穿孔布气管进入水流。当气泡上升时向废水供应氧气，并起到搅拌与混合作用，相当于在曝气池内充填供微生物栖息的填料，因此， 又称为“接触曝气法”。

图10 集中布气式生物接触氧化池

4、曝气生物滤池

曝气生物滤池（biological aeration filter，BAF）是一种新型高负荷淹没式反应器，其充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体。

曝气生物滤池中填装有一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面及滤料内部微孔生长生物膜。 工作过程原理如下： 一是生物氧化降解， 滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物量的氧化降解能力对污水进行快速净化； 二是截留， 污水流经时，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出； 三是反冲洗， 当滤池运行一段时间后，因水头损失增大，需对其进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，使滤池的处理性能得到恢复。

图11 设有曝气生物滤池的废水处理系统

5、生物流化床

生物流化床（biological fluidized bed，BFB）处理废水的基本思想是，在反应器中装入粒径较小、密度大于水的载体颗粒，通过废水以一定的流速自下而上的流动使载体呈流化，废水中的有机污染物通过与载体表面生长的生物膜的接触而达到去除的目的。

根据反应器形式的区别，生物流化床可分为传统生物流化床和内循环生物流化床。

图12 传统生物流化床和内循环生物流化床

6、曝气生物流化床

曝气生物流化池（aeration biological fluidized tank，ABFT）是微生物细胞与载体自固定化技术的好氧生物反应器，固定化微生物后的载体平均密度与水的密度十分接近，载体在水中呈悬浮状。 故又称为固定化微生物曝气生物滤池（IBAF）。

图13 曝气生物流化池构造示意

常见厌氧生物处理池有：厌氧消化池、厌氧接触池、厌氧滤池、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床（ABF）、厌氧膨胀床、水解（酸化）池等。

1、厌氧消化池

传统厌氧消化工艺的处理对象是含悬浮物高的废水。 所谓高固体含量的废水，是指从物体形态上介于固体废弃物和液体废弃物之间的流动（或半流动）液体。如城市或工业废水处理厂的废水污泥，畜牧养殖业的牲畜粪便和农产品加工业废水、废弃物等，如酒精糟液等。另外，目前一些固体物质，如城市垃圾、农产品和生物质的厌氧发酵进展迅速，并且往往将固体物转化为液体或半流体状态来厌氧消化处理。

传统的完全混合厌氧反应器（CSTR）即普通厌氧消化池（见图14） ，废水或生污泥定期或连续加入消化池，经与池中原有的厌氧活性污泥混合和接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使生污泥或废水中的有机污染物转化为以CH?和CO?为主的气体（称沼气）。经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产的沼气则从顶部排出。

图14 普通厌氧消化池

2、厌氧接触池

厌氧接触法（anaerobic contact process）在厌氧消化池之外加了一个沉淀池来收集污泥，且使其回流至消化池。 反应器是完全混合的，排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离。废水由沉淀池上部排出，剩余污泥回流至消化池。厌氧接触工艺（见图15）。

图15 传统厌氧接触工艺示意图

3、厌氧滤池

厌氧生物滤池是一种内部填充有微生物载体的厌氧生物反应器。厌氧微生物部分附着生长在填料上，形成厌氧生物膜，部分在填料空隙间处于悬浮状态。废水流过被淹没的填料，在厌氧微生物的作用下，污染物被去除并产生沼气，沼气被收集系统收集，净化后的废水排出系统。

厌氧生物滤池中可维持相当高的微生物浓度，一般可达10～20gMLVSS/L。常用的厌氧生物滤池根据其生物滤床中水流方向，可以分为上流式厌氧滤池（AF）和下流式厌氧固定膜反应器（DSFF）两种；根据填料载体的填充方式，厌氧生物滤池也可以分为全填充和部分填充两种，其中，部分填充的厌氧滤池也可以看作厌氧污泥床和厌氧滤池的复合体，称为UBF反应器。厌氧生物滤池一般由集泥区、布水板、填料支撑、填料、集水区、集气罩等组成。厌氧生物滤池的结构示意如图16所示。

图16 厌氧生物滤池反应器示意图

4、升流式厌氧污泥床（UASB）

UASB反应器是厌氧工艺的一次突破，解决了厌氧反应器的固体停留时间和水力停留时间的矛盾问题。 图17是UASB反应器及其设备的图示。UASB反应器中，废水尽可能均匀地被引人反应器底部，废水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床。厌氧反应发生在废水与污泥颗粒的接触过程。产生的气体（主要是甲烷和二氧化碳）在上升过程中产生气提作用力，起到搅拌作用，引起内部的循环，这对于颗粒污泥的形成和维持有利。在污泥层形成的一些气体附着在污泥絮体上，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升，上升到三相分离器时污泥絮体碰击气体反射板的底部，引起附着气泡的污泥絮体脱气。气泡释放后的污泥絮体将沉淀到污泥床的表面。附着和没有附着的气体被收集到反应器顶部的集气室。置于集气室单元缝隙之下的挡板起到防止气体气泡进入沉淀区的作用，否则将引起沉淀区的紊动，阻碍颗粒污泥沉淀。包含一些剩余固体和污泥颗粒的液体经过分离器缝隙进入沉淀区。

图17 厌氧UASB反应示意图

5、厌氧流化床（ABF）

厌氧流化床是基于保持废水和微生物的充分接触而开发的一种厌氧反应器。 该反应器内含有比表面积较大的惰性颗粒载体，厌氧微生物在颗粒载体的表面形成生物膜来保持系统内微生物浓度。液体与污泥的混合、物质的传递依靠这些带有生物膜的微粒形成流态化实现。流态化的实现依靠部分出水回流，使载体颗粒在整个反应器内处于流化状态。厌氧流化床最初采用的颗粒载体是沙子，随后采用低密度载体，像无烟煤和塑料物质以减少所需的液体上升流速，从而减少提升费用。由于流化床使用了比表面积很大的载体，因此反应器内厌氧微生物浓度较高。根据流速大小和颗粒膨胀程度，厌氧流化床可分成膨胀床和流化床，流化床一般按20%～100%的膨胀率运行。

图17 流化床反应器的示意图

6、厌氧膨胀床

厌氧膨胀床是相对于厌氧流化床而言的，其运行流速控制在略高于初始流化速度的水平，相应的膨胀率为5%～20%。 目前广泛利用的膨胀床已经不再像流化床一样投加载体，而是通过自固定的方法形成颗粒状微生物体即颗粒污泥，在反应器内膨胀接触。一般是在原厌氧反应器的基础上，进行出水循环或气提循环，在反应器内形成能够使颗粒微生物发生膨胀的流速氛围，改善废水与微生物的接触环境，提高传质效果，这时的上升流速远高于UASB反应器，是UASB反应器上升流速的5～10倍。同时，通过改变三相分离系统，把高效的微生物截留在反应器内，保持反应器内微生物的较高浓度。该反应器可以实现较低的运行温度。

EGSB和IC是两种新型的厌氧膨胀床反应器。

图18 EGSB结构示意（左）

厌氧内循环（IC）反应器示意（右）

7、水解（酸化）池

水解（酸化）工艺的研究工作从废水的厌氧生物处理的试验开始，经过反复实验和理论分析，逐步发展为水解（酸化）生物处理工艺。 从工程上厌氧发酵产生沼气的过程可分为水解阶段、酸化阶段、产乙酸阶段和甲烷化阶段4个阶段。 水解池是把反应控制在第二阶段完成之前，不进入第三阶段。在水解反应器中实际上完成水解和酸化两个过程（酸化也可能不十分彻底），但为了简化称呼，简称为水解。

图19 复杂大分子的厌氧消化反应顺序（数据以COD百分数表示）

① 生物多聚物的水解；

② 发酵氨基酸和糖转化为氢、乙酸和短链可挥发性脂肪酸（VFA）和乙醇；

③ 厌氧氧化长链脂肪酸和乙醇；

④ 厌氧氧化中间产物挥发酸（除乙酸）；

⑤ 由乙酸型甲烷菌将乙酸转化为甲烷；

⑥ 由产氢甲烷菌将氢转化为甲烷（二氧化碳还原）