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廢水生物處理的凈化原理概括起來說，就是通過微生物酶的作用，將廢水中的污染物氧化分解。在好氧條件下污染物最終被分解成CO2和H2O；在厭氧條件下污染物最終形成CH4、CO2、H2S、N2、H2和H2O以及有機酸和醇等。因此廢水生物處理是基于微生物的營養、代謝和結構特征產生的一種處理方法。

微生物降解污水有機物的過程對于理解廢水生物處理，首先要明白廢水中要去除的污染物必須是可以作為微生物的某一類或幾類營養物質，這樣微生物才能將其攝取體內，進一步在酶的作用下將這些物質分解和轉化。在這一過程中要保證微生物是活著的。另外廢水中還要滿足微生物對所有營養物質的需求（碳源、氮源、磷源）。其次，微生物體內的酶要能正常發揮作用，對攝入物質才能夠進行轉化-分解和合成。一般來說，2／3以上的被攝入的物質都會被分解掉，不到1／3部分會被變成新的細胞質。另外，廢水中多種微生物生活在一起，既互生互惠也存在競爭、捕食，物質還在食物鏈當中會被進一步轉化。即使微生物自身，還存在內源呼吸，可以將細胞物質進行消耗性分解。最后一點，廢水生物處理中數量最多、占凈化主角地位的往往是具有菌膠團特殊構造的細菌，它們的菌膠團凝聚黏附或附著上其他細菌、顆粒物和微生物就形成了懸浮在水中較大的絮體（Floc）或者貼附在水中固體物質的表面、成為一層薄膜（即生物膜）。一旦廢水攪動停止，這些懸浮水中的微生物群體（絮體）就會自行沉淀下來與水分離。而生物膜本身就固定在物體表面，水流經過就與水分開了。廢水生物處理中參與凈化的微生物的這些特殊形態結構極大地方便了微生物與水的自行分離，這對于回收活性微生物用于新的廢水凈化、提高出水水質具有極其重要的意義。凈化后出水中攜帶的微生物本身就是一種“污染物”，構成出水的總COD、SS、濁度、TN和TP。因此，微生物（俗稱“泥”）與水分離越徹底，出水中所含微生物的數量就越少，這一點對于活性污泥處理尤為重要。

廢水生物處理過程可歸納為三個連續進行的階段，即絮凝吸附作用、氧化作用和沉淀作用。下面以活性污泥法為例說明這三個作用。

1．絮凝和吸附作用

吸附作用是發生在微小粒于表面的一種物理化學的作用過程。微生物個體很小，并且細細菌也具有膠體粒子所具有的許多特性，如細菌表面一般帶有負電荷，而廢水中有機物顆粒常帶正電荷，所以它們之間有很大的吸引作用。其表面附有的黏性物質對廢水中的有機物顆粒、膠體物質有較強吸附能力，對溶解性有機物的吸附能力很小。

實驗發現，當活性污泥絮體與廢水充分混合后，廢水中的有機物可在短時間內迅速減參成的和膠體的有機污染物一旦黏附于活性污泥，即可通過固液分離的方法，將這些污染物以質水中清除出去。吸附作用是一種物理化學作用，所以它的總吸附量有一個極限，達到此固展后，吸附作用就基本結束。吸附的速度在初期最大，隨著時間的推移，吸附速度愈來愈小。

2．氧化作用

氧化作用是發生在微生物體內的一種生物化學的代謝過程。被活性污泥和生物膜吸附的大分子有機物質，在微生物胞外酶的作用下，水解為可溶性的有機小分子物質，然后透過細胞膜進入微生物細胞內。這些被吸收到細胞內的物質，作為微生物的營養物質，經過一系列生化反應途徑，被氧化為無機物CO2和H2O等，并釋放出能量；與此同時，微生物利用氧化過程中產生的一些中間產物和呼吸作用釋放的能量，合成細胞物質。在此過程中微生物不斷繁殖，有機物也就不斷地被氧化分解。

微生物對吸附的有機物氧化分解需要較長的時間，有的需要幾小時甚至十幾個小時才能完成。在微生物吸附有機物的同時，盡管氧化分解作用以相當高的速率進行著，但由于吸附時期較短，氧化分解掉的有機物僅占總吸附量的一小部分，大部分被吸附的有機物需要更長的時間才能全部氧化分解。

3．沉淀作用

廢水中有機物質在活性污泥或生物膜的氧化分解作用下無機化后，處理后水往往排至自然水體中，這就要求排放前必須經過泥水分離。

活性污泥特別是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分離，澄清水排走，污泥沉降至池底。這是廢水生化處理必須經過的步驟，也是非常重要的步驟。若活性污泥或脫落的生物膜不能與水分離，則這兩種生物處理技術就不可能實現。若泥水不經分離或分離效果不好，由于活性污泥本身是有機體，進入自然水體后將造成二次污染。

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