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废水生物处理的净化原理概括起来说，就是通过微生物酶的作用，将废水中的污染物氧化分解。在好氧条件下污染物最终被分解成CO2和H2O；在厌氧条件下污染物最终形成CH4、CO2、H2S、N2、H2和H2O以及有机酸和醇等。因此废水生物处理是基于微生物的营养、代谢和结构特征产生的一种处理方法。

微生物降解污水有机物的过程对于理解废水生物处理，首先要明白废水中要去除的污染物必须是可以作为微生物的某一类或几类营养物质，这样微生物才能将其摄取体内，进一步在酶的作用下将这些物质分解和转化。在这一过程中要保证微生物是活着的。另外废水中还要满足微生物对所有营养物质的需求（碳源、氮源、磷源）。其次，微生物体内的酶要能正常发挥作用，对摄入物质才能够进行转化-分解和合成。一般来说，2／3以上的被摄入的物质都会被分解掉，不到1／3部分会被变成新的细胞质。另外，废水中多种微生物生活在一起，既互生互惠也存在竞争、捕食，物质还在食物链当中会被进一步转化。即使微生物自身，还存在内源呼吸，可以将细胞物质进行消耗性分解。最后一点，废水生物处理中数量最多、占净化主角地位的往往是具有菌胶团特殊构造的细菌，它们的菌胶团凝聚黏附或附着上其他细菌、颗粒物和微生物就形成了悬浮在水中较大的絮体（Floc）或者贴附在水中固体物质的表面、成为一层薄膜（即生物膜）。一旦废水搅动停止，这些悬浮水中的微生物群体（絮体）就会自行沉淀下来与水分离。而生物膜本身就固定在物体表面，水流经过就与水分开了。废水生物处理中参与净化的微生物的这些特殊形态结构极大地方便了微生物与水的自行分离，这对于回收活性微生物用于新的废水净化、提高出水水质具有极其重要的意义。净化后出水中携带的微生物本身就是一种“污染物”，构成出水的总COD、SS、浊度、TN和TP。因此，微生物（俗称“泥”）与水分离越彻底，出水中所含微生物的数量就越少，这一点对于活性污泥处理尤为重要。

废水生物处理过程可归纳为三个连续进行的阶段，即絮凝吸附作用、氧化作用和沉淀作用。下面以活性污泥法为例说明这三个作用。

1．絮凝和吸附作用

吸附作用是发生在微小粒于表面的一种物理化学的作用过程。微生物个体很小，并且细细菌也具有胶体粒子所具有的许多特性，如细菌表面一般带有负电荷，而废水中有机物颗粒常带正电荷，所以它们之间有很大的吸引作用。其表面附有的黏性物质对废水中的有机物颗粒、胶体物质有较强吸附能力，对溶解性有机物的吸附能力很小。

实验发现，当活性污泥絮体与废水充分混合后，废水中的有机物可在短时间内迅速减参成的和胶体的有机污染物一旦黏附于活性污泥，即可通过固液分离的方法，将这些污染物以质水中清除出去。吸附作用是一种物理化学作用，所以它的总吸附量有一个极限，达到此固展后，吸附作用就基本结束。吸附的速度在初期最大，随着时间的推移，吸附速度愈来愈小。

2．氧化作用

氧化作用是发生在微生物体内的一种生物化学的代谢过程。被活性污泥和生物膜吸附的大分子有机物质，在微生物胞外酶的作用下，水解为可溶性的有机小分子物质，然后透过细胞膜进入微生物细胞内。这些被吸收到细胞内的物质，作为微生物的营养物质，经过一系列生化反应途径，被氧化为无机物CO2和H2O等，并释放出能量；与此同时，微生物利用氧化过程中产生的一些中间产物和呼吸作用释放的能量，合成细胞物质。在此过程中微生物不断繁殖，有机物也就不断地被氧化分解。

微生物对吸附的有机物氧化分解需要较长的时间，有的需要几小时甚至十几个小时才能完成。在微生物吸附有机物的同时，尽管氧化分解作用以相当高的速率进行着，但由于吸附时期较短，氧化分解掉的有机物仅占总吸附量的一小部分，大部分被吸附的有机物需要更长的时间才能全部氧化分解。

3．沉淀作用

废水中有机物质在活性污泥或生物膜的氧化分解作用下无机化后，处理后水往往排至自然水体中，这就要求排放前必须经过泥水分离。

活性污泥特别是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分离，澄清水排走，污泥沉降至池底。这是废水生化处理必须经过的步骤，也是非常重要的步骤。若活性污泥或脱落的生物膜不能与水分离，则这两种生物处理技术就不可能实现。若泥水不经分离或分离效果不好，由于活性污泥本身是有机体，进入自然水体后将造成二次污染。