污水生物处理-微生物法是最有效的方法

水源的污染是危害最大、范围最广的污染。污水的种类很多，有生活污水、工业有机污水（如屠宰、造纸、淀粉制造和发酵工业污水）、工业有毒污水（如农药、炸药、石油化工、电镀、印染、制革等工业污水）和其他污水等。其中所含的各种有害物质，如农药、炸药（TNT、黑索金）、多氯联苯、多环芳烃（致癌剂）、酚、氰、丙烯腈等物质污染后果尤为严重。进行污水处理的方法包括物理法、化学法和微生物处理法，其中最有效的方法是微生物处理法。因此，利用微生物进行污水净化已成为当今研究和应用的热点问题。

（一）微生物处理污水的机制

利用微生物处理污水，实际上就是在污水处理设施内的小型生态系统中，通过微生物的代谢活动将污水中有机物分解，从而达到净化污水的目的。自然界的天然水体都能自发地通过微生物活动清除不太严重的污染，这就是水体自净现象。在天然水的自净作用中，发挥作用的微生物主要是细菌，它们可以高效、快速地降解水中的有机物。

在污染源处，由于有机物大量增加，使得以分解污染有机物为生的异养型微生物大量繁殖；随细菌数量增加，以细菌为食的原生动物数量也相应增加。有机物被微生物分解后转化为可以被藻类利用的矿质元素，于是藻类得以大量生长而形成水体生物增长的最后一个高峰。水体的自净化能力是有限的，并且受到水体温度和水中溶氧量的制约。通常水体温度越高，水中溶氧量就越低，自净能力也越低，所以，夏季有机物污染的水体难以净化。

在高BOD5污水进入污水处理装置后，其中的自然微生物区系在有氧条件下，根据污水中营养物质或有毒物质的不同，客观地造成了一个选择性培养条件，并且随着时间的推移发生了微生物区系有规律的更迭，从而使得水中的有机物或毒物不断地被降解、氧化、分解、转化或吸附沉淀，进而达到除去污染物以及沉降、分层效果。自然除去废气后的低BOD5清水可以流进河道。经过好氧微生物处理后的废渣（活性污泥或生物膜残余物）比原来的污水具有更高的BOD5和更多的有机物，这些废渣再通过厌氧处理（污泥消化或沼气发酵）产生出有用的沼气和有机肥料。

（二）污水处理中的特殊微生物

自然界中存在多种能分解相应污染物的微生物。有些微生物能产生氰水解酶，把氰中的C、N分别水解成为CO2、NH3释放，如：诺卡菌属、腐皮镰孢霉、假单孢菌属、木素木霉等共14个属49个种；腐皮镰孢霉还能利用氰作为碳源和氮源营养物；珊瑚诺卡菌经过诱导后能产生丙烯腈水解酶系，将丙烯腈降解为丙烯酰胺和氨，然后再继续水解形成丙烯酸，最后释放CO2和水；珊瑚诺卡菌降解能力很强，1 g菌体在25 min内可以降解250 mg丙烯腈。人们还获得了黏乳产碱杆菌和裂腈无色杆菌等对腈具有强将降解能力的微生物。

多氯联苯是一种难以分解的大分子毒性物质，并且很容易通过食物链富集，在炸药TNT和黑索金生产过程中常有这类化合物排出，对植物危害极大。自然界中有些微生物如红色酵母菌属、假单孢菌属、无色杆菌属等可以使多氯联苯脱氯和开环，形成苯甲酸和苯丙酮酸。中国科学家已经筛选出了一些能降解TNT的微生物，如柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、克雷伯菌属、假单孢菌属、埃希菌属、芽孢杆菌属中的一些菌种和降解黑索金的棒状杆菌。一些多环芳烃类致癌物质可以通过产碱杆菌属、棒状杆菌属和诺卡菌属中的一些菌所降解。

用于污水处理的微生物可分为3大类：好氧微生物、厌氧微生物、兼性微生物。虽然自然界存在能分解有机物的微生物，但它们的分解能力和对污水中有机物的耐受能力常常不能满足需要。因此，科学家们正在通过基因工程手段选育高效菌株，以提高对污水的净化能力。

通常污水中有机物质含量很高而缺少N、P等无机元素。为了解决这一问题，研究人员正在尝试培养能在污水中生长的固氮菌株来提高污水中N的含量。学者们还在尝试将污水净化与资源再利用结合起来。

（三）污水处理的主要装置

污水处理装置种类很多，在此仅从能量角度进行分类讨论。

1.节能型污水处理装置

（1）氧化塘法。(www.xing528.com)

氧化塘法是近年来一种利用自然生态系统进行污水净化，并具有良好节能效果的方法。氧化塘是一个面积大、能接受阳光照射的浅池塘，深度从几十厘米到几米，污水从一端流入、从另一端流出。在氧化塘中发生3类生物作用。①好氧微生物将有机物分解，然后由厌氧菌进行消化；好氧微生物所需要的氧气一部分来自大气扩散，另一部分由藻类与水生植物进行的光合作用产生。②藻类与水生植物（如凤眼莲、灯芯草、水烛、香蒲等）进行的光合作用。③由各种动物吞噬或细菌分解将藻类细胞消除，使藻类细胞不会积聚过多。一个效果好的氧化塘法可以将污水中80%～90%的BOD5除去。现代氧化塘工程是自然生态净化系统与人工强化措施结合起来的新型净化技术，自澳大利亚在一座废水处理厂中建造第一座人工设计的厌氧氧化塘以来，全世界已有40多个国家采用氧化塘法处理污水。20世纪80年代末，中国已经建成了85座氧化塘，日处理污水量达1.7×106m3，占全国污水排放量的2%左右。氧化塘法处理污水的优点在于投资少、设备简单、技术难度低，但其占地面积大，对该法的推广产生了一定的限制。

（2）洒水滤床法。

洒水滤床法（trickling filter process）是污水通过由一层石块及其上面附着的生物膜组成的滤床，其中的有机物质被生物膜中的微生物区系强烈地吸附、降解、吸收和氧化，从而使得污水变清。滤床面积的大小可以人为调节，碎石层厚度一般为2 m左右，选择适当大小的石块进行填充。污水从上面均匀洒下，由于微生物区系的吸附和繁殖，在小石块表面形一层滑腻的暗绿色薄膜——生物膜。在生物膜小环境中，表面是以类杆菌和假单胞菌占优势的需氧菌，内层为专性厌氧菌，中间层生长有大量的兼性厌氧菌。生物膜上还有植鞭毛虫（phytomastigophora）、纤毛虫（ciliata）、吸虫（suctoria）等丰富的原生动物群落，可以吞噬有机物和细菌。滤床通常在春季开始运转，以便培育生物膜。该法的优点是BoD5和病菌去除率高（95%）、对毒物的耐受力强和节省能源等。

2.耗能型污水处理装置

（1）活性污泥法。

活性污泥法（activted sludge process）最早由英国的Arden和Lockett创立。经过多年的修正、改良，已经演变出多种工艺流程，并且至今仍然是污水处理中的主要方法。所谓的活性污泥是指一种由细菌、原生动物和其他微生物群体与水中的悬浮有机物、胶状物以及吸附的物质共同构成的絮凝团，在污水处理中具有很强的吸附、分解和利用有机物质或毒性物质的能力。活性污泥中的微生物群类似于生物膜，也是以细菌和原生动物为主。活性污泥去污能力极高，对生活污水的BoD5去除率可达95%，对悬浮固体去除率也可达95%，对污水中的病原微生物去除率同样非常之高。这种方法的具体工艺很多，大致可分为两大类型。①推流式曝气法：污水与活性污泥混合后从长方形的曝气池一端流入，然后逐步向前方推进，直到池的末端流出清水为止。②完全混合曝气法：污水与一定量的回流污泥混合后流入曝气池，在通气翼轮不断充气、搅拌下与池内的已处理污水充分混合并得到稀释；污水中的有机物质和毒性物质被污泥中的好氧微生物降解、吸附或氧化，同时微生物群体得到充分繁殖，经过一定时间后，通过溢流进入沉淀池；在沉淀池中没有通气和搅拌，污泥重新沉入池底。将沉淀取出一部分作为新流入污水的“菌种”，剩余的部分再进行厌氧消化处理，以进一步降低其BOD5值。如果人为地补充一些氮源、碳源，并培育接种一些对相应特殊化合物有良好分解作用的微生物，就可以更好地分解污水中的特殊污染物。

近年来，活性污泥法不断得到发展和强化，新的工艺不断得到应用，如高浓度活性污泥法、深井发酵系统、间歇式活性污泥法等使得活性污泥法处理效果不断提高。

（2）生物膜法。

在洒水滤床法中已经讨论过生物膜（biofilm）的概念。以下主要讨论两种非常适合土地紧张的城市内工厂污水处理的方法。

①生物转盘法：生物转盘由许多质轻、耐腐的塑料制成的圆盘作等距离紧密排列，圆心用一根横轴串联而成；每片圆盘的下半部分都浸泡在盛有污水的半圆柱形横槽中，上半部分暴露在空气中，整串圆盘由电动机带动缓缓转动。处理污水前首先让圆盘表面着生一层生物膜（挂膜），待生物膜形成后，随盘片的不断转动，污水中的有机物质不断被生物膜所吸附、充氧、分解，使污水得到净化。在盘片旋转的过程中，过多生长的老化生物膜会随圆盘旋转时不断脱落，新的生物膜随即形成。生物转盘上的微生物种类与数量随其在整个处理槽中的排列位置不同而有所差异；接近进水口的盘片生物膜以菌胶团和丝状菌为主；中间盘片新生菌胶团增多，各类原生动物依次出现；接近出水口处则出现大量原生动物。

②塔式生物滤池法：是平面生物滤池向空间的发展。结构为高大的圆筒状（径高比通常为1∶6～8）。塔顶部设有布水器，中间许多隔栅上面放置填料，下部为集水器；运转前也需要“挂膜”；使用时用泵将水提升到顶部由布水器均匀地布水，经填料由上向下流动；其中的有机物被填料上的生物膜所吸附。塔式结构具有良好的通风条件，因此生物膜上的好氧微生物对有机物进行强烈的分解和氧化，使污水得到净化。因为塔内的污水浓度自上而下呈阶梯性降低，填料上生物膜微生物群种类与数量也呈现垂直分布差别。塔式生物滤池占地面积小、造价低、易设计、利通风、高效率，但因污水滞留时间较短，对大分子有机物氧化比较困难。

3.产能型污水处理装置——厌氧消化器

上述各种污水处理方法都存在一些不尽如人意之处，如大量以活性污泥或脱落生物膜形成的废渣如不进一步处理可能会造成“二次污染”，对一些高BOD5的废水处理效果不佳，需要耗费大量动力等。采用厌氧消化法（沼气发酵）正好可以克服以上问题，并且可以变废为宝。