3.21 生物处理基本原理
生物处理的主要作用是去除污水中溶解的和胶体的有机物质。通过微生物的生命活动，即通过微生物酶的作用，污水中的有机物被转化为细胞物质和无机物，在微生物自身生长繁殖的同时使污水得以净化。微生物可以是好氧、兼氧或厌氧微生物，可以从处理后的水中分离出来而使水得到澄清。
生物处理需要适宜的反应器条件来维持足够且具有活性的微生物，这样才能达到去除有机物的目的。在污水处理中，通常是以有机物在氧化过程中所消耗的氧量这一综合性指标来表示有机污染物的浓度，如生化需氧量 (BOD) 和化学需氧量 (COD)。BOD5约占生化氧总量的 2/3，故采用 BOD; 来表示污水中可降解有机物的浓度是比较合适的。但污水中有机物并不是都能较快降解，在工业废水中，可结合 COD等指标表示有机污染物的浓度。
根据适宜微生物生长的氧化还原条件、工艺类型以及所需的能源类型对微生物进行分类，详见表 3-13。异养菌以有机碳作为能源，并以此合成细胞物质，因此可去除 BOD并宁成反硝化，自养菌从无机反应中获得能量，例如将二价铁氧化成三价铁或将氢氧化成水等并从无机碳源中获得可同化的物质(例如从CO获得碳源)，从而实现硝化、硫酸盐还原以及厌氧产甲烷等。由于自养菌富集能量的效率低于异养菌，因此自养菌生长缓慢。
污水好氧处理系统是在好氧环境下，由好氧微生物对污水中污染物进行好氧代谢。这时，有机污染物被好氧微生物分解氧化成无机终产物，这些产物或者以液态的形式保存下来，或者以气态的形式散失到大气中。好氧微生物通过这样的代谢方式获取的能量大，因此，好氧微生物代谢速度快、生长繁殖速率高。由于好氧代谢的特性，好氧法污染物降解彻底，处理效率高，处理后污水中污染物浓度可降至很低，而且出水水质稳定，无异臭。在污水好氧处理系统中，为了保持系统的好氧环境，满足好氧微生物的代谢需求，必须向水中提供充足的氧。
当污水中有机污染物浓度十分高时，不利于氧在水中的扩散传递，有机污染物的降解过程耗氧量很大，为保证好氧处理情况下污水中充足的溶解氧导致运行费用过大，一般采用厌氧法处理污水。污水厌氧处理系统是在厌氧条件下由厌氧微生物对有机污染物进行厌氧代谢。厌氧法不仅不需要供氧，而且系统要隔绝氧气。由于厌氧代谢中一些有机物接受了电子，所以厌氧代谢有一种还原作用，接受了电子的有机物被还原，例如，硫酸根被还原为H2S，硝酸根被还原为NH，CO 被还原为 CH。厌氧代谢过程有机物的氧化分解是不完全的，最终产物也是不稳定的，因此厌氧微生物在厌氧代谢中获取的能量少，细胞产量和有机物的分解速度都较低。在厌氧处理系统中，必须设法对厌氧微生物进行控制，使得有机含碳化合物大多数转化为沼气(CH4+CO)而以气态形式从系统中释放出来。
微生物降解有机物的主要反应见图 3-11。
与化学氧化工艺相比，生物处理的最大优点就是可以实现非常高的化学转化率。好氧生物可以在常温下将有机大分子物质定量地矿化为 CO2、H0 和无机含氮产物等，而且不会产生大量副产物。但在分解矿化过程中，微生物释放出多种物质，统称为胞外聚合物 (extracellular polymeric substance，EPS)，对MBR反应器中的膜会造成污染。厌氧工艺的最终产物是甲烷，类似的也会产生 EPS。一般来说，生物处理工艺对不同有机负荷的承受能力均较强，好氧条件下几乎不产生臭味，如果条件适宜，可去除 80%~90%的 BOD5，有时甚至可达 95%以上，所产生的污泥也容易处理。但生物处理所需时间较化学工艺长，易受有毒物质冲击，另外，好氧系统需曝气，会增加能耗。
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