污水处理基础知识
1、污水
人类在生活和生产活动中，要使用大量的水。水在使用过程中会受到不同程度的污染，被污染的水称为污水。污水也包括降水。
按照来源不同，污水可分为生活污水、工业废水和雨水。
生活污水是人类日常生活中用过的水，包括厕所、厨房、浴室、洗衣房等处排出的水，来自住宅、公共场所、机关、学校、医院、商店以及工厂中生活间，生活污水含有较多的有机物如蛋白质、动植物脂肪、碳水化合物和氨氮等，还含有肥皂和洗涤剂以及病原微生物菌、寄生虫卵等。这类污水需经处理后才能排入水体、灌溉农田或再利用。
工业废水在工业生产中排出的污水，来自车间和矿场。由于生产类别、工艺过程和使用原材料不同，工业废水的水质繁杂多样。其中如冷却水，只受轻度污染或只是水温增高，稍做处理即可回用，它们被称为生产废水。而使用过程中受到较严重污染的水，其中大多有危害性，如含有大量有机物的；含氰化物、汞、铅、铬等有毒物质的；含合成有机化学物质的；含放射性物质的等等。另外也有物理性状十分恶劣如有臭味、有色、产生泡沫等。这些称为生产污水，大多需经适当处理后才能排放或回用。生产污水中所含有毒有害物质往往是宝贵的原料，应尽量回收利用。
降水是指在地面上流泄的雨水、冰雪融化水。这类水虽然较清洁，但径流量大，若不及时排除，会造成对人类生活、生产的巨大影响。降水一般不需处理，可直接排入水体，但初降的雨水可携带大量地面上、屋顶上积存的污染物，并可能带有工厂排放出的有毒有害粉尘，污染程度较重的也要经过处理后排放。
一般情况下，污水都需经过处理再排放，但对于处理程度的要求可有所不同。如进人受纳水体或土地、大气的，因环境具有一定的自净能力，在自净能力范围以内的，即环境容量允许的，可充分利用环境容量而减低对处理水平的要求；对于回收利用，也可按回收后用水的水质要求来确定处理水平。以此来求得最好的环境效益、社会效益和经济效益。
2、水质指标
2．1物理指标
（1）悬浮固体
水质中的悬浮固体是指水样通过孔径为0.45μm的滤膜，截留在滤膜上并于103～105℃烘干至恒重的物质质量，简称SS，单位是mg/L。
（2） 浊度
水中含有泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物都可以使水体变得混浊而呈现一定浊度，浊度是在外观上判断水是否被污染的主要特征之一。在水质分析中规定：1L水中含有1mgSiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度。
（3） 臭和味
臭和味是判断水质优劣的感官指标之一，洁净的水是没有气味的，受到污染后会产生各种臭味。常见的水臭味有霉烂臭味、粪便臭味、汽油臭味、臭蛋味、氯气味等，臭味的表示方法现行是用文字描述臭的种类，用强、弱等字样表示臭的强度。
（4） 温度
温度也是一项重要指标，水温的变化对废水生物处理有很大影响，水温通常用刻度为0.1℃的温度计测定。水温要在现场测定。
（5） 色泽和色度
色泽是指废水的颜色种类，通常用文字描述，如：废水呈深蓝色、棕黄色、浅绿色、暗红色等。
色度是指废水所呈现的颜色深浅程度。色度有两种表示方法：一是采用铂钴标准比色法，规定在1L水中含有氯铂酸钾（K2PtCl6）2.49lmg及氯化钴（CoCl26H2O）2.00mg时，也就是在1L水中含铂（Pt）1mg及钴（Co）0.5mg时所产生的颜色深浅为1度（1o）；二是采用稀释倍数法，将废水按一定的稀释倍数，用水稀释到接近无色时的稀释倍数。
2.2 化学指标
（1）生物化学需氧量BOD
简称生化需氧量，简写为BOD，是污水的重要污染指标之一。污水中大多含有有机物。有机污染对水体污染、自净都有很大的影响，是污水处理的主要对象，在污水处理及环境保护领域内被广泛使用。
生化需氧量是指在一定的温度、时间条件下，微生物在分解、氧化水中有机物的过程中，所消耗的游离氧数量，单位为mg／L。在BOD的测量中，通常规定使用20℃、5天的测试条件，并将结果以氧的mg/L表示，记为五日生化需氧量，符号BOD5。有机物生物降解的过程，可分为两个阶段。第一阶段，有机物在好氧微生物作用下被降解，转化为CO2、H2O和NH3。在自然条件下，一般10－20天可以完成。第二阶段是NH3转化为硝酸盐的硝化反应，大约需百日可以完成。在第一阶段完成后，已不影响环境卫生，因此，水体只要保持第一阶段需要的氧，就可达到卫生要求。测定第一阶段污水降解的需氧量，需要20天，时间太长，一般都以五日为测定生化需氧量的标准，写为BOD5。而以第一阶段所需20天时间，近似地认为是完全生化需氧量，写为BOD20。，生活污水的BOD5约为BOD20的70％。
（2）化学需氧量COD
在一定条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时所消耗的氧化剂的量，即为化学需氧量，写为COD。是污水水质的重要指标之一。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。
常用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾。我国规定的废水检验标准采用重铬酸钾作为氧化剂，在酸性条件下进行测定，所以有时记作“CODcr”，单位为mg/L。
测定COD采用的是强氧化剂，对大多数的有机物可以氧化到85%-95%以上，所以，同一种水质的COD一般高于BOD，其间的差值能够粗略地表示不能为微生物所降解的有机物。对于一定的废水而言，一般说来，COD＞BOD20＞BOD5。
BOD5/COD指标是5日生化需氧量与化学需氧量的比值，是污水可生化降解性的指标。这一比值可反映污水可生化降解性的功能。通常以BOD5/COD=0.3为污水可生化降解的下限。
（3）总需氧量TOD
由于有机物主要组成元素是C、H、O、N、S等，当被氧化后，分别产生CO2、H2O、NO2和SO2，所消耗的氧量称为总需氧量TOD。TOD更接近于理论需氧量值。
TOD的测定原理是：向氧含量已知的氧气流中注入一定数量的水样，并将其送入以铂钢为触媒的燃烧管中，在900℃的高温下燃烧，水样中的有机物即被氧化，消耗掉氧气流中的氧，剩余氧量可用电极测定并自动记录。氧气流原有氧量减去剩余氧量即总需氧量TOD。可见TOD的值大于COD值。TOD的测定仅需几分钟。
从以上看出：TOD > CODcr > BOD
（4）总有机碳TOC
总有机碳TOC是目前在国内、外开始广泛使用的表示污水被有机物污染的综合指标。它所显示的数值是污水中有机物的总含碳量。测定原理是：先将水样酸化，通过压缩空气吹脱水中的无机碳酸盐，排除干扰，然后向氧含量已知的氧气流中注入一定数量的水样，并将其送入以铂钢为触媒的燃烧管中，在900℃的高温下燃烧，用红外气体分析仪测定在燃烧过程中产生的CO2量，并自动记录，再折算出其中的合碳量，就是总有机碳TOC值。测定时间仅需几分钟。
（5）有机氮：有机氮是反映水中蛋白质、氨基酸、尿素等含氮有机物总量的一个水质指标。若使有机氮在有氧的条件下进行生物氧化，可逐步分解为NH3、NH4+、NO2-、NO3-等形态，NH3、NH4+称为氨氮，NO2-称为亚硝酸氮，NO3-称为硝酸氮，这几种形态的含量均可作为水质指标，分别代表有机氮转化为无机物的各个不同阶段。总氮（TN）则是一个包括从有机氮到硝酸氮等全部含量的水质指标。
（6）PH值：是指水中氢离子浓度的大小，在数值上等于氢离子的负对数，即：
PH=-lg[H+]=lg{1/[H+]}
PH值是废水的重要水质指标之一。废水呈酸性或呈碱性，一般都是用PH值来表示。当PH=7时，水呈中性；当PH＜7时，水呈酸性；当PH＞7时，水呈碱性。PH值的测定通常根据电化学原理采用玻璃电极法。
（7）溶解氧（DO）
溶解于水中的分子氧。一般以每升水所含氧的毫克数表示。水中溶解氧饱和含量与水温、大气压力和水的化学组成有密切关系。在一个大气压条件下，0℃的蒸馏水中溶解氧达到饱和时的氧含量为14.6mg／L，在20℃时则为9.1mg／L。海水中溶解氧含量约为淡水的80%。溶解氧是鱼类和好氧菌生存和繁殖所必须的物质。溶解氧低于 4 mg／L时，鱼类则难以生存。当水源被有机物污染后，由于好氧菌氧化有机物，从而消耗了水中的溶解氧，如果不能从空气中及时补充消耗的氧，则水中溶解氧不断减少，甚至接近于零。此时厌氧菌就会大量繁殖，使有机物腐败，水产生臭气。在静止的水中，水面的氧靠扩散作用进入水层，因此，湖、塘水溶解氧含量与深度成反比。在流动的水中，湍流使氧迅速进入水中，湍流越大，氧溶解于水中的速度越快。
2.3 生物指标 
作为水质的生物指标主要有细菌总数、大肠菌数、病原菌和病毒等。
（1）细菌总数：细菌总数是指1毫升水中所含有各种细菌的总数。在水质分析中，是把一定量水接种于琼脂培养基中，在37℃条件下培养24小时后，数出生长的细菌菌落数，然后计算出每毫升水中所含的细菌数。
（2）大肠菌数：大肠菌数是指1升水中所含大肠菌个数。由于大肠菌在外部环境中的生存条件与肠道传染病的细菌、寄生虫卵相似，而且大肠菌的数量多，比较容易检验，所以把大肠菌数作为生物污染指标。
3、 污水处理
污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。
现代污水处理技术按原理可分为物理处理法，化学处理法和生物化学处理法三类。
物理处理法：利用物理作用分离污水中呈悬浮固体状态的污染物质。方法有：筛滤法，沉淀法，上浮法，气浮法，过滤法和反渗透法等。
化学处理法；利用化学反应的作用，分离回收污水中处于各种形态的污染物质（包括悬浮物、溶解物及胶体等）。主要方法有中和、混凝、电解、氧化还原、汽提、萃取、吸附、离子交换和电渗析等。化学处理法多用于处理生产污水。
生物化学处理法：是利用微生物的代谢作用便污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。主要方法可分为两大类，即利用好氧微生物作用的好氧法和利用厌氧微生物作用的厌氧法。前者广泛用于处理城市污水及有机性生产污水，其中有活性污泥法和生物膜法两种；后者多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中产生的污泥。
城市污水与生产污水中的污染物是多种多样的，往往需要采用几种方法的组合，才能去除不同性质的污染物与污泥，达到净化的目的。
现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。
一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的同体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理后的污水，BOD一般只去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。
二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（即BOD，COD），去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准的要求。
三级处理，是在一级、二级处理后，进一步处理难降解的有机物、磷和氮等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法、混凝沉淀法、砂滤法、活性炭吸附法、离子交换法和电渗析法等。三级处理也常叫做深度处理。
4、活性污泥法的基本原理：
4.1活性污泥的组成：
在活性污泥法中起主要作用的是活性污泥，活性污泥是由具有活性的微生物、微生物自身氧化的残留物、吸附在活性污泥上不能为生物所降解的有机物和无机物组成，其中微生物是活性污泥的主要组成部分。
活性污泥微生物又是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体相结合所组成的一个生态系。
细菌是活性污泥在组成和净化功能上的中心，是微生物的最主要成分，污水中有机物的性质决定那些种属的细菌占优势，含蛋白质的污水有利于产碱杆菌属和芽孢杆菌属，而醣类污水或烃类污水则有利于假单孢菌属。在一定的能量水平（即细菌的活动能力）下，大部分细菌构成了活性污泥的絮凝体，并形成菌胶团，具有良好的自身凝聚和沉淀性能。
在活性污泥法处理过程中，净化污水的第一和主要承担者是细菌，其次出现原生动物，是细菌的首次捕食者，继之出现后生动物，是细菌的第二次捕食者。
4.2净化过程与机理：
活性污泥微生物能够连续从污水中去除有机物，是由以下几个过程完成的。
（1）初期去除与吸附作用
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（3-5分钟）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（介于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，初期被去除的BOD象一种备用的食物源一样贮存在微生物细胞的表面，经过几小时的曝气后，才会相继摄入代谢，在初期，被单位污泥去除的有机物数量是有一定限度的，它取决于污水的类型以及与污水接触时的污泥性能，例如，污水中呈悬浮的和胶体的有机物多，则初期去除率大，反之如溶解性有机物多，则初期去除率就小，又如，回流的污泥未经足够地曝气，预先贮存在污泥里的有机物将代谢不充分，污泥未得到再生，活性不能很好恢复，因而必将降低初期去除率，但是，如回流污泥经过长时间的曝气，则会使污泥长期处于内源呼吸阶段，由于过分自身氧化而失去活性，同样也会降低初期去除率。
（2）微生物的代谢作用
活性污泥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等稳定的物质。在新细胞合成与微生物增长的过程中，除氧化一部分有机物以获得能量外，还有一部分微生物细胞物质也在进行氧化分解，并供应能量。
活性污泥微生物从污水中去除有机物的代谢过程，主要是由微生物细胞物质的合成（活性污泥增长），有机物（包括一部分细胞物质）的氧化分解和氧的消耗所组成，当氧供应充足时，活性污泥的增长与有机物的去除是并行的；污泥增长的旺盛时期，也就是有机物去除的快速时期。
（3）絮凝体的形成与凝聚沉淀
污水中有机物通过生物降解，一部分氧化分解形成二氧化碳和水，一部分合成细胞物质成为菌体，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，为了使菌体从水中分离出来，现多使用重力沉淀法，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，那么将保持稳定悬浮状态，沉淀分离是不可能的，为此，必须使菌体凝聚成为易于沉淀的絮凝体。
易于形成絮凝体的细菌有动胶菌属、产碱杆菌、无色杆菌、黄杆菌、假单孢菌等，但无论哪一种细菌又都是在一定条件下才能够凝聚的。
5、活性污泥的评价指标
（1）混合液悬浮固体浓度（MLSS）
MLSS是混合液悬浮固体浓度的简写,它又称为混合液污泥浓度，它表示的是在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量（mg/L），它是计量曝气池中活性污泥数量多少的指标，活性污泥法中，MLSS一般为2000-4000mg/L。
（2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）
混合液挥发性悬浮固体浓度是指混合液悬浮固体中有机物的重量，单位mg/L，在一般情况下，MLVSS/MLSS的比值较固定，对于生活污水，常在0.75左右，对于工业废水，其比值视水质不同而异。
（3）污泥沉降比（SV）
污泥沉降比是指曝气池混合液在100ml量筒中，静置沉淀30min后，沉淀污泥的体积占原混合液容积的百分比，以%表示。由于正常的活性污泥在静沉30min后，一般可以接近它的最大密度，故污泥沉降比可以反映曝气池正常运行时的污泥量，可用于控制剩余污泥的排放，它还能及时反映出污泥膨胀等异常情况，便于及早查明原因，采取措施，污泥沉降比测定比较简单，并能说明一定问题，因此它成为评定活性污泥的重要指标之一。
（4）污泥指数（SVI）
污泥指数全称污泥容积指数，，是指曝气池出口处混合液经30min静沉后，1g干污泥所占的容积，单位mL/g。
SVI=（1L混合液30min静置沉淀形成的活性污泥体积（ml））/（1L混合液中悬浮固体干重）
SVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度（活性）和凝聚、沉淀性能，良好的活性污泥SVI常在50～120之间，SVI值过低，说明污泥活性不够，可能是水体中营养元素缺失导致。SVI过高的污泥,，说明可能发生污泥膨胀。
（5）污泥龄（ts）
污泥龄是指在反应系统内，微生物从其生成到排出系统的平均停留时间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时间。
在稳定条件下，就是曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余污泥量之比值，单位是日，在运行稳定时，剩余污泥量也就是新增长的污泥量，因此污泥龄也就是新增长的污泥在曝气池中平均停留时间，或污泥增长一倍平均所需要的时间。
6、环境因素的影响
（1）溶解氧
活性污泥法是需氧的好氧过程，对于传统活性污泥法，氧的最大需要出现在污水与污泥开始混合的曝气池首端，常供氧不足，供氧不足会出现厌氧状态，妨碍正常的代谢过程，滋长丝状菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的浓度控制。由于活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的最小溶解氧浓度也就不一样，絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越宜于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小；反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大，为了使沉淀分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此，溶解氧浓度以2mg/L左右为宜。
（2）营养物
在活性污泥系统里，微生物的代谢需要一定比例的营养物，除以BOD表示的碳源外，还需要氮、磷和其他微量元素，生活污水含有微生物所需要的各种元素，但某些工业废水却缺乏一些关键的元素——氮、磷等。对氮、磷的需要量应满足以下比例，即BOD：N：P=100：5：1。
（3）PH值
对于好氧生物处理，PH值一般以6.5-9.0为宜，PH值低于6.5，真菌即开始与细菌竞争，降低到4.5时，真菌则将完全占优势，严重影响沉淀分离；PH值超过9.0时，代谢速度受到障碍。
对于活性污泥法，其PH值是指混合液而言，对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用；对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可起缓冲作用，而且如果在驯化过程中将PH值因素考虑进去，活性污泥也可以逐渐适应，对于出现冲击负荷，PH值急变时，则将给活性污泥以严重打击，净化效果将急剧恶化。在这种情况下，完全混合活性污泥法，则有较大的优越性，为了使污水处理装置稳定运行，应避免PH值急变冲击，酸碱废水在进行生化处理前应进行预处理，将PH调节到适宜范围。
（4）水温
水温是影响微生物生长活动的重要因素，城市污水在夏季易于进行生物处理，而在冬季净化效果则降低，水温的下降是其主要原因。在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内，水温上升就会使微生物活动旺盛，就能够提高反应速度。此外，水温上升还有利于混合、搅拌、沉淀等物理过程，但不利于氧的转移。对于生化过程，一般认为水温在20-30℃时效果最好，35℃以上和10℃以下净化效果即行降低。因此，对高温工业废水要采取降温措施，对寒冷地区的污水，则应采取必要的保温措施。目前对于小型生物处理装置，一般采取建在室内的措施加以保温，对于大型污水处理厂，如水温能维持6-7℃，采取提高污泥浓度和降低污泥负荷率等措施，活性污泥仍能有效地发挥其净化功能。
（5）有毒物质
对生物处理有毒害作用的物质很多，毒物大致可分为重金属，H2S等无机物质和氰、酚等有机物质。这些物质对细菌的毒害作用，或是破坏细菌细胞某些必要的生理结构，或是抑制细菌的代谢进程。毒物的毒害作用还与PH值、水温、溶解氧、有无其他毒物及微生物的数量和是否驯化等有很大关系。
7、 污泥
污水处理过程中产生的沉淀物质，包括污水中所含固体物质、悬浮物质、胶体物质以及从水中分离出来的沉渣，统称为污泥。污泥中含有毒或有害物质，但多数污泥中还含有植物肥分及其他有用物质。因此，污泥的处理和利用是污水处理中一个十分重要的内容。污泥的性质主要是：
l）含水率很高，初沉池中排出的污泥含水95%左右，二沉池排出的污泥含水 96－99%。含水率大，不易处理。
2）污泥中含有微生物，生活污水、医院污水、食品工业废水和制革工业废水等的污泥中含有大量细菌、病毒和寄生虫卵。
3）污泥中含有有毒物质，如汞、铬或某些难以分解的有毒有机物。
污泥的处理工艺包括污泥的浓缩、消化、脱水、干化及焚烧等以及最终处理。
8、 硝化与反硝化(脱氮机理)
（1）硝化：
传统活性污泥法为代表的好氧生物处理法，其传统功能是去除废水中呈溶解性的有机物。至于氮、磷只能去除细菌细胞由于生理上的需要而摄取的数量，这样，废水中氮的去除率为20%～40%，而磷的去除率仅为5%～20%。
在未经处理的新鲜废水中，含氮化合物的主要形式有：有机氮，如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物、硝基化合物等。
含氮化合物在微生物的作用下，相继产生下列各项反应。
1）氨化反应
有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮（NH3  NH4+），这一过程称之为“氨化反应”。
2）硝化反应
在硝化反应的作用下，氨态氮进一步分解氧化，并分两个阶段进行，首先在亚硝化菌的作用下，使氨（NH4）氧化为亚硝酸氮，继之，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步氧化为硝酸氮。
（2）反硝化
反硝化反应是指硝酸氮（NO3－N）和亚硝酸氮（NO2－N）在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程。

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