生物脱氮原理
一般来说，生物脱氮过程可分为三步:步是氨化作用，即水中的**氮在氨化细菌的作用下转化成氨氮。在普通活性污泥法中，氨化作用进行得很快，*采取特殊的措施。第二步是硝化作用，即在供氧充足的条件下，水中的氨氮首先在亚硝酸菌的作用下被氧化成亚硝酸盐，然后再在硝酸菌的作用下进一步氧化成硝酸盐。为防止生长缓慢的亚硝酸细菌和硝酸细菌从活性污泥系统中流失，要求很长的污泥龄。第三步是反硝化作用，即硝化产生的亚硝酸盐和硝酸盐在反硝化细菌的作用下被还原成氮气。这一步速率也比较快，但由于反硝化细菌是兼性厌氧菌，只有在缺氧或厌氧条件下才能进行反硝化，因此需要为其创造一个缺氧或厌氧的环境(好氧池的混合液回流到缺氧池)。
发酵酸化反应
发酵可以被定义为**化合物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程，在此过程中**物被转化成以挥发性脂肪酸为主的末端产物。
酸化过程是由大量的、多种多样的发酵细菌来完成的，在这些细菌中大部分是专性厌氧菌，只有1%是兼性厌氧菌，但正是这1%的兼性菌在反应器受到氧气的冲击时，能迅速消耗掉这些氧气，保持废水低的氧化还原电位，同时也保护了产甲烷菌的运行条件。
酸化过程的底物取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。对于一个稳态的反应器来说，乙酸、二氧化碳、氢气则是酸化反应的主要产物。这些都是产甲烷阶段所需要的底物。
三级处理(深度处理)
三级处理是对水的深度处理，是继二级处理以后的废水处理过程，是污水高处理措施。现在的我国的污水处理厂投入实际应用的并不多。它将经过二级处理的水进行脱氮、脱磷处理，用活性炭 吸附法或反渗透法等去除水中的剩余污染物,并用臭氧或氯消毒杀灭细菌和病毒,然后将处理水送入中水道，作为冲洗厕所、喷洒街道、浇灌绿化带、工业用水、防火 等水源。
由此可见，污水处理工艺的作用仅仅是通过生物降解转化作用和固液分离，在使污水得到净化的同时将污染物富集到污泥中，包括一级处理工段产生的初沉污泥、二级处理工段产生的剩余活性污泥以及三级处理产生的化学污泥。由于这些污泥含有大量的**物和病原体，而且较易腐败发臭，很容易造成二次污染，消除污染的任务尚未完成。污泥必须经过一定的减容、减量和稳定化无害化处理井妥善处置。污泥处理处置的成功与否对污水厂有重要的影响，必须重视。如果污泥不进行处理，污泥将不得不随处理后的出水排放，污水厂的净化效果也就会被抵消掉。所以在实际的应用过程中，污水 处理过程中的污泥处理也是相当关键的。
对好氧生物反应来说，保持混合液中一定浓度的溶解氧至关重要。当环境中的溶解氧**0.3mg/l时，兼性菌和好氧菌都进行好氧呼吸;当溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零时，兼性菌则转入厌氧呼吸，绝大部分好氧菌基本停止呼吸，而有部分好氧菌(多数为丝状菌)还可能生长良好，在系统中占据优势后常导致污泥膨胀。一般的，曝气池出口处的溶解氧以保持2mg/l左右为宜，过高则增加能耗，经济上不合算。
在所有影响因素中，基质类因素和pH值决定于进水水质，对这些因素的控制，主要靠日常的监测和有关条例、法规的严格执行。对一般城市污水而言，这些因素大都不会构成太大的影响，各参数基本能维持在适当范围内。温度的变化与气候有关，对于万吨级的城市污水处理厂，特别是采用活性污泥工艺时，对温度的控制难以实施，在经济上和工程上都不是十分可行的。因此，一般是通过设计参数的适当选取来满足不同温度变化的处理要求，以达到处理目标。
因此，工艺控制的主要目标就落在活性污泥本身以及可通过调控手段来改变的环境因素上，控制的主要任务就是采取合适的措施，克服外界因素对活性污泥系统的影响，使其能持续稳定地发挥作用。
实现对生物反应系统的过程控制关键在于控制对象或控制参数的选取，而这又与处理工艺或处理目标密切相关。
厌氧生物处理技术在水处理行业中一直都受到环保工作者们的青睐，由于其具有良好的去除效果，高的反应速率和对毒性物质好的适应，重要的是由于其相对好氧生物处理废水来说不需要为氧的传递提供大量的能耗，使得厌氧生物处理在水处理行业中应用十分广泛。
但由于总体反应式基于莫诺方程的厌氧处理受到低浓度废水Ks的限制，所以厌氧在处理低浓度废水方面没有太大的空间，可近的一些报道和试验表明，厌氧如果提供合适的外部条件，在处理低浓度废水方面仍然有非常高的处理效果。
我们可以根据厌氧反应的原理加以动力学方程推导出厌氧生物处理低浓度废水尤其在处理生活污水方面的合适条件。
厌氧反应四个阶段
一般来说，废水中复杂**物物料比较多，通过厌氧分解分四个阶段加以降解：
（1）水解阶段：高分子**物由于其大分子体积，不能直接通过厌氧菌的细胞壁，需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的**物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被分解成短肽和氨基酸。分解后的这些小分子能够通过细胞壁进入到细胞的体内进行下一步的分解。
（2）酸化阶段：上述的小分子**物进入到细胞体内转化成为简单的化合物并被分配到细胞外，这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸（VFA），同时还有部分的醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。
（3）产乙酸阶段：在此阶段，上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、氢气以及新的细胞物质。
（4）产甲烷阶段：在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化成甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程为重要的阶段和整个厌氧反应过程的限速阶段。
好氧活性污泥（绒粒）的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的细菌团块，称菌胶团。在其上生长着其他微生物，如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物和某些微型后生动物（轮虫及线虫等）。因此，曝气池内的活性污泥在不同的营养、供氧、温度及pH等条件下，形成由适宜增殖的絮凝细菌为中心，与多种多样的其他微生物集居所组成的一个生态系。好氧活性污泥的细菌能迅速稳定废水中**污染物，有良好的自我凝聚能力和沉降性能。
好氧活性污泥的净化作用有类似于水处理工程中混凝剂的作用，同时又能吸收和分解水中溶解性污染物。因为它是由有生命的微生物组成，能自我繁殖，有生物“活性”，可以连续反复使用，而化学混凝剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。
好氧活性污泥绒粒吸附和生物降解**物的过程像接力赛，其过程分三步：第1步在有氧的条件下，活性污泥绒粒中的絮凝性微生物吸附废水中的**物；第2步是活性污泥绒粒中的水解性细菌水解大分子**物为小分子**物，同时，微生物合成自身细胞。废水中的溶解性**物直接被细菌吸收，在细菌体内氧化分解，其中间代谢产物被另一群细菌吸收，进而无机化；第3步是其他的微生物吸收或吞食未分解彻底的**物。
在两相厌氧反应器运行中控制两相分离的方法有 哪些?
在两相厌氧反应器运行中控制两相分离的方法有：物理化学法和动力学控制法。
(1)物理化学法在产酸相反应器中投加产甲烷细菌的选择性抑制剂(如氯仿和四氯化碳等)来抑制产甲烷细菌的生长；或者向产酸相反应器中供给一定量的氧气，调整反应器内的氧化还原电λ，利用产甲烷细菌对溶解氧和氧化还原电λ比较敏感的特点来抑制其在产酸相反应器中的生长；或者调整产酸相反应器的pH值在较低水平(如5．5～6．5之间)，利用产甲烷细菌要求中性偏碱的pH值的特点来保证在产酸相反应器中产酸细菌占优势，而产甲烷细菌受到抑制；采用可通透**酸的选择性半透膜，使得产酸相的末端产物中只有**酸才能进入后续的产甲烷相反应器，从而实现产酸相和产甲烷相分离。这些方法均是选择性地促进产酸细菌在产酸相反应器中的生长，而在一定程度上抑制产甲烷细菌的生长，或者是选择性地促进产甲烷细菌在产甲烷相反应器中生长，以实现产酸细菌和产甲烷细菌的分离，从而达到相分离的目的。
(2)动力学控制法产酸细菌和产甲烷细菌在生长速率上存在着很大的差异，一般来说，产酸细菌的生长速率很快，其世代时间较短，一般在10～30min范Χ内；而产甲烷细菌的生长很缓慢，其世代时间相当长，一般在4～6d。因此，将产酸相反应器的水力停留时间控制在一个较短的范Χ内，可以使世代时间较长的产甲烷。
水解反应
水解可定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化成简单的溶解性单体和二聚体的过程。水解反应针对不同的废水类型差别很大，这要取决于胞外酶能否有效的接触到底物。因此，大的颗粒比小颗粒底物要难降解很多，比如造纸废水、印染废水和制药废水的木质素、大分子纤维素就很难水解。
水解速度的可由以下动力学方程加以描述：
ρ=ρo/(1+Kh.T)
ρ ——可降解的非溶解性底物浓度（g/l）；
ρo———非溶解性底物的初始浓度（g/l）；
Kh——水解常数（d－1）；
T——停留时间（d）。
一般来说，影响Kh的因素很多，很难确定一个特定的方程来求解Kh，但我们可以根据一些特定条件的Kh，反推导出水解反应器的容积和佳反应条件。在实际工程实施中，有条件的话，好针对要处理的废水作一些Kh的测试工作。通过对国内外一些报道的研究，提出在低温下水解对脂肪和蛋白质的降解速率非常慢，这个时候，可以不考虑厌氧处理方式。对于生活污水来说，在温度15的情况下，Kh=0.2左右。但在水解阶段我们不需要过多的COD去除效果，而且在一个反应器中你很难严格的把厌氧反应的几个阶段区分开来，一旦停留时间过长，对工程的经济性就不太实用。如果就单独的水解反应针对生活污水来说，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。
如何进行厌氧生物处理反应器的启动和运行?
废水厌氧生物处理反应器成功启动的标志，是在反应器中培养出活性高、沉降性能优良并适于待处理废水水质的厌氧污泥。由于厌氧微生物，特别是产甲烷菌增殖很慢，厌氧反应器的启动需要一个较长的时间，这被认为是厌氧反应器的一个不足之处。在实际工程中，生产性厌氧反应器建造完成后，快速顺利地启动反应器成为整个废水处理工程中的关键性因素。
UAsB反应器的启动可分为两个阶段，阶段是接种污泥在适宜的驯化过程中获得一个合理分布的微生物群体，*二个阶段是这种合理分布群体的大量生长、繁殖。
(1)接种污泥 在生物处理中，接种污泥的数量和活性是影响反应器成功启动的重要因素。不同的污泥接种量宏观地表现为反应器中污泥床高度不同。污泥床高度对反应区的水流的影响较大，一般污泥床厚度以2m左右为宜，如太厚会加大沟流和短流。
(2)反应器的升温速率不同种群产甲烷细菌适宜的生长温度范Χ均有严格要求。控制合理的升温有利于反应器在短时间内成功启动。研究发现，反应器升温速率过快，会导致其内部污泥的产甲烷活性短期下降，为了确保反应器在短时间内快速启动，建议较合理的升温速率为在2～3℃／d。
(3)进水pH值的控制 在厌氧发酵过程中，环境的pH值对产甲烷细菌的活性影响很大，通常认为适宜的pH值为6．5～7．5。因此，启动初期进水pH值应根据出水pH值来进行控制，通常控制在7．5～8．0范Χ内比较适宜。由于在有些情况下待处理废水的pH值较低，因此，开始启动时进水需经中和后再进入反应器中，当反应器出水pH值稳定在6．8～7．5之间时可逐步由回流水和原水混合进水过渡到直接采用原水进水。
在这个阶段产生两种重要的厌氧反应是否正常的底物就是挥发性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA过高会使废水的PH下降，逐渐影响到产甲烷菌的正常进行，使产气量减小，同时整个反应的自然碱度也会较少，系统平衡PH的能力减弱，整个反应会形成恶性循环，使得整个反应器终失败。氨氮它起到一个平衡的作用，一方面，它能够中和一部分VFA，使废水PH具有大的缓冲能力，同时又给生物体合成自生生长需要的营养物质，但过高的氨氮会给微生物带来毒性，废水中的氨氮主要是由于蛋白质的分解带来的，典型的生活污水中含有20-50mg/l左右的氨氮，这个范围是厌氧微生物非常理想的范围。
另外一个重要指标就是废水中氢气的浓度，以含碳17的脂肪酸降解为例：
CH3(CH2)15COO-+14H2O—> 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14
脂肪酸的降解都会产生大量的氢气，如果要使上述反应得以正常进行，必须在下一反应中消耗掉足够的氢气，来维持这一反应的平衡。如果废水的氢气指标过高，表明废水的产甲烷反应已经受到严重抑制，需要进行修复，一般来说氢气浓度升高是伴随PH指标降低的，所以不难监测到废水中氢气的变化情况，但废水本身有一定的缓冲能力，所以完全通过PH下降来判断氢气浓度的变化有一定的滞后性，所以通过监测废水中氢气浓度的变化是对整个反应器反应状态一个快捷的表现形式。
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