微生物在有氧条件下，吸附环境中的有机物，并将其氧化分解成无机物，使污水得到净化，同时合成细胞物质。微生物在污水净化过程，以活性污泥和生物膜的主要成分等形式存在。
（1）活性污泥法
又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气条件下，使污水净化的生物学方法。此法是现今处理有机废水的最主要的方法。
所谓活性污泥是指由菌胶团形成菌、原生动物、有机和无机胶体及悬浮物组成的絮状体。在污水处理过程中，它具有很强的吸附、氧化分解有机物或毒物的能力。在静止状态时，又具有良好沉降性能。活性污泥中的微生物主要是细菌，占微生物总数的90％～95％。,并多以菌胶团的形式存在，具有很强的去除有机物的能力，原生动物起间接净化作用。
活性污泥法根据曝气方式不同，分多种方法，目前最常用的是完全混合曝气法。污水进入曝气池后，活性污泥中的细菌等微生物大量繁殖，形成菌胶团絮状体，构成活性污泥骨架，原生动物附着其上，丝状细菌和真菌交织在一起，形成一个个颗粒状的活跃的微生物群体。曝气池内不断充气、搅拌，形成泥水混合液，当废水与活性污泥接触时，污水中的有机物在很短时间内被吸附到活性污泥上，可溶性物质直接进入细胞内。大分子有机物通过细胞产生的胞外酶将其降解成为小分子物质后再渗入细胞内。进入细胞内的营养物质在细胞内酶的作用下，经一系列生化反应，使有机物转化为C02、H2O等简单无机物，同时产生能量。微生物利用呼吸放出的能量和氧化过程中产生的中间产物合成细胞物质，使菌体大量繁殖。微生物不断进行生物氧化，污水中有机物不断减少，使污水得到净化。当营养缺乏时，微生物氧化细胞内贮藏物质，并产生能量，这种现象叫自身氧化或内源呼吸。
曝气池中混合物以低BOD值流入沉淀池。活性污泥通过静止、凝集、沉淀和分离，上清液是处理好的水，排放到系统外。沉淀的活性污泥一部分回流曝气池与未处理的废水混合，重复上述过程，回流污泥可增加曝气池内微生物含量，加速生化反应过程。剩余污泥排放出去或进行其他处理后继续应用。
（2）生物膜法
该法是以生物膜为净化主体的生物处理法。生物膜是附着在载体表面，以菌胶团为主体所形成的粘膜状物。生物膜的功能和活性污泥法中的活性污泥相同，其微生物的组成也类似。净化污水的主要原理是附着在载体表面的生物膜对污水中有机物的吸附与氧化分解作用。生物膜法根据介质与水接触方式不同，有生物转盘法、塔式生物滤池法等。
2.厌氧处理系统
在缺氧条件下，利用厌氧菌(包括兼性厌氧菌)分解污水中有机污染物的方法，又称厌氧消化或厌氧发酵法。因为发酵产物产生甲烷，又称甲烷发酵。此法既能消除环境污染，又能开发生物能源，所以倍受人们重视。污水厌氧发酵是一个极为复杂的生态系统，它涉及多种交替作用的菌群，各要求不同的基质和条件，形成复杂的生态体系。甲烷发酵包括3个阶段：液化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。
此法主要用于处理农业和生活废弃物或污水厂的剩余污泥，也可用于处理面粉厂、食品厂、造纸厂、制革厂、酒精厂、糖厂、油脂厂、农药厂或石油化工等工厂废水。
生物膜法污水生物处理的基本原理是：
使细菌和菌类相关的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥-生物膜。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。
生物膜法的基本定义的介绍：
是通过生长在填料（或滤料）表面的生物膜来处理废水。生物膜就是填料表层长满各种微生物的黏膜，依靠黏膜上大量微生物摄取废水中的有机污染物作为营养，从而使废水得到净化。在生物膜外附着一层薄薄的水层，称附着水层。
附着水流动很慢，其中有机物大多已被生物膜中的微生物摄取，其浓度要比流动水层中的有机物浓度低得多。因此，废水在滤料表面流动时，有机物就会从流动水层中转移到附着水层中，进一步被生物膜所摄取。与此同时空气中的氧气也将通过水层而进入生物膜。
生物膜上的微生物在有充足氧的条件下对有机物进行分解，将其转为无机盐和二氧化碳，二氧化碳沿着相反方向从生物膜经过水层排到空气中。从开始进水到生物膜成熟要经历潜伏期和生长期两个阶段。
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