生物法处理废水.docx

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生物法处理废水

生物法处理废水

研究污水的微生物处理就是研究微生物对废水中的有机物、营养盐类及重金属等物质去处的微生物学原理及其规律，并加以实际应用的一门科学.目前，常用于污水治理的方法可归纳为物理法、化学法、生物法。

物理法常作为一种预处理的手段应用于废水处理;化学处理法是指向废水中加入化学药剂如明矾等，使其与污染物发生化学反应而生成无害物的过程，这种方法也常常作为预处理方法使用；而生物处理法是利用微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水。

通过人为的创造适于微生物生存和繁殖的环境,使之大量繁殖,以提高其氧化分解有机物的效率。

它则作为末端处理装置广泛应用于各行业的废水处理中。

与物理法、化学法相比，微生物处理法具有经济、高效的优点，并可实现无害化、资源化,所以长期以来始终占重要位置。

根据使用微生物的种类,可分为好氧法、厌氧法和生物酶法等。

一好氧处理法

该办法是根据需好氧微生物生活的特点，提供充足的氧气,使好氧微生物大量繁殖,通过微生物的新陈代谢活动使废水中的有机物最终氧化分解成CO2、水、硝酸盐等简单的无机物,已达到净化污水的目的。

好氧处理方法包括:

活性污泥法、生物膜法

（一）活性污泥法

1912年英国人ClarkandCage发现对废水进行长时间曝气会产生污泥并使水质明显改善，其后ArdenandLackett进一步研究，发现由于实验容器洗不干净，瓶壁留下残渣反而使处理效果提高，从而发现活性微生物菌胶团,定名为活性污泥.活性污泥法是利用悬浮在废水中人工培养的微生物群体——活性污泥，对废水中的有机物和某些无机物产生吸附、氧化分解而使废水得到净化，是目前较为经济、应用广泛、处理效果较好的净化废水方法.

1影响活性污泥性能的环境因素

（1）溶解

　　生化处理的基本要素：

营养物、活性微生物、溶解氧，所以要使生化处理正常运行,供氧是重要因素。

一般说，溶解氧浓度以不低于2mg/L为宜（2—4mg/L）.

（2）水温

　　维持在15～25摄氏度，低于5摄氏度微生物生长缓慢。

（3）营养料

　　细菌的化学组成实验式为C5H7O2N，霉菌为C10H17O6原生动物为C7H14O3N，所以在培养微生物时，可按菌体的主要成分比例供给营养。

微生物赖以生活的主要外界营养为碳和氮,此外,还需要微量的钾,镁，铁,维生素等。

碳源——异氧菌利用有机碳源，自氧菌利用无机碳源。

氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。

一般比例关系：

BOD：

N：

P=100：

5:

1。

好氧生物处BOD5=500——1000mg/l

（4）有毒物质

　　主要毒物有重金属离子（如锌,铜，镍,铅，铬等）和一些非金属化合物（如酚，醛,氰化物，硫化物等）。

2基本流程　

典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成.1916年英国建成第一座污水处理厂,下图为活性污泥处理工艺基本流程。

污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液.从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中,目的是增加污水中的溶解氧含量,还使混合液处于剧烈搅动的状态,形悬浮状态。

溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触,使活性污泥反应得以正常进行。

第一阶段,污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上,这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。

同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物.

第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。

活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长,污水则得以净化处理.经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。

经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出,其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度;增殖的微生物从系统中排出,称为“剩余污泥".事实上,污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。

活性污泥法的原理形象说法：

微生物“吃掉"了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水。

它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化,污水净化的效果更好。

3活性污泥增长特点与净化作用

活性污泥中复杂的微生物与废水中的有机营养物形成了复杂的食物链。

最先担当净化任务的是异氧菌和腐生性真菌，细菌特别是球状细菌起者最关键的作用,优良运转的活性污泥，是以丝状菌为骨架由球状菌组成的菌胶团。

沉降性好，随着活性污泥的正常运行，细菌大量繁殖，开始生长原生动物，是细菌一次捕食者。

活性污泥常见的原生动物有鞭毛虫、肉毛虫、纤毛虫和吸管虫.活性污泥成熟时固着型。

的纤毛虫、种虫占优势；后生动物是细菌的二次捕食者，如轮虫、线虫等只能在溶解氧充足时才出现，所以当出现后生动物时说明处理水质好转标志。

4活性几种污泥工艺流

（二）生物膜法

生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法.生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体.生物膜自滤料向外可分为厌气层、好气层、附着水层、运动水层。

生物膜法的原理是,生物膜首先吸附附着水层有机物,由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解,流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的

1生物膜法基本特点：

优点：

（1）附着于固体介质表面上的微生物对水量，水质的变化有较强的适应性。

（2）固体介质有利于微生物形成稳定的生态体系,栖息微生物的种类较多，处理效率高。

（3）降解产物污泥量少。

（4）管理方便。

缺点：

（1）滤料表面积小，BOD容积负荷小.

（2）附着于固体表面的微生物量较难控制,操作伸缩性差.

（3）靠自然通风供氧，不如活性污泥供氧充足，容易产生厌氧。

2生物膜法类型：

（1）润湿型生物滤池、生物滤塔、生物转盘

（2）浸没型接触氧化、滤料浸没在滤池中

（3）流动床型生物活性炭、砂粒介质悬浮流动于池内

3生物膜法的基本流程

二厌氧法

该办法是指在无氧条件下通过厌氧微生物的作用,将污水中所含的各种复杂有机物经厌氧分解转化成甲烷和CO2等简单物质的过程。

其具有能耗低、有机负荷高、占地面积小、污泥产量少、能产生沼气等优点.厌氧微生物处理法可分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法.目前,主要使用的方法包括：

厌氧接触法、UASB、ABR、厌氧流化床等。

厌氧法的操作条件要比好氧法苛刻，但具有更好的经济效益，因此也具有重要的地位.通常为了取得更好的处理效果,将好氧法和厌氧法联合使用。

1影响因素

（1）温度条件

（2）pH值

一般认为,实测值应7。

2～7。

4之间为好。

低于7。

0时，pH值并不稳定，有继续下降的趋势。

低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。

如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能.最终使气化速率锐减，甚止停止.一般原液的pH值为6～8。

系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不超过3000mg/L为佳。

重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质.一般要求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于50～200ng/L为佳。

（3）氧化还原电位

高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为—500～—600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于—300～-380mV。

产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为—350mV或更低。

就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。

（4）负荷率

（5）污泥浓度

应器要求的污泥浓度不尽相同，一般介于10~30gVSS/L之间。

2厌氧消化的生化阶段

第Ⅰ阶段——水解产酸阶段

　　污水中不溶性大分子有机物,如多糖、淀粉、纤维素、烃类（烷、烯、炔等）水解，主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸;紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的书又把水解产酸分为二个阶段）.

第Ⅱ阶段——厌氧发酵产气阶段

　　第Ⅰ阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有机物在产甲烷菌的作用下，通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷.所以在水解酸化阶段COD、BOD值变化不很大，仅在产气阶段由于构成COD或BOD的有机物多以CO2和H2的形式逸出,才使废水中COD、BOD明显下降.

　　在酸化阶段，发酵细菌将有机物水解转化为能被甲烷菌直接利用的第1类小分子有机物,如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第2类为不能被甲烷菌直接利用的有机物,如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厌氧消化或发酵到此结束.如果继续全厌氧过程，则产氢、产乙酸菌将第2类有机物进一步转化为氢气和乙酸.

　　第Ⅱ阶段生化过程是产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质通过不同途径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸。

三生物酶法

生物酶处理有机物的机理是先通过酶反应形成游离基,然后游离基发生化学聚合反应生成高分子化合物沉淀。

与其他微生物处理相比,酶处理法具有催化效能高、反应条件温和、对废水质量及设备情况要求较低，反应速度快,对温度、浓度和有毒物质适应范围广，可以重复使用等优点。

李海英等进行了固定化微生物处理造纸漂白废水的研究，结果表明：

固定化细胞的酶活性及AOX去除率均高于自由菌液，对温度和pH的适应范围较宽.在对造纸漂白废水为期1个月的连续处理试验表明,在停留时间为2。

4h时，其去除率可稳定在65％~81％。

乔庆霞等进行了选育优势菌处理含氯漂白废水的研究，实验结果表明，优势菌在漂白中段水相对浓度为50%、pH为7。

0、菌液量为2mL时，对废水中有机氯化物和COD的综合处理效果较好。

生物酶是一种无毒、对环境友好的生物催化剂,其化学本质为蛋白质。

酶的生产和应用,在国内外已具有80多年历史,进入20世纪80年代，生物工程作为一门新兴高新术在我国得到了迅速发展,酶的制造和应用领域逐渐扩大，酶在纺织工业中的应用也日臻成熟，由过去主要用于棉织物的退浆和蚕丝的脱胶，至现在在纺织染整的各领域的广泛应用，体现了生物酶在染整工业中的优越性.现在酶处理工艺已被公认为是一种符合环保要求的绿色生产工艺,它不仅使纺织品的服用性能得到改善和提高，又因无毒无害,用量少，可生物降解废水，无污染而有利于生态环保的保护。

1生物酶的结构和特性　　　

　生物酶是具有催化功能的蛋白质。

象其他蛋白质一样，酶分子由氨基酸长链组成.其中一部分链成螺旋状，一部分成折叠的薄片结构，而这两部分由不折叠的氨基酸链连接起来,而使整个酶分子成为特定的三维结构。

生物酶是从生物体中产生的，它具有特殊的催化功能，其特性如下：

　高效性：

用酶作催化剂，酶的催化效率是一般无机催专一性：

一种酶只能催化一类物质的化学反应，即酶是仅能促进特定化合物、特定化学键、特定化学变化的催化剂。

　低反应条件：

酶催化反应不象一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，而可在较温和的常温、常压下进行.　

易变性失活：

在受到紫外线、热、射线、表面活性剂、金属盐、强酸、强碱及其它化学试剂如氧化剂、还原剂等因素影响时，酶蛋白的二级、三级结构有所改变。

所以在大生产时，如有条件酶还可以回收利用。

可降低生化反应的反应活化能：

酶作为一种催化剂，能提高化学反应的速率，主要原因是降低了反应的活化能，使反应更易进行。

而且酶在反应前后理论上是不被消耗的，所以还可回收利用。

2生物酶的作用机理　　

酶蛋白与其它蛋白质的不同之处在于酶都具有活性中心。

酶可分为四级结构：

一级结构是氨基酸的排列顺序；二级结构是肽链的平面空间构象；三级结构是肽链的立体空间构象;四级结构是肽链以非共价键相互结合成为完整的蛋白质分子.真正起决定作用的是酶的一级结构，它的改变将改变酶的性质（失活或变性）。

酶的作用机理比较被认同的是Koshland的“诱导契合”学说，其主要内容是:

当底物结合到酶的活性部位时，酶的构象有一个改变.催化基团的正确定向对于催化作用是必要的。

底物诱导酶蛋白构象的变化,导致催化基团的正确定位与底物结合到酶的活性部位上去。

生物酶技术应用于染整加工主要有两个方面：

（1）天然纤维织物的前处理加工，用生物酶去除纤维或织物上的杂质，为后续染整加工创造条件。

（2）织物的后整理加工，用生物酶去除纤维表面的绒毛,或使纤维减量,以改善织物的外观、手感和风格。

目前应用的生物酶主要有以下几种。

1果胶酶

　果胶酶主要是由果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶和果胶酯酶组成.果胶物质是高度酯化的聚半乳糖醛酸。

果胶酶作用于果胶物质时，果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶直接作用于果胶聚合物分子链内部的配糖键上,而果胶酯酶则使聚半糖醛酸酯水解,为聚半乳糖醛酸酶和果胶酸盐裂解酶创造更多的位置。

2脂肪酶

能将脂肪水解成甘油和脂肪酸，脂肪酸进一步进行B一氧化，每次脱下一个C2物，生成乙酰COA（N—环己基辛基胺）,进入TCA（三羧酸）环彻底氧化或进入乙醛酸环合成糖类。

脂肪酶（EC3。

2.2.3，甘油酯水解酶）是分解天然油脂的酶，其在纺织加工中主要用于绢纺原料脱脂处理；同时，只没在羊毛洗毛中是较好的助洗剂，能去除羊毛附生杂质、脂蜡,使羊毛获得可纺性；对棉织物进行精炼处理,能有效的去除棉的脂蜡；对涤纶进行处理，可改善涤纶表面的亲水性.　　

3蛋白酶

　　由微生物分泌的蛋白酶因菌种不同而异,例如枯草杆菌分泌明胶酶和酪蛋白酶,可以水解明胶和酪蛋白；费氏链酶菌分泌角蛋白酶，可以水解动物的毛、角、蹄的角蛋白。

蛋白酶将蛋白质分解成肽，再经肽酶水解成氨基酸。

4纤维素酶

是一个多组分酶体系,纺织工业中应用的纤维素酶大多数是由木酶属真菌制造的.纤维素酶中的纤维素二糖水解酶又称为外切纤维素酶，由CHBI和CHBII两种酶组成，而内切葡聚糖酶，又称为内切纤维素酶，至少由5种纤维素酶（EGI、EGII、EGHI、EGIV、EGV）组成.此外，还有13一葡萄糖醛酶。

这些纤维素酶在纤维素的水解中具有协同作用。

5过氧化氢酶

　过氧化氢酶是一种氧化还原酶，催化分解过氧化氢成为水和氧气,它主要用于漂白工艺后去除残余的双氧水，提高后继染色性能和质量，并且没有过量危险。

过氧化氢酶也可用于纱线染色机、溢流喷射染色机、绞盘染色机和卷染机等的氧漂生物净化处理。

6淀粉酶

　　淀粉酶是水解淀粉和糖原的酶类总称,通常通过淀粉酶催化水解织物上的淀粉浆料,由于淀粉酶的高效性及专一性，酶退浆的退浆率高,退浆快，污染少，产品比酸法、减法更柔软，且不损伤纤维。

淀粉酶的种类很多,根据织物不同，设备组合不同，工艺流程也不同，目前所用的退浆方法有浸渍法、堆置法、卷染法、连续洗等，由于淀粉酶退浆机械作用小,水的用量少，可以在低温条件下达到退浆效果，具有鲜明的环保特色。

　新型酶在纺织加工中的应用:

化学合成纤维和浆料在纺织中的地位是明显的,这些高分子聚合物不能进行生物分解和降解，造成环境的污染，目前研究人员正在研究新的酶种，通过筛选具有某种功能的菌种，进行基因改性成为高性能酶剂或通过克隆、转基因或的基因工程菌，制出新酶种,或根据化学生物结构和酶学原理定向合成新型酶剂等.这些新型酶剂成为仿酶，目前较成功的酶包括PVA分解酶、涤纶分解酶、分解锦纶寡聚物的基因工程菌、合成酶等.

四微生物应用于污水的深度处理方法

1微生物法除磷

早在二十世纪60年代，Shapiro和Levin等人就观察到了污水中微生物的除磷作用.经过进一步研究，认为污水生物除磷是通过微生物对磷的过量摄取作用完成的,这是一种完全的生物摄取过程.其反应原理是，除磷菌在厌氧条件下能分解细胞内的聚磷酸盐同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以PHB（聚-β—羟基丁酸盐）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排除胞外;这时细胞内还会诱导产生相当量的聚磷酸盐激酶。

聚磷酸盐分解后的无机磷盐释放至积磷菌体外，此即观察到的积磷细菌厌氧放磷现象。

一旦进入好氧环境,这类除磷菌又可利用聚-β-羟基丁酸盐氧化分解所释放的能量来摄取污水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐而贮存于细胞内.一般来说,微生物增殖过程中，在耗氧环境下所摄取的磷比在厌氧环境中所释放的磷多，污水生物除磷正是利用了微生物的这一过程.应用于污水处理厂的除磷细菌主要有:

不动杆菌属、气单胞菌属、假单胞菌属和肠杆菌属、枯草芽。

2微生物法除氮

由于氮化合物是营养物质,因而它的存在会引起藻类的过度增殖，造成水体的富营养化现象；大量藻类死亡时会耗去水中的氧,造成鱼类的死亡，而一些藻类的蛋白类毒素可能富集在水产生物体内，并通过食物链使人中毒,因此,除去水中的氮在污水处理过程中尤为重要。

生物脱氮是污水中的含氮有机物（如蛋白质、氨基酸、尿素、脂类、硝基化合物等,在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮；然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3—；最后再由反硝化细菌将NO3—还原转化为N2，从而达到脱氮的目的。

3微生物法除臭

微生物除臭技术是二十世纪50年代发展起来的新兴除臭技术，是利用微生物的生理代谢活动降解恶臭物质,将其氧化成无臭、无害的最终产物，达到除臭的目的。

目前，已知的恶臭气体种类有上万种，研究人员按气体的化学组分不同,将其分成5类:

（1）含S的化合物,如H2S、SO2、硫醇类、硫醚类；

（2）含N的化合物，如胺类、酰胺、吲哚类；（3）卤素及衍生物，如氯气、卤代烃；（4）烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃；（5）含氧的有机物,如醇、酚、醛、酮、有机酸等.

微生物除臭可分为5个阶段：

第一阶段为初步调整阶段,由于污染物中吸收与夹带了空气,在短时间内污染物处于好氧分解阶段,随着分解过程的推进，含氧量逐步下降；第二阶段为分解过程转移阶段，当内部空气耗尽,分解过程从好氧转入厌氧，此过程产生H2S、NH3、N2等；第三阶段为酸性阶段，产生有机挥发酸、CO2、H2等;第四阶段为产甲烷阶段,产生CH4、CO；第五阶段为稳定阶段.

微生物除臭的主要方法有：

生物过滤法和生物吸收法。

生物过滤法的原理是臭气从反应器的底部进入，通过附着在填料上的微生物，将O3中的污染物氧化分解为CO2、H2O、NO-3和SO2-4，达到O3净化的目的。

生物吸收法（也可称为生物洗涤法）多采用活性污泥的方法,先将恶臭成分转移到水中,然后，再将受污染的水进行微生物处理。

按气液接触方式分为两种形式：

曝气式和洗涤式。

生物除臭技术可以应用于很多方面：

污水处理、畜禽粪便的处理、城市生活垃圾的处理等方面。

4微生物法去除重金属

对于重金属的去除，物理、化学和微生物学原理的新型废水处理工艺不断涌现，其中微生物处理技术的应用尤为广泛。

近年来，随着研究不断深人，由海藻、真菌和细菌等微生物组成的生物吸附剂由于具有原料来源丰富、品种多、成本低，在低浓度下处理效果好、吸附容量大、速度快、选择性强，吸附设备简单、易操作等优点成为去除工业废水中重金属元素有效的净化方法。

无论是海藻、真菌或是细菌去除重金属污染物的原理都是吸附原理,它们在实际工作中各有其特点。

藻类的吸附特点是：

受细胞壁结构、细胞代谢及环境中的物理或化学因素的影响。

具体来说，藻类生物吸附受pH值、温度、竞争离子、藻种及培养时间、与金属离子的接触时间、离子浓度、培养基等多种条件影响。

菌类生物也有其独特的吸附特点：

细菌是地球上最丰富的微生物，发酵工业产生的大量废菌体（如啤酒酵母、面包醉母、根霉属菌、枯草杆菌等）都是良好的生物吸附剂。

真菌类微生物菌丝体粗大且具有吸附后易于分离、吸附量大等特点也是良好的生物吸附剂。

菌类生物膜吸附重金属的特点是：

受较多因素的影响，包括pH值、温度、金属离子浓度、摇速、生物膜的培养条件、共存重金属等。

实验表明，自然水体生物膜对镉、钴、铅、镍和铜吸附时，金属两两之间相互干扰，使生物膜对重金属的吸附量有所降低，所以菌类生物膜吸附时应针对一种金属离子，并在其最佳条件下做吸附效果最佳.

5微生物法处理含聚废水

随着工业的发展，石油的开采量也逐年增加，然而由于石油采出液含水率高达60%以上，由此引发了油田废水外排量的逐年上升，使得油田生态环境急剧恶化。

为了平衡油田污水的供、注矛盾，保护油田的生态环境，必须对含聚合物（PAM）的污水进行有效的处理。

目前,对此类污水采用微生物处理法是行之有效的措施.在有氧的条件及适宜的环境中，含油污水中的溶解性有机物透过细菌的细胞壁被细菌所吸收,固体和胶体等不溶性有机物先是附着在细菌体外,由细菌所分泌的一种特殊酶分解成可溶性物质，再渗入细胞体内，从而细菌通过自身的生命过程———氧化、还原、合成等把复杂的有机物降解成简单的无机物（H2O和CO2等）,放出的能量作为自身生存与繁殖的生命之源。

在适宜的条件（15～40℃）下微生物便以有机物为营养，实现生命的新陈代谢，达到净化废水的目的，对环境没有二次污染。

用来处理含聚物废水的微生物有硫酸盐还原菌、假单胞菌属中的产碱假单胞菌等。

作为自然环境中常见的土著菌，产碱假单胞菌在简单的有机化合物为碳源和能源的培养基中即可生长，因此，在各种环境中均有很强的竞争力，可广泛应用于水处理工程。