滲入包氣帶的水首先被過濾，留下表層直徑較大的懸浮物，壹些溶解在水中的有害離子被吸附在顆粒表面，這就為某壹類以這些汙染物為生命代謝能量基質的細菌提供了非常有利的環境。經過壹系列復雜的生化作用，有害物質被分解成無害成分或逃逸到氣體中，從而降解有害物質。這就是包氣帶的自凈。在生化作用下，包氣帶表面懸浮物中的有機物進壹步分解，部分分解的有機酸溶於水後會進入包氣帶。在某些情況下，吸附在礦物表面的有害離子會被其他陽離子所替代，重新進入水中。所以過濾和吸附的退化只是暫時的。只有生化作用才能徹底降解有害物質。生化作用的強弱在壹定程度上表明包氣帶的自凈能力。
包氣帶上部滲透性好，往往形成壹個以好氧細菌群落為主的生物氧化帶，生物氧化是該帶的主要因素；曝氣區下部透氣性差，處於厭氧環境，有利於形成以厭氧菌群落為主體的生物還原區，生物還原是該區的主要作用。生物氧化和生物氧化還原是包氣帶中的兩種主要生化作用。
(1)生物氧化:
出現在富氧包氣帶的上部。在含氧介質條件下，好氧細菌在繁殖過程中將大分子有機物分解為小分子有機物，最後通過壹系列復雜的生化反應將有機物分解為無機鹽、水和二氧化碳。
例如，硝化細菌的硝化作用:
生態水文地質學
硝化作用的本質是氨(銨)態氮通過生物氧化生成硝態氮。反應的第壹步是(or) →，第二步是→。
(2)生物氧化還原:
出現在缺氧包氣帶的中下部。在厭氧環境中，脫硫菌、反硝化菌等厭氧菌以有機物為能源底物，在其生命過程中將有機物或有害成分分解為無機鹽、水、二氧化碳或其他氣體。
在厭氧環境中，厭氧細菌如脫硫細菌和反硝化細菌是進行生物氧化還原反應的主要微生物群落。
脫硫菌的最適繁殖溫度為25 ~ 30℃，最高為35 ~ 40℃，pH值適應範圍為5 ~ 9，最適pH值為6 ~ 7.5。它是兼性營養細菌，既可以異養，也可以自養。培養基中含有的有機鹽為脫硫菌群的增殖提供了良好的營養條件。脫硫菌在繁殖過程中會被還原成H2 S，作為其能量基質的有機物會被氧化成CO2。這壹過程可以用乳酸鹽來舉例說明:
生態水文地質學
同時，脫硫菌還含有氫化酶，氫化酶是用氫氣還原硫酸鹽的生物催化劑，也可以利用氫氣作為能源底物。在氫氣的存在下，脫硫菌很快還原硫酸鹽，其反應式為:
生態水文地質學
反硝化菌也是常見的厭氧菌，有自養和異養兩種，以異養為主。在生命的過程中，培養基中的有機物作為能量底物，會被還原成N2，適合在厭氧環境下繁殖。以葡萄糖為例，這個過程可以表示為:
生態水文地質學
含有有機物、NO3等物質的生活汙水或廢水滲入包氣帶，包氣帶首先被吸附降解，為包氣帶中某壹類細菌提供了非常有利的繁殖環境，這些細菌利用這些汙染物作為生命代謝的能量基質。
包氣帶上部滲透性好，往往形成以好氧菌群為主的生物氧化帶；曝氣區下部透氣性差，由於生物氧化區上部基本缺氧，處於厭氧環境，有利於形成以厭氧菌為主體的生物還原區。當生物氧化區和生物還原區形成時，細菌群落將滲入水中帶來的有機物、NO3等汙染物分解成氣體和無機鹽，從而凈化滲入汙水。
為了說明包氣帶中生化作用對水中有害物質的降解，以造紙廢水中COD的自然降解為例(曹文兵，2000)。
現場試驗場地位於中原油田采油廠附近的黃河沖積平原上，緊鄰有四年造紙廢水排放歷史的下水道，面積40×50m2，無汙水灌溉歷史。采樣觀測系統由10個采樣觀測井組成。U1-3取樣觀察井修建在水位下降後的汙水池裸露底部。為了解汙水池底部包氣帶的結構和水化學特征，分別在0.5m、4m和10m深度提取飽和土壤和滲濾液樣品。實驗中，* * *取了46個化學樣本和8個細菌樣本，整個實驗持續了38天。
場地水文地質結構:包氣帶厚度13.20m，巖性自上而下為:黑色泥質泥炭層厚度1m(僅出現在下水道底部)，黃色砂土厚度5m，黃色紅壤土厚度12m，細砂含水層厚度20m。試驗場地和包氣帶結構圖分別見圖4-10A和圖4-10B。
圖4-4-10A試驗場觀察系統平面圖
圖4-4-10B試驗場的充氣區剖面圖
從采樣分析結果可以看出，汙水池底部包氣帶的COD和含量隨深度變化規律，可分為三個特征段。見圖4-11。
圖4-汙水池底部COD含量隨深度+01的變化
1)上段:0.0~0.5 m，巖性為黑色泥質泥炭層，富含有機質。該斷面COD和COD隨深度迅速增加，最大值分別為1205.76 mg/L和723.01 mg/L(分別是汙水中含量的2.5倍和22倍以上)，增長率隨深度變化。這部分是氧化區。由於汙水中木質素、纖維素等有機物的不斷沈積，給該段帶來了充足的有機物。在氧氣和細菌的綜合作用下，木質素、纖維素等有機物不斷分解，產生大量可溶性有機鹽，使COD含量增加。另外，在有機物分解過程中，氧氣同時氧化其中的S，使地下水的含量同步增加，生物氧化是這壹段的主要部分。
2)中段:0.5~4.0m，厚3.5m，上部為灰黃色粘質粉土，含較多有機質。COD和含量隨深度增加而降低，降低率分別為3.23mg/l·cm和0.895mg/l·cm。其中脫硫細菌發育良好，細菌含量為(10 ~ 100) × 103。由於上段生物氧化作用較強，當水滲入這壹段時，溶解氧基本耗盡，使其處於厭氧狀態。水中的有機鹽為脫硫菌群的繁殖提供了良好的營養條件。在繁殖過程中，脫硫菌會被還原成H2 S，同時作為能源底物的有機鹽被氧化成CO2。由於該段處於厭氧環境，存在大量的有機鹽，因此以脫硫菌為主體的生物氧化還原反應強烈，使得有機鹽消耗迅速，導致COD顯著下降。這部分是壹個強生物氧化還原區。
3)下段:4 ~ 10 m，巖性為黃色粘質，有機質較差。雖然COD和含量隨深度增加而降低，但降低速率明顯減小，分別為0.65438±0mg/L·cm和0.95mg/L·cm。由於有機鹽和鹽大部分已在中段被消耗，有機鹽和鹽的濃度大大降低，不利於脫硫菌的發展。檢測到的脫硫菌數量小於1000個/L，相應的生物還原反應速度變慢，COD和降解率也降低。這部分是壹個弱生物氧化還原區。
包氣帶對造紙廢水中有機物的降解是壹個復雜的生化降解過程，包氣帶中形成的生化層對廢水中有機物的降解起著至關重要的作用。生化層在自然狀態下自然形成，由生物氧化區和生物氧化還原區組成。形成過程明顯具有階段性:初始階段，汙水進入包氣帶，經過充水和吸附的過程，包氣帶內形成有利於微生物群落繁殖的環境；然後在曝氣區的上部形成生物氧化區，下部形成以脫硫菌生化作用為主的氧化還原區。只有當生物還原帶形成時，生化層才是成熟的，具有有機物的生化降解能力。生化層的空間分布僅限於下水道底部包氣帶中有垂直滲流的部分。生化層的發育與包氣帶的厚度有關。並且直接影響COD的降解效果，兩者之間大致有以下關系。見表4-4。
下水道正下方有壹條具有供水潛力的古河道，為潛水含水層，包氣帶厚度12 ~ 14m。古河道上遊地下水中，COD、Cl-離子背景值分別為1.73 mg/L、29.13 mg/L和65438。在汙水在包氣帶中遷移的過程中，只有Cl-離子受吸附、離子交換和生物降解的影響很小。因此，可以根據Cl-離子含量的變化來判斷汙水是否通過包氣帶進入地下水。
由表4-5可見，汙水中Cl-離子和COD的含量分別為446.61 mg/L和484.80 mg/L。U4-2和U3-2孔中Cl-離子含量分別為87.63 mg/L和174.36 mg/L，表明汙水已通過包氣帶進入含水層。由於生化層對汙水中COD的自然降解，約98%的COD被降解，只有約2% ~ 3%的COD進入含水層，對含水層的水質影響不大。實踐證明，包氣帶對汙水中COD的自然生物降解有非常顯著的影響。
表4-4包氣帶厚度與生化層發展的關系
繼續的
表4-5古河流地下水質量分析表