7．2　活性污泥法的理论基础

7．2．1　活性污泥

活性污泥是由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及吸附的污水中有机和无机物质组成的、具有一定活力和良好的净化污水功能的絮绒状污泥。

1．活性污泥的性状

在显微镜下，正常的活性污泥为类似矾花状的不定型絮凝颗粒、粒径为0．02～0．2mm，正常颜色为茶褐色或黄褐色，供氧不足或厌氧状态时呈现黑色，供氧过多或营养不足时呈灰白色。活性污泥结构疏松，比表面积通常在20～100cm3／mL之间，表面积较大。曝气池混合液相对密度为1．002～1．003，回流污泥相对密度为1．004～1．006。正常的活性污泥略显酸性，具有类似土壤的气味并挟带霉味。

2．活性污泥的组成

在正常的活性污泥上，栖息着大量的细菌、真菌、原生动物和微型后生动物等多种微生物群体。微生物群体常以菌胶团的形式存在，游离状态的较少。菌胶团是由细菌分泌的多糖类物质包覆细菌而形成的团块，是活性污泥的结构和功能中心。当污水和污泥絮体接触时，絮体中的微生物（主要是细菌）便以易降解的有机物等物质为底物进行新陈代谢，同时通过污泥絮体的絮凝和吸附，去除污水中的悬浮或胶体态的其他物质。通过这一过程，微生物得以生长繁殖，污水也得到净化。除了微生物以外，活性污泥还凝聚和吸附有一些无机物、未被微生物分解的有机物以及微生物自身代谢的残留物。

7．2．2　活性污泥法的工艺流程

活性污泥法的工艺流程主要由曝气池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除系统组成，如图7－1所示。

污水与回流污泥同时进入曝气池，采用压缩空气向曝气池混合液曝气。曝气的作用，一是为活性污泥中的好氧微生物提供充足溶解氧，二是起搅拌作用使活性污泥保持悬浮状态。曝气池是一个生物反应器，通过好氧代谢作用处理相关污染物。曝气池流出的混合液进入二次沉淀池进行固液分离。从二次沉淀池出来的沉淀污泥一部分回流至曝气池，称为回流污泥。回流污泥的重要作用在于它使固体停留时间，或者微生物的停留时间大于溶解态污染物的停留时间，使得曝气池内的微生物保持一定的量和浓度。曝气池中的生化反应使得微生物增殖，增殖的微生物经过二次沉淀池固液分离后从底泥中排出，以维持曝气池活性污泥总量和浓度的稳定，这一部分污泥称为剩余污泥。显然，一定时间内剩余污泥的排放量应等于活性污泥的增殖量，以保持曝气池内污泥浓度的稳定。若增殖的污泥不及时排除，会使池中微生物浓度太高，造成缺氧；如果排出量大于增殖量，会造成池内微生物的量不足，影响处理效果。

从基本流程可以看出，要使活性污泥法有效，活性污泥除了具有良好的氧化分解有机物的能力外，还应具有良好的絮凝沉淀性能，以利于污泥在沉淀池中进行泥水分离，使出水达标。

7．2．3　活性污泥净化过程与机理

活性污泥去除有机污染物是由吸附和稳定两个阶段组成，污水中的有机物先被活性污泥吸附，然后逐渐被微生物所利用。

在吸附阶段，由于活性污泥具有巨大的表面积，而在这些表面上活性微生物细胞壁外围又存在着多糖类黏性物质，使得活性污泥具有良好的吸附性能。在污水和活性污泥接触后，污水中的有机物能够很快地被吸附到活性污泥上来。只要条件适当，活性污泥在与污水初期接触的20～30min内，就可以去除75%以上的BOD，吸附过程一般在45min左右即可完成。

稳定阶段是微生物降解和利用有机物的过程。溶解性有机物被吸附到细胞表面后，随即透过细胞膜；呈胶体态的大分子有机物被吸附后，首先在胞外水解酶的作用下被分解成小分子物质，然后这些小分子物质选择性地透过细胞膜。透过细胞膜的有机物即可被微生物降解。稳定过程较吸附过程要慢，延续时间也较长，因此如果要将有机物稳定，传统活性污泥法的曝气时间一般为6～8h。

活性污泥吸附有机物的吸附量和污水中有机物的形态有关，如果污水中悬浮态的或胶体态的有机物含量高，则吸附量也大。此外，还与污泥的状态有关：如果吸附与稳定失去适当的平衡，原吸附的有机物未氧化分解完全，则吸附量就小；如果原吸附于污泥上的有机物代谢彻底，则二次吸附时的吸附量就大。但若回流污泥经历了长时期曝气，使微生物进入内源呼吸期，活性降低，则再吸附能力也降低，吸附量也就低。

从上述去除有机物的机理可以知道，从污水中去除有机物的量并不是完全等于被微生物氧化分解和利用的量，去除量包含被微生物利用的量和吸附量两部分。被微生物利用的量包括被微生物氧化分解所生成的产物的量和微生物的增殖量。吸附量包括微生物能利用而尚未利用的量和微生物不能利用的量。

7．2．4　活性污泥的性能指标

1．混合液悬浮固体浓度

混合液悬浮固体浓度（Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS）又称污泥浓度，是指单位体积混合液中含有的悬浮固体的质量，单位为mg／L或g／L。

由于MLSS比较容易测定，因此在工程实际中应用较普遍，是活性污泥法工艺重要的设计和运行参数。由于MLSS包含Me、Mi和Mii这3部分，且没有生物活性，因此MLSS仅能非常粗略地表示混合液中微生物浓度的大小。

2．混合液挥发性悬浮固体浓度

混合液挥发性悬浮固体浓度（Mixed Liquor Volatile Suspended Solids，MLVSS）又称为挥发性污泥浓度，是以MLSS中有机物质的质量表示的浓度。由于不含活性污泥中的无机悬浮固体，MLVSS作为混合液中活性微生物的浓度比MLSS更准确，但测定相对困难。

MLVSS／MLSS的值与处理系统中的固体停留时间、底物浓度以及污水中惰性物质的含量等因素有关，但对于同一系统，该值相对稳定，因此，MLSS和MLVSS仅仅是数值不同，而其使用价值基本相当。MLVSS和MLSS虽然都不够精确，但由于测量较容易，仍然可以在一定程度上表示混合液中微生物的含量。对于以生活污水为主的城镇污水处理厂MLVSS／MLSS约为0．75。

3．污泥沉降比

污泥沉降（Settled Volume，SV）比指曝气池混合液在量筒内静置沉淀30min后，沉淀污泥与原混合液的体积比，通常采用1000mL的量筒来测量，也可采用100mL的量筒。正常的活性污泥在静沉30min后，一般可接近其最大密度，故在测定污泥沉降比时以30min沉淀时间为准。

SV表示活性污泥的沉降、浓缩性能，其大小可反映曝气池正常运转时的污泥量，可用来控制污泥回流量及排放量，还可与污泥体积指数等指标相结合，及时反映出污泥膨胀等异常现象。一般城市污水处理厂的SV值在15%～30%内，SV超过正常运行范围，则要分析原因。若SV过高且污泥浓度过大，则要排放部分污泥；若是污泥凝聚沉降性差，则要结合污泥体积指数情况，查明原因，采取措施。如SV突然增大，往往说明发生了污泥膨胀。如果SV的值正常，但二沉池沉淀效果不佳，可以推断二沉池的运行出现问题，如污泥层太高、污泥反硝化和设备故障等。

4．污泥体积指数

污泥体积指数（Sludge Volume Index，SVI）是指曝气池混合液经30min静沉后，1g干污泥所形成的污泥体积，单位为mL／g，但一般只用数字，略去单位。

SVI能够反映污泥的凝聚、沉降性能。SVI值在100～150之间时，污泥沉降性能良好；SVI＞200时，污泥沉降性能差，污泥可能膨胀；SVI值太低，说明泥粒细小，污泥中无机物含量高，虽易于沉降，但污泥活性差，故一般不希望SVI＜50。SVI值的大小与水质有关。当工业废水中溶解性有机物含量高时，正常的SVI值偏高，而当无机物含量高时，正常的SVI值可能偏低。影响SVI值的因素还有温度、污泥负荷等。

在实际运行中，当曝气池正常运行时，MLSS变化不大，由SV值可以了解SVI的值，进而推知污泥的沉降性能。这种方法既简单，又迅速。

7．2．5　活性污泥增长规律与净化作用

活性污泥微生物群体的生长曲线与纯种细菌生长曲线颇为相似。按微生物的生长速率，其生长过程可分为4个阶段，即适应期、对数生长期、相对静止期和衰亡期，如图7－2所示。

1．适应期（延迟期）

将少量细菌接种至某一培养基中，细菌需要对环境适应一段时间后才能生长繁殖。适应期的长短，与菌种的特性、接种量、菌龄以及新环境条件等因素有关，短则几分钟，长则几小时。在此阶段，细胞体积增大，抵抗力弱，微生物增长速率为零。

2．对数生长期

对数生长期在生长曲线中表现为上升的一段曲线，见图7－2。微生物经过适应期的调整和适应后，当废水中的有机物浓度高、营养物质丰富且其他条件适宜时，则会进入对数生长期。在这一阶段，有机物以最大的速率被氧化分解和转化为新的细胞物质，微生物的增长速率与其生物量成正比，微生物的数量呈指数规律增加，但与有机物浓度无关。微生物处于分散状态，污泥的絮凝性和沉淀性很差。用显微镜观察能看到较多的游离细菌，混合液不易沉淀，沉淀后其上层液浑浊，用滤纸过滤时滤速较慢。

3．相对静止期（稳定期）

在经过对数生长期后，废水中的营养物质浓度较低，污泥浓度较高，营养物不再过剩而成为微生物生长的限制因素，加之代谢产物大量累积对微生物的生长繁殖产生阻碍，致使微生物的生长受到抑制，死亡速率逐渐升高，新生的微生物数量与死亡数量基本平衡。这时，微生物从对数生长期过渡到相对静止期。在这一时期，微生物的增长速率与现存的营养物浓度成比例，有机物去除速率与残存有机物浓度成一级反应式；活性污泥具有一定的活性，但低于对数增长期；由于营养物质少，细菌分泌物增加，细菌之间变得易于黏附，污泥絮体开始形成，混合液沉淀后上层液清澈，用滤纸过滤时滤速快。因此，这一阶段的活性污泥不但具有一定的氧化分解有机物的能力，而且沉降性能良好。

4．衰亡期（内源呼吸期）

在相对静止期后，微生物生长所需的基质贫乏，微生物开始利用自身原生质进行内源呼吸，即自身溶解（简称自溶）。在此阶段，细胞死亡率超过新细胞的增长速率，此时，微生物除了利用自身储存的物质外，还利用死亡微生物残体作为摄取营养的来源。在生长曲线上，衰亡期对应的是一条下降曲线。处于衰亡期的污泥吸附能力强，但活性较低，污泥松散，沉降性能好，混合液沉淀后上清液清澈，但有细小泥花，以滤纸过滤时滤速快。

处于相对静止期和衰亡期的微生物对于废水的生物处理具有重要意义。利用相对静止期的微生物，常规的活性污泥法处理工艺可取得较好的处理效果。而对数生长期的微生物由于代谢过于旺盛，细胞表面尚未形成黏液层和荚膜，微生物运动异常活跃，难以自行凝聚成菌胶团，出水水质和污泥的沉淀性能均较差。在采用延时曝气法处理低浓度有机废水时，利用处于衰亡期的微生物可取得较好的处理效果。

微生物的生长曲线对于生物处理系统的运行具有重要的指导意义。如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中，或污水处理厂因故中断运行后再运行，则活性污泥中的微生物可能需要一个适应期。这种情况下，污泥需经过若干时间的适应后才能适应新的废水，或从衰老状态恢复到正常状态。如果控制在对数生长期，效果未必好，因为在这个时期，微生物的活性虽然很强，但废水的有机物和其他营养物质的浓度高，出水不易达标。此外，污泥絮凝性差，不易凝聚和沉降，泥水分离困难。如果将微生物控制在衰亡末期也不可行，因为虽然出水有机物浓度低，但微生物氧化分解能力低，反应速率慢，要求反应器体积大。一般将活性污泥控制在稳定期末期和衰亡初期，不但活性污泥具有一定的氧化分解能力，而且沉降性能和吸附性能良好，污水中有机物浓度较低，出水易达标。

使微生物处于不同生长期的根本原因是环境中营养物质的量（F）和微生物数量（M）之比（F／M），也就是说，通过控制F／M的值便可以得到一定的污泥活性、絮凝沉淀性和处理效果。