第4章 活性污泥处理法
4.1 活性污泥处理法概述
4.1.1 活性污泥处理法的基本概念是什么？
生物处理的目的是去除有机物和植物性营养物以及通过生物絮凝去除胶体颗粒，同时也可以获得能量和产品，主要机理是微生物代谢。1912年，英国的Clark和Gage发现对污水进行长时间曝气会产生污泥，同时水质会得到明显的改善。继而Arden和Lockgtt对这一现象进行了研究。
活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的方法。活性污泥法是向废水中连续通入空气，经一定时间后因好氧活性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物，其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。该法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养形成活性污泥，并利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物，然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流，多余部分则排出活性污泥系统。
4.1.2 活性污泥法的基本工艺流程是什么？
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。其基本工艺流程如图4-1所示。
图4-1 活性污泥法基本工艺流程
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，形成悬浮状态。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。活性污泥系统一般由以下各部分组成。
（1）曝气池
曝气池是反应主体，是生物降解的主要场所。
（2）二沉池
①进行泥水分离，保证出水水质；
②保证回流污泥，维持曝气池内的污泥浓度。
（3）回流系统
①维持曝气池的污泥浓度；
②改变回流比，改变曝气池的运行工况。
（4）剩余污泥排放系统
①去除有机物的途径之一；
②维持系统的稳定运行。
（5）供氧系统
主要由供氧曝气风机和专用曝气器构成，向曝气池内提供足够的溶解氧。
4.1.3 活性污泥法降解废水中有机物的过程是什么？
活性污泥去除污水中有机物的过程一般分为3个阶段。
（1）初期的吸附去除阶段
在该阶段，污水和污泥在刚开始接触的5～10min内就出现了很高的BOD去除率，通常30min内污水中的有机物被大量去除，这主要是由于活性污泥的物理吸附和生物吸附共同作用的结果。
活性污泥法初期吸附去除的主要特点包括以下几点：
①初期的吸附去除完成时间短，去除量大；
②去除的有机物对象主要是胶体和悬浮性有机物；
③活性污泥的性质与初期的吸附去除关系密切，一般处于内源呼吸期的活性污泥微生物吸附能力强，而氧化过度的活性污泥微生物初期吸附的效果不好；
④初期吸附有机物的效果与生物反应池的混合及传质效果密切相关；
⑤被吸附的有机物没有从根本上被矿化，通过数小时的曝气后，在胞外酶的作用下，被分解为小分子有机物后才可能被微生物酶转化。
（2）代谢阶段
活性污泥吸附了污水中呈非溶解状态的大分子有机物后，被微生物的胞外酶分解成小分子的溶解性有机物，与污水中溶解性的有机物一起进入微生物细胞内被降解和转化，一部分有机物质进行分解代谢，氧化为二氧化碳和水，并获得合成新细胞所需的能量；另一部分物质进行合成代谢，形成新的细胞物质。
（3）活性污泥絮体的分离沉淀
无论是分解还是代谢，都能去除有机污染物，但是产物却不同。分解代谢的产物是二氧化碳和水，而合成代谢的产物则是新的细胞，并以剩余污泥的方式排出活性污泥系统。沉淀是混合液中固相活性污泥颗粒同废水分离的过程。固液分离的好坏，直接影响出水水质。如果处理水挟带生物体，出水BOD和SS将增大。所以，活性污泥法的处理效率同其他生物处理方法一样，应包括二次沉淀池的效率，即用曝气池及二沉池的总效率表示，除了重力沉淀外，也可用气浮法进行固液分离。
4.1.4 活性污泥由哪几部分组成？
活性污泥中固体物质的有机成分主要是由栖息在活性污泥上的微生物群体组成。此外，活性污泥还夹杂着由流入污水挟入的有机固体物质，其中包括某些惰性的难以被细菌摄取、利用的难降解物质。活性污泥的无机组成部分则全部是由污水挟入的，至于微生物体内存在的无机盐，由于数量极少可忽略不计。这样可得出活性污泥由以下4部分组成：
①具有代谢功能的微生物群体；
②微生物内源代谢、自身氧化的残留物；
③由污水挟入难以被细菌降解的惰性有机物质；
④由污水挟入的无机物质。
4.1.5 活性污泥的评价指标有哪些？
（1）污泥浓度
指单位体积混合液含有的悬浮固体量或挥发性悬浮固体量，单位为mg/L或g/L。活性污泥法中适宜的污泥浓度一般为2500～4000mg/L。
（2）污泥沉降比
污泥沉降比（SV）是指将1000mL混匀的曝气池活性污泥混合液倒入1000mL量筒中，静置沉淀30min。沉淀污泥所占混合液体积之比为污泥沉降比，又称污泥沉降体积（SV30），以“mL/L”表示。因为污泥沉降30min后，一般可达到或接近最大密度，所以普遍以此时间作为测定该指标的标准时间，也可以污泥沉降15min为准。污泥沉降比是一个很重要的指标，通过观察污泥沉降比可以发现污泥性状的很多问题，如上清液是否清澈、是否含有难沉悬浮絮体、絮体粒径大小及紧凑程度等。
（3）污泥体积指数
污泥体积指数（Sludge Volume Index，SVI）是表示污泥沉降性能的参数。污泥指数反映活性污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。污泥指数过低，说明泥粒细小、紧密，无机物多，缺乏活性和吸附能力；指数过高，说明污泥将要膨胀，或已膨胀，污泥不易沉淀，影响对污水的处理效果。对一般城市污水，在正常情况下，污泥指数一般控制在50～150为宜。对有机物含量高的废水，污泥指数可能远超过以上数值。
（4）容积负荷
容积负荷是每立方米池容积每日负担的有机物量，一般指单位时间负担的五日生化需氧量千克数（曝气池、生物接触氧化池和生物滤池），或挥发性悬浮固体千克数（污泥消化池）。其计量单位通常以kg/（m3•d）表示。用容积负荷来评价生化装置的实际处理负荷及在相同条件下操作管理的优点是比较简便而直观的。
（5）水力停留时间
水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。因此，如果反应器的有效容积为V（m3），则：HRT=V/Q （其中V是曝气池池容积，Q是曝气池进水流量）。
4.1.6 活性污泥的培养与驯化应注意哪些方面？
所谓活性污泥的培养，就是为活性污泥的微生物提供一定的生长繁殖条件，即营养物质、溶解氧、适宜的温度和酸碱度等，在这种情况下，经过一段时间就会有活性污泥形成，并且在数量上逐渐增长，并最后达到处理废水所需的污泥浓度。驯化过程中，能分解废水的微生物得到发展，不能适应的微生物被逐渐淘汰。驯化过程中应根据微生物的需要加入养料。为了缩短培养驯化时间，可将培养、驯化两阶段合并起来进行。注意事项有：
①活性污泥培养过程中，应经常测定进水的pH值、COD、氨氮、曝气池溶解氧、污泥沉降性能等指标。活性污泥初步形成后，就要进行生物相观察，根据观察结果对污泥培养状态进行评估，并动态调控培菌过程。
②活性污泥的培菌应尽可能在温度适宜的季节进行。因为温度适宜，微生物生长快，培菌时间短。如只能在冬季培菌，则应该采用接种培菌法，所需的种污泥量要比春秋季多。
③培菌过程中，特别是污泥初步形成以后，要注意防止污泥自身过度氧化，特别是在夏季。有不少厂都发生过此类情况，这不仅增加了培菌时间和费用，甚至会导致污水处理系统无法按期投入运行。要避免污泥自身氧化，控制曝气量和曝气时间是关键，要经常测定池内的溶解氧含量，要及时进水以满足微生物对营养物质的需求。若进水浓度太低，则要投加大粪等以补充营养，条件不具备时可采用间歇曝气。
④活性污泥培菌后期，适当排出一些老化污泥有利于微生物进一步生长繁殖。
⑤工业废水处理厂在生产装置投产前往往没有废水进入，而一旦生产装置投产后，排放的废水就需及时处理。此时，应根据实际情况合理确定培菌时间，并提前准备接种污泥及养料等。如曝气池中污泥已培养成熟，但仍没有废水进入，应停止曝气使污泥处于休眠状态，或间歇曝气（延长曝气间隔时间、减少曝气量），以尽可能降低污泥自身氧化的速度。有条件时，应投加大粪、无毒性的有机下脚料（如食堂泔脚）等营养物。
⑥大部分的污水处理厂都有2个（格）以上的曝气池。这种情况下可先利用1个曝气池培养活性污泥，然后再输送到相邻其他曝气池进行多级扩大培养。本法适用于规模较大的污水处理厂。
4.1.7 污泥龄与污泥负荷是什么？
（1）污泥龄
污泥龄（Sludge Retention Time，SRT）是指在反应系统内，微生物从其生成到排出系统的平均停留时间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时间。从工程上说，在稳定条件下，就是曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余污泥数量的比。一般处理效率要求高，出水水质要求高，SRT应大一些，温度较高时，SRT可小一些。
（2）污泥负荷
单位重量的活性污泥在单位时间内要保证一定的处理效果所承受的有机污染物（BOD5），即F/M值。F/M较大时，由于食料充足，活性污泥中的微生物增长速率较快，有机污染物被去除的速率也较快，但此时活性污泥的沉降性较差；反之F/M较小时，由于食料不足，微生物增长速率较慢或不增长或减少，此时有机物被去除的速率也非常慢，但活性污泥的沉降性往往较好。一般F/M的值为 0.2～0.5kgBOD5/（kg MLVSS•d）。
4.1.8 活性污泥增殖过程是什么？
活性污泥微生物是多菌种混合群体，其生长规律比较复杂，但是也可用其增长曲线表示一定的规律。该曲线表达的是在温度和溶解氧等环境条件满足微生物的生长要求并有一定量初始微生物接种时，营养物质一次充分投加后，微生物数量随时间的增殖和衰减规律。活性污泥增长速率的变化主要是营养物或有机物与微生物的比值（通常用F/M表示），F/M值也是有机底物降解速率、氧利用速率、活性污泥的凝聚、吸附性能等的重要影响因素。根据微生物的生长情况，微生物的增殖可以分成以下4个阶段。
（1）第一阶段：停滞期（适应期）
本阶段是微生物培养的初期，活性污泥微生物没有增殖，微生物刚进入新的培养环境中，细胞中的酶系统开始对环境进行适应。本阶段微生物细胞的特点是：分裂迟缓、代谢活跃、一般数量不增加但细胞体积增长较快，易产生诱导酶。停滞期对于后续微生物功能的发挥是非常重要的。在实际应用中活性污泥法的启动初期会遇到这一阶段。
（2）第二阶段：对数增殖期
本阶段营养物质过剩，F/M值大于2.2。微生物的生长特点是代谢活性最强，组成微生物新细胞物质最快，微生物以最大速率把有机物氧化和转换成细胞物质。在这种情况下，活性污泥有很高的能量水平，特别表现在其活性很强，吸附有机物能力强，增殖速度快，另外也因能量水平高，导致活性污泥质地松散，絮凝性能不佳。
（3）第三阶段：减速增殖期
在本阶段由于营养物质不断消耗和新细胞的不断合成，F/M值降低，培养液中的有机物已被大量消耗，代谢产物积累过多，使得细胞的增殖速度逐渐减慢，活性污泥从对数增殖期过渡到减速增殖期，营养物质减少，微生物能量水平降低，细菌开始结合在一起，活性污泥的絮凝体开始形成，活性开始减弱，凝聚、吸附和沉降性能都有所提升。在此阶段，如果再添加有机物等营养物质，并排出代谢物，则微生物又可以恢复到对数增殖期，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在减速增殖期。
（4）第四阶段：内源呼吸期
经过减速增殖期后，培养液中的有机物含量继续下降，F/M值降到最低并保持一常数，微生物已不能从其周围环境中获取足够的能够满足自身生理需要的营养并开始分解代谢自身的细胞物质，以维持生命活动，活性污泥微生物的增殖便进入了内源呼吸期。在本阶段初期，微生物虽然仍在增殖，但其速率远低于自身氧化的消耗，活性污泥减少。在本阶段，营养物质几乎消耗殆尽，能量水平极低，絮凝体形成速率提高，这时细菌凝聚性能最强，细菌处于“饥饿状态”，吸附有机物能力显著，游离的细菌被栖息在活性污泥菌胶团表面上的原生动物所捕食，使处理水的水质显著澄清。
活性污泥增长曲线如图4-2所示。