活性污泥法工艺的原理解析

一、活性污泥的形态、组成与性能指标

1.活性污泥法工艺

        活性污泥法工艺是一种应用最广泛的废水好氧生化处理技术，其主要由曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统等组成（图2-5-1)。废水经初次沉淀池后与二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，通过曝气，活性污泥呈悬浮状态，并与废水充分接触。废水中的悬浮固体和胶状物质被活性污泥吸附，而废水中的可溶性有机物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的营养，代谢转化为生物细胞，并氧化成为最终产物(主要是CO2)。非溶解性有机物需先转化成溶解性有机物，而后才被代谢和利用。废水由此得到净化。净化后废水与活性污泥在二次沉淀池内进行分离，上层出水排放；分离浓缩后的污泥一部分返回曝气池，以保证曝气池内保持一定浓度的活性污泥，其余为剩余污泥，由系统排出。

2.活性污泥的形态和组成

        活性污泥通常为黄褐色（有时呈铁红色）絮绒状颗粒，也称为“菌胶团”或“生物絮凝体”，其直径一般为0.02~2mm；含水率一般为99.2%~99.8%，密度因含水率不同而异，一般为1.002~1.006g/m3；活性污泥具有较大的比表面积，一般为20~100cm2/mL。

        活性污泥由有机物及无机物两部分组成，组成比例因污泥性质的不同而异。例如，城市污水处理系统中的活性污泥，其有机成分占75%~85%，无机成分仅占15%~25%。活性污泥中有机成分主要由生长在活性污泥中的微生物组成，这些微生物群体构成了一个相对稳定的生态系统和食物链（如图2-5-2所示），其中以各种细菌及原生动物为主，也存在着真菌、放线菌、酵母菌以及轮虫等后生动物。在活性污泥上还吸附着被处理的废水中所含有的有机和无机固体物质，在有机固体物质中包括某些惰性的难以被细菌降解的物质。

3.活性污泥的性能指标

(1) 污泥浓度指标

        混合液悬浮固体浓度（MLSS），也称为“混合液污泥浓度”，表示活性污泥在曝气池混合液中的浓度，其单位为mg/L或kg/m3。混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS),表示有机悬浮固体的浓度，其单位为爪mg/L或kg/m3。在条件一定时，MLVSS/MLSS比值是比较稳定的，城市污水一般在0.75~0.85之间，不同废水的MLVSS/MLSS值有异。

(2) 污泥沉降性能指标

        ①污泥沉降比(SV）又称30min沉淀率。SV是指从曝气池中取出的混合液在量筒（一般是100mL）中静置30min后，立即测得的污泥沉淀体积与原混合液体积的比值，一般以%表示。SV值能相对地反映出污泥浓度、污泥的凝聚和沉降性能，可用于控制排泥量和及时发现初期的污泥膨胀。一般认为SV值的正常值为20%~30%。由于SV值的测定方法比较简单快捷，故成为评定活性污泥质量的重要指标之一。

        ②污泥体积指数（SVI）是指曝气池出口处的混合液经30min静置沉淀后，1g干污泥所形成的沉淀污泥体积，其单位mL/g其计算为：

        SVI值比SV值更能够准确地评价污泥的凝聚性能及沉降性能。一般来说：若SVI值过低，则表明污泥粒径小、密实、无机成分含量高；若SVI值过高，则表明污泥沉降性能不好，将要发生或已经发生污泥膨胀。

对于城市污水而言，SVI值一般为50~150mL/g；对于工业废水，SVI值在上述范围之外，也属正常。例如，北京高碑店污水厂工业废水的含量超过50%，SVI长年在200~300mL/g之间，也无污泥溢出现象，处理效果良好。另外，对于高浓度活性污泥系统，即使污泥沉降性能较差，由于MLSS其较高，故其SVI值也不会很高。

        因此有人建议将活性污泥膨胀定义为：由于某种原因，活性污泥沉降性能恶化，SVI值不断增加，沉淀池的污泥面也不断上升，最终导致污泥流失，使曝气池中的MLSS浓度降低，从而破坏了正常处理工艺操作的污泥，这种现象称为污泥膨胀。

        另外，由于SVI值的测量受许多因素（如所用容器的直径、污泥初始浓度及搅拌等）的影响，所以，一般在各个污水厂测得的SVI值之间不具可比性。为此人们对污泥指数的测定提出一些修正，考虑到污泥浓度对SVI值的影响，有人建议采用稀释的污泥体积指数(DSVI)作为标准方法，建议稀释后的污泥浓度采用1.5g/L。而在英国是采用搅拌的污泥体积指数（SSVI），模拟二次沉淀池中污泥的沉淀情况，安装一个慢速搅拌装置于量简（体积为1L，髙度为38.4cm）中，污泥浓度也模拟在二沉池中实际的污泥浓度，取为3.5g/L。

二、活性污泥的微生物及其生态学

        活性污泥中的微生物体主要由各种细菌和原生动物组成，同时还存在着真菌和以轮虫为主的后生动物。原生动物以细菌为食物，后生动物以细菌和原生动物为食物。在活性污泥中的有机物、细菌、原生动物和后生动物构成了一个相对稳定的生态系统和食物链。

1.活性污泥的食物链

        活性污泥中的微生物可分为几类：形成活性污泥絮体的微生物、腐生生物、捕食者及有害生物。活性污泥微生物集合体的食物链见图2-5-2。

        腐生生物是降解有机物的生物，以细菌为主。显然，这些细菌中包括被看作形成絮体的大多数细菌，也可能包括不絮凝的细菌，但它们被包裹在由第一类细菌形成的絮体颗粒中。腐生生物可分为初级和二级腐生生物，前者用于降解原始基质，而二级腐生生物则以初级腐生生物的代谢产物为食，这充分表明在群落中具有高度的偏利共生性。

        在活性污泥的群落中主要的捕食者是以细菌为食的原生动物及后生动物，在数量上，大约为103个/mL。在活性污泥中大约发现230多种原生动物，它们在系统中可能占生物固体量的5%。其中，纤毛虫几乎都捕食细菌，通常为占优势的原生动物。由于原生动物及后生动物的数量会随着污水处理的运行条件及处理水质的变化而变化，所以，可以通过显微镜观察活性污泥中的原生动物及后生动物的种类来判断处理水质的好坏。因此，一般将原、后生动物称为活性污泥系统中的指示性生物。

        所谓的有害生物是指那些达到一定数目时就会干扰活性污泥处理系统正常运行的生物。通常认为，丝状菌及真菌对污泥沉淀效果有影响。即使当丝状生物的数量在整个生物群落中所占的百分比很小时，污泥絮体的实际密度也会降低很多，以致于污泥很难用重力沉淀法来有效地进行分离，从而最终影响出水水质，这种情况通常叫做丝状菌污泥膨胀（简称污泥膨胀）。目前人们已知有近30种不同类型的丝状菌会引起污泥膨胀。

2.活性污泥的结构

        在活性污泥工艺中，将千万个细菌结合在一起形成絮凝体状的细菌称为菌胶团细菌。菌胶团细菌在活性污泥中具有十分重要的作用，只有在菌胶团发育良好的条件下，活性污泥的絮凝、吸附及沉降等功能才能正常发挥。形成絮体的细菌在处理过程中起着非常重要的作用，它们有助于从处理过的废水中分离污泥。

        通过对活性污泥中种群动态学的研究，人们认识到，活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌形成一个共生的微生物体系。当活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌处于平衡状态时，丝状菌作为污泥絮体的骨架，菌胶团细菌附着在其表面，形成结构紧密、沉降性能良好的污泥絮体。随着絮体尺寸增大到某一临界值后，絮体内部条件不利于菌胶团细菌和丝状菌的繁殖，丝状菌伸展出来，沉降性能开始变差。后来，污泥絮体开始解体，污泥的沉降性能更差。破碎后的小指状污泥又利于菌胶团细菌的生长，此时扩散能力改善，菌胶团细菌又可直接从溶液中吸取营养和基质，故又可出现菌胶团细菌和丝状菌的生长平衡状态，如此完成絮体形态上的一个循环。

        由此可见，菌胶团细菌和丝状菌的共生体系是一种接近于自然界的混合培养体系，存在着这两类微生物之间在时间和空间上的动态生态学的相互作用。在该体系中，丝状菌的重要作用有：

        (1)保持污泥絮体的结构，形成沉淀性能良好的污泥从Seagin等人关于絮体结构的学说中可知，由丝状菌形成污泥絮体的骨架，这对于保证污泥絮体的强度有很大作用；若缺少丝状菌,则污泥絮体强度降低，抗剪力变差，往往会造成出水的混浊。

        ⑵高的净化效率，低的出水浓度从动力学参数方面比较，丝状菌的Ks及μmax均比菌胶团的低，而按莫诺德(Monod)方程，由于菌胶团的Ks,、μmin大于丝状菌的，因而菌胶团的Smin值也高于丝状菌的；可见在丝状菌存在（但不是大量存在）的条件下可以获得高质量、低浓度的出水，从而保证了净化效果。

        (3)保持丝状菌和菌胶团菌的共生关系从大量的实际工程运转资料可以得出，活性污泥中丝状菌含量太高或太低均不适宜。前者虽能使出水浓度低，但沉淀性能差；后者沉降性能好，但出水中含有较多的细小悬浮物。但如果采用一定的方法，使曝气中的生态环境有利于选择性地发展菌胶团细菌，应用生物竞争的机制抑制丝状菌的过度生长和繁殖，从而利于控制污泥膨胀的发生发展，称之为环境调控。总之，废水处理的最终目标是出水清澈、沉降性能好，为实现这一目标，应合理地控制丝状菌，使其在一个合理的范围之内。

3. 活性污泥的功能

        活性污泥中存在大量的腐生生物，其主要功能是降解有机物。细菌是有机物的净化功能中心。同时，活性污泥中还存在硝化细菌与反硝化细菌。其在生物脱氮中起着非常重要的作用。尤其在废水中氮的去除日益受到重视的形势下，这两类菌及它们之间的关系就显得更重要了。

进行硝化作用的微生物有：

        (1)亚硝化细菌和硝化细菌，它们均为化能自养菌，专性好氧，分别从氧化NH3和N02-的过程中获得能量，以C02为唯一碳源，产物分别为NO2-及N03-；它们要求中性或弱碱性环境（pH=6.5~8.0），在pH〈6时，作用显著下降。

        (2)好氧的异养细菌和真菌，如节杆菌、芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、姆拉克汉逊酵母、黄曲霉、青霉等能将NH4+氧化为N02-及NO3-，但它们并不依靠这个氧化过程作为能量来源的途径，它们相对于自然界的硝化作用而言并不重要。

        硝化菌对环境的变化很敏感，DO≥1mg/L，pH=8.0~8.4，BOD5≤15~20mg/L，适宜温度=20~30℃；硝化菌在反应器内的停留时间即生物固体平均停留时间，必须大于其最小的世代时间。

        进行反硝化作用的微生物有异养型的反硝化菌，如脱氮假单胞菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌等，在厌氧条件下利用NO3中的氧氧化有机物，获得能量。自养型的反硝化菌，如脱氮硫杆菌，在缺氧环境中利用NO3中的氧将硫或硫代硫酸盐氧化成硫酸盐，从中获得能量来同化CO2。兼性化能自养型反硝化菌，如脱氮副球菌，能利用氢的还原作用作为能源，以02或N03-作为电子受体，使NO3-还原成N2O和N2。

三、活性污泥反应的影响因素

        为了强化与提高活性污泥处理系统的净化效果，必须考虑影响活性污泥反应的各项影响因素，充分发挥活性污泥微生物的代谢功能。以下为一些影响活性污泥的环境因素。

1. BOD负荷率（F/M,也称有机负荷率，以Ns表示）

        F/M值是影响活性污泥增长、有机基质降解的重要因素。它表示曝气池里单位质量的活性污泥（MLSS）在单位时间里承受的有机物（BOD5）的量，单位：kg/(kg·d)。

        提高F/M值，可加快活性污泥增长速率及有机基质的降解速率，缩小曝气池容积，有利于减少基建投资；但F/M值过高，往往难以达到排放标准的要求。反之，若F/M值过低，则有机基质的降解速率过低，从而处理能力降低，曝气池的容积加大，导致基建费用升高，也是不可取的。因此，应控制在合理的范围之内。在活性污泥工艺设计中，BOD负荷率一般取0.15~0.44kg/(kg·d)。同时，处理目标不同处理系统的负荷也是不相同的，如对去除有机物、达到硝化，去除N、P和达到污泥稳定化等不同要求所采用的负荷是不同的。

2.水温

        活性污泥中微生物的生理活动与周围的温度关系密切。在15~30℃温度范围内，微生物的生理活动旺盛。在此温度范围外，均会导致活性污泥反应程度受到某些不利影响。例如，当温度高于35℃或低于10℃，微生物对有机物的代谢功能会受到一定程度的不利影响。在我国北方地区，大中型的活性污泥处理系统也可露天建设，但小型活性污泥处理系统则可以考虑建在室内。而当温度高于35℃或低于5℃，反应速率会降至最低程度，甚至完全停止反应。因此，一般活性污泥反应进程的最高及最低的极限温度，分别控制在35℃及10℃。

3.pH

        最适宜于活性污泥中微生物生长的值介于6.5~8.5之间。当pH值低于6.5时，有利于真菌的生长繁殖；当pH值低于4.5时，原生动物完全消失，大多数微生物不适应，真菌将完全占优势，活性污泥絮体受到破坏，产生污泥膨胀现象，处理水质恶化。当pH值高于9.0时，多数微生物也会不适应，菌胶团可能解体，活性污泥絮体将受到破坏，也会产生污泥膨胀现象。

        活性污泥混合液本身具有一定的缓冲作用，因为微生物的代谢活动能改变环境的pH值。如微生物对含氮化合物的利用，由于脱氮作用而产生酸，降低环境的pH值；由于脱羧作用而产生碱性胺，可使pH值上升。在活性污泥的培养、驯化过程中，如果将pH值的因素考虑在内，逐渐升高或降低pH值，则活性污泥也能逐渐适应。但pH值发生急剧变化，即在有冲击负荷的时候，活性污泥的净化效果将大大降低。因此，酸、减废水是否需要进行中和处理，应根据实际情况而定。

4.溶解氧

        活性污泥中的微生物均是好氧菌，所以，在混合液中保持一定浓度的溶解氧是非常重要的。对混合液的游离细菌而言，溶解氧保持0.2~0.3mg/L的浓度，即可满足要求。但是由于活性污泥是由微生物群体构成的絮凝体，溶解氧必须扩散到活性污泥絮体的内部，为使活性污泥系统保持良好的净化功能，所以，溶解氧需要维持在较高的水平。一般要求曝气池出口处溶解氧浓度不小于1~2mg/L。

        溶解氧浓度过高时，氧的转移效率降低，动力费用过高，在经济上不适宜；溶解氧浓度过低时，丝状菌在系统中占优势，微生物净化功能降低，容易诱发污泥膨胀。

5.营养平衡

        微生物细胞的组成元素主要有碳、氢、氧、氮等几种，约占90%~97%，其余3%~10%为无机元素，其中磷元素的含量占50%。活性污泥中的微生物在进行各项生命活动中，必须不断地从环境中摄取各种营养物质。

        为使活性污泥保持良好的沉降性能，就必须使废水中供微生物生长的基本元素一碳、氮、磷达到一定的浓度值，并保持一定的比例关系。其中元素碳的量在污水中以BOD值表示。对于活性污泥微生物来说，一般以BOD:N:P的比值来表示废水中营养物质的平衡。活性污泥中微生物对N、P的需要量可按BOD:N:P=100:5:1来计算；但实际上其还与剩余污泥量有关，即与污泥龄和微生物比增殖速率有关，故可依下式计算：

        N的需要量=0.122ΔX
        P的需要量=0.023ΔX

        式中，ΔX为活性污泥增长量（以MLSS计），kg/d；0.122、0.023分别为生物体内N、P所占比例。

        当废水中营养元N、P的含量供不应求时，宜向曝气池反应器内补充N、P，以保持废水中的营养平衡。可以投加氨水、硫酸铵、硝酸铵、尿素等以补充氮，投加过磷酸钙、磷酸等以补充磷。

6.有毒物质

        有些化学物质可能对微生物生理功能有毒害作用，如：重金属及其盐类均可使蛋白质变性或与酶的一SH基结合而使酶失活；醇、醛、酚等有机化合物能使蛋白质发生变性或使蛋白质脱水而使微生物致死。另外，某些元素是微生物生理上所需要的，但当其浓度达到一定程度时，就会对微生物产生毒害作用。因此，首先要了解各种元素及化学物质对微生物生理功能产生毒害作用的最低限值，即阈值。当物质的浓度高于此值时，就会对微生物的生理功能产生毒害作用，如抑制微生物的增殖，甚至可使微生物灭绝。