二、活性污泥法的基本原理與概念

第三章廢水好氧生物處理工藝(1)

——活性污泥法活性污泥：第一節(jié)活性污泥法的基本原理向生活污水中注入空氣進(jìn)行曝氣，每天保留沉淀物，更換新鮮污水。這樣持續(xù)一段時(shí)間后，在污水中即將形成一種呈黃褐色絮狀體，這種絮狀體主要是由大量繁殖的微生物群體所構(gòu)成，它易于沉淀和水分離，并使污水得到凈化、澄清。污水曝氣后產(chǎn)生的這種絮狀體污泥具有去除水中有機(jī)物的活性，因此稱為“活性污泥”。在顯微鏡下觀察這些褐色絮狀污泥，可見到大量的細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物及后生動(dòng)物。活性污泥法：通過人工強(qiáng)化措施，使反應(yīng)器中保持一定溶解氧及懸浮微生物濃度，利用好氧微生物的代謝作用，去除水中有機(jī)污染物的一種生物方法。3.1活性污泥系統(tǒng)的基本工藝流程3.2活性污泥系統(tǒng)的主要組成及其功能第三節(jié)好氧活性污泥法工藝三、好氧活性污泥法工藝二沉池3.1活性污泥系統(tǒng)的基本工藝流程思考：濃縮污泥為什么回流？為什么定期排走剩余污泥？3.1活性污泥系統(tǒng)的基本工藝流程3.2活性污泥系統(tǒng)的主要組成及其功能三、好氧活性污泥法工藝3.2活性污泥系統(tǒng)的主要組成及其功能活性污泥系統(tǒng)曝氣池二次沉淀池污泥回流系統(tǒng)剩余污泥排走系統(tǒng)供氧系統(tǒng)曝氣池

1）反應(yīng)的主體，有機(jī)物被去除，同時(shí)伴隨活性污泥微生物的增殖。

2）基本設(shè)計(jì)參數(shù)：（城市污水）懸浮固體量（X）：2000--3000mg/L;

溶解氧（DO）：1--2mg/LBOD-污泥負(fù)荷率：0.3—0.5kgBOD5/kgMLSS·d

二次沉淀池：

1）活性污泥和水分離，保證凈化水的出水水質(zhì)；

2）得到濃縮污泥，一部分保證污泥回流；另一部分作為剩余污泥排出系統(tǒng)。剩余污泥排走系統(tǒng)：1）維持活性污泥系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須定期排泥;2）為了使曝氣池內(nèi)經(jīng)常保持高度活性的活性污泥。3）去除有機(jī)物的重要途徑之一。污泥回流系統(tǒng)：

1）維持曝氣池內(nèi)的污泥濃度，活性污泥需要回流；

2）回流比的改變，可調(diào)整曝氣池的運(yùn)行工況?；具\(yùn)行參數(shù)：（城市污水）回流污泥濃度（Xr）：8000--12000mg/L供氧系統(tǒng)：1）為好氧微生物提供代謝所需的溶解氧2）使得活性污泥處于懸浮狀態(tài)廢水好氧活性污泥法中異養(yǎng)微生物的代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)廢水中的可降解有機(jī)物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+異養(yǎng)微生物O2＋能量凈增細(xì)胞物質(zhì)內(nèi)源呼吸～80%～20%內(nèi)源呼吸殘留物O2無機(jī)代謝產(chǎn)物,隨出水排出少量能量剩余污泥攝取即廢水生物處理中的活性污泥的增長部分，稱為剩余污泥。活性污泥系統(tǒng)有效運(yùn)行的基本條件是：廢水中含有足夠的溶解和膠體的易降解有機(jī)物；混合液含有足夠的溶解氧——曝氣；池內(nèi)呈懸浮狀態(tài)的活性污泥；

活性污泥連續(xù)回流，剩余污泥及時(shí)排放，維持曝氣池內(nèi)穩(wěn)定的活性污泥（微生物）濃度；進(jìn)水中不含有對(duì)微生物有毒有害的物質(zhì)活性污泥降解廢水中有機(jī)物的過程活性污泥降解有機(jī)物分為兩個(gè)階段：吸附穩(wěn)定理論吸附階段：廢水中有機(jī)物轉(zhuǎn)移到活性污泥上活性污泥具有巨大的比表面積；表面上含有多糖類粘性物質(zhì)。

吸附階段較短：10～30min左右穩(wěn)定階段：微生物對(duì)吸附其上的有機(jī)物進(jìn)行氧化分解利用有機(jī)物合成細(xì)胞自身物質(zhì)，進(jìn)行細(xì)胞的更新、繁殖。

穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間較長，需數(shù)小時(shí)?；钚晕勰嗟某跗谖阶饔闷貧膺^程降解初期吸附BOD5對(duì)活性污泥法曝氣過程中污水中有機(jī)物的變化分析得到結(jié)論：廢水中的有機(jī)物殘留在廢水中的有機(jī)物從廢水中去除的有機(jī)物微生物不能利用的有機(jī)物微生物能利用的有機(jī)物微生物能利用而尚未利用的有機(jī)物微生物不能利用的有機(jī)物微生物已利用的有機(jī)物（氧化和合成）（吸附量）增殖的微生物體氧化產(chǎn)物不同形式的有機(jī)物被微生物降解的歷程

有機(jī)物的形態(tài)：結(jié)構(gòu)簡單、可溶性小分子物質(zhì)，直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、膠體狀或顆粒狀的大分子物質(zhì)，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機(jī)物，再進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。

有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)：有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會(huì)不同：

如：糖類…脂類…蛋白質(zhì)…TCA循環(huán)二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo)1、物理性質(zhì)：

——“菌膠團(tuán)”——“生物絮凝體”細(xì)菌之間按一定的排列方式互相粘集在一起，被一個(gè)公共莢膜包圍形成一定形狀的細(xì)菌集團(tuán)。

顏色：褐色、（土）黃色、鐵紅色

氣味：土腥味（城市污水）

粒徑：0.02

0.2mm

比表面積：20

100cm2/ml狀態(tài)似礬花絮絨顆粒相對(duì)密度曝氣池混合液：1.002～1.003回流污泥：1.004～1.006二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo)2、活性污泥微生物：組成：好氧菌、真菌、原生動(dòng)物以及后生動(dòng)物A．好氧菌：是活性污泥凈化功能最活躍的成分曝氣池混合液細(xì)菌總數(shù)1×108個(gè)/mL。主要菌種有：動(dòng)膠桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬、黃桿菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、無色桿菌屬等特征：1）絕大多數(shù)是好氧和兼性異養(yǎng)型的原核細(xì)菌；2）在好氧條件下，具有很強(qiáng)的分解有機(jī)物的功能；3）具有很高的增殖速率，其世代時(shí)間僅為20

30分鐘；4）動(dòng)膠桿菌具有將大量細(xì)菌結(jié)成為“菌膠團(tuán)”的功能。真菌在活性污泥中不占優(yōu)勢B、原生動(dòng)物----

在活性污泥中大約為5×103～2×104個(gè)/ml0.1mm鐘蟲小口鐘蟲草履蟲蓋纖蟲腎形蟲變形蟲肉足蟲鞭毛蟲纖毛蟲纖毛蟲原生動(dòng)物中以纖毛蟲居多數(shù)，固著型纖毛蟲可作為指示生物，固著型纖毛蟲如鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲、獨(dú)縮蟲、聚縮蟲等出現(xiàn)且數(shù)量較多時(shí)，說明培養(yǎng)成熟且活性良好。C、后生動(dòng)物線蟲輪蟲原（后）生動(dòng)物作為“指示性生物”數(shù)量二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo)3、活性污泥生化性能:

活性污泥的含水率：99.2

99.8%

固體物質(zhì)的組成：0.2~0.8%1）微生物群體（Ma）2）微生物內(nèi)源代謝的殘留物（Me）3）吸附的難于生物降解的有機(jī)物（Mi）4）無機(jī)物質(zhì)（Mii）有機(jī)物75~85%固體物質(zhì)的組成廢水好氧生物處理中異養(yǎng)微生物的代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有機(jī)物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+異養(yǎng)微生物O2＋能量凈增細(xì)胞物質(zhì)內(nèi)源呼吸～80%～20%內(nèi)源呼吸殘留物O2無機(jī)代謝產(chǎn)物，隨水排出少量能量剩余污泥多糖、脂蛋白組成的細(xì)胞壁組分和壁外的粘液層攝取即廢水生物處理中的活性污泥或生物膜的增長部分，稱為剩余污泥。4、活性污泥的性能指標(biāo)：（1）混合液懸浮固體濃度（MLSS）（污泥濃度）（MixedLiquorSuspendedSolids）混合液污泥濃度，曝氣池單位容積混合液內(nèi)所含有的活性污泥固體物的總重量。

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii

單位：

mg/L或g/L

普通活性污泥法，曝氣池內(nèi)懸浮固體濃度常控制在2～3g/L。

（2）混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）（MixedLiquorVolatileSuspendedSolids）

混合液活性污泥中有機(jī)性固體物質(zhì)部分的濃度

MLVSS=Ma+Me+Mi單位：

mg/L或g/m3二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo)MLVSS表示活性污泥中有機(jī)固體物質(zhì)的濃度，更能反映活性污泥的活性。城市污水的活性污泥系統(tǒng)，一般為0.75～

0.85MLVSS/MLSS4、活性污泥的性能指標(biāo)：活性污泥的沉降性能及其評(píng)定指標(biāo)（3）污泥沉降比（SV）（SludgeVolume）定義：取一定量曝氣池中懸浮狀態(tài)的混合液，在量筒中靜置30分鐘，其沉淀污泥與原混合液的體積比，一般以%表示；功能：相對(duì)地反映污泥量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的污泥膨脹（絲狀菌的大量滋生）；正常范圍：20

30%

SV不能確切表示污泥沉降性能，故人們想起用單位干泥形成濕泥時(shí)的體積來表示污泥沉降性能，簡稱污泥指數(shù)，單位為mL/g。

4、活性污泥的性能指標(biāo)：（4）污泥體積指數(shù)（SVI）（SludgeVolumeIndex）定義：曝氣池混合液經(jīng)30分鐘靜沉后，1g干污泥所形成的沉淀后的污泥體積，(ml/g)功能：能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)污泥的凝聚性能和沉降性能，

其值過低，說明泥粒小，密實(shí)，無機(jī)成分多；

其值過高，說明其沉降性能不好，將要或已經(jīng)發(fā)生膨脹；正常范圍：50

150ml/g（城市污水）

1L混合液沉淀30min的活性污泥體積（mL）SV(mL/L)SVI=1L混合液中懸浮固體干重（g）MLSS(g/L)

Q-Qw\Xe\Se回流污泥二次沉淀池廢水曝氣池初次沉淀池出水空氣剩余活性污泥

Q\Si

V\X

Qw\Xr\Se

Qr\Xr\Se

Q+Qr\X\Se（4）污泥體積指數(shù)（SVI）有污泥回流并在二沉池底部排泥的活性污泥系統(tǒng)流程示意圖曝氣池混合液污泥濃度為X（mg/L），回流污泥濃度Xr

（mg/L），處理水量Q，回流污泥量Qr，回流污泥比RQr、Xr曝氣池V、X二沉池Q+QrXQ-QwXeQQw、Xr根據(jù)泥量平衡關(guān)系：（假定曝氣池進(jìn)水中不含懸浮固體）如果活性污泥的SVI值增高，它在二次沉淀池內(nèi)的濃縮濃度會(huì)降低，即Xr降低，為了使在曝氣池內(nèi)混合液的活性污泥濃度保持一定，就需要加大污泥的回流量。或在MLSS一定的條件下，SVI值越高，所應(yīng)采用的污泥回流比也越大。4、活性污泥的性能指標(biāo)：（5）泥齡（θc）指曝氣池全部活性污泥平均更新一次所需的時(shí)間，活性污泥在曝氣池內(nèi)的平均停留時(shí)間，故又稱細(xì)胞平均停留時(shí)間：曝氣池內(nèi)活性污泥的總量與每日排放污泥量（出水+剩余污泥）之比，d。當(dāng)Xe≈0時(shí)，污泥齡是活性污泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理的重要參數(shù)，反映了活性污泥吸附有機(jī)物后進(jìn)行穩(wěn)定氧化的時(shí)間長短。污泥齡不能太長，否則污泥會(huì)老化，影響處理效果；污泥齡不能短于活性污泥中微生物的世代時(shí)間，否則在曝氣池中不能大量增殖。三、活性污泥法的基本工藝參數(shù)1、曝氣池的BOD——容積負(fù)荷：

1）BOD——進(jìn)水容積負(fù)荷

2）BOD——去除容積負(fù)荷：單位曝氣池容積（m3），在單位時(shí)間（1d）內(nèi)，能夠接受，并將其降解到預(yù)定程度的進(jìn)水有機(jī)污染物量（BOD）。單位曝氣池容積（m3），在單位時(shí)間（1d）內(nèi)，能夠接受，并將其降解到預(yù)定程度的有機(jī)污染物的去除量（BOD）。BOD——容積負(fù)荷與BOD——污泥負(fù)荷2、曝氣池的BOD——污泥負(fù)荷：1）

BOD——進(jìn)水污泥負(fù)荷2）BOD——去除污泥負(fù)荷指曝氣池內(nèi)，單位重量（kg）活性污泥，在單位時(shí)間（1d）內(nèi)能夠接受，并將其降解到預(yù)定程度的進(jìn)水有機(jī)物量（BOD）

。指曝氣池內(nèi)，單位重量（kg）活性污泥，在單位時(shí)間（1d）內(nèi)能夠接受，并將其降解到預(yù)定程度的有機(jī)污染物的去除量（BOD）

。BOD—污泥負(fù)荷和BOD—容積負(fù)荷的關(guān)系式注意：以上公式中活性污泥是以懸浮固體濃度表示的，也可以以揮發(fā)性懸浮固體濃度表示。F/M值:活性污泥系統(tǒng)中參與反應(yīng)的物質(zhì)有：作為活性污泥微生物載體的活性污泥；作為活性污泥微生物營養(yǎng)物質(zhì)的有機(jī)污染物保證活性污泥微生物正常生理活動(dòng)的溶解氧在正常的活性污泥反應(yīng)進(jìn)程中，三種物質(zhì)在數(shù)量上產(chǎn)生變化：有機(jī)污染物被降解而含量降低；由于微生物的增殖，而使活性污泥得到增長；溶解氧為微生物所利用，必須連續(xù)加以補(bǔ)充。決定有機(jī)污染物的降解速度、微生物增長速率、氧利用速率的重要因素是有機(jī)物量與活性污泥量的比值，即有機(jī)基質(zhì)（Food）與微生物（Microorganism）的比值，即F/M值。實(shí)際上，F(xiàn)/M值就是BOD——污泥負(fù)荷（進(jìn)水）活性污泥增殖曲線對(duì)應(yīng)的微生物特征活性污泥增殖曲線分為四個(gè)時(shí)期：

1)適應(yīng)期

2)對(duì)數(shù)增殖期

3)減速增殖期

4)內(nèi)源呼吸期微生物量時(shí)間普通活性污泥的增殖曲線條件：1）間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2）底物是一次投加對(duì)數(shù)增殖期減速增殖期內(nèi)源呼吸期氧利用速率曲線微生物增殖曲線(M)BOD變化曲線(F)——有機(jī)污染物適應(yīng)期適應(yīng)期

1）定義：活性污泥微生物處于馴化階段，微生物在新的環(huán)境條件、污水水質(zhì)情況下需要一個(gè)短暫的適應(yīng)過程；

2）活性污泥微生物的變化：微生物不進(jìn)行繁殖，數(shù)量基本沒有變化；

適者生存，菌體體積增大；

酶系統(tǒng)相應(yīng)調(diào)整；

新的變異；等。

3）水質(zhì)指標(biāo)基本無變化。對(duì)數(shù)增殖期F/M值高(

2.2kgBOD5/kgMLSS.d)——有機(jī)底物豐富，營養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；微生物的增值速率與有機(jī)基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)，只受微生物自身生理機(jī)能的限制；微生物以最高速率對(duì)有機(jī)物進(jìn)行攝?。ㄈコ袡C(jī)物能力很強(qiáng)），并以最高速率增殖，合成新細(xì)胞；由于微生物的代謝速率極高，需氧量很大；活性污泥具有高的能量水平，微生物的活動(dòng)能力很強(qiáng)，污泥質(zhì)地松散，不易形成較好的絮凝體，沉淀性能不佳；一般不采用此階段作為運(yùn)行工況。（例外：高負(fù)荷活性污泥法）對(duì)數(shù)增殖期內(nèi)微生物特性：減速增殖期F/M值下降到一定水平后，有機(jī)物的濃度成為微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率與剩余的有機(jī)物量呈正比，為一級(jí)反應(yīng)；有機(jī)底物的降解速率也開始下降；微生物的增殖速率在逐漸下降，活性污泥的量持續(xù)增長并最終達(dá)到最高；營養(yǎng)物質(zhì)不再豐富，活性污泥的能量水平低下，絮凝體開始形成，凝聚、吸附以及沉淀性能均較好；有機(jī)物已基本去除，出水水質(zhì)有較大改善，且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；大多數(shù)污水廠曝氣池的運(yùn)行工況。減速增殖期內(nèi)微生物特性：內(nèi)源呼吸期F/M值下降到最低值并保持一常數(shù)，微生物已不能從周圍環(huán)境中獲得滿足自身需要的有機(jī)物，靠分解代謝自身的營養(yǎng)物質(zhì)以維持生命活動(dòng)。在本期之初內(nèi)源呼吸的速率超過合成速率，因此從整體上來說，活性污泥的量在減少，最終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物；營養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡，能量水平極低，沉降性能良好，但凝聚性較差，污泥量少，污泥的無機(jī)化程度較高，處理水質(zhì)良好；一般不采用這一階段作為運(yùn)行工況。（例外：延時(shí)曝氣法）內(nèi)源呼吸期內(nèi)微生物特性：有機(jī)物降解與微生物增殖:活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)日凈增長量:式中:

X——每日的污泥增長量(kgVSS/d)；=Qw·Xr

Q——每日處理廢水量(m3/d)；

Si——進(jìn)水BOD濃度(kgBOD/m3)；

Se——出水濃度(kgBOD/m3)。

a—污泥增長系數(shù)，降解1kgBOD5所合成的MLVSS（kgVSS/kgBOD5.d）；

b—污泥自身氧化率，每kg污泥每日自身氧化量（kgVSS/kgVSS.d）；活性污泥微生物增殖是微生物合成代謝和自身氧化(內(nèi)源呼吸)兩項(xiàng)作用的綜合結(jié)果：

xv

—曝氣池混合液中揮發(fā)性污泥濃度（kgVSS/m3）有機(jī)物降解與微生物增殖：BOD——去除污泥負(fù)荷意義：污泥齡與BOD—去除污泥負(fù)荷呈反比關(guān)系其中：a、b經(jīng)驗(yàn)值的獲得：

(1)對(duì)于生活污水或相近的工業(yè)廢水:a=0.5~0.65，b=0.05~0.1；

(2)對(duì)于工業(yè)廢水，則：

合成纖維廢水0.380.10含酚廢水0.55

0.13制漿與造紙廢水0.760.016制藥廢水0.77

釀造廢水0.93

工業(yè)廢水a(chǎn)b亞硫酸漿粕廢水0.55

0.13a、b值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行所得的資料a、b經(jīng)驗(yàn)值的獲得：（3）通過小試獲得：

a

bQSr/VXv(kgBOD/kgVSS.d)x/VXv(1/d)＋＋＋＋＋

1951年由霍克來金(Heukelekian)等人通過廢水生物處理的大量實(shí)驗(yàn)研究工作,發(fā)現(xiàn)在廢水生物處理中，微生物增長和底物降解之間存在著一定量的關(guān)系。

微生物增長與底物降解的基本關(guān)系式式中：-活性污泥微生物凈增長速度；-活性污泥微生物對(duì)有機(jī)物的降解速度；-活性污泥微生物合成速度-活性污泥微生物的內(nèi)源代謝速度細(xì)胞合成與內(nèi)源代謝同步進(jìn)行活性污泥微生物增殖的基本方程式：活性污泥微生物每日在曝氣池內(nèi)的凈增殖量為：

Y-產(chǎn)率系數(shù)；Kd-內(nèi)源呼吸（或衰減）系數(shù)；ρX（X）-反應(yīng)器中微生物濃度。微生物增長與底物降解的基本關(guān)系式有機(jī)物降解與需氧：活性污泥微生物代謝中的耗氧過程有兩個(gè)：（1）氧化分解有機(jī)污染物；（2）在內(nèi)源呼吸期進(jìn)行的自身氧化分解。式中：O2——曝氣池中混合液的需氧量，kgO2/d;a’——氧化分解有機(jī)物的需氧率，代謝每kgBOD所需的氧量，kgO2/kgBOD.d;b’——內(nèi)源呼吸的需氧率，每kgVSS每天進(jìn)行自身氧化所需的氧量，kgO2/kgVSS.d。廢水好氧生物處理中異養(yǎng)微生物的代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有機(jī)物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+異養(yǎng)微生物O2＋能量凈