第 7 章污水的生物处理 ( 一 ) —— 活性污泥法

第7章污水的生物处理 (一)——活性污泥法 7.1 活性污泥法的基本原理 7.2 活性污泥净化反应影响因素与设计、运行操作参数 7.3 活性污泥反应动力学基础 7.4 曝气的理论基础 7.5 曝气系统与空气扩散装置 7.6 活性污泥反应器——曝气池 7.7 活性污泥处理系统的工艺设计 7.8 生物脱氮技术 7.9 生物除磷技术

7.1 活性污泥法的基本原理 • 在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。 • 1912年，英国人克拉克（Clark）和盖奇（Gage）的废水曝气试验，发现曝气可以降解污水。 • 1916年Arden和Lockett发现活性污泥存在有利于降解污水。 • 1914年，英国曼切斯特建成了第一座活性污泥水处理厂。到现在已有将近90年的历史。当前，活性污泥法已成为生活污水、城市污水以及有机性工业废水的主体处理技术。

7.1.1活性污泥处理法的基本概念与流程 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。 1.活性污泥：向生活污水注入空气进行曝气，每天保留沉淀物，更换新鲜污水。这样，在持续一段时间后，在污水中即将形成一种呈黄褐色的絮凝体。这种絮凝体主要是由大量繁殖的微生物群体所构成，它易于沉淀与水分离，并使污水得到净化、澄清。这种絮凝体就是称为“活性污泥”的生物污泥。

空气二次沉淀池出水曝气池剩余活性污泥回流污泥 2.活性污泥处理法的基本流程（1）工艺流程图见下图所示。经预处理后的废水从曝气池流出的混合液活性污泥反应器—曝气池在曝气池中由污水、回流污泥和空气互相混合形成的液体，称为混合液。

活性污泥系统的主要组成 • 曝气池：aeration tank：反应的主体，污水、微生物和氧气在此充分混合,有机物被降解，微生物得以增殖； • 二沉池：secondary sedimentation tank 1）泥水分离，保证出水水质； 2）浓缩污泥，保证污泥回流，维持曝气池内的污泥浓度。 • 污泥回流系统：reverse-flow system 1）维持曝气池内的污泥浓度； 2）回流比的改变，可调整曝气池的运行工况。 • 剩余污泥： excess activated sludge排出曝气池系统内剩余污泥 • 曝气与空气扩散系统：对曝气池供氧，为微生物提供溶解氧；并且使曝气池中污水、微生物和氧气充分混合，使混合液处于剧烈搅动状态

活性污泥系统 生活污水或城市废水的处理流程高碑店污水处理厂的工艺流程图

初沉池 高碑店污水处理厂的工艺流程与平面布置曝气池二沉池初沉池二期曝气池二沉池

活性污泥系统有效运行的基本条件是： 废水中含有足够的易降解有机物； 混合液含有足够的溶解氧； 活性污泥在池内呈悬浮状态； 活性污泥连续回流，剩余污泥及时排放，维持曝气池内稳定的活性污泥浓度； 进水中不含有对微生物有毒有害的物质

活性污泥法处理系统，实质上是自然界水体自净的人工模拟，不是简单的模拟，而是经过人工强化的模拟。活性污泥法处理系统，实质上是自然界水体自净的人工模拟，不是简单的模拟，而是经过人工强化的模拟。

7.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物 活性污泥的由来：活性污泥是活性污泥处理系统中的主体作用物质。在活性污泥上栖息着具有强大生命力的微生物群体。在微生物群体新陈代谢功能的作用下，使活性污泥具有将有机污染物转化为稳定的无机物质的活力，故此称之为“活性污泥”。

1.活性污泥的形态 物理性质： ——在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，所以又称之为“生物絮凝体” ——活性污泥絮凝体，也称为“生物絮凝体”，其骨干部分是由千万个细菌为主体结合形成的通称为“菌胶团”的团粒。 • 颜色：黄褐色 • 气味：泥土味（城市污水） • 比重：略大于1 （1.0021.006） • 粒径：0.020.2 mm • 比表面积：20100cm2/ml

有机物 75~85% 生化性能： • 活性污泥的含水率：99.299.8%（重量比） • 其中固体物质的组成：1%以下 1）活性微生物群体（Ma）：active 2）微生物内源代谢的残留物（Me）：endogenous metabolism微生物菌体经过内源代谢、自身氧化的残留物，如细胞膜、细胞壁等； 3）吸附的原废水中难于生物降解的有机物（Mi）：inert organic 4）由污水挟入的无机物质（Mii）：inert inorganic

2、活性污泥中的微生物： （1）细菌：是活性污泥净化功能最活跃的成分主要菌种有：动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等。特征：至于哪些种属的细菌在活性污泥中占优势，取决于原污水中有机污染物的性质。例如：含蛋白质量多的污水有利于产碱杆菌的生长繁殖，而含大量糖类的污水，则将使假单胞菌得到迅速增殖。 • 绝大多数是好氧和兼性异养型的原核细菌； • 在好氧条件1）下，具有很强的分解有机物的功能； • 具有很高的增殖速率，其世代时间仅为2030分钟； • 动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。

真菌（属真核微生物）的细胞构造较为复杂，而且种类繁多，与活性污泥处理系统有关的真菌是微小的腐生或寄生的丝状菌，包括酵母菌和霉菌等。这些真菌具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其他含氮化合物的功能，但若大量异常的增殖会引发污泥膨胀现象。丝状菌的异常增殖是活性污泥膨胀的主要诱因之一。（2）真菌类

0.1mm （3）原生动物----在活性污泥中大约为103个/ml 草履虫钟虫盖纤虫小口钟虫变形虫肾形虫

（4）后生动物 轮虫线虫

活性污泥微生物增长与递变的模式 当活性污泥培育成熟，生物絮凝体结构良好，混合液中的细菌多已“聚居”在活性污泥上，游离细菌为数很少，处理水水质良好，此时出现的原生动物则将以带柄固着（着生）型的纤毛虫为主，如钟虫、累枝虫等。游泳型纤毛虫类鞭毛虫有柄固着型纤毛虫类轮虫类肉足虫类在系统启动的初期，活性污泥絮体尚未很好的形成，混合液中游离细菌居多，处理水水质欠佳，此时出现的原生动物，最初为肉足虫类（如变形虫）占优势，继之出现的则是游泳型的纤毛虫。轮虫在系统正常运行时期、有机物含量低、出水水质良好时才会出现出现在活性污泥中的原生动物，在种属上和数量上是随处理水的水质和细菌的存活状态变化而改变的凝聚分散微生物量残留食物量细菌时间

3、活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长 ---略讲，在《环境微生物学》解决 • 在曝气池中，活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增殖。 • 活性污泥的增殖曲线（用于表示微生物增殖规律）将活性污泥微生物在污水中接种，并在温度适宜、溶解氧充足的条件下进行培养，按时取样计量，即可得出微生物数量与培养时间之间具有一定规律性的增长曲线。

活性污泥的增殖曲线 减速增殖期对数增殖期内源呼吸期适应期微生物量微生物增殖曲线(M) 氧利用速率曲线 BOD变化曲线(F) 时间活性污泥增长曲线以及有机物降解、氧利用速度的关系（有机污染物一次投加）

活性污泥的能量含量 F/M 营养物或有机物量（ Food）与微生物量(Microorganism)的比值（F/M）活性污泥微生物所处的生长期，主要由F/M比值所控制。另外，处于不同增殖期的活性污泥，其性能不同，处理水水质也不同。F/M比值是有机底物降解速率、氧利用速率、活性污泥的凝聚、吸附性能的重要影响因素，也是活性污泥法处理系统设计和运行中一项非常重要的参数。

微生物量 时间活性污泥微生物增殖分为以下四个阶段（期）适应期亦称延迟期或调整期。本期是微生物培养的最初阶段，是微生物细胞内各种酶系统对新培养基环境的适应过程。活性污泥微生物的变化： 数量基本没有变化；  菌体体积增大；水质指标基本无变化。对数增殖期减速增殖期适应期内源呼吸期微生物增殖曲线(M) 氧利用速率曲线 BOD变化曲线(F)

微生物量 时间对数增值期又称增殖旺盛期。F/M比值很高，有机底物非常充分，微生物以最高速率摄取有机底物，也以最高速率增殖和合成新细胞,微生物的增值速率与基质浓度无关，呈零级反应。活性污泥具有高的能量水平，微生物的活动能力很强，污泥质地松散，不易形成较好的絮凝体，沉淀性能不佳；一般不采用此阶段作为运行工况。（但也有，如高负荷活性污泥法）对数增殖期减速增殖期适应期内源呼吸期微生物增殖曲线(M) 氧利用速率曲线 BOD变化曲线(F)

微生物量 时间减速增殖期又称稳定期和平衡期。F/M比值继续下降，营养物质逐步成为微生物增殖的控制因素，微生物的增殖速率与残存的有机物呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率已大为降低，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；出水水质有较大改善，且整个系统运行稳定。大多数污水厂曝气池的运行工况。对数增殖期减速增殖期适应期内源呼吸期微生物增殖曲线(M) 氧利用速率曲线 BOD变化曲线(F)

微生物量 时间内源呼吸期又称衰亡期。F/M比值随之降至很低的程度。培养液(污水)中营养物质继续下降，并达到近乎耗尽的程度。微生物由于得不到充足的营养物质，而开始进行内源代谢以维持生命活动。从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；一般不采用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。对数增殖期减速增殖期适应期内源呼吸期微生物增殖曲线(M) 氧利用速率曲线 BOD变化曲线(F)

活性污泥增殖规律的应用： 1）活性污泥的增殖状况，主要是由F/M值所控制； 2）不同增殖期的活性污泥，性能不同，出水水质也不同； 3）通过调整F/M值，可调控曝气池的运行工况，以达到所要求的出水水质和活性污泥的良好性能；

推流式曝气池 污水与回流污泥的混合液从池的一端流入，在后继水流的推动下，沿池长方向流动，并从池的另一端流出池外完全混合式曝气池混合液在池内充分混合循环流动，污水与回流污泥进入曝气池后立即与池内原有混合液充分混合在活性污泥法转入正常运行后，由于曝气池内混合液的流态不同，所对应的污泥增殖曲线也不同。

微生物量 时间活性污泥的增殖曲线适应期减速增殖对数增殖内源呼吸

7.1.3 活性污泥净化反应过程 • 在活性污泥处理系统中，有机底物从废水中被去除的实质就是有机底物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，这一过程的结果是污水得到了净化，微生物获得了能量而合成新的细胞，活性污泥得到了增长。 • 一般将这整个净化反应过程分为： (1)初期吸附； (2)微生物代谢；

(1)活性污泥的初期吸附作用 BOD 降解曝气过程初期吸附

初期吸附去除 污水中呈悬浮和胶体状态的有机物在较短时间（5-10min）内被活性污泥所凝聚和吸附而得到去除。BOD去除率可达20%-70%，吸附速率与程度取决于：微生物的活性；有机物的组成和物理形态。活性污泥有着很大的比表面积，表面上富集着大量的微生物，在其外部覆盖着多糖类的粘质层。被吸附在微生物细胞表面的有机物，再经过数小时的曝气后，才能够相继地被摄入微生物细胞内，因此，被“初期吸附去除”的有机物的数量是有一定限度的。

(2)微生物对有机物的代谢过程 1）透过细胞壁进入微生物细胞 2）代谢反应

大分子有机物 水解酶水解酶小分子水解酶小分子透膜酶小分子微生物的代谢 1）透过细胞壁进入微生物细胞小分子有机物在透膜酶的作用下，小分子的有机物能够直接透过细胞壁进入微生物体内如淀粉、蛋白质等大分子有机物，则必须在细胞外酶—水解酶的作用下，被水解为小分子后再被微生物摄入细胞体内微生物将有机物摄入体内的过程

2）代谢反应 被摄入细胞体内的有机物，在各种胞内酶，如脱氢酶、氧化酶等的催化作用下，微生物对其进行代谢反应。代谢产物 H2O、CO2、 NH3、NO3-、P043- +能量微生物分解代谢有机物 + O2 内源呼吸产物 +能量合成代谢合成细胞物质 H2O、NH3、CO2 +O2 C5H7NO2 内源呼吸残留物微生物（污泥）增长微生物分解与合成代谢及其产物的模式

1〉氧化分解 2〉合成代谢（合成新细胞） 3〉内源代谢 CxHyOz——近似地表示有机物的分子式

分解与合成的相互关系： 1）二者相互依赖，不可分： • 分解过程为合成提供能量和前体物，而合成则给分解提供物质基础； • 分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。 • 2) 对废水中有机物的去除，二者都有重要贡献； • 3）合成量的大小，对于后续污泥的处理有直接影响 • （污泥的处理费用约占整个城市污水处理厂的4050%）。

问题? 1.活性污泥的四部分组成？ 2.活性污泥增长的四个阶段？ 3.活性污泥的净化反应过程？

pH值 水温溶解氧营养物质有毒物质 7.2 活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数 7.2.1 活性污泥净化反应影响因素活性污泥

1.营养物质：碳源、氮源、无机盐类、某些生长素1.营养物质：碳源、氮源、无机盐类、某些生长素  细胞组成中，C、H、O、N约占9097%，其余310%为无机营养元素，其中主要的有P  生活污水一般不需再投加营养物质； • 某些工业废水需要投加营养物质：好氧生物处理，应按 BOD5 N  P = 100  5  1投加N和P  其它无机营养元素：K、Mg、Ca、S、Na等；  微量元素： Fe、Co、Ni、Mo等；

2.DO——溶解氧 （1）曝气池在稳定运行时，微生物的耗氧速率＝曝气器的供氧速率时，其池中的溶解氧DO不变（2）曝气池中DO浓度大小将取决于：生物絮体的大小：要求生物絮体大，则要求DO浓度高， DO才能扩散转移到生物絮体内部,反之则不能。对此要求DO浓度为2mg/L左右为好。

在进口区，有机物相对集中，浓度高，耗氧速率高，溶解氧浓度很难保持在2mg/L，会有所降低，但不宜低于1mg/L。 若使曝气池内的微生物保持正常的生理活动，曝气池混合液的溶解氧浓度一般宜保持在不低于2mg/L的程度（以曝气池出口处为准）。溶解氧对混合液中的游离细菌来说，溶解氧保持在0.3mg/L的浓度，即可满足要求。但是，活性污泥是微生物群体“聚居”的絮凝体，溶解氧必须扩散到活性污泥絮凝体的内部深处。在曝气池内溶解氧也不宜过高，溶解氧过高，过量耗能，在经济上是不适宜的

3.pH值 • 适宜的酸碱度条件下,微生物才能进行正常的生理活动。不同种属的微生物都有各自适宜生理活动的pH值范围。 • 一般好氧微生物的最适宜pH在6.58.5之间； • pH  4.5时，丝状菌将占优势，引起污泥膨胀； • 当pH＞9.0，代谢速率下降

4.水温 水温是重要因素之一，在一定范围内，随着温度的升高，反应、增殖速率加快；一般，温度每升高10 C ，反应速率会增高1倍。细胞内的如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或突降并超过一定限度时，会有不可逆的破坏；最适宜温度 15  30C；  40C或 10C后，会有不利影响

高温带 中温带好氧细菌兼性细菌厌氧细菌温度（C）注：图中的纵标为相对活性，以25C为基准。温度与细菌生物活性之间的关系相对活性

5.有毒物质（抑制物质） • 重金属：蛋白质的沉淀剂（变性或沉淀） • 酚、醇、醛：使蛋白质变性或脱水当然，它们对微生物的毒害作用是相对而言的，在一定浓度范围内是没有影响的。若微生物经驯化后，可能承受较高浓度的有毒物质。我国国家标准《室外排水设计规范》对生物处理构筑物进水中有毒物质的最高允许浓度作了具体规定。

为保证处理效果，有害物质不宜超过表7-1规定的允许浓度。为保证处理效果，有害物质不宜超过表7-1规定的允许浓度。表7-1 生物处理构筑物进水中有害物质允许浓度注：表列允许浓度为持续性浓度。一般可按日平均浓度计。

7.2.2 活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数在活性污泥处理系统中，人工强化、控制技术是至关重要的。通过人工强化、控制，要使活性污泥处理系统能够达到下列各项目标： (1)被处理的原污水的水质，水量得到控制，使其能够适应活性污泥处理系统的要求； (2)作为活性污泥微生物量，在系统中保持数量一定，并相对稳定，具有活性的活性污泥量； (3)在混合液中保持能够满足微生物需要的溶解氧浓度； (4)在曝气池内，活性污泥、有机污染物、溶解氧三者能够充分接触，以强化传质过程。为了保证各项目标能够切实达到，对各项目标都制定有特定的控制指标，这些指标也是对活性污泥的评价指标，在工程上，这些指标就是活性污泥处理系统的设计与运行参数。

7.2.2 活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数 • 活性污泥的性能指标 • 混合液中活性污泥微生物量的指标(MLSS，MLVSS) • 活性污泥的沉降性能及其指标(SV,SVI) • 活性污泥法的设计与运行参数 • 污泥龄 • BOD负荷

混合液悬浮固体浓度 • （mixed liquor suspended solids）简写为 MLSS。 (2)混合液挥发性悬浮固体浓度（mixed liquor volatile suspended solids）简写为MLVSS。 1.活性污泥的性能指标 * 混合液中活性污泥浓度的指标在混合液中保持一定浓度的活性污泥，是通过活性污泥在曝气池内的增长以及从二次沉淀池适量的回流和排放来实现。使用下列两项指标来表示及控制混合液中的活性污泥浓度。

混合液悬浮固体浓度MLSS 又称混合液污泥浓度，它表示的是在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总量即 MLSS＝M=X= Ma＋ Me ＋ Mi+ Mii 单位为mg/L混合液，或 g/L混合液， g/m3混合液，或kg/m3混合液由于测定方法比较简便易行，此项指标应用较为普遍，但其中既包含Me、Mi二项非活性物质，也包括Mii无机物质，因此，这项指标不能精确地表示具有活性的活性污泥量，而表示的是活性污泥的相对值，但它仍是活性污泥法处理系统重要的设计和运行参数。

⑵ 混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS 本项指标所表示的是混合液中活性污泥有机性固体物质部分的浓度即： MLVSS=MV=XV＝Ma＋ Me ＋ Mi 在表示活性污泥活性部分数量上，本项指标在精度方面是进了一步，但只是相对于MLSS而言，本项指标中还包含Me 、Mi等惰性有机物质。因此，也不能精确地表示活性污泥微生物量，仍然是活性污泥量的相对值。

第 7 章污水的生物处理 ( 一 ) —— 活性污泥法