第12章 污水的生物处理(一)

第四章污水的生物处理（一）教学要求掌握活性污泥法的基本原理及其反应机理；理解活性污泥法的重要概念与指标参数：如活性污泥、剩余污泥、污泥产率等；理解活性污泥反应动力学基础及其应用；掌握活性污泥的工艺技术或运行方式；掌握曝气理论；熟练掌握活性污泥系统的计算与设计。§12-1概述

活性污泥法是水体自净的人工强化方法，是一种依靠在曝气池内呈悬浮、流动状态的微生物群体的凝聚、吸附、氧化分解等作用来去除污水中有机物的方法。概念活性污泥法的提出

1912年英国的Clark和GageArden和Lockett对这一现象进行了研究。1914年建成第一个活性污泥厂。二、活性污泥法基本流程活性污泥工艺主要由曝气池、曝气装置、二沉池、污泥回流系统和剩余污泥排放系统组成。曝气装置的作用:曝气系统总体上可分为鼓风曝气和机械曝气2大类。

向曝气池供给微生物增长及分解有机污染物所必需的氧气进行混合搅拌，使活性污泥与有机污染物质充分接触二沉池的作用是使活性污泥与处理完的污水分离，并使污泥得到一定程度的浓缩。回流污泥系统把二沉池中沉淀下来的绝大部分活性污泥再回流到曝气池，以保证曝气池有足够的微生物浓度。随着有机污染物质被分解，曝气池每天都净增一部分活性污泥，这部分活性污泥称之为剩余活性污泥，应通过剩余污泥排放系统排出。

三、活性污泥降解污水中有机物的过程BOD吸附降解曝气过程一般将这整个净化反应过程分为三个阶段：①初期吸附；②微生物代谢；③活性污泥的凝聚、沉淀与浓缩。

三、活性污泥降解污水中有机物的过程BOD吸附降解曝气过程

所谓“初期吸附”是指：在活性污泥系统内，在污水开始与活性污泥接触后的较短时间(10

30min)内，由于活性污泥具有很大的表面积因而具有很强的吸附能力，因此在这很短的时间内，就能够去除废水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物，使废水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。但这并不是真正的降解，随着时间的推移，混合液的BOD5值会回升(这是由于固体有机物被吸附并经微生物酶作用后，变成可溶性物质而扩散到液体中去的缘故；对于溶解性的有机物则没有扩散现象)，再之后，BOD5值才会逐渐下降。颜色：褐色、(土)黄色、铁红色；气味：泥土味（城市污水）；比重：略大于1，(1.002

1.006)，混合液污泥1.002

1.003，回流污泥1.004

1.006；颗粒直径：0.02

0.2mm；比表面积：20

100cm2/mL。好氧活性污泥的性质活性污泥的特征与微生物形态在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈“絮状”。颜色

正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。理化性质

ρ=1.002～1.006，含水率99%，直径大小0.02～0.2mm，表面积20～100cm2/ml，pH值约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要为有机物，约占75～85%。过度）。生物特性具有一定的沉降性能和生物活性。组成

由微生物群体Ma，微生物残体Me，难降解有机物Mi，无机物Mii四部分组成。活性污泥的特征与微生物组成细菌：以异养型原核生物(细菌)为主，数量107～108个/ml，自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污染物质的主体，具有分解有机物的能力。真菌：由细小的腐生或寄生菌组成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白质的功能，但丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。

原生动物：肉足虫，鞭毛虫和纤毛虫3类、捕食游离细菌。其出现的顺序反映了处理水质的好坏（这里的好坏是指有机物的去除），最初是肉足虫，继之鞭毛虫和游泳型纤毛虫；当处理水质良好时出现固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫、盖纤虫等。

后生动物(主要指轮虫），捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质量与污水处理的质量。微生物增殖与活性污泥的增长活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数影响因素微生物量的指标

混合液悬浮固体浓度（MLSS），其由Ma+Me+Mi+Mii组成混合液挥发固体浓度（MLVSS），由MLVSS=Ma+Me+Mi组成设计指标与运行参数

MLVSS/MLSS在0.70左右，过高过低能反映其好氧程度，但不同工艺有所差异。如吸附再生工艺0.7～0.75，而A/O工艺0.67～0.70。活性污泥的沉降性能及其评定指标：污泥沉降比SV（%）：混合液在量筒内静置30mm后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分比。污泥容积指数SVI：SVI=SV/MLSS。对于生活污水处理厂，一般介于70～100之间。当SVI值过低时，说明絮体细小，无机质含量高，缺乏活性；反之污泥沉降性能不好。§12-2活性污泥法的发展和演变

活性污泥法(ActivatedSludgeProcess)首先于20世纪初在英国出现,迄今已有近百年历史，是当前应用最广泛的污水处理技术之一，该方法自1914年在英国曼切斯特市建成污水试验厂以来，已有80多年的历史。目前，它已成为有机废水生物处理的主体，但是仍存在一些不容忽视的缺点：对冲击负荷适应能力差，易发生污泥膨胀，处理构筑物占地面积大、基建投资和运行费用高、管理复杂等。近几十年来，国内外学者准对以上这些问题进行了不懈地探索和研究，在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面进行了革新、开发了多种活性污泥法新工艺，使得活性污泥法朝着高效、节能的方面发展。1、普通活性污泥法

普通活性污泥法，又称习惯曝气或传统活性污泥法，是最早使用的一种活性污泥法。曝气池中水流是纵向混合的推流式。在曝气池前端，活性污泥同刚进入的废水相接触，有机物浓度相对较高，即供给活性污泥微生物的食料较多，所以微生物生长一般处于生长曲线的对数生长期后期或稳定期。由于普通活性污泥法曝气时间比较长，当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时，废水中有机物已几乎被耗尽，污泥微生物进入内源代谢期，它的活动能力也相应减弱，因此在沉淀池中容易沉淀，出水中残剩的有机物数量少。处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物，所以普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高，达到90～95%左右。

普通活性污泥法也有它的不足之处，主要是：①对水质变化的适应能力不强；②所供的氧不能充分利用，因为在曝气池前端废水水质浓度高、污泥负荷高、需氧量大，而后端则相反，但空气往往沿池长均匀分布，这就造成前端供氧量不足、后端供氧量过剩的情况。因此，在处理同样水量时，同其它类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大、占地多、能耗费用高。2、渐减曝气活性污泥法

为了解决普通活性污泥法供氧与需氧之间的矛盾，可沿曝气池长的供氧按需氧量的要求分几段提供，即前段多供氧，后段少供氧，可使供氧与需氧基本一致。如左图所示。渐减曝气池由于解决了供氧与需氧的矛盾，改善了运行条件，在供氧相同的条件下，改善了曝气池中溶解氧的分布，提高了氧的利用率，从而可节省运行费用，提高处理效率。3、多点进水活性污泥法又称阶段曝气法或逐步曝气法。

废水沿池长多点进入，这样使有机物在曝气池中的分配较为均匀，从而避免了前端缺氧、后端氧过剩的弊病，提高了空气的利用效率和曝气池的工作能力，并且由于容易改变各个进水口的水量，在运行上也有较大的灵活性。经实践证明，曝气池容积同普通活性污泥法比较可以缩小30%左右，但其出水差于普通活性污泥法。4、吸附再生活性污泥法/接触稳定法

曝气池被一隔为二，废水在曝气池的一部分

吸附池内停留数十分钟，活性污泥同废水充分接触，废水中有机物被污泥所吸附，随后进入二沉池，此时出水已达很高的净化程度。泥水分离后的回流污泥再进入曝气池的另一部分

再生池，池中曝气但不进废水，使污泥中吸附的有机物进一步氧化分解。恢复了活性的污泥随后再次进入吸附池同新进入的废水接触，并重复以上过程。5、完全混合活性污泥法

完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同，但废水和回流污泥进入曝气池时，立即与池内原先存在的混合液充分混合。依构筑物的曝气池和沉淀池合建或分建的不同可分成两种类型。

6、延时曝气活性污泥法

延时曝气活性污泥法是曝气时间很长，一般为24h左右，微生物生长处在内源代谢阶段，不但能几乎完全氧化去除废水中的有机物，出水水质很好，而且还能氧化合成的细胞物质，剩余污泥量很少，甚至可长期不排泥，排出的污泥的稳定性很好，不必再进行厌氧处理(即厌氧消化)。由于延时曝气的曝气时间很长，所以曝气池的体积很大，曝气池的建造费用和用于曝气的电耗很高。在国外，延时曝气法一般适用于规模较小的污水处理系统，其优点是管理十分方便，正常情况下平时不需要人去管理，只要定期巡视即可；而且出水水质较好；污泥也不必专门处理。7、氧化沟

连续环式反应池通常简称为氧化沟，它是由荷兰卫生工程研究所在50年代研制成功的。这是活性污泥法的一种改型，属延时曝气的一种特殊形式。它把连续环式反应池用作生物反应池，污泥混合液在该反应池中以一条闭合式曝气渠道进行连续循环。氧化沟通常在延时曝气条件下使用，污水停留时间较长，污泥负荷较低。污水在氧化沟渠道内循环流动，水平流速约0.3m/s。目前常用的卡罗塞尔（Carrousel）氧化沟系统。8、浅层曝气

1953年Pasveer发现，气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率最大。在水的浅层处用大量空气进行曝气，就可获得较高的氧传递速率。为了使液流保持在一定的环流速率，将空气扩散器分布在曝气池相当部分的宽度上，并设一条纵墙，将水池分为2部分，迫使曝气时液体形成环流。浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一般曝气的1/3-1/4，故电耗并不增加而略有下降。浅层池适用于中小型规模的污水厂。但由于布气系统维修困难，没有得到推广应用。9、深井/层曝气深井曝气又名“超深水曝气”，是英国在20世纪70年代开发的新技术。1974年英国帝国化学公司在Billingham污水处理厂建造了深井曝气试验性工程。自此在欧洲、北美和日本引起极大兴趣，在国内，深井曝气也已进入发展和应用阶段。

深井曝气是以一口地下深竖井作为曝气池的高效活性污泥工艺，深井被分隔为下降管和上升管2部分，废水与回流污泥引入下降管，在井内循环，空气注入下降管或同时注入下降管与上升管，混合液由上升管中排至固液分离装置。

10、吸附-生物降解工艺(AB法)

AB法是吸附－生物降解（Adsorption-Biodegradation）工艺的简称，是由德国亚琛工业大学（Aachen）宾克（Bohnke）教授于20世纪70年代中期开创。该工艺于80年代初应用于工程实践,目前,国内已有多家城市污水处理厂采用了AB法工艺。与传统活性污泥法相比，AB法主要有下列特征：未设初沉池，由吸附池和中间沉淀池组成的A段为一级处理系统；B段由曝气池和二次沉淀池组成；A、B两段各自拥有独立的污泥回流系统，两段完全分开，各自由独特的微生物群体，有利于功能的稳定。

目前全世界有60多座采用AB工艺的污水厂在运行、设计和规划之中。南斯拉夫修建了目前世界最大的AB工艺的污水处理厂。在我国上海、山东等地都有采用AB工艺的污水处理厂，如山东泰安污水处理厂（处理污水量10000m3/d），山东青岛海泊河污水处理厂（处理污水量8万m3/d）。11、SBR法

SBR工艺即序批式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess，简写为SBR），又称为间歇式活性污泥法，由于在运行中采用间歇操作的形式，每一个反应池是一批批地处理废水，因此而得名。70年代末期美国教授R.L.Irvine等人为解决连续污水处理法存在的一些问题首次提出，并于1979年发表了第一篇关于采用SBR工艺进行污水处理得论著。继后,日本、美国、澳大利亚等国的技术人员陆续进行了大量的研究。随着研究得深入，人们对该工艺的机理和优越性有了全新的认识。1980年在美国国家环保局的资助下，印第安纳州Culver城投建了世界上第一个SBR工艺的污水处理厂。我国在80年代中期也开始了这方面的应用研究,我国第一座应用SBR工艺的污水处理设施——上海市政工程设计院设计的SBR处理系统于1985年投入使用，此后陆续在城市污水及工业废水领域得以推广应用，同时，在全国也掀起了研究SBR的热潮，近年来成为国内外学者研究的热点。目前，SBR主要应用于以下几个领域：城市污水、工业污水（主要有石油、化工、食品、制药等工业污水处理）、有毒有害废水和营养元素的废水。SBR法最显著的一个特点是将反应和沉淀两道工序放在同一反应器中进行，扩大了反应器的功能，SBR是一个间歇运行的污水处理工艺,运行时期的有序性,使它具有不同于传统连续流活性污泥法的一些特性。1、流程简单,运行费用低；

SBR法的工艺简单,便于自动控制,其主要设备就是一个具有曝气和沉淀功能的反应器,无需连续流活性污泥法的二沉池和污泥回流装置,在大多数情况下可以省去调节池和初沉池,系统构筑物小,流程简单,占地面积小、管理方便,投资省,运行费用低。2、固液分离效果好，出水水质好；

SBR在沉淀时属于理想的静止沉淀，固液分离效果好,容易获得澄清的出水。剩余污泥含水率低,这为后续污泥的处置提供了良好的条件。3、运行操作灵活，效果稳定；

SBR在运行操作过程中,可以根据废水水量水质的变化、出水水质的要求调整一个运行周期中各个工序的运行时间、反应器内混合液容积的变化和运行状态。4、脱氮除磷效果好；

SBR工艺在时间序列上提供了缺氧、厌氧和好氧的环境条件,使缺氧条件下实现反硝化,厌氧条件下实现磷的释放和好氧条件下的硝化及磷的过量摄取,从而有效的脱氮除磷。

5、有效防止污泥膨胀；

由于SBR具有理想推流式特点，有机物浓度存在较大的浓度梯度，有利于菌胶团细菌的繁殖，抑制丝状菌的生长，另外，反应器内缺氧好氧的变化以及较短的污泥龄也是抑制丝状菌的生长的因素，从而有效地防止污泥膨胀。

6、耐冲击负荷；池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。传统的SBR在应用中有一定的局限性，如在进水流量较大时，对反应系统需调节，会增大投资。为了进一步提高出水水质，出现了许多SBR演变工艺。CASS工艺：循环式活性污泥法ICEAS工艺：间歇式循环延时曝气工艺IDEA工艺：间歇排水延时曝气工艺DAT-IAT工艺：需氧池－间歇曝气池工艺UNITANK工艺：类似于三沟式氧化沟工艺MSBR工艺：改良序批式活性污泥法§12-1废水生物处理工程的基本数学模式泥龄（Sludgeage）θc生物固体平均停留时间或活性污泥在曝气池的平均停留时间，即曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比，用公式表示：θc＝VX/⊿X＝VX/QwXR。式中：⊿X为曝气池内每日增长的活性污泥量，即要排放的活性污泥量。Qw为排放的剩余污泥体积。XR为剩余污泥浓度。其与SVI的关系为(XR)max＝106/SVI及⑴整个处理系统处于稳定状态反应器中的微生物浓度和底物浓度不随时间变化，维持一个常数。即：式中：ρX―反应器中微生物的平均浓度；ρS―反应器中底物的平均浓度。推导废水生物处理工程数学模式的几点假定和⑵反应器中的物质按完全混合及均布的情况考虑整个反应器中的微生物浓度和底物浓度不随位置变化维持一个常数。而且，底物是溶解性的。即⑶整个反应过程中，氧的供应是充分的（对于好氧处理）。物料衡算就是根据质量守恒定律进行反应器系统各种物质的质量平衡计算。物料衡算范围的选定单位时间进入物量单位时间排出物量单位时间消耗物量单位时间累积物量＝＋＋普通方程式：a曝气池二沉池回流污泥剩余污泥入流出流becdf活性污泥法数学模型(1+r)QX,SeQ-QwXe,SeQS0X0=0rQ,Xr,SeVX,Se二沉池Qw,Xr,Se物料衡算范围Qw,X,Se完全混合连续流系统物料衡算图物料衡算两个前提入流微生物浓度X0=0运行处于稳定状态，微生物没有积累即：

(dX/dt)a·V=0据物料衡算普遍式：入流＝出流＋累积＋消耗1、对系统1活性污泥做物料衡算：Q·X0＝[Qw·XR+(Q-Qw)·Xe]+(dX/dt)a·V+[-dX/dt)g·V]Qw·XR+(Q-Qw)·Xe=(dX/dt)g·V∵Qw·XR+(Q-Qw)·Xe=VX/θc∴(dX/dt)g＝X/θc

1/θc=Y·(dS/dt)u/XR-Kd由r=rmaxSe/（Ks+Se）和(dS/dt)u=rXR得：

Se-出水中有机物的浓度,gBOD/m3Ks-饱和常数,gBOD/m3r-最大比底物速率,gBOD/(gVSS)说明出水有机物浓度仅是污泥龄和动力学参数的函数，与进水有机物浓度无关。1/θc=Y·rmaxSe/（Ks+Se）-Kd

Se=[Ks(1+Kd·θc)]/[θc(Y·rmax-Kd)-1]活性污泥法数学模型(1+r)QX,SeQ-QwXe,SeQS0X0=0rQ,Xr,SeVX,Se二沉池Qw,Xr,Se物料衡算范围Qw,X,Se完全混合连续流系统物料衡算图X=YQ（S0-Se)θc/V(1+Kd·θc)说明曝气池中活性污泥的浓度与进出水的水质、污泥泥龄和动力学参数有关。2、对系统2底物做物料衡算：QS0+RQSe-(dS/dt)uV-(1+R)QSe=0得:(dS/dt)uV=Q(S0-Se)/V1/θc=Y·(dS/dt)u/XR–Kd得由1/θc=Y·(S0-Se)/XV–Kd进而得3、对系统2进出曝气池的微生物做物料衡算：见教材P126

有机污染物降解与需氧微生物对有机污染物的降解包括1/3的直接氧化分解，2/3×80%需合成后再内源呼吸降解，故其需氧量为：O2＝a′QSa＋b′VXv

式中：a′为微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量。b′为每kg活性污染自身氧化所需要的氧量。两边同除以VXv得O2/VXv=a′Ns＋b′两边同除以QSa得O2/QSa＝a′＋b′1/Ns

3、负荷

BOD污泥负荷：Ns＝QSa/XV=F/M指单位重量活性污泥在单位时间内降解到预定程度的有机物量。

BOD容积负荷：Nv＝QSa/V

指单位曝气池容积在单位时间内降解到预定程度的有机物量。BOD污泥负荷和BOD容积负荷的关系式：Nv＝NsX。双膜理论1924年Lewis和Whitman提出气体传递原理

双膜理论(1)在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，在其外侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜与液膜而进入液相主体。基本点(2)由于气液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀的，不存在浓度差，也不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到液相主体，阻力仅存在于气、液两层层流膜中。

(3)在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是氧转移的推动力(4)氧难溶于水，并且氧转移决定性的阻力又集中在液膜上，因此，氧分子通过液膜的转移速度是氧转移过程的控制速度。两边同除以V：

扩散过程的基本规律Vd-物质扩散速率，单位时间内通过单位截面积上的物质的量；D-物质的扩散系数0膜厚层流紊流pPiCsC气体液体紊流内表面气膜液膜分压或浓度气体传递双膜理论简图

由于污水中存在着溶解性有机物，特别是某些表面活性剂，如短链脂肪酸和乙醇等，这类物质的分子属两性分子，它们将聚集在气、液界面上，阻碍氧分子的扩散转移。由于它们增加了氧转移过程的阻力，因此，造成了KLa值的下降。因此，引入小于1的α修正系数：

(1)水质

二、氧转移的影响因素

氧在水中的饱和度也受水质的影响，主要是含盐量的影响，因此引入小于1的系数β以修正污水中含盐量对氧饱和度的影响：(2)水温

（1）对KLa的影响

（2）对CS的影响

水温对氧的转移有相反的影响

但并不完全抵消，当15～30℃时：水温低对氧转移有利，30～35℃时：水温较高对氧转移有利。总之,水温低将有利于氧的转移。Cs值还受氧分压或气压的影响。当气压降低时，Cs也降低；反之则增大。因此，在气压不是1.013×105Pa的地区，Cs值应乘以如下的压力修正系数：(3)氧分压

鼓风曝气池中的Cs应按下式计算其中pd=p+9.8×103H(4)其他氧的转移系数，还与气泡的大小、液体的紊动程度和气泡与液体的接触时间有关。气泡尺寸小，则接触界面A较大，将提高KLa值，有利于氧的转移；但气泡小，则不利于紊动，对氧转移也有不利影响。紊动程度大，接触时间长(水层深)，则KLa值大，反之则小。

在稳定运行条件下，氧的转移速度应等于活性污泥微生物的需氧速度（Rr）

在标准条件下，转移到曝气池混合液中的总氧量（R0）：

而实际条件下,转移到曝气池的需氧量应为：三、氧转移速率与供气量的计算解上二式得由于R=RrV；Rr=a′QSr＋b′VXv。因此R0可以求出，一般情况下R0/R

=1.33-1.61即实际工程所需的空气量较标准条件下多33%-61%

氧转移效率（氧利用率）：式中S-供氧量，kg/hGs-供气量，m3/h鼓风曝气装置的供气量为：对于机械曝气，公式参考教材P134（式12-56）三、曝气设备

1、曝气的作用

活性污泥法系统中，曝气的作用是向液相中供给溶解氧，并起搅拌和混合作用。2、曝气的方法

通常采用鼓风曝气、机械曝气，以及两者联合使用的混合曝气，某些情况下也采用射流曝气。鼓风曝气机械曝气射流曝气

将压缩空气通过管道系统送入池内的散气设备，以气泡形式分散进入混合液。

鼓风曝气机械曝气射流曝气

利用装设在曝气池内的叶轮的转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产生强烈水跃，从而使空气中的氧与水滴或水气的界面充分接触，转入液相中去。鼓风曝气机械曝气射流曝气

利用水射流泵将空气吸入，使空气与水充分混合并溶解的曝气方式。3、鼓风曝气鼓风曝气由空气净化器，鼓风机，空气输配管系统和浸没于混合液中的扩散器组成。其中关键部件是扩散器。（1）扩散器作用：将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。

（1）扩散器根据分散气泡的大小，扩散器可分成几种类型：①小气泡扩散器②中气泡扩散器③大气泡扩散器④微气泡扩散器①小气泡扩散器微孔材料：陶瓷、砂粒、塑料特点：气泡小(直径在1.5mm以下)，氧利用率高(在11％左右)，但阻力大，易堵塞。

②中气泡扩散器

穿孔管的孔眼直径为2～3mm，孔口气体流速不小于10m/s，以防堵塞，其特点是氧利用率低，但空气压力损失较小；

莎纶管以多孔金属管为骨架，管外缠绕莎纶绳。金属管上开有许多小孔，压缩空气从小孔溢出后，从绳缝中以气泡形式挤入混合液。③大气泡扩散器常用的是曝气竖管，直径为15mm左右，底口敞开;特点:气泡大(直径3mm以上)，分布不匀，氧利用率低，不易堵塞。

④微气泡扩散器常称为射流曝气器，气泡直径在100μm左右，射流曝气器通过混合液的高速射流，将鼓风机引入的空气切割粉碎为微细气泡，与混合液充分接触混合，促进氧的传递。一般布置在曝气池的一侧和池底，以便形成漩流，增加气泡和混合液的接触时间，有利于氧的传递，同时使混合液中的悬浮固体呈悬浮状态。扩散器安装位置(2)鼓风机

常用的有：罗茨鼓风机和离心式鼓风机。

离心式鼓风机罗茨鼓风机适用于中小型污水厂，最常用单机风量80m3/min左右；风压0.5Mpa的最稳定，采用较多。但噪声大，必须采取消音、隔音措施。噪音小，效率高，适用于大中型污水厂。这是一种叶片式气体压缩机。罗茨鼓风机离心式鼓风机4、机械曝气机械曝气是用安装于曝气池表面的表面曝气机来实现的。表面曝气机分为竖式和卧式2类。（1）竖式(立轴式)表面曝气机

竖式(立轴式)表面曝气机械（mechanicalsurfaceaerator）的成套设备有多种形式，其机械传动结构大致相同，主要区别在于曝气叶轮的结构形式上，有泵（E）型叶轮、倒伞型、K3型叶轮、平板型叶轮等。（2）卧式（水平轴式）表面曝气机

卧式（水平轴式）表面曝气机有多种型式，机械传动结构大致相同，总体布置有异，主要区别在于水平轴上的工作载体——转刷或转盘。国内设计应用最广泛的是转刷曝气机和转盘曝气机。图14-14转刷曝气机

图14-15转盘曝气机

5、曝气设备性能指标

氧传递速率氧吸收率EA

动力效率EP

式中：R0——温度20℃，大气压力101.325kPa条件下，单位时间转移到无氧清水中的总氧量（kgO2/h）；S——供氧量(kg/h)，S＝GS×21％×1.33＝0.28GS；

GS——供空气量，（m3/h）；21%——氧在空气中所占的体积百分数；

1.33——20℃时氧的密度（kg/m3）；氧传递速率氧吸收率EA

动力效率EP

(单位：mgO2/(L·h))氧传递速率氧吸收率EA

动力效率EP

动力效率是曝气机或曝气器的性能参数之一，指单位输出功率使氧气转移到水中的量，单位为kgO2/(kW·h)。动力效率越高，曝气机或曝气器的性能越好，提供一定量氧气所消耗的动力越少。三、曝气池池型曝气池分类

从混合液在曝气池中的流态可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；从平面几何形状可分为长方形、廊道形、圆形或方形、环形跑道形三种；

从采用的曝气方法可分为鼓风曝气式、机械曝气式以及两者联合使用的联合式三种；

从曝气池与二次沉淀池的关系可分为分建式和合建式两种。1、推流式曝气池

多为狭长形或折流式的池子，一端进水，另一端出水。曝气装置常用鼓风曝气。根据断面上的水流情况，可分为平移推流和旋转推流。平移推流是曝气池底铺满扩散器，池中的水流只有沿池长方向的流动。旋转推流：较常用，曝气装置放在池底一侧，废水和回流污泥一起从池端进入后，在上升气流的作用下，在池子的横向产生旋流，混合液水流以螺旋状打滚前进，逐步推流至池子出口。2、完全混合式

曝气池曝气设备多用表面曝气机，置于池中心。污水进入搅拌中心，立即和全池水混合。完全混合曝气池可以和沉淀池分建和合建，因此，可分为分建式和合建式。分建式曝气池在运行上便于调节控制，应用较多。合建式曝气池，称为曝气沉淀池，结构紧凑，可省去污泥回流设备，适用于中小型污水厂。但是施工复杂、难度大；运行时难以分别控制和调节，运行不灵活，出水水质难于保证，已经基本淘汰。3、两种池型的结合推流曝气池中，可以用多个表曝机充氧和搅拌。对于每一个表曝机所影响的范围内，则为完全混合，而对全池而言，又近似推流。此时，相邻的表曝机旋转方向应相反，否则两机间的水流会互相冲突，也可用横向挡板在机与机之间隔开。4、循环混合式

循环混合式曝气池，又名氧化沟，多采用转刷曝气，其平面形状如环形跑道。

四、曝气设备的性能测试1、完全混合式曝气池的曝气设备充氧能力测定见“环境工程专业实验”。2、推流式曝气池的曝气设备充氧能力测定——麦金尼法（参考本教材第二版P153）§12-5去除有机污染物活性污泥法的过程设计

活性污泥法处理系统由曝气池、曝气设备、污泥回流设备、二沉池等组成。其工艺设计包括：(1)流程的选择；(2)曝气区容积的计算和曝气池工艺设计；(3)需氧量、供气量的计算与曝气设备的设计；(4)回流污泥量、剩余污泥量的计算与回流设备的设计；(5)二沉池的计算与设计等。一、曝气池的设计计算二、剩余污泥量计算三、需氧量设计计算§12-6生物脱氮除磷

生物脱氮

(1)生物脱氮原理好氧段：由亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用，将NH3-N转化为NO3－-N；缺氧段：经反硝化细菌将NO3－-N反硝化还原为氮气。①硝化段根据(3)式计算得到：每氧化1gNH3-N要消耗4.25gO2，7.07g碱度(以CaCO3计)和0.086g无机碳，合成0.17g新细胞。硝化细菌的世代时间普遍比异养菌的世代时间长，为了硝化作用彻底，保证有足够数量活性强的硝化细菌(107个/mL以上)及足够长的停留时间。②反硝化段

以甲醇为碳源作例子，反硝化的生物化学反应式如下：反硝化包括外源反硝化和内源反硝化。外源反硝化：利用外来碳源，以NO3－为最终电子受体，氧化有机物合成细胞物质：从反应式看：每利用1gNO3－反硝化，消耗2.47g甲醇(约合3.7gCOD)，产生0.48g新细胞和3.57g碱度。内源反硝化：以机体内的有机物为碳源，以NO3－为最终电子受体。从以上反应式看，反硝化的结果消耗NO3－，产生碱性物质OH－，使出水pH上升，呈碱性。

总反应式为：(2)生物脱氮工艺①传统生物脱氮工艺传统的三级生物处理脱氮工艺补充碳源的两段生物脱氮工艺②前置式反硝化脱氮A/O(anoxic-Oxic)工艺A/O生物脱氮工艺

A/O工艺是一种前置反硝化工艺，由Barnard为改进传统生物脱氮工艺而提出来。③后置缺氧脱氮A/O(anoxic-Oxic)工艺好氧/硝化缺氧回流活性污泥进水二沉池④Bardenpho工艺该工艺由两级A/O工艺组合而成，共4个反应池。由于采用了混合液回流，第一个A池中含有NO3――N，第二个A池在好氧之后，故也含有一定量的NO3――N，两个A池均为缺氧池，而非厌氧池。Bardenpho工艺的两级A/O工艺中，缺氧池均可进行反硝化作用，因此脱氮效率较高，可达90～95％。该工艺与其它工艺比较，主要特征是水力停留时间(HRT)较长，剩余污泥中的磷含量4～6％，其同步脱氮除磷效果较好。

⑤同步硝化反硝化（SNDN）过程同步硝化反硝化过程是指在没有明显独立设置缺氧区的活性污泥处理系统内，总氮被大量去除的过程。机理解释：

反应器DO分布不均匀理论：典型应用-氧化沟工艺缺氧微循环理论微生物学解释(3)生物脱氮工艺设计计算缺氧区容积计算好氧区容积计算需氧量计算硝化液回流比计算生物除磷

(1)生物除磷的原理(2)生物除磷的工艺(1)生物除磷的原理在厌氧时聚磷菌能释放磷酸盐(PO43-)于体外。在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐(PO43-)合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒)于体内，供其内源呼吸用。

故可创造厌氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷污、废水中厌氧放磷，然后在好氧条件下充分地过量吸磷，而后通过排泥从污水中除去部分磷，可以达到减少污、废水中磷含量的目的。

(2)生物除磷的工艺①A/O(Anaerobic/Oxic)工艺

这里的A/O除磷工艺与A/O生物脱氮工艺类似，但也有很大不同：一是其A段为严格的厌氧(anaerobic)段，而非缺氧(anoxic)段，二是该工艺只有污泥回流，而没硝化液回流。是美国的Spector于1975年研究活性污泥膨胀与控制问题时，发现它不仅可预防污泥丝状膨胀，还具有优良的除磷效果而开发的。进水磷与BOD之比较低时，A/O工艺有较好的除磷效果。A/O除磷工艺与A/O生物脱氮工艺类似，但也有很大不同：一是其A段为严格的厌氧(anaerobic)段，而非缺氧(anoxic)段，二是该工艺只有污泥回流，而没硝化液回流。脱氮除磷②Phostrip_弗斯特利普工艺

Phostrip工艺是在传统活性污泥法的污泥回流管线上增设一个除磷池及混合反应池构成的。1965年Levin首先提出，把生物除磷和化学除磷相结合，将富磷上清液引入化学沉淀池，投加石灰形成Ca3(PO4)2沉淀，通过排放磷污泥而除磷。

废水同步生物除磷脱氮工艺

①A2/O(anaerobic/anoxic/oxic)工艺

②Bardenpho工艺

③Phoredox工艺

④UCT工艺

⑤VIP工艺

⑥AP工艺

⑦SBR工艺⑧SBR工艺改良-DAT-IAT工艺①A2/O(anaerobic/anoxic/oxic)工艺

主要优点：①厌氧、缺氧、好氧交替运行，可以同时达到去除有机物、脱氮、除磷的目的；②运行不利于丝状细菌的繁殖，基本不存在污泥膨胀问题；③工艺流程简单，总的水力停留时间少，不需外加碳源，搅拌少，运行费用低。缺点：①除磷效果受污泥龄、回流污泥中含DO和NO3――N限制，可能不十分理想；②脱氮效果取决于混合液回流比，因该工艺回流比不宜太高(200%)，故脱氮效果不能满足较高要求。

②Bardenpho工艺

该工艺由两级A/O工艺组合而成，共4个反应池。由于采用了混合液回流，第一个A池中含有NO3――N，第二个A池在好氧之后，故也含有一定量的NO3――N，两个A池均为缺氧池，而非厌氧池。Bardenpho工艺的两级A/O工艺中，缺氧池均可进行反硝化作用，因此脱氮效率较高，可达90～95％。该工艺与其它工艺比较，主要特征是水力停留时间(HRT)较长，剩余污泥中的磷含量4～6％，其同步脱氮除磷效果较好。

③Phoredox工艺

Phoredox工艺由5个反应池组成，是Bardenpho工艺的改进型。它与Bardenpho工艺的主要差别在于在第一缺氧池前增加一个厌氧池。

Bardenpho工艺虽有较好的同时脱氮除磷功能，但缺氧池难以保证厌氧条件，对聚磷菌的放磷能力有一定的不利影响。Bardenpho工艺改为Phoredox工艺后，厌氧池保证了磷的释放，也保证了好氧条件下有更强的聚磷能力，可提高磷的去除效率。Phoredox工艺的泥龄较长，一般设计取10～20d甚至更长时间以达到污泥稳定，增加了碳的氧化能力。该工艺的主要缺点是污泥回流造成NO3--N进入厌氧池，给磷的去除带来不利影响，又由于受水质影响较大，对于不同的污水除磷效果不稳定。④UCT工艺

UCT工艺是目前比较流行的除磷脱氮工艺，由开普敦大学研究开发，其全称是UniversityofCapetown。它是在A2/O工艺的基础上对回流方式作了调整后产生的工艺。UCT工艺与A2/O工艺的不同之处是，它的回流污泥是从沉淀池回流到缺氧池而非厌氧池，这样可以防止NO3――N进入厌氧池而影响聚磷菌的厌氧释放磷作用。此外，增加混合液从缺氧池到厌氧池的回流，由于混合液中含溶解性BOD量较多，NO3――N少，有利于厌氧段的发酵作用。⑤VIP工艺

VIP工艺是美国Randall教授提出的一种类似于UCT工艺的生物除磷脱氮工艺。其反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合式反应串联在一起，形成了有机物的梯度分布，有利于充分发挥聚磷菌的作用，提高除磷效果。VIP工艺与UCT工艺相比主要在两个方面有显著不同：一是厌氧段、缺氧段和好氧段的每一部分都有两个以上的池子组成，其放磷和聚磷速度更快；二是其泥龄比UCT工艺的泥龄短，负荷比UCT工艺高，运行速率和除磷效率都高，所需反应