二、活性污泥法的基本原理与概念

第三章废水好氧生物处理工艺(1)

——活性污泥法活性污泥：第一节活性污泥法的基本原理向生活污水中注入空气进行曝气，每天保留沉淀物，更换新鲜污水。这样持续一段时间后，在污水中即将形成一种呈黄褐色絮状体，这种絮状体主要是由大量繁殖的微生物群体所构成，它易于沉淀和水分离，并使污水得到净化、澄清。污水曝气后产生的这种絮状体污泥具有去除水中有机物的活性，因此称为“活性污泥”。在显微镜下观察这些褐色絮状污泥，可见到大量的细菌、真菌、原生动物及后生动物。活性污泥法：通过人工强化措施，使反应器中保持一定溶解氧及悬浮微生物浓度，利用好氧微生物的代谢作用，去除水中有机污染物的一种生物方法。3.1活性污泥系统的基本工艺流程3.2活性污泥系统的主要组成及其功能第三节好氧活性污泥法工艺三、好氧活性污泥法工艺二沉池3.1活性污泥系统的基本工艺流程思考：浓缩污泥为什么回流？为什么定期排走剩余污泥？3.1活性污泥系统的基本工艺流程3.2活性污泥系统的主要组成及其功能三、好氧活性污泥法工艺3.2活性污泥系统的主要组成及其功能活性污泥系统曝气池二次沉淀池污泥回流系统剩余污泥排走系统供氧系统曝气池

1）反应的主体，有机物被去除，同时伴随活性污泥微生物的增殖。

2）基本设计参数：（城市污水）悬浮固体量（X）：2000--3000mg/L;

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

二次沉淀池：

1）活性污泥和水分离，保证净化水的出水水质；

2）得到浓缩污泥，一部分保证污泥回流；另一部分作为剩余污泥排出系统。剩余污泥排走系统：1）维持活性污泥系统的正常运行，必须定期排泥;2）为了使曝气池内经常保持高度活性的活性污泥。3）去除有机物的重要途径之一。污泥回流系统：

1）维持曝气池内的污泥浓度，活性污泥需要回流；

2）回流比的改变，可调整曝气池的运行工况。基本运行参数：（城市污水）回流污泥浓度（Xr）：8000--12000mg/L供氧系统：1）为好氧微生物提供代谢所需的溶解氧2）使得活性污泥处于悬浮状态废水好氧活性污泥法中异养微生物的代谢途径内源呼吸产物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)废水中的可降解有机物新细胞物质（C5H7NO2）代谢产物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代谢(2/3)合成代谢+异养微生物O2＋能量净增细胞物质内源呼吸～80%～20%内源呼吸残留物O2无机代谢产物,随出水排出少量能量剩余污泥摄取即废水生物处理中的活性污泥的增长部分，称为剩余污泥。活性污泥系统有效运行的基本条件是：废水中含有足够的溶解和胶体的易降解有机物；混合液含有足够的溶解氧——曝气；池内呈悬浮状态的活性污泥；

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（微生物）浓度；进水中不含有对微生物有毒有害的物质活性污泥降解废水中有机物的过程活性污泥降解有机物分为两个阶段：吸附稳定理论吸附阶段：废水中有机物转移到活性污泥上活性污泥具有巨大的比表面积；表面上含有多糖类粘性物质。

吸附阶段较短：10～30min左右稳定阶段：微生物对吸附其上的有机物进行氧化分解利用有机物合成细胞自身物质，进行细胞的更新、繁殖。

稳定阶段持续时间较长，需数小时。活性污泥的初期吸附作用曝气过程降解初期吸附BOD5对活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化分析得到结论：废水中的有机物残留在废水中的有机物从废水中去除的有机物微生物不能利用的有机物微生物能利用的有机物微生物能利用而尚未利用的有机物微生物不能利用的有机物微生物已利用的有机物（氧化和合成）（吸附量）增殖的微生物体氧化产物不同形式的有机物被微生物降解的历程

有机物的形态：结构简单、可溶性小分子物质，直接进入细胞内；结构复杂、胶体状或颗粒状的大分子物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞内。

有机物的化学结构：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同：

如：糖类…脂类…蛋白质…TCA循环二、活性污泥的性质及性能指标1、物理性质：

——“菌胶团”——“生物絮凝体”细菌之间按一定的排列方式互相粘集在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团。

颜色：褐色、（土）黄色、铁红色

气味：土腥味（城市污水）

粒径：0.02

0.2mm

比表面积：20

100cm2/ml状态似矾花絮绒颗粒相对密度曝气池混合液：1.002～1.003回流污泥：1.004～1.006二、活性污泥的性质及性能指标2、活性污泥微生物：组成：好氧菌、真菌、原生动物以及后生动物A．好氧菌：是活性污泥净化功能最活跃的成分曝气池混合液细菌总数1×108个/mL。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：1）绝大多数是好氧和兼性异养型的原核细菌；2）在好氧条件下，具有很强的分解有机物的功能；3）具有很高的增殖速率，其世代时间仅为20

30分钟；4）动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。真菌在活性污泥中不占优势B、原生动物----

在活性污泥中大约为5×103～2×104个/ml0.1mm钟虫小口钟虫草履虫盖纤虫肾形虫变形虫肉足虫鞭毛虫纤毛虫纤毛虫原生动物中以纤毛虫居多数，固着型纤毛虫可作为指示生物，固着型纤毛虫如钟虫、等枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良好。C、后生动物线虫轮虫原（后）生动物作为“指示性生物”数量二、活性污泥的性质及性能指标3、活性污泥生化性能:

活性污泥的含水率：99.2

99.8%

固体物质的组成：0.2~0.8%1）微生物群体（Ma）2）微生物内源代谢的残留物（Me）3）吸附的难于生物降解的有机物（Mi）4）无机物质（Mii）有机物75~85%固体物质的组成废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径内源呼吸产物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有机物新细胞物质（C5H7NO2）代谢产物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代谢(2/3)合成代谢+异养微生物O2＋能量净增细胞物质内源呼吸～80%～20%内源呼吸残留物O2无机代谢产物，随水排出少量能量剩余污泥多糖、脂蛋白组成的细胞壁组分和壁外的粘液层摄取即废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，称为剩余污泥。4、活性污泥的性能指标：（1）混合液悬浮固体浓度（MLSS）（污泥浓度）（MixedLiquorSuspendedSolids）混合液污泥浓度，曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量。

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii

单位：

mg/L或g/L

普通活性污泥法，曝气池内悬浮固体浓度常控制在2～3g/L。

（2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）（MixedLiquorVolatileSuspendedSolids）

混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度

MLVSS=Ma+Me+Mi单位：

mg/L或g/m3二、活性污泥的性质及性能指标MLVSS表示活性污泥中有机固体物质的浓度，更能反映活性污泥的活性。城市污水的活性污泥系统，一般为0.75～

0.85MLVSS/MLSS4、活性污泥的性能指标：活性污泥的沉降性能及其评定指标（3）污泥沉降比（SV）（SludgeVolume）定义：取一定量曝气池中悬浮状态的混合液，在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，一般以%表示；功能：相对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时发现早期的污泥膨胀（丝状菌的大量滋生）；正常范围：20

30%

SV不能确切表示污泥沉降性能，故人们想起用单位干泥形成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污泥指数，单位为mL/g。

4、活性污泥的性能指标：（4）污泥体积指数（SVI）（SludgeVolumeIndex）定义：曝气池混合液经30分钟静沉后，1g干污泥所形成的沉淀后的污泥体积，(ml/g)功能：能更准确地评价污泥的凝聚性能和沉降性能，

其值过低，说明泥粒小，密实，无机成分多；

其值过高，说明其沉降性能不好，将要或已经发生膨胀；正常范围：50

150ml/g（城市污水）

1L混合液沉淀30min的活性污泥体积（mL）SV(mL/L)SVI=1L混合液中悬浮固体干重（g）MLSS(g/L)

Q-Qw\Xe\Se回流污泥二次沉淀池废水曝气池初次沉淀池出水空气剩余活性污泥

Q\Si

V\X

Qw\Xr\Se

Qr\Xr\Se

Q+Qr\X\Se（4）污泥体积指数（SVI）有污泥回流并在二沉池底部排泥的活性污泥系统流程示意图曝气池混合液污泥浓度为X（mg/L），回流污泥浓度Xr

（mg/L），处理水量Q，回流污泥量Qr，回流污泥比RQr、Xr曝气池V、X二沉池Q+QrXQ-QwXeQQw、Xr根据泥量平衡关系：（假定曝气池进水中不含悬浮固体）如果活性污泥的SVI值增高，它在二次沉淀池内的浓缩浓度会降低，即Xr降低，为了使在曝气池内混合液的活性污泥浓度保持一定，就需要加大污泥的回流量。或在MLSS一定的条件下，SVI值越高，所应采用的污泥回流比也越大。4、活性污泥的性能指标：（5）泥龄（θc）指曝气池全部活性污泥平均更新一次所需的时间，活性污泥在曝气池内的平均停留时间，故又称细胞平均停留时间：曝气池内活性污泥的总量与每日排放污泥量（出水+剩余污泥）之比，d。当Xe≈0时，污泥龄是活性污泥系统设计与运行管理的重要参数，反映了活性污泥吸附有机物后进行稳定氧化的时间长短。污泥龄不能太长，否则污泥会老化，影响处理效果；污泥龄不能短于活性污泥中微生物的世代时间，否则在曝气池中不能大量增殖。三、活性污泥法的基本工艺参数1、曝气池的BOD——容积负荷：

1）BOD——进水容积负荷

2）BOD——去除容积负荷：单位曝气池容积（m3），在单位时间（1d）内，能够接受，并将其降解到预定程度的进水有机污染物量（BOD）。单位曝气池容积（m3），在单位时间（1d）内，能够接受，并将其降解到预定程度的有机污染物的去除量（BOD）。BOD——容积负荷与BOD——污泥负荷2、曝气池的BOD——污泥负荷：1）

BOD——进水污泥负荷2）BOD——去除污泥负荷指曝气池内，单位重量（kg）活性污泥，在单位时间（1d）内能够接受，并将其降解到预定程度的进水有机物量（BOD）

。指曝气池内，单位重量（kg）活性污泥，在单位时间（1d）内能够接受，并将其降解到预定程度的有机污染物的去除量（BOD）

。BOD—污泥负荷和BOD—容积负荷的关系式注意：以上公式中活性污泥是以悬浮固体浓度表示的，也可以以挥发性悬浮固体浓度表示。F/M值:活性污泥系统中参与反应的物质有：作为活性污泥微生物载体的活性污泥；作为活性污泥微生物营养物质的有机污染物保证活性污泥微生物正常生理活动的溶解氧在正常的活性污泥反应进程中，三种物质在数量上产生变化：有机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长；溶解氧为微生物所利用，必须连续加以补充。决定有机污染物的降解速度、微生物增长速率、氧利用速率的重要因素是有机物量与活性污泥量的比值，即有机基质（Food）与微生物（Microorganism）的比值，即F/M值。实际上，F/M值就是BOD——污泥负荷（进水）活性污泥增殖曲线对应的微生物特征活性污泥增殖曲线分为四个时期：

1)适应期

2)对数增殖期

3)减速增殖期

4)内源呼吸期微生物量时间普通活性污泥的增殖曲线条件：1）间歇静态培养；2）底物是一次投加对数增殖期减速增殖期内源呼吸期氧利用速率曲线微生物增殖曲线(M)BOD变化曲线(F)——有机污染物适应期适应期

1）定义：活性污泥微生物处于驯化阶段，微生物在新的环境条件、污水水质情况下需要一个短暂的适应过程；

2）活性污泥微生物的变化：微生物不进行繁殖，数量基本没有变化；

适者生存，菌体体积增大；

酶系统相应调整；

新的变异；等。

3）水质指标基本无变化。对数增殖期F/M值高(

2.2kgBOD5/kgMLSS.d)——有机底物丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增值速率与有机基质浓度无关，呈零级反应，只受微生物自身生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取（去除有机物能力很强），并以最高速率增殖，合成新细胞；由于微生物的代谢速率极高，需氧量很大；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。（例外：高负荷活性污泥法）对数增殖期内微生物特性：减速增殖期F/M值下降到一定水平后，有机物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率与剩余的有机物量呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率也开始下降；微生物的增殖速率在逐渐下降，活性污泥的量持续增长并最终达到最高；营养物质不再丰富，活性污泥的能量水平低下，絮凝体开始形成，凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；有机物已基本去除，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。减速增殖期内微生物特性：内源呼吸期F/M值下降到最低值并保持一常数，微生物已不能从周围环境中获得满足自身需要的有机物，靠分解代谢自身的营养物质以维持生命活动。在本期之初内源呼吸的速率超过合成速率，因此从整体上来说，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；营养物质消耗殆尽，能量水平极低，沉降性能良好，但凝聚性较差，污泥量少，污泥的无机化程度较高，处理水质良好；一般不采用这一阶段作为运行工况。（例外：延时曝气法）内源呼吸期内微生物特性：有机物降解与微生物增殖:活性污泥微生物在曝气池内日净增长量:式中:

X——每日的污泥增长量(kgVSS/d)；=Qw·Xr

Q——每日处理废水量(m3/d)；

Si——进水BOD浓度(kgBOD/m3)；

Se——出水浓度(kgBOD/m3)。

a—污泥增长系数，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谢和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合结果：

xv

—曝气池混合液中挥发性污泥浓度（kgVSS/m3）有机物降解与微生物增殖：BOD——去除污泥负荷意义：污泥龄与BOD—去除污泥负荷呈反比关系其中：a、b经验值的获得：

(1)对于生活污水或相近的工业废水:a=0.5~0.65，b=0.05~0.1；

(2)对于工业废水，则：

合成纤维废水0.380.10含酚废水0.55

0.13制浆与造纸废水0.760.016制药废水0.77

酿造废水0.93

工业废水ab亚硫酸浆粕废水0.55

0.13a、b值可根据实验或运行所得的资料a、b经验值的获得：（3）通过小试获得：

a

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

1951年由霍克来金(Heukelekian)等人通过废水生物处理的大量实验研究工作,发现在废水生物处理中，微生物增长和底物降解之间存在着一定量的关系。

微生物增长与底物降解的基本关系式式中：-活性污泥微生物净增长速度；-活性污泥微生物对有机物的降解速度；-活性污泥微生物合成速度-活性污泥微生物的内源代谢速度细胞合成与内源代谢同步进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气池内的净增殖量为：

Y-产率系数；Kd-内源呼吸（或衰减）系数；ρX（X）-反应器中微生物浓度。微生物增长与底物降解的基本关系式有机物降解与需氧：活性污泥微生物代谢中的耗氧过程有两个：（1）氧化分解有机污染物；（2）在内源呼吸期进行的自身氧化分解。式中：O2——曝气池中混合液的需氧量，kgO2/d;a’——氧化分解有机物的需氧率，代谢每kgBOD所需的氧量，kgO2/kgBOD.d;b’——内源呼吸的需氧率，每kgVSS每天进行自身氧化所需的氧量，kgO2/kgVSS.d。废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径内源呼吸产物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有机物新细胞物质（C5H7NO2）代谢产物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代谢(2/3)合成代谢+异养微生物O2＋能量净