6.1　傳統活性污泥法

6.1.1　工藝與組成

（1）活性污泥法工藝

活性污泥法工藝是一種應用最廣泛的廢水好氧生化處理技術，其主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統以及污泥回流系統等組成（圖6-1）。廢水經初次沉淀池后與二次沉淀池底部回流的活性污泥同時進入曝氣池，通過曝氣，活性污泥呈懸浮狀態，并與廢水充分接觸。廢水中的懸浮固體和膠狀物質被活性污泥吸附，而廢水中的可溶性有機物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營養，代謝轉化為生物細胞，并氧化成為最終產物（主要是CO₂）。非溶解性有機物需先轉化成溶解性有機物，然后才能被代謝和利用。廢水由此得到凈化。凈化后廢水與活性污泥在二次沉淀池內分離，上層出水排放；分離濃縮后的污泥一部分返回曝氣池，以保證曝氣池內留有一定濃度的活性污泥，其余為剩余污泥，由系統排出。

（2）性能與組成

①活性污泥形態與組成　活性污泥通常為黃褐色（有時呈鐵紅色）絮絨狀顆粒，也稱為“菌膠團”或“生物絮凝體”，其直徑一般為0.02～2mm；含水率一般為99.2%～99.8%，密度因含水率不同而異，一般為1.002～1.006g/cm³；活性污泥具有較大的比表面積，一般為20～100cm²/mL。

活性污泥由有機物及無機物兩部分組成，組成比例因污泥性質的不同而異。例如，城鎮污水處理系統中的活性污泥，其有機成分占75%～85%，無機成分僅占15%～25%。活性污泥中有機成分主要由生長在活性污泥中的微生物組成，這些微生物群體構成了一個相對穩定的生態系統和食物鏈，其中以各種細菌及原生動物為主，也存在著真菌、放線菌、酵母菌以及輪蟲等后生動物。活性污泥還吸附著被處理的廢水中所含有的有機和無機固體物質，在有機固體物質中包括某些惰性的難以被細菌降解的物質。

②活性污泥的濃度與功能

1）污泥濃度。混合液懸浮固體濃度（MLSS）也稱為混合液污泥濃度，表示活性污泥在曝氣池混合液中的濃度，其單位為mg/L或kg/m³。混合液揮發性懸浮固體濃度（MLVSS）表示有機懸浮固體的濃度，其單位為mg/L或kg/m³。在條件一定時，MLVSS/MLSS比值比較穩定，城鎮污水一般在0.75～0.85之間，不同廢水的MLVSS/MLSS值有差異。

2）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機物。細菌是有機物的凈化功能中心。同時，活性污泥中還存在硝化細菌與反硝化細菌。它們在生物脫氮中起著非常重要的作用。尤其是在廢水中氮的去除日益受到重視的形勢下，這兩類菌及它們之間的關系顯得更重要。

進行硝化作用的微生物有以下幾種。

Ⅰ.亞硝化細菌和硝化細菌，它們均為化能自養菌，專性好氧，分別從氧化和的過程中獲得能量，以CO₂為唯一碳源，產物分別為及；它們要求中性或弱堿性環境（pH=6.5～8.0），在pH<6時作用顯著下降。

Ⅱ.好氧的異養細菌和真菌，如節桿菌、芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、姆拉克漢遜酵母、黃曲霉、青霉等，能將氧化為及，但它們并不依靠這個氧化過程作為能量來源的途徑，它們相對于自然界的硝化作用而言并不重要。

硝化菌對環境變化很敏感，DO≥1mg/L，pH=8.0～8.4，BOD≤15～20mg/L，適宜溫度為20～30℃，硝化菌在反應器內的停留時間，即生物固體平均停留時間，必須大于其最小的世代時間。

進行反硝化作用的微生物有異養型的反硝化菌，如脫氮假單胞菌、熒光假單胞菌、銅綠假單胞菌等，在厭氧條件下利用中的氧氧化有機物，獲得能量，自養型的反硝化菌，如脫氮硫桿菌，在缺氧環境中利用中的氧將硫或硫代硫酸鹽氧化成硫酸鹽，從中獲得能量來同化CO₂。兼性化能自養型反硝化菌，如脫氮副球菌，能利用氫的還原作用作為能源，以O₂或作為電子受體，使還原成N₂O和N₂。

6.1.2　主要運行工藝

作為有較長歷史的活性污泥法生物處理系統，在長期的工程實踐過程中，根據水質的變化、微生物代謝活性的特點和運行管理、技術經濟及排放要求等方面的情況，又發展成為多種運行方式和池型。其中按運行方式可以分為普通曝氣法、漸減曝氣法、階段曝氣法、吸附再生法（即生物接觸穩定法）、高速率曝氣法等；按池型可分為推流式曝氣池、完全混合式曝氣池；此外，按池深及曝氣方式及氧源等，又有深水曝氣池、深井曝氣池、射流曝氣池、純氧（或富氧）曝氣池等。

（1）推流式（傳統活性污泥法）

廢水像活塞運動一樣在曝氣池內向前推進。在推流式工藝中，廢水沿曝氣池內的一系列廊道流動，其流程如圖6-2所示。

由圖6-2可見，廢水流過曝氣池時類似于活塞運動，并在推流過程中得到了凈化，BOD₅的濃度逐漸降低。該工藝的變型包括增加污泥回流和（或）將曝氣方式改為漸減曝氣。之所以可以進行這種變型，是因為廢水中的BOD濃度沿程逐漸降低，其所需的空氣量（需氧量）及細菌數量也相應降低。

（2）完全混合式

廢水在整個曝氣池內瞬時完全混合。完全混合式活性污泥工藝的特點是在整個曝氣池內廢水與氧氣及微生物瞬時混合，其工藝流程如圖6-3所示。

由于原水與氧氣和微生物完全混合，池內各點的揮發性懸浮固體濃度與需氧量均相等。完全混合式活性污泥法是最常見的運行工藝。

（3）接觸穩定法

接觸穩定法又稱生物吸附法或吸附再生法，如圖6-4所示。微生物在接觸池內吸收有機物，原水先進入接觸池，在這里進行曝氣并與微生物混合。微生物同時與可溶性有機物和不可溶性有機物接觸，可溶性物質可透過細菌的細胞壁，固體物質黏附在細胞壁外側，然后生物固體在二沉池內被沉淀分離。沉淀后的污泥部分排出系統，其余的回流至穩定池，穩定池內進行曝氣但不進水。

微生物在穩定池內降解有機物，細菌在穩定池內降解（穩定）其在接觸池內吸收的有機物。當細菌的降解過程結束并需要吸收新的養料時，將被回流至接觸池。因為細菌儲存在體內的養料已經被完全消耗，它們對原水中有機物質的吸收過程很快，因此，在接觸池內的停留時間可以大大縮短，從而接觸池所需的體積也比其他活性污泥工藝要小。穩定池所需的體積也比傳統曝氣池小，因為穩定池只接受二沉池回流的污泥而沒有進水。由于在接觸池內的溶解性物質和不溶性物質都可被快速吸收，通常在接觸池前不需設初沉池。

（4）延時曝氣法（用于處理工業廢水）

延時曝氣法常用于處理主要含可溶性有機物的工業廢水，這類廢水需要較長泥齡的工藝以降解復雜的有機物。延時曝氣法的流程圖與完全混合式相同，只是曝氣時間長。這種工藝的一個優點是廢水在曝氣池內的停留時間長，有利于抵抗沖擊負荷和臨時負荷；另一個優點是剩余污泥量少，因為部分污泥細菌已在曝氣池內被消化。延時曝氣式工藝流程如圖6-5所示。

（5）多點進水式

以多點進水的方式為微生物逐漸提供有機養料。多點進水工藝指沿推流式曝氣池布置多個進水點，工藝流程如圖6-6所示，該工藝中，微生物在曝氣池內向前推流時，逐步獲取養料，而不是在池的端部獲取全部養料，這就使得微生物經過曝氣池時不斷重復吸收、消化有機物的過程。這種進食模式有助于在整個池長范圍內保持養料與微生物之間的平衡。

（6）漸減曝氣式

曝氣池的供氣量沿池長逐漸降低。漸減曝氣式工藝中的反應器也是推流式，在曝氣池的進水端微生物的量很大，相應的需氧量也很大。而當污水在曝氣池內向前流動時，有機物不斷被細菌降解。隨著細菌食料的減少，其需氧量也不斷降低。鑒于此，有些污水廠在曝氣池的進水端提供較大的供氣量，因為這里的耗氧速率最高，然后沿池長逐漸減少供氣量，因為在水流方向上養料和需氧量都在減少，如圖6-7所示。

（7）高負荷法

高負荷活性污泥法又稱短時曝氣法或不完全活性污泥法。工藝的主要特點是負荷率高，曝氣時間短，對廢水的處理效果低。在系統和曝氣池構造方面，與傳統活性污泥法基本相同。

（8）淺層曝氣法

淺層低壓曝氣又名因卡曝氣（INKA aeration），是瑞典Inka公司所開發的。其原理基于氣泡在剛剛形成的瞬息間，其吸氧率最高。如圖6-8所示。曝氣設備裝在距液面800～900mm處，可采用低壓風機。單位輸入能量的相對吸氧量可達最大，它可充分發揮曝氣設備的能力。風機的風壓約1000mm即可滿足要求。池中間設置縱向隔板，以利于液流循環，充氧能力可達1.80～2.60kg/（kW·h）。工藝缺點是曝氣柵管孔眼容易堵塞。

（9）深水曝氣法

曝氣池內水深可達8.5～30m，由于水壓較大，故氧利用率較高，但需要的供風壓力較大，因此動力消耗并不節省。近年來發展了若干種類的深水曝氣池，主要有深水底層曝氣、深水中層曝氣，其中包括單側旋流式、雙側旋流式、完全混合式等。為了減小風壓，曝氣器往往裝在池深的一半，形成液-氣流的循環，可節省能耗。當水深超過10～30m時，即為塔式曝氣池。如圖6-9所示。

深井曝氣是20世紀70年代中期開發的廢水生物處理新工藝。深井曝氣處理廢水的特點是：處理效果良好，并具有充氧能力高、動力效率高、占地少、設備簡單、易于操作和維修、運行費用低、耐沖擊負荷能力強、產泥量低、處理不受氣候影響等特點。此外，在大多數情況下可取消一次沉淀池，對高濃度工業廢水容易提供大量的氧，也可用于污泥的好氧消化。深井曝氣裝置一般平面呈圓形，直徑為1～6m，深度50～150m。在井身內，通過空壓機的作用形成降流和升流的流動。如圖6-10所示。

（10）純氧曝氣法

①純氧曝氣法的特點　純氧曝氣又稱富氧曝氣。與空氣曝氣相比，具有以下幾個特點。

1）空氣中含氧一般為21%，一般純氧中含氧為90%～95%，而氧的分壓純氧比空氣高4.4～4.7倍，因此，純氧曝氣能大大提高氧在混合液中的擴散能力。

2）氧的利用率可高達80%～90%，而空氣曝氣活性污泥法僅10%左右，因此達到同等氧濃度所需的氣體體積可大大減少。

3）活性污泥濃度（MLSS）可達4000～7000mg/L，故在相同有機負荷時容積負荷可大大提高。

4）污泥指數低，僅100左右，不易發生污泥膨脹。

5）處理效率高，所需的曝氣時間短。

6）產生的剩余污泥量少。

②純氧曝氣池的分類　純氧曝氣池有三類，如圖6-11所示。

1）多級密封式，氧從密閉頂蓋引入池內，廢水從第一級逐級推流前進，氧由離心壓縮機經中空軸進入回轉葉輪，它使池中污泥與氧保持充分混合與接觸，使污泥能極大地吸收氧，未用盡的氧與生化反應代謝產物從最后一級排出。

2）對舊曝氣池進行改造，池上設幕蓬，既通入純氧，又輸入壓縮空氣，部分尾氣外排，也可循環使用。

3）敞開式純氧曝氣池。純氧曝氣活性污泥法的運行數據和設計參考數據見表6-1。

6.1.3　運行過程與控制因素

在活性污泥法曝氣過程中，廢水中有機物的去除過程是由吸附和穩定這兩個過程和階段組成的。在吸附階段，主要是廢水中的有機物轉移到活性污泥上去；在穩定階段，主要是轉移到活性污泥上的有機物為微生物所吸收利用。這兩個階段事實上是不能絕對分開的，它們在曝氣過程中是并存的；前一個吸附階段中亦存在著物質穩定，但不是主要的。故在吸附階段中必然是以吸附為主，而在穩定階段則以穩定為主。

（1）溶解氧

活性污泥法是一種利用好氧微生物的污水生物處理工藝。溶解氧濃度對活性污泥的工作關系密切。據有關報道，當溶解氧濃度高于0.1～0.3mg/L時，單個懸游著的好氧細菌的代謝不受溶解氧濃度的影響。但是，活性污泥的泥粒是千萬個個體微生物集結在一起的絮狀體，要使其內部的溶解氧濃度達到0.1～0.3mg/L，泥粒周圍的溶解氧濃度一定要高得多，這個濃度的最低限值同泥粒的大小和混合液溫度有關，因為它們影響氧向泥粒內部的擴散。為了獲得良好性能的活性污泥，據長期的研究觀察經驗，認為混合液中的溶解氧濃度應保持不低于1～2mg/L，以保證活性污泥法系統的正常運行。

當曝氣池中的溶解氧過低時，將有利于活性污泥中絲狀菌的大量繁殖。這主要是由于絲狀菌的體形長，表面積大，比其他細菌容易奪得氧，故在競爭中可占優勢。絲狀菌一旦建立優勢，其他細菌就更不易取得氧，這就可能使得活性污泥產生膨脹。

季節對溶解氧的影響必須引起重視。在夏季，活性污泥中的微生物非常活躍，加上飽和溶解氧值下降，因此，供氧量要增加；反之，在冬季可以減少。

（2）營養物

活性污泥的主體是好氧微生物，培養好活性污泥，就必須提供微生物的營養物質要求。其中以碳營養源為主，此外，還需氮、磷營養源和一些微量元素。通常取碳、氮、磷三種營養源作為培養活性污泥微生物所需營養物的主體構成，并提出應滿足營養源組成比例為BOD∶N∶P=100∶5∶1。氮缺乏會引起絲狀菌增長或者活性污泥分散生長（絮凝差），此外，還會抑制活性污泥增殖；同時，活性污泥在分解BOD的過程中在細胞壁外分泌過量產物形成一種“絨狀”絮體（沉降性差）。在生活污水中是能夠滿足營養源組成比例的。可是在工業廢水中不一定都能滿足。有的工業廢水可能缺乏某種營養源，需向反應器內投加必要的氮和磷等營養物質。投加硫酸銨、硝酸銨、尿素、氨水等以補充氮，投加過磷酸鈣、磷酸等以補充磷。工業廢水宜與生活污水合并處理。

（3）溫度

活性污泥微生物的生理活動和其所處環境的溫度有著密切的關系。例如，城市污水處理廠的運行，在溫暖季節，水溫適宜時，情況就較正常，出水水質較好；而在嚴寒季節，水溫過低時，處理效果就較差。這是因為微生物酶系統的工作要求一定的適宜溫度范圍。在該范圍內，微生物的生理活動活躍、旺盛，生長、繁殖正常，物質代謝作用亦較快。據污水處理廠的運行經驗，曝氣池系統內的水溫以20～30℃為適宜范圍，若水溫超過35℃或低于10℃時，處理效果就下降。因此，對高溫工業廢水，如進行生物處理，往往需要加以降溫，使水溫處于適宜范圍內，而對寒冷地區的污水生物處理構筑物，有時需要采取保溫措施，維持一定的水溫。目前對于小型生物處理構筑物，一般采取設置于室內予以保溫的設計，而對大型污水處理廠，采取適當的保溫措施，維持一定的運轉水溫。據有關報道，如水溫能維持在6～7℃之間，同時采取提高活性污泥濃度和降低污泥負荷率的措施，活性污泥仍能有效地發揮作用，達到一定的處理效果。

（4）pH值

曝氣池內混合液的pH值，對活性污泥微生物來說也是一個重要的因素，pH值過低、過高都是不適宜的。一般位于中性附近，pH=6.5～7.5是最適宜的，因為在這個范圍內，活性污泥微生物的生長繁殖情況和活性最好。如pH值低于6.5時，將對霉菌生長有利，如果活性污泥中有大量霉菌（真菌）繁殖，由于它們不像細菌那樣可分泌黏性物質，因而會破壞活性污泥的結構，造成污泥膨脹。同樣，如果pH值過高，達到9時，原生動物將由比較活躍轉為呆滯，菌膠團黏性物質解體，活性污泥結構亦將遭到破壞。另外，營養物磷會析出而無法被微生物利用。根據活性污泥法系統的運轉經驗來看，曝氣池內混合液的pH值一般以位于6.5～8.5范圍內較好。為此，pH值過高、過低的工業廢水，在進行生物處理之前，均應采取適當的中和措施，予以調整。對完全混合活性污泥法來講，由于曝氣池有一定的混合、稀釋能力，故對進水pH值的要求可放寬些，對進水pH值的突然變化亦有一定的耐沖擊能力。

（5）有毒物質

有毒物質是指對活性污泥微生物具有抑制及殺害作用的那些化學物質。毒物對微生物的影響是破壞它們的細胞結構，主要是破壞細胞的細胞質膜和機體內的酶，使酶失去活性，細胞質膜遭到破壞，使機體外界的物質進入細胞體內，而體內的物質也溢出體外。這就破壞了微生物的正常生理活動。有毒物質對活性污泥微生物的抑制及殺害作用分急性中毒和慢性中毒兩類。

眾所周知，許多重金屬離子（如鉛、鎘、鉻、銅、鋅等）對微生物有毒害作用。這些重金屬離子能與細胞內的蛋白質結合，從而使蛋白質變性，使酶失去活性。在污水活性污泥法生物處理中，對這些重金屬離子應加以控制，使其處于允許濃度內。

此外，又如酚、氰、腈、醛、硝基化合物等，一方面對微生物有毒性，另一方面又能被某些微生物分解利用使之無毒，但是能承受的濃度有一定限度。活性污泥微生物對這些毒物的承受（容許）濃度在被馴化前后有很大差異。如未經馴化的微生物，對氰和酚的承受濃度分別為1～2mg/L和50mg/L左右；經馴化后，可分別達到20～30mg/L和300～500mg/L。因此，針對這種情況，還應視具體的污水進行可生物處理性試驗，以確定生物處理對水中毒物的容許濃度。

另外，處理工藝及構筑物不同，對毒物的忍受濃度也有不同。例如在塔式生物濾池和生物轉盤中，微生物有明顯的分層或分級現象，因此對毒物的忍受能力較強。例如，上海焦化廠的含氰廢水處理試驗中發現，活性污泥系統在進水氰濃度超過30mg/L時，處理效果明顯下降；而塔式生物濾池在進水氰濃度為40mg/L時，處理效果仍然很好。

在工業廢水處理中，應防止超過容許濃度的有毒物質進入。對含有重金屬的廢水，依靠生化處理不能去除的重金屬，它在污泥中的積累還會影響到剩余污泥的處置，因此必須采用適當的物理、化學方法進行預處理。

（6）曝氣池混合程度

曝氣池內的混合程度關系到廢水中的有機物轉移到活性污泥微生物上去的傳質效果；此外，混合得好還可以防止曝氣池內的污水短流發生。一個混合良好的曝氣池的特征是池內任何處的DO和MLSS濃度均勻一致。