2.5　城市污水的二級生物處理——傳統活性污泥工藝

2.5.1　活性污泥工藝的基本流程

活性污泥法是以存在于污水中的各種有機污染物為培養基，在通過曝氣提供足夠溶解氧的條件下，對微生物群體進行連續培養，使其大量繁殖，形成絮狀泥粒（即菌膠團），并通過吸附凝聚、氧化分解、沉淀等作用去除有機污染物的一種污水處理方法。這種絮狀泥粒就稱為活性污泥。

傳統活性污泥法處理系統的生物反應器是曝氣池。其型式有多種，但都有其共同特征，即使具有凈化功能的絮凝體狀的微生物增殖體根據需要在生物反應器內不斷循環，而且通過人為控制，使曝氣池內的有機物和凈化微生物的比例經常保持在一定水平，并在溶解氧存在的條件下，使有機物和由微生物形成的絮凝體充分接觸而進行好氧氧化分解。此外，活性污泥處理系統的主要組成部分還有二次沉淀池、污泥回流系統和曝氣及空氣擴散系統。圖2.14所示為活性污泥處理系統的基本流程。

在開始運行時，應先在曝氣池內注滿污水，連續曝氣一段時間（所謂曝氣就是往水中打入空氣或用機械攪拌的方式使空氣中的氧溶入水中），培養活性污泥。若附近有類似城市污水處理廠，也可直接借用已經正常工作的曝氣池內的活性污泥作為接種種泥，這樣可縮短污泥的培養時間。在產生污泥后，就可以連續運行了。來自初次沉淀池或其他預處理構筑物的污水連續不斷地從曝氣池一端流入，與活性污泥混合形成混合液。同時，曝氣池要不斷地進行曝氣，其作用除可向污水供氧外，還可通過攪拌、混合等作用，使曝氣池內的活性污泥處于懸浮狀態，且與污水充分接觸，保證活性污泥反應的正常進行。

通過活性污泥反應，污水中有機污染物得到降解，活性污泥本身得到增長。然后，混合液再由曝氣池的另一端流出并進入二次沉淀池。在這里通過沉淀作用進行泥水分離。澄清后的出水，可排出系統。經沉淀濃縮的污泥從沉淀池底部排出，其中一部分要回流到曝氣池以補充泥種，另外一部分就作為剩余活性污泥排至污泥處理系統進行處理。為保證曝氣池內污泥濃度的穩定，剩余污泥與在曝氣池內增長的污泥，在數量上應保持平衡。

2.5.2　活性污泥的生物相組成及其評價指標

1.活性污泥的生物相組成及其性質

活性污泥是由細菌類、真菌類、原生動物、后生動物等異種個體群所構成的具有氧化分解有機物活性的混合微生群體，以好氧細菌為主。其異養型的原核細菌是凈化污水的第一承擔者，也是主要承擔者。具有較強的氧化分解有機物的能力和良好的自身凝聚、沉降功能。

菌膠團吸附、氧化分解有機污染物后，完成了第一次污水凈化，而使處理水中存在大量的游離細菌。這些游離細菌又被原生動物所捕食，使污水水質進一步凈化。原生動物是污水凈化的第二承擔者，還可作為活性污泥系統中的指示性生物，即通過顯微鏡鏡檢，可觀察到出現在活性污泥中的原生動物，并辨別認定其種屬，據此能夠判斷處理水質的優劣。后生動物（主要指輪蟲）在活性污泥中很少出現，僅在處理水質很好的完全氧化型的活性污泥系統中出現（如延時曝氣活性污泥系統）。因此，輪蟲也具有指示性生物的功能。輪蟲的出現，表明水質非常穩定，而且后生動物也是游離細菌的第二次捕食者。

在活性污泥中，還夾雜著由入流污水挾入的有機和無機的固體物質。在有機性固體物質中，包括一些惰性的，難于被細菌攝取利用的物質。另外，微生物進行氧化分解有機物的同時，還通過內源呼吸進行自身氧化。

綜上所述，活性污泥主要由4部分所組成：①具有活性的微生物群體（Ma）；②微生物自身氧化的殘留物（Me）；③原污水挾入的、吸附在活性污泥上不能為微生物降解的有機物（Mi）；④原污水挾入的無機物質（Mii）。其中，有機成分占75%～85%，無機成分占15%～25%。

活性污泥在外觀上呈黃褐色、絮絨顆粒狀，又稱為生物絮凝體。它具有以下性質：①較強的氧化分解有機污染物的能力；②粒徑一般介于0.02～0.2mm之間，具有較大的比表面積（2000～10000m2／m3混合液），因此吸附能力強；③活性污泥的含水率高，一般都在99%以上，其比重介于1002～1006之間；④活性污泥具有疏水性。這些性質使活性污泥能夠吸附分解大量的有機污染物而形成絮凝體，并能在二次沉淀池里很好地沉淀下來，完成污水的凈化。

2.活性污泥的評價指標

（1）混合液懸浮固體濃度（MLSS）。混合液懸浮固體濃度又稱混合液污泥濃度，系指曝氣池中單位體積混合液內所含懸浮固體的總重量，即

一般以mg／L混合液（或g／L混合液，g／m3混合液或kg／m3混合液）計。混合液懸浮固體濃度常以X表示。

很明顯，污泥濃度的大小可間接反映混合液中所含微生物的量。為保證曝氣池的凈化效率，對于一般的普通活性污泥法，曝氣池內污泥濃度常控制在1～4g／L之間；在合建的完全混合曝氣池中約為3～6g／L。混合液懸浮固體過多，會妨礙充氧，也使它難以在二沉池中沉降。

（2）混合液揮發性懸浮固體濃度（MLVSS）。混合液揮發性懸浮固體是用混合液懸浮固體中有機性固體物質的重量來表示活性污泥濃度的。即

這項指標避免了活性污泥中惰性物質的影響，更能反映活性污泥的活性。但其中仍包括Me、Mi二項非活性有機物質，所以，它表示的也是活性污泥數量的相對數值。混合液揮發性懸浮固體的濃度常以XV表示。

一般地，MLVSS與MLSS的比值比較固定，對生活污水常為0.75左右。

（3）污泥沉降比（SV%）。污泥沉降比系指曝氣池混合液靜置30min后所形成的沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率。因為活性污泥沉淀30min后，便可接近它的最大密度，所以常以30min作為測定其沉降和濃縮性能指標的基礎。

污泥沉降比表示活性污泥的沉降、濃縮性能。它的大小能夠反映曝氣池正常運行時的污泥數量，可用來控制剩余污泥的排放量。即當污泥沉降比超過正常運行范圍時，就排放一部分污泥，以免曝氣池內污泥過多，耗氧過快而造成缺氧狀況，以致影響處理效果。此外，通過污泥沉降比的大小，還可發現污泥膨脹等異常現象的發生。

污泥沉降比測定方法簡單，又能說明一定的問題，應用較廣。它是評定活性污泥質量、控制活性污泥法運行的重要指標之一。

（4）污泥體積指數（SVI）。污泥體積指數簡稱污泥指數，系指曝氣池出口處1000mL混合液靜沉30min后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的體積（以mL計）。其計算式為

表示污泥指數時，單位常省略。

污泥指數能全面地反映出活性污泥的凝聚、沉降性能。一般地，以SVI＝70～100為宜；SVI＜70，說明泥粒細小，無機物含量高，缺乏活性和吸附的能力；SVI＞100，說明污泥沉降性能不好，并有產生污泥膨脹的可能；當SVI＞200時，則說明已經產生了污泥膨脹。

（5）污泥齡（ts）。污泥齡系指曝氣池內工作著的活性污泥總量與每日排放的剩余污泥量之比。單位以d計。運行穩定時，它表示活性污泥在池內的平均停留時間或污泥增長一倍所需要的時間。即

若微生物的增殖速度（世代時間）小于污泥齡，則微生物會在曝氣池內生長存在。但參與分解污水中有機物的微生物的世代時間通常都比微生物在曝氣池內的平均停留時間長。因此，必須使濃縮的活性污泥連續地回流到曝氣池內，才能保證曝氣池內的活性污泥濃度處于穩定狀態，進而使活性污泥處理系統處于正常穩定狀態。

（6）污泥的BOD5負荷率（Ns）。實踐表明，活性污泥的能量含量，亦即營養物或有機底物量（F）與微生物量（M）的比值（F／M），是活性污泥微生物增殖速率、有機物（BOD）去除速率、氧利用速率、活性污泥的凝聚與吸附性能的重要影響因素。曝氣池內活性污泥微生物的增殖期處于哪種階段，是由池中有機物與微生物之間的相對數量（即F／M）來決定的。而一般減速增殖期或內源呼吸期是活性污泥法所采用的工作階段。也就是說，在活性污泥處理系統中，可通過對F／M值的調整，使曝氣池內的活性污泥，主要是在出口處的活性污泥處于減速增殖期或內源呼吸期。因此，有機底物與微生物量的比值（F／M）是生物處理最重要的參數。但是在活性污泥系統中，真正的F／M值無法測定。在實用中，通常以污泥的BOD5負荷率（Ns）來表示F／M值，即

為了使活性污泥處理系統處于穩定正常狀態，條件之一就是保持穩定的BOD5污泥負荷率。在城市污水處理中，運行管理者無法控制進水BOD5污泥負荷率，只能通過控制曝氣池污泥總量相對穩定來完成。而活性污泥反應的結果使活性污泥在量上有所增長，這樣，就必須每天從系統中排出數量相當于增長的污泥量，使排出量與增長量保持平衡，從而使曝氣池內污泥總量保持相對穩定。

2.5.3　活性污泥反應的影響因素

活性污泥凈化污水的過程實質上就是有機底物作為營養物質被活性污泥微生物攝取、代謝與利用的過程。為使活性污泥反應正常進行，就必須創造有利于微生物生理活動的環境條件。影響活性污泥的環境因素有以下6個方面。

1.BOD污泥負荷率

BOD污泥負荷率過高，會加快活性污泥的增長速率和有機底物的降解速率，從而可縮小曝氣池容積，在經濟上是合理的。但處理后的水質不一定能達到要求；若BOD污泥負荷率過低，則會降低有機底物的降解速率，使處理能力降低，而加大了曝氣池的容積，提高了建設費用，也是不合理的。因此，應根據具體情況，選擇合適的BOD污泥負荷率。

另外，BOD污泥負荷率與活性污泥膨脹現象有直接關系。一般BOD污泥負荷率介于0.5～1.5kgBOD／（kgMLSS·d）之間的值時，容易產生污泥膨脹現象。所以在設計與運行上應避免采用這個區段的負荷率值。

2.溶解氧

活性污泥反應是好氧微生物進行的好氧分解，所以，曝氣池混合液中必須保持一定濃度的溶解氧。否則，會出現厭氧狀態，抑制活性污泥微生物的正常代謝，且易滋長絲狀菌。對于生物處理過程來說，水中溶解氧只要在0.5mg／L以上反應就能正常進行。但運行經驗證明，若要保證曝氣池全池溶解氧水平控制在0.5mg／L，就必須把曝氣池進口端的混合液溶解氧控制在2～3mg／L左右，若溶解氧過高，則耗能增加，在經濟上是不適宜的。

3.水溫

活性污泥微生物生理活動旺盛的溫度范圍是20～30℃之間，所以城市污水在夏季易于進行生物處理，而在冬季凈化效果則會降低。因此，一般將活性污泥反應進程的最高和最低溫度限值定為35℃和10℃。不過，近來大量試驗證明，即使在50～55℃的高溫，也能得到與中溫相同的凈化效果。但是只要水溫下降，在一般情況下凈化功能是要降低的，此時可通過降低污泥負荷率來保持與正常水溫同樣的凈化功能。

4.pH值

活性污泥微生物最適應的pH值范圍是5.5～8.5，pH值低于或高于這個范圍，都會促進真菌生長繁殖，而使活性污泥絮凝體遭到破壞，產生污泥膨脹現象，使處理水質惡化。

在活性污泥的培養與馴化過程中，若能考慮pH值的因素，則活性污泥在一定范圍內可以逐漸適應。但如出現沖擊負荷，pH值的急劇變化，便會對活性污泥反應嚴重不利，凈化效果也將急劇惡化。

5.營養物平衡

活性污泥微生物在發揮其正常的有機物代謝功能時，需要的基本元素是C、N、P等。碳元素在量上是以污水中的BOD值來表示的，一般BOD的量對活性污泥微生物來說是足夠的。氮、磷這兩種元素是微生物的細胞核和酶的組成元素。如水中氨、磷不足，就會抑制微生物的增殖，使其失去對有機物的降解功能。一般城市污水中由于含有適量的這種鹽類，因而氮、磷是足夠的。而大部分工業廢水，如石油化工、紙漿工業等排放的廢水中，幾乎不含氮、磷等物質，可以投加硫酸銨、硝酸銨、尿素、氨水等以補充氮，而投加過磷酸鈣、磷酸以補充磷。

對活性污泥微生物來說，不同的微生物對每一種營養元素需要的數量是不同的，并且要求各營養元素之間有一定的比例關系。生活污水一般為BOD5?N?P＝100?5?1。而進入曝氣池的污水，由于經物理處理后BOD5值有所降低，所以BOD5?N?P＝100? 20?4。這就說明，經物理法處理后的污水，其中N、P物質含量多于所需要的，因此，生活污水宜和工業廢水一起處理。

6.有毒物質

要保證活性污泥處理系統正常運行，就不得含有抑制凈化微生物酶系統的金屬、氰及特殊有機物質等有毒物質。另外，有些元素雖然是微生物生理上所需要的，但在其濃度達到某種高度時，就會對微生物產生毒害作用。

除此6個因素以外，有機底物的成分組成等對微生物的生理功能和生物降解過程也有較大的影響。

2.5.4　曝氣池運行方式與曝氣設備

1.曝氣池的類型及其構造

傳統活性污泥法中常采用推流式曝氣池，即矩形渠道式。一般在結構上常分成幾個單元，每個單元包括幾個池子，每個池內設有隔墻，將池子分成1～4個折流的廊道，如圖2.15所示，用單數廊道時，污水入口和出口在池子的不同側；采用雙數廊道時，入口和出口在池子的同側。廊道的單雙數取決于城市污水處理廠的總平面布置和運行方式。

曝氣池池長以50～70m之間為宜，有的也可長達100m，要根據城市污水處理廠的地形條件與總體布置而定。為避免產生短流，廊道的長寬比在5～10m之間。池深與池子造價和動力費用密切相關。而且，池越深，氧的利用率也越高。在一般設計中，常根據土建結構和池子的功能要求以及允許占用的土地面積等決定池深（一般介于3～5m之間）。

為了減小水流旋轉阻力，廊道的4個墻角（墻頂和墻腳）都做成外凸45°斜面。曝氣池壁應有0.5m的超高，池隔墻頂部可建成渠道狀，作為配水渠道用，或充作空氣干管的管溝，渠道上要蓋上蓋板作為人行道。

曝氣池的進水口、進泥均設于水下，以避免形成短流，影響處理效果，并設閘門以調節水量。曝氣池的出水一般采用溢流堰式。在池底、池子的1／2深處或距池底1／3深處都應設管徑為80～100mm的排水管，前者用作池子的清洗、排空；后者是考慮在培養、馴化活性污泥時用于周期排放上清液。

推流式曝氣池適用于各大、中型城市污水處理廠以及寒冷地區的小型城市污水處理廠。

2.曝氣方法與曝氣設備

曝氣就是將空氣中的氧氣強制溶解到混合液中去的過程。曝氣池內進行曝氣的主要目的是充氧和攪拌。充氧，即將空氣中的氧（或純氧）轉移到混合液中的活性污泥絮凝體上，以供微生物呼吸需要。攪拌與混合的目的是使曝氣池內的混合液處于混合、懸浮狀態，使活性污泥、溶解氧、污水中的有機底物三者充分接觸，且防止活性污泥在曝氣池內產生沉淀。

推流式曝氣池通常采用鼓風曝氣方法，即將壓縮空氣通過管道系統送入池底的空氣擴散裝置，經過擴散裝置，使空氣形成不同尺寸的氣泡，氣泡經過上升和隨水循環流動，最后在液面處破裂。在這一過程中，氣泡中的氧轉移到混合液中供微生物利用。

將空氣中的氧（或純氧）有效地轉移到混合液中去的裝置為曝氣設備。對鼓風曝氣裝置的效能，一般以動力效率和氧利用效率兩項指標評定：動力效率（EP），指每消耗1度電所能轉移到混合液中去的氧量，以kgO2／（kW·h）計；氧利用效率（EA），則指通過鼓風曝氣轉移到液體中的氧量占供給氧量的百分比（%）。

鼓風曝氣系統由空壓機、空氣擴散裝置和連接兩者的一系列管道組成。其空氣擴散裝置一般分為：微氣泡、中氣泡、大氣泡、水力剪切等類型。

（1）微氣泡空氣擴散裝置。這種空氣擴散裝置一般有：由陶瓷、粗瓷等多孔性材料和合成樹脂高溫燒結制成的空氣擴散板或空氣擴散管，或者由尼龍和薩然樹脂卷成的空氣擴散管及幾種微孔擴散器。其特點是氣泡細小、氣液接觸面大、氧的利用率高（10%以上）。但氣壓損失較大，且容易被空氣中的微小塵埃和油脂所堵塞，對送入的空氣需要預先進行凈化。

1）擴散板。擴散板有方形和長條形兩種。方形擴散板尺寸通常是300mm×300mm× 35mm。擴散板安裝在池底一側或兩側的預留槽上或預制的長槽形水泥匣上，每個板匣有自己的進氣管。空氣由空氣管通過進氣管進入槽或板匣內，然后通過擴散板進入混合液，如圖2.16所示。

2）擴散管。擴散管常以組裝形式安裝，以8～12根管組裝成一個管組（圖2.17）。其布置形式同擴散板。擴散管的氧利用率介于10%～13%之間，動力效率約為2kgO2／（kW· h）。

3）微孔空氣擴散器。如圖2.18所示為固定式平板型微孔空氣擴散器。這種空氣擴散器主要由擴散板、配氣管、通氣螺栓、三通短管和壓蓋等組成。圖2.19所示為固定鐘罩形微孔空氣擴散器。這兩種微孔空氣擴散器多采用陶瓷、剛玉等鋼性材料制造，氧利用率和動力效率都較高，但也有易堵塞、空氣需要凈化等缺點。還有一種稱為膜片式微孔空氣擴散器，其構造如圖2.20所示。這種空氣擴散器不易堵塞，也不需設除塵設備。此外，還有搖臂式微孔空氣擴散器、提升式微孔空氣擴散器等。

（2）中氣泡空氣擴散裝置。穿孔管是應用最廣泛的中氣泡空氣擴散裝置，它由管徑介于25～50mm之間的鋼管或塑料管制成。在管壁兩側向下以45°夾角開有直徑為3～5mm的孔眼或縫隙，不易堵塞，阻力小，但氧利用率較低在6%～8%之間。一般多組裝成柵格型，用于淺層曝氣（圖2.21）。

Wm－180型網狀中氣泡空氣擴散裝置（圖2.22），其氧利用率高，且布氣很均勻。

（3）大氣泡空氣擴散裝置。豎管屬于大氣泡空氣擴散裝置。豎管曝氣是在曝氣池的一側布置以橫管分支成梳形的豎管，口徑在15mm以上，距池底15cm左右。圖2.23所示為一種豎管擴散器及其布置示意圖。

另外，近年來又出現了可安裝在由鋼或合成樹脂制成的管上的噴氣式和圓盤式空氣擴散器。這些都屬于大氣泡空氣擴散裝置。由于大氣泡在上升時可形成較強的紊流，并能夠劇烈地翻動水面，從而加強了氣泡液膜層的更新和從大氣中吸氧的過程。雖然氣液接觸面積小，但氧利用效率仍在6%～7%之間，動力效率為2～2.6kgO2／（kW·h）。而且孔眼大，無堵塞問題，因此，目前在國內一些城市污水處理廠應用很廣泛，甚至有些工業廢水處理系統中的曝氣池也采用這種形式曝氣。

（4）水力剪切空氣擴散裝置。這種裝置是利用本身的構造特征，產生水力剪切作用，在空氣從裝置吹出之前，將大氣泡切割成小氣泡。

倒盆式擴散裝置屬于水力剪切空氣擴散裝置。它由盆形塑料殼體、橡膠板，塑料螺桿及壓蓋等組成，其構造如圖2.24所示。空氣由上部進氣管進入，由盆形殼體和橡膠板間的縫隙向周邊噴出，在水力剪切的作用下，空氣泡被剪切成小氣泡。停止供氣時，借助橡膠板的回彈力，使縫隙自行封口，防止混合液倒灌。這種擴散器其各項技術參數為：服務面積為6m×2m；氧利用率為6.5%～8.8%；動力效率為1.75～2.88kgO2／（kW·h）。

目前，我國生產的水力剪切擴散裝置還有固定螺旋式擴散裝置、金山型空氣擴散裝置等。

3.推流式曝氣池的運行方式

推流式曝氣池的運行方式主要有3種：普通曝氣、階段曝氣、吸附－再生。

（1）普通曝氣法。普通曝氣法又稱傳統曝氣法。污水從池子首端進入池內，回流污泥也同步注入。污水在池內呈推流形式流動至池子的末端，再流出池外進入二沉池。曝氣池進水口處有機底物負荷率高，耗氧速率高，因此，為避免形成厭氧狀態，進水有機負荷率不宜過高。這種曝氣池容積大、占地多，而且池內耗氧速率與供氧速率也難以吻合。

（2）階段曝氣法。該法是使污水沿曝氣池的長度從不同處分別流入，如圖2.25所示。

這種分段注入污水的運行方式提高了曝氣池對水質、水量變化的適應能力，且有機底物濃度沿池長均勻分布，負荷均勻，供氧速率與耗氧速率之間的差距小。另外，由于混合液中的活性污泥濃度沿池長逐步降低，因此出流混合液的污泥濃度降低，減輕了二次沉淀池的負荷，可提高沉淀效果。

（3）吸附－再生法。吸附－再生法又稱接觸穩定法，其工藝流程如圖2.26所示。

這種運行方式將活性污泥對有機底物進行降解的兩個過程——吸附與代謝分別進行。活性污泥和污水在吸附池內接觸0.5～2h，使部分懸浮物、膠體和溶解狀態的有機底物被活性污泥所吸附，有機底物得以去除。混合液再流入二次沉淀池進行泥水分離，處理水和剩余污泥排至池外，而回流污泥則從底部進入再生池，通過2～3h的曝氣，達到穩定狀態。活性污泥微生物完成合成和代謝反應而進入內源呼吸期，使污泥的活性得到充分恢復（處于“饑餓”狀態的微生物其吸附、凝聚能力最高，即活性最強），再次進入吸附池與污水接觸，吸附有機底物，就這樣使活性污泥在處理系統中循環使用。

總之，三種運行方式各有其特點，其主要區別在于投水點不同，從而造成了全池平均濃度的不同。普通曝氣方式全部污水在池端投入；階段曝氣方式將污水分散為幾點投入，故也稱多點投水法；吸附再生方式將污水在曝氣池中段集中一點投入（指合建式）。就全池平均濃度而言，吸附－再生法＞階段曝氣法＞普通曝氣法；如果維持一定的污泥負荷率，則曝氣池容積情況是，普通曝氣法＞階段曝氣法＞吸附－再生法。吸附－再生法雖然能以較小的池容積處理較多的污水，但污水停留時間較短，在處理效果上，略低于普通曝氣方式。而階段曝氣方式使全池的耗氧速率較平均，所以應用較廣。

2.5.5　二沉池

二次沉淀池（或合建式曝氣沉淀池的沉淀區）是活性污泥處理系統的重要組成部分。它的作用有兩個方面：一是進行混合液的泥水分離，以獲得澄清的出水；二是將分離出來的活性污泥重力濃縮后再回流到曝氣池中利用。其工作效果對出水水質和回流污泥濃度有直接影響，從而影響曝氣池的運行，也就影響著整個系統的凈化效果。

與曝氣池分建的二次沉淀池，從結構型式上與初次沉淀池相同，即有平流式、輻流式、豎流式、斜板（管）式等多種。但在選擇使用上有些區別：一般對于大、中型污水處理廠，二次沉淀池多采用機械吸泥的圓形輻流式沉淀池；中型污水處理廠也可采用方形多斗式平流式沉淀池；而對于小型污水處理廠，一般適宜采用豎流式沉淀池。由于二沉池所分離的污泥質量輕，容易產生異重流，因此，二沉池的沉淀時間比初沉池長，水力表面負荷比初沉池的小。二沉池的排泥通常采用刮吸泥機從池底大范圍排泥，而初沉池一般采用刮泥機刮泥，然后從池底集中排出。