水污染控制教程第十二章+活性污泥法

水污染控制工程第十二章活性污泥法楊爽化學與環(huán)境工程學院目錄第一節(jié)基本概念第二節(jié)活性污泥法的發(fā)展第三節(jié)活性污泥法數學模型基礎第四節(jié)氣體傳遞原理和曝氣設備第五節(jié)去除有機污染物的活性污泥法過程設計第六節(jié)脫氮、除磷活性污泥法工藝及其設計第七節(jié)活性污泥法系統(tǒng)設計方法的深化第八節(jié)二次沉淀池第一節(jié)基本概念一、活性污泥由細菌、菌膠團、原生動物、后生動物等微生物群體及吸附的污水中有機性及無機性物質組成的、有一定活力的、具有良好的凈化污水功能的絮絨狀污泥?；钚晕勰嘈再|菌膠團：由細菌分泌的多糖類膠狀物質將細菌包覆成的粘性團塊，使細菌具有抵御外界不利因素的性能?；钚晕勰嘀屑毦钚晕勰嘀性鷦游锘钚晕勰嘀泻笊鷦游锢壑οx旋輪蟲旋輪蟲豬吻輪蟲鐘蟲活性污泥性能指標混合液懸浮固體濃度：MLSS曝氣池中單位體積混合液中所含懸浮固體的重量，mg/l或g/lMLSS=Ma+Me+Mi+Mii混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度：MLVSS單位體積混合液中揮發(fā)性懸浮固體的重量，mg/l或g/lMLVSS=Ma+Me+Mi活性污泥法是利用人工馴化培養(yǎng)的微生物群體，在人工強化的環(huán)境中呈懸浮狀態(tài)生長，分解氧化污水中可生物降解的有機物質，從而使污水得到凈化的方法。二、活性污泥法的基本流程

初沉池：設在工藝系統(tǒng)首端，用于去除原廢水中所含的懸浮物質。二沉池：設在系統(tǒng)末端，將曝氣池出水中的活性污泥進行分離、濃縮；回流污泥：主要用來保持曝氣池中所需的微生物量，以分解氧化有機物；曝氣：既為活性污泥微生物提供呼吸所需的氧氣，同時也使活性污泥與廢水不斷混合、攪拌以防止活性污泥在曝氣池中沉淀。

三、活性污泥降解污水中有機物的過程活性污泥在曝氣過程中，對有機物的降解（去除）過程可分為兩個階段。吸附階段穩(wěn)定階段由于活性污泥具有巨大的表面積，而表面上含有多糖類的粘性物質，導致污水中的有機物轉移到活性污泥上去。主要是轉移到活性污泥上的有機物為微生物所利用第二節(jié)活性污泥法的發(fā)展一、活性污泥法曝氣反應池的基本形式推流式曝氣池推流曝氣池長寬比一般為5～10；進水方式不限；出水用溢流堰。推流曝氣池的池寬和有效水深之比一般為1～2。根據橫斷面上的水流情況，可分為平流推移式、旋流推流式。平面流態(tài)示意出水氣泡橫斷面示意平流推移式態(tài)示意圖進水進水出水旋流旋流推流式態(tài)示意圖完全混合曝氣池按池形分：圓型、方型、矩型；根據和沉淀池的關系分：分建式、合建式。圖15-16

合建式圖15-15分建式出水管導流筒出水槽曝氣器進水管放空管管剩余污泥排放管沉淀區(qū)曝氣區(qū)曝氣區(qū)沉淀區(qū)污泥回流管進水出水表曝機進水

出水相鄰表曝機水流旋轉方向相反表曝機進水

出水擋板相鄰表曝機之間安置擋板或隔墻封閉環(huán)流式反應池進水二沉池回流污泥剩余污泥轉刷出水氧化溝活性污泥法序批式反應池1.傳統(tǒng)活性污泥法

在推流式的傳統(tǒng)曝氣池中，混合液的需氧量在長度方向是逐步下降的。實際情況是：前半段氧遠遠不夠，后半段供氧量超過需要。所以出現了：1.漸減曝氣2.分布曝氣3.完全混合回流污泥剩余污泥曝氣池二沉池出水供氧速率需氧速率供、需氧速率傳統(tǒng)活性污泥法進水二、活性污泥法的發(fā)展和演變2.漸減曝氣活性污泥法

漸減曝氣活性污泥法回流污泥剩余污泥曝氣池二沉池出水進水供氧速率需氧速率供、需氧速率3.多點進水活性污泥法

供、需氧速率曝氣池二沉池需氧速率多點進水活性污泥法回流污泥剩余污泥出水進水供氧速率

主要優(yōu)點是：

1.廢水沿池長分成幾點進入，改變了傳統(tǒng)活性污泥法中有機底物濃度池首高、池尾低沿池長分布不均的情況，使底物濃度沿池長較均勻地分布。改善了供氧速率和需氧速率之間的相互吻合情況有利于降低能耗。

2.廢水分成幾個小股進入，使可能遇到的突增負荷被分散并減輕沖擊程度。即多點進水較單點進水，提高了耐沖擊負荷的能力。

3.曝氣池中的活性污泥濃度在池首端明顯較高，在同樣條件下（同樣的回流污泥濃度及同樣的污泥回流比）曝氣池中污泥平均濃度明顯高于傳統(tǒng)活性污泥法，因此體積負荷較高，適應于較高有機物濃度的廢水處理。供氧速率需氧速率供、需氧速率二沉池回流污泥剩余污泥曝氣池出水進水完全混合活性污泥法4.完全混和活性污泥法

以矩形曝氣池為核心

以圓形曝氣池為核心

出水管導流筒出水槽曝氣器進水管放空管管剩余污泥排放管沉淀區(qū)曝氣區(qū)

完全混合活性污泥法的主要特點在于：（1）池液里各個部分微生物的種類和數量基本相同，生活環(huán)境也基本相同；（2）池液里各個部分的需氧速率基本相同；（3）當入流出現沖擊負荷時，大量的池液迅速與進水完全混合，池液的組成變化較小。因為突然增大的負荷可由全部池液所分擔，而不是僅僅由回流污泥來承擔，故耐沖擊負荷能力較大。

曝氣池中的MLSS，約為300～500mg/L，曝氣時間比較短，約為2～3h，處理效率僅約65％左右，有別于傳統(tǒng)的活性污泥法，故常稱變型曝氣。特點：污泥負荷高、曝氣時間短、剩余污泥量大，運行費用較少；適用于出水水質要求較低或者前一級處理的場合。5.高負荷曝氣或變型曝氣6.延時曝氣法延時曝氣的特點：污泥負荷特別低，曝氣時間很長，達24h甚至更長，MLSS較高，達到3000～6000mg/L；活性污泥在時間和空間上部分處于內源呼吸狀態(tài)，剩余污泥少而穩(wěn)定，無需消化，可直接排放；占地面積大、曝氣量大，且池內活性污泥易產生部分老化現象，可能會影響二沉池出水水質；一般采用完全混合型曝氣池；適用于污水量很小的場合，近年來，國內小型污水處理處理系統(tǒng)多有使用。7.氧化溝

在50年代開發(fā)的氧化溝是延時曝氣法的一種特殊形式，它的池體狹長，池深較淺，在溝槽中設有表面曝氣裝置。曝氣裝置的轉動，推動溝內液體迅速流動，取得曝氣和攪拌兩個作用。氧化溝溝槽呈環(huán)形，槽深一般為1～1.5米，溝中混合液流速約為0.3～0.6m/s，使活性污泥呈懸浮狀態(tài)。進水二沉池回流污泥剩余污泥轉刷出水氧化溝活性污泥法

溝中設有轉刷，其作用為:

（1）使進水、回流污泥和溝中原有混合液很好混和；（2）提供氧源；（3）使水流向前運動。特點：耐沖擊負荷，運行負荷低，深度處理大；污泥產量較少，且沉降性能好，無臭味，易于處置；布局緊湊，運行管理方便和能耗低。8.吸附再生活性污泥法再生二沉池吸附吸附再生活性污泥法回流污泥剩余污泥出水進水

基本思路：使廢水和活性污泥接觸達到吸附飽和狀態(tài)，大部分有機物被吸附在活性污泥的表面時，就進行泥水分離；同時設置再生池，對吸附飽和的回流污泥進行曝氣，使有機物在其中得到降解。

工藝特點：（1）僅對吸附飽和的回流污泥進行曝氣，曝氣池容積及曝氣量比普通活性污泥法—般可減少三分之一或更多可以降低系統(tǒng)的基建運行費用。（2）為了更多地吸附廢水中的污染物，

回流比比傳統(tǒng)法大些。較多的回流污泥進入曝氣池，就具有了一定的調節(jié)平衡能力和適應負荷的變化。而且也由于有大量污泥在再生池中曝氣再生，故一旦當吸附池中污泥遭到破壞，即可迅速由再生池的污泥去替換，而不致影響曝氣池繼續(xù)運轉。從上述這些情況來看，吸附再生法相對傳統(tǒng)法來說，應變能力或耐沖擊負荷的能力要高些。不足：處理效果相對較低；剩余污泥量較多。A級以高負荷或超高負荷運行，B級以低負荷運行，A級曝氣池停留時間短，30～60min，B級停留時間2～4h。該系統(tǒng)不設初沉池，A級曝氣池是一個開放性的生物系統(tǒng)。A、B兩級各自有獨立的污泥回流系統(tǒng)，兩級的污泥互不相混。處理效果穩(wěn)定，具有抗沖擊負荷，pH值變化的能力。該工藝還可以根據經濟實力進行分期建設。9.AB法A段曝氣池B段曝氣池進水中間沉淀池B段沉淀池出水A段回流污泥B段回流污泥剩余污泥剩余污泥A段B段10.序批式活性污泥法(SBR)（spacebiological-treatmentreactor)上圖為SBR工藝的基本運行模式，其基本操作流程由進水，反應，沉淀，出水和閑置等五個基本過程組成，從污水流入到閑置結束構成一個周期，在每個周期里上述過程都是在一個設有曝氣或攪拌裝置的反應器內依次進行的。

進水：指反應器接納原水，池內水位由最低達到最高，且使進水與池內原有活性污泥混合的過程；反應：指進水結束后對池內混合液進行曝氣或攪拌，以達到預期處理效果的過程；沉淀：反應器結束后停止曝氣和攪拌進行靜置；排水：上清液作為處理出水外排，并排出多余的剩余污泥，沉降的大部分活性污泥作為下一批次處理的回流污泥適用；閑置：自排水期結束到下一批廢水進入之前，池內活性污泥在此階段進行內源呼吸，并可在反硝化細菌的作用下進行反硝化脫氮。SBR工藝與連續(xù)流活性污泥工藝相比的優(yōu)點：①工藝系統(tǒng)組成簡單，不設二沉池，曝氣池兼具二沉池的功能，無污泥回流設備；②耐沖擊負荷，在一般情況下（包括工業(yè)污水處理）無需設置調節(jié)池；③反應推動力大，易于得到優(yōu)于連續(xù)流系統(tǒng)的出水水質；④運行操作靈活，通過適當調節(jié)各單元操作的狀態(tài)可達到脫氮除磷的效果；⑤污泥沉淀性能好，SVI值較低，能有效地防止絲狀菌膨脹；⑥該工藝的各操作階段及各項運行指標可通過計算機加以控制，便于自控運行，易于維護管理。①容積利用率低；②水頭損失大；③出水不連續(xù)；④峰值需氧量高；⑤設備利用率低；⑥運行控制復雜；⑦不適用于大水量。SBR工藝的缺點：一般曝氣池直徑約1－6m，水深約10～20m。深井曝氣法深度為50～150m，節(jié)省了用地面積。在深井中可利用空氣作為動力，促使液流循環(huán)。深井曝氣法中，活性污泥經受壓力變化較大，實踐表明這時微生物的活性和代謝能力并無異常變化，但合成和能量分配有一定的變化。深井曝氣池內，氣液紊流大，液膜更新快，促使KLa值增大，同時氣液接觸時間增長，溶解氧的飽和度也有深度的增加而增加。當井壁腐蝕或受損時污水可能會通過井壁滲透，污染地下水。11.深層曝氣12.淺層曝氣1953年派斯維爾Pasveer的研究：氧在10℃靜止水中的傳遞特征，如圖所示。特點：氣泡形成和破裂瞬間的氧傳遞速率最大的。在水的淺層處用大量空氣進行曝氣，就可以獲得較高的氧傳遞速率。為了使液流保持一定的環(huán)流速率，將空氣擴散器分布在曝氣池相當部分的寬度上，并設一道縱墻，將水池分為兩部分，迫使曝氣池液體形成環(huán)流擴散器的深度放置在水面以下0.6～0.8m范圍為宜，可以節(jié)省動力費用，動力效率可達1.8-2.6kgO2/kWh?？梢杂靡话愕碾x心鼓風機。淺層曝氣與一般曝氣相比，空氣量增大，但風壓僅為一般曝氣的1/4—1/6左右，約10kPa，故電耗略有下降。曝氣池水深一般3－4m，深寬比1.0-1.3，氣量比：30－40m3/m3H2O.h淺層池適用于中小型規(guī)模的污水廠。由于布氣系統(tǒng)進行維修上的困難，沒有得到推廣利用。淺層曝氣

純氧代替空氣，可以提高生物處理的速度，純氧曝氣池的構造見右圖。12.純氧曝氣

在密閉的容器中，溶解氧的飽和度可提高，氧溶解的推動力也隨著提高，氧傳遞速率增加了，因而處理效果好，污泥的沉淀性也好。純氧曝氣并沒有改變活性污泥或微生物的性質，但使微生物充分發(fā)揮了作用。

純氧曝氣的缺點是純氧發(fā)生器容易出現故障，裝置復雜，運轉管理較麻煩。13.射流曝氣活性污泥法

射流曝氣活性污泥法混合池回流污泥剩余污泥出水二沉池曝氣池射流器泵進水空氣

基本思路：采用射流曝氣充氧時，射流器喉管處產生的高速湍動水流，可以強化氣相組分向液相的傳遞，顯著提高氧的傳遞效。克勞斯工程師把厭氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝氣，然后再進入曝氣池，克服了高碳水化合物的污泥膨脹問題，這個過程稱為克勞斯法。消化池上清液中富有氨氮，可以供應大量碳水化合物代謝所需的氮。消化池上清液夾帶的消化污泥比重較大，有改善混合液沉淀性能的功效。14.克勞斯（Kraus）法

克勞斯活性污泥法回流污泥剩余污泥出水進水二沉池曝氣池消化池消化污泥上清液預曝氣池運行方式流態(tài)曝氣方式BOD5去除率/%特點傳統(tǒng)法推流空氣擴散或機械曝氣85-95適應中等濃度廢水，對沖擊負荷敏感漸減曝氣推流空氣擴散85-95空氣供應逐漸減小，配合負荷需要多點進水半推流空氣擴散85-95適應較廣，耐沖擊完全混合完全混合空氣擴散或機械曝氣85-95較高濃度廢水，耐沖擊吸附再生推流空氣擴散或機械曝氣80-90適應于高懸浮物廢水，容積負荷高短時曝氣完全混合空氣擴散或機械曝氣60-75適用于出水要求不高場合，曝氣費用少延時曝氣完全混合空氣擴散或機械曝氣75-95適用于出水要求高場合，污泥量極少氧化溝循環(huán)混合機械曝氣85-95適用于出水要求高場合，污泥量極少深水曝氣空氣擴散85-95占地少，氧轉移效率高純氧曝氣多段混合純氧機械混合85-95一般應用于空間較小，有經濟氧源地方射流曝氣不限射流曝氣85-90適應于小型工程克勞斯法推流空氣擴散或機械曝氣85-95適用于低氮的高強度廢水構成活性污泥法的三個要素一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；二是廢水中的有機物，它是處理對象，也是微生物的食料；三是溶解氧，沒有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能發(fā)揮氧化分解作用。提供三者接觸反應的設備曝氣池第四節(jié)氣體傳遞原理和曝氣設備—、氣體傳遞原理五十年來，已有若干傳質理論用來解釋氣體傳遞的機理。但最簡單和最普遍使用的是lewis和Whitman在1924年提出的雙膜理論。氣膜液膜溶解氧氣泡中氧的轉移雙膜理論的基本論點：1.氣液兩相界面附近存在著作層流運動的氣膜和液膜，主體流動情況影響著膜的厚度；2.兩膜以外的氣、液相主體中，流體充分湍動，組分物質濃度均勻，不存在濃度差，也沒有任何傳質阻力，整個傳質過程阻力僅存在于氣液兩層層流膜；3.氣液兩相界面上物質濃度相平衡，界面上無阻力。氣體傳遞原理：雙膜理論

氧氣通過液膜的傳遞速率為：式中：dm/dt:氣體傳遞速率

Kg:氣體擴散系數

A:氣體擴散通過的面積

ρso:氣體在溶液中的飽和濃度

ρo:氣體在溶液中的濃度

而，則有：

對上式積分可得：

二、氧氣轉移影響因素

（1）污水水質污水中的雜質對氧氣的轉移以及溶解度有一定影響，所以引入修正系數，則有：

（2）水溫水溫上升，水的粘度降低，液膜厚度減小，Kla值增高；氧氣在水中的溶解度隨溫度上升而降低。溫度對氧氣轉移有二種相反的影響，但不能相互抵消，總之，低溫有利于氧氣的轉移。（3）氧分壓氧分壓越高，越有利于氧氣的轉移。曝氣作用1好氧微生物的需氧代謝2兼性微生物酶的好氧合成3混合液的攪拌作用（厭氧、缺氧池另加攪拌器）曝氣方式1.鼓風曝氣2.機械曝氣：縱軸表面曝氣機、橫軸表面曝氣器3.鼓風+機械曝氣系統(tǒng)4.其它：富氧曝氣、純氧曝氣鼓風曝氣系統(tǒng)空氣凈化系統(tǒng)鼓風機空氣輸配管系統(tǒng)浸沒于混合液中的擴散器小氣泡擴散器中氣泡擴散器大氣泡擴散器微氣泡擴散器空氣凈化器的目的是改善整個曝氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)和防止擴散器阻塞。鼓風機供應壓縮空氣。風量要滿足生化反應所需的氧量和能保持混合液懸浮固體呈懸浮狀態(tài)。風壓要滿足克服管道系統(tǒng)和擴散器的摩阻損耗以及擴散器上部的靜水壓。羅茨鼓風機：適用于中小型污水廠，噪聲大，必須采取消音、隔音措施；離心式鼓風機：噪聲小，效率高，適用于大中型污水廠空氣輸配管系統(tǒng)負責將空氣輸送到空氣擴散器，要求沿程阻力損失小，曝氣設備各點壓力均衡，空氣干管和支管流速符合設計要求，配備必要的手動閥門和電動調節(jié)閥門。擴散器的作用是將空氣分散成空氣泡，增大空氣和混合液之間的接觸界面，把空氣中的氧溶解于水中。小氣泡擴散器：由微孔材料（陶瓷、砂礫、塑料）制成的擴散板或擴散管，氣泡直徑小于1.5mm。中氣泡擴散器：穿孔管和莎綸管，孔眼直徑2-3mm。大氣泡擴散器：豎管，氣泡直徑15mm左右。微氣泡擴散器：氣泡直徑在10μm左右，常用有射流曝氣器。機械曝氣：表面曝氣機

表面曝氣機充氧原理：1.曝氣設備的提水和輸水作用，使曝氣池內液體不斷循環(huán)流動，從而不斷更新氣液接觸面、不斷吸氧；2.曝氣設備旋轉時在周圍形成水躍，并把液體拋向空中，劇烈攪動而卷進空氣；3.曝氣設備高速旋轉時，在后側形成負壓區(qū)吸入空氣。機械曝氣：表面曝氣機豎式曝氣機臥式曝氣刷曝氣的效率取決于曝氣池的池形曝氣機的性能泵型倒傘型平板型這類曝氣機的轉動軸與水面平行，主要用于氧化溝。泵型倒傘型平板型豎式曝氣機豎式曝氣機臥式曝氣刷臥式曝氣刷曝氣設備性能指標1.氧轉移率，單位為mgO2/L·h；EL3.氧利用率，通過鼓風曝氣系統(tǒng)轉移到混合液中的氧量占總供氧的百分比，單位為％。EA2.充氧能力（或動力效率），即每消耗1kW·h動力能傳遞到水中的氧量（或氧傳遞速率），單kgO2/kW·h；EP滿足混合要求的曝氣量滿鋪的小氣泡擴散器：2.2m3/m2.h旋流的大中氣泡擴散器：1.2m3/m2.h機械曝氣：13m3/W曝氣設備性能

應把整個系統(tǒng)作為整體來考慮，包括曝氣池、二沉池、曝氣設備、回流設備等，甚至包括剩余污泥的處理處置。主要設計內容：1工藝流程選擇；2曝氣池容積和構筑物尺寸的確定；3二沉池澄清區(qū)、污泥區(qū)的工藝設計；4供氧系統(tǒng)設計；5污泥回流設備設計主要依據：水質水量資料；生活污水或生活污水為主的城市污水：成熟設計經驗；工業(yè)廢水：試驗研究設計參數。第五節(jié)去除有機污染物的活性污泥法過程設計工藝流程的選擇

流程選擇是活性污泥設計中的首要問題，關系到日后運轉的穩(wěn)定可靠、經濟和環(huán)境效益，必須在詳盡調查的基礎上進行技術、經濟比較，以得到先進合理的流程。需要調查研究和收集的基礎資料：1污水的水量水質資料水量關系到處理規(guī)模，多種方法分析計算，注意收集率和地下水滲入量。水質決定選用的處理流程和處理程度。2接納污水的對象資料3.氣象水文資料4.污水處理廠廠址資料廠址地形資料；廠址地質資料。5剩余污泥的出路調研一、曝氣池容積設計計算——有機物負荷法

活性污泥負荷（污泥負荷）曝氣池容積負荷（容積負荷）污泥泥齡法

有機物的降解用一相說來表示，數學模型如下：

-ds/dt=kXS/(K+S)12-1

式中：-ds/dt為有機物降解速度

k為降解常數

K為半飽和常數（又稱米—門常數）

S為有機物濃度

X為微生物濃度（工程上為揮發(fā)份活性污泥濃度MLVSS）污泥負荷LS

設曝氣池起點水團有機物濃度為S’0,水團運動起始時刻為T0,水團運動至曝氣池末端的時刻為T’,此時水團有機物濃度為Se,解微分方程12-1，可得：

Kln(S'0/Se)+S'0-Se=kxt

12-2

設曝氣池體積為V，曝氣時間(又稱理論停留時間)為T(天),廢水流量為Q(m3/d),有機物(通常以BOD5計,降低要求則亦可用COD計)濃度為S0,污泥回流比(廢水水量Q與污泥回流量Qr的比值)為r,根據物料守恒,則有:S'0=(S'0+rSe)/(1+r)12-3根據流體運動規(guī)律,又有:T’=T/(1+r)12-4根據活性污泥系統(tǒng)工藝中曝氣時間的定義有:T=V/Q12-5將方程12-3、12-4及12-5代入方程12-5得：Kln(S'0/Se)+S'0-Se=kxV/Q/(1+r)12-6可將方程12-6整理成：

(S’0-Se)/ln(S’0/Se)Q(S0-Se)/(VX)=k12-7

K+(S’0-Se)/ln(S’0/Se)

令(S’0-Se)/ln(S’0/Se)為曝氣池內有機污染物對數平均濃度S*，令Q(S0-Se)/(VX)為活性污泥系統(tǒng)動力學負荷(簡稱動力學負荷)LS，方程12-7可整理成:LS=kS*/(K+S*)12-8

方程12-8即為曝氣池設計的主要根據，因為除了曝氣池體積V待解外，其它參數均可確定。負荷設計法在水處理設計上占有一定的優(yōu)勢，這在一些教科書或設計手冊中均能得到體現。但“負荷”一詞有些模糊，這里加以區(qū)分（見表12-1）。表12-1

活性污泥系統(tǒng)各種負荷的定義、表示方法及各種意義中文名稱（字母表示）定義表示方法*表示意義設計指導意義技術經濟意義活性污泥負荷（LS

）單位污泥重量單位時間內去除的污染物（BOD）重量LS

=Q(S0-Se)/(VX)活性污泥降解污染物的能力，有無污泥去除負荷（Lq）單位污泥重量單位時間內去除的污染物（BOD）重量Lq=Q(S0-Se)/(VX)活性污泥降解污染物的能力，較弱無污泥承受負荷（Lc）單位污泥重量單位時間內承受的污染物（BOD）重量Lc=QS0/(VX)環(huán)境對活性污泥所提供的條件極弱無體積處理負荷（Vq）單位曝氣池體積單位時間內去除的污染物（BOD）重量Vq=Q(S0-Se)/V曝氣池降解污染物的能力極弱有體積承受負荷（Vc）單位曝氣池體積單位時間內承受的污染物（BOD）重量Vc=QS0/V?無無

在活性污泥法曝氣系統(tǒng)中，廢水中有機物的去除是由活性污泥微生物來完成的。在有機物去除的同時，微生物自身亦在生長、繁殖，反映在曝氣系統(tǒng)中，就是活性污泥的增長。在曝氣系統(tǒng)運轉中，活性污泥增長主要是因為降解廢水中的有機物并將其中一部分構成活性污泥本身。二、剩余污泥量計算

活性污泥系統(tǒng)每天去除掉廢水中的有機物，每天還要不斷排放剩余活性污泥，剩余污泥量ΔX的計算可按下式：

ΔX=aQSr-bVX

12-9

式中，為有機物轉化為活性污泥的總轉化系數，b為活性污泥衰減系數，其它字母意義同前。式12-9可改寫為：

ΔX/VX=aQSr/VX

–b=aLS-b

12-10a,b可通過實驗進行回歸分析求出。令ΔX/（QSr）為有機物轉化為活性污泥的凈轉化系數（可簡稱為工程污泥系數）an

，則an可表示為：

an=a-bVX/QSr=a-b/LS12-11

式12-11的意義在于直接簡明的表示出工程污泥系數與負荷相關，如要減少污泥的排放，必須降低負荷。

令ΔX/（VX）為活性污泥增長率（簡污泥稱增長率），則污泥增長率可表示為：

ΔX/（VX）=aLS-b

12-12

從式12-12可看出，污泥負荷低到b/a時，污泥增長率為零，即系統(tǒng)基本上不排剩余污泥。污泥增長率的倒數稱作泥齡θ（也稱作生物固體平均停留時間），它是活性污泥法工藝中一個非常重要的參數，也是生物脫氮工藝中的一個關鍵參數。根據式12-12，則有：

θ=1/(aLS-b)12-13

一般說來，活性污泥法工藝的泥齡必須大于微生物的倍增時間（即微生物增加一倍所需的時間），否則該種微生物將從活性污泥系統(tǒng)中消失。對于生活污水或性質相似的工業(yè)污水，其a值在一般負荷下可取0.5—0.65，b值約為0.05—0.1。根據污泥產率系數或表觀產率系數計算根據污泥齡計算

在活性污泥增長過程中，活性污泥微生物細胞物質的增長和曝氣池混合液中溶解氧的消耗，反映了廢水中有機物代謝的兩個方面。在有機物去除的同時，需要溶解氧氧化這部分有機物，同時微生物自身亦在生長、繁殖、呼吸消耗溶解氧，反映在曝氣系統(tǒng)中，就是溶解氧的消耗。因此，在曝氣系統(tǒng)運轉中，溶解氧的消耗由有機物氧化和微生物呼吸兩部分構成。三、溶解氧的消耗

我們稱溶解氧的消耗量為需氧量02，需氧量02的計算可按下式：

R0=a’QSr+b’VX

12-14

式中，a’為有機物被氧氧化的凈需氧系數，b’為活性污泥耗氧系數(亦稱呼吸率)，其它字母意義同前。令R0/（QSr）為有機物被氧氧化的總需氧系數（可簡稱為工程需氧系數）a’n

，則a’n可表示為：

a’n=a’+b’VX/QSr=a’-b’/LS

12-15

式12-15的意義在于直接簡明的表示出工程需氧系數與負荷相關，如要減少需氧量，必須增高負荷。式12-14未考慮氨氮硝化所需的氧量，因此在進行生物脫氮工藝設計時，還要計算氨氮的耗氧量。這種情況下，需氧量計算應調整為：

R0=a’QSr+b’VX+(64/14)(N0-Ne)12-16

式中，N0為廢水中氨氮濃度，Ne為出水氨氮濃度，系數64/14為單位質量氨氮的耗氧量。微生物對有機物的氧化分解需氧量

1.城市污水處理廠流量Q=6000m3/d，進水BOD5=200mg/L，出水BOD5=25mg/L，曝氣池容積V=1000m3，MLSS=3000mg/L，MLVSS/MLSS=0.78，活性污泥合成系數a=0.4mgMLVSS/mgBOD5，活性污泥內源代謝系數b=0.06d-1，計算該活性污泥系統(tǒng)泥齡θc？

2.某城市污水設計流量Q=10000m3/d，進水BOD5=300mg/L，若用4座完全混合曝氣池，去除率90%。求每座曝氣池容積和曝氣池所需空氣量。取Ud=0.5kgBOD5/（kgMLVSS.d），MLSS=4000mg/L，MLVSS/MLSS=0.76，a’=0.6kgO2/kgBOD5，b’=0.11kgO2/（kgMLVSS.d），曝氣池氧的利用率為10%，空氣密度以1.2kg/m3，空氣中氧的含量以23%計算。

3.某較大城市處于北溫帶，四季分明，冬季較寒冷。擬建一污水處理廠處理該城市新區(qū)排放量為100000m3/d的生活污水，已知經調節(jié)、初沉后的

BOD5為180mg/L，根據同類型污水處理廠二沉池回流試驗得出回流比為0.6時較佳，此時相應的回流污泥濃度為8000mgMLVSS/L，要求出水BOD5≤30mg/L。擬采用漸減曝氣活性污泥法工藝，初步決定曝氣池廊道有效水深寬深比為1：1，廊道長寬比為3：1，要求計算曝氣池負荷、曝氣池有效水深、剩余污泥量、泥齡、需氧量。

第六節(jié)脫氮、除磷活性污泥法工藝及其設計廢水中的氮以有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮四種形式存在。生活污水中有機氮約占60%，氨氮約占40%，硝態(tài)氮含量極低。氮的去除方法有化學法和生物法，其中化學法主要有吹脫法、折點加氯法、離子交換法。一、生物脫氮工藝1.化學法除氮（1）吹脫法廢水中，NH3與NH4+以如下的平衡狀態(tài)共存：

這一平衡受pH值的影響，pH值為10.5~11.5時，因廢水中的氮呈飽和狀態(tài)而逸出，所以吹脫法常需加石灰。吹脫過程包括將廢水的pH值提高至10.5~11.5，然后曝氣，這一過程在吹脫塔中進行。（2）折點加氯法含氨氮的水加氯時，有下列反應：通過適當的控制，可完全去除水中的氨氮。為減少氯的投量，常與生物硝化聯用，先硝化再除微量的殘留氨氮。(3)離子交換法常用天然的離子交換劑，如沸石等。與合成樹脂相比，天然離子交換劑價格便宜且可用石灰再生。2、生物除氮(1)生物脫氮機理

生物脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和氨態(tài)氮轉化為氣態(tài)氮的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應過程。a.硝化反應：

硝化反應是在好氧條件下，將NH4+轉化為NO2-和NO3-的過程。它包括兩個階段。亞硝化階段：氨氮在亞硝酸菌作用下轉化為亞硝酸鹽；硝化階段：亞硝酸鹽在硝酸菌的作用下轉化為硝酸鹽。反應方程式

亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化細菌，屬于專性好氧菌，生長率低，對環(huán)境條件變化較為敏感。溫度，溶解氧，污泥齡，pH，有機負荷等都會對它產生影響。硝化過程的影響因素溫度。適宜溫度20-30℃，低于15℃，反應速率下降，5℃幾乎完全停止。pH值。硝化產生H+，為促進反應，pH值保持7-8。當pH值降到5-5.5時，硝化菌活性就大大降低，硝化反應幾乎停止。溶解氧。硝化過程需氧，在硝化反應的曝氣池內，溶解氧含量不得低于1mg/L，多數學者建議溶解氧應保持在1.2~2.0mg/l。泥齡。硝化菌是自養(yǎng)菌，其世代周期長（約3天），污泥齡應大于2倍的時代周期長。

反硝化反應是在缺氧（無分子氧）的條件下，將硝化過程中產生的亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氣態(tài)氮(N2、N2O或NO)。b.反硝化反應：反應方程式

反硝化菌大多數都是兼性菌，在存在分子氧時，利用分子氧作為最終電子受體分解有機物；在無分子氧時，則利用NO3-或NO2-中的N5+和N3+作為電子受體，O2-作為受氫體生成H2O和OH-堿度，有機物則作為碳源及電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定。

反硝化過程的影響因素碳源。當廢水中BOD5/TKN＞3～5時，認為碳源充足，勿需另加碳源，當廢水中BOD5/TKN＜3～5時，需另加碳源，一般加甲醇。溫度：最適宜溫度是20-40℃，低于15℃反硝化反應速率最低。pH值。適宜值為6.5～7.5。溶解氧：反硝化菌是兼性菌，反硝化過程在無氧條件下，利用NO3-或NO2-中的氧進行呼吸，另外，反硝化菌體內某些酶系統(tǒng)合成又需要氧分子，所以反硝化反應在缺氧狀態(tài)下進行，溶解氧不能大，同又不能為零，一般DO＜0.5mg/l。（二）生物脫氮處理工藝a.三段生物脫氮工藝因前兩段可合并，逐漸變?yōu)閮啥魏笾梅聪趸篵.

Bardenpho生物脫氮工藝設立兩個缺氧段，第一段利用原水中的有機物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態(tài)氮的混合液進行反硝化反應。為進一步提高脫氮效率，廢水進入第二段反硝化反應器，利用內源呼吸碳源進行反硝化。曝氣池用于吹脫廢水中的氮氣，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池發(fā)生污泥上浮現象。缺氧段位于系統(tǒng)前面，從曝氣池末端回流含有大量硝酸鹽的混合液，在缺氧池中進行反硝化脫氮，反硝化反應以原污水中的有機物為碳源，這是目前通稱的缺氧-好氧（A/O）反硝化生物脫氮工藝。c.A-O生物脫氮工藝d.同時硝化反硝化過程同時硝化反硝化技術（SND，即SimultaneousNitrificationandDenitrification）即硝化和反硝化反應在同一反應器中、相同操作條件下同時發(fā)生。與傳統(tǒng)的生物脫氮相比，同步硝化反硝化具有不可比擬的優(yōu)越性：可減少反應設備的數量和尺寸，節(jié)省基建費用；可以降低氧氣的供給，節(jié)省能耗；減少甚至不需要碳源的投加；中和硝化反硝化的酸堿度，節(jié)省運行費用等。一般而論，即使在好氧條件為主的活性污泥系統(tǒng)中，特別是采用點源性曝氣裝置或曝氣不均勻，往往會出現較大范圍的局部缺氧環(huán)境，此為生物反應器的大環(huán)境，即宏觀環(huán)境。微環(huán)境理論認為：由于氧氣擴散的限制，在微生物絮體或者生物膜內產生溶解氧梯度，即微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧濃度高，以好氧硝化菌及氨化菌為主，深入絮體內部，氧氣傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產生缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)，從而形成有利于實現同時硝化反硝化的微環(huán)境。微生物學理論：通常硝化細菌是自養(yǎng)型好氧微生物，依靠NH4+-N和NO2--N的氧化獲得能量生長，需要O2作為呼吸的最終電子受體。近年來，微生物學家已經報導發(fā)現了好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌，甚至在完全厭氧條件下也會發(fā)生硝化反應。已知的好氧反硝化菌有熒光假單胞菌、糞產堿菌、銅綠假單胞菌，這些好氧菌同時也是異養(yǎng)硝化菌，正因為如此，能夠直接把氨轉化為最終氣態(tài)產物。磷也是有機物中的一種主要元素，是僅次于氮的微生物生長的重要元素。磷主要來自：人體排泄物以及合成洗滌劑、牲畜飼養(yǎng)場及含磷工業(yè)廢水。危害：促進藻類等浮游生物的繁殖，破壞水體耗氧和復氧平衡，水質迅速惡化，危害水產資源。污水中的磷以正磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷等形式溶解于水中。處理方法有化學法和生物法。二、生物除磷工藝（一）化學法除磷通過投加鋁鹽、鐵鹽、石灰等化學藥劑反應生成不溶的沉淀物。厭氧環(huán)境中：兼性菌通過發(fā)酵作用將溶解性BOD轉化為揮發(fā)性脂肪酸VFA，為聚磷菌的釋磷提供物質基礎。聚磷菌將體內的聚磷水解為正磷酸鹽釋放到胞外，同時利用水解產生的能量吸收水中的VFA合成儲能物質PHB(聚β羥基丁酸)儲存在體內，以維持自身的生存，這就是厭氧釋磷。好氧環(huán)境中：聚磷菌將儲存于體內的PHB進行好氧分解并釋出大量能量，用于超量攝取污水中的溶解性磷并合成聚磷酸鹽儲存于細胞內，這就是好氧吸磷。（二）生物除磷機理影響因素（1）溶解氧厭氧釋磷過程必須保持嚴格的厭氧狀態(tài)，一方面游離氧將作為最終電子受體而抑制厭氧細菌的釋磷，另一方面氧的存在影響了有機物的發(fā)酵產酸，減少了釋磷所需的脂肪酸VFA的量。在厭氧區(qū)中，溶解氧應小于0.2mg/L。在好氧吸磷過程中，要保持充足的溶解氧，以滿足聚磷菌充分吸磷的需要。一般好氧區(qū)中的溶解氧應控制在2.0mg/L以上。（2）溫度一般認為溫度在5～30℃范圍內，生物除磷系統(tǒng)都能進行除磷，但溫度對厭氧釋磷和好氧吸磷的影響十分明顯。每升高10℃，釋磷速率幾乎增加一倍；在15～20℃的范圍內好氧吸磷的速率達到最大。（3）pH值生物除磷過程適宜的pH值為7～8。在厭氧區(qū)中，如果pH值小于5.2，會造成細胞結構和功能的損壞，細胞內聚磷在酸性條件下被水解并快速釋放出來，但這種釋磷并不能導致隨后好氧區(qū)的過量吸磷，是無效釋磷。一般厭氧區(qū)的pH值在6～8范圍時釋磷都比較穩(wěn)定。（4）硝態(tài)氮厭氧區(qū)的聚磷菌主要以脂肪酸VFA為碳源完成聚磷的水解和釋放，而VFA是由氣單胞菌經發(fā)酵水解產生的，如果有硝態(tài)氮存在，氣單胞菌就不會產酸，聚磷菌所能獲得的VFA就減少。此外，氣單胞菌會利用硝態(tài)氮進行反硝化，消耗水中的碳源有機物，與聚磷菌形成了競爭。這對聚磷菌的厭氧釋磷是非常不利的，只有厭氧區(qū)的硝態(tài)氮濃度應在1.5mg/L以下，厭氧釋磷才能正常進行。（5）有機負荷和有機基質類型較高的有機負荷對除磷比較有利，進水中有足夠的有機基質提供給聚磷菌合成PHB儲存于胞內，對厭氧釋磷是很重要的。一般認為，進水中BOD5/TP應大于20，才能獲得較好的除磷效果。（6）污泥齡生物除磷主要是通過排除剩余污泥實現的，因此泥齡的長短對除磷效果有直接的影響。一般來說，泥齡越短，排放的污泥量就越多，除磷率就越高。因此除磷系統(tǒng)適宜采用較短的泥齡，一般為3.5～7天。（三）生物除磷處理工藝A/O法是由厭氧池和好氧池組成的同時去除污水中有機污染物及磷的處理系統(tǒng)。1.A/O生物除磷工藝

厭氧-好氧除磷工藝流程除磷池

混合反應池

曝氣池

二沉池進水出水回流污泥化學藥劑化學污泥剩余污泥2.Phostrip除磷工藝(1)泥齡作為硝化過程的主體，硝化菌的突出特點是繁殖速率慢，世代期長。要在系統(tǒng)內保持較高濃度的硝化菌，就要求在較長的泥齡下運行，一般控制在3～5d以上，甚至15～20d，較長的泥齡可增加系統(tǒng)的硝化能力，并減輕有毒物質的抑制作用；反硝化菌是兼性菌，所需的泥齡主要取決于需要反硝化的硝酸鹽與可利用的BOD的比值，泥齡比硝化菌小的多。聚磷菌多為世代期短的微生物，可以在較短的泥齡下正常生長，當溫度為22～24℃時，泥齡為3.1d，出水僅為0.4mg/L。此外，生物除磷的唯一渠道是排放剩余污泥，為保證除磷效果，就要求采用短的泥齡來增加排泥量，以取得高的除磷率。泥齡過長會使污泥發(fā)生“自溶”現象，即污泥在好氧狀態(tài)下吸收的磷又重新釋放到水中。

脫氮除磷之間的矛盾三、同步脫氮除磷處理技術(2)碳源碳是微生物生長需要量最大的營養(yǎng)元素。碳源主要消耗在釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌正常代謝等方面。反硝化菌主要利用水中的碳源作為電子供體來還原硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。一般認為，當廢水中的BOD5/TKN之比在5～8時，可認為廢水中的碳源是足夠的。聚磷菌主要利用進水中的VFA合成PHB儲存在細胞內，以維持厭氧環(huán)境中自身的生存。研究表明，要求出水中磷含量＜1.0mg/L，進水中的BOD5/TP應控制在20～30，或者進水中的BOD5/TP值至少要高于15，才能保證聚磷菌足夠的基質需求而獲得良好的除磷效果。如果水中的碳源不足，釋磷和反硝化過程之間必然存在著競爭，脫氮和除磷都受到影響。(3)硝酸鹽厭氧釋磷區(qū)如果存在硝酸鹽，由于反硝化速率快于釋磷速率，反硝化菌先消耗易降解COD，聚磷菌難以獲得充足的有機物，會嚴重影響聚磷菌的釋磷效果。當厭氧區(qū)內硝酸鹽濃度在1.5mg/L以上時，釋磷會受到抑制，影響后續(xù)好氧攝磷過程。當進水中易降解COD較少、污泥含磷量又不高時，硝酸鹽的存在甚至會導致聚磷菌的直接吸磷。缺氧池沉淀池好氧池回流污泥(60－100%)剩余污泥出水厭氧池內回流(100－300%)進水生物脫氮除磷工藝1.A2/O生物脫氮除磷工藝2.UCT工藝缺氧池沉淀池好氧池回流污泥(50－100%)剩余污泥出水進水厭氧池混合液回流(100－300%)缺氧液回流(100－200%)

MUCT工藝有兩個缺氧池，前一個接受二沉池回流污泥，后一個接受好氧區(qū)硝化混合液，使污泥的脫氮與混合液的脫氮分開，進一步減少硝酸鹽進入厭氧區(qū)的可能。

進水缺氧池好氧池缺氧池回流污泥(50－100%)剩余污泥出水厭氧池硝化液回流(100－200%)缺氧液回流(100－200%)沉淀池3.MUCT工藝4.改良A2/O工藝進水10%厭氧池好氧池缺氧池回流污泥剩余污泥出水厭氧/缺氧調節(jié)池沉淀池進水90%5.倒置A2/O工藝缺氧池沉淀池好氧池厭氧池進水10%出水剩余污泥回流污泥進水90%6.氧化溝工藝進水二沉池回流污泥剩余污泥轉刷出水

氧化溝活性污泥法7.SBR工藝第九節(jié)活性污泥法處理系統(tǒng)的設計、運行與管理（一）活性污泥的培養(yǎng)與馴化具體步驟：將經過過濾的濃糞便水投入曝氣池，再用生活污水或自來水稀釋至BOD約200-300mg/L左右后，進行連續(xù)曝氣。當水溫在15—20℃時，一般經過一周左右就會出現模糊的活性污泥的絨絮，在顯微鏡下可以看到一些菌膠團，而作為生活污水活性污泥所大量具有的鐘蟲、輪蟲等還不易找到。曝氣池混合液經30分鐘沉淀后，澄清液仍較渾濁。但這樣的連續(xù)曝氣若干天后，需進行換水操作，以補充營養(yǎng)、排泄代謝產物。1.間斷操作

當第一次加料曝氣進行到出現活性污泥絨絮后，就可停止曝氣，使混合液靜止沉淀，1-2小時后排放澄清液，其量約占總體積的60-70%，然后往曝氣池內投加新的生活污水或糞便水。并接著進行曝氣。如果混合液30分鐘的沉降比大于30%，則不需再有污泥增長，所以如投加生活污水，就不需添加糞便水，如投加自來水，則可加入少量糞便水，以增加營養(yǎng)。如混合液的沉降比低于30%，則仍須投加較多的糞便水。在每次換水時，從停止曝氣、沉淀到重新曝氣，總的時間以不超過2小時為宜。將上述換水每天進行一次，并隨培養(yǎng)時間的延長，逐漸增加換水量。在水溫15-20℃時，約兩周左右，污泥即可培養(yǎng)成熟，如水溫低，所需時間將延長)。2.連續(xù)操作

在第一次加料出現污泥絨絮后，就不斷地往曝氣池投加生活污水或自來水，添加糞便水的控制原則與間斷投配相同。往曝氣池內投加的水量應保證池內的水能每天更換一次，并隨著培養(yǎng)的進展逐漸加大水量，使在后期達到每天更換二次。在曝氣池出水進入二次沉淀池后不久(0.5-1小時)就立刻開始回流污泥，污泥的回流量可采用曝氣池進水量的50%。污泥的成熟在15-20℃水溫時，也約需兩周。

馴化方法：在進水中逐浙增加工業(yè)廢水的比例，或提高工業(yè)廢水的濃度，使微生物逐漸適應新的生活條件。開始時，工業(yè)廢水的加入量可以用曝氣池設計負荷的20-40%，達到較好的處理效率后，再按設計負荷的10—20%遞增，直至滿負荷為止。工業(yè)廢水中，如缺乏氮和磷以及其他一些微生物生長所需的養(yǎng)料，則應把這些物質加入曝氣池。在馴化過程中，能分解工業(yè)廢水的徽生物得到了發(fā)展，不能適應的徽生物則逐漸淘汰。（二）活性污泥的馴化

所謂污泥上浮是指在二沉池中的污泥隨出水流失，或污泥凝聚成塊浮起隨水漂走，影響出水水質的現象。二、工藝運行中可能發(fā)生的問題及其防范措施（一）污泥上浮

污泥膨脹是指活性污泥的凝聚、沉降性能惡化，導致處理系統(tǒng)的出水水質渾濁的現象。污泥膨脹主要是由于大量絲狀菌在污泥內繁殖，使泥塊松散，密度降低所致。其次，真菌的繁殖也會引起污泥膨脹。1.污泥膨脹與菌膠團比較，絲狀細菌和真菌生長時需要較多的碳素，對氧、磷，特別是對溶解氧的要求較低。菌膠團需在溶解氧至少為0.5mg/L的環(huán)境中才能很好地生長，而真菌和絲狀菌在低于0.1mg/L的環(huán)境中，也能較好地生長。所以在氧量不足時，菌膠團將減少而絲狀菌、真菌則大量繁殖。菌膠團生長適宜的pH范圍為6—8，而真菌則在pH為4.5-6.5之間生長良好，所以pH稍低時，菌膠團生長將受到抑制，而真菌的數量則可能大大增加。據一些城市污水廠的經驗，水溫也是引起污泥膨脹的重要因素。他們發(fā)現絲狀菌在高溫季節(jié)宜于生長繁殖，當夏季水溫在25℃以上時，常引起膨脹，而在水溫轉低時，膨脹的次數減少。因此，廢水中如碳水化合物較多，溶解氧不足，