第12章　活性污泥法

12.1　复习笔记

【知识框架】

【重点难点归纳】

一、基本概念

1．活性污泥

（1）活性污泥组成

①有活性的微生物（Ma），如以菌胶团形式存在的细菌、真菌等；

②微生物自身氧化残留物（Me）；

③吸附在活性污泥上没有被微生物所降解的有机物（Mi）；

④无机悬浮固体（Mii），主要来自入流的污水，也包括细胞物质中的一些无机物质。

（2）活性污泥性状

①粒径在200～1000 μm的类似矾花状不定形的絮凝体；

②具有约20～100 cm²/mL的较大表面积；

③一般呈茶褐色，略显酸性，稍具土壤的气味并夹带一些霉臭味；

④供氧不足或出现厌氧状态时活性污泥呈黑色，供氧过多营养不足时污泥呈灰白色。

（3）活性污泥的评价方法

①生物相观察

利用光学显微镜或电子显微镜进行观察。

②混合液悬浮固体浓度、混合液挥发性悬浮固体浓度

a．混合液悬浮固体浓度（MLSS），是指曝气池中单位体积混合液中活性污泥悬浮固体的质量，又称污泥浓度。它包括Ma、Me、Mi及Mii四者在内的总量。

b．混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS），是指混合液悬浮固体中有机物的质量。它包括Ma、Me及Mi三者，不包括污泥中无机物质。

MLSS测定简便，工程上往往以它作为评价活性污泥量的指标。MLVSS代表混合液悬浮固体中有机物的含量，比MLSS更接近活性微生物的浓度，测定也较为方便。对某一特定的污水处理系统，MLVSS/MLSS的比值相对稳定，因此可用MLVSS表示污泥浓度。

③污泥沉降比（SV%）

污泥沉降比是指曝气池混合液静止30min后沉淀污泥的体积分数，标准采用1L的量筒测定污泥沉降比。通常使用污泥沉降比（SV%）和污泥体积指数来表示活性污泥的沉降性能。

④污泥体积指数（SVI）

污泥体积指数（SVI）是指曝气池混合液沉淀30min后，每单位质量干泥形成的湿污泥的体积，常用单位为mL/g。其计算公式为：

SVI表示沉淀后单位干泥所占体积，比SV%能更准确反映污泥的沉降性能。通常认为SVI为100～150时，污泥沉降性能良好；SVI＞200时，污泥沉降性能差；SVI过低时，如小于50，污泥絮体细小紧密，含无机物较多，污泥活性差。

2．活性污泥法的基本流程

活性污泥法处理流程包括曝气池、沉淀池、污泥回流及剩余污泥排除系统等基本组成部分，如图12-1所示。

图12-1　活性污泥法基本流程

①污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液，在曝气池中产生好氧代谢反应。曝气设备不仅传递氧气进入混合液，同时起搅拌作用而使混合液呈悬浮状态（某些曝气场合另外增设有搅拌设备）。

②随后混合液流入沉淀池，在沉淀池中进行固液分离，净化水流出沉淀池。沉淀池中的污泥大部分回流至曝气池，称为回流污泥。回流污泥的目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体（微生物）浓度。

③曝气池中的生化反应导致微生物的增殖，增殖的微生物（剩余污泥）通常从沉淀池底泥中排除。剩余污泥中含有大量的微生物，排放环境前应进行有效处理和处置，防止污染环境。

3．活性污泥降解污水中有机物的过程

（1）吸附阶段和稳定阶段

①吸附阶段中，由于活性污泥具有较大的表面积，而表面上含有多糖类的黏性物质，导致污水中的有机物被活性污泥所吸附。吸附阶段很短，一般在15～45min左右就可完成。

②稳定阶段中，转移到活性污泥上的有机物被微生物所利用。污水中处于悬浮状态和胶体状态的有机物浓度越高，吸附效果越明显。稳定阶段较长。

（2）有机物去除情况

活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化，如图12-2所示。

图12-2　污水中有机物的变化

二、活性污泥法的发展

1．活性污泥法曝气反应池的基本形式

曝气池的池型与所需的水力特征及反应要求密切相关，主要分为推流式、完全混合式、封闭环流式及序批式四大类。

（1）推流式曝气池

推流式曝气池的工艺流程如图12-3所示。

图12-3　推流式曝气池工艺流程

污水及回流污泥一般从池体的一端进入，水流呈推流型，理论上在曝气池推流横断面上各点浓度均匀一致，纵向不存在掺混，底物浓度在进口端最高，沿池长逐渐降低，至池出口端最低。但实际上推流式曝气池都存在掺混现象，真正的理想推流式并不存在。

平面布置，长宽比一般为5～10；横断面布置，池宽和有效水深之比一般为1～2。

（2）完全混合曝气池

污水一进入曝气反应池，在曝气搅拌作用下立即和全池混合，曝气池内各点的底物浓度、微生物浓度、需氧速率完全一致，如图12-4所示。当入流出现冲击负荷时，可瞬时完全混合，曝气池混合液的组成变化较小，故完全混合法耐冲击负荷能力较大。

图l2-4　完全混合曝气池工艺流程

（3）封闭环流式反应池

封闭环流式反应池（CLR）结合了推流和完全混合两种流态的特点，污水进入反应池后，在曝气设备的作用下被快速、均匀地与反应器中混合液进行混合，混合后的水在封闭的沟渠中循环流动，如图12-5所示。封闭环流式反应池在短时间内呈现推流式，而在长时间内则呈现完全混合特征，提高了反应器的缓冲能力。

图12-5　封闭环流式处理系统流程

（4）序批式反应池

序批式反应池（SBR）属于“注水—反应—排水”类型的反应器，在流态上属于完全混合，但有机污染物却是随着反应时间的推移而被逐步降解的。图12-6为序批式反应池的基本运行模式，其操作流程由进水、反应、沉淀、出水和闲置五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期。所有处理过程都是在同一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行，混合液始终留在池中，从而不需另外设置沉淀池。

图12-6　序批式反应工艺的操作过程

2．活性污泥法的发展和演变（见表12-1）

表12-1　活性污泥法的类型

3．活性污泥法生物脱氮除磷

（1）生物脱氮

①生物脱氮过程一般要完成从NH₄^＋-N氧化为NO_x^--N及将NO_x^--N还原为N₂的过程。

②在流程中必须具备氨氮硝化的好氧区或好氧时间段，同时还应具备缺氧区或缺氧时间段以完成生物反硝化过程。

③反硝化时作为电子供体的有机物为入流污水中有机物，当碳源不足时，可外加碳源。

（2）生物除磷

①生物除磷过程需要设置厌氧区和好氧区，同时活性污泥需要不断经过厌氧区磷释放和好氧区磷吸收，通过排除经过好氧区以后富含磷的污泥使污水中磷得以有效去除。

②生物除磷最理想的碳源为挥发性脂肪酸，其次为易发酵的有机物。

同时考虑生物脱氮除磷问题，活性污泥法流程中需要同时设置厌氧区、缺氧区和好氧区，典型的工艺为AAO工艺。

4．膜生物反应器

（1）概念及类型

膜生物反应器（MBR）是指用微滤膜或超滤膜代替二沉池进行污泥固液分离的污水处理装置，在很多情况下出水可以作为再生水直接回用。类型可分为内置浸没膜组件的内置式膜生物反应器和外置膜分离单元的外置式膜生物反应器。

（2）优点

①容积负荷率高，水力停留时间短；②污泥龄较长，剩余污泥量减少；③混合液污泥浓度高，避免影响曝气反应区的MLSS浓度；④可同时进行硝化和反硝化；⑤出水水质好；⑥污水处理设施占地面积相对较小。

（3）缺点

①系统造价较高；②膜组件易受污染；③膜使用寿命有限；④运行费用高；⑤系统控制要求高；⑥运行管理复杂。

三、活性污泥法数学模型基础

1．底物降解与微生物增长数学模型的假设

（1）模型假设

①曝气池处于完全混合状态；

②进水中的微生物浓度与曝气池中的活性污泥微生物浓度相比很小，可忽略；

③全部可生物降解的底物都处于溶解状态；

④系统处于稳定状态（稳态假定）；

⑤二沉池中没有微生物的活动；

⑥二沉池中没有污泥积累，泥水分离良好。

（2）工艺典型流程

图12-7表示了一个完全混合活性污泥法工艺的典型流程，也是建立活性污泥法数学模型的基础，图中虚线表示系统物料平衡的范围。

图12-7　完全混合活性污泥法系统的典型流程

其中：

①Q、S₀和X₀表示进入系统的污水流量、有机底物浓度和进水中微生物浓度；

②X、S_e和V表示曝气池中的活性污泥浓度、有机底物浓度和曝气池容积；

③R表示回流污泥流量与进水流量之比，称为污泥回流比；

④X_R为回流污泥浓度；

⑤Q_w为剩余污泥排放流量；

⑥X_e为出水中活性污泥的浓度。

图中的流量以m³/d计，浓度以g/m³计，活性污泥浓度均以MLVSS计。

2．劳伦斯和麦卡蒂模型

（1）污泥龄（θ_c）

污泥龄（θ_c）表示在处理系统（曝气池）中微生物的平均停留时间，实质是指曝气池中的活性污泥全部更新一次所需要的时间。其表达式为：

　（12-1）

式中，θ_c为污泥龄（SRT），d；（X）_T为处理系统（曝气池）中总的活性污泥质量，kg；（ΔX/Δt）_T为每天从处理系统中排出的活性污泥质量，它包括从排泥管线上排出的污泥加上随出水流失的污泥量，kg/d。

①当二沉池沉淀效果良好时，随出水排出的污泥量对污泥龄的影响可以忽略，则：

②当剩余污泥从曝气池直接排放时，X＝X_B，故：

（2）劳伦斯—麦卡蒂方程

在稳态条件下，对图12-7作系统活性污泥的物料平衡，并应用微生物增长的基本方程式可得劳伦斯—麦卡蒂第方程，即式（12-2），它反映了活性污泥系统的污泥龄与产率系数、底物的比降解速率及微生物内源呼吸速率之间的关系。

　（12-2）

式中，Y为活性污泥的产率系数，gVSS/gBOD₅；K_d为内源代谢系数，d^-1；为底物利用速率，gBOD₅/（m³·d）。

3．劳伦斯—麦卡蒂方程的应用

（1）出水有机底物浓度与污泥龄的关系

　（12-3）

式中，S_e为出水中溶解性有机底物的浓度，gBOD₅/m³；K_s为饱和常数，即q＝q_max/2时的底物浓度，又称半速率常数，gBOD₅/m³；q_max为最大比底物利用速率，gBOD₅/（gVSS·d）。

（2）曝气池污泥浓度或容积与污泥龄的关系

　（12-4）

（3）污泥回流比与污泥龄的关系

　（12-5）

上式表明污泥龄是和回流比R的函数，也是活性污泥沉降性能及二沉池沉淀效率的函数。当二沉池运行正常时，可用下式估计回流污泥的最高浓度

　（12-6）

式中，SVI为污泥体积指数；t＝V/Q，曝气池水力停留时间。

（4）产率系数与污泥龄的关系

　（12-7）

式（12-7）表明内源呼吸速率越大、污泥龄越长，则系统的实际污泥产率越低。

4．劳伦斯—麦卡蒂方程参数的测定

（1）活性污泥反应过程的动力学参数（如q_max、K_s、K_d）以及计量学参数（如Y、Y_obs）

式中，，定义为水力停留时间（HRT）。

实测时，可根据污水处理厂的进出水水质，曝气池中的污泥浓度（MLSS），曝气池的水力停留时间，以为纵坐标，以为横坐标作图，采用兰维福—布克图解法求得q_max、K_S。

（2）产率系数Y、内源代谢系数K_d

可根据式（12-8），以为纵坐标，以θ_c为横坐标作图，求出Y和K_d。

　（12-8）

5．国际水协会活性污泥数学模型简介

（1）水质特征的表征

污水水质特征主要有碳源基质、含氮化合物、含磷化合物、总悬浮固体以及碱度。

（2）活性污泥法模型概况

模型中采用了Monod比生长速率动力学来解释自养菌或异养菌的生长，与生长速率有关的单个过程中各组分之间的数量关系用化学计量系数描述。为了简化单位的换算，模型对全部有机组分和生物体统一采用COD当量来表示，从而存在基质利用、生物体生长和氧消耗的COD平衡。

（3）模型矩阵格式、组分和过程

活性污泥模型创造性地采用了矩阵形式描述反应过程，不仅方便表达各组分及各反应过程的化学计量关系，而且便于计算机编程计算。在矩阵内，有若干化学计量系数将一项特定组分的变化率与过程反应速率联系起来。

（4）活性污泥模型的应用

①用于污水处理工艺模型的建立或直接用于污水处理厂的设计；

②作为研究的工具以评价生物过程，并深入了解影响某种工艺运行的重要参数，进一步指明污水处理系统的研究方向；

③用以评价给定设施的处理容量，帮助污水处理厂操作管理人员获得更有效信息，提高运行操作和管理水平；

④利用污水特性表征和污水厂运行数据对模型进行校正，评估现有污水处理厂的能力。

四、气体传递原理和曝气设备

1．气体传递原理

（1）双膜理论（见图12-8）

①气、液两相接触的自由界面附近，分别存在着作层流流动的气膜和液膜；

②在两膜以外的气、液相主体中，组分物质不存在浓度差，没有任何传质阻力（或扩散阻力）；

③在气、液两相界面上，两相的组分物质浓度总是互相平衡，也即界面上不存在传质阻力；

④传质的阻力主要在于液膜上，通过液膜的转移速率是氧转移过程的控制速率。

图12-8　气体传递双膜理论简图

（2）氧传递速率

相对于液膜来说，氧在气膜中的传递阻力很小，气相主体与界面之间的氧分压差（p_G）值很低，一般可以认为p_G＝p_i。氧传质系数与气体在溶液中浓度的关系为：

　（12-9）

式中，c₁，c₂为t₁和t₂时的气体在溶液中的浓度；c_s为与界面氧分压所对应的溶液饱和溶解氧值，kgO₂/m³；

其中K_L为液膜中氧分子的传质系数，m/h；A为气液接触界面面积，m²；V为液相主体体积，m³。

从式（12-9）可以看出，影响氧传递速率的主要参数是溶液的溶解氧不饱和值、气液相的接触面积和液膜的厚度。

（3）提高氧转移速率的方法

①提高K_La值。加强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度，加速气、液界面的更新，采用微孔曝气方式，增大气、液接触面积等。

②提高c值。提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气等。

2．氧转移的影响因素

（1）污水水质

①溶解性有机物，特别是某些表面活性物质，可在气液界面处集中形成分子膜，增大氧传递的阻力，污水中总传质系数K值将相应地下降，因此采用一个小于1的系数α进行修正。

②污泥浓度越高，对氧传递的阻力越大。

③各种溶解盐类影响溶解氧的饱和值，对此，引入另一个小于1的数值β予以修正。

上述α、β修正系数值均可通过对污水和清水的曝气充氧试验测定。对于鼓风曝气的扩散设备，α值在0.4～0.8范围内；对于机械曝气设备，α值在0.6～1.0范围内，β值约在0.70～0.98之间变化，通常取0.95。

（2）水温

水温对氧转移有两种相反的影响，但并不是完全抵消。总的来说，水温降低有利于氧的转移。

①水温上升，水的黏度降低，液膜厚度减小，扩散系数提高，K_La值增高；反之，则K_La值降低。

②随着温度的增加，K_La值增大，溶解氧饱和度c_s值降低，液相中氧的浓度梯度有所减小。

（3）氧分压

c_s值除了受到污水中溶解盐类及温度的影响外，还受到氧分压或气压的影响。气压降低，c_s值也随之下降；反之则提高。

①在气压不是1.013×10⁵Pa的地区，c_s值应乘以压力修正系数ρ。

②对于鼓风曝气池，c_s值应是扩散装置出口处和混合液表面处的溶解氧饱和浓度的平均值。

式中，为鼓风曝气池内混合液溶解氧饱和浓度平均值，mg/L，对于表面曝气而言

；c_s1，c_s2为池底、池面混合液溶解氧饱和浓度，mg/L；c_s为大气压力1.013×10⁵Pa时溶解氧饱和浓度，mg/L；p_d为空气扩散装置出口处的绝对压力（Pa），其值等于下式：

　（12-10）

p为大气压力，p＝1.013×10⁵Pa；H为空气扩散装置的安装深度，m，一般为有效水深负0.3m（距池底0.3m）；φ_o为气泡离开池面时，氧的体积分数（%），可按下式计算：

　（12-11）

E_A为空气扩散装置的氧转移效率，小气泡扩散装置一般取6%～12%，微孔曝气器一般取15%～25%。

总的来说，气相中氧分压、液相中氧的浓度梯度、气液之间的接触面积和接触时间、水温、污水的性质、水流的紊流程度等因素都影响着氧的转移速率。

3．氧转移速率与供气量的计算

（1）氧的传递速率

在稳定条件下，氧的转移速率应等于活性污泥微生物的需氧速率（R）：

式中，F为曝气扩散设备堵塞系数，通常取0.65～0.9；其他参数同上。

（2）供气量

在标准条件下，曝气系统需要的供气量G_s（m³/h）可由式（12-12）计算得到。

　（12-12）

其中，E_A为氧利用效率，%；O_s为在标准条件下转移到一定体积脱氧清水中的总氧量，kg/h，其值等于下式：

　（12-13）

4．曝气设备

（1）鼓风曝气

①进风空气过滤器，其目的是改善整个曝气系统的运行状态，防止灰尘进入扩散器内部造成阻塞。

②鼓风机，供应一定的风量，风量要满足生化反应所需的氧量，并能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。几种鼓风机的对比如表12-2所示。

表12-2　鼓风机类型对比

③扩散器，是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成不同尺寸的气泡。其类型如表12-3所示。

表12-3　扩散器类型

除了上述几种扩散设备以外，还有一类曝气器是剪切式分散空气曝气器。它是利用水力或机械力的剪切作用，在空气从装置吹出之前，将大气泡切割成小气泡。

（2）机械曝气

①竖轴式曝气器

竖轴式曝气器的传动轴与液面垂直，装有叶轮。其基本充氧途径是：

a．叶轮快速转动，带动大量混合液抛向空中与大气接触，然后挟带空气形成水气混合物回到曝气池中；

b．通过曝气器的转动卷吸部分空气；

c．混合液连续上下循环流动，氧转移与氧交换不断发生，使混合液的溶解氧含量得到提高。

②卧轴式曝气器

卧轴式曝气器的转动轴与水面平行，主要用于氧化沟系统。转动时，转碟或转刷把大量液滴抛向空中，并使液面剧烈波动，促进氧的溶解；同时推动混合液在池内流动，促进曝气器附近的混合液更新，便于溶解氧的扩散。

（3）曝气设备性能指标

①氧转移速率，单位为mgO₂/（L·h）；

②充氧能力（又称动力效率），即每消耗1kW·h的动力能传递到水中的氧量，单位为kgO₂/（kW·h）；

③氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的百分比，单位为%。机械曝气无法计量总供氧量，因而无法计算氧利用率。

五、去除有机污染物的活性污泥法过程设计

1．曝气池容积设计计算

（1）有机物负荷法

①活性污泥负荷（简称污泥负荷）

基于微生物所处的生长阶段决定于基质的量（F）与微生物总量（M）的比例（即活性污泥负荷）的原理，活性污泥负荷主要决定了活性污泥法系统中活性污泥的凝聚、沉降性能和系统的处理效率。因此，活性污泥负荷L_S可以用下式表示：

　（12-14）

生物反应池的容积为：

式（12-14）是承担负荷的概念，我国现行的《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）（2011版）中的负荷是去除负荷的概念，其计算容积公式为：

式中，L_S为活性污泥负荷，kgBOD₅/（kgMLSS·d）或kgBOD₅/（kgMLVSS·d）；F/M为食物与微生物比，gBOD₅/（gMLSS·d）或gBOD₅/（kgMLVSS·d）；Q为与曝气时间相当的平均进水流量，m³/d；S₀为曝气池进水的平均BOD₅值，mg/L或kg/m³；S为曝气池出水的平均BOD₅值，mg/L或kg/m³；X为曝气池混合液污泥浓度，MLSS或MLVSS，mg/L或kg/m³；V为曝气池容积，m³。

运用污泥负荷时注意使用MLSS或MLVSS表示曝气池混合液污泥浓度时应与Ls中的污泥浓度含义相对应。

②曝气池容积负荷率（简称容积负荷）

容积负荷是指单位容积曝气池在单位时间内所能接纳的BOD₅量，即：

式中，L_V为容积负荷率，kgBOD₅/（m³·d）。

根据容积负荷可计算曝气池的体积V（m³），即：

（2）污泥龄法

利用出水水质、曝气池混合液污泥浓度、污泥回流比等与污泥龄的数学关系，可以计算曝气池的容积：

式中，V为曝气池容积，m³；Y为活性污泥的产率系数，gVSS/gBOD₅；Q为与曝气时间相当的平均进水流量，m³/d；S₀为曝气池进水的平均BOD₅值，mg/L；S_e为曝气池出水的平均BOD₅值，mg/L；θ_c为污泥龄（SRT），d；X为曝气池混合液污泥浓度，MLVSS，mg/L；K_d为内源代谢系数，d^-1。

2．剩余污泥量计算

（1）按污泥龄计算

式中，ΔX为每天排出的总固体量，gVSS/d；X为曝气池中的MLVSS浓度，gVSS/m³；V为曝气池反应器容积，m³；θ_c为污泥龄（生物固体平均停留时间），d。

（2）根据污泥产率系数Y计算

式中，ΔX_V为每日增长的挥发性活性污泥量，kg/d；Y为产率系数，即微生物每代谢1kgBOD₅所合成的MLVSS，kg；Q（S₀－S_e）为每日的有机污染物去除量，kg/d；VX_V为曝气池内挥发性悬浮固体总量，kg。

用上面提到的产率系数Y计算的是微生物的总增长量，没有扣除生化反应过程中用于内源呼吸而消亡的微生物量，故Y有时又称合成产率系数或总产率系数。

（3）根据表观产率系数Y_obs计算

使用上述剩余污泥量计算方法得到的是挥发性剩余污泥量，工程实践中需要的往往是总的悬浮固体量，这时需要分析进水悬浮固体中无机性成分进入剩余污泥中的量，或根据MLVSS/MLSS的比值来计算总悬浮固体量。

3．需氧量设计计算

（1）根据有机物降解需氧率和内源代谢需氧率计算

　（12-15）

式中，O₂为混合液需氧量，kgO₂/d；a'为活性污泥微生物氧化分解有机物过程的需氧率，即活性污泥微生物每代谢1kgBOD₅，所需要的氧量，kgO₂/kg；Q为处理污水流量，m³/d；S_r为经活性污泥代谢活动被降解的有机污染物（BOD₅）量，kg/m³；b'为活性污泥微生物内源代谢的自身氧化过程的需氧率，即每1kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧量，kgO₂/（kg·d）；V为曝气池容积，m³；X_V为曝气池内MLVSS浓度，kg/m³。

上式可改写为下列两种形式：

式中，L_S为BOD₅污泥负荷，kgBOD₅/（kgMLVSS·d）；为每降解lkgBOD₅的需氧量，kgO₂/kgBOD₅；为单位质量活性污泥的需氧量，kgO₂/（kgMLVSS·d）。

（2）微生物对有机物的氧化分解需氧量

式中，Q为处理污水流量，m³/d；bCOD₀为系统进水可生物降解COD浓度，g/m³；bCOD_e为系统出水可生物降解COD浓度，g/m³；ΔX_V为剩余污泥量（以MLVSS计算），g/d；1.42为污泥的氧当量系数，完全氧化1个单位的细胞（以C₅H₇NO₂表示细胞分子式），需要1.42个单位的氧。

通常使用BOD₅作为污水中可生物降解的有机物浓度，如果近似以BOD_L代替bCOD，则在20℃，K₁＝0.1时，BOD₅＝0.68BOD_L，则：

六、脱氮、除磷活性污泥法工艺及其设计

1．生物脱氮工艺

（1）三段生物脱氮工艺

该工艺是将有机物氧化、硝化及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。使除碳、硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行，处理效率高。其流程如图12-9所示。

图12-9　三段生物脱氮工艺

（2）二段生物脱氮工艺

该工艺中有机物氧化和硝化合并成一个系统，在反硝化段投加碳源来保证高效稳定的反硝化反应。各段同样有其自已的沉淀及污泥回流系统。除碳和硝化作用在一个反应器中进行时，设计的污泥负荷率要低，水力停留时间和污泥龄要长，否则，硝化作用不完全。其流程如图12-10所示。

图12-10　补充外碳源的二段硝化反硝化工艺

（3）前置缺氧—好氧生物脱氮工艺

①工艺流程（见图12-11）

该工艺将反硝化段设置在系统的前面，因此又称前置式反硝化生物脱氮系统。

反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气池混合液中含有大量硝酸盐，通过内循环回流到缺氧池中，在缺氧池内进行反硝化脱氮。

图12-11　前置缺氧—好氧生物脱氮工艺

②特点

该工艺有无需外加碳源，可利用硝酸盐作为电子受体处理进水中有机污染物的特点，以及工艺流程简单，可以有效控制系统的污泥膨胀的优点。但由于出水含有一定浓度的硝酸盐，可能会在二沉池发生反硝化反应，造成污泥上浮，影响出水水质。

（4）后置缺氧—好氧生物脱氮工艺（见图12-12）

可以补充外来碳源，也可以在没有外来碳源的情况下利用活性污泥的内源呼吸提供电子供体还原硝酸盐，反硝化速率一般认为仅是前置缺氧反硝化速率的1/3～1/8，这时需要较长的停留时间才能达到一定的反硝化效率。必要时应在后缺氧区补充碳源。

图12-12　后置缺氧反硝化工艺

（5）Bardenpho生物脱氮工艺（见图12-13）

该工艺流程中设立了两个缺氧段：

①第一段利用原水中的有机物作为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应；

②第二段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。

最后的曝气池用于净化残留的有机物，吹脱污水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。这一工艺比三段脱氮工艺减少了投资和运行费用。

图12-13　Bardenpho生物脱氮工艺

（6）同步硝化反硝化过程

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法处理系统内总氮被大量去除的过程。其反应机理见表12-4。

表12-4　同步硝化反硝化过程的机理

2．生物脱氮过程的影响因素

（1）硝化过程影响因素（见表12-5）

表12-5　硝化过程影响因素

（2）反硝化过程影响因素（见表12-6）

表12-6　反硝化过程影响因素

3．生物脱氮工艺过程设计

（1）缺氧区容积设计

式中，V_n为缺氧区池体容积，m³；Q为生物脱氮系统设计污水流量，m³/d；N_K为生物脱氮系统进水总凯氏氮浓度，g/m³；N_te为生物脱氮系统出水总氮浓度，g/m³；K_de为反硝化速率，gNO₃^――N/（gMLVSS·d）；ΔX_v为排出生物脱氮系统的剩余污泥量，gMLVSS/d。

由于影响反硝化速率的重要因素之一为碳源及碳源品质，其次是反应区温度等影响因素，因此在确定系统的反硝化速率时，需要进行修正。

①联系缺氧区的有机物负荷修正

式中，为缺氧池中的有机物与微生物比，gBOD/（gMLVSS·d）。

②联系温度修正

式中，K_de（T），K_de（20）为T℃和20℃时的反硝化速率。

（2）好氧区容积计算

式中，θ_co为考虑硝化细菌正常生长时的好氧区污泥龄；其他符号意义同前。

（3）需氧量计算

去除BOD₅及氨氮硝化反应过程的总需氧量为：

式中，O₂为有机物降解和氨氮硝化需氧量，g/d；Q为设计污水流量，m³/d；S₀为曝气池进水的平均BOD₅，g/m3；S_e为曝气池出水的平均BOD₅，g/m³；ΔX_v为系统每天排除的剩余污泥量，g/d；4.57为氨氮的氧当量系数；N_k为进水总凯氏氮浓度，g/m³；N_ke为出水总凯氏氮浓度，g/m³。

在前置反硝化工艺里，硝酸盐作为电子受体时，还原每单位硝酸盐相当于提供2.86个单位氧气，所以系统的总需氧量应扣除硝酸盐还原提供的氧当量，故前置反硝化系统的总需氧量为：

式中，O₂为生物脱氮系统总需氧量，g/d；Q为设计污水流量，m³/d；2.86为单位硝酸盐还原提供的氧当量；N_t为进水总氮浓度，g/m³；N_k为进水总凯氏氮浓度，g/m³；N_ke为出水总凯氏氮浓度，g/m³；N_oe为出水总硝态氮浓度，g/m³。

（4）混合液回流量

可以通过系统氮的平衡来确定曝气池中产生的硝酸盐量及需要多大的混合液回流比才能满足出水硝酸盐浓度要求，即：

式中，R_i为内回流比（混合液回流比）；R为污泥回流比；N_NO为好氧区产生的硝酸盐浓度，g/m³；N_NOe为出水硝酸盐浓度，g/m³。

（5）碱度平衡

一般认为对于以生活污水为主的城镇污水处理厂，保持反应池pH中性所需碱度为80mg/L（以CaCO₃计）以上。

4．生物除磷工艺

（1）A_P/O工艺

该工艺是由厌氧区和好氧区组成的同时去除污水中有机污染物及磷的处理系统，其流程如图12-14所示。

图12-14　厌氧—好氧除磷工艺流程

（2）Phostrip除磷工艺

该工艺过程将生物除磷和化学除磷结合在一起，在回流污泥过程中增设厌氧释磷池和上清液的化学沉淀处理系统，称为旁路，如图12-15所示。

一部分富含磷的回流污泥送至厌氧释磷池，释磷后的污泥再回到曝气池进行有机物降解和磷的吸收，用石灰或其他化学药剂对释磷上清液进行沉淀处理。Phostrip除磷效率不像其他生物除磷系统那样受进水的易降解COD浓度的影响，处理效果稳定。

图12-15　Phostrip除磷工艺流程

5．生物除磷过程影响因素（见表12-7）

表12-7　生物除磷过程影响因素

6．生物除磷工艺过程设计

（1）厌氧区容积设计

式中，V_P为厌氧区容积，m³；Q为设计污水流量，m³/h；t_P为厌氧区水力停留时间，一般取1～2h。

（2）好氧区容积设计

好氧区的设计可根据污泥龄计算。

7．生物脱氮除磷工艺

（1）A²/O工艺

①工艺流程

A²/O工艺处理系统中同时具有厌氧区、缺氧区、好氧区，能够同时做到脱氮、除磷和有机物的降解，其工艺流程如图12-16所示。

图12-16　A²/O生物脱氮除磷工艺流程

a．污水和从二沉池回流的活性污泥一同进入厌氧反应区，聚磷菌在厌氧环境条件下释磷，同时转化易降解的COD、VFA为PHB，部分含氮有机物进行氨化；

b．污水经过厌氧反应器以后进入缺氧反应器进行脱氮，部分有机物在反硝化细菌的作用下利用硝酸盐作为电子受体而得到降解去除；

c．混合液从缺氧反应区进入好氧反应区，除了进一步降解有机物外，主要进行氨氮的硝化和磷的吸收，混合液中硝态氮回流至缺氧反应区，污泥中过量吸收的磷通过剩余污泥排除。

②优势与不足（见表12-8）

表12-8　A²/O工艺的优势与不足

（2）改进型A²/O工艺（又称倒置A²/O工艺，见图12-17）

由于具有明显的节能和提高除磷效果等优点，在我国一些大、中型城镇污水处理厂的建设和改造工程中得到较为广泛地应用。

图12-17　倒置A²/O生物脱氮除磷工艺流程

该工艺的特点是：

①采用较短停留时间的初沉池，使进水中的细小有机悬浮固体有相当一部分进入生物反应器，以满足反硝化细菌和聚磷菌对碳源的需要，并使生物反应器中的污泥达到较高的浓度；

②整个系统中的活性污泥都完整地经历过厌氧和好氧的过程，因此排放的剩余污泥中都能充分地吸收磷；

③避免了回流污泥中的硝酸盐对厌氧释磷的影响；

④由于反应器中活性污泥浓度较高，从而促进了好氧反应器中的同步硝化、反硝化，因此可以用较少的总回流量（污泥回流和混合液回流）达到较好的总氮去除效果。

（3）改良Bardenpho工艺

①工艺流程

改良Bardenpho工艺流程由厌氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧五段组成，如图12-18所示。第二个缺氧段利用好氧段产生的硝酸盐作为电子受体，利用剩余碳源或内碳源作为电子供体进一步提高反硝化效果。最后好氧段主要用于氮气的吹脱。

图12-18　改良Bardenpho脱氮除磷工艺流程

②优点

系统脱氮效果好，通过回流污泥进入厌氧池的硝酸盐量较少，对污泥的释磷反应影响小，从而使整个系统达到较好的脱氮除磷效果。

③缺点

本工艺流程较为复杂，投资和运行成本较高。

（4）UCT及改良UCT工艺

UCT工艺和改良UCT工艺比A²/O工艺和Bardenpho工艺多了一套混合液回流系统，如图12-19所示。其基本思想是减少回流污泥中的硝酸盐对厌氧区的影响，所以回流污泥回到缺氧区，从缺氧区出来的混合液硝酸盐含量较低，回流到厌氧区后为污泥的释磷反应提供了最佳的条件。

图12-19　UCT生物脱氮除磷工艺

改良UCT工艺中污泥回流到分隔的第一缺氧区，第一缺氧区主要是回流污泥中的硝酸盐反硝化，第二缺氧区是系统的主要反硝化区，如图12-20所示。

图12-20　改良UCT生物脱氮除磷工艺流程

（5）SBR工艺

SBR工艺通过时间顺序上的控制进行同时脱氮除磷。

①进水后进行缺氧搅拌，好氧菌进行好氧分解反应，水中的溶解氧迅速降低甚至达到零；

②接着反硝化细菌进行反硝化脱氮去除沉降分离后留在池中的硝酸盐；

③池体进入厌氧状态，聚磷菌释放磷；

④池内进行曝气，硝化细菌进行硝化反应，聚磷菌吸收磷；

⑤经一定反应时间后，停止曝气，进行静置沉淀，当污泥沉淀下来后，上部清水再进入原污水进行下一个周期循环，如此周而复始，如图12-21所示。

图12-21　SBR生物脱氮除磷工艺

8．常用生物脱氮除磷工艺设计参数和特点

（1）常用生物脱氮除磷工艺设计参数（见教材表12-9）

（2）常用生物脱氮除磷工艺功能特点（见教材表12-8）

9．污水生物脱氮除磷新技术

（1）短程硝化—反硝化

短程硝化—反硝化是指通过工艺条件的控制，把硝化过程控制在亚硝酸盐阶段的工艺。

①优势

a．比传统硝化工艺降低耗氧量25%，供氧设备可相应压缩；b．较硝酸盐氧化需要的电子供体少。

②工艺运行的关键

促进氨氮氧化的同时使硝化过程终止于亚硝酸盐阶段。

③控制方法

a．温度控制；b．pH控制；c．溶解氧浓度控制；d．污泥龄控制。

（2）厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，氨氮以亚硝酸盐氮作为电子受体直接被氧化为氮气的过程。

①优势

a．与传统全程硝化工艺相比，可以节省需氧量62.5%，节省碱度50%；b．不需要提供外加碳源。

②工艺难点

a．通过控制反应过程的温度、pH、溶解氧、污泥龄、碱度、甚至反应物氨氮的浓度负荷等过程参数，实现氨氮的亚硝化；

b．厌氧氨氧化菌世代周期长，反应环境条件要求高，需控制溶解氧、温度等条件，保证厌氧氨氧化菌的健康生长、增殖。

七、二次沉淀池

1．基本原理

（1）工作原理

①二沉池中普遍地存在着清水区、絮凝区、成层沉降区、污泥压缩区四个区和两个界面（泥水界面和压缩界面），如图12-22所示。

图12-22　二沉池的沉淀工作状态

②混合液进入二沉池以后，立即被池水稀释，固体浓度大大降低，并形成一个絮凝区。絮凝区上部是清水区，清水区与絮凝区之间有泥水界面。

③絮凝区后是一个成层沉降区，此区内固体浓度基本不变，沉速也基本不变。絮凝区中絮凝情况的优劣，直接影响成层沉降区中泥花的形态、大小和沉速。

④靠近池底处形成污泥压缩区。压缩区与成层沉降区之间有一明显界面，固体浓度发生突变。

（2）影响因素

①二沉池的澄清能力与混合液进入池后的絮凝情况密切相关，与二沉池的表面面积有关；

②二沉池的浓缩能力除与沉淀池面积有关外，还与污泥性质及泥斗的容积有关，对于沉降性能良好的活性污泥，二沉池的泥斗容积可以适当减小。

2．二次沉淀池的构造

二沉池的构造与初沉池一样，可以采用平流式、竖流式和辐流式。在构造上要注意以下特点：

①进水部分应使布水均匀并造成有利于絮凝的条件；

②应限制出流堰处的流速，防止污泥絮体被出水携走；

③确定污泥斗的容积时，要考虑污泥浓缩的要求；

④应设置浮渣的收集、撇除、输送和处置装置。

3．二次沉淀池的设计计算

（1）表面负荷法

①沉淀池面积

式中，A为澄清区表面积，m²；Q为污水设计流量，用最大时流量，m³/h；q为表面水力负荷，应等于或小于活性污泥的成层沉淀速率u，m³/（m²·h）或m/h。

②二沉池有效水深

水深H一般按沉淀时间t计算，沉淀池水力停留时间t一般取1.5～4h，对应的沉淀池有效水深在2.0～4.0m。

式中，t为水力停留时间，h；其他符号意义同前。

③二沉池污泥区体积

式中，V_s为污泥斗容积，m³；R为最大污泥回流比；t_S为污泥在二沉池中的浓缩时间，h。

（2）固体通量法

固体通量法在理论上与污泥浓缩过程更为贴切，用于浓缩池的设计计算更实际。二沉池常用设计数据见表12-9。

表12-9　二沉池常用设计数据

八、活性污泥法处理系统的设计、运行与管理

1．污水水质与水力负荷

大部分污水的流量变化是不易控制的因素，受多种因素的影响，如当地的生活方式和集水范围、城市规模、季节因素等。因此污水处理厂设计时应充分考虑水力负荷因素：

①流量变化和一组设备检修时运行线的负荷的关系；

②在合流制管道系统中，降雨时流量增大，有必要将过大的流量转移到雨水调节池中去，当流量回跌到最大允许流量之下时，再将调节池中的雨水抽送到处理构筑物；

③在分流制系统中，雨水的渗入可能引起运行问题或者改变工艺系统运行方式，应保存活性污泥量，以便高峰流量过后尽快恢复运行；

④小型污水处理厂的水泵搭配问题可能会引起流量的冲击，应该选用同样型号的几台泵通过井和泵的配合调蓄后，得到相对较稳定的流量；

⑤水力负荷的变化影响活性污泥法系统的曝气池和二沉池，当流量增加时，污水在曝气池内的停留时间缩短，影响出水质量。

2．有机负荷

可采用污泥的有机负荷L_S作为设计参数计算曝气区容积，计算时主要问题是确定污泥负荷率和MLSS的设计值。

①要求的处理效率较高时，设计的污泥负荷率一般不宜大于0.5kgBOD₅/（kgMLSS·d）；

②要求进入硝化阶段，一般采用0.12kgBOD₅/（kgMLSS·d）左右；

③为了减小曝气池的容积，可采用1.0kgBOD₅/（kgMLSS·d）以上；

④为避免剩余污泥处置上的困难和保证污水处理系统的稳定可靠，污泥负荷率可采用小于0.1kgBOD₅/（kgMLSS·d）。

3．微生物浓度

提高生化反应系统的MLSS浓度，可以缩小曝气池的容积和降低污泥负荷率，提高处理效率，但生化处理系统中污泥浓度并不是越高越好。对不同的水质、不同的工艺应根据具体情况探索合理的微生物浓度。

①污泥量并不代表微生物的活细胞量，污泥量的增加意味着污泥龄的增加，污泥龄的增加就使污泥中活细胞的比例减小；

②过高的微生物浓度在后续的沉淀池中难于沉淀，影响出水水质；

③依靠重力进行泥水分离和初步浓缩的二沉池底泥，很难通过污泥回流形成较高的混合液浓度；

④各种曝气设备都有其合理的氧传递速率的范围，因此若采用一定的曝气设备系统， MLSS的提高是有限度的。

4．曝气时间

曝气时间与有机负荷有着密切关系，在考虑曝气时间时需注意一些其他有关因素。

①通常情况下，城镇污水的最短曝气时间为3 h，这与满足曝气池需氧速率有关；

②曝气池建得较小时，曝气设备按系统的峰值负荷控制设计，若曝气池建得大些，可降低需氧速率，由于负荷率的降低，曝气设备可以减小，曝气设备的利用率得到提高；

③为保证氨氮硝化效果，保证足够的曝气反应时间是必要条件之一；

④长时间曝气能降低剩余活性污泥量，使系统更能适应冲击负荷，但曝气池容积增大，具体问题需要具体对待。

5．污泥龄

①微生物平均停留时间至少等于水力停留时间，此时曝气池内的微生物浓度很低，大部分微生物充分分散；

②当用污泥回流使微生物的平均停留时间大于水力停留时间时，微生物浓度增加，改善了微生物的絮凝条件，提高了微生物在二沉池中的固液分离性能；

③过长的污泥龄会造成微生物老化，絮凝条件恶化，沉淀效果变差；

④对于生物脱氮工艺而言，由于硝化菌的世代周期较长，宜选择较长的污泥龄使其正常繁殖；

⑤对于生物除磷工艺而言，在培养阶段，宜减少排泥以增加系统中的聚磷菌含量，系统稳定运行后，可缩短污泥龄，通过排泄达到除磷目的；

⑥若污水处理系统中设置有厌氧区、缺氧区、好氧区以达到脱氮除磷目的，则污泥龄可以分区单独计算。

6．氧传递速率

氧传递速率将决定活性污泥法处理系统的能力，氧传递速率要考虑两个过程，即氧溶解到水中以及真正传递到微生物的膜表面。

要提高氧的传递速率，除了供应充足的氧外，应使混合液中的悬浮固体保持悬浮状态和紊动条件。

7．回流污泥浓度

图12-23　曝气池MLSS浓度与回流污泥的关系

根据图12-23可知，曝气池中的MLSS不可能高于回流污泥浓度，回流比愈大，两者愈接近。限制MLSS值的主要因素是回流污泥的浓度。回流污泥来自二沉池，二沉池中污泥浓度与活性污泥的沉降浓缩性能和浓缩时间有关。

8．污泥回流比

①曝气池MLSS浓度与回流污泥浓度和污泥回流比有关，同样的回流污泥浓度情况下，要求的MLSS浓度越高，回流比就越大；

②较高的污泥回流比增加了进入沉淀池的流量，增加了二沉池的负荷，降低了沉淀效率；

③小规模污水处理厂运行过程中，回流污泥变数大，可使用变频调节回流泵来保持稳定的有机负荷率；

④常量的污泥回流简便易行，效果也可以保证。

9．曝气池的构造

曝气池的构造对活性污泥法系统运行起着十分重要的作用。

①狭长形曝气池，可以以连续流来代替间歇流；

②将曝气池横断面的四角做成内圆，有利于旋转并防止死角，减少能量消耗；

③推流曝气池实质上类似串联的多个完全混合池；

④采用圆形和矩形池的小型完全混合处理系统，只配有一个机械曝气机，很容易围绕曝气机形成完全混合区，当处理量增大后，曝气池增大并配备多组曝气机，则围绕每一个曝气机形成了一个混合区；

⑤曝气池不是充分完全混合的，大的曝气池设置了很多等距离的曝气机，一端进水，一端出水，类似于传统的推流曝气系统。

10．pH和碱度

活性污泥法通常运行在pH为6.5～8.5的范围内。

（1）生活污水

一般生活污水有足够的碱度使pH保持在较好的水平，如果原水缺少天然碱度，由于CO₂和有机酸的形成，pH可跌到5.5，甚至低于5.0。在这种系统中硝化作用将会受到明显抑制。

（2）工业废水

工业废水因缺少蛋白质会产生pH过低问题。碱或石灰可直接添加到曝气池中，以维持所希望的pH。碱或石灰同代谢产生的CO₂作用产生碳酸钠或碳酸钙可作为缓冲剂。

（3）微生物群体

不同细菌有不同的最佳pH适应范围，可以通过调节pH来富集或筛选某种特定的微生物。

11．溶解氧浓度

通常溶解氧浓度不是一个关键因素，除非溶解氧浓度低到接近于零。只要细菌能获得所需要的溶解氧来进行代谢，其代谢速率受溶解氧浓度的影响较小。

当耗氧速率超过实际的氧传递速率时，代谢速率受氧传递速率控制。

①在好氧区，硝化菌和聚磷菌要求有丰富的溶解氧浓度，混合液应保持DO在0.5～2mg/L；

②在厌氧区，如果存在溶解氧或硝酸盐，则进入厌氧区的易降解有机物在被聚磷菌利用之前，就被普通异养菌和反硝化菌利用了，从而影响释磷效果；

③在缺氧区，溶解氧浓度较高会消耗反硝化菌所需要的易降解有机物浓度，因而在曝气池尾部混合液回流区域宜减少曝气量，以降低通过混合液回流进入缺氧区的溶解氧。

还需要注意的是，过分的曝气，虽然溶解氧浓度很高，但紊动过分剧烈会导致絮状体破裂，不能很好地凝聚，使出水浊度升高。

12．污泥膨胀及其控制

（1）概念与表现

污泥膨胀是指混合液在1000mL量筒中沉淀30min后，污泥体积膨胀，上层澄清液减少的现象。膨胀的活性污泥，主要表现在压缩性能差，沉淀性能不良，而它的处理功能和净化效果并不差。

（2）污泥膨胀的分类

①丝状菌性膨胀

这类膨胀是污泥中的丝状菌过度增长繁殖的结果。当污泥中有大量丝状菌时，大量具有一定强度的丝状体相互支撑、交错，可大大恶化污泥的凝聚、沉降、压缩性能，形成污泥膨胀。其膨胀原因如表12-10所示。

表12-10　造成污泥丝状膨胀的主要因素

②非丝状菌性膨胀

这类膨胀主要发生在污水水温较低而污泥负荷太高的情况。微生物的负荷高，细菌吸取了大量的营养物，但由于温度低，代谢速度较慢，就积贮大量高黏度的多糖类物质，使污泥的SVI值很高，形成膨胀污泥。

a．运行中，污泥膨胀抑制措施

第一，控制曝气量，使曝气池中保持适量的溶解氧（不低于1～2mg/L，不超过4mg/L）；

第二，调整pH；

第三，如氮、磷的比例失调，可适量投加含氮化合物或含磷化合物；

第四，投加一些化学药剂；

第五，城镇污水处理厂的污水经过沉砂池后，超越初沉池，直接进入曝气池。

b．设计时，污泥膨胀污水处理措施

第一，减小城镇污水的初沉池或取消初沉池，增加进入曝气池的污水中的悬浮物；

第二，在常规曝气池前设置污泥厌氧或缺氧选择池；

第三，对于现有的容易发生污泥膨胀的污水处理厂，可以在曝气池的前端补充设置填料；

第四，用气浮法代替二沉池。