2.5　城市污水的二级生物处理——传统活性污泥工艺

2.5.1　活性污泥工艺的基本流程

活性污泥法是以存在于污水中的各种有机污染物为培养基，在通过曝气提供足够溶解氧的条件下，对微生物群体进行连续培养，使其大量繁殖，形成絮状泥粒（即菌胶团），并通过吸附凝聚、氧化分解、沉淀等作用去除有机污染物的一种污水处理方法。这种絮状泥粒就称为活性污泥。

传统活性污泥法处理系统的生物反应器是曝气池。其型式有多种，但都有其共同特征，即使具有净化功能的絮凝体状的微生物增殖体根据需要在生物反应器内不断循环，而且通过人为控制，使曝气池内的有机物和净化微生物的比例经常保持在一定水平，并在溶解氧存在的条件下，使有机物和由微生物形成的絮凝体充分接触而进行好氧氧化分解。此外，活性污泥处理系统的主要组成部分还有二次沉淀池、污泥回流系统和曝气及空气扩散系统。图2.14所示为活性污泥处理系统的基本流程。

在开始运行时，应先在曝气池内注满污水，连续曝气一段时间（所谓曝气就是往水中打入空气或用机械搅拌的方式使空气中的氧溶入水中），培养活性污泥。若附近有类似城市污水处理厂，也可直接借用已经正常工作的曝气池内的活性污泥作为接种种泥，这样可缩短污泥的培养时间。在产生污泥后，就可以连续运行了。来自初次沉淀池或其他预处理构筑物的污水连续不断地从曝气池一端流入，与活性污泥混合形成混合液。同时，曝气池要不断地进行曝气，其作用除可向污水供氧外，还可通过搅拌、混合等作用，使曝气池内的活性污泥处于悬浮状态，且与污水充分接触，保证活性污泥反应的正常进行。

通过活性污泥反应，污水中有机污染物得到降解，活性污泥本身得到增长。然后，混合液再由曝气池的另一端流出并进入二次沉淀池。在这里通过沉淀作用进行泥水分离。澄清后的出水，可排出系统。经沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中一部分要回流到曝气池以补充泥种，另外一部分就作为剩余活性污泥排至污泥处理系统进行处理。为保证曝气池内污泥浓度的稳定，剩余污泥与在曝气池内增长的污泥，在数量上应保持平衡。

2.5.2　活性污泥的生物相组成及其评价指标

1.活性污泥的生物相组成及其性质

活性污泥是由细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种个体群所构成的具有氧化分解有机物活性的混合微生群体，以好氧细菌为主。其异养型的原核细菌是净化污水的第一承担者，也是主要承担者。具有较强的氧化分解有机物的能力和良好的自身凝聚、沉降功能。

菌胶团吸附、氧化分解有机污染物后，完成了第一次污水净化，而使处理水中存在大量的游离细菌。这些游离细菌又被原生动物所捕食，使污水水质进一步净化。原生动物是污水净化的第二承担者，还可作为活性污泥系统中的指示性生物，即通过显微镜镜检，可观察到出现在活性污泥中的原生动物，并辨别认定其种属，据此能够判断处理水质的优劣。后生动物（主要指轮虫）在活性污泥中很少出现，仅在处理水质很好的完全氧化型的活性污泥系统中出现（如延时曝气活性污泥系统）。因此，轮虫也具有指示性生物的功能。轮虫的出现，表明水质非常稳定，而且后生动物也是游离细菌的第二次捕食者。

在活性污泥中，还夹杂着由入流污水挟入的有机和无机的固体物质。在有机性固体物质中，包括一些惰性的，难于被细菌摄取利用的物质。另外，微生物进行氧化分解有机物的同时，还通过内源呼吸进行自身氧化。

综上所述，活性污泥主要由4部分所组成：①具有活性的微生物群体（Ma）；②微生物自身氧化的残留物（Me）；③原污水挟入的、吸附在活性污泥上不能为微生物降解的有机物（Mi）；④原污水挟入的无机物质（Mii）。其中，有机成分占75%～85%，无机成分占15%～25%。

活性污泥在外观上呈黄褐色、絮绒颗粒状，又称为生物絮凝体。它具有以下性质：①较强的氧化分解有机污染物的能力；②粒径一般介于0.02～0.2mm之间，具有较大的比表面积（2000～10000m2／m3混合液），因此吸附能力强；③活性污泥的含水率高，一般都在99%以上，其比重介于1002～1006之间；④活性污泥具有疏水性。这些性质使活性污泥能够吸附分解大量的有机污染物而形成絮凝体，并能在二次沉淀池里很好地沉淀下来，完成污水的净化。

2.活性污泥的评价指标

（1）混合液悬浮固体浓度（MLSS）。混合液悬浮固体浓度又称混合液污泥浓度，系指曝气池中单位体积混合液内所含悬浮固体的总重量，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）计。混合液悬浮固体浓度常以X表示。

很明显，污泥浓度的大小可间接反映混合液中所含微生物的量。为保证曝气池的净化效率，对于一般的普通活性污泥法，曝气池内污泥浓度常控制在1～4g／L之间；在合建的完全混合曝气池中约为3～6g／L。混合液悬浮固体过多，会妨碍充氧，也使它难以在二沉池中沉降。

（2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）。混合液挥发性悬浮固体是用混合液悬浮固体中有机性固体物质的重量来表示活性污泥浓度的。即

这项指标避免了活性污泥中惰性物质的影响，更能反映活性污泥的活性。但其中仍包括Me、Mi二项非活性有机物质，所以，它表示的也是活性污泥数量的相对数值。混合液挥发性悬浮固体的浓度常以XV表示。

一般地，MLVSS与MLSS的比值比较固定，对生活污水常为0.75左右。

（3）污泥沉降比（SV%）。污泥沉降比系指曝气池混合液静置30min后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率。因为活性污泥沉淀30min后，便可接近它的最大密度，所以常以30min作为测定其沉降和浓缩性能指标的基础。

污泥沉降比表示活性污泥的沉降、浓缩性能。它的大小能够反映曝气池正常运行时的污泥数量，可用来控制剩余污泥的排放量。即当污泥沉降比超过正常运行范围时，就排放一部分污泥，以免曝气池内污泥过多，耗氧过快而造成缺氧状况，以致影响处理效果。此外，通过污泥沉降比的大小，还可发现污泥膨胀等异常现象的发生。

污泥沉降比测定方法简单，又能说明一定的问题，应用较广。它是评定活性污泥质量、控制活性污泥法运行的重要指标之一。

（4）污泥体积指数（SVI）。污泥体积指数简称污泥指数，系指曝气池出口处1000mL混合液静沉30min后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的体积（以mL计）。其计算式为

表示污泥指数时，单位常省略。

污泥指数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为宜；SVI＜70，说明泥粒细小，无机物含量高，缺乏活性和吸附的能力；SVI＞100，说明污泥沉降性能不好，并有产生污泥膨胀的可能；当SVI＞200时，则说明已经产生了污泥膨胀。

（5）污泥龄（ts）。污泥龄系指曝气池内工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余污泥量之比。单位以d计。运行稳定时，它表示活性污泥在池内的平均停留时间或污泥增长一倍所需要的时间。即

若微生物的增殖速度（世代时间）小于污泥龄，则微生物会在曝气池内生长存在。但参与分解污水中有机物的微生物的世代时间通常都比微生物在曝气池内的平均停留时间长。因此，必须使浓缩的活性污泥连续地回流到曝气池内，才能保证曝气池内的活性污泥浓度处于稳定状态，进而使活性污泥处理系统处于正常稳定状态。

（6）污泥的BOD5负荷率（Ns）。实践表明，活性污泥的能量含量，亦即营养物或有机底物量（F）与微生物量（M）的比值（F／M），是活性污泥微生物增殖速率、有机物（BOD）去除速率、氧利用速率、活性污泥的凝聚与吸附性能的重要影响因素。曝气池内活性污泥微生物的增殖期处于哪种阶段，是由池中有机物与微生物之间的相对数量（即F／M）来决定的。而一般减速增殖期或内源呼吸期是活性污泥法所采用的工作阶段。也就是说，在活性污泥处理系统中，可通过对F／M值的调整，使曝气池内的活性污泥，主要是在出口处的活性污泥处于减速增殖期或内源呼吸期。因此，有机底物与微生物量的比值（F／M）是生物处理最重要的参数。但是在活性污泥系统中，真正的F／M值无法测定。在实用中，通常以污泥的BOD5负荷率（Ns）来表示F／M值，即

为了使活性污泥处理系统处于稳定正常状态，条件之一就是保持稳定的BOD5污泥负荷率。在城市污水处理中，运行管理者无法控制进水BOD5污泥负荷率，只能通过控制曝气池污泥总量相对稳定来完成。而活性污泥反应的结果使活性污泥在量上有所增长，这样，就必须每天从系统中排出数量相当于增长的污泥量，使排出量与增长量保持平衡，从而使曝气池内污泥总量保持相对稳定。

2.5.3　活性污泥反应的影响因素

活性污泥净化污水的过程实质上就是有机底物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程。为使活性污泥反应正常进行，就必须创造有利于微生物生理活动的环境条件。影响活性污泥的环境因素有以下6个方面。

1.BOD污泥负荷率

BOD污泥负荷率过高，会加快活性污泥的增长速率和有机底物的降解速率，从而可缩小曝气池容积，在经济上是合理的。但处理后的水质不一定能达到要求；若BOD污泥负荷率过低，则会降低有机底物的降解速率，使处理能力降低，而加大了曝气池的容积，提高了建设费用，也是不合理的。因此，应根据具体情况，选择合适的BOD污泥负荷率。

另外，BOD污泥负荷率与活性污泥膨胀现象有直接关系。一般BOD污泥负荷率介于0.5～1.5kgBOD／（kgMLSS·d）之间的值时，容易产生污泥膨胀现象。所以在设计与运行上应避免采用这个区段的负荷率值。

2.溶解氧

活性污泥反应是好氧微生物进行的好氧分解，所以，曝气池混合液中必须保持一定浓度的溶解氧。否则，会出现厌氧状态，抑制活性污泥微生物的正常代谢，且易滋长丝状菌。对于生物处理过程来说，水中溶解氧只要在0.5mg／L以上反应就能正常进行。但运行经验证明，若要保证曝气池全池溶解氧水平控制在0.5mg／L，就必须把曝气池进口端的混合液溶解氧控制在2～3mg／L左右，若溶解氧过高，则耗能增加，在经济上是不适宜的。

3.水温

活性污泥微生物生理活动旺盛的温度范围是20～30℃之间，所以城市污水在夏季易于进行生物处理，而在冬季净化效果则会降低。因此，一般将活性污泥反应进程的最高和最低温度限值定为35℃和10℃。不过，近来大量试验证明，即使在50～55℃的高温，也能得到与中温相同的净化效果。但是只要水温下降，在一般情况下净化功能是要降低的，此时可通过降低污泥负荷率来保持与正常水温同样的净化功能。

4.pH值

活性污泥微生物最适应的pH值范围是5.5～8.5，pH值低于或高于这个范围，都会促进真菌生长繁殖，而使活性污泥絮凝体遭到破坏，产生污泥膨胀现象，使处理水质恶化。

在活性污泥的培养与驯化过程中，若能考虑pH值的因素，则活性污泥在一定范围内可以逐渐适应。但如出现冲击负荷，pH值的急剧变化，便会对活性污泥反应严重不利，净化效果也将急剧恶化。

5.营养物平衡

活性污泥微生物在发挥其正常的有机物代谢功能时，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值来表示的，一般BOD的量对活性污泥微生物来说是足够的。氮、磷这两种元素是微生物的细胞核和酶的组成元素。如水中氨、磷不足，就会抑制微生物的增殖，使其失去对有机物的降解功能。一般城市污水中由于含有适量的这种盐类，因而氮、磷是足够的。而大部分工业废水，如石油化工、纸浆工业等排放的废水中，几乎不含氮、磷等物质，可以投加硫酸铵、硝酸铵、尿素、氨水等以补充氮，而投加过磷酸钙、磷酸以补充磷。

对活性污泥微生物来说，不同的微生物对每一种营养元素需要的数量是不同的，并且要求各营养元素之间有一定的比例关系。生活污水一般为BOD5ϒNϒP＝100ϒ5ϒ1。而进入曝气池的污水，由于经物理处理后BOD5值有所降低，所以BOD5ϒNϒP＝100ϒ 20ϒ4。这就说明，经物理法处理后的污水，其中N、P物质含量多于所需要的，因此，生活污水宜和工业废水一起处理。

6.有毒物质

要保证活性污泥处理系统正常运行，就不得含有抑制净化微生物酶系统的金属、氰及特殊有机物质等有毒物质。另外，有些元素虽然是微生物生理上所需要的，但在其浓度达到某种高度时，就会对微生物产生毒害作用。

除此6个因素以外，有机底物的成分组成等对微生物的生理功能和生物降解过程也有较大的影响。

2.5.4　曝气池运行方式与曝气设备

1.曝气池的类型及其构造

传统活性污泥法中常采用推流式曝气池，即矩形渠道式。一般在结构上常分成几个单元，每个单元包括几个池子，每个池内设有隔墙，将池子分成1～4个折流的廊道，如图2.15所示，用单数廊道时，污水入口和出口在池子的不同侧；采用双数廊道时，入口和出口在池子的同侧。廊道的单双数取决于城市污水处理厂的总平面布置和运行方式。

曝气池池长以50～70m之间为宜，有的也可长达100m，要根据城市污水处理厂的地形条件与总体布置而定。为避免产生短流，廊道的长宽比在5～10m之间。池深与池子造价和动力费用密切相关。而且，池越深，氧的利用率也越高。在一般设计中，常根据土建结构和池子的功能要求以及允许占用的土地面积等决定池深（一般介于3～5m之间）。

为了减小水流旋转阻力，廊道的4个墙角（墙顶和墙脚）都做成外凸45°斜面。曝气池壁应有0.5m的超高，池隔墙顶部可建成渠道状，作为配水渠道用，或充作空气干管的管沟，渠道上要盖上盖板作为人行道。

曝气池的进水口、进泥均设于水下，以避免形成短流，影响处理效果，并设闸门以调节水量。曝气池的出水一般采用溢流堰式。在池底、池子的1／2深处或距池底1／3深处都应设管径为80～100mm的排水管，前者用作池子的清洗、排空；后者是考虑在培养、驯化活性污泥时用于周期排放上清液。

推流式曝气池适用于各大、中型城市污水处理厂以及寒冷地区的小型城市污水处理厂。

2.曝气方法与曝气设备

曝气就是将空气中的氧气强制溶解到混合液中去的过程。曝气池内进行曝气的主要目的是充氧和搅拌。充氧，即将空气中的氧（或纯氧）转移到混合液中的活性污泥絮凝体上，以供微生物呼吸需要。搅拌与混合的目的是使曝气池内的混合液处于混合、悬浮状态，使活性污泥、溶解氧、污水中的有机底物三者充分接触，且防止活性污泥在曝气池内产生沉淀。

推流式曝气池通常采用鼓风曝气方法，即将压缩空气通过管道系统送入池底的空气扩散装置，经过扩散装置，使空气形成不同尺寸的气泡，气泡经过上升和随水循环流动，最后在液面处破裂。在这一过程中，气泡中的氧转移到混合液中供微生物利用。

将空气中的氧（或纯氧）有效地转移到混合液中去的装置为曝气设备。对鼓风曝气装置的效能，一般以动力效率和氧利用效率两项指标评定：动力效率（EP），指每消耗1度电所能转移到混合液中去的氧量，以kgO2／（kW·h）计；氧利用效率（EA），则指通过鼓风曝气转移到液体中的氧量占供给氧量的百分比（%）。

鼓风曝气系统由空压机、空气扩散装置和连接两者的一系列管道组成。其空气扩散装置一般分为：微气泡、中气泡、大气泡、水力剪切等类型。

（1）微气泡空气扩散装置。这种空气扩散装置一般有：由陶瓷、粗瓷等多孔性材料和合成树脂高温烧结制成的空气扩散板或空气扩散管，或者由尼龙和萨然树脂卷成的空气扩散管及几种微孔扩散器。其特点是气泡细小、气液接触面大、氧的利用率高（10%以上）。但气压损失较大，且容易被空气中的微小尘埃和油脂所堵塞，对送入的空气需要预先进行净化。

1）扩散板。扩散板有方形和长条形两种。方形扩散板尺寸通常是300mm×300mm× 35mm。扩散板安装在池底一侧或两侧的预留槽上或预制的长槽形水泥匣上，每个板匣有自己的进气管。空气由空气管通过进气管进入槽或板匣内，然后通过扩散板进入混合液，如图2.16所示。

2）扩散管。扩散管常以组装形式安装，以8～12根管组装成一个管组（图2.17）。其布置形式同扩散板。扩散管的氧利用率介于10%～13%之间，动力效率约为2kgO2／（kW· h）。

3）微孔空气扩散器。如图2.18所示为固定式平板型微孔空气扩散器。这种空气扩散器主要由扩散板、配气管、通气螺栓、三通短管和压盖等组成。图2.19所示为固定钟罩形微孔空气扩散器。这两种微孔空气扩散器多采用陶瓷、刚玉等钢性材料制造，氧利用率和动力效率都较高，但也有易堵塞、空气需要净化等缺点。还有一种称为膜片式微孔空气扩散器，其构造如图2.20所示。这种空气扩散器不易堵塞，也不需设除尘设备。此外，还有摇臂式微孔空气扩散器、提升式微孔空气扩散器等。

（2）中气泡空气扩散装置。穿孔管是应用最广泛的中气泡空气扩散装置，它由管径介于25～50mm之间的钢管或塑料管制成。在管壁两侧向下以45°夹角开有直径为3～5mm的孔眼或缝隙，不易堵塞，阻力小，但氧利用率较低在6%～8%之间。一般多组装成栅格型，用于浅层曝气（图2.21）。

Wm－180型网状中气泡空气扩散装置（图2.22），其氧利用率高，且布气很均匀。

（3）大气泡空气扩散装置。竖管属于大气泡空气扩散装置。竖管曝气是在曝气池的一侧布置以横管分支成梳形的竖管，口径在15mm以上，距池底15cm左右。图2.23所示为一种竖管扩散器及其布置示意图。

另外，近年来又出现了可安装在由钢或合成树脂制成的管上的喷气式和圆盘式空气扩散器。这些都属于大气泡空气扩散装置。由于大气泡在上升时可形成较强的紊流，并能够剧烈地翻动水面，从而加强了气泡液膜层的更新和从大气中吸氧的过程。虽然气液接触面积小，但氧利用效率仍在6%～7%之间，动力效率为2～2.6kgO2／（kW·h）。而且孔眼大，无堵塞问题，因此，目前在国内一些城市污水处理厂应用很广泛，甚至有些工业废水处理系统中的曝气池也采用这种形式曝气。

（4）水力剪切空气扩散装置。这种装置是利用本身的构造特征，产生水力剪切作用，在空气从装置吹出之前，将大气泡切割成小气泡。

倒盆式扩散装置属于水力剪切空气扩散装置。它由盆形塑料壳体、橡胶板，塑料螺杆及压盖等组成，其构造如图2.24所示。空气由上部进气管进入，由盆形壳体和橡胶板间的缝隙向周边喷出，在水力剪切的作用下，空气泡被剪切成小气泡。停止供气时，借助橡胶板的回弹力，使缝隙自行封口，防止混合液倒灌。这种扩散器其各项技术参数为：服务面积为6m×2m；氧利用率为6.5%～8.8%；动力效率为1.75～2.88kgO2／（kW·h）。

目前，我国生产的水力剪切扩散装置还有固定螺旋式扩散装置、金山型空气扩散装置等。

3.推流式曝气池的运行方式

推流式曝气池的运行方式主要有3种：普通曝气、阶段曝气、吸附－再生。

（1）普通曝气法。普通曝气法又称传统曝气法。污水从池子首端进入池内，回流污泥也同步注入。污水在池内呈推流形式流动至池子的末端，再流出池外进入二沉池。曝气池进水口处有机底物负荷率高，耗氧速率高，因此，为避免形成厌氧状态，进水有机负荷率不宜过高。这种曝气池容积大、占地多，而且池内耗氧速率与供氧速率也难以吻合。

（2）阶段曝气法。该法是使污水沿曝气池的长度从不同处分别流入，如图2.25所示。

这种分段注入污水的运行方式提高了曝气池对水质、水量变化的适应能力，且有机底物浓度沿池长均匀分布，负荷均匀，供氧速率与耗氧速率之间的差距小。另外，由于混合液中的活性污泥浓度沿池长逐步降低，因此出流混合液的污泥浓度降低，减轻了二次沉淀池的负荷，可提高沉淀效果。

（3）吸附－再生法。吸附－再生法又称接触稳定法，其工艺流程如图2.26所示。

这种运行方式将活性污泥对有机底物进行降解的两个过程——吸附与代谢分别进行。活性污泥和污水在吸附池内接触0.5～2h，使部分悬浮物、胶体和溶解状态的有机底物被活性污泥所吸附，有机底物得以去除。混合液再流入二次沉淀池进行泥水分离，处理水和剩余污泥排至池外，而回流污泥则从底部进入再生池，通过2～3h的曝气，达到稳定状态。活性污泥微生物完成合成和代谢反应而进入内源呼吸期，使污泥的活性得到充分恢复（处于“饥饿”状态的微生物其吸附、凝聚能力最高，即活性最强），再次进入吸附池与污水接触，吸附有机底物，就这样使活性污泥在处理系统中循环使用。

总之，三种运行方式各有其特点，其主要区别在于投水点不同，从而造成了全池平均浓度的不同。普通曝气方式全部污水在池端投入；阶段曝气方式将污水分散为几点投入，故也称多点投水法；吸附再生方式将污水在曝气池中段集中一点投入（指合建式）。就全池平均浓度而言，吸附－再生法＞阶段曝气法＞普通曝气法；如果维持一定的污泥负荷率，则曝气池容积情况是，普通曝气法＞阶段曝气法＞吸附－再生法。吸附－再生法虽然能以较小的池容积处理较多的污水，但污水停留时间较短，在处理效果上，略低于普通曝气方式。而阶段曝气方式使全池的耗氧速率较平均，所以应用较广。

2.5.5　二沉池

二次沉淀池（或合建式曝气沉淀池的沉淀区）是活性污泥处理系统的重要组成部分。它的作用有两个方面：一是进行混合液的泥水分离，以获得澄清的出水；二是将分离出来的活性污泥重力浓缩后再回流到曝气池中利用。其工作效果对出水水质和回流污泥浓度有直接影响，从而影响曝气池的运行，也就影响着整个系统的净化效果。

与曝气池分建的二次沉淀池，从结构型式上与初次沉淀池相同，即有平流式、辐流式、竖流式、斜板（管）式等多种。但在选择使用上有些区别：一般对于大、中型污水处理厂，二次沉淀池多采用机械吸泥的圆形辐流式沉淀池；中型污水处理厂也可采用方形多斗式平流式沉淀池；而对于小型污水处理厂，一般适宜采用竖流式沉淀池。由于二沉池所分离的污泥质量轻，容易产生异重流，因此，二沉池的沉淀时间比初沉池长，水力表面负荷比初沉池的小。二沉池的排泥通常采用刮吸泥机从池底大范围排泥，而初沉池一般采用刮泥机刮泥，然后从池底集中排出。