活性污泥

13.1 活性污泥法的理论基础

英国人发明，1914年在曼彻斯特建成试验厂，1916年美国建成了世界第一座活性污泥法城市污水处理厂。我国最早建厂于

目前活性污泥法是生活污水、城市污水以及有机性工业废水处理中最常用的工艺，依然处于不断完善和革新中。

13.1.1 活性污泥法的概念与基本流程

（1）活性污泥

由微生物（活的、死的）、有机物、无机物等组成，结构疏松、比表面积很大、褐色絮凝体；具有吸附并降解水中胶体性、溶解性有机物的活力，且自身凝聚沉降性能很好。

（2）活性污泥法

以水中有机物为基质，在水环境中有O2的情况下，依靠微生物吸附分解有机物，形成凝聚和沉降性较好的生物絮体，沉降分离后使污水得到净化。这种水处理方法称活性污泥法。

（3）基本流程

系统组成：曝气池、二沉池、曝气系统、污泥回流系统、剩余污泥处理。

曝气池：是消耗溶解氧、污染减少、微生物增长的一个环境场所。

二沉池：泥水分离场所。

13.1.2 活性污泥的形态与组成

形态：絮绒装、颗粒状，黄褐色，d=0.02~0.2mm，常见的大片是许多小絮体结合在一起的现象。

性能：以微生物为主，可分解有机物、消耗溶解氧，有很大的比表面积（20~100cm2/ml）、吸附性强，可以相互凝聚由小变大，能量合适时沉降性很好，含水率＞99%，γ=1.002~1.006，略带土壤芳香气味。

组成：固体重量≤1%，含有机（占70~80%）、无机成分。与水质有关。

活性污泥M =Ma + Me + Mi + Mii

Ma——具有活性的微生物（细菌、真菌、原生动物、后生动物）；

Me——微生物自身氧化的残体；

Mi——吸附、夹带在表面，但不可降解的有机物；

Mii——吸附、夹带的无机物。

13.1.3 活性污泥微生物及其作用

活性污泥中微生物群体包括：细菌、真菌、原生动物、后生动物，主要是细菌。微生物以有机物为起点就形成了食物链：图13-2。

（1）细菌

细菌重量占微生物群体总重量的90~95%，有些工业废水处理中高达100%。

以异养型原核细菌为主，数量107~108个/ml。最多是球菌、杆菌、链球菌，还有螺旋菌。

具体那种占优势，与原水中营养基质和环境有关。比如含有蛋白质的水质利于产杆菌生长，含糖类的水质利于假单胞菌生长。

细菌繁殖世代时间20~30min。

有些细菌（动胶杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属）可絮凝成团粒，称菌胶团，活性强、沉降性好、并可防止被微型动物吞噬，是活性污泥的主体。

（2）真菌

主要是霉菌和丝状菌。

霉菌，常出现在pH值较低的污水中；

丝状菌，适宜在缺氧的环境中生长。可以分解碳水化合物、脂肪、蛋白质、及其它含氮化合物，净化效率高，是活性污泥絮体的骨架。但也是污泥膨胀的主要原因，要合理利用和控制。

（3）原生动物

主要是肉足虫、鞭毛虫、纤毛虫3类。捕食细菌，是指示性微生物。

（4）后生动物

主要是轮虫、线虫、瓢体虫，不常出现。水质要特别优异。

微生物的作用：细菌降解有机物，原生动物捕食游离细菌，使水得到进一步净化，后生动物捕食原生动物，在延时曝气时可能出现。

13.1.4 活性污泥微生物的增值规律

在多种菌种共存的条件下，活性污泥的增长表现为图13-4反映的过程，存在适应期、对数增长期、减速增长期、内源呼吸期。

下面从有机物量F、微生物量M、耗氧速率（有机物降解速率）、污泥活性四个方面分析各个阶段特征。

① 适应期 也称调整期、吸附期，底物投入后，微生物在新环境下与底物接触，先吸附但不分解，适应环境，酶系统发生变化，不分裂，但个体增大。时间较短5~15min。

② 对数增长期 吸附后，F/M高＞2.2，在O2充足的条件下，降解速度很快、生物增长也很快，耗氧量最大，污泥活性很强但松散、凝聚沉降性较差。

③ 减速增长期 随着F↓、M↑、使得F/M↓，底物的量限制着微生物增长速度，增长速度越来越缓慢，部分微生物不得不分解体内营养及不易降解的有机物，逐渐活性变差、沉降絮凝性提高，某点处微生物数量达到最高、总降解速度最快，维持一定时间后，环境中已很少有营养可被摄取，进入内源呼吸期。

④ 内源呼吸期 F/M很小，充分曝气，混合液中营养耗尽，几乎全部微生物只能分解体内营养以维持生命，活性变差、凝聚沉降性好，出现原生动物、污泥量减少、水变清。

由以上分析看，要利用活性污泥净化污水，必须发挥其吸附性、降解性、凝聚沉降性，但对数增长期凝聚沉降性差、内源呼吸期降解太慢，只有减速增长期的末端同时具备较好的降解性、沉降性、供氧条件也容易满足。因此传统活性污泥法系统（普通曝气池）将反应条件控制在减速增长起末端。

13.1.5 活性污泥净化污水的过程

活性污泥法去除污水中有机物的实质，就是有机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。净化反应过程及其复杂，包括物理、化学、物化、生化等。

（1）初期吸附去除

发生在5~10min内，吸附率达到70%，但是并未降解，只是转移。依靠物理吸附和生物吸附。

吸附的速率与程度取决于与微生物活性、内部基质“饥饿”程度、外部基质浓度梯度、水力学条件有关。

（2）微生物代谢

15min后发生降解过程。

氧化分解：

合成代谢：

内源呼吸：

（3）沉降分离

在基质及能量不足的情况下，活性污泥自身凝聚、沉降分离。

13.1.6 环境因素对活性污泥微生物的影响

（1）营养物质

营养物包括：碳、氮、磷、无机盐类、生长素等。

碳源（COD、BOD）需求最多。

氮源（N2、NH3、NO3-、蛋白质、胨、氨基酸）组成微生物细胞内蛋白质和核酸。

磷源是合成核蛋白、卵磷脂及其他磷化合物的重要元素，代谢、物质转移、能量转移必不可少。

无机盐需求少，但不可缺，主要的无机盐包括P、K、Mg、Ca、Fe、S，他们参与细

胞结构的组成、能量的转移、控制原生质的胶态等；微量的包括Cu、Zn、Co、Mn、Mu，它们是酶辅基的组成部分、是酶的活化剂。

对活性污泥来说，生活污水中的营养物应有一定的比例，一般认为BOD5∶N∶P=100∶5∶1。BOD∶N∶无机盐=100∶5∶2。

污水处理过程中，如果营养比例不合适，需要人工投加相应的物质，特别是在系统启动阶段更为重要。

（2）溶解氧条件

好氧环境要求溶解氧浓度DO≥2mg/L，缺氧环境DO=0.5~1.0mg/L，厌氧环境DO=0。

（3）pH值

对于微生物反应来说，中性环境最为适宜，一般控制pH=6.5~8.5。

pH值对微生物的生命活动影响很大，表现在：

pH值引起细胞电荷变化——影响微生物对营养物质的吸收；

pH值与细胞酶性质有关——影响代谢过程中酶的活性；

pH与营养物可给性有关——影响营养物质转化途径；

pH值与有害去毒性有关——许多重金属高价时毒性很大；

pH改变蛋白质和核酸水解——高浓度[H+]会引起菌体表面蛋白质和核酸水解而变质。

（4）水温

微生物要求T=25℃最适宜，一般控制T=15℃~30℃。

因此，寒冷地区反应器要保温，高温水要先冷却降温。

（5）有毒物质

毒性抑制——产物抑制——竞争抑制。主要是重金属，H2S、CN－、酚等，当超过一定浓度时，就破坏细胞结构，抑制代谢。可以驯化培养抗毒性微生物，特别在工业废水处理时。