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第四章好氧生物处理法(一)——活性污泥法1、掌握活性污泥法的基本原理及其反应机理；2、理解活性污泥净化反应的影响因素；3、理解活性污泥法的重要概念与指标参数：如活性污泥、剩余污泥、MLSS、MLVSS、SV、SVI、Qc、容积负荷、污泥产率等；4、理解活性污泥反应动力学基础及其应用；5、掌握活性污泥的工艺技术或运行方式；6、掌握曝气理论。7、熟练掌握活性污泥系统的计算与设计。教学要求：通过本章的学习，要求学生对活性污泥法污水处理系统有较为系统的认识、理解和掌握。并基本具备对活性污泥法的设计、计算的能力和一定的活性污泥系统运行管理的一般知识。第一节活性污泥法的基本原理活性污泥法是目前废水处理中应用最广泛的生化操作技术，在1914年英国曼彻斯特市最初建成活性污泥法的试验厂后，经六十多年的发展，根据技术经济、水质的适应、微生物活动、处理程度以及管理方法等不同要求，已形成多种类的活性污泥法。特别是近几十年来，在对其生物反应和净化机理进行深人研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动力学的理论方面以及在工艺方面都得到了长足的发展，出现了多种能够适应各种条件的工艺流程，当前，活性污泥法已成为生活污水、城市污水以及有机性工业废水的主体处理技术。据分析，活性污泥法主要应用于大型处理厂，如美国芝加哥的西－西南区处理厂(380万米3/日)，华盛顿的兰原处理厂(190万米3/日)，法国巴黎的阿歇尔处理厂(目前为150万米3/日，计划为300万米3/日)，日本东京的森崎处理厂(88万米3/日)等均采用活性行泥法。1.基本概念与流程第一节活性污泥法的基本原理活性污泥：是由多种好氧微生物、某些兼性或厌氧微生物以及废水中的固体物质、胶体等交织在一起的呈黄褐色絮体。活性污泥法：是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。实质：人工强化下的微生物的新陈代谢(包括分解和合成)活性污泥的基本工艺流程图如下：第一节活性污泥法的基本原理预处理第一节活性污泥法的基本原理（1）预处理设施：包括初次池、调节池和水解酸化池，主要作用是去除SS、调节水质，使有机氮和有机磷变成NH4+或正磷酸盐、大分子变成小分子，同时去除部分有机物。（注：此操作系统不是所有活性污泥系统都有的）（2）曝气池：工艺主体，其通过充氧、搅拌、混合、传质实现有机物的降解和硝化反应、反硝化反应。（3）二次沉淀池：泥水分离，澄清净化、初步浓缩活性污泥。生物处理系统：微生物或活性污泥降解有机物，使污水净化，但同时增殖。为控制反应器微生物总量与活性，需要回流部分活性污泥，排出部分剩余污泥；回流污泥是为了接种，排放剩余污泥是为了维持活性污泥系统的稳定或MLSS恒定。活性污泥法尽管种类甚多，但活性污泥法具有以下几个共同的基本特征：第一节活性污泥法的基本原理(1)利用生物絮凝悬浮体为生化操作的主体物；(2)利用曝气设备向生化操作系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源；(3)对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过；(4)一般采用沉淀方式去除有机体，降低出水中的微生物固体含量；(5)通过回流使沉淀池浓缩的微生物絮凝体返回到反应系统：(6)为保证系统内有机体细胞平均停留时间的稳定，经常排出一部分生物固体。从上述特征可以看出，一个最基本的活性污泥法生化操作系统，应该由反应器、沉淀池以及包括曝气、混合、回流、排出剩余有机体等辅助设备等几部分组成。2、活性污泥的特征与微生物第一节活性污泥法的基本原理（1）特征活性污泥的外观表现极为重要。有丰富经验和很强观察能力的管理人员，可根据污泥外观判断运行中的各种情况：形态：在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈“絮状”。颜色：曝气中的污泥一般呈茶(黄)褐色、深灰色、灰黑色、灰白色等。这与处理的水质及运行状况有关。具有较好去除BOD能力的活性污泥多为茶褐色，供氧不足或出现厌氧状态的活性污泥为黑色，供氧过多营养不足的污泥呈灰白色等。气味：良好的活件污泥几乎没有臭味，微微具有土壤的气味并略带一点霉臭味，在发生厌氧状态时，活性污泥有硫化氢臭味。理化性质：ρ=1.002～1.006，含水率99%，直径大小0.02～0.2mm，表面积20～100cm2/ml，其固相组分主要为有机物，约占75～85%。第一节活性污泥法的基本原理化学性质：即使流入曝气池的污水pH值略有高低，但混合液大体上呈中性，活性情泥本身略呈酸性（pH值约为6.7），并有较强的缓冲能力。混合液的pH往往较处理水的PH值低。生物特性：具有一定的沉降性能和生物活性（理解：自我繁殖、生物吸附与生物氧化）。活性污泥在外观上与化学絮凝所形成的絮凝体极相似，呈轻飘飘的絮花状，这种絮凝体的凝聚性很好，这是活性污泥的重要性质之一。在活性污泥凝聚后使絮凝体变大，有利于沉淀。因此．良好的活性污泥应具有好的沉降性，这与活性污泥的比重也有关。组成：具有代谢功能活性的微生物群体（Ma），微生物(主要是细菌)内源代谢、自身氧化的残留物(Me)；由原污水挟入的难为细菌降解的情性有机物质(Mi)；由污水挟入的无机物质(Mii)。第一节活性污泥法的基本原理（2）微生物组成及其作用组成：包括细菌、真菌、原生动物、后生动物及其食物链。细菌：以异养型原核生物(细菌)为主，数量107～108个/ml，自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污染物质的主体，具有分解有机物的能力。真菌：由细小的腐生或寄生(丝状)菌组成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白质的功能，但丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。原生动物：肉足虫，鞭毛虫和纤毛虫3类、捕食游离细菌。其出现的顺序反映了处理水质的好坏（这里的好坏是指有机物的去除），最初是肉足虫，继之鞭毛虫和游泳型纤毛虫；当处理水质良好时出现固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫、盖纤虫等。后生动物(主要指轮虫），捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质量与污水处理的质量。注：1）细菌是活性污泥系统中净化污水的第一承担者，同时也是主要承担者。而原生动物由于捕食处理水中游离细菌，使污水进一步净化，是第二承担者。2）原生动物是活性污泥生态系统的首次捕食者，后生动物是第二次捕食者。3）原生动物的生物相是对活性污泥质量评价的重要手段之一。第一节活性污泥法的基本原理4）原生动物在废水处理中的作用有：A.净化作用：可以无选择地吞食有机物和细菌，因此直接或间接地去除了有机物。B.促进絮凝作用：细菌形成菌胶团，是活性污泥絮凝的主要原因，但有些原生动物如钟虫，可以分泌粘性物质，与细菌凝聚在一起，促进絮凝。C.指示作用：a.依据原生动物类群更替，判断水处理程度。运行初期以植物性鞭毛虫、肉足内为主；中期以动物性鞭毛虫、游泳性纤毛虫为主；后期以固着性纤毛虫为主，表明活性污泥成熟。b.根据其种类，判断水处理好坏。动物性鞭毛虫、游泳性纤毛虫等出现表明污泥结构松散，出水水质差。固着性纤毛虫如钟虫、累枝虫等出现，表明污泥正常，出水水质好。5）后生动物指示作用：轮虫为水处理效果好的指示，以500～1000个/ml为宜。线虫、寡毛类动物（颤蚓、水丝蚓等）为废水净化程度差的指示。第一节活性污泥法的基本原理（3）微生物增殖与活性污泥的增长：I.活性污泥的能含量（F/M）是影响活性污泥微生物增殖速度的主要因素，也是BOD去除速度、氧利用速度和活性污泥的凝聚、吸附性能的重要影响因素。II.微生物增值：在污水处理系统或曝气池内微生物的增殖规律与纯菌种的增殖规律相同，即适应期（停滞期），对数期，静止期（也减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。从时间上看：适应期：污泥驯化培养的最初阶段，即细胞内各种酶系统的适应期。此时菌体不裂殖、菌数不增加。对数期：细胞以最快速度进行裂殖，细菌生长速度最大，此时微生物的营养物质丰富，生物生长繁殖不受底物或基质限制。如A段；在此阶段微生物增长的对数值与时间呈直线关系。其微生物数量大，但个体小，其净化速度快，但效果较差，只能用于前段处理（相当于生物一级强化工艺）。第一节活性污泥法的基本原理第一节活性污泥法的基本原理减速增殖期：由于营养物质被大量耗消，此时细胞增殖速度与死亡速度相当。活菌数量多且超于稳定，个体趋于成熟。如B段（相当于二级处理）。衰亡期：营养物基本耗尽，微生物只能利用菌体内贮存物质，大多数细胞出现自溶现象，细菌死亡多，增殖少，但细胞个体最大、净化效果强（对有机物而言）。同时，自养菌比例上升，硝化作用加强。如氧化沟或硝化段（相当于二级半或延时曝气工艺）。可见不同增殖期对应于不同微生物组合，对应于不同生物处理工艺。从空间看：由前至后污染物浓度不断降低，微生物数量由对数期逐步过渡至衰亡期，微生物组成由细菌逐步过度为轮虫等，水质逐步变好——类似于水体自净这一污水处理的原型。第一节活性污泥法的基本原理（4）絮体的形成活性污泥是活性污泥处理技术的核心，良好的活性污泥絮体的形成是活性污泥处理系统保持正常净化功能的关键。活性污泥絮体——菌胶团，它是成千上万细菌相互粘附形成的生物絮体。其在对数增长期，个体处于旺盛生长，其运动活性大于范德华力，菌体不能结合；但到了衰亡期，动能低微，范德华力大，菌体相互粘附，形成生物絮体，因此静止期与衰亡期个体是活性污泥的重要微生物。第一节活性污泥法的基本原理反应或净化：指有机污染物作为营养物质被微生物摄取、代谢与利用的过程，即：“活性污泥反应”过程。它是物理、化学、生物化学等作用的综合过程，其机理大致包括以下几个阶段：3、活性污泥反应（净化）机理：I.初期吸附去除：污水与活性污泥接触5～10min，污水中大部分有机物(70%以上的BOD，75%以上COD)迅速被去除。此时的去除并非降解，而是被污泥吸附，粘着在生物絮体的表面，这种由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期高速去除现象叫初期吸附。思考题：为什么说是吸附？其吸附速度取决于：a.微生物的活性程度——它决定活性污泥微生物的吸附、凝聚功能。饥饿程度，衰亡期最强；第一节活性污泥法的基本原理b.反应器内水力扩散程度和水动力学的规律：它决定活性污泥絮凝体与有机污染物的接触程度。泥水接触或混合越迅速、越均匀、液膜更新越快，接触时间越长则越好；泥水接触水力学状态以湍流或紊流为好，但过大会击碎絮体。注意：“初期吸附”去除的有机污染物的数量是有一定限度的。被吸附在微生物细脑表面的有机物，在经过数小时的曝气后，才能够相继地被摄入微生物体内，当其“吸附容量”达到“饱和”时，将停止吸附作用。II.微生物的代谢被吸附的有机物粘附在絮体表面，与微生物细胞接触，在渗透膜的作用下，进入细胞体内，并在各种酶（脱氢酶、氧化酶等）的作用下要不被降解（分解代谢），要不被同化成细胞本身（合成代谢）。第一节活性污泥法的基本原理分解代谢：微生物对一部分有机物进行氧化分解，最终形成CO2和H2O等稳定的无机物质，并从中获取合成新细胞物质所需要的能量，此过程可用下列化学方程式表示：合成代谢：另一部分有机污染物为微生物用于合成新细胞，所需能量取白分解代谢。此反应应过程可用下列方程式表示：此外，在曝气池的末端，由于营养物质的匮乏，微生物可能进入内源代谢反应，微生物对其自身的细胞物质进行代所反应，其过程可用下列化学式表示：第一节活性污泥法的基本原理其代谢产物的模式如下图：注：（1）合成代谢与分解代谢相比，其产物不一样。分解代谢的最终产物使稳定的CO2和H2O等，可直接排入环境；而合成代谢的产物是新的微生物细胞，在污水处理系统中是以剩余污泥的形式排出系统的，对其还需进一步的妥善处理（污泥的处理）。（2）无论是合成代谢还是分解代谢，它们都能够去除污水中的有机污染物。第一节活性污泥法的基本原理具体代谢产物的数量关系如下图：即1/3被氧化分解，80％×2/3=53%左右通过内源呼吸降解，14%左右变成了残物。从上述结果可以看出，污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化(仅33％)。引申出的问题：在利用对数期微生物进行污水净化的装置中加大曝气强度，能否提高处理效果？第二节活性污泥净化反应影响因素与主要