4活性污泥法

4活性污泥法4.1活性污泥法的基本原理在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。活性污泥法于1914年在英国曼彻斯特建成试验厂开创以来，已有90多年的历史了，随着在实际生产上的广泛应用和技术上的不断革新改进，特别是近几十年来，在对其生物反应初净化机理进行深入研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动力学的理论方向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。基本原理活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水一类好氧生物的处理方法。这种生物絮体叫做活性污泥，他由好氧微生物（包括细菌、真菌、原生动物和后生动物）及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成，具有降解废水中有机污染物（也有些可部分利用无机物）的能力，显示生物化学活性。活性污泥法净化废水包括吸附、微生物代谢和凝聚与沉淀3个主要过程。在生活中，如果向一桶粪便污水连续鼓入空气，经过几天，由于污水中微生物的生长与繁殖，将逐渐形成带褐色的污泥状絮凝体，即活性污泥，在显微镜下观察，可见到大量微生物。4.1.1活性污泥处理法的流程图4—1所示为活性污泥法处理系统的基本流程。系统是以活性污泥反应器——曝气池作为核心处理设备，此外还有二次沉淀池、污泥回流系统和曝气与空气扩散系统所组成。在投入正式运行前，在曝气池内必须进行以污水作为培养基的活性污泥培养与驯化工作。经初次沉淀池或水解酸化装置处理后的污水从一端进人曝气池，与此同时，从二次沉淀池连续回流的活性污泥，作为接种污泥，也于此同步进人曝气池。此外，从空压机站送来的压缩空气，通过干管和支管的管道系统和铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进人污水中，其作用除向污水充氧外，还使曝气池内的应得以正常进行。这样，由污水、回流污泥和空气互相混合形成的液体，称为混合液。活性污泥反应进行的结果，污水中的有机污染物得到降解、去除，污水得以净化生物的繁衍增殖，活性污泥本身也得到增长。经过活性污泥净化作用后的混合液由曝气池的另一端流出进入二次沉淀池，在这里进行固液分离，活性污泥通过沉淀与污水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中一部分作为接种污泥回流曝气池，多余的一部分则作为剩余污泥排出系统。剩余污泥与在曝气池内增长的污泥，在数量上应保持平衡，使曝气池内的污泥浓度相对地保持在—个较为恒定的范围内。活性污泥法处理系统，实质上是自然界水体自净的人工模拟，不是简单的模拟，而是经过人工强化的模拟。4.1.2活性污泥的形态与活性污泥微生物1.活性污泥的形态活性污泥是活性污泥处理系统中的主体作用物质。在活性污泥上栖息着具有强大生命力的微生物群体。在微生物群体新陈代谢功能的作用下，使活性污泥只有将有机污染物转化为稳定的无机物质的活力，故此称之为“活性污泥”正常的处理城市污水的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，又称之为“生物絮凝体”，其颗粒尺寸取决于微生物的组成、数量，污染物质的特征以及某些外部环境因素，如曝气池内的水温及水动力条件等，一般介于0.02——0.2mm之间，从整体来看，活行污泥具有较大的表面积，每mL活性污泥的表面积大体上介于20—100cm2之间。活性污泥含水率很高，一般都在99％以上，其比重则因含水率不同而异，而介于1.002—1.006之间。活性污泥中的固体物质仅占1％以下，这1％的固体物质是由有机与无机两部分所组成，其组成比例则因原污水性质不同而异，如城市污水的活性污泥，其中有机成分占75%—85％，无机成分则占15％—25％。活性污泥中固体物质的有机成分，主要是由栖息在活性污泥上的微生物群体所组成。此外，在活性污泥上还夹杂着由入流污水挟入的有机固体物质，其中包括某些惰性的难为细菌摄取、利用的所谓“难降解有机物质”。微生物菌体经过内源代谢、自身氧化的残留物，如细胞膜、细胞壁等，也属于难降解有机物质范畴内。活性污泥的无机组成部分，则全部是由原污水挟入的，至于微生物体内存在的无机盐类，由于数量极少，可忽略不计。这样，活性污泥是由下列四部分物质所组成：①具有代谢功能活性的微生物群体(Ma)；②微生物(主要是细菌)内源代谢、自身氧化的残留物(Me)；③由原污水挟入的难为细菌降解的情性有机物质(Mi)；④出污水挟入的无机物质(Mii)。2.活性污泥微生物及其在活行污泥反应中的作用活性污泥微生物是由细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种群体所组成的混合培养体。这些微生物群体在活性污泥上形成图4—2所示的食物链和相对稳定的小小生态系。活性污泥微生物中的细菌以异养型的原核细菌为主，在正常成熟的活性污泥上的细菌数量大致介于107—108个/mL活性污泥之间。经多数检测，现已基本判明，可能在活性污泥上形成优势的细菌，主要有：这些种属的细菌都具有较高的增殖速率，在环境适宜的条件下，它们的世代时间仅为20—30min。它们也都具有较强的分解有机物并将其转化为无机物质的功能。真菌的细胞构造较为复杂，而且种类繁多，与活性污泥处理系统有关的真菌是微小的腐生或寄生的丝状菌，这种真菌具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其他含氮化合物的功能，但若大量异常的增殖会引发污泥膨胀现象。丝状菌的异常增殖是活性污泥膨胀的主要诱因之一。在活性污泥中存活的原生动物有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫等3类。原生动物的主要摄食对象是细菌，因此，出现在活性污泥中的原生动物，在种属上和数量上是随处理水的水质和细菌的状态变化而改变的。在活性污泥系统启动的初期，活性污泥尚未得到良好的培育，混合液中游离细菌居多，处理水水质欠佳，此时出现的原生动物，最初为肉足虫类(如变形虫)占优势，继之出现的则是游泳型的纤毛虫，如豆形虫、肾形虫、草履虫等。而当活性污泥菌胶团培育成熟，结构良好，活性较强，混合液中的细菌多已“聚居”在活性污泥上，处理水水质良好，此时出现的原生动物则将以带柄固着(着生)型的纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫和盖纤虫等为主。通过显微镜的镜检，能够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，因此，将原生动物称之为活性污泥系统中的指示性生物。此外，原生动物还不断地摄食水中的游离细菌，起到了进一步净化水质的作用。图4—3所示是作为活性污泥处理系统的指示性生物的原生动物，在曝气池内活性污泥反应过程中，数量与种类的增长与递变的模式关系。后生动物(主要指轮虫)在活性污泥系统中是不经常出现的，仅在处理水质优异的完全氧化型的活性污泥系统，如延时曝气活性污泥系统中出现，因此，轮虫出现是水质非常稳定的标志。在活性污泥处理系统中，净化污水的第一承担者，也是主要承担者是细菌，而摄食处理水中游离细菌，使污水进一步净化的原生动物则是污水净化的第二承担者。原生动物摄取细菌，是活性污泥生态系统的首次捕食者。后生动物摄食原生动物，则是生态系统的第二次捕食者。见图4—2。通过显微镜镜检，活性污泥原生动物的生物相，是对活性污泥质量评价的重要手段之一。3.活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长在曝气池内，活性污泥微生物对污水中有机污染物的降解，其必然结果之一是微生物的增殖，而微生物的增殖，实际上就是活性污泥的增长。这一现象对活性污泥处理系统有着非常实际的作用。微生物在曝气池内的增殖规律，是污水生物处理工程技术人员应予以充分考虑和掌握的。微生物的增殖规律，一般是用其增殖曲线来表示的。增殖曲线所表示的是在某些关键性的环境因素，如温度一定、溶解氧含量充足等条件下，营养物质一次充分投加，微生物种群随时间以量表示的增殖和衰减动态。在微生物学中，对纯菌种的增殖规律，已进行过为数众多的试验研究工作，并已取得些较为成熟的结果。参与污水活性污泥处理过程的是多种属微生物群体，其增殖规律较为复杂，但其增殖规律的总趋势，仍与纯种微生物相同。纯种微生物的增殖曲线可作为活性污泥多种属微生物群体增殖规律的范例。将活性污泥微生物在污水中接种，并在温度适宜、溶解氧充足的条件下进行培养，按时取样计量，即可得出微生物数量与培养时间之间具有一定规律性的增殖曲线(参见图4—4)。活性污泥的能含量，即有机物量(F)与微生物量〔M)的比值(F/M)是对活性污泥微生物增殖速度产生影响的主要因素，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。根据图4—4所示，整个增长曲线可分为四个阶段（期）。适应期，亦称延迟期或调整期。这是微生物培养的最初阶段，是微生物细胞内各种酶系统对新培养基环境的适应过程。在本阶段初期微生物不裂殖，数量不增加，但在质的方而却开始出现变化，如个体增大，酶系统逐渐适应新的环境。在本期后期，酶系统对新环境已基本适应，微生物个体发育也达到了一定的程度，细胞开始分裂、微生物开始增殖。本期延续时间的长短，主要取决于培养基(污水)的主成分和微生物对它的适应性。这个问题对新投入处理的污水有着很重要的实际意义。在图4—4中没有表示出本期，在一般情况下，本期是存在的，特别是对新投入运行的曝气池。对数增殖期又称增殖旺盛期。本期内一项必备的条件是营养物质(有机污染物)非常充分，不成为微生物增殆的控制因素。微生物以最高速度摄取营养物质，也以最高速度增殖。微生物细胞数按几何级数增加，即：1、2、4、8、16…，即2n增加。由图可见，微生物(活性污泥)的增殖速度与时间呈直线关系，为一常数值，其值即为直线的斜率。据此，对数增殖期又称为“等速增殖期”。在本期内，衰亡的微生物量相对来说是较少的，在实际中可不予考虑。世代时间小的微生物，其增殖速度快，微生物的种属不同，环境条件不同，其世代时间也有所不同，—般介于20min到几个h。表4—l中所列举的是可能在活性污泥处理系统中出现(或在生物膜法处理设备中出现)的某些细菌的世代时间。减速增殖期也称稳定期和平衡期。经对数增殖期，微生物大量繁衍、增殖，培养液(污水)中的营养物质也被大量耗用，营养物质逐步成为微生物增殖的控制因素，微生物增殖速度减慢，增殖速度几乎和细胞衰亡速度相等，微生物活体数达到最高水平，但却也趋于稳定。处于本期的微生物细胞开始为本身积累贮存物质，如肝糖、脂肪粒、异染颗粒等。在本期末端，由于增殖的微生物活体数抵不上衰亡的数量时，增殖曲线开始出现下降趋势。内源呼吸(代谢)期又称衰亡期。培养液(污水)中营养物质继续下降，并达到近乎耗尽的程度。微生物由于得不到充足的营养物质，而开始利用自身体内储存的物质或哀死菌体，进行内源代谢以营生理活动。在此期，多数细菌进行自身代谢而逐步衰亡，只有少数微生物细胞继续裂殖，活菌体数大为下降，增殖曲线呈显著下降趋势。在细菌形态方面，此时也多呈退化状态，并往往产生芽孢。从以上所述可见，决定污水中微生物活体数量和增殖曲线上升、下降走向的主要因素是其周围环境中营养物质量的多寡。这样，通过对污水中营养物质(有机污染物质BOD)量的控制，就能够控制微生物增殖(活性污泥增长)的走向和增殖曲线各期的延续时间。以增殖曲线所反映的微生物增殖，亦即活性污泥增长规律，对活性污泥处理系统有着重要的实际意义。4.活性污泥絮凝体的形成活性污泥是活性污泥处理技术的核心。在活性污泥反应器——曝气池内形成发育良好的活性污泥絮凝体，是使活性污泥处理系统保持正常净化功能的关键。活性污泥絮凝体，也称为生物絮凝体，其骨干部分是由千万个细菌为主体结合形成的通称为“菌胶团”的团粒。菌胶团对活性污泥的形成及其各项功能的发挥，起着十分重要的作用，只有在它发育正常的条件下，活性污泥絮凝体才能很好的形成，其对周围的有机污染物的吸附功能以及絮凝、沉降性能才能够得到正常的发挥。活性污泥絮凝体的形成机制，有多家学说就活性污泥絮凝体形成的实际工况来看，是这样的。当在曝气池内残存的有机污染物(BOD值)较低，有机物与细菌数量的比值，即F/M比处于低值，而细菌进入减哀增殖期的后段或内源呼吸期时，活性污泥才有可能得到很好的形成。这一事实说明，活性污泥絮凝体的形成与曝气池内能的含量密切相关。细菌的细胞膜是由蛋白所形成的，它易于离子化并带有负电荷，这样，