好氧悬浮生长处理技术

1、废水的生物处理方法简介

废水的生物处理方法是利用生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物质进行转化和稳定、使之无害化的处理方法。对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。由于微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强、易变异等特性，因此在使用上能较容易地采集菌种进行培养增殖，并在特定条件下进行驯化使之适应有毒工业废水的水质条件。微生物的生存条件温和，新陈代谢过程中不需高温高压，它是不需投加催化剂的催化反应，用生化法促使污染物的转化过程与一般化学法相比*得多。处理废水的费用低廉，运行管理较方便，所以生化处理是废水处理系统中重要的过程，目前，这种方法已广泛用作生活污水及工业有机废水的二级处理。                                          

2、活性污泥法的基本原理

（1）、基本流程

向生活污水注入空气进行曝气，并持续一段时间以后，污水中即生成一种絮凝体。这种絮凝体主要是由大量繁殖的微生物群体所构成，它有巨大的表面积和很强的吸附性能，称为活性污泥(activated sludge)。

（2）、活性污泥的组成

活性污泥组成：活性的微生物，微生物自身氧化的残留物，吸附在活性污泥上不能被生物降解的有机物和无机物组成。其中微生物是活性污泥的主要组成部分。活性污泥中的微生物又是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体相结合所组成的一个生态系。

活性污泥通常为黄褐色絮状颗粒，其直径一般为0.02－2mm，含水率一般为99.2－99.8％，密度因含水率不同而异，一般为1.002－1.006g/cm3。细菌是活性污泥组成和净化功能的中心，是微生物的主要部分。污水中有机物的性质决定那些种属的细菌占优势。例如：含蛋白质的污水有利于产碱杆菌属和芽孢杆菌属，而醣类污水或烃类污水则有利于假单孢菌属。在一定的能量水平(即细菌的活动能力)下，细菌构成了活性污泥的絮凝体的大部分，并形成菌胶团，具有良好的自身凝聚和沉降性能。在活性污泥中，除细菌外还出现原生动物，是细菌的捕食者，继之出现后生动物，是细菌的第二次捕食者。

（3）、净化过程与机理

1）、初期去除与吸附作用

在很多活性污泥系统里，当污水与活性污泥接触后很短的时间（10－45 min)内就出现了很高的有机物(BOD)去除率。这种初期高速去除现象是吸附作用所引起的。由于污泥表面积很大(可达2000－10000m2/m3混合液)，且表面具有多糖类粘质层，因此，污水中悬浮的和胶体的物质是被絮凝和吸附去除的。

2）、微生物的代谢作用

             活性污泥中的微生物以污水中各种有机物作为营养，在有氧的条件下，将其中一部分有机物合成新的细胞物质(原生质)，对另一部分有机物则进行分解代谢，即氧化分解以获得合成新细胞所需要的能量，并终形成CO2和H2O等稳定物质。

3）、絮凝体的形成与凝聚沉降

如果形成菌体的有机物不从污水中分离出去，这样的净化不能算结束。为了使菌体从水中分离出来，现多采用重力沉降法。如果每个菌体都处于松散状态，由于其大小与胶体颗粒大体相同，它们将保持稳定悬浮状态，沉降分离是不可能的。为此，必须使菌体凝聚成为易于沉降的絮凝体。絮凝体的形成是通过丝状细菌来实现的。

3 、活性污泥法的分类

按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式，活性污泥法可分为推流式（plug flow reactor）和*混合式(compley mixed reactor)两大类。推流式活性污泥曝气池有若干个狭长的流槽，废水从一端进入，在曝气的作用下，以螺旋方式推进，流经整个曝气池，至池的另一端流出，随着水流的过程，污染物被降解。此类曝气池又可分为平行水流(并联)式和转折水流(串联)式两种。

（1）、推流式活性污泥法的特点：

（a）废水中污染物浓度自池首至池尾是逐渐下降的，由于在曝气池内存在这种浓度梯度，废水降解反应的推动力较大，效率较高；示意

（b）推流式曝气池可采用多种运行方式；

（c）曝气池可以做的比较大，不易产生短路，适合于处理量比较大的情况；示意

（d）氧的利用率不均匀，入流端利用率高，出流端利用率低，会出现池尾供气过量的现象，增加动力费用。示意

（2）、*混合式活性污泥法：

*混合式曝气池，是废水进入曝气池后在搅拌的作用下迅速与池中原有的混合液充分混合，因此混合液的组成、微生物群的量和质是*均匀一致的。

这意味着曝气池中所有部位的生物反应都是同样的，氧吸收率都是相同的。

*混合式活性污泥法的特点：

（a）抗冲击负荷的能力强，池内混合液能对废水起稀释作用。示意

（b）由于全池需氧要求相同，能节省动力；

（c）有时曝气池和沉淀池可合建，不需要单独设置污泥回流系统，便于运行管理；

（d）连续进水、出水可能造成短路，易引起污泥膨胀。示意

（e）池子体积不能太大，因此一般用于处理量比较小的情况，比较适宜处理高浓度的有机废水。

接供氧方式，活性污泥可分为鼓风曝气式和机械曝气式两大类。鼓风曝气式是采用空气(或纯氧)作氧源，以气泡形式鼓入废水中。它适合于长方形曝气池，布气设备装在曝气池的一侧或池底。气泡在形成、上升和破坏时向水中传氧并搅动水流。机械曝气式是用专门的曝气机械，剧烈地搅动水面，使空气中的氧溶解于水中。通常，曝气机兼有搅拌和充氧作用，使系统接近*混合型。

4、活性污泥的评价指标

（1）、混合液悬浮固体(mixed liquor suspension solid, MLSS)

混合液是曝气池中污水和活性污泥混合后的混合悬浮液。混合液固体悬浮物数量是指单位体积混合液中干固体的含量，单位为mg/L或g/L，工程上还常用kg/m3，也称混合液污泥浓度（一般用X表示）。它是计量曝气池中活性污泥数量多少的指标。一般活性污泥法中，MLSS浓度一般为2－4g/L。

（2）、混合液挥发性悬浮固体(mixed liquorvolatile suspension solid, MLVSS)

指混合液悬浮固体中的有机物的重量，单位为mg/L、g/L或kg/m³。把混合液悬浮固体在600℃焙烧，能挥发的部分即是挥发性悬浮固体，剩下的部分称为非挥发性悬浮固体。一般在活性污泥法中用MLVSS表示活性污泥中生物的含量。在一般情况下，MLVSS/MLSS的比值较固定，对于生活污水，常在0.75左右。对于工业废水，其比值视水质不同而异。

（3）、污泥沉降比(settling volume, sludge sedimentation ratio, SV)

污泥沉降比是指曝气池混合液在l00mL量筒中，静置沉降30min后，沉降污泥所占的体积与混合液总体积之比的百分数。所以也常称为30 min沉降比。正常的活性污泥在沉降30min后，可以接近它的大密度，故污泥沉降比可以反映曝气池正常运行时的污泥量。可用于控制剩余污泥的排放。它还能及时反映出污泥膨胀等异常情况，便于及早查明原因，采取措施。污泥沉降比测定比较简单，并能说明一定问题，因此它成为评定活性污泥的重要指标。

（4）、污泥体积指数 (sludge volume index, SVI)

污泥体积指数也称污泥容积指数，是指曝气池出口处混合液，经30min静置沉降后，沉降污泥体积中1g干污泥所占的容积的毫升数，单位为mL/g，但一般不标出。它与污泥沉降比有如下关系：SVI=(SV×10)/X 式中：X的单位为g/L，SV以百分数代入。

SVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度(活性)和凝聚、沉降性能。SVl值过低，说明污泥颗粒细小紧密，无机物多，缺乏活性和吸附力；SVI值过高，说明污泥难于沉降分离，并使回流污泥的浓度降低，甚至出现污泥膨胀(sludge bulking)，导致污泥流失等后果。一般认为，处理生活污水时SVI<100时，沉降性能良好；SVI为100-200时，沉降性能一般；SVI>200时，沉降性能不好。一般控制SVI为50－150之间较好。

（5）、活性污泥的生物相

活性污泥中出现的是普通的微生物。主要是细菌、放线菌、真菌、原生动物和少数其他微型动物。在正常情况下，细菌主要以菌胶团形式存在，游离细菌仅出现在未成熟的活性污泥中，也可能出现在废水处理条件变化 (如毒物浓度升高、pH值过高或过低等)，使菌胶团解体时。游离细菌多是活性污泥处于不正常状态的特征。

5、影响活性污泥法处理效果的因素

（1）、污泥负荷

在活性污泥法中，一般将有机物（BOD5）与活性污泥(MLSS)的重量比值(food to biomass,F:M)，称为污泥负荷，一般用N表示。污泥负荷又分为重量负荷和容积负荷。重量负荷(organic loading rate, NS）即单位重量活性污泥在单位时间内所承受的BOD5量，单位为kgBOD5/(kgMLSS·d)。容积负荷（volumetric loading rate, NV）是曝气池单位有效容积在单位时间内所承受的BOD5量，单位为kgBOD5/(m3·d)。

污泥负荷的计算公式：

式中：Q－废水的处理量，m³/d；V－曝气池的有效容积，m³；S₀－进水BOD5浓度，kg/m³；X－活性污泥浓度，kgMLSS/m³ 。

为了表示有机物的去除情况，也采用去除负荷Nr，即单位重量活性污泥在单位时间所去除的有机物重量。

Nr－去除负荷；Se－出水BOD浓度。

污泥负荷的影响：

污泥负荷与废水处理效率、活性污泥特性、污泥生成量、氧的消耗量有很大关系，是设计活性污泥法时的主要参数。温度对污泥负荷的选择也有一定影响。污泥负荷影响活性污泥特性。采用不同的污泥负荷，微生物的营养状态不同，活性污泥絮凝和沉降性也就不同。实践表明，在一定的活性污泥法系统中，污泥的SVI值与污泥负荷之间有复杂的变化关系。SVI与污泥负荷曲线是具有多峰的波形曲线，有三个低SVI的负荷区和两个高SVI的负荷区。如果在运行时负荷波动进入高SVI负荷区，污泥沉降性差，将会出现污泥膨胀。一般在高负荷时应选择在1.5-2.0kgBOD /kgMLSS·d范围内，中负荷时为0.2-0.4kg BOD/kgMLSS·d，低负荷时为0.03－0.05kgBOD/kgMLSS·d

（2）、污泥龄(ts或qc)和水力停留时间（q）

污泥龄（sludge age)是曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的污泥量之比，单位是d。在运行稳定时，曝气池中活性污泥的量保持常数，每日排出的污泥量也就是新增长的污泥量。污泥龄也就是新增长的污泥在曝气池中平均停留时间，或污泥增长一倍平均所需要的时间。污泥龄也称固体平均停留时间或细胞平均停留时间。污泥龄是影响活性污泥处理效果的重要参数。水力停留时间q是指水在处理系统中的停留时间，单位也是d。q＝V/Q，V是曝气池的体积；Q是废水的流量。

（3）、溶解氧(dissolved oxygen,DO)

对于推流式活性污泥法，氧的大需要量出现在污水与污泥开始混合的曝气池首端，常供氧不足。供氧不足会出现厌氧状态，妨碍正常的代谢过程，滋长丝状菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的浓度表示。活性污泥絮凝体的大小不同，所需要的小溶解氧浓度也就不一样。絮凝体越小，与污水的接触面积越大，也越利于对氧的摄取，所需要的溶解氧浓度就小。反之絮凝体大，则所需的溶解氧浓度就大。为了使沉降分离性能良好，较大的絮凝体是所期望的，因此溶解氧浓度以2mg/L左右为宜。

（4）、营养物(nutrients)

在活性污泥系统里，微生物的代谢需要一定比例的营养物，除以BOD表示的碳源外，还需要氮、磷和其他微量元素。生活污水含有微生物所需要的各种元素，但某些工业废水却缺乏氮、磷等重要元素。一般认为对氮、磷的需要应满足以下比例，即BOD:N:P=100:5:1。

（5）、pH值

对于好氧生物处理，pH值一般以6.5－9.0为宜。pH值低于6.5，真菌即开始与细菌竞争，降低到4.5时，真菌将占优势，严重影响沉降分离。pH值超过9.0时，代谢速度受到阻碍。需要指出的是pH值是指混合液而言。对于碱性废水，生化反应可以起缓冲作用。对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起缓冲作用。

（6）、水温(temperature)

在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内，水温上升就会使微生物活动旺盛，就能够提高反应速度。水温上升还有利于混合、搅拌、沉降等物理过程，但不利于氧的转移。对于生化过程，一般认为水温在20－30℃时效果，35℃以上和l0℃以下净化效果即降低。

（7）、有毒物质(toxic materials)

对生物处理有毒害作用的物质很多。毒物大致可分为重金属、H2S等无机物质和氰、酚等有机物质。这些物质对细菌的毒害作用，或是破坏细菌细胞某些必要的生理结构，或是抑制细菌的代谢进程。毒物的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、有无其他毒物及微生物的数量或是否驯化等有很大关系。

（8）、污泥回流比

污泥回流比(ratio of returned sludge)是指回流污泥的流量与曝气池进水流量的比值，一般用百分数表示，符号为R。污泥回流量的大小直接影响曝气池污泥的浓度和二次沉淀池的沉降状况，所以应适当选择，一般在20％－50％之间，有时也高达150％。

6、活性污泥增长规律

活性污泥中的微生物是多菌种的混合群体，其生长繁殖规律比较复杂，但也可用其增长曲线表示一般规律。活性污泥的增长过程可分为对数增长期、减速增长期和内源呼吸期三个阶段。在每个阶段，有机物(BOD)的去除率、去除速率、氧的利用速度及活性污泥特征等都各不相同。活性污泥微生物增长曲线（见课件）

7 、活性污泥法的数学描述

（1）、活性污泥系统生物过程动力学

*混合式活性污泥过程在推导过程中假定有机物的降解仅在曝气池中发生，因此计算qc时，仅考虑曝气池的容积。

（2）、污泥负荷对需氧量的影响

理论上，去除lkgBOD应消耗lkgO₂。由于废水中有机物的存在形式及运转条件不同，需氧量有所不同。废水中胶体和悬浮状态的有机物首先被污泥表面吸附、水解、再吸收和氧化，其降解途径和速度与溶解性BOD不同。当污泥负荷大时，BOD在系统中的停留时间短，一些只被吸附而未经氧化的有机物可能随污泥排出处理系统，使去除单位BOD的需氧量减少。在低负荷情况下，有机物能*氧化，甚至过量自身氧化，因此需氧量单耗大。从需氧量看，高负荷系统比低负荷系统经济。过程总需氧量包括有机物去除(用于分解和合成)的需氧量以及有机体自身氧化需氧量之和。

8、曝气的方法与设备

曝气的作用：供氧；搅拌混合作用，使活性污泥在混合液中保持悬浮状态，与废水充分接触混合。曝气的方法：鼓风曝气；机械爆气

鼓风机械曝气联合

（1）、曝气原理

气液传质过程通常遵循一定的传质扩散理论,目前工程和理论上应用较多的为双膜理论。双膜理论认为，在气-水界面上存在着气膜和液膜，气膜外和液膜外有空气和液体流动，属紊流状态，气膜和液膜间属层流状态，不存在对流。

双膜理论示意图（见课件）

氧传递过程的基本方程如下:

式中：dC/dt－氧的传递速率(氧进入水的速率)，mg/(L·h)；C－液相氧的实际浓度，mg/L；

Cs－氧的饱和浓度，mg/L；KLa－液相总传质系数，1/h。

曝气时推动氧分子通过液膜的动力是水中氧的饱和浓度Cs和实际浓度C的差。Cs决定于空气中氧的分压，所以终起决定作用的推动力是氧分压，而C值由微生物的耗氧速率确定。氧的传递速率同气、液两相的界面面积成正比，由于其面积难于估算，所以把它的影响包括在传质系数内，故KLa叫总传质系数。KLa的倒数单位是时间，可以把它看作是把溶解氧浓度从C增加到Cs所需的时间。

（2）、曝气设备

衡量曝气设备效能的指标有动力效率EP、氧转移效率EA和充氧能力。动力效率EA是指消耗1kWh电能所转移到液体中去的氧量，单位为kg/kWh。氧转移效率也称氧利用率，它是指鼓风曝气转移到液体中的氧占供给氧的百分数：

E_A=(Ro/W)×100％。

其中：W－供氧量，kg/h；Ro－吸氧量，kg/h。

对于鼓风曝气，各种扩散装置在标准状态下的EA值是事先通过脱氧清水的曝气试验测定得出的，一般为5％－15％左右。充氧能力是指叶轮或转刷在单位时间内转移到液体中的氧量kg/h。对曝气设备的要求：良好的曝气设备除应当具有较高的动力效率和氧转移效率外，还应尽可能满足下列要求：（a）搅拌均匀；（b）构造简单；（c）能耗少；（d）价格低；（e）性能稳定，故障少；（f）不产生噪音及其它公害；（g）对某些工业废水耐腐蚀性强。

1）鼓风曝气

鼓风曝气是传统的曝气方法，它由加压设备、扩散装置和管道系统三部分组成。加压设备一般采用回转式鼓风机，也有采用离心式鼓风机的，为了净化空气，其进气管上常装设空气过滤器，在寒冷地区，还常在进气管前设空气预热器。

扩散装置的分类：小气泡扩散装置：扩散板、扩散管或扩散盘属小气泡扩散装置；中气泡扩散装置：穿孔管属中气泡扩散装置；大气泡扩散装置：竖管曝气属大气泡扩散装置；水力剪切扩散装置：倒盆式、撞击式和射流式属水力剪切扩散装置，机械剪切扩散装置：涡轮式属机械剪切扩散装置。

a）扩散板、扩散管、扩散盘

扩散板是用多孔性材料制成的薄板，有陶土制、塑料制或其他材料制成的，其形状可做成方形或长方形，方形扩散板尺寸通常为300×300×（25－40)mm，扩散板安装在池底一侧的预留槽上，空气由竖管进入槽内，然后通过扩散板进入混合液。扩散板的通气率一般为l－1.5m3/m2·min，氧利用率约10％，充氧动力效率约为2kgO2/kWh。缺点是板的孔隙小、空气通过时压力损失大、容易堵塞。

扩散板及其安装方式：

扩散管是由陶质多孔管组成，其内径44－75mm，壁厚6－14mm，长60Omm，每l0根为一组，通气率为12－15m3/根·h。目前用软管代替陶质多孔管。

b)穿孔管曝气器及布置方式

c)竖管

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，竖管直径在l5mm以上，离池底150mm左右。竖管属于大气泡扩散器，由于大气泡在上升时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

d）水力剪切扩散装置

2)机械曝气

机械曝气设备的式样较多，大致可归纳为叶轮和转刷两大类。曝气叶轮有安装在池中与鼓风曝气联合使用的，也有安装在池面的，后者称“表面曝气”。表面曝气具有构造简单，动力消耗小，运行管理方便，氧吸收率高的优点，故应用较多。常用的表面曝气叶轮有泵型，倒伞型和平板型。

曝气器的选择原则：

对于较小的曝气池，采用机械曝气器能减少动力费用，并省去鼓风曝气所需的管道系统和鼓风机等设备，维护管理也比较方便。这类曝气器的缺点是，转速高，其动力消耗随曝气池的增大而迅速增大，所以曝气池不能太大。这种曝气器需要较大的表面积，因此曝气池的深度也受到限制。还有，如果曝气池中产生泡沫，将严重降低充氧能力。鼓风曝气供应空气的伸缩性较大，曝气效果也较好，一般用于较大的曝气池。鼓风曝气的缺点是需要鼓风机和管道系统。曝气头易堵塞。

3 、曝气池的类型与构造

从混合液流型可分为推流式、*混合式和循环混合式三种；

从平面形状可分为长方廊道形、圆形或方形、环形跑道形三种；

从采用的曝气方法可分为鼓风曝气式、机械曝气式以及两者联合使用的联合式三种；

从曝气池与二次沉淀池的关系可分为分建式和合建式两种。

（1）、推流式曝气池

推流式曝气池为长方廊道形池子，常采用鼓风曝气，扩散装置排放在池子的一侧。这样布置可使水流在池中呈螺旋状前进，增加气泡和水的接触时间。曝气池的数目随污水厂大小和流量而定，在结构上可以分成若干单元，每个单元包括几个池子，每个池子常由一至四个折流的廊道组成。推流式曝气池结构示意图（见课件）曝气池的池长可达100m。为了防止短流，廊道长度和宽度之比应大于5，甚至大于10。为了使水流更好的旋转前进，宽深比不大于2，常在1.5－2之间。池深常在3－5m。曝气池进水口一般淹没在水面以下，以免污水进入曝气池后沿水面扩散，造成短流，影响处理效果。曝气池出水设备可用溢流堰或出水孔。通过出水孔的水流流速一般较小(0.1－0.2m/s)，以免污泥受到破坏。

（2）、*混合式曝气池

*混合式曝气池常采用叶轮供氧，多以圆形、方形或多边形池子作单元，主要是因为需要和叶轮所能作用的范围相适应。

改变叶轮的直径可以适应不同直径(边长)、不同深度的池子需要。长方形曝气池可以分成一系列相互衔接的方形单元，每个单元设置一个叶轮。

使用*混合式曝气池时，为了节约占地面积，常常是把曝气池和沉淀池合建。

（3）、循环混合式曝气池

循环混合式曝气池多采用转刷供氧，其平面形状如环形跑道，如下图所示。循环混合式曝气池也称氧化渠或氧化沟（oxidation ditch)，是一种简易的活性污泥系统，属于延时曝气法。

氧化沟的平面图像跑道一样，转刷设置在氧化渠的直段上，转刷旋转时混合液在池内循环流动，流速保持在0.3m/s以上，使活性污泥呈悬浮状态。氧化渠的流型为环状循环混合式，污水从环的一端进入，从另一端流出。一般混合液的环流量为进水量的数百倍以上，接近于*混合，具备*混合曝气池的若干特点。

氧化沟的特点：

（a）简化了预处理，氧化沟水力停留时间和污泥龄比一般生物处理法长，悬浮有机物可与溶解性有机物同时得到较*的去除，排出的剩余污泥已得到高度稳定，因此氧化沟可以不设初次沉淀池，污泥也不需要进行厌氧消化；

（b）占地面积少，因在流程中省略了初次沉淀池、污泥消化池，有时还可省略二次沉淀池和污泥回流装置，使污水厂总占地面积不仅没有增大，相反还可缩小；

（c）从溶解氧的分布看，氧化沟具有推流特性，溶解氧浓度在沿池长方向形成浓度梯度，形成好氧、缺氧和厌氧条件。通过对系统合理的设计与控制，可以取得的除磷脱氮效果。

另外，氧化沟的曝气方式也不限于转刷一种，也可以用其它方法曝气。氧化沟的构造形式也是多种多样的，根据不同的目的可以设计多种形式的氧化沟。氧化沟技术是近年来发展较快的生物水处理技术。