1、廢水的生物處理方法簡介

廢水的生物處理方法是利用生物的新陳代謝作用，對廢水中的污染物質進行轉化和穩定、使之無害化的處理方法。對污染物進行轉化和穩定的主體是微生物。由于微生物具有來源廣、易培養、繁殖快、對環境適應性強、易變異等特性，因此在使用上能較容易地采集菌種進行培養增殖，并在特定條件下進行馴化使之適應有毒工業廢水的水質條件。微生物的生存條件溫和，新陳代謝過程中不需高溫高壓，它是不需投加催化劑的催化反應，用生化法促使污染物的轉化過程與一般化學法相比*得多。處理廢水的費用低廉，運行管理較方便，所以生化處理是廢水處理系統中重要的過程，目前，這種方法已廣泛用作生活污水及工業有機廢水的二級處理。                                          

2、活性污泥法的基本原理

（1）、基本流程

向生活污水注入空氣進行曝氣，并持續一段時間以后，污水中即生成一種絮凝體。這種絮凝體主要是由大量繁殖的微生物群體所構成，它有巨大的表面積和很強的吸附性能，稱為活性污泥(activated sludge)。

（2）、活性污泥的組成

活性污泥組成：活性的微生物，微生物自身氧化的殘留物，吸附在活性污泥上不能被生物降解的有機物和無機物組成。其中微生物是活性污泥的主要組成部分。活性污泥中的微生物又是由細菌、真菌、原生動物、后生動物等多種微生物群體相結合所組成的一個生態系。

活性污泥通常為黃褐色絮狀顆粒，其直徑一般為0.02－2mm，含水率一般為99.2－99.8％，密度因含水率不同而異，一般為1.002－1.006g/cm3。細菌是活性污泥組成和凈化功能的中心，是微生物的主要部分。污水中有機物的性質決定那些種屬的細菌占優勢。例如：含蛋白質的污水有利于產堿桿菌屬和芽孢桿菌屬，而醣類污水或烴類污水則有利于假單孢菌屬。在一定的能量水平(即細菌的活動能力)下，細菌構成了活性污泥的絮凝體的大部分，并形成菌膠團，具有良好的自身凝聚和沉降性能。在活性污泥中，除細菌外還出現原生動物，是細菌的捕食者，繼之出現后生動物，是細菌的第二次捕食者。

（3）、凈化過程與機理

1）、初期去除與吸附作用

在很多活性污泥系統里，當污水與活性污泥接觸后很短的時間（10－45 min)內就出現了很高的有機物(BOD)去除率。這種初期高速去除現象是吸附作用所引起的。由于污泥表面積很大(可達2000－10000m2/m3混合液)，且表面具有多糖類粘質層，因此，污水中懸浮的和膠體的物質是被絮凝和吸附去除的。

2）、微生物的代謝作用

             活性污泥中的微生物以污水中各種有機物作為營養，在有氧的條件下，將其中一部分有機物合成新的細胞物質(原生質)，對另一部分有機物則進行分解代謝，即氧化分解以獲得合成新細胞所需要的能量，并終形成CO2和H2O等穩定物質。

3）、絮凝體的形成與凝聚沉降

如果形成菌體的有機物不從污水中分離出去，這樣的凈化不能算結束。為了使菌體從水中分離出來，現多采用重力沉降法。如果每個菌體都處于松散狀態，由于其大小與膠體顆粒大體相同，它們將保持穩定懸浮狀態，沉降分離是不可能的。為此，必須使菌體凝聚成為易于沉降的絮凝體。絮凝體的形成是通過絲狀細菌來實現的。

3 、活性污泥法的分類

按廢水和回流污泥的進入方式及其在曝氣池中的混合方式，活性污泥法可分為推流式（plug flow reactor）和*混合式(compley mixed reactor)兩大類。推流式活性污泥曝氣池有若干個狹長的流槽，廢水從一端進入，在曝氣的作用下，以螺旋方式推進，流經整個曝氣池，至池的另一端流出，隨著水流的過程，污染物被降解。此類曝氣池又可分為平行水流(并聯)式和轉折水流(串聯)式兩種。

（1）、推流式活性污泥法的特點：

（a）廢水中污染物濃度自池首至池尾是逐漸下降的，由于在曝氣池內存在這種濃度梯度，廢水降解反應的推動力較大，效率較高；示意

（b）推流式曝氣池可采用多種運行方式；

（c）曝氣池可以做的比較大，不易產生短路，適合于處理量比較大的情況；示意

（d）氧的利用率不均勻，入流端利用率高，出流端利用率低，會出現池尾供氣過量的現象，增加動力費用。示意

（2）、*混合式活性污泥法：

*混合式曝氣池，是廢水進入曝氣池后在攪拌的作用下迅速與池中原有的混合液充分混合，因此混合液的組成、微生物群的量和質是*均勻一致的。

這意味著曝氣池中所有部位的生物反應都是同樣的，氧吸收率都是相同的。

*混合式活性污泥法的特點：

（a）抗沖擊負荷的能力強，池內混合液能對廢水起稀釋作用。示意

（b）由于全池需氧要求相同，能節省動力；

（c）有時曝氣池和沉淀池可合建，不需要單獨設置污泥回流系統，便于運行管理；

（d）連續進水、出水可能造成短路，易引起污泥膨脹。示意

（e）池子體積不能太大，因此一般用于處理量比較小的情況，比較適宜處理高濃度的有機廢水。

接供氧方式，活性污泥可分為鼓風曝氣式和機械曝氣式兩大類。鼓風曝氣式是采用空氣(或純氧)作氧源，以氣泡形式鼓入廢水中。它適合于長方形曝氣池，布氣設備裝在曝氣池的一側或池底。氣泡在形成、上升和破壞時向水中傳氧并攪動水流。機械曝氣式是用專門的曝氣機械，劇烈地攪動水面，使空氣中的氧溶解于水中。通常，曝氣機兼有攪拌和充氧作用，使系統接近*混合型。

4、活性污泥的評價指標

（1）、混合液懸浮固體(mixed liquor suspension solid, MLSS)

混合液是曝氣池中污水和活性污泥混合后的混合懸浮液。混合液固體懸浮物數量是指單位體積混合液中干固體的含量，單位為mg/L或g/L，工程上還常用kg/m3，也稱混合液污泥濃度（一般用X表示）。它是計量曝氣池中活性污泥數量多少的指標。一般活性污泥法中，MLSS濃度一般為2－4g/L。

（2）、混合液揮發性懸浮固體(mixed liquorvolatile suspension solid, MLVSS)

指混合液懸浮固體中的有機物的重量，單位為mg/L、g/L或kg/m³。把混合液懸浮固體在600℃焙燒，能揮發的部分即是揮發性懸浮固體，剩下的部分稱為非揮發性懸浮固體。一般在活性污泥法中用MLVSS表示活性污泥中生物的含量。在一般情況下，MLVSS/MLSS的比值較固定，對于生活污水，常在0.75左右。對于工業廢水，其比值視水質不同而異。

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

污泥沉降比是指曝氣池混合液在l00mL量筒中，靜置沉降30min后，沉降污泥所占的體積與混合液總體積之比的百分數。所以也常稱為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氣池正常運行時的污泥量。可用于控制剩余污泥的排放。它還能及時反映出污泥膨脹等異常情況，便于及早查明原因，采取措施。污泥沉降比測定比較簡單，并能說明一定問題，因此它成為評定活性污泥的重要指標。

（4）、污泥體積指數 (sludge volume index, SVI)

污泥體積指數也稱污泥容積指數，是指曝氣池出口處混合液，經30min靜置沉降后，沉降污泥體積中1g干污泥所占的容積的毫升數，單位為mL/g，但一般不標出。它與污泥沉降比有如下關系：SVI=(SV×10)/X 式中：X的單位為g/L，SV以百分數代入。

SVI值能較好地反映出活性污泥的松散程度(活性)和凝聚、沉降性能。SVl值過低，說明污泥顆粒細小緊密，無機物多，缺乏活性和吸附力；SVI值過高，說明污泥難于沉降分離，并使回流污泥的濃度降低，甚至出現污泥膨脹(sludge bulking)，導致污泥流失等后果。一般認為，處理生活污水時SVI<100時，沉降性能良好；SVI為100-200時，沉降性能一般；SVI>200時，沉降性能不好。一般控制SVI為50－150之間較好。

（5）、活性污泥的生物相

活性污泥中出現的是普通的微生物。主要是細菌、放線菌、真菌、原生動物和少數其他微型動物。在正常情況下，細菌主要以菌膠團形式存在，游離細菌僅出現在未成熟的活性污泥中，也可能出現在廢水處理條件變化 (如毒物濃度升高、pH值過高或過低等)，使菌膠團解體時。游離細菌多是活性污泥處于不正常狀態的特征。

5、影響活性污泥法處理效果的因素

（1）、污泥負荷

在活性污泥法中，一般將有機物（BOD5）與活性污泥(MLSS)的重量比值(food to biomass,F:M)，稱為污泥負荷，一般用N表示。污泥負荷又分為重量負荷和容積負荷。重量負荷(organic loading rate, NS）即單位重量活性污泥在單位時間內所承受的BOD5量，單位為kgBOD5/(kgMLSS·d)。容積負荷（volumetric loading rate, NV）是曝氣池單位有效容積在單位時間內所承受的BOD5量，單位為kgBOD5/(m3·d)。

污泥負荷的計算公式：

式中：Q－廢水的處理量，m³/d；V－曝氣池的有效容積，m³；S₀－進水BOD5濃度，kg/m³；X－活性污泥濃度，kgMLSS/m³ 。

為了表示有機物的去除情況，也采用去除負荷Nr，即單位重量活性污泥在單位時間所去除的有機物重量。

Nr－去除負荷；Se－出水BOD濃度。

污泥負荷的影響：

污泥負荷與廢水處理效率、活性污泥特性、污泥生成量、氧的消耗量有很大關系，是設計活性污泥法時的主要參數。溫度對污泥負荷的選擇也有一定影響。污泥負荷影響活性污泥特性。采用不同的污泥負荷，微生物的營養狀態不同，活性污泥絮凝和沉降性也就不同。實踐表明，在一定的活性污泥法系統中，污泥的SVI值與污泥負荷之間有復雜的變化關系。SVI與污泥負荷曲線是具有多峰的波形曲線，有三個低SVI的負荷區和兩個高SVI的負荷區。如果在運行時負荷波動進入高SVI負荷區，污泥沉降性差，將會出現污泥膨脹。一般在高負荷時應選擇在1.5-2.0kgBOD /kgMLSS·d范圍內，中負荷時為0.2-0.4kg BOD/kgMLSS·d，低負荷時為0.03－0.05kgBOD/kgMLSS·d

（2）、污泥齡(ts或qc)和水力停留時間（q）

污泥齡（sludge age)是曝氣池中工作著的活性污泥總量與每日排放的污泥量之比，單位是d。在運行穩定時，曝氣池中活性污泥的量保持常數，每日排出的污泥量也就是新增長的污泥量。污泥齡也就是新增長的污泥在曝氣池中平均停留時間，或污泥增長一倍平均所需要的時間。污泥齡也稱固體平均停留時間或細胞平均停留時間。污泥齡是影響活性污泥處理效果的重要參數。水力停留時間q是指水在處理系統中的停留時間，單位也是d。q＝V/Q，V是曝氣池的體積；Q是廢水的流量。

（3）、溶解氧(dissolved oxygen,DO)

對于推流式活性污泥法，氧的大需要量出現在污水與污泥開始混合的曝氣池首端，常供氧不足。供氧不足會出現厭氧狀態，妨礙正常的代謝過程，滋長絲狀菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的濃度表示。活性污泥絮凝體的大小不同，所需要的小溶解氧濃度也就不一樣。絮凝體越小，與污水的接觸面積越大，也越利于對氧的攝取，所需要的溶解氧濃度就小。反之絮凝體大，則所需的溶解氧濃度就大。為了使沉降分離性能良好，較大的絮凝體是所期望的，因此溶解氧濃度以2mg/L左右為宜。

（4）、營養物(nutrients)

在活性污泥系統里，微生物的代謝需要一定比例的營養物，除以BOD表示的碳源外，還需要氮、磷和其他微量元素。生活污水含有微生物所需要的各種元素，但某些工業廢水卻缺乏氮、磷等重要元素。一般認為對氮、磷的需要應滿足以下比例，即BOD:N:P=100:5:1。

（5）、pH值

對于好氧生物處理，pH值一般以6.5－9.0為宜。pH值低于6.5，真菌即開始與細菌競爭，降低到4.5時，真菌將占優勢，嚴重影響沉降分離。pH值超過9.0時，代謝速度受到阻礙。需要指出的是pH值是指混合液而言。對于堿性廢水，生化反應可以起緩沖作用。對于以有機酸為主的酸性廢水，生化反應也可以起緩沖作用。

（6）、水溫(temperature)

在微生物酶系統不受變性影響的溫度范圍內，水溫上升就會使微生物活動旺盛，就能夠提高反應速度。水溫上升還有利于混合、攪拌、沉降等物理過程，但不利于氧的轉移。對于生化過程，一般認為水溫在20－30℃時效果，35℃以上和l0℃以下凈化效果即降低。

（7）、有毒物質(toxic materials)

對生物處理有毒害作用的物質很多。毒物大致可分為重金屬、H2S等無機物質和氰、酚等有機物質。這些物質對細菌的毒害作用，或是破壞細菌細胞某些必要的生理結構，或是抑制細菌的代謝進程。毒物的毒害作用還與pH值、水溫、溶解氧、有無其他毒物及微生物的數量或是否馴化等有很大關系。

（8）、污泥回流比

污泥回流比(ratio of returned sludge)是指回流污泥的流量與曝氣池進水流量的比值，一般用百分數表示，符號為R。污泥回流量的大小直接影響曝氣池污泥的濃度和二次沉淀池的沉降狀況，所以應適當選擇，一般在20％－50％之間，有時也高達150％。

6、活性污泥增長規律

活性污泥中的微生物是多菌種的混合群體，其生長繁殖規律比較復雜，但也可用其增長曲線表示一般規律。活性污泥的增長過程可分為對數增長期、減速增長期和內源呼吸期三個階段。在每個階段，有機物(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。活性污泥微生物增長曲線（見課件）

7 、活性污泥法的數學描述

（1）、活性污泥系統生物過程動力學

*混合式活性污泥過程在推導過程中假定有機物的降解僅在曝氣池中發生，因此計算qc時，僅考慮曝氣池的容積。

（2）、污泥負荷對需氧量的影響

理論上，去除lkgBOD應消耗lkgO₂。由于廢水中有機物的存在形式及運轉條件不同，需氧量有所不同。廢水中膠體和懸浮狀態的有機物首先被污泥表面吸附、水解、再吸收和氧化，其降解途徑和速度與溶解性BOD不同。當污泥負荷大時，BOD在系統中的停留時間短，一些只被吸附而未經氧化的有機物可能隨污泥排出處理系統，使去除單位BOD的需氧量減少。在低負荷情況下，有機物能*氧化，甚至過量自身氧化，因此需氧量單耗大。從需氧量看，高負荷系統比低負荷系統經濟。過程總需氧量包括有機物去除(用于分解和合成)的需氧量以及有機體自身氧化需氧量之和。

8、曝氣的方法與設備

曝氣的作用：供氧；攪拌混合作用，使活性污泥在混合液中保持懸浮狀態，與廢水充分接觸混合。曝氣的方法：鼓風曝氣；機械爆氣

鼓風機械曝氣聯合

（1）、曝氣原理

氣液傳質過程通常遵循一定的傳質擴散理論,目前工程和理論上應用較多的為雙膜理論。雙膜理論認為，在氣-水界面上存在著氣膜和液膜，氣膜外和液膜外有空氣和液體流動，屬紊流狀態，氣膜和液膜間屬層流狀態，不存在對流。

雙膜理論示意圖（見課件）

氧傳遞過程的基本方程如下:

式中：dC/dt－氧的傳遞速率(氧進入水的速率)，mg/(L·h)；C－液相氧的實際濃度，mg/L；

Cs－氧的飽和濃度，mg/L；KLa－液相總傳質系數，1/h。

曝氣時推動氧分子通過液膜的動力是水中氧的飽和濃度Cs和實際濃度C的差。Cs決定于空氣中氧的分壓，所以終起決定作用的推動力是氧分壓，而C值由微生物的耗氧速率確定。氧的傳遞速率同氣、液兩相的界面面積成正比，由于其面積難于估算，所以把它的影響包括在傳質系數內，故KLa叫總傳質系數。KLa的倒數單位是時間，可以把它看作是把溶解氧濃度從C增加到Cs所需的時間。

（2）、曝氣設備

衡量曝氣設備效能的指標有動力效率EP、氧轉移效率EA和充氧能力。動力效率EA是指消耗1kWh電能所轉移到液體中去的氧量，單位為kg/kWh。氧轉移效率也稱氧利用率，它是指鼓風曝氣轉移到液體中的氧占供給氧的百分數：

E_A=(Ro/W)×100％。

其中：W－供氧量，kg/h；Ro－吸氧量，kg/h。

對于鼓風曝氣，各種擴散裝置在標準狀態下的EA值是事先通過脫氧清水的曝氣試驗測定得出的，一般為5％－15％左右。充氧能力是指葉輪或轉刷在單位時間內轉移到液體中的氧量kg/h。對曝氣設備的要求：良好的曝氣設備除應當具有較高的動力效率和氧轉移效率外，還應盡可能滿足下列要求：（a）攪拌均勻；（b）構造簡單；（c）能耗少；（d）價格低；（e）性能穩定，故障少；（f）不產生噪音及其它公害；（g）對某些工業廢水耐腐蝕性強。

1）鼓風曝氣

鼓風曝氣是傳統的曝氣方法，它由加壓設備、擴散裝置和管道系統三部分組成。加壓設備一般采用回轉式鼓風機，也有采用離心式鼓風機的，為了凈化空氣，其進氣管上常裝設空氣過濾器，在寒冷地區，還常在進氣管前設空氣預熱器。

擴散裝置的分類：小氣泡擴散裝置：擴散板、擴散管或擴散盤屬小氣泡擴散裝置；中氣泡擴散裝置：穿孔管屬中氣泡擴散裝置；大氣泡擴散裝置：豎管曝氣屬大氣泡擴散裝置；水力剪切擴散裝置：倒盆式、撞擊式和射流式屬水力剪切擴散裝置，機械剪切擴散裝置：渦輪式屬機械剪切擴散裝置。

a）擴散板、擴散管、擴散盤

擴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，其形狀可做成方形或長方形，方形擴散板尺寸通常為300×300×（25－40)mm，擴散板安裝在池底一側的預留槽上，空氣由豎管進入槽內，然后通過擴散板進入混合液。擴散板的通氣率一般為l－1.5m3/m2·min，氧利用率約10％，充氧動力效率約為2kgO2/kWh。缺點是板的孔隙小、空氣通過時壓力損失大、容易堵塞。

擴散板及其安裝方式：

擴散管是由陶質多孔管組成，其內徑44－75mm，壁厚6－14mm，長60Omm，每l0根為一組，通氣率為12－15m3/根·h。目前用軟管代替陶質多孔管。

b)穿孔管曝氣器及布置方式

c)豎管

豎管曝氣是在曝氣池的一側布置以橫管分支成梳形的豎管，豎管直徑在l5mm以上，離池底150mm左右。豎管屬于大氣泡擴散器，由于大氣泡在上升時形成較強的紊流并能夠劇烈地翻動水面，從而加強了氣泡液膜層的更新和從大氣中吸氧的過程

d）水力剪切擴散裝置

2)機械曝氣

機械曝氣設備的式樣較多，大致可歸納為葉輪和轉刷兩大類。曝氣葉輪有安裝在池中與鼓風曝氣聯合使用的，也有安裝在池面的，后者稱“表面曝氣”。表面曝氣具有構造簡單，動力消耗小，運行管理方便，氧吸收率高的優點，故應用較多。常用的表面曝氣葉輪有泵型，倒傘型和平板型。

曝氣器的選擇原則：

對于較小的曝氣池，采用機械曝氣器能減少動力費用，并省去鼓風曝氣所需的管道系統和鼓風機等設備，維護管理也比較方便。這類曝氣器的缺點是，轉速高，其動力消耗隨曝氣池的增大而迅速增大，所以曝氣池不能太大。這種曝氣器需要較大的表面積，因此曝氣池的深度也受到限制。還有，如果曝氣池中產生泡沫，將嚴重降低充氧能力。鼓風曝氣供應空氣的伸縮性較大，曝氣效果也較好，一般用于較大的曝氣池。鼓風曝氣的缺點是需要鼓風機和管道系統。曝氣頭易堵塞。

3 、曝氣池的類型與構造

從混合液流型可分為推流式、*混合式和循環混合式三種；

從平面形狀可分為長方廊道形、圓形或方形、環形跑道形三種；

從采用的曝氣方法可分為鼓風曝氣式、機械曝氣式以及兩者聯合使用的聯合式三種；

從曝氣池與二次沉淀池的關系可分為分建式和合建式兩種。

（1）、推流式曝氣池

推流式曝氣池為長方廊道形池子，常采用鼓風曝氣，擴散裝置排放在池子的一側。這樣布置可使水流在池中呈螺旋狀前進，增加氣泡和水的接觸時間。曝氣池的數目隨污水廠大小和流量而定，在結構上可以分成若干單元，每個單元包括幾個池子，每個池子常由一至四個折流的廊道組成。推流式曝氣池結構示意圖（見課件）曝氣池的池長可達100m。為了防止短流，廊道長度和寬度之比應大于5，甚至大于10。為了使水流更好的旋轉前進，寬深比不大于2，常在1.5－2之間。池深常在3－5m。曝氣池進水口一般淹沒在水面以下，以免污水進入曝氣池后沿水面擴散，造成短流，影響處理效果。曝氣池出水設備可用溢流堰或出水孔。通過出水孔的水流流速一般較小(0.1－0.2m/s)，以免污泥受到破壞。

（2）、*混合式曝氣池

*混合式曝氣池常采用葉輪供氧，多以圓形、方形或多邊形池子作單元，主要是因為需要和葉輪所能作用的范圍相適應。

改變葉輪的直徑可以適應不同直徑(邊長)、不同深度的池子需要。長方形曝氣池可以分成一系列相互銜接的方形單元，每個單元設置一個葉輪。

使用*混合式曝氣池時，為了節約占地面積，常常是把曝氣池和沉淀池合建。

（3）、循環混合式曝氣池

循環混合式曝氣池多采用轉刷供氧，其平面形狀如環形跑道，如下圖所示。循環混合式曝氣池也稱氧化渠或氧化溝（oxidation ditch)，是一種簡易的活性污泥系統，屬于延時曝氣法。

氧化溝的平面圖像跑道一樣，轉刷設置在氧化渠的直段上，轉刷旋轉時混合液在池內循環流動，流速保持在0.3m/s以上，使活性污泥呈懸浮狀態。氧化渠的流型為環狀循環混合式，污水從環的一端進入，從另一端流出。一般混合液的環流量為進水量的數百倍以上，接近于*混合，具備*混合曝氣池的若干特點。

氧化溝的特點：

（a）簡化了預處理，氧化溝水力停留時間和污泥齡比一般生物處理法長，懸浮有機物可與溶解性有機物同時得到較*的去除，排出的剩余污泥已得到高度穩定，因此氧化溝可以不設初次沉淀池，污泥也不需要進行厭氧消化；

（b）占地面積少，因在流程中省略了初次沉淀池、污泥消化池，有時還可省略二次沉淀池和污泥回流裝置，使污水廠總占地面積不僅沒有增大，相反還可縮小；

（c）從溶解氧的分布看，氧化溝具有推流特性，溶解氧濃度在沿池長方向形成濃度梯度，形成好氧、缺氧和厭氧條件。通過對系統合理的設計與控制，可以取得的除磷脫氮效果。

另外，氧化溝的曝氣方式也不限于轉刷一種，也可以用其它方法曝氣。氧化溝的構造形式也是多種多樣的，根據不同的目的可以設計多種形式的氧化溝。氧化溝技術是近年來發展較快的生物水處理技術。