水污染控制工程（下）
第四章、污水的生物处理
教学要求
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。 3、理解活性污泥反应动力学基础及其应用。 4、掌握活性污泥的工艺技术或运行方式； 5、掌握曝气理论。 6、熟练掌握活性污泥系统的计算与设计； 时间安排 20h（其中机动2h）
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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。
• 思考题：后生动物的出现反映了处理水质较好，因此能否说 明出水氨氮较低，氨氮在生物处理过程中被硝化？
③微生物增殖与活性污泥的增长：
a、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，即停滞期（适应期），对数期， 静止期（也减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。
③泥龄（Sludge age）Qc：生物固体平均停留时间或活性污泥在 曝气池的平均停留时间，即曝气池内活性污泥总量与每日排 放污泥量之比，用公式表示：θc＝VX/⊿X＝VX/QwXr 。式中： ⊿X为曝气池内每日增长的活性污泥量，即要排放的活性污泥 量。
Qw为排放的剩余污泥体积。 Xr为剩余污泥浓度。其与SVI的关系为(Xr) max＝106 /SVI • Qc是活性污混处理系统设计、运行的重要参数，在理论上也 具重要意义。因为不同泥龄代表不同微生物的组成，泥龄越 长，微生物世代长，则微生物增殖慢，但其个体大；反之， 增长速度快，个体小，出水水质相对差。 Qc长短与工艺组合 密切相关，不同的工艺微生物的组合、比例、个体特征有所 不同。污水处理就是通过控制泥龄或排泥，优选或驯化微生 物的组合，实现污染物的降解和转化。
• 思考题：为什么说是吸附？
其吸附速度取决于 ：
• ①微生物的活性程度——饥饿程度，衰亡期最强； ②水动力学条件：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。
2）微生物的代射
• 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，并在酶的作用下要不被降解， 要不被同化成细胞本身。
e、有毒物质：重金属、酚、氰等对微生物有抑制作用，（前面 已述）。 Na、Al盐，氨等含量超过一定浓度也会有抑制作 用。
2、活性污泥处理系统的控制指标与设计，运行操作参数
活性污泥处理系统是一个人工强化与控制的系统，其必须控 制进水水量，水质，维持池内活性污泥泥量稳定，保持足够 的DO，并充分混合与传质，以维持其稳定运行，具体评价指 标如下：
b、理论推导（由试验配水研究）
由于细胞合成与内源代谢同步进行，单位曝气池内活性污泥
净增殖速度为：
(dx/dt)
＝
g
(dx/dt)s
－
(dx/dt)e
式中 (dx/dt)g为净增殖速度；
(dx/dt)s为合成速度；
(dx/dt)e为微生物内源代谢速度。
其中： (dx/dt)s ＝Y (dx/dt) u Y为产率系数，每代谢1kgBOD合成的MLVSS量。
a.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NH+4或正磷 酸盐、大分子变成小分子，同时去除部分有机物。 b.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。 c.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。
2、活性污泥的特征与微生物
①特征
a、形态：在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈 “絮状”。
b、颜色：正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程 度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。
c、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，pH值约 6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要为有机 物，约占75～85%。
• 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）。
b、从时间上看：
• 停带期：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）。
• 思考题
能否通过增加污泥浓度，减少构筑物的体积，节省投资？
⑤污泥产率：
a、实际测试：污水中有机污染物的降解带来微生物的增殖与活 性污泥的增长，活性污泥微生物的增殖是生物合成与内源呼 吸的差值，即⊿ X=aSa—bX。 式中⊿X：活性污泥微生物净增殖量，kg/d；
Sr：在活性污泥微生物作用下，污水中被降解、去除的 有机污染物量，Sr＝Sa－Se；
一、活性污泥法的基本原理
1. 基本概念与流程 • 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：人工强化下微生物的新陈代谢(包括分解和合成)，
• 活性污泥法的工艺流程：(p123图4－16）
3、活性污泥反应（净化）机理：
• 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，是物理、化学、生物化学作用的综合，其 机理如下：
1）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。
• 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？
二、活性污泥净化反应影响因素与主要设
计、运行参数
1、影响因素
a、营养物 组分：有机物、N、P、以及Na、K、Ca、Mg、Fe、 Co、Ni等（营养物和污染物只是以数量及其比例相对而言）。 比例：进水BOD：N：P＝100:5:1；初次池出水，100:20:2.5 (为什么？）；对工业废水，上述营养比例一般不满足，甚至 缺乏某些微量元素，此时需补充相应组分，尤其是在做小试 研究中。
d、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）。
e、组成：由微生物群体Ma，微生物残体Me，难降 解有机物Mi，无机物Mii四部分组成。
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。
(dx/dt)
为微生物对有机物的降解速度。
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其中：(dx/dt)e ＝ Kd Xv
Kd微生物自身氧化率d-1，并称衰减系数；
①微生物量的指标
a、混合液悬浮固体浓度（MLSS），其由Ma+Me+Mi+Mii组成
b、混合液挥发固体浓度（MLVSS） MLVSS=Ma+Me+Mi
c、MLVSS/MLSS在0.70左右，过高过低能反映其好氧程度，但 不同工艺有所差异。如吸附再生工艺0.7～0.75，而A/O工艺 0.67～0.70。
Sa：进入曝气池污水含有的有机污染物量，kgBOD/d。 Se：经活性污泥处理后出水的有机污染物量，kgBOD/d。
X：混合液活性污泥量，kg。
a、污泥产率（降解单位有机污染物的污染量）。
b、微生物内源代谢的自力氧化率。
• 对于不同污水、废水，因有机污染物组成不同，其a、b值不 同（见P110-111表4-5、4-6） 。
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。
C、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。
④絮体形成：
• 活性污泥的核心——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 动活性大于范性华力，菌体不能结合；但到了衰亡期，动能 低微，范过华力大，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。
b、DO：据研究当DO高于0.1～0.3mg/L时，单个悬浮细菌的好 氧化谢不受DO影响，但对成千上万个细菌粘结而成的絮体， 要使其内部DO达到0.1～0.3mg/L时，其混合液中DO浓度应保 持不低于2mg/L。
c、pH值：pH值在6.5～7.5最适宜，经驯化后，以6.5~8.5为宜。
d、t（水温）：以20-30℃为宜，超过35℃或低于10℃时，处理 效果下降。故宜控制在15℃~35℃，对北方温度低，应考虑将 曝气池建于室内。