水污染控制教程第十二章+活性污泥法

水污染控制工程第十二章活性污泥法杨爽化学与环境工程学院目录第一节基本概念第二节活性污泥法的发展第三节活性污泥法数学模型基础第四节气体传递原理和曝气设备第五节去除有机污染物的活性污泥法过程设计第六节脱氮、除磷活性污泥法工艺及其设计第七节活性污泥法系统设计方法的深化第八节二次沉淀池第一节基本概念一、活性污泥由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及吸附的污水中有机性及无机性物质组成的、有一定活力的、具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。活性污泥性质菌胶团：由细菌分泌的多糖类胶状物质将细菌包覆成的粘性团块，使细菌具有抵御外界不利因素的性能。活性污泥中细菌活性污泥中原生动物活性污泥中后生动物累枝虫旋轮虫旋轮虫猪吻轮虫钟虫活性污泥性能指标混合液悬浮固体浓度：MLSS曝气池中单位体积混合液中所含悬浮固体的重量，mg/l或g/lMLSS=Ma+Me+Mi+Mii混合液挥发性悬浮固体浓度：MLVSS单位体积混合液中挥发性悬浮固体的重量，mg/l或g/lMLVSS=Ma+Me+Mi活性污泥法是利用人工驯化培养的微生物群体，在人工强化的环境中呈悬浮状态生长，分解氧化污水中可生物降解的有机物质，从而使污水得到净化的方法。二、活性污泥法的基本流程

初沉池：设在工艺系统首端，用于去除原废水中所含的悬浮物质。二沉池：设在系统末端，将曝气池出水中的活性污泥进行分离、浓缩；回流污泥：主要用来保持曝气池中所需的微生物量，以分解氧化有机物；曝气：既为活性污泥微生物提供呼吸所需的氧气，同时也使活性污泥与废水不断混合、搅拌以防止活性污泥在曝气池中沉淀。

三、活性污泥降解污水中有机物的过程活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程可分为两个阶段。吸附阶段稳定阶段由于活性污泥具有巨大的表面积，而表面上含有多糖类的粘性物质，导致污水中的有机物转移到活性污泥上去。主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所利用第二节活性污泥法的发展一、活性污泥法曝气反应池的基本形式推流式曝气池推流曝气池长宽比一般为5～10；进水方式不限；出水用溢流堰。推流曝气池的池宽和有效水深之比一般为1～2。根据横断面上的水流情况，可分为平流推移式、旋流推流式。平面流态示意出水气泡横断面示意平流推移式态示意图进水进水出水旋流旋流推流式态示意图完全混合曝气池按池形分：圆型、方型、矩型；根据和沉淀池的关系分：分建式、合建式。图15-16

合建式图15-15分建式出水管导流筒出水槽曝气器进水管放空管管剩余污泥排放管沉淀区曝气区曝气区沉淀区污泥回流管进水出水表曝机进水

出水相邻表曝机水流旋转方向相反表曝机进水

出水挡板相邻表曝机之间安置挡板或隔墙封闭环流式反应池进水二沉池回流污泥剩余污泥转刷出水氧化沟活性污泥法序批式反应池1.传统活性污泥法

在推流式的传统曝气池中，混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。实际情况是：前半段氧远远不够，后半段供氧量超过需要。所以出现了：1.渐减曝气2.分布曝气3.完全混合回流污泥剩余污泥曝气池二沉池出水供氧速率需氧速率供、需氧速率传统活性污泥法进水二、活性污泥法的发展和演变2.渐减曝气活性污泥法

渐减曝气活性污泥法回流污泥剩余污泥曝气池二沉池出水进水供氧速率需氧速率供、需氧速率3.多点进水活性污泥法

供、需氧速率曝气池二沉池需氧速率多点进水活性污泥法回流污泥剩余污泥出水进水供氧速率

主要优点是：

1.废水沿池长分成几点进入，改变了传统活性污泥法中有机底物浓度池首高、池尾低沿池长分布不均的情况，使底物浓度沿池长较均匀地分布。改善了供氧速率和需氧速率之间的相互吻合情况有利于降低能耗。

2.废水分成几个小股进入，使可能遇到的突增负荷被分散并减轻冲击程度。即多点进水较单点进水，提高了耐冲击负荷的能力。

3.曝气池中的活性污泥浓度在池首端明显较高，在同样条件下（同样的回流污泥浓度及同样的污泥回流比）曝气池中污泥平均浓度明显高于传统活性污泥法，因此体积负荷较高，适应于较高有机物浓度的废水处理。供氧速率需氧速率供、需氧速率二沉池回流污泥剩余污泥曝气池出水进水完全混合活性污泥法4.完全混和活性污泥法

以矩形曝气池为核心

以圆形曝气池为核心

出水管导流筒出水槽曝气器进水管放空管管剩余污泥排放管沉淀区曝气区

完全混合活性污泥法的主要特点在于：（1）池液里各个部分微生物的种类和数量基本相同，生活环境也基本相同；（2）池液里各个部分的需氧速率基本相同；（3）当入流出现冲击负荷时，大量的池液迅速与进水完全混合，池液的组成变化较小。因为突然增大的负荷可由全部池液所分担，而不是仅仅由回流污泥来承担，故耐冲击负荷能力较大。

曝气池中的MLSS，约为300～500mg/L，曝气时间比较短，约为2～3h，处理效率仅约65％左右，有别于传统的活性污泥法，故常称变型曝气。特点：污泥负荷高、曝气时间短、剩余污泥量大，运行费用较少；适用于出水水质要求较低或者前一级处理的场合。5.高负荷曝气或变型曝气6.延时曝气法延时曝气的特点：污泥负荷特别低，曝气时间很长，达24h甚至更长，MLSS较高，达到3000～6000mg/L；活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸状态，剩余污泥少而稳定，无需消化，可直接排放；占地面积大、曝气量大，且池内活性污泥易产生部分老化现象，可能会影响二沉池出水水质；一般采用完全混合型曝气池；适用于污水量很小的场合，近年来，国内小型污水处理处理系统多有使用。7.氧化沟

在50年代开发的氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式，它的池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，取得曝气和搅拌两个作用。氧化沟沟槽呈环形，槽深一般为1～1.5米，沟中混合液流速约为0.3～0.6m/s，使活性污泥呈悬浮状态。进水二沉池回流污泥剩余污泥转刷出水氧化沟活性污泥法

沟中设有转刷，其作用为:

（1）使进水、回流污泥和沟中原有混合液很好混和；（2）提供氧源；（3）使水流向前运动。特点：耐冲击负荷，运行负荷低，深度处理大；污泥产量较少，且沉降性能好，无臭味，易于处置；布局紧凑，运行管理方便和能耗低。8.吸附再生活性污泥法再生二沉池吸附吸附再生活性污泥法回流污泥剩余污泥出水进水

基本思路：使废水和活性污泥接触达到吸附饱和状态，大部分有机物被吸附在活性污泥的表面时，就进行泥水分离；同时设置再生池，对吸附饱和的回流污泥进行曝气，使有机物在其中得到降解。

工艺特点：（1）仅对吸附饱和的回流污泥进行曝气，曝气池容积及曝气量比普通活性污泥法—般可减少三分之一或更多可以降低系统的基建运行费用。（2）为了更多地吸附废水中的污染物，

回流比比传统法大些。较多的回流污泥进入曝气池，就具有了一定的调节平衡能力和适应负荷的变化。而且也由于有大量污泥在再生池中曝气再生，故一旦当吸附池中污泥遭到破坏，即可迅速由再生池的污泥去替换，而不致影响曝气池继续运转。从上述这些情况来看，吸附再生法相对传统法来说，应变能力或耐冲击负荷的能力要高些。不足：处理效果相对较低；剩余污泥量较多。A级以高负荷或超高负荷运行，B级以低负荷运行，A级曝气池停留时间短，30～60min，B级停留时间2～4h。该系统不设初沉池，A级曝气池是一个开放性的生物系统。A、B两级各自有独立的污泥回流系统，两级的污泥互不相混。处理效果稳定，具有抗冲击负荷，pH值变化的能力。该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。9.AB法A段曝气池B段曝气池进水中间沉淀池B段沉淀池出水A段回流污泥B段回流污泥剩余污泥剩余污泥A段B段10.序批式活性污泥法(SBR)（spacebiological-treatmentreactor)上图为SBR工艺的基本运行模式，其基本操作流程由进水，反应，沉淀，出水和闲置等五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。

进水：指反应器接纳原水，池内水位由最低达到最高，且使进水与池内原有活性污泥混合的过程；反应：指进水结束后对池内混合液进行曝气或搅拌，以达到预期处理效果的过程；沉淀：反应器结束后停止曝气和搅拌进行静置；排水：上清液作为处理出水外排，并排出多余的剩余污泥，沉降的大部分活性污泥作为下一批次处理的回流污泥适用；闲置：自排水期结束到下一批废水进入之前，池内活性污泥在此阶段进行内源呼吸，并可在反硝化细菌的作用下进行反硝化脱氮。SBR工艺与连续流活性污泥工艺相比的优点：①工艺系统组成简单，不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备；②耐冲击负荷，在一般情况下（包括工业污水处理）无需设置调节池；③反应推动力大，易于得到优于连续流系统的出水水质；④运行操作灵活，通过适当调节各单元操作的状态可达到脱氮除磷的效果；⑤污泥沉淀性能好，SVI值较低，能有效地防止丝状菌膨胀；⑥该工艺的各操作阶段及各项运行指标可通过计算机加以控制，便于自控运行，易于维护管理。①容积利用率低；②水头损失大；③出水不连续；④峰值需氧量高；⑤设备利用率低；⑥运行控制复杂；⑦不适用于大水量。SBR工艺的缺点：一般曝气池直径约1－6m，水深约10～20m。深井曝气法深度为50～150m，节省了用地面积。在深井中可利用空气作为动力，促使液流循环。深井曝气法中，活性污泥经受压力变化较大，实践表明这时微生物的活性和代谢能力并无异常变化，但合成和能量分配有一定的变化。深井曝气池内，气液紊流大，液膜更新快，促使KLa值增大，同时气液接触时间增长，溶解氧的饱和度也有深度的增加而增加。当井壁腐蚀或受损时污水可能会通过井壁渗透，污染地下水。11.深层曝气12.浅层曝气1953年派斯维尔Pasveer的研究：氧在10℃静止水中的传递特征，如图所示。特点：气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率最大的。在水的浅层处用大量空气进行曝气，就可以获得较高的氧传递速率。为了使液流保持一定的环流速率，将空气扩散器分布在曝气池相当部分的宽度上，并设一道纵墙，将水池分为两部分，迫使曝气池液体形成环流扩散器的深度放置在水面以下0.6～0.8m范围为宜，可以节省动力费用，动力效率可达1.8-2.6kgO2/kWh。可以用一般的离心鼓风机。浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一般曝气的1/4—1/6左右，约10kPa，故电耗略有下降。曝气池水深一般3－4m，深宽比1.0-1.3，气量比：30－40m3/m3H2O.h浅层池适用于中小型规模的污水厂。由于布气系统进行维修上的困难，没有得到推广利用。浅层曝气

纯氧代替空气，可以提高生物处理的速度，纯氧曝气池的构造见右图。12.纯氧曝气

在密闭的容器中，溶解氧的饱和度可提高，氧溶解的推动力也随着提高，氧传递速率增加了，因而处理效果好，污泥的沉淀性也好。纯氧曝气并没有改变活性污泥或微生物的性质，但使微生物充分发挥了作用。

纯氧曝气的缺点是纯氧发生器容易出现故障，装置复杂，运转管理较麻烦。13.射流曝气活性污泥法

射流曝气活性污泥法混合池回流污泥剩余污泥出水二沉池曝气池射流器泵进水空气

基本思路：采用射流曝气充氧时，射流器喉管处产生的高速湍动水流，可以强化气相组分向液相的传递，显著提高氧的传递效。克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气，然后再进入曝气池，克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题，这个过程称为克劳斯法。消化池上清液中富有氨氮，可以供应大量碳水化合物代谢所需的氮。消化池上清液夹带的消化污泥比重较大，有改善混合液沉淀性能的功效。14.克劳斯（Kraus）法

克劳斯活性污泥法回流污泥剩余污泥出水进水二沉池曝气池消化池消化污泥上清液预曝气池运行方式流态曝气方式BOD5去除率/%特点传统法推流空气扩散或机械曝气85-95适应中等浓度废水，对冲击负荷敏感渐减曝气推流空气扩散85-95空气供应逐渐减小，配合负荷需要多点进水半推流空气扩散85-95适应较广，耐冲击完全混合完全混合空气扩散或机械曝气85-95较高浓度废水，耐冲击吸附再生推流空气扩散或机械曝气80-90适应于高悬浮物废水，容积负荷高短时曝气完全混合空气扩散或机械曝气60-75适用于出水要求不高场合，曝气费用少延时曝气完全混合空气扩散或机械曝气75-95适用于出水要求高场合，污泥量极少氧化沟循环混合机械曝气85-95适用于出水要求高场合，污泥量极少深水曝气空气扩散85-95占地少，氧转移效率高纯氧曝气多段混合纯氧机械混合85-95一般应用于空间较小，有经济氧源地方射流曝气不限射流曝气85-90适应于小型工程克劳斯法推流空气扩散或机械曝气85-95适用于低氮的高强度废水构成活性污泥法的三个要素一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；二是废水中的有机物，它是处理对象，也是微生物的食料；三是溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能发挥氧化分解作用。提供三者接触反应的设备曝气池第四节气体传递原理和曝气设备—、气体传递原理五十年来，已有若干传质理论用来解释气体传递的机理。但最简单和最普遍使用的是lewis和Whitman在1924年提出的双膜理论。气膜液膜溶解氧气泡中氧的转移双膜理论的基本论点：1.气液两相界面附近存在着作层流运动的气膜和液膜，主体流动情况影响着膜的厚度；2.两膜以外的气、液相主体中，流体充分湍动，组分物质浓度均匀，不存在浓度差，也没有任何传质阻力，整个传质过程阻力仅存在于气液两层层流膜；3.气液两相界面上物质浓度相平衡，界面上无阻力。气体传递原理：双膜理论

氧气通过液膜的传递速率为：式中：dm/dt:气体传递速率

Kg:气体扩散系数

A:气体扩散通过的面积

ρso:气体在溶液中的饱和浓度

ρo:气体在溶液中的浓度

而，则有：

对上式积分可得：

二、氧气转移影响因素

（1）污水水质污水中的杂质对氧气的转移以及溶解度有一定影响，所以引入修正系数，则有：

（2）水温水温上升，水的粘度降低，液膜厚度减小，Kla值增高；氧气在水中的溶解度随温度上升而降低。温度对氧气转移有二种相反的影响，但不能相互抵消，总之，低温有利于氧气的转移。（3）氧分压氧分压越高，越有利于氧气的转移。曝气作用1好氧微生物的需氧代谢2兼性微生物酶的好氧合成3混合液的搅拌作用（厌氧、缺氧池另加搅拌器）曝气方式1.鼓风曝气2.机械曝气：纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器3.鼓风+机械曝气系统4.其它：富氧曝气、纯氧曝气鼓风曝气系统空气净化系统鼓风机空气输配管系统浸没于混合液中的扩散器小气泡扩散器中气泡扩散器大气泡扩散器微气泡扩散器空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。鼓风机供应压缩空气。风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。风压要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压。罗茨鼓风机：适用于中小型污水厂，噪声大，必须采取消音、隔音措施；离心式鼓风机：噪声小，效率高，适用于大中型污水厂空气输配管系统负责将空气输送到空气扩散器，要求沿程阻力损失小，曝气设备各点压力均衡，空气干管和支管流速符合设计要求，配备必要的手动阀门和电动调节阀门。扩散器的作用是将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。小气泡扩散器：由微孔材料（陶瓷、砂砾、塑料）制成的扩散板或扩散管，气泡直径小于1.5mm。中气泡扩散器：穿孔管和莎纶管，孔眼直径2-3mm。大气泡扩散器：竖管，气泡直径15mm左右。微气泡扩散器：气泡直径在10μm左右，常用有射流曝气器。机械曝气：表面曝气机

表面曝气机充氧原理：1.曝气设备的提水和输水作用，使曝气池内液体不断循环流动，从而不断更新气液接触面、不断吸氧；2.曝气设备旋转时在周围形成水跃，并把液体抛向空中，剧烈搅动而卷进空气；3.曝气设备高速旋转时，在后侧形成负压区吸入空气。机械曝气：表面曝气机竖式曝气机卧式曝气刷曝气的效率取决于曝气池的池形曝气机的性能泵型倒伞型平板型这类曝气机的转动轴与水面平行，主要用于氧化沟。泵型倒伞型平板型竖式曝气机竖式曝气机卧式曝气刷卧式曝气刷曝气设备性能指标1.氧转移率，单位为mgO2/L·h；EL3.氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的百分比，单位为％。EA2.充氧能力（或动力效率），即每消耗1kW·h动力能传递到水中的氧量（或氧传递速率），单kgO2/kW·h；EP满足混合要求的曝气量满铺的小气泡扩散器：2.2m3/m2.h旋流的大中气泡扩散器：1.2m3/m2.h机械曝气：13m3/W曝气设备性能

应把整个系统作为整体来考虑，包括曝气池、二沉池、曝气设备、回流设备等，甚至包括剩余污泥的处理处置。主要设计内容：1工艺流程选择；2曝气池容积和构筑物尺寸的确定；3二沉池澄清区、污泥区的工艺设计；4供氧系统设计；5污泥回流设备设计主要依据：水质水量资料；生活污水或生活污水为主的城市污水：成熟设计经验；工业废水：试验研究设计参数。第五节去除有机污染物的活性污泥法过程设计工艺流程的选择

流程选择是活性污泥设计中的首要问题，关系到日后运转的稳定可靠、经济和环境效益，必须在详尽调查的基础上进行技术、经济比较，以得到先进合理的流程。需要调查研究和收集的基础资料：1污水的水量水质资料水量关系到处理规模，多种方法分析计算，注意收集率和地下水渗入量。水质决定选用的处理流程和处理程度。2接纳污水的对象资料3.气象水文资料4.污水处理厂厂址资料厂址地形资料；厂址地质资料。5剩余污泥的出路调研一、曝气池容积设计计算——有机物负荷法

活性污泥负荷（污泥负荷）曝气池容积负荷（容积负荷）污泥泥龄法

有机物的降解用一相说来表示，数学模型如下：

-ds/dt=kXS/(K+S)12-1

式中：-ds/dt为有机物降解速度

k为降解常数

K为半饱和常数（又称米—门常数）

S为有机物浓度

X为微生物浓度（工程上为挥发份活性污泥浓度MLVSS）污泥负荷LS

设曝气池起点水团有机物浓度为S’0,水团运动起始时刻为T0,水团运动至曝气池末端的时刻为T’,此时水团有机物浓度为Se,解微分方程12-1，可得：

Kln(S'0/Se)+S'0-Se=kxt

12-2

设曝气池体积为V，曝气时间(又称理论停留时间)为T(天),废水流量为Q(m3/d),有机物(通常以BOD5计,降低要求则亦可用COD计)浓度为S0,污泥回流比(废水水量Q与污泥回流量Qr的比值)为r,根据物料守恒,则有:S'0=(S'0+rSe)/(1+r)12-3根据流体运动规律,又有:T’=T/(1+r)12-4根据活性污泥系统工艺中曝气时间的定义有:T=V/Q12-5将方程12-3、12-4及12-5代入方程12-5得：Kln(S'0/Se)+S'0-Se=kxV/Q/(1+r)12-6可将方程12-6整理成：

(S’0-Se)/ln(S’0/Se)Q(S0-Se)/(VX)=k12-7

K+(S’0-Se)/ln(S’0/Se)

令(S’0-Se)/ln(S’0/Se)为曝气池内有机污染物对数平均浓度S*，令Q(S0-Se)/(VX)为活性污泥系统动力学负荷(简称动力学负荷)LS，方程12-7可整理成:LS=kS*/(K+S*)12-8

方程12-8即为曝气池设计的主要根据，因为除了曝气池体积V待解外，其它参数均可确定。负荷设计法在水处理设计上占有一定的优势，这在一些教科书或设计手册中均能得到体现。但“负荷”一词有些模糊，这里加以区分（见表12-1）。表12-1

活性污泥系统各种负荷的定义、表示方法及各种意义中文名称（字母表示）定义表示方法*表示意义设计指导意义技术经济意义活性污泥负荷（LS

）单位污泥重量单位时间内去除的污染物（BOD）重量LS

=Q(S0-Se)/(VX)活性污泥降解污染物的能力，有无污泥去除负荷（Lq）单位污泥重量单位时间内去除的污染物（BOD）重量Lq=Q(S0-Se)/(VX)活性污泥降解污染物的能力，较弱无污泥承受负荷（Lc）单位污泥重量单位时间内承受的污染物（BOD）重量Lc=QS0/(VX)环境对活性污泥所提供的条件极弱无体积处理负荷（Vq）单位曝气池体积单位时间内去除的污染物（BOD）重量Vq=Q(S0-Se)/V曝气池降解污染物的能力极弱有体积承受负荷（Vc）单位曝气池体积单位时间内承受的污染物（BOD）重量Vc=QS0/V?无无

在活性污泥法曝气系统中，废水中有机物的去除是由活性污泥微生物来完成的。在有机物去除的同时，微生物自身亦在生长、繁殖，反映在曝气系统中，就是活性污泥的增长。在曝气系统运转中，活性污泥增长主要是因为降解废水中的有机物并将其中一部分构成活性污泥本身。二、剩余污泥量计算

活性污泥系统每天去除掉废水中的有机物，每天还要不断排放剩余活性污泥，剩余污泥量ΔX的计算可按下式：

ΔX=aQSr-bVX

12-9

式中，为有机物转化为活性污泥的总转化系数，b为活性污泥衰减系数，其它字母意义同前。式12-9可改写为：

ΔX/VX=aQSr/VX

–b=aLS-b

12-10a,b可通过实验进行回归分析求出。令ΔX/（QSr）为有机物转化为活性污泥的净转化系数（可简称为工程污泥系数）an

，则an可表示为：

an=a-bVX/QSr=a-b/LS12-11

式12-11的意义在于直接简明的表示出工程污泥系数与负荷相关，如要减少污泥的排放，必须降低负荷。

令ΔX/（VX）为活性污泥增长率（简污泥称增长率），则污泥增长率可表示为：

ΔX/（VX）=aLS-b

12-12

从式12-12可看出，污泥负荷低到b/a时，污泥增长率为零，即系统基本上不排剩余污泥。污泥增长率的倒数称作泥龄θ（也称作生物固体平均停留时间），它是活性污泥法工艺中一个非常重要的参数，也是生物脱氮工艺中的一个关键参数。根据式12-12，则有：

θ=1/(aLS-b)12-13

一般说来，活性污泥法工艺的泥龄必须大于微生物的倍增时间（即微生物增加一倍所需的时间），否则该种微生物将从活性污泥系统中消失。对于生活污水或性质相似的工业污水，其a值在一般负荷下可取0.5—0.65，b值约为0.05—0.1。根据污泥产率系数或表观产率系数计算根据污泥龄计算

在活性污泥增长过程中，活性污泥微生物细胞物质的增长和曝气池混合液中溶解氧的消耗，反映了废水中有机物代谢的两个方面。在有机物去除的同时，需要溶解氧氧化这部分有机物，同时微生物自身亦在生长、繁殖、呼吸消耗溶解氧，反映在曝气系统中，就是溶解氧的消耗。因此，在曝气系统运转中，溶解氧的消耗由有机物氧化和微生物呼吸两部分构成。三、溶解氧的消耗

我们称溶解氧的消耗量为需氧量02，需氧量02的计算可按下式：

R0=a’QSr+b’VX

12-14

式中，a’为有机物被氧氧化的净需氧系数，b’为活性污泥耗氧系数(亦称呼吸率)，其它字母意义同前。令R0/（QSr）为有机物被氧氧化的总需氧系数（可简称为工程需氧系数）a’n

，则a’n可表示为：

a’n=a’+b’VX/QSr=a’-b’/LS

12-15

式12-15的意义在于直接简明的表示出工程需氧系数与负荷相关，如要减少需氧量，必须增高负荷。式12-14未考虑氨氮硝化所需的氧量，因此在进行生物脱氮工艺设计时，还要计算氨氮的耗氧量。这种情况下，需氧量计算应调整为：

R0=a’QSr+b’VX+(64/14)(N0-Ne)12-16

式中，N0为废水中氨氮浓度，Ne为出水氨氮浓度，系数64/14为单位质量氨氮的耗氧量。微生物对有机物的氧化分解需氧量

1.城市污水处理厂流量Q=6000m3/d，进水BOD5=200mg/L，出水BOD5=25mg/L，曝气池容积V=1000m3，MLSS=3000mg/L，MLVSS/MLSS=0.78，活性污泥合成系数a=0.4mgMLVSS/mgBOD5，活性污泥内源代谢系数b=0.06d-1，计算该活性污泥系统泥龄θc？

2.某城市污水设计流量Q=10000m3/d，进水BOD5=300mg/L，若用4座完全混合曝气池，去除率90%。求每座曝气池容积和曝气池所需空气量。取Ud=0.5kgBOD5/（kgMLVSS.d），MLSS=4000mg/L，MLVSS/MLSS=0.76，a’=0.6kgO2/kgBOD5，b’=0.11kgO2/（kgMLVSS.d），曝气池氧的利用率为10%，空气密度以1.2kg/m3，空气中氧的含量以23%计算。

3.某较大城市处于北温带，四季分明，冬季较寒冷。拟建一污水处理厂处理该城市新区排放量为100000m3/d的生活污水，已知经调节、初沉后的

BOD5为180mg/L，根据同类型污水处理厂二沉池回流试验得出回流比为0.6时较佳，此时相应的回流污泥浓度为8000mgMLVSS/L，要求出水BOD5≤30mg/L。拟采用渐减曝气活性污泥法工艺，初步决定曝气池廊道有效水深宽深比为1：1，廊道长宽比为3：1，要求计算曝气池负荷、曝气池有效水深、剩余污泥量、泥龄、需氧量。

第六节脱氮、除磷活性污泥法工艺及其设计废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮四种形式存在。生活污水中有机氮约占60%，氨氮约占40%，硝态氮含量极低。氮的去除方法有化学法和生物法，其中化学法主要有吹脱法、折点加氯法、离子交换法。一、生物脱氮工艺1.化学法除氮（1）吹脱法废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：

这一平衡受pH值的影响，pH值为10.5~11.5时，因废水中的氮呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。吹脱过程包括将废水的pH值提高至10.5~11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行。（2）折点加氯法含氨氮的水加氯时，有下列反应：通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。为减少氯的投量，常与生物硝化联用，先硝化再除微量的残留氨氮。(3)离子交换法常用天然的离子交换剂，如沸石等。与合成树脂相比，天然离子交换剂价格便宜且可用石灰再生。2、生物除氮(1)生物脱氮机理

生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为气态氮的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。a.硝化反应：

硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。它包括两个阶段。亚硝化阶段：氨氮在亚硝酸菌作用下转化为亚硝酸盐；硝化阶段：亚硝酸盐在硝酸菌的作用下转化为硝酸盐。反应方程式

亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化细菌，属于专性好氧菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。硝化过程的影响因素温度。适宜温度20-30℃，低于15℃，反应速率下降，5℃几乎完全停止。pH值。硝化产生H+，为促进反应，pH值保持7-8。当pH值降到5-5.5时，硝化菌活性就大大降低，硝化反应几乎停止。溶解氧。硝化过程需氧，在硝化反应的曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L，多数学者建议溶解氧应保持在1.2~2.0mg/l。泥龄。硝化菌是自养菌，其世代周期长（约3天），污泥龄应大于2倍的时代周期长。

反硝化反应是在缺氧（无分子氧）的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原为气态氮(N2、N2O或NO)。b.反硝化反应：反应方程式

反硝化菌大多数都是兼性菌，在存在分子氧时，利用分子氧作为最终电子受体分解有机物；在无分子氧时，则利用NO3-或NO2-中的N5+和N3+作为电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。

反硝化过程的影响因素碳源。当废水中BOD5/TKN＞3～5时，认为碳源充足，勿需另加碳源，当废水中BOD5/TKN＜3～5时，需另加碳源，一般加甲醇。温度：最适宜温度是20-40℃，低于15℃反硝化反应速率最低。pH值。适宜值为6.5～7.5。溶解氧：反硝化菌是兼性菌，反硝化过程在无氧条件下，利用NO3-或NO2-中的氧进行呼吸，另外，反硝化菌体内某些酶系统合成又需要氧分子，所以反硝化反应在缺氧状态下进行，溶解氧不能大，同又不能为零，一般DO＜0.5mg/l。（二）生物脱氮处理工艺a.三段生物脱氮工艺因前两段可合并，逐渐变为两段后置反硝化：b.

Bardenpho生物脱氮工艺设立两个缺氧段，第一段利用原水中的有机物为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应。为进一步提高脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。缺氧段位于系统前面，从曝气池末端回流含有大量硝酸盐的混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮，反硝化反应以原污水中的有机物为碳源，这是目前通称的缺氧-好氧（A/O）反硝化生物脱氮工艺。c.A-O生物脱氮工艺d.同时硝化反硝化过程同时硝化反硝化技术（SND，即SimultaneousNitrificationandDenitrification）即硝化和反硝化反应在同一反应器中、相同操作条件下同时发生。与传统的生物脱氮相比，同步硝化反硝化具有不可比拟的优越性：可减少反应设备的数量和尺寸，节省基建费用；可以降低氧气的供给，节省能耗；减少甚至不需要碳源的投加；中和硝化反硝化的酸碱度，节省运行费用等。一般而论，即使在好氧条件为主的活性污泥系统中，特别是采用点源性曝气装置或曝气不均匀，往往会出现较大范围的局部缺氧环境，此为生物反应器的大环境，即宏观环境。微环境理论认为：由于氧气扩散的限制，在微生物絮体或者生物膜内产生溶解氧梯度，即微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高，以好氧硝化菌及氨化菌为主，深入絮体内部，氧气传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优，从而形成有利于实现同时硝化反硝化的微环境。微生物学理论：通常硝化细菌是自养型好氧微生物，依靠NH4+-N和NO2--N的氧化获得能量生长，需要O2作为呼吸的最终电子受体。近年来，微生物学家已经报导发现了好氧反硝化菌和异养硝化菌，甚至在完全厌氧条件下也会发生硝化反应。已知的好氧反硝化菌有荧光假单胞菌、粪产碱菌、铜绿假单胞菌，这些好氧菌同时也是异养硝化菌，正因为如此，能够直接把氨转化为最终气态产物。磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素。磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡，水质迅速恶化，危害水产资源。污水中的磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等形式溶解于水中。处理方法有化学法和生物法。二、生物除磷工艺（一）化学法除磷通过投加铝盐、铁盐、石灰等化学药剂反应生成不溶的沉淀物。厌氧环境中：兼性菌通过发酵作用将溶解性BOD转化为挥发性脂肪酸VFA，为聚磷菌的释磷提供物质基础。聚磷菌将体内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，同时利用水解产生的能量吸收水中的VFA合成储能物质PHB(聚β羟基丁酸)储存在体内，以维持自身的生存，这就是厌氧释磷。好氧环境中：聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量，用于超量摄取污水中的溶解性磷并合成聚磷酸盐储存于细胞内，这就是好氧吸磷。（二）生物除磷机理影响因素（1）溶解氧厌氧释磷过程必须保持严格的厌氧状态，一方面游离氧将作为最终电子受体而抑制厌氧细菌的释磷，另一方面氧的存在影响了有机物的发酵产酸，减少了释磷所需的脂肪酸VFA的量。在厌氧区中，溶解氧应小于0.2mg/L。在好氧吸磷过程中，要保持充足的溶解氧，以满足聚磷菌充分吸磷的需要。一般好氧区中的溶解氧应控制在2.0mg/L以上。（2）温度一般认为温度在5～30℃范围内，生物除磷系统都能进行除磷，但温度对厌氧释磷和好氧吸磷的影响十分明显。每升高10℃，释磷速率几乎增加一倍；在15～20℃的范围内好氧吸磷的速率达到最大。（3）pH值生物除磷过程适宜的pH值为7～8。在厌氧区中，如果pH值小于5.2，会造成细胞结构和功能的损坏，细胞内聚磷在酸性条件下被水解并快速释放出来，但这种释磷并不能导致随后好氧区的过量吸磷，是无效释磷。一般厌氧区的pH值在6～8范围时释磷都比较稳定。（4）硝态氮厌氧区的聚磷菌主要以脂肪酸VFA为碳源完成聚磷的水解和释放，而VFA是由气单胞菌经发酵水解产生的，如果有硝态氮存在，气单胞菌就不会产酸，聚磷菌所能获得的VFA就减少。此外，气单胞菌会利用硝态氮进行反硝化，消耗水中的碳源有机物，与聚磷菌形成了竞争。这对聚磷菌的厌氧释磷是非常不利的，只有厌氧区的硝态氮浓度应在1.5mg/L以下，厌氧释磷才能正常进行。（5）有机负荷和有机基质类型较高的有机负荷对除磷比较有利，进水中有足够的有机基质提供给聚磷菌合成PHB储存于胞内，对厌氧释磷是很重要的。一般认为，进水中BOD5/TP应大于20，才能获得较好的除磷效果。（6）污泥龄生物除磷主要是通过排除剩余污泥实现的，因此泥龄的长短对除磷效果有直接的影响。一般来说，泥龄越短，排放的污泥量就越多，除磷率就越高。因此除磷系统适宜采用较短的泥龄，一般为3.5～7天。（三）生物除磷处理工艺A/O法是由厌氧池和好氧池组成的同时去除污水中有机污染物及磷的处理系统。1.A/O生物除磷工艺

厌氧-好氧除磷工艺流程除磷池

混合反应池

曝气池

二沉池进水出水回流污泥化学药剂化学污泥剩余污泥2.Phostrip除磷工艺(1)泥龄作为硝化过程的主体，硝化菌的突出特点是繁殖速率慢，世代期长。要在系统内保持较高浓度的硝化菌，就要求在较长的泥龄下运行，一般控制在3～5d以上，甚至15～20d，较长的泥龄可增加系统的硝化能力，并减轻有毒物质的抑制作用；反硝化菌是兼性菌，所需的泥龄主要取决于需要反硝化的硝酸盐与可利用的BOD的比值，泥龄比硝化菌小的多。聚磷菌多为世代期短的微生物，可以在较短的泥龄下正常生长，当温度为22～24℃时，泥龄为3.1d，出水仅为0.4mg/L。此外，生物除磷的唯一渠道是排放剩余污泥，为保证除磷效果，就要求采用短的泥龄来增加排泥量，以取得高的除磷率。泥龄过长会使污泥发生“自溶”现象，即污泥在好氧状态下吸收的磷又重新释放到水中。

脱氮除磷之间的矛盾三、同步脱氮除磷处理技术(2)碳源碳是微生物生长需要量最大的营养元素。碳源主要消耗在释磷、反硝化和异养菌正常代谢等方面。反硝化菌主要利用水中的碳源作为电子供体来还原硝态氮和亚硝态氮。一般认为，当废水中的BOD5/TKN之比在5～8时，可认为废水中的碳源是足够的。聚磷菌主要利用进水中的VFA合成PHB储存在细胞内，以维持厌氧环境中自身的生存。研究表明，要求出水中磷含量＜1.0mg/L，进水中的BOD5/TP应控制在20～30，或者进水中的BOD5/TP值至少要高于15，才能保证聚磷菌足够的基质需求而获得良好的除磷效果。如果水中的碳源不足，释磷和反硝化过程之间必然存在着竞争，脱氮和除磷都受到影响。(3)硝酸盐厌氧释磷区如果存在硝酸盐，由于反硝化速率快于释磷速率，反硝化菌先消耗易降解COD，聚磷菌难以获得充足的有机物，会严重影响聚磷菌的释磷效果。当厌氧区内硝酸盐浓度在1.5mg/L以上时，释磷会受到抑制，影响后续好氧摄磷过程。当进水中易降解COD较少、污泥含磷量又不高时，硝酸盐的存在甚至会导致聚磷菌的直接吸磷。缺氧池沉淀池好氧池回流污泥(60－100%)剩余污泥出水厌氧池内回流(100－300%)进水生物脱氮除磷工艺1.A2/O生物脱氮除磷工艺2.UCT工艺缺氧池沉淀池好氧池回流污泥(50－100%)剩余污泥出水进水厌氧池混合液回流(100－300%)缺氧液回流(100－200%)

MUCT工艺有两个缺氧池，前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮分开，进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能。

进水缺氧池好氧池缺氧池回流污泥(50－100%)剩余污泥出水厌氧池硝化液回流(100－200%)缺氧液回流(100－200%)沉淀池3.MUCT工艺4.改良A2/O工艺进水10%厌氧池好氧池缺氧池回流污泥剩余污泥出水厌氧/缺氧调节池沉淀池进水90%5.倒置A2/O工艺缺氧池沉淀池好氧池厌氧池进水10%出水剩余污泥回流污泥进水90%6.氧化沟工艺进水二沉池回流污泥剩余污泥转刷出水

氧化沟活性污泥法7.SBR工艺第九节活性污泥法处理系统的设计、运行与管理（一）活性污泥的培养与驯化具体步骤：将经过过滤的浓粪便水投入曝气池，再用生活污水或自来水稀释至BOD约200-300mg/L左右后，进行连续曝气。当水温在15—20℃时，一般经过一周左右就会出现模糊的活性污泥的绒絮，在显微镜下可以看到一些菌胶团，而作为生活污水活性污泥所大量具有的钟虫、轮虫等还不易找到。曝气池混合液经30分钟沉淀后，澄清液仍较浑浊。但这样的连续曝气若干天后，需进行换水操作，以补充营养、排泄代谢产物。1.间断操作

当第一次加料曝气进行到出现活性污泥绒絮后，就可停止曝气，使混合液静止沉淀，1-2小时后排放澄清液，其量约占总体积的60-70%，然后往曝气池内投加新的生活污水或粪便水。并接着进行曝气。如果混合液30分钟的沉降比大于30%，则不需再有污泥增长，所以如投加生活污水，就不需添加粪便水，如投加自来水，则可加入少量粪便水，以增加营养。如混合液的沉降比低于30%，则仍须投加较多的粪便水。在每次换水时，从停止曝气、沉淀到重新曝气，总的时间以不超过2小时为宜。将上述换水每天进行一次，并随培养时间的延长，逐渐增加换水量。在水温15-20℃时，约两周左右，污泥即可培养成熟，如水温低，所需时间将延长)。2.连续操作

在第一次加料出现污泥绒絮后，就不断地往曝气池投加生活污水或自来水，添加粪便水的控制原则与间断投配相同。往曝气池内投加的水量应保证池内的水能每天更换一次，并随着培养的进展逐渐加大水量，使在后期达到每天更换二次。在曝气池出水进入二次沉淀池后不久(0.5-1小时)就立刻开始回流污泥，污泥的回流量可采用曝气池进水量的50%。污泥的成熟在15-20℃水温时，也约需两周。

驯化方法：在进水中逐浙增加工业废水的比例，或提高工业废水的浓度，使微生物逐渐适应新的生活条件。开始时，工业废水的加入量可以用曝气池设计负荷的20-40%，达到较好的处理效率后，再按设计负荷的10—20%递增，直至满负荷为止。工业废水中，如缺乏氮和磷以及其他一些微生物生长所需的养料，则应把这些物质加入曝气池。在驯化过程中，能分解工业废水的徽生物得到了发展，不能适应的徽生物则逐渐淘汰。（二）活性污泥的驯化

所谓污泥上浮是指在二沉池中的污泥随出水流失，或污泥凝聚成块浮起随水漂走，影响出水水质的现象。二、工艺运行中可能发生的问题及其防范措施（一）污泥上浮

污泥膨胀是指活性污泥的凝聚、沉降性能恶化，导致处理系统的出水水质浑浊的现象。污泥膨胀主要是由于大量丝状菌在污泥内繁殖，使泥块松散，密度降低所致。其次，真菌的繁殖也会引起污泥膨胀。1.污泥膨胀与菌胶团比较，丝状细菌和真菌生长时需要较多的碳素，对氧、磷，特别是对溶解氧的要求较低。菌胶团需在溶解氧至少为0.5mg/L的环境中才能很好地生长，而真菌和丝状菌在低于0.1mg/L的环境中，也能较好地生长。所以在氧量不足时，菌胶团将减少而丝状菌、真菌则大量繁殖。菌胶团生长适宜的pH范围为6—8，而真菌则在pH为4.5-6.5之间生长良好，所以pH稍低时，菌胶团生长将受到抑制，而真菌的数量则可能大大增加。据一些城市污水厂的经验，水温也是引起污泥膨胀的重要因素。他们发现丝状菌在高温季节宜于生长繁殖，当夏季水温在25℃以上时，常引起膨胀，而在水温转低时，膨胀的次数减少。因此，废水中如碳水化合物较多，溶解氧不足，