污水活性污泥法处理系统工艺设计

1.活性污泥法的基本原理与控制指标

（1）活性污泥处理法的基本概念与流程活性污泥法是以活性污泥为主体的污水处理技术。活性污泥处理技术是通过一系列人工强化、控制的技术措施，使活性污泥微生物对有机污染物氧化、分解的生理功能得到充分发挥，以达到污水净化的生物工程技术。

图2-3-2为活性污泥法处理系统的基本流程。该系统是以活性污泥反应器———曝气池为核心处理设备，由二沉池、污泥回流设备和曝气与空气扩散装置组成。

图2-3-2 活性污泥处理系统的基本流程

（2）活性污泥的形态与活性污泥微生物活性污泥是活性污泥处理系统中的核心。正常的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，又称为“生物絮凝体”，其颗粒尺寸取决于微生物的组成、数量、污染物质的性质以及某些外部环境因素。活性污泥絮体一般介于0.02～0.2mm之间，每毫升活性污泥的表面积大体上介于20～100cm²之间，含水率一般在99%以上，密度介于1.002～1.006之间。

活性污泥主要由4部分组成：具有代谢功能活性的微生物群体；微生物自身氧化残留物；吸附在污泥上难被微生物降解的有机物；活性污泥中的无机物。其中，前三项属于有机物，用MLVSS表示。活性污泥处理法中常用MLVSS间接表示活性污泥中具有活性的微生物含量。

活性污泥微生物是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等异种群体所组成的混合培养体。

细菌是活性污泥中净化污水的主力军。在正常成熟的活性污泥上每毫升活性污泥的细菌数量大致介于10⁷～10⁸个之间，在活性污泥上形成优势的细菌主要有产碱杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、动胶杆菌属、假单孢菌属、丛毛单孢菌属。

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。但丝状菌的异常增殖是活性污泥膨胀的主要诱因之一。

活性污泥中存活的原生动物有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫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和数量上是随处理水的水质和细菌的状态变化而变化的。根据原生动物的种类能够判断处理水质的优劣，因此将原生动物称为活性污泥系统中的指示性生物。

后生动物（如轮虫）在活性污泥系统中不经常出现，仅在处理水质优异的活性污泥系统中才能出现，因此，轮虫出现是水质非常稳定的标志。

活性污泥的增长曲线可分为4个阶段：

1）适应期：也称延迟期或调整期。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环境的适应过程。本阶段微生物不裂殖，数量不增加，但个体增大，酶系统逐渐适应新的环境。

2）对数增殖期：又称增殖旺盛期。本阶段营养物质充足，不成为微生物增殖的控制因素，微生物的增殖速度为一常数值，因此对数增殖期又称为等速增殖期。

3）减速增殖期：也称稳定期和平衡期。在本阶段，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。在本期末端，由于增殖的微生物活体数少于衰亡的数量，增殖曲线开始出现下降趋势。

4）内源呼吸期：又称衰亡期。在此阶段，营养物质继续下降，微生物由于得不到充足的营养物质，而开始利用自身体内贮存的物质或衰亡菌体，进行内源代谢以维持其自身生理活动。

（3）活性污泥净化反应过程活性污泥法净化污水的三要素包括：活性微生物、有机污染物和溶解氧。活性污泥净化污水过程由三个阶段组成，即：初期吸附阶段、微生物分解代谢阶段、污泥絮凝沉淀阶段。

在活性污泥系统内，污水开始与活性污泥接触后的较短时间内（5～10min），污水中的有机污染物被大量的去除，BOD去除率很高。这种初期高速去除有机污染物的现象是由物理吸附和生物吸附交织在一起的吸附作用所产生的。被吸附在微生物表面的有机物需经过数小时才能相继地被摄入微生物体内，因此，“初期吸附去除”的有机污染物的数量是有一定限度的。

污水中的有机污染物首先被吸附至活性污泥表面，在微生物透膜酶的催化作用下，透过细胞壁进入微生物细胞体内。被摄入细胞体内的有机污染物在各种细胞内酶的催化作用下进行代谢反应，最终形成水和二氧化碳等稳定的无机物，并从中获取合成新细胞物质所需要的能量。

经初期吸附和微生物代谢两个阶段，水中有机物得到降解，最后，活性污泥进行絮凝沉淀，在二沉池中进行泥水分离，完成污水的净化过程。

（4）活性污泥法的控制指标

1）描述活性污泥微生物量指标

①混合液悬浮固体浓度：又称混合液污泥浓度，简称为MLSS。它表示在曝气池单位容积混合液中所含有的活性污泥固体物的总质量。

②混合液挥发性悬浮固体浓度：简称为MLVSS。该指标表示混合液活性污泥中有机固体物质的浓度。MLVSS与MLSS的比值以f表示，。

一般情况下f值比较固定，对于生活污水，f值一般为0.75左右。

2）描述污泥沉降性能的指标

①污泥沉降比：又称30min沉降率，简称为SV。是指混合液在量筒内静置30min后形成沉淀污泥的容积占原来混合液容积的百分率，以%表示。

污泥沉降比能够反映曝气池运行过程的活性污泥量，可用于控制、调节剩余污泥的排放量，还可通过它及时地发现污泥膨胀等异常现象。污泥沉降比的测定方法简单易行，可以在曝气池现场进行。

②污泥容积指数：又称“污泥指数”，简称SVI。该指标的物理意义是曝气池出口处的混合液，经30min静置后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占有的容积，以mL计。

污泥容积系数（SVI）的计算式为

SVI值可反映活性污泥的凝聚沉降性能。SVI值在70～100之间污泥沉降性能较好，若SVI值过低，表明污泥中无机物含量高，污泥活性差；SVI值过高（如SVI>200），污泥沉降性能差，污泥将发生膨胀现象。

3）污泥龄：又称为生物固体平均停留时间，简称SRT，是指曝气池中活性污泥量与系统中每天排放的剩余污泥量之比。即

式中，θ_c为污泥龄（生物固体平均停留时间，d）；V为曝气池容积（m³）；X为混合液悬浮固体（MLSS）浓度（g/L）；ΔX为每日排出系统外的活性污泥量（新增污泥量，kg/d）。

ΔX以式（2-3-2）表示

ΔX=Q_wX_r+（Q-Q_w）X_e （2-3-2）

式中，Q_w为作为剩余污泥排放的污泥量（m³/d）；X_r为剩余污泥浓度（g/L）；Q为污水量（m³/d）；X_e为排放处理水中悬浮固体浓度（g/L）。

污泥龄是活性污泥处理系统的重要设计、运行参数。通常污泥龄越长，系统产生的剩余污泥量越少。

4）有机物降解与活性污泥增长：在曝气池内，污水中的有机物在微生物的新陈代谢作用下得到降解去除，与此同时活性污泥微生物自身也得到增殖。活性污泥的净增殖量可用式（2-3-3）表示

Δx=Y（S_a-S_e）Q-k_dVx_v （2-3-3）

式中，Δx为曝气池中每天增长的污泥量[kg（MLVSS）/d]；Y为污泥产率系数，指微生物代谢1kgBOD所产生的微生物（MLVSS）的kg数；k_d为污泥自身氧化率（d^-1）；S_a为进入曝气池污水中有机污染物浓度[kg（BOD）/m³]；S_e为曝气池出水中有机污染物浓度[kg（BOD）/m³]；V为曝气池容积（m³）；x_v为曝气池内活性污泥浓度[kg（MLVSS）/m³]；Q为曝气池进水流量（m³/d）。

公式中污泥产率系数和污泥自身氧化率与污水的水质关系密切，一般来说，Y值介于0.30～0.80之间，k_d值介于0.05～0.20之间。

5）BOD-污泥负荷与BOD-容积负荷：

①BOD-污泥负荷：决定有机物的降解速度、活性污泥增长速度以及溶解氧被利用速度的重要因素，是有机物量与活性污泥量的比值（F/M）。它是活性污泥处理系统设计、运行的一项重要的参数。在具体工程应用中，F/M比值是以N_s表示的。即

BOD-污泥负荷所表示的是曝气池内单位质量（kg）活性污泥，在单位时间（1d）内能够接受，并将其降解到预定程度的有机污染物的量（BOD）。

②BOD-容积负荷：在活性污泥处理系统的设计与运行中，还使用另一种负荷值———容积负荷（N_V）来进行活性污泥系统的设计。BOD-容积负荷是指单位曝气池容积（m³），在单位时间（1d）内，能够接受，并将其降解到预定程度的有机污染量（BOD）。即

6）有机污染物降解与需氧量指标：在曝气池内，活性污泥微生物对有机污染物的氧化分解和其本身在内源代谢期的自身氧化都是耗氧过程，可用式（2-3-6）计算

AOR=O₂=a＇QS_r+b＇x_vV （2-3-6）

式中，AOR为设计需氧量[或用O₂表示，kg（O₂）/d]；Q为污水设计流量（m³/h）；QS_r为在曝气池中被降解的有机物量；a＇为活性污泥微生物对单位质量有机污染物氧化分解过程的需氧量；b＇为单位质量活性污泥内源代谢的自身氧化过程的需氧量；V为曝气池容积；x_v为曝气池中MLVSS值[g（VSS）/L]。

对于生活污水，a＇值介于0.42～0.53之间，b＇值介于0.188～0.11之间。

2.污水的活性污泥法处理系统运行方式及工艺设计

活性污泥处理系统自开创以来，现已拥有多种运行方式，实际应用时应根据去除碳源污染物、脱氮、除磷、好氧污泥稳定等不同要求和外部环境条件选择适宜的活性污泥处理工艺，并根据可能发生的运行条件设置不同运行方案。

传统活性污泥法又称普通活性污泥法。原污水从曝气池首端进入，由二次沉淀池回流的污泥也同步进入。污水与污泥回流形成的混合液在池内呈推流形式流动至池的末端，进入二次沉淀池，在二沉池内处理后的污水与活性污泥分离，部分污泥回流曝气池，部分污泥则作为剩余污泥排出系统。

在传统活性污泥工艺中，有机物在曝气池内经历了第一阶段的吸附和第二阶段降解代谢的完整过程，活性污泥也经历了一个从池首端的对数增长，经减速增长到池末端的内源呼吸的完整生长周期。由于有机污染物浓度沿池长逐渐降低，需氧速度也是沿池长逐渐降低。因此，在池首端和前段混合液中的溶解氧浓度较低，沿池长逐渐增加，在池末端溶解氧浓度达到较高值，一般都能达到规定的2mg/L左右。

传统活性污泥法处理城市污水的生物反应池的主要设计参数可按表2-3-2的规定取值。

表2-3-2 传统活性污泥法处理城市污水的生物反应池的主要设计参数

当以去除有机污染物为主时，生物反应池的容积可按下列公式计算

按污泥负荷计算

按污泥泥龄计算

式中，V为生物反应池的容积（m³）；S₀为生物反应池进水5日生化需氧量（mg/L）；S_e为生物反应池出水5日生化需氧量（mg/L，当去除率大于90%时可不计入）；Q为生物反应池的设计流量（m³/h）；N_s为生物反应池的BOD-污泥负荷[kg（BOD₅）/（kg（MLSS）·d）]；X为生物反应池内混合液悬浮固体平均浓度[g（MLSS）/L]；Y为污泥产率系数[kg（VSS）/kg（BOD₅）]，宜根据试验资料确定，无试验资料时，一般取为0.4～0.8；X_V为生物反应池内混合液挥发性悬浮固体平均浓度[g（MLVSS）/L]；θ_c为污泥泥龄（d），其数值为0.2～15；K_d为衰减系数（d^-1），20℃时的数值为0.04～0.075。

衰减系数K_d值应以当地冬季和夏季的污水温度进行修正，并按式（2-3-8）计算

K_dT=K_d20（θ_T）^T-20 （2-3-8）

式中，K_dT为T℃时的衰减系数（d^-1）；K_d20为20℃时的衰减系数（d^-1）；T为设计温度（℃）；θ_T为温度系数，一般采用1.02～1.06。

传统活性污泥法的主要特点是：处理效率高，BOD去除率可达90%以上，适宜于处理净化程度和稳定程度要求较高的污水；工艺成熟，运行稳定；污泥沉淀性能好，不易发生污泥膨胀。传统活性污泥法处理系统还存在下列问题：曝气池容积大，占地多，基建费用高；曝气池前端有机物负荷过高，在池前端可能出现耗氧速度高于供氧速度的现象，池后端有可能出现溶解氧过剩的现象。

阶段曝气活性污泥法又称为分段进水活性污泥法或多段进水活性污泥法。阶段曝气活性污泥法是针对传统活性污泥系统存在的池前端有机负荷过高的问题，在曝气池前端1/2～3/4的总长度内设置多个进水口配水的措施。池内的BOD-污泥负荷率比传统活性污泥法池内负荷率均匀，需氧量也较传统活性污泥法均匀。这种运行方式具有如下优点：曝气池内有机污染物负荷分配均匀，供氧与需氧率趋于平衡，减少浪费；污水分散均衡注入，提高了曝气池对水质、水量冲击负荷的适应能力；出流混合液的浓度较低，可减轻二沉池的负荷。

吸附—再生活性污泥法又称为生物吸附活性污泥系统，或接触稳定法。这种运行方式的主要特点是将活性污泥对有机污染物降解的两个过程———吸附与代谢分别放在两个反应器或一个反应器的两个部分分别进行。与传统活性污泥法相比，吸附—再生系统具有如下优点：再生池只接受回流污泥，因此，吸附池与再生池容积之和低于传统活性污泥法曝气池的容积；该工艺对水质、水量的冲击负荷具有一定的承受能力。吸附—再生活性污泥工艺存在的主要问题是处理效果低于传统活性污泥法和不宜处理溶解性有机污染物含量较多的污水。

延时曝气活性污泥法又称完全氧化活性污泥法。该工艺的主要特点是BOD-污泥负荷非常低，曝气反应时间长，一般在24h以上，活性污泥在池内长期处于内源呼吸期，剩余污泥量少且性质稳定。该工艺的主要优点是：处理效率高，水质稳定；对原污水水质、水量变化有较强适应性；不用设置初次沉淀池，剩余污泥量少。

完全混合活性污泥处理系统中，污水与回流污泥进入曝气池后，立即与池内混合液充分混合。该工艺主要优点是：进入曝气池的污水很快被池内的混合液稀释和均化，因此对冲击负荷有较强的适应能力，适于处理工业废水，特别是浓度较高的工业废水；污水在曝气池内分布均匀，各部位的水质相同，F/M值相等，微生物群体的组成和数量几近一致，各部位有机物降解工况相同，因此，可通过调整F/M值将整个曝气池的工况控制在最佳状态；曝气池内混合液的需氧速度均衡，动力消耗低于推流式曝气池。但该系统存在的主要缺点是：在曝气池中，各部位工况相同，微生物对有机物的降解动力低下，因此，活性污泥易于产生膨胀现象。此外，处理水质低于推流式曝气池的活性污泥系统。

深井曝气活性污泥法又称为超水深曝气活性污泥法。该工艺充氧能力强，可达传统工艺的10倍，动力效率高，占地少，适于各种气候条件，可不设初沉池等。该工艺适合处理高浓度有机废水。

纯氧曝气活性污泥法又称为富氧曝气活性污泥法。用纯氧进行曝气能够提高氧向混合液中的传递能力。此工艺的主要优点是：氧的利用率高；曝气池内混合液的MLSS值可达4000～7000mg/L，能够提高曝气池的容积负荷；曝气池的SVI值较低，不易发生污泥膨胀。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）中对活性污泥法的工艺设计还作出了以下规定：

1）生物反应池的超高，当采用鼓风曝气时为0.5～1.0m；当采用机械曝气时，其设备操作平台宜高出设计水面0.8～1.2m。

2）污水中含有大量产生泡沫的表面活性剂时，应采取除泡沫措施。

3）每组生物反应池在有效水深1/2处宜设置放水管。

4）廊道式生物反应池的池宽与有效水深之比宜采用1∶1～2∶1。有效水深应结合流程设计、地质条件、供氧设施类型和选用风机压力等因素确定，一般可采用4.0～6.0m。在条件许可时，水深尚可加大。

5）生物反应池中的好氧区（池），采用鼓风曝气器时，处理/m³污水的供气量不应小于3m³。好氧区采用机械曝气时，污水所需功率一般不宜小于25W/m³；氧化沟不宜小于15W/m³。缺氧区（池）、厌氧区（池）应采用机械搅拌，混合功率宜采用2～8W/m³。机械搅拌器布置的间距、位置应根据试验资料确定。

6）生物反应池的设计，应充分考虑冬季低水温对去除碳源污染物、脱氮和除磷的影响，必要时可采取降低负荷、增长泥龄、调整厌氧区（池）及缺氧区（池）水力停留时间和保温或增温等措施。

7）原污水、回流污泥进入生物反应池的厌氧区（池）、缺氧区（池）时，宜采用淹没入流方式。

8）生物反应池的始端可设缺氧或厌氧选择区（池），水力停留时间宜采用0.5～1.0h。

9）吸附再生生物反应池的吸附区和再生区可在一个反应池内，也可分别由两个反应池组成，一般应符合下列要求：

①吸附区的容积不应小于生物反应池总容积的1/4，吸附区的停留时间不应小于0.5h。

②当吸附区和再生区在一个反应池内时，沿生物反应池长度方向应设置多个进水口；进水口的位置应满足吸附区和再生区不同容积比例的需要；进水口的尺寸应按通过全部流量计算。

10）完全混合生物反应池可分为合建式和分建式。合建式生物反应池的设计应符合下列要求：

①生物反应池宜采用圆形，曝气区的有效容积应包括导流区部分。

②沉淀区的表面水力负荷宜为0.5～1.0m³/（m²·h）。