污水处理中关于活性污泥的浅谈

【格林课堂】

一直以自己是环境工程专业的自称，但是从来没有在公司的网站上投稿过什么专业类的文章，说起来比较惭愧。主要是觉得自己才学疏浅，实在不敢在公司的这种对所有人公开的网站上面班门弄斧。但是最近看了伟大的数学家华罗庚的一篇文章后觉得班门弄斧才能有助于自身的提高，同时也希望借此能够加强与各位资深的前辈们交流工艺技术方面的东西。当然，这篇文章是比较初级的东西，写的是一些比较基本的入门的知识，如果你系统的学过但是理解不够深刻那么我希望你看完这篇文章后能够让你对水处理有一个重新的系统理解，如果你已经对水处理方面有一套自己独特的理解的话也希望你看完后能提出意见以供我学习，让我改进。

我个人研究比较多的方向是生物处理，对于水处理这个专业而言，生物处理也算比较核心的一块吧。所以我们就来简单的谈谈生物处理吧。

说起水处理，不得不说最初的发现过程，让我们先来对“活性污泥”进行一个简单的认识吧。将经过沉淀处理后的生活污水注入沉淀管（或者适宜的器皿）中，然后注入空气对污水加以曝气，并使生活污水保持下列条件;水温在20℃左右，水中溶解氧值介于1—3mg/L。pH在6—8之间，每日保留沉淀物，更换部分污水，注入经过沉淀处理后的新鲜生活污水，这样的操作持续一段时间（10天到2周）后，在污水中形成一种呈黄褐色絮凝体状的群体，这种絮凝体易于沉降与水分离，污水已得到净化处理，水质澄清，这种絮凝体是由大量繁殖的以细菌为主体的微生物所构成，是一种生物性污泥，它就是“活性污泥”。希望各位看完这篇文章后能想想这个过程是什么。留一个问题作为悬念，接下来就开始我们的正式话题。生物处理篇：

活性污泥M的组成分为四个部分，具有代谢功能活性的微生物群体Ma、微生物内源代谢自身氧化的残留物Me、由原水挟入附着的难降解的有机物Mi、由原水挟入附着的生物表面的无机物Mii。

即   M=Ma+Me+Mi+Mii。

活性污泥的主体组成部分是具有活性的微生物。接下来整个活性污泥系统我都将围绕微生物来讨论。

微生物的组成：其中包括细菌，原生动物后生动物等等。当然这其中组成主体部分是细菌，细菌的种类比较多，主要类型有假单胞菌属、分枝杆菌属、芽孢杆菌属等等。原生动物和后生动物也会出现，他们主要是吞噬细菌进一步净化水质。所以原生动物的出现是衡量一个生物反应器内处理水水质的一个指标，随着混合液中的水质的改善而改变。当混合液的水质欠佳时，出现肉足虫类，如根足变形虫。混合液水质进一步改善后便开始出现游泳性纤毛虫，如草履虫。当活性污泥菌胶团达到稳定成熟时，此时出现以固着型纤毛虫为主的原生动物如钟虫等。根据这个，我们可以对原生动物进行镜检，这是判断评价处理水质优异和活性污泥质量的一个重要手段。值得一提的是，若出现轮虫，则说明水质已经得到良好的净化处理，是水质稳定的标志，但一般很少出现，一般多在处理水质优异的完全氧化型的活性污泥系统中，如延时曝气活性污泥系统。

微生物的食物：先说细菌的类型吧。化能自养细菌，这类细菌的能源来自无机物氧化所产生的化学能，碳源是CO2（或碳酸盐）。它们可以在完全无机的环境中生长发育，如硫细菌、铁细菌、硝化细菌、氢细菌等。硝化细菌、硫细菌就是利用这种方式来合成有机物的。

化能异养细菌，这是绝大多数细菌的营养类型。这类细菌所需要的能源来自有机物氧化产生的化学能，它们的碳源也主要是有机物，如淀粉、纤维素、葡萄糖、有机酸等。因此有机碳化物对这类细菌来说既是碳源也是能源。因为细菌的食物来源不同，其类型不同，经过其处理后的水质也不同。当细菌的食物以有机物质为主的时候活性污泥的主要功能是去除BOD；当细菌的食物以氨氮或硝态氮为主时活性污泥的主要功能是脱氮；当细菌的食物以磷为主的时候活性污泥的主要功能是去除磷。而实际中的一些脱氮除磷的工艺就是根据这个原理来设置的。

微生物生存环境：根据细菌对氧的需要不同，主要分为四类：（1）专性需氧菌（Obligateaerobe）如结核杆菌；（2）专性厌氧菌（Obligate anaerobe）如破伤风杆菌；（3）兼性厌氧菌（Facultative anaerobe）在有氧或无氧或无氧环境中均能生长，但以有氧时生长较好，大多数病原菌属此类；（4）微需氧菌（Microaerophilic bacteria）如空肠弯曲菌，宜在低氧压下生长，氧压增高对其有抑制作用。一般细菌在代谢中需少量的CO2，以提供细菌合成核酸中的嘌呤、嘧啶等。专性厌氧菌不能呼吸，只能发酵。

由此我们有好氧生物反应器、厌氧生物反应器、缺氧生物反应器。每种反应器内的优势菌种不同，他们的食物类型不同，因此主要的作用也不同。控制反应器的类型的主要手段就是曝气搅拌了。曝气加搅拌就是好氧生物反应器，此时反应器内溶解氧浓度一般在2.0mg/l，细菌利用分子态的氧，不曝气仅搅拌就是厌氧或缺氧生物反应器,缺氧反应器内的溶解氧浓度在0.5mg/l左右，内有硝化液回流，反应器内的微生物可以利用硝态氮中的化合态氧，厌氧反应器内的溶解氧浓度基本为0，细菌没有氧可以利用，只进行无氧生理活动。

微生物的增殖：试想一下在一个大烧杯里充满各种微生物生理所需的营养物质，然后接种细菌，此时细菌在烧杯内的增殖会有一定的规律吗？答案是肯定的。细菌在这种情况下增殖分为四个时期。适应期，此期细菌体积增大,代谢活跃,但分裂迟缓,菌数未见增殖。这个时候细菌刚被接种到水体中，营养充足，此时延续这个时期长短的主要因素是细菌对原水的主要成分的适应性。适应快持续时间短，反之则长；对数增殖期，此期细菌生长迅速,菌数呈几何级数增长。此时细菌的形态、染色性、生理活性都较典型,对外界环境因素的作用比较敏感。此时系统内的有机营养物质充足，不能成为限制其增殖的因素，限制因素是细菌本身的数量；减数增殖期，此期细菌增殖数与死亡数几乎相等,活菌数保持相对不变。此时细菌可能出现形态、生理性状的变化,一些细菌的合成代谢产物大多在此期内产生,芽胞亦多在此期形成。有机底物浓度大量被消耗而减少，微生物活体数量达到最高值，同时也趋于稳定，这个时期限制其生长的主要因素便是有机物底物浓度了；内源呼吸期，此期营养物质不足，内源代谢开始。死亡菌数逐渐上升,活菌数急剧减少;细菌形态显著改变,甚至有的菌体自溶。

根据以上四个时期我们可以得出一个结论：决定活性污泥微生物的主要因素有两个，一是周围环境中的有机物浓度，我们用F表示；二是当时存活的菌体数量，我们用M表示。当然，在实际运用中，我们用BOD5的浓度来表示混合液中营养物质的量，用活性污泥的浓度MLSS（或者MLVSS）来表示菌体数量。利用F/M 来控制活性污泥微生物增殖曲线的走势以及各期的延续时间来达到一个控制效果，使反应器内的活性污泥微生物处于一个良好的时期。如当曝气池内残存的有机物底物浓度比较低的时候，F/M 值为低值时，细菌进入减数增殖期或内源呼吸期，活性污泥才能得到良好的形成和发育。

微生物的代谢作用：在水处理中，有机污染物质的去除实际上就是微生物对营养物质的摄取、代谢与利用的过程。在初期，由于活性污泥表面积大，吸附性能强，经过预处理后的原污水进入到活性污泥系统中时，较短的时间内有机物能被大量的去除，这期间，有机污染物并不是被真正的降解，而是被活性污泥吸附的作用物理去除的。一般在30min内完成，污水BOD的降解率在70% 以上。影响这个过程的主要因素有两个，一是活性污泥中微生物的活性；二是反应器内的水动力运作情况与水力扩散程度。决定前者的就是看微生物所处在哪个增殖期了，一般来说，处在“饥饿”状态的内源代谢时期的微生物“活性最强”，其吸附性能也最强；而后者主要是保证絮体能够与有机物保持高频的密切接触，一般通过曝气或搅拌来实现。当然在这里需要提一下的是对回流污泥不能曝气过量，以免自身氧化过分影响初期吸附过程。经过这个时期便进入生物作用代谢时期了，被吸附在活性污泥表面的物质分为大分子物质和小分子物质，小分子物质可以直接进入细菌内部，大分子物质需要在胞外水解成小分子物质从而透过细胞膜进入细菌内。当以有机污染物为食时，一部分用于呼吸作用产生能量供日程生理需求，另一部分用于细胞自身增殖。根据美国麦金龙教授的理论，可降解有机物约有1/3被氧化成无机物加能量，2/3用于合成新细胞物质，这其中有80%氧化成无机物和能量，仅有20%内源代谢形成残留物质。但即使是这仅仅的20%的微生物增殖量，也不可忽视。这就是每日生物反应器内活性污泥的增量的形成。

通过上面的讲述，我想说的是活性污泥系统中务必要记住三个核心的东西：

• 活性污泥浓度（MLSS）
• 反应器中有机物底物的浓度（BOD）
• 反应器中的溶解氧浓度（DO）

这三个概念至关重要，因为后续无论是哪种生物反应器都将围。这三个来谈论，工艺不同无非是对这三个条件加以控制。

接下来就谈谈活性污泥反应系统的人工控制。所谓的人工控制，就是人为的创造一个适宜的微生物存活的条件，让微生物能够最高效率的降解污染物。从以下四个方面来说：

• 原污水的进水水质、水量上加以控制。这方面我们基本上可以在生物反应器前通过设置调节池或水解酸化池来加以实现。
• 微生物数量上要保持相对的稳定状态。即MLSS保持相对的稳定状态，生物反应器内有二沉池回流污泥，剩余污泥的排放，曝气池内每日增长，保持稳定就是在这三者中维持达到一个动态平衡的过程。
• 反应器中DO浓度满足所需。一般通过曝气强度的大小来控制。
• 反应器中微生物、有机污染物、DO三者保持良好的接触效果，强化传质过程。一般通过搅拌强度来控制，可以使机械搅拌，也可以是曝气搅拌。

  对于活性污泥系统也有很多指标也可以帮助我们做判断，下面就简单的说一下。

（1）混合液悬浮固体浓度(MLSS)

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii

由于含有Me、Mi和Mii，不能精确表示活性污泥的浓度。

（2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）

MLVSS= Ma+Me+Mi

表示有机性固体物质的部分浓度。在表示上比MLSS更精确，但也仅仅是相对MLSS而言，因为仍然包含Mi和Mii两项惰性有机物质，也不能精确表示具有活性的污泥数量。但是在实际运行中这两个参数可以默认为表示活性污泥的污泥数量。由此有

  f=MLVSS/MLSS

一般对固定污水水源来说，f值较固定。如对于生活污水，f 通常在0.75左右。

（3）污泥沉降性能及指标

污泥沉降比    SV30、

SV30是指曝气池混合液在量筒静止沉降30min后污泥所占的体积百分比。它是分析污泥沉降性能的最简便方法。SV30值越小，污泥沉降性能就越好。SV30值越大，沉降性能越差。在无其他异常的情况下，SV30可作为剩余污泥排放的参考依据。城市污水厂SV30值一般在15%~30%，工业废水处理SV30值相对较高。测定SV30的器皿一般是100mL的玻璃量筒，有些单位用100mL量筒测定。

污泥容积指数  SVI

污泥体积指数（SVI）曝气池出口处的混合液在静置30min后，每克是悬浮固体所占的体积（mL）称为污泥体积指数（SVI），其值按下式计算：污泥指数例如：某曝气池污泥沉降比SV=30%，混合液悬浮固体浓度为X=3000mg/l，则SVI=30*10/3g/l=100。单位为ml/g，习惯上只称数字，单位略去。污泥指数也是表示活性污泥的凝聚沉降和浓缩性能的指标。SVI低时，沉降性能好，但吸附性能差。SVI高时，沉降性能不好，即使有良好的吸附性能，也不能很好的控制泥水分离。当然，实际中SVI并不仅仅是反映污泥的沉降凝聚性能，它更多的是来指导实际中生物反应器的运行状态。SVI和BOD-污泥负荷的关系，SVI和MLSS以及回流比R的关系。如通过不同的SVI值来调节回流比R使MLSS保持稳定状态，通过不同BOD—污泥负荷，例如高负荷活性污泥法、一般负荷活性污泥法、低负荷活性污泥法各自区间内有不同的SVI。根据沉降性能选择合适的SVI段利于后续泥水分离进而确定BOD—污泥负荷选择工艺等等。

    今天就暂且写到这里，后续再写写活性污泥工艺系统方面的东西。希望这篇入门级的文章能供各位梳理知识体系更好的学习！

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