一、活性污泥的形態(tài)、組成與性能指標(biāo)
1.活性污泥法工藝
活性污泥法工藝是一種應(yīng)用最廣泛的廢水好氧生化處理技術(shù)，其主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)等組成（圖2-5-1)。廢水經(jīng)初次沉淀池后與二次沉淀池底部回流的活性污泥同時(shí)進(jìn)入曝氣池，通過(guò)曝氣，活性污泥呈懸浮狀態(tài)，并與廢水充分接觸。廢水中的懸浮固體和膠狀物質(zhì)被活性污泥吸附，而廢水中的可溶性有機(jī)物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營(yíng)養(yǎng)，代謝轉(zhuǎn)化為生物細(xì)胞，并氧化成為最終產(chǎn)物(主要是CO2)。非溶解性有機(jī)物需先轉(zhuǎn)化成溶解性有機(jī)物，而后才被代謝和利用。廢水由此得到凈化。凈化后廢水與活性污泥在二次沉淀池內(nèi)進(jìn)行分離，上層出水排放；分離濃縮后的污泥一部分返回曝氣池，以保證曝氣池內(nèi)保持一定濃度的活性污泥，其余為剩余污泥，由系統(tǒng)排出。
2.活性污泥的形態(tài)和組成
活性污泥通常為黃褐色（有時(shí)呈鐵紅色）絮絨狀顆粒，也稱為“菌膠團(tuán)”或“生物絮凝體”，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/m3；活性污泥具有較大的比表面積，一般為20~100cm2/mL。
活性污泥由有機(jī)物及無(wú)機(jī)物兩部分組成，組成比例因污泥性質(zhì)的不同而異。例如，城市污水處理系統(tǒng)中的活性污泥，其有機(jī)成分占75%~85%，無(wú)機(jī)成分僅占15%~25%�；钚晕勰嘀杏袡C(jī)成分主要由生長(zhǎng)在活性污泥中的微生物組成，這些微生物群體構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈（如圖2-5-2所示），其中以各種細(xì)菌及原生動(dòng)物為主，也存在著真菌、放線菌、酵母菌以及輪蟲(chóng)等后生動(dòng)物。在活性污泥上還吸附著被處理的廢水中所含有的有機(jī)和無(wú)機(jī)固體物質(zhì)，在有機(jī)固體物質(zhì)中包括某些惰性的難以被細(xì)菌降解的物質(zhì)。
3.活性污泥的性能指標(biāo)
(1) 污泥濃度指標(biāo)
混合液懸浮固體濃度（MLSS），也稱為“混合液污泥濃度”，表示活性污泥在曝氣池混合液中的濃度，其單位為mg/L或kg/m3�；旌弦簱]發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS),表示有機(jī)懸浮固體的濃度，其單位為爪mg/L或kg/m3。在條件一定時(shí)，MLVSS/MLSS比值是比較穩(wěn)定的，城市污水一般在0.75~0.85之間，不同廢水的MLVSS/MLSS值有異。
(2) 污泥沉降性能指標(biāo)
①污泥沉降比(SV）又稱30min沉淀率。SV是指從曝氣池中取出的混合液在量筒（一般是100mL）中靜置30min后，立即測(cè)得的污泥沉淀體積與原混合液體積的比值，一般以%表示。SV值能相對(duì)地反映出污泥濃度、污泥的凝聚和沉降性能，可用于控制排泥量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)初期的污泥膨脹。一般認(rèn)為SV值的正常值為20%~30%。由于SV值的測(cè)定方法比較簡(jiǎn)單快捷，故成為評(píng)定活性污泥質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。
②污泥體積指數(shù)（SVI）是指曝氣池出口處的混合液經(jīng)30min靜置沉淀后，1g干污泥所形成的沉淀污泥體積，其單位mL/g其計(jì)算為：
SVI值比SV值更能夠準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)污泥的凝聚性能及沉降性能。一般來(lái)說(shuō)：若SVI值過(guò)低，則表明污泥粒徑小、密實(shí)、無(wú)機(jī)成分含量高；若SVI值過(guò)高，則表明污泥沉降性能不好，將要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生污泥膨脹。
對(duì)于城市污水而言，SVI值一般為50~150mL/g；對(duì)于工業(yè)廢水，SVI值在上述范圍之外，也屬正常。例如，北京高碑店污水廠工業(yè)廢水的含量超過(guò)50%，SVI長(zhǎng)年在200~300mL/g之間，也無(wú)污泥溢出現(xiàn)象，處理效果良好。另外，對(duì)于高濃度活性污泥系統(tǒng)，即使污泥沉降性能較差，由于MLSS其較高，故其SVI值也不會(huì)很高。
因此有人建議將活性污泥膨脹定義為：由于某種原因，活性污泥沉降性能惡化，SVI值不斷增加，沉淀池的污泥面也不斷上升，最終導(dǎo)致污泥流失，使曝氣池中的MLSS濃度降低，從而破壞了正常處理工藝操作的污泥，這種現(xiàn)象稱為污泥膨脹。
另外，由于SVI值的測(cè)量受許多因素（如所用容器的直徑、污泥初始濃度及攪拌等）的影響，所以，一般在各個(gè)污水廠測(cè)得的SVI值之間不具可比性。為此人們對(duì)污泥指數(shù)的測(cè)定提出一些修正，考慮到污泥濃度對(duì)SVI值的影響，有人建議采用稀釋的污泥體積指數(shù)(DSVI)作為標(biāo)準(zhǔn)方法，建議稀釋后的污泥濃度采用1.5g/L。而在英國(guó)是采用攪拌的污泥體積指數(shù)（SSVI），模擬二次沉淀池中污泥的沉淀情況，安裝一個(gè)慢速攪拌裝置于量簡(jiǎn)（體積為1L，髙度為38.4cm）中，污泥濃度也模擬在二沉池中實(shí)際的污泥濃度，取為3.5g/L。
二、活性污泥的微生物及其生態(tài)學(xué)
活性污泥中的微生物體主要由各種細(xì)菌和原生動(dòng)物組成，同時(shí)還存在著真菌和以輪蟲(chóng)為主的后生動(dòng)物。原生動(dòng)物以細(xì)菌為食物，后生動(dòng)物以細(xì)菌和原生動(dòng)物為食物。在活性污泥中的有機(jī)物、細(xì)菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈。
1.活性污泥的食物鏈
活性污泥中的微生物可分為幾類：形成活性污泥絮體的微生物、腐生生物、捕食者及有害生物。活性污泥微生物集合體的食物鏈見(jiàn)圖2-5-2。
腐生生物是降解有機(jī)物的生物，以細(xì)菌為主。顯然，這些細(xì)菌中包括被看作形成絮體的大多數(shù)細(xì)菌，也可能包括不絮凝的細(xì)菌，但它們被包裹在由第一類細(xì)菌形成的絮體顆粒中。腐生生物可分為初級(jí)和二級(jí)腐生生物，前者用于降解原始基質(zhì)，而二級(jí)腐生生物則以初級(jí)腐生生物的代謝產(chǎn)物為食，這充分表明在群落中具有高度的偏利共生性。
在活性污泥的群落中主要的捕食者是以細(xì)菌為食的原生動(dòng)物及后生動(dòng)物，在數(shù)量上，大約為103個(gè)/mL。在活性污泥中大約發(fā)現(xiàn)230多種原生動(dòng)物，它們?cè)谙到y(tǒng)中可能占生物固體量的5%。其中，纖毛蟲(chóng)幾乎都捕食細(xì)菌，通常為占優(yōu)勢(shì)的原生動(dòng)物。由于原生動(dòng)物及后生動(dòng)物的數(shù)量會(huì)隨著污水處理的運(yùn)行條件及處理水質(zhì)的變化而變化，所以，可以通過(guò)顯微鏡觀察活性污泥中的原生動(dòng)物及后生動(dòng)物的種類來(lái)判斷處理水質(zhì)的好壞。因此，一般將原、后生動(dòng)物稱為活性污泥系統(tǒng)中的指示性生物。
所謂的有害生物是指那些達(dá)到一定數(shù)目時(shí)就會(huì)干擾活性污泥處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的生物。通常認(rèn)為，絲狀菌及真菌對(duì)污泥沉淀效果有影響。即使當(dāng)絲狀生物的數(shù)量在整個(gè)生物群落中所占的百分比很小時(shí)，污泥絮體的實(shí)際密度也會(huì)降低很多，以致于污泥很難用重力沉淀法來(lái)有效地進(jìn)行分離，從而最終影響出水水質(zhì)，這種情況通常叫做絲狀菌污泥膨脹（簡(jiǎn)稱污泥膨脹）。目前人們已知有近30種不同類型的絲狀菌會(huì)引起污泥膨脹。
2.活性污泥的結(jié)構(gòu)
在活性污泥工藝中，將千萬(wàn)個(gè)細(xì)菌結(jié)合在一起形成絮凝體狀的細(xì)菌稱為菌膠團(tuán)細(xì)菌。菌膠團(tuán)細(xì)菌在活性污泥中具有十分重要的作用，只有在菌膠團(tuán)發(fā)育良好的條件下，活性污泥的絮凝、吸附及沉降等功能才能正常發(fā)揮。形成絮體的細(xì)菌在處理過(guò)程中起著非常重要的作用，它們有助于從處理過(guò)的廢水中分離污泥。
通過(guò)對(duì)活性污泥中種群動(dòng)態(tài)學(xué)的研究，人們認(rèn)識(shí)到，活性污泥中的菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌形成一個(gè)共生的微生物體系。當(dāng)活性污泥中的菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌處于平衡狀態(tài)時(shí)，絲狀菌作為污泥絮體的骨架，菌膠團(tuán)細(xì)菌附著在其表面，形成結(jié)構(gòu)緊密、沉降性能良好的污泥絮體。隨著絮體尺寸增大到某一臨界值后，絮體內(nèi)部條件不利于菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌的繁殖，絲狀菌伸展出來(lái)，沉降性能開(kāi)始變差。后來(lái)，污泥絮體開(kāi)始解體，污泥的沉降性能更差。破碎后的小指狀污泥又利于菌膠團(tuán)細(xì)菌的生長(zhǎng)，此時(shí)擴(kuò)散能力改善，菌膠團(tuán)細(xì)菌又可直接從溶液中吸取營(yíng)養(yǎng)和基質(zhì)，故又可出現(xiàn)菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌的生長(zhǎng)平衡狀態(tài)，如此完成絮體形態(tài)上的一個(gè)循環(huán)。
由此可見(jiàn)，菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌的共生體系是一種接近于自然界的混合培養(yǎng)體系，存在著這兩類微生物之間在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)生態(tài)學(xué)的相互作用。在該體系中，絲狀菌的重要作用有：
(1)保持污泥絮體的結(jié)構(gòu)，形成沉淀性能良好的污泥從Seagin等人關(guān)于絮體結(jié)構(gòu)的學(xué)說(shuō)中可知，由絲狀菌形成污泥絮體的骨架，這對(duì)于保證污泥絮體的強(qiáng)度有很大作用；若缺少絲狀菌,則污泥絮體強(qiáng)度降低，抗剪力變差，往往會(huì)造成出水的混濁。
⑵高的凈化效率，低的出水濃度從動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面比較，絲狀菌的Ks及μmax均比菌膠團(tuán)的低，而按莫諾德(Monod)方程，由于菌膠團(tuán)的Ks,、μmin大于絲狀菌的，因而菌膠團(tuán)的Smin值也高于絲狀菌的；可見(jiàn)在絲狀菌存在（但不是大量存在）的條件下可以獲得高質(zhì)量、低濃度的出水，從而保證了凈化效果。
(3)保持絲狀菌和菌膠團(tuán)菌的共生關(guān)系從大量的實(shí)際工程運(yùn)轉(zhuǎn)資料可以得出，活性污泥中絲狀菌含量太高或太低均不適宜。前者雖能使出水濃度低，但沉淀性能差；后者沉降性能好，但出水中含有較多的細(xì)小懸浮物。但如果采用一定的方法，使曝氣中的生態(tài)環(huán)境有利于選擇性地發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，應(yīng)用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制抑制絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)和繁殖，從而利于控制污泥膨脹的發(fā)生發(fā)展，稱之為環(huán)境調(diào)控�？傊�，廢水處理的最終目標(biāo)是出水清澈、沉降性能好，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)合理地控制絲狀菌，使其在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。
3. 活性污泥的功能
活性污泥中存在大量的腐生生物，其主要功能是降解有機(jī)物。細(xì)菌是有機(jī)物的凈化功能中心。同時(shí)，活性污泥中還存在硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌。其在生物脫氮中起著非常重要的作用。尤其在廢水中氮的去除日益受到重視的形勢(shì)下，這兩類菌及它們之間的關(guān)系就顯得更重要了。
進(jìn)行硝化作用的微生物有：
(1)亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，它們均為化能自養(yǎng)菌，專性好氧，分別從氧化NH3和N02-的過(guò)程中獲得能量，以C02為唯一碳源，產(chǎn)物分別為NO2-及N03-；它們要求中性或弱堿性環(huán)境（pH=6.5~8.0），在pH〈6時(shí)，作用顯著下降。
(2)好氧的異養(yǎng)細(xì)菌和真菌，如節(jié)桿菌、芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、姆拉克漢遜酵母、黃曲霉、青霉等能將NH4+氧化為N02-及NO3-，但它們并不依靠這個(gè)氧化過(guò)程作為能量來(lái)源的途徑，它們相對(duì)于自然界的硝化作用而言并不重要。
硝化菌對(duì)環(huán)境的變化很敏感，DO≥1mg/L，pH=8.0~8.4，BOD5≤15~20mg/L，適宜溫度=20~30℃；硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間即生物固體平均停留時(shí)間，必須大于其最小的世代時(shí)間。
進(jìn)行反硝化作用的微生物有異養(yǎng)型的反硝化菌，如脫氮假單胞菌、熒光假單胞菌、銅綠假單胞菌等，在厭氧條件下利用NO3中的氧氧化有機(jī)物，獲得能量。自養(yǎng)型的反硝化菌，如脫氮硫桿菌，在缺氧環(huán)境中利用NO3中的氧將硫或硫代硫酸鹽氧化成硫酸鹽，從中獲得能量來(lái)同化CO2。兼性化能自養(yǎng)型反硝化菌，如脫氮副球菌，能利用氫的還原作用作為能源，以02或N03-作為電子受體，使NO3-還原成N2O和N2。
三、活性污泥反應(yīng)的影響因素
為了強(qiáng)化與提高活性污泥處理系統(tǒng)的凈化效果，必須考慮影響活性污泥反應(yīng)的各項(xiàng)影響因素，充分發(fā)揮活性污泥微生物的代謝功能。以下為一些影響活性污泥的環(huán)境因素。
1. BOD負(fù)荷率（F/M,也稱有機(jī)負(fù)荷率，以Ns表示）
F/M值是影響活性污泥增長(zhǎng)、有機(jī)基質(zhì)降解的重要因素。它表示曝氣池里單位質(zhì)量的活性污泥（MLSS）在單位時(shí)間里承受的有機(jī)物（BOD5）的量，單位：kg/(kg·d)。
提高F/M值，可加快活性污泥增長(zhǎng)速率及有機(jī)基質(zhì)的降解速率，縮小曝氣池容積，有利于減少基建投資；但F/M值過(guò)高，往往難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。反之，若F/M值過(guò)低，則有機(jī)基質(zhì)的降解速率過(guò)低，從而處理能力降低，曝氣池的容積加大，導(dǎo)致基建費(fèi)用升高，也是不可取的。因此，應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)。在活性污泥工藝設(shè)計(jì)中，BOD負(fù)荷率一般取0.15~0.44kg/(kg·d)。同時(shí)，處理目標(biāo)不同處理系統(tǒng)的負(fù)荷也是不相同的，如對(duì)去除有機(jī)物、達(dá)到硝化，去除N、P和達(dá)到污泥穩(wěn)定化等不同要求所采用的負(fù)荷是不同的。
2.水溫
活性污泥中微生物的生理活動(dòng)與周圍的溫度關(guān)系密切。在15~30℃溫度范圍內(nèi)，微生物的生理活動(dòng)旺盛。在此溫度范圍外，均會(huì)導(dǎo)致活性污泥反應(yīng)程度受到某些不利影響。例如，當(dāng)溫度高于35℃或低于10℃，微生物對(duì)有機(jī)物的代謝功能會(huì)受到一定程度的不利影響。在我國(guó)北方地區(qū)，大中型的活性污泥處理系統(tǒng)也可露天建設(shè)，但小型活性污泥處理系統(tǒng)則可以考慮建在室內(nèi)。而當(dāng)溫度高于35℃或低于5℃，反應(yīng)速率會(huì)降至最低程度，甚至完全停止反應(yīng)。因此，一般活性污泥反應(yīng)進(jìn)程的最高及最低的極限溫度，分別控制在35℃及10℃。
3.pH
最適宜于活性污泥中微生物生長(zhǎng)的值介于6.5~8.5之間。當(dāng)pH值低于6.5時(shí)，有利于真菌的生長(zhǎng)繁殖；當(dāng)pH值低于4.5時(shí)，原生動(dòng)物完全消失，大多數(shù)微生物不適應(yīng)，真菌將完全占優(yōu)勢(shì)，活性污泥絮體受到破壞，產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，處理水質(zhì)惡化。當(dāng)pH值高于9.0時(shí)，多數(shù)微生物也會(huì)不適應(yīng)，菌膠團(tuán)可能解體，活性污泥絮體將受到破壞，也會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。
活性污泥混合液本身具有一定的緩沖作用，因?yàn)槲⑸锏拇x活動(dòng)能改變環(huán)境的pH值。如微生物對(duì)含氮化合物的利用，由于脫氮作用而產(chǎn)生酸，降低環(huán)境的pH值；由于脫羧作用而產(chǎn)生堿性胺，可使pH值上升。在活性污泥的培養(yǎng)、馴化過(guò)程中，如果將pH值的因素考慮在內(nèi)，逐漸升高或降低pH值，則活性污泥也能逐漸適應(yīng)。但pH值發(fā)生急劇變化，即在有沖擊負(fù)荷的時(shí)候，活性污泥的凈化效果將大大降低。因此，酸、減廢水是否需要進(jìn)行中和處理，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。
4.溶解氧
活性污泥中的微生物均是好氧菌，所以，在混合液中保持一定濃度的溶解氧是非常重要的。對(duì)混合液的游離細(xì)菌而言，溶解氧保持0.2~0.3mg/L的濃度，即可滿足要求。但是由于活性污泥是由微生物群體構(gòu)成的絮凝體，溶解氧必須擴(kuò)散到活性污泥絮體的內(nèi)部，為使活性污泥系統(tǒng)保持良好的凈化功能，所以，溶解氧需要維持在較高的水平。一般要求曝氣池出口處溶解氧濃度不小于1~2mg/L。
溶解氧濃度過(guò)高時(shí)，氧的轉(zhuǎn)移效率降低，動(dòng)力費(fèi)用過(guò)高，在經(jīng)濟(jì)上不適宜；溶解氧濃度過(guò)低時(shí)，絲狀菌在系統(tǒng)中占優(yōu)勢(shì)，微生物凈化功能降低，容易誘發(fā)污泥膨脹。
