6.1 传统活性污泥法
6.1.1 工艺与组成
（1）活性污泥法工艺
活性污泥法工艺是一种应用最广泛的废水好氧生化处理技术，其主要由曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统等组成（图6-1）。废水经初次沉淀池后与二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，通过曝气，活性污泥呈悬浮状态，并与废水充分接触。废水中的悬浮固体和胶状物质被活性污泥吸附，而废水中的可溶性有机物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的营养，代谢转化为生物细胞，并氧化成为最终产物（主要是CO2）。非溶解性有机物需先转化成溶解性有机物，然后才能被代谢和利用。废水由此得到净化。净化后废水与活性污泥在二次沉淀池内分离，上层出水排放；分离浓缩后的污泥一部分返回曝气池，以保证曝气池内留有一定浓度的活性污泥，其余为剩余污泥，由系统排出。
图6-1 活性污泥法工艺基本流程
（2）性能与组成
①活性污泥形态与组成 活性污泥通常为黄褐色（有时呈铁红色）絮绒状颗粒，也称为“菌胶团”或“生物絮凝体”，其直径一般为0.02～2mm；含水率一般为99.2%～99.8%，密度因含水率不同而异，一般为1.002～1.006g/cm3；活性污泥具有较大的比表面积，一般为20～100cm2/mL。
活性污泥由有机物及无机物两部分组成，组成比例因污泥性质的不同而异。例如，城镇污水处理系统中的活性污泥，其有机成分占75%～85%，无机成分仅占15%～25%。活性污泥中有机成分主要由生长在活性污泥中的微生物组成，这些微生物群体构成了一个相对稳定的生态系统和食物链，其中以各种细菌及原生动物为主，也存在着真菌、放线菌、酵母菌以及轮虫等后生动物。活性污泥还吸附着被处理的废水中所含有的有机和无机固体物质，在有机固体物质中包括某些惰性的难以被细菌降解的物质。
②活性污泥的浓度与功能
1）污泥浓度。混合液悬浮固体浓度（MLSS）也称为混合液污泥浓度，表示活性污泥在曝气池混合液中的浓度，其单位为mg/L或kg/m3。混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）表示有机悬浮固体的浓度，其单位为mg/L或kg/m3。在条件一定时，MLVSS/MLSS比值比较稳定，城镇污水一般在0.75～0.85之间，不同废水的MLVSS/MLSS值有差异。
2）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机物。细菌是有机物的净化功能中心。同时，活性污泥中还存在硝化细菌与反硝化细菌。它们在生物脱氮中起着非常重要的作用。尤其是在废水中氮的去除日益受到重视的形势下，这两类菌及它们之间的关系显得更重要。
进行硝化作用的微生物有以下几种。
Ⅰ.亚硝化细菌和硝化细菌，它们均为化能自养菌，专性好氧，分别从氧化
和
的过程中获得能量，以CO2为唯一碳源，产物分别为及
；它们要求中性或弱碱性环境（pH=6.5～8.0），在pH<6时作用显著下降。
Ⅱ.好氧的异养细菌和真菌，如节杆菌、芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、姆拉克汉逊酵母、黄曲霉、青霉等，能将
氧化为及，但它们并不依靠这个氧化过程作为能量来源的途径，它们相对于自然界的硝化作用而言并不重要。
硝化菌对环境变化很敏感，DO≥1mg/L，pH=8.0～8.4，BOD≤15～20mg/L，适宜温度为20～30℃，硝化菌在反应器内的停留时间，即生物固体平均停留时间，必须大于其最小的世代时间。
进行反硝化作用的微生物有异养型的反硝化菌，如脱氮假单胞菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌等，在厌氧条件下利用中的氧氧化有机物，获得能量，自养型的反硝化菌，如脱氮硫杆菌，在缺氧环境中利用中的氧将硫或硫代硫酸盐氧化成硫酸盐，从中获得能量来同化CO2。兼性化能自养型反硝化菌，如脱氮副球菌，能利用氢的还原作用作为能源，以O2或作为电子受体，使还原成N2O和N2。
6.1.2 主要运行工艺
作为有较长历史的活性污泥法生物处理系统，在长期的工程实践过程中，根据水质的变化、微生物代谢活性的特点和运行管理、技术经济及排放要求等方面的情况，又发展成为多种运行方式和池型。其中按运行方式可以分为普通曝气法、渐减曝气法、阶段曝气法、吸附再生法（即生物接触稳定法）、高速率曝气法等；按池型可分为推流式曝气池、完全混合式曝气池；此外，按池深及曝气方式及氧源等，又有深水曝气池、深井曝气池、射流曝气池、纯氧（或富氧）曝气池等。
（1）推流式（传统活性污泥法）
废水像活塞运动一样在曝气池内向前推进。在推流式工艺中，废水沿曝气池内的一系列廊道流动，其流程如图6-2所示。
图6-2 推流式工艺
由图6-2可见，废水流过曝气池时类似于活塞运动，并在推流过程中得到了净化，BOD5的浓度逐渐降低。该工艺的变型包括增加污泥回流和（或）将曝气方式改为渐减曝气。之所以可以进行这种变型，是因为废水中的BOD浓度沿程逐渐降低，其所需的空气量（需氧量）及细菌数量也相应降低。
（2）完全混合式
废水在整个曝气池内瞬时完全混合。完全混合式活性污泥工艺的特点是在整个曝气池内废水与氧气及微生物瞬时混合，其工艺流程如图6-3所示。
图6-3 完全混合式工艺流程
由于原水与氧气和微生物完全混合，池内各点的挥发性悬浮固体浓度与需氧量均相等。完全混合式活性污泥法是最常见的运行工艺。
（3）接触稳定法
接触稳定法又称生物吸附法或吸附再生法，如图6-4所示。微生物在接触池内吸收有机物，原水先进入接触池，在这里进行曝气并与微生物混合。微生物同时与可溶性有机物和不可溶性有机物接触，可溶性物质可透过细菌的细胞壁，固体物质黏附在细胞壁外侧，然后生物固体在二沉池内被沉淀分离。沉淀后的污泥部分排出系统，其余的回流至稳定池，稳定池内进行曝气但不进水。
图6-4 接触稳定法工艺流程
微生物在稳定池内降解有机物，细菌在稳定池内降解（稳定）其在接触池内吸收的有机物。当细菌的降解过程结束并需要吸收新的养料时，将被回流至接触池。因为细菌储存在体内的养料已经被完全消耗，它们对原水中有机物质的吸收过程很快，因此，在接触池内的停留时间可以大大缩短，从而接触池所需的体积也比其他活性污泥工艺要小。稳定池所需的体积也比传统曝气池小，因为稳定池只接受二沉池回流的污泥而没有进水。由于在接触池内的溶解性物质和不溶性物质都可被快速吸收，通常在接触池前不需设初沉池。
（4）延时曝气法（用于处理工业废水）
延时曝气法常用于处理主要含可溶性有机物的工业废水，这类废水需要较长泥龄的工艺以降解复杂的有机物。延时曝气法的流程图与完全混合式相同，只是曝气时间长。这种工艺的一个优点是废水在曝气池内的停留时间长，有利于抵抗冲击负荷和临时负荷；另一个优点是剩余污泥量少，因为部分污泥细菌已在曝气池内被消化。延时曝气式工艺流程如图6-5所示。
图6-5 延时曝气式工艺流程
（5）多点进水式
以多点进水的方式为微生物逐渐提供有机养料。多点进水工艺指沿推流式曝气池布置多个进水点，工艺流程如图6-6所示，该工艺中，微生物在曝气池内向前推流时，逐步获取养料，而不是在池的端部获取全部养料，这就使得微生物经过曝气池时不断重复吸收、消化有机物的过程。这种进食模式有助于在整个池长范围内保持养料与微生物之间的平衡。
图6-6 多点进水式工艺流程
（6）渐减曝气式
曝气池的供气量沿池长逐渐降低。渐减曝气式工艺中的反应器也是推流式，在曝气池的进水端微生物的量很大，相应的需氧量也很大。而当污水在曝气池内向前流动时，有机物不断被细菌降解。随着细菌食料的减少，其需氧量也不断降低。鉴于此，有些污水厂在曝气池的进水端提供较大的供气量，因为这里的耗氧速率最高，然后沿池长逐渐减少供气量，因为在水流方向上养料和需氧量都在减少，如图6-7所示。
图6-7 渐减曝气式工艺流程
（7）高负荷法
高负荷活性污泥法又称短时曝气法或不完全活性污泥法。工艺的主要特点是负荷率高，曝气时间短，对废水的处理效果低。在系统和曝气池构造方面，与传统活性污泥法基本相同。
（8）浅层曝气法
浅层低压曝气又名因卡曝气（INKA aeration），是瑞典Inka公司所开发的。其原理基于气泡在刚刚形成的瞬息间，其吸氧率最高。如图6-8所示。曝气设备装在距液面800～900mm处，可采用低压风机。单位输入能量的相对吸氧量可达最大，它可充分发挥曝气设备的能力。风机的风压约1000mm即可满足要求。池中间设置纵向隔板，以利于液流循环，充氧能力可达1.80～2.60kg/（kW·h）。工艺缺点是曝气栅管孔眼容易堵塞。
图6-8 浅层曝气原理
（9）深水曝气法
曝气池内水深可达8.5～30m，由于水压较大，故氧利用率较高，但需要的供风压力较大，因此动力消耗并不节省。近年来发展了若干种类的深水曝气池，主要有深水底层曝气、深水中层曝气，其中包括单侧旋流式、双侧旋流式、完全混合式等。为了减小风压，曝气器往往装在池深的一半，形成液-气流的循环，可节省能耗。当水深超过10～30m时，即为塔式曝气池。如图6-9所示。
图6-9 深水曝气原理
深井曝气是20世纪70年代中期开发的废水生物处理新工艺。深井曝气处理废水的特点是：处理效果良好，并具有充氧能力高、动力效率高、占地少、设备简单、易于操作和维修、运行费用低、耐冲击负荷能力强、产泥量低、处理不受气候影响等特点。此外，在大多数情况下可取消一次沉淀池，对高浓度工业废水容易提供大量的氧，也可用于污泥的好氧消化。深井曝气装置一般平面呈圆形，直径为1～6m，深度50～150m。在井身内，通过空压机的作用形成降流和升流的流动。如图6-10所示。
图6-10 深井曝气原理
（10）纯氧曝气法
①纯氧曝气法的特点 纯氧曝气又称富氧曝气。与空气曝气相比，具有以下几个特点。
1）空气中含氧一般为21%，一般纯氧中含氧为90%～95%，而氧的分压纯氧比空气高4.4～4.7倍，因此，纯氧曝气能大大提高氧在混合液中的扩散能力。
2）氧的利用率可高达80%～90%，而空气曝气活性污泥法仅10%左右，因此达到同等氧浓度所需的气体体积可大大减少。
3）活性污泥浓度（MLSS）可达4000～7000mg/L，故在相同有机负荷时容积负荷可大大提高。
4）污泥指数低，仅100左右，不易发生污泥膨胀。
5）处理效率高，所需的曝气时间短。
6）产生的剩余污泥量少。
②纯氧曝气池的分类 纯氧曝气池有三类，如图6-11所示。
图6-11 纯氧曝气活性污泥法工艺流程
1）多级密封式，氧从密闭顶盖引入池内，废水从第一级逐级推流前进，氧由离心压缩机经中空轴进入回转叶轮，它使池中污泥与氧保持充分混合与接触，使污泥能极大地吸收氧，未用尽的氧与生化反应代谢产物从最后一级排出。
2）对旧曝气池进行改造，池上设幕蓬，既通入纯氧，又输入压缩空气，部分尾气外排，也可循环使用。
3）敞开式纯氧曝气池。纯氧曝气活性污泥法的运行数据和设计参考数据见表6-1。
表6-1 纯氧曝气活性污泥法的运行数据和设计参考数据
6.1.3 运行过程与控制因素
在活性污泥法曝气过程中，废水中有机物的去除过程是由吸附和稳定这两个过程和阶段组成的。在吸附阶段，主要是废水中的有机物转移到活性污泥上去；在稳定阶段，主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所吸收利用。这两个阶段事实上是不能绝对分开的，它们在曝气过程中是并存的；前一个吸附阶段中亦存在着物质稳定，但不是主要的。故在吸附阶段中必然是以吸附为主，而在稳定阶段则以稳定为主。
（1）溶解氧
活性污泥法是一种利用好氧微生物的污水生物处理工艺。溶解氧浓度对活性污泥的工作关系密切。据有关报道，当溶解氧浓度高于0.1～0.3mg/L时，单个悬游着的好氧细菌的代谢不受溶解氧浓度的影响。但是，活性污泥的泥粒是千万个个体微生物集结在一起的絮状体，要使其内部的溶解氧浓度达到0.1～0.3mg/L，泥粒周围的溶解氧浓度一定要高得多，这个浓度的最低限值同泥粒的大小和混合液温度有关，因为它们影响氧向泥粒内部的扩散。为了获得良好性能的活性污泥，据长期的研究观察经验，认为混合液中的溶解氧浓度应保持不低于1～2mg/L，以保证活性污泥法系统的正常运行。
当曝气池中的溶解氧过低时，将有利于活性污泥中丝状菌的大量繁殖。这主要是由于丝状菌的体形长，表面积大，比其他细菌容易夺得氧，故在竞争中可占优势。丝状菌一旦建立优势，其他细菌就更不易取得氧，这就可能使得活性污泥产生膨胀。
季节对溶解氧的影响必须引起重视。在夏季，活性污泥中的微生物非常活跃，加上饱和溶解氧值下降，因此，供氧量要增加；反之，在冬季可以减少。
（2）营养物
活性污泥的主体是好氧微生物，培养好活性污泥，就必须提供微生物的营养物质要求。其中以碳营养源为主，此外，还需氮、磷营养源和一些微量元素。通常取碳、氮、磷三种营养源作为培养活性污泥微生物所需营养物的主体构成，并提出应满足营养源组成比例为BOD∶N∶P=100∶5∶1。氮缺乏会引起丝状菌增长或者活性污泥分散生长（絮凝差），此外，还会抑制活性污泥增殖；同时，活性污泥在分解BOD的过程中在细胞壁外分泌过量产物形成一种“绒状”絮体（沉降性差）。在生活污水中是能够满足营养源组成比例的。可是在工业废水中不一定都能满足。有的工业废水可能缺乏某种营养源，需向反应器内投加必要的氮和磷等营养物质。投加硫酸铵、硝酸铵、尿素、氨水等以补充氮，投加过磷酸钙、磷酸等以补充磷。工业废水宜与生活污水合并处理。
（3）温度
活性污泥微生物的生理活动和其所处环境的温度有着密切的关系。例如，城市污水处理厂的运行，在温暖季节，水温适宜时，情况就较正常，出水水质较好；而在严寒季节，水温过低时，处理效果就较差。这是因为微生物酶系统的工作要求一定的适宜温度范围。在该范围内，微生物的生理活动活跃、旺盛，生长、繁殖正常，物质代谢作用亦较快。据污水处理厂的运行经验，曝气池系统内的水温以20～30℃为适宜范围，若水温超过35℃或低于10℃时，处理效果就下降。因此，对高温工业废水，如进行生物处理，往往需要加以降温，使水温处于适宜范围内，而对寒冷地区的污水生物处理构筑物，有时需要采取保温措施，维持一定的水温。目前对于小型生物处理构筑物，一般采取设置于室内予以保温的设计，而对大型污水处理厂，采取适当的保温措施，维持一定的运转水温。据有关报道，如水温能维持在6～7℃之间，同时采取提高活性污泥浓度和降低污泥负荷率的措施，活性污泥仍能有效地发挥作用，达到一定的处理效果。
（4）pH值
曝气池内混合液的pH值，对活性污泥微生物来说也是一个重要的因素，pH值过低、过高都是不适宜的。一般位于中性附近，pH=6.5～7.5是最适宜的，因为在这个范围内，活性污泥微生物的生长繁殖情况和活性最好。如pH值低于6.5时，将对霉菌生长有利，如果活性污泥中有大量霉菌（真菌）繁殖，由于它们不像细菌那样可分泌黏性物质，因而会破坏活性污泥的结构，造成污泥膨胀。同样，如果pH值过高，达到9时，原生动物将由比较活跃转为呆滞，菌胶团黏性物质解体，活性污泥结构亦将遭到破坏。另外，营养物磷会析出而无法被微生物利用。根据活性污泥法系统的运转经验来看，曝气池内混合液的pH值一般以位于6.5～8.5范围内较好。为此，pH值过高、过低的工业废水，在进行生物处理之前，均应采取适当的中和措施，予以调整。对完全混合活性污泥法来讲，由于曝气池有一定的混合、稀释能力，故对进水pH值的要求可放宽些，对进水pH值的突然变化亦有一定的耐冲击能力。
（5）有毒物质
有毒物质是指对活性污泥微生物具有抑制及杀害作用的那些化学物质。毒物对微生物的影响是破坏它们的细胞结构，主要是破坏细胞的细胞质膜和机体内的酶，使酶失去活性，细胞质膜遭到破坏，使机体外界的物质进入细胞体内，而体内的物质也溢出体外。这就破坏了微生物的正常生理活动。有毒物质对活性污泥微生物的抑制及杀害作用分急性中毒和慢性中毒两类。
众所周知，许多重金属离子（如铅、镉、铬、铜、锌等）对微生物有毒害作用。这些重金属离子能与细胞内的蛋白质结合，从而使蛋白质变性，使酶失去活性。在污水活性污泥法生物处理中，对这些重金属离子应加以控制，使其处于允许浓度内。
此外，又如酚、氰、腈、醛、硝基化合物等，一方面对微生物有毒性，另一方面又能被某些微生物分解利用使之无毒，但是能承受的浓度有一定限度。活性污泥微生物对这些毒物的承受（容许）浓度在被驯化前后有很大差异。如未经驯化的微生物，对氰和酚的承受浓度分别为1～2mg/L和50mg/L左右；经驯化后，可分别达到20～30mg/L和300～500mg/L。因此，针对这种情况，还应视具体的污水进行可生物处理性试验，以确定生物处理对水中毒物的容许浓度。
另外，处理工艺及构筑物不同，对毒物的忍受浓度也有不同。例如在塔式生物滤池和生物转盘中，微生物有明显的分层或分级现象，因此对毒物的忍受能力较强。例如，上海焦化厂的含氰废水处理试验中发现，活性污泥系统在进水氰浓度超过30mg/L时，处理效果明显下降；而塔式生物滤池在进水氰浓度为40mg/L时，处理效果仍然很好。
在工业废水处理中，应防止超过容许浓度的有毒物质进入。对含有重金属的废水，依靠生化处理不能去除的重金属，它在污泥中的积累还会影响到剩余污泥的处置，因此必须采用适当的物理、化学方法进行预处理。
（6）曝气池混合程度
曝气池内的混合程度关系到废水中的有机物转移到活性污泥微生物上去的传质效果；此外，混合得好还可以防止曝气池内的污水短流发生。一个混合良好的曝气池的特征是池内任何处的DO和MLSS浓度均匀一致。