水污染控制工程10活性污泥运行方式、膨胀问题

第五节活性污泥法系统的运行方式
随着活性污泥法实际运行经验的积累，其具体运行方式也在不断革新，从创始的传统活性污泥法起，到现在已经发展有多种的运行方式。

在本节内容中所列举的种种运行方式，均是自活性污泥法创始以来，随着科技的进步，针对运行中的某些薄弱环节、实际中存在的多种有机型废水的水质特征以及废水处理要求等因素，经过不断地实践而发展起来的。

活性污泥法工艺在今后的主要发展方向一是提高回流污泥浓度，二是提高曝气的动力效率。

一、传统活性污泥法
传统活性污泥法是活性污泥法最早的运行方式；
废水和回流污泥在曝气池首端一并进入，水流呈推流型；
有机物被活性污泥微生物吸附、降解、沉降等过程，BOD5的去除率一般可达90%及以上。

传统活性污泥法运行中所存在的问题是：
（1）曝气池中，负荷分布不同，进口端最高，沿池长逐渐降低，至池的出口端最低。

（2）由于沿曝气池长负荷分布不同，因此需氧速率由大变小变化，而沿池长的供氧速率是不变的，供、需不平衡，能耗大。

（3）废水进入曝气池后仅与活性污泥混合问题，活性污泥耐冲击负荷差。

二、渐减曝气
为改善传统活性污泥法系统沿曝气池长供、需氧速率不平衡的矛盾，尽可能减少能量的消耗，提出了一种使供氧与需氧速率尽量吻合的渐减曝气活性污泥法，即供氧速率沿曝气池的长度方向逐步递减，使其尽可能接近需氧速率。

三、分段曝气（多点进水）
为改善曝气池入口处有机物浓度高，供氧量不能满足需氧量的矛盾，可采取多点进水的方式，使原由池首承担的较高有机物负荷沿曝气池池长均匀承担。

它的主要优点是：
（1）废水沿曝气池长分成几点进入，底物浓度沿池长较均匀地分布，改变了传统活性污泥系统有机物浓度池首高、池尾低沿池长分布不均的状况，使曝气池供氧速率和需氧速率之间的相互吻合状况得到改善。

（2）由于废水中的有机污染物是分成几个小股进人曝气池的，这就使得可能遇到的突增负荷被分散并减轻冲击程度，与单点进水相比，多点进水提高了耐冲击负荷的能力。

（3）由于池首端只有部分的污水进入和回流污泥混合，曝气池中的活性污泥浓度在池首端明显较高，池末端的污泥浓度和传统活性污泥法中相同。

所以在同样条件（同样的回流污泥浓度及同样的污泥回流比）下，曝气池中污泥平均浓度明显高于推流式活性污泥法的污泥浓度，因此体积负荷较高，适应于较高有机物浓度的废水处理。

四、完全混合
完全混合活性污泥法是为适应生产中存在的废水水质波动大的实际情况，为使波动的水质在尽可能短的时间内得到均化，尽快消除生物降解过程的不利因素而研制开发的曝气池运行方式。

以这种方式运行的曝气池池型分矩形池和圆形池两种形式。

其中圆形池在工程上应用较多。

1．以矩形曝气池为核心的完全混合活性污泥法
以矩形曝气池为核心的完全混合活性污泥法是在多点进水法运行方式的基础上，进一步增多进水点，与此同时，将回流污泥亦相应以多点入流的方式回流，形成的完全混和运行方式，从而使曝气池中混合液不均匀的状况得到更为显著的改变。

2．以圆形曝气池为核心的完全混合活性污泥法
在实际应用中，完全混合式活性污泥法除采用沿整个池长多点均匀进水和回流污泥的方法之外，更多的是采用中心进水周边出水、与表面曝气机相组合的完全混合沉淀池形式，通常简称之为全混曝气池。

全混曝气池的特点是回流比很大，可达3~5，曝气器内混合液与进水高度混合，无论原水怎样波动，全池各个部位的有机物、污泥浓度基本均匀一致，因此是一种较为典型完全混合式活性污泥法工艺。

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、需氧速率基本相同；
（2）当入流出现冲击负荷时，大量的池液迅速与进水完全混合，混合后池液的组成与混合前池液的组成相比变化较小，故耐冲击负荷能力较大。

五、浅层曝气
为了增大氧的传递率，扩散器放置深度0.6-0.8m，节省动力。

六、深层曝气
所谓深水曝气活性污泥法是指曝气池水深在7米以上（常规者一般为4～5米）的活性污泥工艺系统。

由于曝气池水深的增加，曝气池混合液的饱和溶解氧浓度得以提高，从而增强了曝气过程氧氧的传质推动力，加快了氧向液相转移的速度；并且由于池容朝竖向深度发展，曝气池的占地面积大大减少。

1.深水中层曝气法
深水中层曝气法的主要特点是池深加大，但曝气装置仍放在水下4米左右处（靠近池深的中部），因而仍可采用风压在5米水柱以内的一般规格鼓风机。

为在池中形成横向环流，池中设导流隔墙或导流筒。

2.深水底层曝气法
深水底层曝气法，有时也称为深层曝气法。

它与中层曝气法的主要区别是曝气装置设在池底），其在应用中的主要问题是需要设置高风压的鼓风机。

3.深井曝气法
深井曝气法又称超水深曝气，它的曝气池是一座深井，直径一般为1～6m，深度为50～150m 或更深，由于井深较大，氧利用率高，故生化反应速度快，水力停留时间一般只需1～2h。

据有关资料报道，深井曝气法的氧利用率可比常规曝气法高十倍。

此外，在当今建筑用地越来越紧张的情况下，深井曝气法占地特别少的优点愈来愈受到关注，并在国内外已有成功的实际应用。

七、高负荷曝气
又称短时曝气法。

其特点主要是污泥负荷高、曝气时间短，处理效率较低（仅65%左右），剩余污泥量大，同时运行费用较少。

适用于出水水质要求较低或者前一级处理的场合。

短时曝气法的工艺流程与普通活性污泥法相同，但为区别见，常称之为变型活性污泥法。

八、克劳斯法
当废水中碳水化合物的比例过高，氮源不足时，常常会出现污泥膨胀，影响活性污泥法处理厂的正常运行。

为解决这个问题，1955年美国的克劳斯（L.S.Kraus）把厌氧消化池上清液一起先进入预曝气池，予以混和、预曝气，然后再和废水一起进入曝气池，由此形成克劳斯活性污泥法工艺系统，由于消化池上清液富含氨氮，可向微生物提供氮营养源；而含有较重固体颗粒的消化污泥的加入，则可改善混合液的沉降性能；此外，通过预曝气，活性污泥微生物的活性大大提高，其吸附、氧化降解有机物的性能也得到改善。

采用克劳斯活性污泥法运行方式，可有效解决高碳废水生化处理运行中经常出现的污泥膨胀问题，改善了出水水质。

九、延时曝气
延时曝气活性污泥法，又称完全氧化活性污泥法。

其特点是污泥负荷特别低，曝气时间一般达为24小时，因而会有硝化作用发生；剩余污泥量少而且性质稳定，无需消化，易于处置。

其缺点是占地面积大、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。

延时曝气法一般常采用完全混和型曝气池（如采用推流型曝气池、则池首、池尾环境情况将有较大差异），而且在其流程中一般不设初沉池；其曝气池部分则与完全混和活性污泥法的相同。

延时曝气法主要适用于规模小于4000m3/d的溶解态有机废水处理的场合。

十、接稳定化法
十一、氧化沟
其实质亦是活性污泥法的一种改型，属于低负荷延时曝气的一种特殊形式。

氧化沟的生物反应池的平面布置有如环形跑道，污泥混合液在曝气沟槽中进行连续循环，氧化沟槽深一般为1～1.5m，槽中流速为0.3～0.6m/s；氧化沟的直段上设置有转刷，在向氧化沟内供氧的同时，使废水、回流污泥和沟中原有混合液较好地混合，并推动水流向前运动。

氧化沟法具有运行负荷低，处理深度大；污泥产量较少，且沉降性能好，无臭味，易于处置；耐冲击负荷，布局紧凑，运行管理方便和能耗低的优点。

此外，由于曝气转刷只布置在氧化沟的局部区位，距转刷不同距离处自然形成好氧、缺氧及厌氧区段，即在连续循环过程中可交替出现缺氧-好氧条件，因此具有反硝化脱氮的功能，常被用作生物脱氮工艺。

在废水处理量较小时，氧化沟法可采用间歇运行的方式，这样，可省去二沉池，氧化沟本身可在停止曝气运行后，兼作沉淀池用；当废水处理量较大时，需另设二次沉淀池和污泥回流系统。

十二、纯氧曝气
纯氧曝气活性污泥法的思路是通过提高废水中氧的溶解推动力，提高氧的转移速率。

常温20℃下，鼓风（空气）曝气的液体中的饱和溶解氧浓度约9mg/L；而若采用纯氧曝气时，液体中饱和溶氧浓度可提高到43mg/L，氧的转移速率可得到数倍的提高。

纯氧曝气系统的充氧设备改用内置搅拌器的密闭形式，并且由于混合液溶解氧含量充足，能够以较高的污泥负荷实现对废水的有效处理。

目前，世界各国建成运行的纯氧曝气污水处理厂已有多座，其中规模较大的如日本东京吉祥院的400，000m3/d、美国底特律的2,280,000m3/d。

纯氧曝气法在具体应用中存在的主要问题是纯氧（纯度98%）的供应问题。

除小规模时可用商品液氧外，一般均需自备制氧装置。

制氧装置实际运行管理的专业性较强，操作复杂，对废水处理厂来说，可能存在较大困难。

中、小型污水厂，自备分子筛法制氧站时，情况可能会好些；而在大型污水厂，采用自备深冷法制氧站时，则问题就更为复杂。

故在具体应用时应结合实际情况予以认真考虑。

十三、ABF法
，在活性污泥过程之前设置一个塔式滤池，可与曝气池串联或并联，又称复合式的活性污泥法，塔不同于普通的生物滤塔，是一个强烈的充氧器，污水在塔中的时间不到1min，但实际停留时间要长得多。

十四、AB法
AB法也称作生物吸附氧化法，是2 0世纪70年代为解决传统活性污泥系统存在的基建运行费用高、对难降解有机物的去除效果差、不具备脱磷除氮功能等问题而开发出的。

AB法工艺是将活性污泥法设计成两段，或者说是由两个活性污泥法工艺串联组成。

A段主要用于吸附废水中的有机物，其水力停留时间仅0.5h左右，污泥负荷率一般大于2.0kgBOD5/kgMLSS.d，并可根据进水水质的不同，以好氧或缺氧方式运行A段；B段主要用于氧化降解有机物，其停留时间较长，且处于低负荷运行状态，污泥负荷率一般小于0.3kgBOD5/kgMLSS.d。

由于A、B两段的回流污泥各自回到原所在段位，因而形成具有不同功能的微生物种群，高负荷A段中的活性污泥微生物多呈游离状态，代谢活性强且具有一定的吸附能力；低负荷B段中的微生物则主要承担氧化降解有机物的作用，总体活性污泥的性能得到显著的改善。

AB法具有反应池容积小、造价低、耐冲击负荷、出水水质稳定可靠的优点，可广泛用于老污水厂改造，扩大处理能力，提高处理效果。

此外，在有毒有害废水及工业废水比例较高的城市污水的生物处理中，AB法有较大的优势。

十五、SBR法
所谓SBR法是指近年来开发的序批式反应器（Sequencing Batch Reactor，简称SBR）为核心的间歇式活性污泥法。

SBR法去除有机污染物的机理与连续式活性污泥法基本相同，但在工艺上将曝气池和沉淀池合为一体，在运行模式上是由进水、反应、沉淀、排水和闲置等五个基本过程组成一个周期，即在单一反应器内的不同时段进行不同目的的操作。

进水期指反应器接纳原水，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；反应期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，如需达到脱磷除氮的目的还可对此过程进行间歇曝气或搅拌，形成好氧/缺氧条件；反应期结束后，停止曝气和搅拌，即进入具有较高沉淀效率的静置沉淀期；在随后的排水期中，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使用；自排水期结束到下一批废水进入之前即为闲置期，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。

与其他活性污泥法比较，SBR法具有工艺流程简单，基建及运行费用低；污泥的活性高、产率低、且易沉降；可通过适度的充气、停气为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的反脱氮条件，获得较好的脱氮效果；可采用自动化控制工序操作等诸多的优点。

十六、射流曝气
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，显著提高氧的传递速率。

射流曝气活性污泥法就是利用这一特点而创新的一种运行方式。

以射流器用做废水生物处理的曝气充氧设备，早在50年代初就已问世。

由于射流曝气具有高效充氧的优点，现已引起国内外废水处理领域的普遍重视，并在小型的废水生物处理工程中得到应用。

十七、粉末活性炭-活性污泥法
粉末活性炭-活性污泥法是在活性污泥法的工艺操作上增加了向曝气池投加粉末活性炭的
环节。

其实质是将活性污泥法与生物膜法相组合而形成的一种新型的活性污泥法工艺。

粉末活性炭在系统中的作用包括：（1）吸附废水中的有机物，并通过活性炭在系统中反复循环形式，增加了有机物（特别是难降解有机物）在系统中的相对停留时间，增强了氧化降解的效果；（2）活性炭表面所附着的微生物膜可提高曝气池的污泥微生物总量，有利于高有机物负荷的工艺处理；（3）活性炭的粉末可以作为凝结核，改善二沉池污泥的凝聚沉降性能，提高回流污泥浓度，进而可提高曝气池的污泥浓度。

粉末活性炭所具有的这些功效均有利于提高活性污泥系统的净化效率，改善出水水质。

粉末活性炭-活性污泥法工艺除具有较好的脱色、除臭、消减泡沫以及避免产生污泥膨胀现象等的功效，还可提高系统抵抗毒有物质和重金属离子冲击负荷能力。

目前已在国外的合成纤维、化工、印染、炼油、炼焦等行业的工业废水处理实践中得到应用。

在进行活性污泥具体运行方式的选择时，必须和实际情况相结合，综合考虑处理效果、运转的稳定可靠性、能耗、剩余污泥、占地等因素的影响，从技术上、经济上进行全面的综合分析论证，只有这样，才有可能确定一个比较合理、满意的运行方式。

表15-4和表15-5归纳给出上述运行方式各自的特点和基本参数，可供运行方式选择时参考。

表15-4 活性污泥法主要运行方式的特点
表15-5 活性污泥法主要运行方式的基本参数
第六节活性污泥系统的运行管理
为使活性污泥系统正常稳定运行，保证系统的净化效率和处理出水的水质，应当特别加强废水处理站的管理工作。

下面介绍活性污泥法系统运行管理的主要工作和运行中可能发生的问题及其防范措施。

一、活性污泥的培养与驯化
（一）活性污泥的培养
活性污泥系统投产运行前必须备好足够数量的活性污泥。

活性污泥可用粪便水经曝气培养而得。

具体步骤是:将过滤后的浓粪便水投入曝气池，再用生活污水或自来水稀释至BOD5约
200~300mg/L后，进行连续曝气。

在水温15~20℃条件下，通常一周左右就会出现活性污泥的绒絮，镜检可找到一些菌胶团，而钟虫、轮虫等还不易找到。

此后，需进行换水操作，以补充营养、排泄代谢产物。

活性污泥的进一步培养分间断操作和连续操作两种方式:
1．间断操作
间断操作是当首次加料曝气进行到出现活性污泥绒絮后，就停止曝气操作，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%，然后补充生活污水或粪便水，并接着进行曝气。

当混合液沉降比大于30%时，如投加生活污水，就不需添加粪便水；如果投加自来水，则可加入少量粪便水，以增加营养。

若混合液沉降比低于30%，则仍须投加较多的粪便水。

从停止曝气、沉淀，到换水后重新曝气的总时间间隔以不超过2h为宜。

将上述换水操作每天进行一次，并随培养时间的延长，逐渐增加换水量。

水温在15~20℃时，经两周左右，污泥即可培养成熟。

成熟的活性污泥应具有良好的凝聚、沉降性能，污泥内含有大量菌胶团和纤毛类原生动物，如钟虫、等枝虫、盖纤虫等，并可使污水的BOD去除率达到90%左右。

2．连续操作
当曝气池池容较大大，澄清水不容易在短时间内排出而难于进行间断操作时，则可进行连续操作。

即在首次加料出现污泥绒絮后，连续不断地向池内投料（投配原则与间断操作相同），并连续排放曝气池混合液和回流污泥。

所投加的水量应能保证池内的水每天更新一次，并随培养的进展逐渐加大水量，使在后期达到每天更新二次。

污泥回流量可采用曝气池进水量的50%。

在
15~20℃水温时，污泥的成熟仍约需两周。

如果条件允许，能够直接从附近运行当中的污水处理厂取活性污泥作为种源，适当地加入一些粪便水或氮、磷化合物作为微生物的养料，进行曝气培养，并可大大缩短培养时间。

（二）活性污泥的驯化
为了使已培养成熟的粪便污水活性污泥具有处理特定工业废水的能力，污泥还必须经过一个驯化的过程。

具体驯化方法是在进水中逐浙增加工业废水的比例，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%，达到较好的处理效果后，再按设计负荷的10~20%递增。

两次增加负荷的操作之间，应留有微生物的适应期，直至满负荷为止。

当工业废水中缺乏氮和磷以及其他一些微生物生长所需的养料时，则应想曝气池人工补充加入这些物质。

驯化过程中，具有代谢该工业废水的酶系统的微生物菌种得到繁衍，不能适应的
微生物菌种则被逐渐淘汰，因而，驯化培养后的活性污泥具有处理特定工业废水的能力。

为缩短培养和驯化的时间，也可以把培养、驯化这两个阶段合并起来进行。

即在污泥培养的过程中，不断地加入少量的工业废水，使活性污泥在增长过程中，逐渐适应处理工业废水的能力。

有时还可从工业废水下水道中捞取含有大量细菌的污泥投入曝气池以提高驯化效果。

二、工艺运行中可能发生的问题及其防范措施
（一）污泥上浮
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。

从操作管理方面考虑，导致二沉池污泥上浮的原因主要有三种：污泥膨胀、污泥脱氮和污泥腐化。

1．污泥膨胀
污泥膨胀是指活性污泥的凝聚、沉降性能恶化，导致处理系统出水水质浑浊的现象。

正常活性污泥的含水率一般在99%左右，具有良好的沉降性能。

而当活性污泥因某种原因发生变质时，其含水率上升，体积膨胀，澄清液减少，难于沉淀分离，发生所谓污泥膨胀的现象。

污泥膨胀的主要原因有：
①DO下降；②pH值下降；③温度升高；④营养源比例失调，含溶解性的碳水化合物高；最终导致丝状菌或非丝状菌性膨胀。

可采取以下的抑制措施：
①加强曝气，使混合液中的溶解氧不少于1~2g/L最少>0.5g/L；
②对于以碳水化合物成分为主的工业废水，通过人工补充适量的氮源或磷源，控制曝气池中碳-氮或碳-磷的比例，BOD5：N：P=100：5：1；
③氯处理，即向回流污泥中投加漂白粉或液氯以消除丝状细菌。

加氯量可按干污泥量的
0.3~0.6%估计；
④调整pH值。

⑤投加惰性物质，如石棉粉末、硅藻土，黄泥等也有一定效果；
⑥改变工艺方法，研究表明，完全混合的比传统的推流式易发生膨胀；设初沉池，SVI高，易膨胀；叶轮曝气比鼓风曝气易膨胀；射流曝气可克服浮游球衣细菌引起的膨胀等等。

污泥膨胀是活性污泥处理厂的一个较难解决的问题，应根据具体情况进行处置，必要时须更换新泥。

如果在曝气池后用气浮池代替沉淀池，则可消除由于污泥上浮而影响出水水质的情况。

2．污泥的脱氮
当进水中含有较多的氮化合物，系统运行的曝气时间较长、曝气量充分时，在曝气池中所发生的高度硝化作用会使混合液中含有较多的硝酸盐。

当后续进行泥-水分离操作的沉淀池当中出现溶解氧低于0.5mg/L的条件时，就会在污泥区中发生反硝化细菌将硝酸盐还原成氮气的反硝化作用过程，这样，逸出的氮气就会携带污泥一起浮升，导致污泥的上浮。

因此，应对二沉池中所发生的反硝化作用予以关注。

防止由于脱氮而引起污泥上升的办法包括:
①增加污泥的回流量或及时排放污泥，以减少沉淀池中的污泥量及停留时间；
②减少系统的曝气量或缩短曝气时间，以减弱曝气池的硝化作用。

3．污泥腐化
如果操作不当，系统曝气量过小，则二沉池的污泥可能由于缺氧而腐化，即造成厌氧分解，
产生大量气体，携带污泥上升。

此时，应加大曝气量，以保证系统正常运行。

（二）活性污泥不增长或减少的现象
在活性污泥培养和运转过程中，有时会产生污泥不增长或减少的现象。

产生这种现象的原因主要有：
①污泥由于上浮而流失；②污泥所需要的养料不足，包括废水中有机物含量少。

其解决的办法是：①提高沉淀效率，防止污泥流失；②投入足够的养料，包括进水水量；③调整系统的曝气量，使之与进入系统有机物量相对应，以使活性污泥获得迅速增长。

（三）泡沫问题
当废水中含有大量合成洗涤剂或其他起泡物质时，就会在曝气池中产生大量的泡沫，进而带来影响操作环境，造成曝气池污泥流失的负面作用，特别是在采用机械曝气的场合，泡沫还将严重影响叶轮的充氧能力。

控制泡沫的办法有：
①用自来水或处理出水喷洒；
②投加除沫剂，如机油，煤油等。

一些废水处理站曾用废机油作为除沫剂，也收到较好的
除沫效果。

据一些城市废水处理厂的报道，消除曝气池泡沫的用油量约为0.5~1.5mg/L。

但应注意过多的油类物质随出水出流，造成水体污染的问题。

对于混合液中的活性污泥随泡沫飞溅粘附在池壁上不能发挥其功效，甚至被风吹离曝气池而流失的问题，可通过适度加大回流污泥量，提高曝气池的污泥浓度，加以弥补。

三、日常检测项目
具体检测的项目及要求如下：
（一）反映污泥情况的项目：（1）SV（最好每2小时或4小时测一次，至少每班测一次）；（2）MLSS和MLVSS；（3）SVI；（4）微生物观察。

（二）反映混合液营养的项目：(1)氮；(2)磷；(3)溶解氧。

通常，混合液溶解氧不应低于1~2mg/L，而二次沉淀池出流堰附近表层的水中的溶解氧含量应至少有0.5mg/L左右。

一般情况下，曝气池混合液中的溶解氧量也不宜高于4~5mg/L，以免氧化程度过深，产生细小污泥，影响后续沉淀效果。

（三）反映混合液环境条件的项目：(1) 水温；(2) pH值。

（四）反映废水处理效果的项目：(1) BOD5；(2) COD；(3)有毒物质。

以上三项目，可取进水和沉淀池出水的各自混合水样进行测定，每天各测一次。

此外，氨氮和磷也采用混合水样测定。

所谓24小时混合水样是指在24小时时间内，每隔1或2小时取样一次，然后将所取水样全部加以混合后所形成的水样。

混合水样也有取16小时或8小时的。

思考题：
1.活性污泥法的基本概念？
2.活性污泥法基本流程是什么?污泥回流的目的。

3.什么是活性污泥？组成？
4.活性污泥的指标？
5.曝气的作用及其设备的分类、主要性能指标？测试过程？
6.什么是动力效率？。