批式活性污泥法

批式活性污泥法
一、活性污泥法(Activated sludge process)
活性污泥法处理程序的基本原理是利用好氧微生物去除废水中的有机物质。

微生物以废水中的有机物质为营养源，并藉由曝气取得代谢所需的氧气，而得以生长繁殖。

活性污泥系统主要包含四个基本单元，即曝气槽、最终沉淀池、回流污泥设备与排泥设备，系统流程如下图所示。

操作方式是将最初沉淀池处理后的有机废水流入曝气槽，使废水与曝气槽/生物反应槽内的好氧性微生物群之污泥充分混合接触，曝气槽的出流水再经最终沉淀池进行固液分离。

沉淀分离后之污泥，大部份则连续回流至曝气槽，以控制槽中的活性污泥浓度；另一部份污泥则成为废弃污泥(waste sludge)排出，另行处理。

液体部分则进入下一个处理单元或径行放流。

活性污泥系统(数据源：活性污泥操作维护手册)
曝气槽中废水与活性污泥的混合物称为混合液(mixed liquor)。

混合液悬浮固体物(Mixed Liquid Suspended Solid，缩写为MLSS)即指反应槽内混合液中的悬浮固体含量，其中的挥发性固体含量称为混合液挥发性悬浮固体(Mixed Liquid V olatile Suspended Solid，缩写为MLVSS)。

操作上通常将MLSS控制在1500~3000 mg/L。

MLVSS为MLSS中之可挥发成份，代表微生物量，约占MLSS的65~90%。

二、活性污泥中的微生物
活性污泥的组成系以胶羽狀存在。

污泥内生物主要为细菌，污泥外可見到原生动物的游动。

活性污泥法中的微生物相为由异营性细菌类、真菌类、原生动物及后生动物等数种微生物所构成的混合群聚；细菌属最低营养阶层，鞭毛虫(flagellate)、纤毛虫(ciliate)等原生动物则捕食曝气槽中过量的细菌，原生动物则又被轮虫或圆虫类等后生动物二次捕食，使放流水清澈，而达到废水净化的目的。

由于后生动物的二次捕食而使食物链增长，污泥量也因而大为减少。

因此，鞭毛虫/纤毛虫/轮虫的出现可作为活性污泥处理功能的指针。

三、微生物生化反应动力学
在探讨微生物的生化反应动力学时，通常是以Monod equation 来描述微生物细胞的生长速率与环境所提供的基质浓度(substrate concentration)之间的关系：
S K S
S max +=μμ
其中， µ：比生长速率，即单位微生物量的生长速率(specific growth rate, 1/time)
µmax ：最大比生长速率(1/time)
S ：基质浓度(substrate concentration, mass/volume)
K S ：半饱和常数((half-saturation constant, mass/volume)，即µ= µmax
/2 时的基质浓度
若以X 代表微生物浓度，则“比生长速率”的定义为：
µ＝(dX/dt)/X
其中，(dX/dt)为微生物浓度随时间的变化率，也就是生长速率(growth rate)。

由上式可得到：
dX/dt ＝μX
亦即，微生物浓度的时间变率与微生物浓度成正比；反应槽内的微生物量愈多，微生物的生长量愈大。

将Monod equation 代入上式，可得到： S
K X S dt dX S max +=μ
在活性污泥系统中，基质浓度可为BOD 、COD 或.总有机碳(Total Organic Carbon, TOC)。

针对不同的基质浓度范围，生长速率与基质浓度之间的关系可得到以下二种不同的近似结果：
(1) 近似零阶反应：
X dt
dX K S f or max s μ=>>： (2) 近似一阶反应：
S
max s K X S dt dX K S for μ=<<：
四、 活性污泥系统的设计与操作参数
1. 食微比 F/M (food to microorganism ratio)
食微比为每日流入曝气槽内的有机物量与曝气槽内污泥量的比值，单位为kg BOD5/(kg MLVSS-day)。

F/M可由控制回流污泥之多寡来控制。

在传统的活性污泥法中，适当的F/M值约为0.2~0.5 kg BOD5/(kg MLVSS-day)。

2.比摄氧率SOUR (specific oxygen uptake rate)
SOUR为单位微生物之摄氧率(OUR)，是将活性污泥于单位时间内所消耗的溶氧量除以MLVSS 浓度得之。

因活性污泥系统内微生物属于好氧微生物，故通常可量测摄氧率或比摄氧率来判定微生物之活性。

此指标除了适合用来表示活性污泥的污泥处理效率，亦可反应系统中的基质利用情形。

3.污泥龄θc（Sludge age; sludge retention time, SRT)
污泥停留时间即微生物(污泥)在活性污泥系统中之平均停留时间，一般也称为污泥龄，单位为日(day)。

传统的活性污泥法中，适当的污泥停留时间约为5~15日。

4.污泥体积指标SVI (Sludge Volume Index)：
自曝气槽取出混合悬浮固体液倒入1公升量筒中，静置沉降30分钟，量测沉降后的污泥体积(ml)，除以MLSS值，即得到1克活性污泥所占的体积，可表示曝气池中悬浮固体之沈降性。

SVI
单位以ml/g表示。

即：
若SVI值太大，表示污泥沉降不佳，增加终沉池出流水之悬浮固体量，减低处理效果，且增加回流污泥量；若SVI值太小，则表示污泥太过紧密，易造成排泥困难，阻塞污泥管线。

标准的活性污泥法之SVI介于50~ 150 ml/g，表示污泥沉降性良好。

150~ 200表示污泥轻微膨化，200以上表严重膨化。

5. 污泥回流比：
回流污泥量与流入废水量比率称为污泥回流比。

综合以上各参数，一个成功的活性污泥系统的控制条件包括：
1. 曝气槽内的有机负荷F/M需维持一定。

2. 曝气槽内需维持一定值以上的溶氧量，以提供微生物适当的氧气量。

(通常维持在2 mg/L左右)
3. 最终沉淀池分离出的污泥应浓缩至比曝气槽活性污泥浓度还高。

4. 为维持曝气槽内污泥浓度，应连续回流污泥至曝气槽。

5. 为了维持适当的污泥量与污泥停留时间，应适量排出在此程序中
增殖之微生物。

五、序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process, SBR)
序批式活性污泥法为传统活性污泥法的一种修正法，基本上是利用同一个反应槽体做为曝气槽兼沉淀池。

SBR的基本原理与一般好氧活性污泥法相似，只是将传统的连续式操作，改为周期性重复循环的批式操作。

传统活性污泥法的连续式操作是将不同的处理功能分配在不同的区域/槽体进行，SBR的操作是将传统的连续式处理改成在同一反应槽中进行批式处理，随不同的时间顺序而发生不同处理的功能。

此一修正法最大之优点就是可以在不更动任何硬件设施的情形下，增加或缩短任何一阶段的处理时间，以达到预期的处理效果。

SBR除了省去沉淀槽外，也无需设置污泥回流设备。

因此，SBR的初设成本低，且操作弹性大。

在每个SBR的循环操作周期中，共分为进水(Fill)、反应(React)、沉降(Settle)、排水(Drain)及静置(Idle)等五个阶段。

完成一个循环所需要的时间称为“周期时间”(Cycle time)。

五个阶段中，除了进水及排水两阶段是绝对必要的处理阶段以外，其余的三个阶段都可视个案状况而定。

典型
的SBR循环操作流程见下图。

典型的SBR循环操作流程
SBR各阶段的操作方式简述如下：
1. 进水阶段：进水采周期进水。

废水在进水时段内由废水储存槽连
续进入曝气槽至设定的水位后，即停止进水；待下一操作周期开
始时，才再度进水。

废水此时的COD与BOD5为最大值。

2. 反应阶段：当进水达到设定的水位之后，即开始进行曝气，并使
废水与槽中的活性污泥充分混合。

反应槽于曝气(或不曝气)及搅
拌状态时，槽中之微生物对有机物进行氧化分解，即为反应阶段。

此时的DO为最大值，COD则持续降低。

反应时间之长短决定
于废水进水与出水COD(或BOD)之限制，即取决于所需处理的
COD(或BOD)量。

3. 沉降级段：沉降之目的在于分离微生物和反应后的废水。

当系统
处于不曝气亦不搅拌的状况时，悬浮污泥即开始凝集并沉降下
来。

4. 排水阶段：将沉降后反应槽内的上澄液排至设定的水位，留下活
性污泥，此阶段称为排水阶段。

采周期排水。

排水时以“不将已
经沉降之污泥再度因水流搅动而扬起”为原则。

5. 静置阶段：排水后到下次进水之前为静置阶段。

静置可用来增加
反应槽的调度弹性或进行排泥。

排泥频率可依系统设计。

若为消
化或脱硝则需加以适度搅拌及曝气。

根据SBR之操作特性，与传统的连续式活性污泥法比较，SBR具有下列优点：
(1) 沉淀池和曝气槽合而为一，可有效节省用地。

(2) 随不同的操作策略，可以调整处理槽内废水的浓度梯度，成为理
想的栓流式反应槽(plug flow reactor)或完全混合(completely
mixed)的连续式反应槽(CSTR)，可有效控制污泥沉降性。

(3) 因采批次进流，反应槽可稳定维持高浓度之微生物。

(4) 操作弹性大，放流水可持续留于槽中处理至完全符合放流水标准
后才放流。

(5) 不需污泥回流，操作及设备简便。

(6) 藉由完全静置之沉降状态，可使污泥沉降更密实，沉淀效果良好，
不易产生污泥流失或膨化现象。

5-1 设备与器材
1. SBR反应槽
2. 空气压缩机
3. 流量调节器
4. 散气管
5. 蠕动帮浦
6. 搅拌棒
7. 量筒
8. 抽气过滤装置
9. 分析天平
10. 烧杯
11. 分光亮度计
12. 消化管
13. 加热装置
14. 移液管
15. 三角锥瓶
16. 烘箱
17. 高温炉
18. BOD瓶
19. 蒸馏装置
5-2 试剂
1. 试验废水/活性污泥
2. “水中化学需氧量检测方法－重铬酸钾密闭回流法((NIEA
W517.51B)”所有试剂
3. “水中硝酸盐氮检测方法－分光亮度计法(NIEA W419.51A)”所有试剂
4. “水中溶氧检测方法－迭氮化物法(NIEA W421.56C)”所有试剂
5. “水中氨氮检测方法－靛酚比色法(NIEA W448.50B)”所有试剂
6. 玻璃纤维滤纸：Whatman grade 934AH滤纸或同级品
7. 铝盘
5-3 实验方法与步骤
1. 活性污泥驯养
此实验的目的是了解活性污泥的驯养方法。

取辅英污水处理厂的废水溶液以直接驯养方式来培养活性污泥，观察其质与量的变化。

●量测MLSS(mg/L)：依据「水中总溶解固体及悬浮固体检测方法
─103°C ~105°C」，测定废水中的悬浮固体/MLSS含量
●量测MLVSS(mg/L)：依据「水中总溶解固体及悬浮固体检测方
法─103°C ~105°C」，测定废水中的悬浮固体/MLSS含量
●观察胶羽生成情形
2. SBR装置与操作
SBR的反应槽为长方体压克力材质槽体，操作体积约为2公升。

利用蠕动帮浦入料/进水，以空气压缩机配合流量调节器与散气管进行曝气。

进水时利用搅拌棒进行混合搅拌。

各组自行决定每一操作循环的周期时间与每阶段的操作时间长短。

3. 比摄氧率SOUR试验
a.量测MLVSS
●取活性污泥混合液。

●量测MLSS(mg/L)：依据「水中总溶解固体及悬浮固体检测方法
─103°C ~105°C」，测定废水中的MLSS含量。

●高温炉预热至550°C备用。

●量测MLVSS(mg/L)：将MLSS测定后含残留物的滤纸与铝盘放
入高温炉中烘15分钟，待有机质挥发后，再将之移入干燥器内，
冷却后称重。

计算减少的重量即可得MLVSS含量。

b.量测摄氧率(OUR)
分析BOD瓶的DO变化率可得到OUR(mg O2/hr)，除以MLVSS，即得SOUR：
●取活性污泥混合液。

●将混合液予以曝气至混合液溶氧升到5㎎/L以上。

溶氧量以“水
中溶氧检测方法－迭氮化物法”测定之。

●将曝气完的混合液倒入BOD瓶中装满。

●于不同时间测定混合液中的溶氧，直至测定降至1.0㎎/L。

计算
OUR，以mg O2/hr表示。

●根据所测得的MLVSS，计算SOUR。

SOUR单位为㎎
/(g．MLVSS-hr)。

O
2
4. 废水处理效能
测定进流水与出流水中的水质参数，以决定活性污泥程序的废水处理效能。

a. COD：根据“水中化学需氧量检测方法－重铬酸钾密闭回流法((NIEA
W517.51B)”测定之。

b. 硝酸盐氮：以“水中硝酸盐氮检测方法－分光亮度计法(NIEA
W419.51A)”测定之。

c. 氨氮：以“水中氨氮检测方法－靛酚比色法(NIEA W448.50B)” 测定之。