污水處理中關于活性污泥的淺談

【格林課堂】

一直以自己是環境工程專業的自稱，但是從來沒有在公司的網站上投稿過什么專業類的文章，說起來比較慚愧。主要是覺得自己才學疏淺，實在不敢在公司的這種對所有人公開的網站上面班門弄斧。但是最近看了偉大的數學家華羅庚的一篇文章后覺得班門弄斧才能有助于自身的提高，同時也希望借此能夠加強與各位資深的前輩們交流工藝技術方面的東西。當然，這篇文章是比較初級的東西，寫的是一些比較基本的入門的知識，如果你系統的學過但是理解不夠深刻那么我希望你看完這篇文章后能夠讓你對水處理有一個重新的系統理解，如果你已經對水處理方面有一套自己獨特的理解的話也希望你看完后能提出意見以供我學習，讓我改進。

我個人研究比較多的方向是生物處理，對于水處理這個專業而言，生物處理也算比較核心的一塊吧。所以我們就來簡單的談談生物處理吧。

說起水處理，不得不說最初的發現過程，讓我們先來對“活性污泥”進行一個簡單的認識吧。將經過沉淀處理后的生活污水注入沉淀管（或者適宜的器皿）中，然后注入空氣對污水加以曝氣，并使生活污水保持下列條件;水溫在20℃左右，水中溶解氧值介于1—3mg/L。pH在6—8之間，每日保留沉淀物，更換部分污水，注入經過沉淀處理后的新鮮生活污水，這樣的操作持續一段時間（10天到2周）后，在污水中形成一種呈黃褐色絮凝體狀的群體，這種絮凝體易于沉降與水分離，污水已得到凈化處理，水質澄清，這種絮凝體是由大量繁殖的以細菌為主體的微生物所構成，是一種生物性污泥，它就是“活性污泥”。希望各位看完這篇文章后能想想這個過程是什么。留一個問題作為懸念，接下來就開始我們的正式話題。生物處理篇：

活性污泥M的組成分為四個部分，具有代謝功能活性的微生物群體Ma、微生物內源代謝自身氧化的殘留物Me、由原水挾入附著的難降解的有機物Mi、由原水挾入附著的生物表面的無機物Mii。

即   M=Ma+Me+Mi+Mii。

活性污泥的主體組成部分是具有活性的微生物。接下來整個活性污泥系統我都將圍繞微生物來討論。

微生物的組成：其中包括細菌，原生動物后生動物等等。當然這其中組成主體部分是細菌，細菌的種類比較多，主要類型有假單胞菌屬、分枝桿菌屬、芽孢桿菌屬等等。原生動物和后生動物也會出現，他們主要是吞噬細菌進一步凈化水質。所以原生動物的出現是衡量一個生物反應器內處理水水質的一個指標，隨著混合液中的水質的改善而改變。當混合液的水質欠佳時，出現肉足蟲類，如根足變形蟲。混合液水質進一步改善后便開始出現游泳性纖毛蟲，如草履蟲。當活性污泥菌膠團達到穩定成熟時，此時出現以固著型纖毛蟲為主的原生動物如鐘蟲等。根據這個，我們可以對原生動物進行鏡檢，這是判斷評價處理水質優異和活性污泥質量的一個重要手段。值得一提的是，若出現輪蟲，則說明水質已經得到良好的凈化處理，是水質穩定的標志，但一般很少出現，一般多在處理水質優異的完全氧化型的活性污泥系統中，如延時曝氣活性污泥系統。

微生物的食物：先說細菌的類型吧。化能自養細菌，這類細菌的能源來自無機物氧化所產生的化學能，碳源是CO2（或碳酸鹽）。它們可以在完全無機的環境中生長發育，如硫細菌、鐵細菌、硝化細菌、氫細菌等。硝化細菌、硫細菌就是利用這種方式來合成有機物的。

化能異養細菌，這是絕大多數細菌的營養類型。這類細菌所需要的能源來自有機物氧化產生的化學能，它們的碳源也主要是有機物，如淀粉、纖維素、葡萄糖、有機酸等。因此有機碳化物對這類細菌來說既是碳源也是能源。因為細菌的食物來源不同，其類型不同，經過其處理后的水質也不同。當細菌的食物以有機物質為主的時候活性污泥的主要功能是去除BOD；當細菌的食物以氨氮或硝態氮為主時活性污泥的主要功能是脫氮；當細菌的食物以磷為主的時候活性污泥的主要功能是去除磷。而實際中的一些脫氮除磷的工藝就是根據這個原理來設置的。

微生物生存環境：根據細菌對氧的需要不同，主要分為四類：（1）專性需氧菌（Obligateaerobe）如結核桿菌；（2）專性厭氧菌（Obligate anaerobe）如破傷風桿菌；（3）兼性厭氧菌（Facultative anaerobe）在有氧或無氧或無氧環境中均能生長，但以有氧時生長較好，大多數病原菌屬此類；（4）微需氧菌（Microaerophilic bacteria）如空腸彎曲菌，宜在低氧壓下生長，氧壓增高對其有抑制作用。一般細菌在代謝中需少量的CO2，以提供細菌合成核酸中的嘌呤、嘧啶等。專性厭氧菌不能呼吸，只能發酵。

由此我們有好氧生物反應器、厭氧生物反應器、缺氧生物反應器。每種反應器內的優勢菌種不同，他們的食物類型不同，因此主要的作用也不同。控制反應器的類型的主要手段就是曝氣攪拌了。曝氣加攪拌就是好氧生物反應器，此時反應器內溶解氧濃度一般在2.0mg/l，細菌利用分子態的氧，不曝氣僅攪拌就是厭氧或缺氧生物反應器,缺氧反應器內的溶解氧濃度在0.5mg/l左右，內有硝化液回流，反應器內的微生物可以利用硝態氮中的化合態氧，厭氧反應器內的溶解氧濃度基本為0，細菌沒有氧可以利用，只進行無氧生理活動。

微生物的增殖：試想一下在一個大燒杯里充滿各種微生物生理所需的營養物質，然后接種細菌，此時細菌在燒杯內的增殖會有一定的規律嗎？答案是肯定的。細菌在這種情況下增殖分為四個時期。適應期，此期細菌體積增大,代謝活躍,但分裂遲緩,菌數未見增殖。這個時候細菌剛被接種到水體中，營養充足，此時延續這個時期長短的主要因素是細菌對原水的主要成分的適應性。適應快持續時間短，反之則長；對數增殖期，此期細菌生長迅速,菌數呈幾何級數增長。此時細菌的形態、染色性、生理活性都較典型,對外界環境因素的作用比較敏感。此時系統內的有機營養物質充足，不能成為限制其增殖的因素，限制因素是細菌本身的數量；減數增殖期，此期細菌增殖數與死亡數幾乎相等,活菌數保持相對不變。此時細菌可能出現形態、生理性狀的變化,一些細菌的合成代謝產物大多在此期內產生,芽胞亦多在此期形成。有機底物濃度大量被消耗而減少，微生物活體數量達到最高值，同時也趨于穩定，這個時期限制其生長的主要因素便是有機物底物濃度了；內源呼吸期，此期營養物質不足，內源代謝開始。死亡菌數逐漸上升,活菌數急劇減少;細菌形態顯著改變,甚至有的菌體自溶。

根據以上四個時期我們可以得出一個結論：決定活性污泥微生物的主要因素有兩個，一是周圍環境中的有機物濃度，我們用F表示；二是當時存活的菌體數量，我們用M表示。當然，在實際運用中，我們用BOD5的濃度來表示混合液中營養物質的量，用活性污泥的濃度MLSS（或者MLVSS）來表示菌體數量。利用F/M 來控制活性污泥微生物增殖曲線的走勢以及各期的延續時間來達到一個控制效果，使反應器內的活性污泥微生物處于一個良好的時期。如當曝氣池內殘存的有機物底物濃度比較低的時候，F/M 值為低值時，細菌進入減數增殖期或內源呼吸期，活性污泥才能得到良好的形成和發育。

微生物的代謝作用：在水處理中，有機污染物質的去除實際上就是微生物對營養物質的攝取、代謝與利用的過程。在初期，由于活性污泥表面積大，吸附性能強，經過預處理后的原污水進入到活性污泥系統中時，較短的時間內有機物能被大量的去除，這期間，有機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內完成，污水BOD的降解率在70% 以上。影響這個過程的主要因素有兩個，一是活性污泥中微生物的活性；二是反應器內的水動力運作情況與水力擴散程度。決定前者的就是看微生物所處在哪個增殖期了，一般來說，處在“饑餓”狀態的內源代謝時期的微生物“活性最強”，其吸附性能也最強；而后者主要是保證絮體能夠與有機物保持高頻的密切接觸，一般通過曝氣或攪拌來實現。當然在這里需要提一下的是對回流污泥不能曝氣過量，以免自身氧化過分影響初期吸附過程。經過這個時期便進入生物作用代謝時期了，被吸附在活性污泥表面的物質分為大分子物質和小分子物質，小分子物質可以直接進入細菌內部，大分子物質需要在胞外水解成小分子物質從而透過細胞膜進入細菌內。當以有機污染物為食時，一部分用于呼吸作用產生能量供日程生理需求，另一部分用于細胞自身增殖。根據美國麥金龍教授的理論，可降解有機物約有1/3被氧化成無機物加能量，2/3用于合成新細胞物質，這其中有80%氧化成無機物和能量，僅有20%內源代謝形成殘留物質。但即使是這僅僅的20%的微生物增殖量，也不可忽視。這就是每日生物反應器內活性污泥的增量的形成。

通過上面的講述，我想說的是活性污泥系統中務必要記住三個核心的東西：

• 活性污泥濃度（MLSS）
• 反應器中有機物底物的濃度（BOD）
• 反應器中的溶解氧濃度（DO）

這三個概念至關重要，因為后續無論是哪種生物反應器都將圍。這三個來談論，工藝不同無非是對這三個條件加以控制。

接下來就談談活性污泥反應系統的人工控制。所謂的人工控制，就是人為的創造一個適宜的微生物存活的條件，讓微生物能夠最高效率的降解污染物。從以下四個方面來說：

• 原污水的進水水質、水量上加以控制。這方面我們基本上可以在生物反應器前通過設置調節池或水解酸化池來加以實現。
• 微生物數量上要保持相對的穩定狀態。即MLSS保持相對的穩定狀態，生物反應器內有二沉池回流污泥，剩余污泥的排放，曝氣池內每日增長，保持穩定就是在這三者中維持達到一個動態平衡的過程。
• 反應器中DO濃度滿足所需。一般通過曝氣強度的大小來控制。
• 反應器中微生物、有機污染物、DO三者保持良好的接觸效果，強化傳質過程。一般通過攪拌強度來控制，可以使機械攪拌，也可以是曝氣攪拌。

  對于活性污泥系統也有很多指標也可以幫助我們做判斷，下面就簡單的說一下。

（1）混合液懸浮固體濃度(MLSS)

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii

由于含有Me、Mi和Mii，不能精確表示活性污泥的濃度。

（2）混合液揮發性懸浮固體濃度（MLVSS）

MLVSS= Ma+Me+Mi

表示有機性固體物質的部分濃度。在表示上比MLSS更精確，但也僅僅是相對MLSS而言，因為仍然包含Mi和Mii兩項惰性有機物質，也不能精確表示具有活性的污泥數量。但是在實際運行中這兩個參數可以默認為表示活性污泥的污泥數量。由此有

  f=MLVSS/MLSS

一般對固定污水水源來說，f值較固定。如對于生活污水，f 通常在0.75左右。

（3）污泥沉降性能及指標

污泥沉降比    SV30、

SV30是指曝氣池混合液在量筒靜止沉降30min后污泥所占的體積百分比。它是分析污泥沉降性能的最簡便方法。SV30值越小，污泥沉降性能就越好。SV30值越大，沉降性能越差。在無其他異常的情況下，SV30可作為剩余污泥排放的參考依據。城市污水廠SV30值一般在15%~30%，工業廢水處理SV30值相對較高。測定SV30的器皿一般是100mL的玻璃量筒，有些單位用100mL量筒測定。

污泥容積指數  SVI

污泥體積指數（SVI）曝氣池出口處的混合液在靜置30min后，每克是懸浮固體所占的體積（mL）稱為污泥體積指數（SVI），其值按下式計算：污泥指數例如：某曝氣池污泥沉降比SV=30%，混合液懸浮固體濃度為X=3000mg/l，則SVI=30*10/3g/l=100。單位為ml/g，習慣上只稱數字，單位略去。污泥指數也是表示活性污泥的凝聚沉降和濃縮性能的指標。SVI低時，沉降性能好，但吸附性能差。SVI高時，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離。當然，實際中SVI并不僅僅是反映污泥的沉降凝聚性能，它更多的是來指導實際中生物反應器的運行狀態。SVI和BOD-污泥負荷的關系，SVI和MLSS以及回流比R的關系。如通過不同的SVI值來調節回流比R使MLSS保持穩定狀態，通過不同BOD—污泥負荷，例如高負荷活性污泥法、一般負荷活性污泥法、低負荷活性污泥法各自區間內有不同的SVI。根據沉降性能選擇合適的SVI段利于后續泥水分離進而確定BOD—污泥負荷選擇工藝等等。

    今天就暫且寫到這里，后續再寫寫活性污泥工藝系統方面的東西。希望這篇入門級的文章能供各位梳理知識體系更好的學習！

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