污水處理中關(guān)于活性污泥的淺談

【格林課堂】

一直以自己是環(huán)境工程專業(yè)的自稱，但是從來沒有在公司的網(wǎng)站上投稿過什么專業(yè)類的文章，說起來比較慚愧。主要是覺得自己才學(xué)疏淺，實(shí)在不敢在公司的這種對所有人公開的網(wǎng)站上面班門弄斧。但是最近看了偉大的數(shù)學(xué)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(qiáng)與各位資深的前輩們交流工藝技術(shù)方面的東西。當(dāng)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(tǒng)的學(xué)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(tǒng)理解，如果你已經(jīng)對水處理方面有一套自己獨(dú)特的理解的話也希望你看完后能提出意見以供我學(xué)習(xí)，讓我改進(jìn)。

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(yè)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?wù)勆锾幚戆伞?/span>

說起水處理，不得不說最初的發(fā)現(xiàn)過程，讓我們先來對“活性污泥”進(jìn)行一個簡單的認(rèn)識吧。將經(jīng)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(jīng)過沉淀處理后的新鮮生活污水，這樣的操作持續(xù)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(zhì)澄清，這種絮凝體是由大量繁殖的以細(xì)菌為主體的微生物所構(gòu)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(nèi)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(jī)物Mi、由原水挾入附著的生物表面的無機(jī)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(tǒng)我都將圍繞微生物來討論。

微生物的組成：其中包括細(xì)菌，原生動物后生動物等等。當(dāng)然這其中組成主體部分是細(xì)菌，細(xì)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(xiàn)，他們主要是吞噬細(xì)菌進(jìn)一步凈化水質(zhì)。所以原生動物的出現(xiàn)是衡量一個生物反應(yīng)器內(nèi)處理水水質(zhì)的一個指標(biāo)，隨著混合液中的水質(zhì)的改善而改變。當(dāng)混合液的水質(zhì)欠佳時，出現(xiàn)肉足蟲類，如根足變形蟲?；旌弦核|(zhì)進(jìn)一步改善后便開始出現(xiàn)游泳性纖毛蟲，如草履蟲。當(dāng)活性污泥菌膠團(tuán)達(dá)到穩(wěn)定成熟時，此時出現(xiàn)以固著型纖毛蟲為主的原生動物如鐘蟲等。根據(jù)這個，我們可以對原生動物進(jìn)行鏡檢，這是判斷評價處理水質(zhì)優(yōu)異和活性污泥質(zhì)量的一個重要手段。值得一提的是，若出現(xiàn)輪蟲，則說明水質(zhì)已經(jīng)得到良好的凈化處理，是水質(zhì)穩(wěn)定的標(biāo)志，但一般很少出現(xiàn)，一般多在處理水質(zhì)優(yōu)異的完全氧化型的活性污泥系統(tǒng)中，如延時曝氣活性污泥系統(tǒng)。

微生物的食物：先說細(xì)菌的類型吧?；茏责B(yǎng)細(xì)菌，這類細(xì)菌的能源來自無機(jī)物氧化所產(chǎn)生的化學(xué)能，碳源是CO2（或碳酸鹽）。它們可以在完全無機(jī)的環(huán)境中生長發(fā)育，如硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌等。硝化細(xì)菌、硫細(xì)菌就是利用這種方式來合成有機(jī)物的。

化能異養(yǎng)細(xì)菌，這是絕大多數(shù)細(xì)菌的營養(yǎng)類型。這類細(xì)菌所需要的能源來自有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能，它們的碳源也主要是有機(jī)物，如淀粉、纖維素、葡萄糖、有機(jī)酸等。因此有機(jī)碳化物對這類細(xì)菌來說既是碳源也是能源。因?yàn)榧?xì)菌的食物來源不同，其類型不同，經(jīng)過其處理后的水質(zhì)也不同。當(dāng)細(xì)菌的食物以有機(jī)物質(zhì)為主的時候活性污泥的主要功能是去除BOD；當(dāng)細(xì)菌的食物以氨氮或硝態(tài)氮為主時活性污泥的主要功能是脫氮；當(dāng)細(xì)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(shí)際中的一些脫氮除磷的工藝就是根據(jù)這個原理來設(shè)置的。

微生物生存環(huán)境：根據(jù)細(xì)菌對氧的需要不同，主要分為四類：（1）專性需氧菌（Obligateaerobe）如結(jié)核桿菌；（2）專性厭氧菌（Obligate anaerobe）如破傷風(fēng)桿菌；（3）兼性厭氧菌（Facultative anaerobe）在有氧或無氧或無氧環(huán)境中均能生長，但以有氧時生長較好，大多數(shù)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(xì)菌在代謝中需少量的CO2，以提供細(xì)菌合成核酸中的嘌呤、嘧啶等。專性厭氧菌不能呼吸，只能發(fā)酵。

由此我們有好氧生物反應(yīng)器、厭氧生物反應(yīng)器、缺氧生物反應(yīng)器。每種反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢菌種不同，他們的食物類型不同，因此主要的作用也不同?？刂品磻?yīng)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(yīng)器，此時反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度一般在2.0mg/l，細(xì)菌利用分子態(tài)的氧，不曝氣僅攪拌就是厭氧或缺氧生物反應(yīng)器,缺氧反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度在0.5mg/l左右，內(nèi)有硝化液回流，反應(yīng)器內(nèi)的微生物可以利用硝態(tài)氮中的化合態(tài)氧，厭氧反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度基本為0，細(xì)菌沒有氧可以利用，只進(jìn)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(yǎng)物質(zhì)，然后接種細(xì)菌，此時細(xì)菌在燒杯內(nèi)的增殖會有一定的規(guī)律嗎？答案是肯定的。細(xì)菌在這種情況下增殖分為四個時期。適應(yīng)期，此期細(xì)菌體積增大,代謝活躍,但分裂遲緩,菌數(shù)未見增殖。這個時候細(xì)菌剛被接種到水體中，營養(yǎng)充足，此時延續(xù)這個時期長短的主要因素是細(xì)菌對原水的主要成分的適應(yīng)性。適應(yīng)快持續(xù)時間短，反之則長；對數(shù)增殖期，此期細(xì)菌生長迅速,菌數(shù)呈幾何級數(shù)增長。此時細(xì)菌的形態(tài)、染色性、生理活性都較典型,對外界環(huán)境因素的作用比較敏感。此時系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)充足，不能成為限制其增殖的因素，限制因素是細(xì)菌本身的數(shù)量；減數(shù)增殖期，此期細(xì)菌增殖數(shù)與死亡數(shù)幾乎相等,活菌數(shù)保持相對不變。此時細(xì)菌可能出現(xiàn)形態(tài)、生理性狀的變化,一些細(xì)菌的合成代謝產(chǎn)物大多在此期內(nèi)產(chǎn)生,芽胞亦多在此期形成。有機(jī)底物濃度大量被消耗而減少，微生物活體數(shù)量達(dá)到最高值，同時也趨于穩(wěn)定，這個時期限制其生長的主要因素便是有機(jī)物底物濃度了；內(nèi)源呼吸期，此期營養(yǎng)物質(zhì)不足，內(nèi)源代謝開始。死亡菌數(shù)逐漸上升,活菌數(shù)急劇減少;細(xì)菌形態(tài)顯著改變,甚至有的菌體自溶。

根據(jù)以上四個時期我們可以得出一個結(jié)論：決定活性污泥微生物的主要因素有兩個，一是周圍環(huán)境中的有機(jī)物濃度，我們用F表示；二是當(dāng)時存活的菌體數(shù)量，我們用M表示。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，我們用BOD5的濃度來表示混合液中營養(yǎng)物質(zhì)的量，用活性污泥的濃度MLSS（或者M(jìn)LVSS）來表示菌體數(shù)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(xù)時間來達(dá)到一個控制效果，使反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥微生物處于一個良好的時期。如當(dāng)曝氣池內(nèi)殘存的有機(jī)物底物濃度比較低的時候，F(xiàn)/M 值為低值時，細(xì)菌進(jìn)入減數(shù)增殖期或內(nèi)源呼吸期，活性污泥才能得到良好的形成和發(fā)育。

微生物的代謝作用：在水處理中，有機(jī)污染物質(zhì)的去除實(shí)際上就是微生物對營養(yǎng)物質(zhì)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(qiáng)，經(jīng)過預(yù)處理后的原污水進(jìn)入到活性污泥系統(tǒng)中時，較短的時間內(nèi)有機(jī)物能被大量的去除，這期間，有機(jī)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(nèi)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(yīng)器內(nèi)的水動力運(yùn)作情況與水力擴(kuò)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(tài)的內(nèi)源代謝時期的微生物“活性最強(qiáng)”，其吸附性能也最強(qiáng)；而后者主要是保證絮體能夠與有機(jī)物保持高頻的密切接觸，一般通過曝氣或攪拌來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)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(jīng)過這個時期便進(jìn)入生物作用代謝時期了，被吸附在活性污泥表面的物質(zhì)分為大分子物質(zhì)和小分子物質(zhì)，小分子物質(zhì)可以直接進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，大分子物質(zhì)需要在胞外水解成小分子物質(zhì)從而透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)。當(dāng)以有機(jī)污染物為食時，一部分用于呼吸作用產(chǎn)生能量供日程生理需求，另一部分用于細(xì)胞自身增殖。根據(jù)美國麥金龍教授的理論，可降解有機(jī)物約有1/3被氧化成無機(jī)物加能量，2/3用于合成新細(xì)胞物質(zhì)，這其中有80%氧化成無機(jī)物和能量，僅有20%內(nèi)源代謝形成殘留物質(zhì)。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(yīng)器內(nèi)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(tǒng)中務(wù)必要記住三個核心的東西：

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

這三個概念至關(guān)重要，因?yàn)楹罄m(xù)無論是哪種生物反應(yīng)器都將圍。這三個來談?wù)?，工藝不同無非是對這三個條件加以控制。

接下來就談?wù)劵钚晕勰喾磻?yīng)系統(tǒng)的人工控制。所謂的人工控制，就是人為的創(chuàng)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(jìn)水水質(zhì)、水量上加以控制。這方面我們基本上可以在生物反應(yīng)器前通過設(shè)置調(diào)節(jié)池或水解酸化池來加以實(shí)現(xiàn)。
• 微生物數(shù)量上要保持相對的穩(wěn)定狀態(tài)。即MLSS保持相對的穩(wěn)定狀態(tài)，生物反應(yīng)器內(nèi)有二沉池回流污泥，剩余污泥的排放，曝氣池內(nèi)每日增長，保持穩(wěn)定就是在這三者中維持達(dá)到一個動態(tài)平衡的過程。
• 反應(yīng)器中DO濃度滿足所需。一般通過曝氣強(qiáng)度的大小來控制。
• 反應(yīng)器中微生物、有機(jī)污染物、DO三者保持良好的接觸效果，強(qiáng)化傳質(zhì)過程。一般通過攪拌強(qiáng)度來控制，可以使機(jī)械攪拌，也可以是曝氣攪拌。

  對于活性污泥系統(tǒng)也有很多指標(biāo)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(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）

MLVSS= Ma+Me+Mi

表示有機(jī)性固體物質(zhì)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?yàn)槿匀话琈i和Mii兩項(xiàng)惰性有機(jī)物質(zhì)，也不能精確表示具有活性的污泥數(shù)量。但是在實(shí)際運(yùn)行中這兩個參數(shù)可以默認(rèn)為表示活性污泥的污泥數(shù)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(biāo)

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(jù)。城市污水廠SV30值一般在15%~30%，工業(yè)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(shù)  SVI

污泥體積指數(shù)（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(shù)（SVI），其值按下式計(jì)算：污泥指數(shù)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(xí)慣上只稱數(shù)字，單位略去。污泥指數(shù)也是表示活性污泥的凝聚沉降和濃縮性能的指標(biāo)。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(dāng)然，實(shí)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(dǎo)實(shí)際中生物反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)。SVI和BOD-污泥負(fù)荷的關(guān)系，SVI和MLSS以及回流比R的關(guān)系。如通過不同的SVI值來調(diào)節(jié)回流比R使MLSS保持穩(wěn)定狀態(tài)，通過不同BOD—污泥負(fù)荷，例如高負(fù)荷活性污泥法、一般負(fù)荷活性污泥法、低負(fù)荷活性污泥法各自區(qū)間內(nèi)有不同的SVI。根據(jù)沉降性能選擇合適的SVI段利于后續(xù)泥水分離進(jìn)而確定BOD—污泥負(fù)荷選擇工藝等等。

    今天就暫且寫到這里，后續(xù)再寫寫活性污泥工藝系統(tǒng)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(xué)習(xí)！

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