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第三章 城市污水处理典型工艺流程第一节 传统活性污泥工艺一、工艺原理向生活污水中不断地注入空气，维持水中有足够的溶解氧，经过一段时间后，污水即生成一种絮凝体。这种絮凝体是由大量繁殖的微生物构成的，易于沉淀分离，使污水得到澄清，这就是“活性污泥”。活性污泥法就是以悬浮生长在水中的活性污泥为主题，在微生物生长有利的环境条件下和污水充分接触，使污水净化的一种方法。它的主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。活性污泥法关键在于要使曝气池保持高的反应速率，让曝气池中的活性污泥处于良好的状态，同时要使曝气池内保持足够高的活性污泥微生物浓度。为此，沉淀后的活性污泥又回流至曝气池前端，使之与进入曝气池的废水混合后充分接触，以重复吸附、氧化分解废水中的有机物。在正常的连续生产（连续进水）条件下，活性污泥中微生物不断利用废水中的有机物进行新陈代谢，由于合成作用的结果，活性污泥大量增殖，曝气池中活性污泥的量愈积愈多，当超过一定的浓度时，应适当排放一部分，这部分被排出的活性污泥称作剩余污泥。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0.022mm；含水率一般为99.2%99.8%，密度因含水率不同而异，一般为1.0021.006g/cm3，活性污泥具有较大的比表面积，一般为20100cm2/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不同而异。例如，城市污水处理系统中的活性污泥，其有机成分占75%85%，无机成分占15%25%。活性污泥中有机物成分主要由生长在活性污泥中的各种微生物组成，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。在活性污泥中，细菌含量一般在107108个/mL之间，原生动物为103个/mL左右，而原生动物中则以纤毛虫为主，因此可以用其作为指示生物，通过镜检法判断活性污泥的活性。通常当活性污泥中有固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现，且数量较多时，说明活性污泥经培养驯化后较为成熟而且活性较好。反之，如果在正常运行的曝气池中发现活性污泥中固着型纤毛虫减少，而游泳纤毛虫突然增多，说明活性污泥活性差，处理效果将变差。二、工艺流程传统活性污泥法工艺系统主要是由曝气池、曝气系统、二次沉淀以及回流系统和污泥消化系统组成，如图3-1所示。图3-1 传统活性污泥工艺流程1.曝气池曝气池是由微生物组成的活性污泥与污水中的有机污染物质充分混合接触，并进而将其吸收并分解的场所，它是活性污泥工艺的核心。曝气池有推流式和完全混合式两种类型。推流式是在长方形的池内，污水和回流污泥从一端流入，水平推进，经另一端流出。而完全混合式是污水和回流污泥一起进入曝气池就立即与池内其他混合液均匀混合。推流式的特点是池子大小不受限制，不易发生短流，出水质量较高；而完全混合式的特点是池子受池型和曝气手段的限制，池容不能太大，当搅拌混合效果不佳时易产生短流，但它对入流水质的适应能力较强。由于以上特点，城市污水处理一般采用推流式，而完全混合式则广泛应用于工业废水处理。2.曝气系统曝气系统的作用是向曝气池供给微生物增长及分解有机物所必需的氧气，并起混合搅拌作用，使活性污泥与有机污染物质充分接触。曝气系统总体上可分为鼓风曝气和机械曝气两大类。鼓风曝气是将压缩空气通过管道送入曝气池的扩散设备，以气泡形式分散进入混合液，使气泡中的氧迅速扩散转移到混合液中，供给活性污泥中的微生物。鼓风曝气系统主要由空气净化系统、鼓风机、管路系统和空气扩散器组成。城市污水处理厂采用的鼓风机有多种，如罗茨鼓风机和离心鼓风机。国产罗茨风机单机风量小，适用于中小型污水处理厂；离心风机噪声小、效率高，适用于大型污水厂。空气扩散器也有很多种，按材质分有陶瓷扩散器、橡胶扩散器和塑料扩散器。按扩散器形状分有钟罩型扩散器、长条板型扩散器和圆管式（或筒套式）扩散器，另外还有固定双螺旋、双环伞形以及射流曝气器等特殊形式。扩散器在曝气池内的布置形式也有很多种，如池底满布形式、旋转流形式、半水深布置形式等。风管按气量和风速选择管径，干管、支管风速1015m/s，竖管及小支管45m/s。空气管线上设空气计量和调节装置，以便控制曝气量。机械曝气则是利用装设在曝气池内的叶轮转动，剧烈地搅动水面，使水循环流动，不断更新液面并产生强烈的水跃，从而使空气中的氧与水滴或水跃的界面充分接触，转入到混合液中。因此，机械曝气也称作表面曝气，简称表曝。机械曝气分为竖轴表曝和卧轴表曝两种形式，竖轴表曝机多用于完全混合式的曝气池，转速一般为20100r/min，并可有两级或三级的速度调节。卧轴表曝机一般用于氧化沟工艺，称为曝气转盘（刷）。3.二次沉淀池二次沉淀池的作用是使活性污泥与处理完的污水分离，并使污泥得到一定程度的浓缩。二次沉淀池内的沉淀形式较复杂，沉淀初期为絮凝沉淀，中期为成层沉淀，而后期则为压缩沉淀，即污泥浓缩。二沉池的结构形式同初沉池一样，分为平流沉淀池、竖流沉淀池和辐流沉淀池。国内现有城市污水处理厂二沉池绝大多数都采用辐流式。有些中小处理厂也采用平流式，竖流式二沉池尚不多见。平流式二沉池的构造及布置形式与平流初沉池基本一样，只是工艺参数不同。平流初沉池的水平冲刷流速为50mm/s，而二沉池的水平冲刷流速为20mm/s，当水平流速大于20mm/s或吸泥机的刮板行走速度大于20mm/s时，下沉的污泥将受扰动而重新浮起。除工艺参数不同以外，辐流式二沉池与辐流式初沉池构造形式也基本相似。二沉池的排泥方式与初沉池差别较大。初沉池一般都是先用刮泥机将污泥将污泥刮至泥斗，再将其间歇或连续排除。而二沉池一般直接用吸泥机将污泥连续排除。这主要是因为活性污泥易厌氧上浮，应及时尽快地从二沉池中分离出来。另外，曝气池本身也要求连续不断地补充回流污泥。平流二沉池一般采用桁车式吸泥机，辐流式二沉池一般采用回转式吸泥机。常用的排泥方式有静压排泥、气提排泥、虹吸排泥或直接泵吸。4.回流污泥系统回流污泥系统把二沉池中沉淀下来的绝大部分活性污泥再回流到曝气池，以保证曝气池有足够的微生物浓度。回流污泥系统包括回流污泥泵和回流污泥管道或渠道。回流污泥泵的形式有多种，包括离心泵、潜水泵和螺旋泵。螺旋泵的优点是转速低，不易打碎活性污泥絮体，但效率较低。回流污泥泵的选择应充分考虑大流量、低扬程的特点，同时转速不能太快，以免破坏絮体。回流污泥渠道上一般应设置回流量的计量及调节装置，以准确控制及调节污泥回流量。5.剩余污泥排放系统随着有机污染物质被分解，曝气池每天都净增一部分活性污泥，这部分活性污泥称为剩余活性污泥，应通过剩余污泥排放系统排出。污水处理厂用泵排放剩余污泥，也可直接用阀门排放。可以从回流污泥中排放剩余污泥，也可以从曝气池直接排放。从曝气池直接排放可减轻二沉池的部分负荷，但增大了浓缩池的负荷。在剩余污泥管线上应设置计量及调节装置，以便准确控制排泥。三、活性污泥系统的工艺参数活性污泥工艺是一个较复杂的工程化的生物系统，其工艺参数可分为三大类。第一类是曝气池的工艺参数，主要包括污水在曝气池内的水力停留时间、曝气池内的活性污泥浓度、活性污泥的有机负荷。第二类是关于二沉池的工艺参数，主要包括混合液在二沉池的停留时间、二沉池的水力表面负荷、出水堰的堰板溢流负荷、二沉池内污泥层深度、固体表面负荷。第三类是关于整个工艺系统的参数，包括入流水质水量、回流污泥量和回流比、回流污泥浓度、剩余污泥排放量、泥龄。以上工艺参数相互之间联系紧密，任一参数变化都会影响到其它参数。1.入流水质水量入流污水量Q必须充分利用所设置的计量设施准确计量，它是整个活性污泥系统运行控制的基础。入流水质也直接影响到运行控制。传统活性污泥工艺的主要目标是降低污水中的BOD5，因此，入流污水的BOD5必须准确测定，它是工艺调整的一个基础数据。2.回流污泥量与回流比回流污泥量是二沉池补充到曝气池的污泥量，常用Qr表示。Qr是活性污泥系统的一个重要控制参数，通过有效地调节Qr可以改变工艺运行状态，保证运行的正常。回流比是回流污泥量与入流污泥量（Q）之比，通常用R表示。保持R的相对恒定，是一种重要的运行方式。回流比也可以根据实际运行需要加以调整。传统活性污泥工艺的R一般在25%100%之间。3.悬浮固体和回流污泥悬浮固体悬浮固体是指混合液中悬浮固体的浓度，通常用MLSS表示。MLSS也可近似表示曝气池内活性微生物的浓度，这是运行管理的一个重要控制参数。当入流污水的BOD5增高时，一般应提高MLSS，即增大曝气池内的微生物量。实际测得的MLSS，是混合液的过滤性残渣，活性污泥絮体内的活性微生物量、非活性的有机物和无机物都被滤纸截留而包括所测得的MLSS中，因此MLSS值实际比活性微生物的浓度值要大。MLVSS是MLSS中的有机部分，称为混合液的挥发性悬浮固体，由于不包含无机物，它能较好地反应活性污泥微生物的数量，但不是活性微生物的实际浓度。回流污泥悬浮固体是指回流污泥中悬浮固体的浓度，通常用RSS表示，它近似表示回流污泥中的活性微生物浓度。如上所述，运行管理中应尽量采用RVSS，即回流污泥挥发性悬浮固体。传统活性污泥法的MLSS在15003000mg/L之间，而RSS则取决于回流比R的大小，以及活性污泥的沉降性能和二沉池的运行状况。4.活性污泥的有机负荷F/M活性污泥的有机负荷是指单位质量的活性污泥，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的有机污染物量，单位为kgBOD5/(kgMLSSd)。活性污泥的有机负荷通常是用BOD5代表有机污染物进行计算的，因此也成为BOD负荷。F/M代表了微生物量与有机污染物之间的一种平衡关系，它直接影响活性污泥增长速率、有机污染物的去除效率、氧的利用率以及污泥的沉降性能。传统活性污泥工艺的F/M值一般在0.20.4 kgBOD5/(kgMLSSd)之间，即每1000gMLVSS每天承受0.20.4kgBOD5，这属于中负荷范围。F/M较大时，由于有机污染物较充足，活性污泥中的微生物增长速度较快，有机污染物被去除的速率也较快，但此时的活性污泥的沉降性能可能较差。反之，F/M较小时，由于有机污染物不太充足，微生物增长速率较慢或基本不增长，甚至也可能减少，此时有机物被去除的速率也必然较慢，但这时活性污泥沉降性能往往较好。运行管理中应选择合适的F/M值，在有机物去除速率满足要求的前提下，污泥的沉降性能最佳。5.溶解氧浓度传统活性污泥工艺主要采用好氧过程，因而混合液中必须保持好氧状态，即混合液内必须维持一定的溶解氧DO浓度。DO是通过单纯扩散方式进入微生物细胞内的，因而混合液须有足够高的DO值，以保持强大的扩散推动力，将微生物好氧分解所需的氧强制“注入”微生物细胞体内。传统活性污泥法一般控制曝气池出口DO大于2.0mg/L。6.剩余污泥排放量和污泥龄剩余活性污泥的排放量用Qw表示。剩余污泥排放是活性污泥系统运行控制中一项最重要的操作，Qw的大小，直接决定污泥龄的长短。如从曝气池排放剩余活性污泥，则其浓度为混合液的污泥浓度MLVSS；如果从回流污泥系统内排除剩余活性污泥，则其浓度为RSS。绝大部分处理厂都从回流污泥系统排泥，只有当二沉池入流固体值严重超负荷时，才考虑从曝气池直接排放。污泥龄是指活性污泥在整个系统内的平均停留时间，一般用SRT表示。因为活性微生物基本上存在于活性污泥絮体中，因此，污泥龄也就是微生物在活性污泥系统内的停留时间。不同种类的微生物，具有不同的世代期。控制污泥龄是选择活性污泥系统中微生物的种类的一种方法。所谓世代期，是指微生物繁殖一代所需要的时间，如某种微生物群体数量增加一倍需要2d的时间，则该种微生物的世代期就是2d。如果某种微生物的世代期比活性污泥系统的泥龄长，则该类微生物在繁殖出下一代微生物之前，就被以剩余污泥的方式排走，该类微生物就不会在系统内繁殖起来。反之，如果某种微生物的世代期比活性污泥系统的泥龄短，则该种微生物在被以剩余活性污泥的形式排走之前，可繁殖出下一代，因此这种微生物就能在系统内繁殖起来。分解有机污染物的绝大部分微生物，其世代期都小于3d，因此只要控制污泥龄大于3d，这些微生物就能在活性污泥系统生存下来并得以繁殖，用于处理污水。而硝化杆菌的世代期一般为5d，因此要在系统内培养出硝化杆菌，将NH3N硝化成，则必须控制SRT大于5d。SRT也直接决定着活性污泥系统中微生物的年龄大小。SRT较大时，年长的微生物也能在系统中存在。而SRT较小时，只有年轻的微生物存在，它们的“父辈或祖辈”早已被作为剩余污泥排走。一般而言，年轻的污泥活性高，分解代谢有机污染物的能力强，但凝聚沉降性能较差，而年长的污泥有可能已经老化，分解代谢能力较差，但凝聚沉降性能较好。通过调节SRT可以选择合适的微生物年龄，使活性污泥既有较强的分解代谢能力，又有良好的沉降性能。传统活性污泥工艺一般控制SRT在35d。7.曝气池和二沉池的水力停留时间污水在曝气池内的水力停留时间一般用Ta表示。对于一定流量的污水，必须保证足够的池容，以便维持污水在曝气池内足够的停留，否则有可能将处理尚不彻底的污水排出曝气池，影响处理效果。Ta有时也叫污水的曝气时间，即污水在曝气池内曝气的时间。Ta有两种计算方法： （3-1） （3-2） 式中，Va为曝气池容积；Q和Qr分别为入流污水量和回流污泥量。前一种计算方法是污水在曝气池内的实际停留时间，后一种计算方法计算的时间实际上比实际停留的时间长，有时称为名义停留时间。当回流比相对恒定或较小时，可采用第二种，但当回流比较大时，应用第一种方法核算，检查污水实际接受曝气的时间是否充足。传统活性污泥工艺的曝气池名义停留时间一般为69d，而实际停留时间则取决于回流比。混合液在二沉池内的停留时间一般用Tc表示。Tc也有名义停留时间和实际停留时间，其计算如下： （3-3） （3-4） 式中，Vc为二沉池的容积；Q和Qr分别为入流污水量和回流污泥量。Tc要足够大，以保证足够的时间进行泥水分离以及污泥浓缩。传统活性污泥工艺二沉池名义停留时间一般在23h之间，实际停留时间往往取决于回流比的大小。8.二沉池的水力表面负荷、固体表面负荷和出水堰溢流负荷二沉池的水力表面负荷是指单位二沉池面积在单位时间内所能沉降分离的混合液流量，单位一般为m3/(m2h)，它是衡量二沉池固液分离能力的一个指标。对于一定的活性污泥来说，二沉池的水力表面负荷越小，固液分离效果越好，二沉池出水清澈。此外，控制水力表面负荷的大小还取决于污泥的沉降性能，沉降性能良好的污泥即使水力表面负荷较大，也能得到较好的泥水分离效果。如果污泥沉降性能恶化，则必须降低水力表面负荷。水力表面负荷可用qh表示： （3-5） 式中，Q为入流污水量；Ac为二沉池的表面积。传统活性污泥工艺中，qh一般不超过1.2 m3/(m2h)。二沉池的固体表面负荷是指单位二沉池面积在单位时间内所能浓缩的混合液悬浮固体，单位为kg/(h)。它是衡量二沉池污泥浓缩能力的一个指标。对于一定的活性污泥来说，二沉池的固体表面负荷越小，污泥在二沉池的浓缩效果越好，即二沉池排泥浓度越高。对于浓缩性能良好的活性污泥浓缩性能较差，则必须降低二沉池的固体表面负荷。固体表面负荷可用qs表示，计算如下： （3-6） 式中，Q和Qr分别为入流污水量和回流污泥量；MLSS为混合液污泥浓度；Ac为二沉池的面积。传统活性污泥工艺的固体表面负荷最大不超过150kgMLSS/(h)。出水堰溢流负荷是指单位长度的出水堰板单位时间内溢流的污水量，单位为m3/(mh)。出水堰溢流负荷不能太大，否则可能导致出流不均匀，二沉池内发生短流，影响沉淀效果。同时，溢流负荷太大，还导致溢流流速太大，出水易挟带污泥絮体。传统活性污泥工艺的二沉池堰板溢流负荷一般控制在510 m3/(mh)。9.二沉池的泥位和污泥层厚度二沉池的泥位是指泥水界面的水下深度，用Ls表示。如果泥位太高，即Ls太小，便增大了出水溢流漂泥的可能性，运行管理中一般控制恒定的泥位。污泥层厚度用Hs表示，Hs和Ls之和等于二沉池的水深。一般控制Hs不超过Ls的1/3。四、传统活性污泥系统的变形工艺传统活性污泥工艺最早采用的是活性污泥法，有时也成为标准活性污泥工艺或普通活性污泥工艺。具有以下特点：曝气池为推流式，采用空气曝气且沿池均匀曝气，有机负荷F/M在0.20.5kgBOD5/(kgMLVSSd)之间。随着活性污泥工艺的广泛应用，人们发现传统活性污泥工艺有很多缺点，在对这些缺点的改进过程中，出现工艺上的一些变形，或称为传统活性污泥法的变形工艺。1.完全混合活性污泥法这种工艺是在传统工业基础上，将曝气池由推流式改成完全混合式，以便提高抗冲击负荷能力。通过对F/M值的调整，可以将完全混合曝气池内的有机物讲解反应控制在最佳状态。完全混合活性污泥法适用于处理工业废水，特别是高浓度的有机废水。完全混合法的一个缺点是易产生污泥膨胀。2.逐点进水工艺曝气池二沉池进水出水回流污泥剩余污泥图3-2 逐点进水活性污泥工艺逐点进水工艺，也称阶段曝气工艺，该种工艺是在传统工艺基础上将曝气池一端进水改成延池多点进水，如图3-2所示。传统工艺曝气池前端F/M高，可能产生供氧不足，而后段F/M很低，可能产生供氧过剩。逐点进水工艺能使全池F/M基本一致，从而使全池曝气效果均匀。该工艺另一个特点是污泥浓度延池长逐渐降低，曝气池出口处排入二沉池的混合液MLSS浓度很低，有利于二沉池的固液沉降分离。3.渐减曝气工艺传统工艺曝气量沿池长均匀分布，但实际需氧量则沿池长逐渐降低，造成沿池长氧量供需的反差。所谓渐减曝气工艺就是曝气量沿池长逐渐降低，与需氧量的变化相匹配，在保证供氧的前提下，降低能耗，如图3-3所示。实际上，新建的所有活性污泥工艺处理厂都设计成渐减曝气。对于典型的城市污水，如把曝气池等分成三段，则每段占总曝气量的比例一般分别为50%、35%、15%。曝气池二沉池空气出水回流污泥剩余污泥图3-3 渐减曝气工艺进水4.吸附再生工艺有机污染物在污水中以悬浮态、胶态和溶解态三种形式存在。传统工艺对这三种形式的有机污染物的去除是在同一池子内完成的。活性污泥絮体以及絮体内微生物对悬浮态和胶态物质的吸附过程是非常快的。对于悬浮态和胶态有机污染物含量较高的城市污水，可以将曝气池分成两部分，一部分为吸附池，另一部分为再生池。在吸附池内，活性污泥利用较短的时间迅速完成对胶态和悬浮态污染物质的吸附。在再生池内活性污泥将吸附的有机污染物逐渐分解掉，这就是所谓的吸附再生工艺。与传统工艺相比，吸附再生工艺的F/M比可适当提高，从而减小池容，降低投资。此外，再生池中基本没有营养物质，活性污泥处于“空曝”状态，这样一方面活性污泥微生物处于“饥饿”状态，进入吸附池后会产生更高的吸附速度，另一方面空曝状态能有效抑制丝状菌，使活性污泥不易产生膨胀现象。吸附池也叫接触池，再生池也叫稳定池，因此吸附再生工艺也称为接触稳定工艺。吸附池和再生池可以合建也可以分建，分别如图3-4和图3-5所示。吸附再生工艺对污水具有一定的承受冲击负荷的能力，当吸附池的活性污泥受到破坏时，可以由再生池内的污泥进行补救。该工艺的缺点是，对于溶解性有机物含量较多的污水，图3-4 分建式吸附再生工艺曝气池二沉池空气出水再生池剩余污泥进水空气图3-5 合建式吸附再生工艺再生池二沉池空气出水剩余污泥进水吸附池处理效果略差。5.延时曝气工艺传统活性污泥工艺属于中等负荷，F/M比在0.20.5 kgBOD5/(kgMLVSSd)之间。延时曝气工艺属于低负荷或超负荷活性污泥法，F/M一般在0.15 kgBOD5/(kgMLVSSd)以下。延时曝气工艺的特点是剩余污泥排放量少，臭味小，一般可不设初沉池，所有悬浮态的有机污染物质均在曝气池内被氧化分解。但延时曝气工艺池容比较大，曝气时间长，电耗相对较高。主要适用于处理水质要求高，而且有不易采用污泥处理的小型城镇工业废水，水量最好不超过1000m3/h。6.高负荷活性污泥法高负荷活性污泥工艺的F/M比一般在0.5 kgBOD5/(kgMLVSSd)以上，其特点是有机污染物去除速率较快，因此也称为高速曝气工艺，缺点是去除效率较低，产泥量较多。当F/M大于1.5 kgBOD5/(kgMLVSSd)时，则为高负荷工艺也称为修正曝气工艺。该工艺主要适用于对处理水质要求不高的污水处理。7.纯氧曝气工艺纯氧曝气工艺是将传统工艺的空气供氧改为用氧气直接供氧。纯氧曝气可使污水中的饱和溶解氧浓度提高几倍以上，供氧速度不再成为微生物活性的限制因素，曝气池的MLVSS可以大幅度提高，从而降低F/M，提高处理效果。纯氧曝气工艺总运转费用的高低主要取决于纯氧的来源。一种方式是由制氧厂集中供氧，污水处理厂内储存液态氧随时使用，这种方式一般适用20000m3/d以下的小型污水处理厂；另一种方式是在处理厂内现场制氧。目前，国内仅在石化行业的一些污水处理厂采用了纯氧曝气工艺，城市污水处理厂尚未采用。采用纯氧曝气系统的主要效益：氧利用率可达80%90%，而鼓风曝气系统仅为10%左右；曝气池内混合液的MLSS值可达40007000mg/L，能够提高曝气池的容积负荷；曝气池混合液的SVI值较低，一般都低于100，污泥膨胀现象较少发生；产生的剩余污泥量少。8.其他改进方法除上述方法外，活性污泥法还有很多其他的曝气方法可以提高氧转移的效率，以提高处理效果，比如以下两种方法。（1）深水曝气活性污泥法系统 系统的主要特征是采用深度在7m以上的深水曝气池，这种曝气池具有优点有：由于水压增大，加快了氧的传递速率，提高了混合液的饱和溶解氧浓度，有利于活性污泥微生物的增殖和对有机物的降解；曝气池向竖向深度发展，降低了占用的土地面积。该工艺有下列两种形式曝气池：深水中层曝气池，水深在10m左右，但空气扩散装置设在深4m左右处，这样仍可使用风压为5m的风机，为了在池内形成环流和减少底部水层的死角，一般在池内设导流板或导流筒；深水底层曝气池，水深仍在10m左右，空气扩散装置仍设于池底部，需使用高风压的风机，但无需设导流装置，自然在池内形成环流。（2）浅层曝气活性污泥法系统 浅层曝气曝气池的空气扩散装置多设置在曝气池的一侧，距水面约0.60.8m的深度。为了在池内形成环流，在池中心处设导流板。浅层曝气曝气池可使用低压鼓风机，有利于降低电耗。第二节 生物脱氮除磷工艺传统活性污泥工艺能有效地去除污水中的BOD5和SS，但不能有效地去除污水中的氮和磷。如果含氮磷较多的污水排到湖泊或海湾等相对封闭的水体，则会产生富营养化，导致水体水质的恶化或湖泊退化，影响其使用功能。因此，在对污水中的BOD5和SS进行有效去除的同时，还应根据需要考虑污水的脱氮除磷。采用化学或物理化学方法可以有效地脱氮除磷。例如折点加氯或吹脱工艺可以有效地去除氨和氮；采用混凝沉淀或选择性离子交换工艺可以去除磷。但这些方法的运行费用都较高，不适合水量一般都很大的城市污水处理。因此，城市污水的脱氮除磷大量采用的还是生物处理工艺。根据受纳水体的使用功能和水质要求，城市污水生物脱氮除磷工艺功能可以分成以下几种：去除污水中有机物、有机氮和氨氮；去除BOD和脱氮，包括有机氮和氨氮及硝酸盐；去除污水中BOD和氮、磷，即完全的脱氮除磷。生物脱氮除磷工艺在去除污水中BOD的同时，也能有效地去除氮和磷，满足上述脱氮除磷的功能要求，因而愈来愈受到人们的广泛重视。一、生物脱氮除磷机理（一）生物脱氮机理1.生物脱氮过程污水中的氮主要以下面几种形式存在：有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮。一般用来表示氮含量的指标有：总氮（TN）、总凯氏氮（TKN）、硝酸盐氮（）、亚硝酸盐氮（）以及氨氮（NH3N）。硝酸盐氮和亚硝酸盐氮统称为硝态氮（）。总凯氏氮（TKN）是指有机氮和氨氮之和。总氮（TN）则包括所有有机氮、无机氮，即脱氮过程即是各种形态的氮转化为氮气从水中脱除的过程。在好氧池中，污水中的有机氮被细菌分解成氨，硝化作用使氨进一步转化为硝态氮，然后在缺氧池中进行反硝化，硝态有机氮（蛋白质、尿素）亚硝态氮（）O2硝化氨氮有机氮（细菌细胞）有机氮（净增长）氨化自溶和自身氧化氨化 细菌分解和水解O2硝化O2硝化有机氮（）氨气反硝化有机碳图3-6 各种形态氮的生物转化氮还原成氨气溢出。图3-6较为详细地显示了生物脱氮的过程。原污水中的氮几乎全部以有机氮和氨氮形式存在，首先须通过生物硝化将其转化成硝酸盐，然后利用生物反硝化将其转化成氮气逸出污水，以达到脱氮的目的。2.生物脱氮机理（1）氨化作用 生物氨化是指微生物将有机氮转化为NH3-N的生物过程。一般的异氧微生物都能进行高效的氨化作用，即在细菌分泌的水解酶的催化作用下，有机氮化合物水解断开肽键，脱除羧基和氨基形成氨。在传统活性污泥工艺中，伴随BOD5的去除，95%以上的有机氮会被转化成NH3-N。（2）硝化作用 生物硝化作用是利用化能自养微生物将氨氮氧化成硝酸盐的一种生化反应过程。硝化作用由两类化能自养细菌参与，亚硝化单细胞菌首先将氨氮NH3-N氧化成亚硝酸盐，硝化杆菌再将氧化成稳定状态的硝酸盐，反应式如下：总反应为： （3）反硝化作用 生物反硝化是指污水中的硝酸盐，在缺氧条件下，被微生物还原为氮气的过程。参与这一生化反应的微生物是反硝化细菌，这是一类大量存在于活性污泥中的兼性异养菌，如产碱杆菌、假单胞菌、无色杆菌等菌属均能进行生物反硝化。在有氧存在的好氧状态下，反硝化菌能进行好氧生物代谢，氧化分解有机污染物，去除BOD5；在无分子氧但存在硝酸盐的条件下，反硝化细菌能利用中的氧（又称为化合态或硝态氧），继续分解代谢有机污染物，去除BOD5，并同时将中的氮转化为氮气N2。这个过程可以用下式表示：3.生物硝化过程的主要影响因素（1）温度 硝化细菌对温度的变化很敏感。在535的范围内，硝化细菌能进行正常的生理代谢活动，并随温度的升高，生物活性增大。在30左右，其生物活动增至最大，而在低于5时，其生理活动会完全停止。在生物硝化系统的运行管理中，当污水温度低于15时，硝化速率会明显下降，当温度低于10时，已经启动的硝化系统可以勉强维持，但如果硝化系统被破坏，在10以下再重新启动，培养硝化菌将是非常困难的。在冬季，为保证一定的硝化效果，可以采用增大泥龄SRT的方法来应付低温对硝化的影响。当污水温度在16之上时，采用810d的泥龄即可；但当温度低于10时，应将泥龄SRT增至1220d。（2）pH 硝化细菌对pH反应很敏感。在pH为89的范围内，其生物活性最强，当pH6.5或pH9.6时，硝化菌的生物活性将受到抑制并趋于停止。在生物硝化系统中，应尽量控制混合液的pH大于7.0，当pH7.0时，硝化速率明显下降。当pH6.5，则必须向污水中加碱。（3）有机负荷F/M 生物硝化属低负荷工艺，F/M一般都在0.15 kgBOD5/(kgMLVSSd)以下。负荷越低，硝化进行的越充分，NH3-N向 转化的效率就越高。有时为了使出水NH3-N非常低，甚至采用F/M为0.05 kgBOD5/(kgMLVSSd)的超低负荷。（4）泥龄SRT 生物硝化系统的泥龄SRT一般较长，主要是由于硝化菌增殖速度较慢，世代期长，如果不保证足够长SRT，硝化细菌就培养不起来，也就得不到硝化效果。实际运行中，SRT控制在多少，取决于温度等因素。但一般情况下，要得到理想的硝化效果，SRT至少应在8d以上。（5）溶解氧DO 硝化工艺混合液的DO应控制在2.0mg/L以上，一般在2.03.0mg/L之间。当DO小于2.0mg/L时，硝化将受到抑制；当DO小于1.0mg/L时，硝化将受到完全抑制并趋于停止。生物硝化系统需维持高浓度DO，有以下原因：硝化细菌为专性好氧菌，无氧时即停止生命活动，不像分解有机物的细菌那样，大多数为兼性菌；硝化细菌的摄氧速率较分解有机物的细菌低得多，如果不保持充足的氧量，硝化细菌将“争夺”不到所需要的氧；绝大多数硝化细菌包埋在污泥絮体内，只有保持混合液中较高的溶解氧浓度，才能将溶解氧“挤入”絮体内，便于硝化细菌摄取。一般情况下，将每克NH3-N转化成约需要4.57g氧，对于典型的城市污水，生物硝化系统的实际供氧量一般较传统活性污泥工艺高50%以上，具体取决于进水中有机氮和氨氮的浓度。（6）BOD5/TKN 入流污水中的BOD5与TKN之比是影响硝化效果的一个重要因素。BOD5/TKN越大，活性污泥中硝化细菌所占的比例越小，硝化速率NR也就越小，在同样运行条件下硝化速率就越低；反之，BOD5/TKN越小，硝化速率越高。典型城市污水的BOD5/TKN大约为56，此时活性污泥中硝化细菌的比例约为5%；如果污水的BOD5/TKN增至9，则硝化菌比例将降至3%；如果BOD5/TKN减至3，则硝化细菌的比例可高达9%。当BOD5/TKN变小时，由于硝化细菌比例增大，部分细菌会脱离污泥絮体而处于游离状态，在二沉池不易沉淀，导致出水混浊。因而，对某一生物硝化系统来说，存在一个最佳BOD5/TKN值。很多处理厂的运行实践发现，BOD5/TKN值的最佳范围为23。（7）有毒物质 某些重金属离子、络合阴离子、氰化物以及一些有机物质会干扰或破坏硝化细菌的正常生理活动。当这些物质在污水中的浓度较高，便会抑制生物硝化的正常进行。例如，当铅离子大于0.5mg/L、酚大于6.5mg/L、硫脲大于0.076mg/L时，硝化均会受到抑制。而当NH3-N浓度大于200mg/L时，也会对硝化过程产生抑制，但城市污水中一般不会有如此高的NH3-N浓度。4.生物反硝化过程的影响因素（1）温度 反硝化细菌对温度变化不如硝化细菌那样敏感，但反硝化效果也会随温度变化而变化。温度越高，硝化速率也越高，在3035时DNR增至最大。当低于15时，反硝化速率将明显降低；至5时，反硝化将趋于停止。因此，在冬季要保证脱氮效果，就必须增大SRT，提高污泥浓度或增加投运池数。（2）pH 反硝化细菌对pH变化不如硝化细菌敏感，在pH为69的范围内，均能进行正常的生理代谢，但生物反硝化的最佳pH范围为6.58.0。当pH7.3时，反硝化的最终产物为N2，而当pH7.3时，反硝化最终产物为N2O。（3）BOD5/TKN 因为反硝化细菌是在分解有机物的过程中进行反硝化脱氮的，所以进入缺氧段的污水中必须有充足的有机物，才能保证反硝化的顺利进行。从理论上讲，当污水的BOD5/TKN2.86时，有机物即可满足需要。但由于BOD5中的一些有机物并不能被反硝化细菌利用或迅速利用，而且另外一部分细菌在好氧段不进行反硝化时，也需要有机物。因此，实际运行中应控制BOD5/TKN4.0，最好在5.7之上。否则，应外加碳源，补充有机物的不足。常用的是工业用甲醇，因为甲醇是一种不含氮的有机物，正常浓度下对细菌也没有抑制作用。（4）缺氧段溶解氧 在实际运行管理中，当DO低于0.5mg/L时，即可理解为“缺氧状态”。对细菌的微观生活环境而言，例如，在细胞体内，当游离的分子态溶解氧DO为零，而存在足量的时，反硝化细菌将只能利用中的化合态氧分解有机物，并将中的氮转化成N2。当存在一定量的DO时，反硝化细菌则将优先利用游离态的DO分解有机物，只有将DO耗尽以后，才能利用中的化合态氧。因此，对反硝化来说，希望DO尽量低，最好是零，这样反硝化细菌可以“全力”进行反硝化，提高脱氮效率。显然，在A/O脱氮工业的缺氧段中，应使混合液的DO尽量低。但是，实际运行中使DO过分降低是非常困难的，大量混合液自好氧段末端回到缺氧段，必然会带回一定量DO。但是，即使混合液中存在一定量的DO，也不一定能进入细菌细胞体内被细菌利用，因为正常情况下DO是以单纯扩散形式进入细胞体内的，要求混合液中有足够高的DO浓度，才能将DO“挤入”，而进入细胞的扩散速度则较DO快得多。大量处理厂的运行实践证明：缺氧段混合液的DO值控制在0.5mg/L以下，可以得到良好的脱氮效果，当DO高于0.5mg/L时，脱氮效率明显下降。（二）生物除磷机理污水中的磷主要来自粪便、洗涤剂、农药和含磷工业污水等。污水中的磷，主要以磷酸盐（、）、聚磷酸盐和有机磷的形式存在。20世纪70年代中期，人们在传统活性污泥工艺的运行管理中，发现一类特殊的兼性细菌，在好氧状态下能超量地将污水中的磷吸入体内，使体内的磷含量超过10%，有时甚至高达30%，而一般细菌体内的含磷量只有2%左右。这类细菌后来被广泛地用于生物除磷，称为聚磷菌或摄磷菌。最初只发现不动杆菌属的某些细菌具有聚磷作用，现在已发现并分离出60多种细菌和真菌都具有聚磷作用。生物除磷就是利用这些细菌、藻类等微生物在某种特定条件下在它们体内的细胞内积储大大超过合成细胞所需的磷，并在厌氧条件下释放出来的原理，通过对微生物的这种过剩摄取和释放磷的控制，排除系统中的剩余污泥，达到生物除磷的目的。生物除磷过程分为以下两个阶段（见图3-7）。图3-7 生物除磷的基本原理DN反硝化反应器（可有可无）；PHB聚-羟基丁酸盐（1）厌氧阶段 使含磷化合物成溶解性磷，聚磷菌释放出积储磷酸盐。（2）好氧阶段 聚磷菌大量吸收并积储溶解性磷化物中的磷，合成TAP与聚磷酸盐。聚磷菌是好氧菌，它在活性污泥中不是优势菌种，但能在厌氧环境中将聚磷酸水解。由于它在利用基质的竞争中比其他好氧菌占优势，从而利用它的大量繁殖，经过厌氧与好氧的交替，进行释磷与吸磷的过程，处理后的出水在沉淀池与活性污泥分离，从而通过排除富磷的活性污泥而达到除磷目的。磷的去除不同于BOD被氧化成H2O和CO2，也不同于NH3-N转变为N2，它是通过摄取与释放来实现的，因此，在除磷过程中应尽量减少污泥系统中释放和污泥回流磷的数量。二、缺氧好养A1/O生物脱氮工艺（一）工艺流程缺氧池好氧池沉淀池出水回流污泥剩余污泥原污水A1O图3-8 A1/O工艺流程图缺氧好氧（Anoxic-Oxic，简称A1/O）工艺流程开创于20世纪80年代初，由缺氧池和好氧池串联而成（图