好氧活性污泥法_環(huán)境微生物學(xué)（下

二、好氧活性污泥法

活性污泥法自1914年在英國由阿登(E.Arden)和洛基特(W.T.Lockett)創(chuàng)始以來已經(jīng)有近一個世紀(jì)的歷史，在城市污水和工業(yè)廢水的處理中得到了廣泛運(yùn)用。

活性污泥法是利用含有大量好氧和兼性厭氧微生物的活性污泥，采用人工曝氣的手段，使得活性污泥均勻分散并懸浮于反應(yīng)器中，同廢水充分接觸，利用微生物的代謝作用去除水中的有機(jī)污染物。該法通常作為二級處理，接納從初級沉淀池的來水進(jìn)行需氧生物氧化處理，主要降解溶解和膠體有機(jī)物。

1.活性污泥的組成及性質(zhì)

活性污泥(activated sludge)是指由多種好氧和兼性厭氧微生物(兼有少量的厭氧微生物)與污水中的有機(jī)和無機(jī)固體物混凝交織在一起，形成的絮狀體或絨粒(floc)，靜置時能凝聚成較大的絨粒而沉降。活性污泥具有很強(qiáng)的吸附、氧化分解有機(jī)物的能力。

活性污泥外觀上呈黃褐色，有時亦呈深灰、灰褐、灰白等色，含水率在99%左右，顆粒大小為0.02～0.2 mm，表面積為20～100cm²/ml，相對密度為1.002～1.006。呈弱酸性(pH值約為6.7)，對進(jìn)水pH的變化有一定的承受能力。

2.活性污泥中的微生物群落及其在凈化污水中的功能

活性污泥結(jié)構(gòu)和功能的中心是菌膠團(tuán)。菌膠團(tuán)是活性污泥的基本成分，是一些具有夾膜或黏液層，能起絮凝作用的細(xì)菌相互聚集由公共夾膜包圍所成的細(xì)菌集團(tuán)。菌膠團(tuán)上吸附有大量碎屑、有機(jī)顆粒，菌膠團(tuán)的表面生活著各種各樣的微生物。菌膠團(tuán)不但具有很強(qiáng)的生物吸附和氧化分解有機(jī)物的能力，還為其他微生物提供了良好的生存環(huán)境和附著、攝食場所，原生動物、微型后生動物有的固著生活在其表面，有的在其上爬行、穿梭取食，大大提高了微生物的攝食和分解效率。此外，菌膠團(tuán)還可指示活性污泥的性能，菌膠團(tuán)生命力旺盛，吸附和氧化能力強(qiáng)，老化的菌膠團(tuán)顏色深，結(jié)構(gòu)松散，吸附和氧化分解能力差，一旦菌膠團(tuán)被破壞，則有機(jī)物的去除能力大為降低。

活性污泥的微生物相十分復(fù)雜，除大量細(xì)菌外，還有一定量的原生動物、霉菌、酵母菌、放線菌、單細(xì)胞藻和某些微型后生動物如輪蟲、線蟲、寡毛類等。由于不斷人工充氧和污泥回流，個體較大、生命周期長的微生物較難存活。

(1)細(xì)菌(真細(xì)菌、古生菌)

活性污泥中的微生物主要由細(xì)菌組成。細(xì)菌是污水處理中最重要的一類微生物，是去除污水中有機(jī)污染物的主力軍，其數(shù)量可占污泥中微生物總量的90%～95%，密度為10⁸～10⁹個/ml?；钚晕勰嘀械募?xì)菌主要是菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀細(xì)菌，它們構(gòu)成了活性污泥的骨架。

活性污泥中出現(xiàn)的細(xì)菌種類很多，主要有假單胞菌(Pseudomonas)、動膠菌(Zoogloea)、產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)、黃桿菌(Flavobacterium)、芽孢桿菌(Bacillus)、埃希氏菌(Escherichia)、微球菌(Micrococcus)、葡萄球菌(Staphylococcus)、甲烷桿菌(Methanobacterium)、甲烷八疊球菌(Methanosarcina)、甲烷球菌(Methanococcus)、無色桿菌(Achromobacter)、氣桿菌(Aerobacter)、節(jié)桿菌(Arthrobacter)、亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、貝氏硫細(xì)菌(Beggiatoa)、不動細(xì)菌屬(Acinetobacter)、球衣菌屬(Sphaerotilus)、大腸菌屬(Coliform)、八疊球菌(Sarcina)、諾卡氏菌屬(Nocardia)、蛭弧菌屬(Bdellovibrio)等。

活性污泥絮凝體中以無色桿菌屬、黃桿菌屬、假單胞菌屬和產(chǎn)堿桿菌屬占優(yōu)勢，主要種類有生枝動膠菌Zoogloea ramigera、蠟狀芽孢桿菌Bacillus cereus、中間埃希氏菌E.intermedia、糞產(chǎn)氣副大腸桿菌Paracolobacterum aerogenoides、放線形諾卡氏菌Nocardia actinomorphya、假單胞屬菌Pseudomonas、產(chǎn)堿桿菌屬Alcaligenes、黃桿菌屬Flavobacterium、大腸桿菌E.coli、產(chǎn)氣氣桿菌屬Aerobacter aerogenes、變形菌類Proteus等。另外，硝化細(xì)菌、球衣細(xì)菌、貝日阿托氏菌、發(fā)硫菌等也很常見。

好氧活性污泥中的細(xì)菌大多包含在膠質(zhì)中，以菌膠團(tuán)的形式存在。膠質(zhì)是菌膠團(tuán)形成菌分泌的蛋白質(zhì)、多糖及核酸等胞外聚合物。在活性污泥形成初期，細(xì)菌多以游離態(tài)存在，隨著活性污泥的成熟，細(xì)菌增多并聚集成菌膠團(tuán)，進(jìn)而形成活性污泥絮狀體(floc)。菌膠團(tuán)的形狀有球形、蘑菇形、橢圓形、分枝狀、垂絲狀及不規(guī)則形。典型的菌膠團(tuán)細(xì)菌是動膠菌，如生枝動膠菌(Zoogloea ramigera)和垂(懸)絲動膠菌(Zoogloea filipendula)。

菌膠團(tuán)在污水處理中的作用主要表現(xiàn)在:①有很強(qiáng)的生物吸附能力和氧化分解有機(jī)物的能力。一旦菌膠團(tuán)受到各種因素的影響和破壞，則對有機(jī)物去除能力明顯降低，甚至無去除能力;②菌膠團(tuán)對有機(jī)物的吸附和分解，通過去除毒物、提供食料、升高溶解氧等途徑，改善了污水中的環(huán)境條件，為原生動物和微型后生動物提供了良好的生存環(huán)境;③為原生動物和微型后生動物提供附著場所;④具有指示作用:通過對菌膠團(tuán)的顏色、透明度、數(shù)量、顆粒大小及結(jié)構(gòu)的松緊程度可衡量好氧活性污泥的性能。例如新生菌膠團(tuán)顏色淺、無色透明、結(jié)構(gòu)緊密，則說明菌膠團(tuán)生命力旺盛，吸附和氧化能力強(qiáng)，即再生能力強(qiáng)。老化的菌膠團(tuán)顏色深、結(jié)構(gòu)松散、活性不強(qiáng)、吸附和氧化能力差。

活性污泥中還有一些絲狀細(xì)菌(filamentous bacteria)。常見的絲狀細(xì)菌主要有球衣菌(sphaerotilus)、鐵細(xì)菌(Crenothrix)、貝日阿托氏菌(Beggiatoa)和發(fā)硫菌(Thiothirx)等。絲狀細(xì)菌不分枝或有假分枝。絲狀菌在污(廢)水處理中作用重要而獨(dú)特。在正常的污水生物處理系統(tǒng)中，這些絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌形成互惠關(guān)系，或附著在菌膠團(tuán)上，或與菌膠團(tuán)交織在一起，成為活性污泥的骨架。這種結(jié)構(gòu)性的絲狀細(xì)菌對維持污(廢)水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力有重要意義。絲狀細(xì)菌對污染物質(zhì)的降解也有一定的積極作用，如球衣菌對有機(jī)物的分解氧化能力相當(dāng)強(qiáng);硫磺細(xì)菌能將水中硫化氫氧化為硫，并以硫粒形式存在于菌體內(nèi)，當(dāng)水中溶解氧高時(大于1mg/L)，體內(nèi)硫?？蛇M(jìn)一步氧化而消失。但絲狀細(xì)菌過度繁殖，特別是游離于菌膠團(tuán)之外的非結(jié)構(gòu)性絲狀細(xì)菌的大量繁殖，會引起污水處理系統(tǒng)的污泥膨脹。

(2)放線菌

放線菌(Actinomycete)是原核微生物，形態(tài)為具有分枝的絲狀體。大多數(shù)放線菌都是好氧性的，革蘭氏染色呈陽性，利用有機(jī)物提供碳源和能源。生長最適pH值為7～8，最適的溫度為25～30℃。放線菌中的一些種類在污水處理中具有特殊的作用，如諾卡氏菌(Nocardia)能分解氧化無機(jī)氰化物和烴類化合物，在處理含烴類和無機(jī)氰化物的污(廢)水中起著重要的作用。

(3)原生動物

原生動物的重要性僅次于細(xì)菌，起凈化水質(zhì)和指示生物的作用。

原生動物一般是好氧性的，主要附聚在活性污泥的表面。活性污泥中的原生動物密度為5000～20000個/ml，已鑒定的種類大約有300種，纖毛蟲最多，另有一定量的肉足蟲和鞭毛蟲。原生動物種類繁多，營養(yǎng)類型復(fù)雜，滲養(yǎng)性種類如一些小的裸肉足蟲可以利用溶解有機(jī)質(zhì)，吞噬性種類可取食有機(jī)顆粒、細(xì)菌等，有的能取食藻類，還有的以捕食為生，取食細(xì)菌甚至其他原生動物。

活性污泥中常見的原生動物如波多蟲Bodo、滴蟲Monas、變形蟲Amoeda、簡變蟲Vampkampfia、表殼蟲Arcella、草履蟲Paramecium、腎形蟲Colpoda、豆形蟲Colpidium、漫游蟲Lionotus、尖毛蟲Oxytricha、盾纖蟲Aspidisca、游仆蟲Euplotes、鐘蟲Vorticella、累枝蟲Epistylis、蓋纖蟲Opercularia、聚縮蟲Zoothamnium、足吸管蟲Podophrya、殼吸管蟲Acineta、錘吸管蟲Tokophrya等。

原生動物在污水生物處理的作用有以下幾方面:

①通過促進(jìn)凝絮和沉淀作用，間接提高了出水水質(zhì):原生動物通過分泌一些物質(zhì)，促進(jìn)絮凝和沉淀。污水生物處理中主要靠細(xì)菌起凈化和絮凝作用。但有的細(xì)菌需要一定量的原生動物存在，由原生動物分泌一定的黏液協(xié)同和促使細(xì)菌發(fā)生絮凝作用。如有些纖毛蟲能分泌多糖類物質(zhì)促進(jìn)菌膠團(tuán)的形成以及活性污泥的絮凝，加大了其沉降性，從而改善活性污泥的泥水分離特性，使出水更加澄清;一些固著型種類如鐘蟲等的尾柄可以分泌黏液，這些黏性物質(zhì)會使沉降加速，促進(jìn)生物絮凝。此外，固著型纖毛蟲本身有沉降性能，加上和細(xì)菌形成絮體，更完善了二沉池的泥水分離作用。

②凈化作用:首先，原生動物可直接取食有機(jī)物質(zhì)，凈化水質(zhì)。原生動物中的滲養(yǎng)性種類如一些小鞭毛蟲和肉足蟲可通過滲透作用直接吸收廢水中的溶解性有機(jī)物質(zhì)，其他動物性營養(yǎng)種類可吞食有機(jī)碎屑、顆粒、細(xì)菌以及其他微生物，直接對水質(zhì)起凈化作用。其次，原生動物可通過對細(xì)菌的取食提高出水水質(zhì)。原生動物對游離性細(xì)菌的捕食可明顯改善出水水質(zhì)，使出水更澄清。取食活動還有助于菌膠團(tuán)細(xì)菌維持合理的數(shù)量和活力，刺激細(xì)菌群體的生長繁殖，從而增加污泥沉降性，便于泥水分離，提高水處理效率。原生動物和微型后生動物吞食食物是無選擇性的，它們除吞食有機(jī)顆粒外，也吞食菌膠團(tuán)，原生動物的吞食量不影響整體的凈化效果，不會危及凈化作用。相反，原生動物尤其是纖毛蟲的存在，對出水水質(zhì)有明顯改善。實(shí)驗(yàn)表明，人為去除了纖毛蟲的生物處理系統(tǒng)，出水始終渾濁。

③指示作用:原生動物作為單細(xì)胞真核生物，對環(huán)境變化極為敏感，加上個體較細(xì)菌大得多，在光學(xué)顯微鏡下可以方便地分類鑒定，因此原生動物在污水處理過程中能起指示生物的作用。

不同種類的原生動物對環(huán)境條件的要求不盡相同，隨污水處理進(jìn)程有明顯的種類演替，如在水體自凈過程中，水體理化條件和可利用的營養(yǎng)物質(zhì)均發(fā)生變化，原生動物因?qū)Νh(huán)境條件的要求及營養(yǎng)方式的不同，隨著污水凈化和水體自凈程度的提高，相應(yīng)出現(xiàn)不同種類。

水體自凈過程中，原生動物演替的一般規(guī)律是滲養(yǎng)性種類如小鞭毛蟲和裸肉足蟲——菌食性的鞭毛蟲和肉足蟲——全毛類纖毛蟲——下毛類纖毛蟲——固著型纖毛蟲。

在污泥培養(yǎng)和系統(tǒng)運(yùn)行過程中，原生動物和微型后生動物出現(xiàn)的先后順序是:以溶解和顆粒有機(jī)質(zhì)為生的小肉足蟲和鞭毛蟲→食細(xì)菌的鞭毛蟲、肉足蟲→游泳型全毛類纖毛蟲→游泳型下毛類纖毛蟲、吸管蟲→固著型纖毛蟲、有殼肉足蟲→輪蟲等后生動物。

此外，當(dāng)環(huán)境條件改變時原生動物的個體形態(tài)和生長狀況會發(fā)生變化。例如，當(dāng)溶解氧不足時，鐘蟲(Vorticella)的蟲體出現(xiàn)氣泡，尾柄脫落，蟲體變長，最后變?yōu)榘遥踔两怏w死亡。

在水處理實(shí)踐中，可通過出現(xiàn)的原生動物種類組成特別是優(yōu)勢種類判斷水處理程度或活性污泥成熟程度，以及原生動物的活動狀況如個體形態(tài)、生長是否正常來判斷進(jìn)水水質(zhì)變化及系統(tǒng)運(yùn)行狀況。一般認(rèn)為，在活性污泥處理過程中，當(dāng)曝氣池中出現(xiàn)大量鐘蟲等固著型纖毛蟲時，說明污水處理運(yùn)轉(zhuǎn)正常，處理水質(zhì)良好;當(dāng)出現(xiàn)大量鞭毛蟲、根足蟲等時，說明運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，處理水質(zhì)變差;系統(tǒng)運(yùn)行正常時，原生動物形態(tài)、活動正常，反之，如細(xì)胞行動緩慢、細(xì)胞內(nèi)空泡增多、鐘蟲口纖毛盤凹陷甚至脫落、蟲體死亡、形成胞囊等，則表示可能進(jìn)水中有有毒物質(zhì)、供氧不足或有其他沖擊負(fù)荷。

原生動物和微型后生動物在活性污泥培養(yǎng)過程中具有指示作用，它們與活性污泥培養(yǎng)成熟程度之間的關(guān)系為:在活性污泥培養(yǎng)初期，主要出現(xiàn)小鞭毛蟲、變形蟲;活性污泥培養(yǎng)中期主要是游泳型纖毛蟲、鞭毛蟲;而在活性污泥培養(yǎng)成熟期，則出現(xiàn)鐘蟲等固著型纖毛蟲、楯纖蟲等下毛類纖毛蟲，以及輪蟲等后生動物。

(4)微型后生動物

后生動物的作用與原生動物相仿。它們一般在固著型纖毛蟲之后出現(xiàn)，這些個體大的微生物可取食碎屑、細(xì)菌、原生動物和其他微型后生動物，增加活性污泥的沉降性能等，故它們的存在可進(jìn)一步提高水質(zhì)。但線蟲的大量出現(xiàn)則預(yù)示系統(tǒng)缺氧?；钚晕勰嘀谐Ｒ姷暮笊鷦游锸禽喯x、線蟲和瓢體蟲。輪蟲取食游離細(xì)菌、有機(jī)物顆?；蛩樾肌］喯x在系統(tǒng)運(yùn)行正常時期，一般在有機(jī)物含量較低、出水水質(zhì)良好時才會出現(xiàn)，故輪蟲的存在說明處理效果較好。但有時污泥因泥齡較長、負(fù)荷較低、缺乏營養(yǎng)而老化解體時，輪蟲可因污泥碎屑增多而大量增殖。這時，輪蟲的出現(xiàn)則是污泥老化解絮的標(biāo)志?；钚晕勰嘀谐Ｒ姷妮喯x如玫瑰旋輪蟲Philodina roseola和豬吻輪蟲Dicranohorus。

(5)其他微生物

活性污泥中的真菌主要為霉菌和少量酵母菌。已報道的霉菌有毛霉屬、根霉屬、曲霉屬、青霉屬、鐮孢霉屬、枝孢霉屬、木霉屬、地霉屬等。霉菌的出現(xiàn)與水質(zhì)有關(guān)，常出現(xiàn)在pH值偏低的污水中。霉菌與絮狀體的形成和污泥膨脹均有關(guān)系，一定條件下(如低pH值、高糖)會引起霉菌性污泥膨脹?；钚晕勰嘀信紶柨梢娚倭繂渭?xì)胞藻類，但因曝氣池中濁度高影響光線透入，故藻類在其中難以繁殖，為數(shù)很少。此外，活性污泥中還混有病毒、立克次氏體等，但都不是活性污泥的主要組分。

(6)氧化塘中的微生物群落特征

氧化塘可以視為特殊的活性污泥系統(tǒng)。氧化塘一般用于三級深度處理，用以處理生活污水和富含氮、磷的工業(yè)廢水。與常規(guī)活性污泥法相比，氧化塘中的微生物多樣性更高，特別是藻類，種類和數(shù)量都大得多。氧化塘中的微生物群落與天然湖泊生態(tài)系統(tǒng)類似，水體中主要有細(xì)菌、藻類、原生動物和微型后生動物，在底泥中則有底棲生物，包括原生動物、線蟲、寡毛類以及水生昆蟲的幼蟲等。

氧化塘主要是靠異養(yǎng)細(xì)菌和藻類來完成凈化作用的，二者是典型的互生關(guān)系:細(xì)菌利用水中的溶解氧，將有機(jī)物氧化分解為H₂O、CO₂、NH₃、NO₃^－、PO₄^3－、SO₄^2－等為藻類提供光合作用所需物質(zhì);藻類利用H₂O和CO₂進(jìn)行光合作用合成碳水化合物，再吸收NH₃和SO₄^2－合成蛋白質(zhì)、吸收PO₄^3－合成核酸，并繁殖新藻體，光合作用釋放出的氧氣則為細(xì)菌代謝所用。

3.活性污泥法的微生物學(xué)過程

由于活性污泥的比表面積大，吸附能力強(qiáng)，廢水進(jìn)入曝氣池與活性污泥充分接觸后，其中有機(jī)物在1～30min的短時間內(nèi)可被吸附到活性污泥上。大分子的有機(jī)物先被細(xì)菌的胞外酶分解成為較小分子化合物，然后被攝入細(xì)菌體內(nèi)，低分子有機(jī)物可直接吸收。廢水中的溶解性有機(jī)物直接被細(xì)菌吸收，而固體及膠體有機(jī)物則先附著在微生物體外，由胞外酶分解為溶解性物質(zhì)，再滲入細(xì)胞，在細(xì)菌體內(nèi)氧化分解。在微生物的胞內(nèi)酶作用下，有機(jī)物的一部分被同化形成微生物有機(jī)體，另一部分轉(zhuǎn)化成H₂O、CO₂、NH₃、NO₃^－、PO₄^3－、-SO₄^2－等簡單無機(jī)物及能量釋出。值得指出的是，活性污泥法的微生物學(xué)過程是一個復(fù)雜的過程，其中包括一系列的微生物酶引起的復(fù)雜生化反應(yīng)，是多種微生物連續(xù)協(xié)同作用的結(jié)果。

4.活性污泥法的控制條件

養(yǎng)料:水中BOD₅∶N∶P以100∶5∶1為適宜，最低要求是100∶2∶0.5(均為質(zhì)量比)。為解決養(yǎng)料不平衡的問題，可以通過投加糞尿或?qū)⑸钗鬯c工業(yè)廢水混合處理。同時，還要考慮污水中所含有機(jī)物濃度。有機(jī)物濃度過高微生物難以適應(yīng)或感到供氧不足，同時出水有機(jī)物濃度也會相應(yīng)提高。濃度過低，微生物營養(yǎng)缺乏也會影響處理效果。一般好氧生物處理進(jìn)水有機(jī)物濃度BOD₅不宜超過500～1000mg/L，不低于50～100mg/L。

氧氣:一般曝氣池中的溶解氧在1.5～3mg/L時較適宜。

溫度:一般污水處理中起作用的為中溫性微生物，最適宜的溫度為25～32℃，溫度過高氣味明顯，而低溫降低BOD的去除率。

pH值:微生物的生理活動與環(huán)境的酸堿度密切相關(guān)，只有在適宜的pH值下，微生物才能進(jìn)行正常的生理活動。pH值過大地偏離適宜值，微生物酶系統(tǒng)的催化功能就會減弱甚至消失。大多數(shù)細(xì)菌在pH 6.5～8生長良好，污水過酸、過堿均須先調(diào)解pH值，而后再進(jìn)入曝氣池。

有毒物質(zhì):當(dāng)污水中有毒物質(zhì)達(dá)到一定濃度時，能破壞微生物的結(jié)構(gòu)而影響微生物的新陳代謝，從而影響污水的處理效果。微生物經(jīng)馴化后能提高對毒物的耐受力。

容積負(fù)荷:單位曝氣池有效容積單位時間內(nèi)所承受的有機(jī)污染物量，以kgBOD₅/(m³·d)表示，普通活性污泥法一般為0.3～0.8 BOD₅/(m³·d)。

污泥負(fù)荷:是指單位質(zhì)量活性污泥在單位時間內(nèi)所承受的有機(jī)污染物量，單位一般為kgBOD₅/(kgMLSS·d)，普通活性污泥法一般為0.2～0.4 kgBOD₅/(kgMLSS·d)，又稱有機(jī)底物量(F)與微生物量(M)的比值(food to microorganism ratio，F(xiàn)/M)，它是影響活性污泥增長速率、氧的利用速率以及污泥吸附凝聚性能的重要因素。

污泥齡:是指曝氣池內(nèi)工作著的活性污泥總量與每日排放的剩余物量之比，又稱污泥平均停留時間，單位是d。污泥齡的長短直接影響曝氣池內(nèi)活性污泥的性質(zhì)，普通活性污泥法一般為2～4天。

水力停留時間:曝氣池有效容積與污水流量的比值，表示污水在曝氣池中的平均停留時間。普通活性污泥法一般為6～10h。

5.活性污泥法運(yùn)行中常見的問題

活性污泥法運(yùn)行中的常見問題見表9-1。

表9-1　　活性污泥法運(yùn)行中的常見問題

(1)分散生長

分散生長是由微觀結(jié)構(gòu)的毀壞導(dǎo)致的，因?yàn)槲⑸锊荒芟嗷ヰじ搅?，生化絮凝無法發(fā)生。這通常是由于在某種特殊的活性污泥生長條件下不可絮凝細(xì)菌的出現(xiàn)，它們是單個的細(xì)胞或絲狀菌。難生物降解表面活性劑亦可通過分散(反絮凝)已絮凝的活性污泥導(dǎo)致分散生長。

(2)黏性膨脹

黏液或凝膠的形成，被稱為“黏性膨脹”或“菌膠膨脹”或“非絲狀膨脹”。這是由于微觀結(jié)構(gòu)中促進(jìn)生化絮凝發(fā)生的大量胞外物質(zhì)被毀壞，微生物細(xì)胞在有高度保水能力的胞外團(tuán)塊中“分散”，導(dǎo)致活性污泥的黏滯、難沉降和密實(shí)。

(3)針狀絮體

微細(xì)絮體或針狀絮體是由于宏觀結(jié)構(gòu)的毀壞，通常發(fā)生在低有機(jī)負(fù)荷的情況下，但在一些工業(yè)廢水活性污泥體系中，該問題可能是由化學(xué)物質(zhì)對絮凝體形成的干擾(如分散作用)造成的。絮凝體中基本不存在(或只有極少的)絲狀生物體，絮凝體很小、大致呈球形、脆弱且在曝氣池中很快被分裂并散開。

(4)絲狀膨脹

絲狀膨脹是因?yàn)榻z狀微生物(主要是絲狀細(xì)菌，有時也有由霉菌引起的絲狀膨脹)大量存在，它們或產(chǎn)生伸展、擴(kuò)散的絮凝體結(jié)構(gòu)，或超越活性污泥絮凝體的局限而在分散介質(zhì)中大量生長并在絮凝體之間架橋，由此妨礙了活性污泥的壓縮和沉降。

(5)污泥上浮

①污泥脫氮上浮:當(dāng)較長時間的缺氧引起反硝化作用，產(chǎn)生氮?dú)?，污泥上氮?dú)馕竭^多時污泥就會隨氣體浮出水面。

②污泥腐化上浮:在沉淀池內(nèi)污泥因缺氧而腐化，產(chǎn)生的甲烷和二氧化碳使污泥上浮，上浮的污泥發(fā)黑發(fā)臭。

(6)泡沫/浮渣

當(dāng)廢水中含有合成洗滌劑及其他起泡物質(zhì)時，就會在曝氣池表面形成大量泡沫。泡沫/浮渣通常是由絲狀微生物諾卡氏菌屬(Nocardia spp)或微絲菌(M.parvicella)以及反硝化作用引起的。當(dāng)脫氮污泥含有大量絲狀微生物時，污泥上浮問題會更加嚴(yán)重。泡沫的危害主要表現(xiàn)在:表面機(jī)械曝氣時，隔絕空氣與水接觸，降低葉輪的充氧能力;在泡沫表面吸附大量活性污泥固體時，影響二沉池沉淀效率，惡化出水水質(zhì);有風(fēng)時隨風(fēng)飄散，影響環(huán)境衛(wèi)生。

諾卡氏菌屬(Nocardia spp)和微絲菌(M.parvicella)的細(xì)胞表面都是疏水性的，當(dāng)它們在活性污泥中大量生長繁殖時，改變了絮凝體的疏水性質(zhì)并使其與空氣泡黏附。這些附有空氣泡的絮凝物聚集體比水輕，因此漂浮在表面上。既然它們是疏水性的，所以一旦到達(dá)表面就停留在那了;它們積累起來形成了一層很厚、呈巧克力棕色的漂浮物或浮渣。

二沉池中的脫氮作用會產(chǎn)生外觀上類似的漂浮物。在曝氣池中產(chǎn)生的硝酸鹽，在二沉池池底缺氧環(huán)境的活性污泥中被轉(zhuǎn)化成極難溶于水的氮?dú)?N₂)釋放出來。氮?dú)膺M(jìn)而充當(dāng)了很好的絮凝物浮選劑作用。N₂氣泡很小，又是在活性污泥絮凝體內(nèi)部產(chǎn)生，故能很好地黏附絮凝體，這些附有氣體的固體聚集體比水輕，上升到表面成為漂浮物。

由反硝化反應(yīng)引起的浮渣和由諾卡氏菌屬(Nocardia spp)或微絲菌(M.parvicella)引起的浮渣有所區(qū)別:由諾卡氏菌屬(Nocardia spp)或微絲菌(M.parvicella)引起的浮渣中生物體在混合液面上有明顯的聚集，曝氣池中的氣泡大而堅固;由反硝化反應(yīng)引起的則主要是在二沉池中有氮?dú)庑馀?，且浮渣和混合液之間難以區(qū)別。

(7)剩余污泥

剩余污泥(excess sludge)的形成:在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)內(nèi)的微生物不斷進(jìn)行新陳代謝，將有機(jī)污染物氧化分解為二氧化碳、水和各種中間代謝產(chǎn)物，同時利用分解代謝所釋放出的能量，將一部分基質(zhì)合成細(xì)胞物質(zhì)，供微生物生長，系統(tǒng)內(nèi)活性污泥量不斷增加。在系統(tǒng)開始運(yùn)行時，這種積累是必要的，但當(dāng)活性污泥達(dá)到一定數(shù)量，能滿足廢水處理的需要之后，新增的污泥不再是處理過程所需要的，應(yīng)予以排除，這部分排出的活性污泥稱為剩余污泥(excess sludge)。其中，固體物質(zhì)占0.5%～2%，主要是微生物細(xì)胞物質(zhì)(生物質(zhì)，biomass)和少量的重金屬、有機(jī)污染物質(zhì)等。

常規(guī)活性污泥工藝的污泥產(chǎn)量系數(shù)(sludge production coefficient)一般為0.5，污泥量通常占污水量的0.3%～0.5%(體積)，或污水處理量的1%～2%(質(zhì)量)，如果進(jìn)行深度處理，污泥量還會增加0.5～1倍。因此，城市人口增長、污水處理率提高、處理程度加深等，都會導(dǎo)致剩余污泥量增加。

剩余污泥的處理和處置投資大、花費(fèi)多。剩余污泥需經(jīng)濃縮、消化(通常是厭氧消化)、調(diào)節(jié)和脫水等步驟進(jìn)一步處理，以減少病原體、穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)、消除臭氣、去除重金屬、減少體積等，處理后形成的沉淀物則被焚燒、填埋、土地利用或海洋傾倒。在大多數(shù)城市污水處理廠，剩余污泥的處理費(fèi)用占整個污水處理費(fèi)用的25%～65%，歐洲、美國普遍占到總費(fèi)用的一半甚至60%。然而，盡管耗資巨大，目前這些污泥處置措施沒有一種能繼續(xù)推廣應(yīng)用，隨著公眾健康意識的加強(qiáng)和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，現(xiàn)行手段越來越受到限制。如填埋占用土地和污染地下水，海洋傾倒會污染海洋，焚燒會污染大氣，污泥的農(nóng)用影響人畜健康。目前，海洋傾倒已被許多國家禁止，污泥的農(nóng)用在發(fā)達(dá)國家已受到嚴(yán)格的衛(wèi)生法規(guī)限制。

6.絲狀微生物與活性污泥性質(zhì)

絲狀微生物對活性污泥絮凝體的性質(zhì)會產(chǎn)生重要影響，絲狀微生物的存在和數(shù)量與活性污泥絮凝體的性質(zhì)有極大關(guān)系。活性污泥絮凝體有三種情況:理想絮凝體、針狀絮凝體和絲狀膨脹污泥，區(qū)別主要就是絲狀微生物的存在狀況(表9-2)。

表9-2　　活性污泥絮凝體中微生物的構(gòu)成特征

在理想的未膨脹的活性污泥絮凝體中，絲狀微生物體和絮狀微生物體的生長處于平衡狀態(tài)。絲狀生物體大部分生長在絮凝體內(nèi)部，為絮凝體提供支撐和強(qiáng)度。只有極少的絲狀生物體從絮凝體表面伸出到溶液中，因其數(shù)量很少，不至于妨礙活性污泥的壓縮和沉降。這種污泥的污泥容積指數(shù)(SVI)在80～120mL/g之間。

針狀絮凝體中只有極少量甚至沒有絲狀生物體存在。這類絮凝體很小，往往很脆弱并容易在曝氣池的湍流中被剪切和分裂。大塊絮凝體沉降和壓縮得很快，更小的聚集體則不能很好地沉降。這種污泥處理的出水通常很渾濁，懸浮固體濃度很高，泥水界面也不明顯。該污泥具有很低的污泥容積指數(shù)(＜70mL/g)。

絲狀膨脹污泥中，絲狀生物體大量生長。它們生長在絮凝體的內(nèi)部和外部，并滲透到溶液中。它們伸展到絮凝體外，使之分散并/或在絮凝體之間架橋，因此阻礙了絮凝體靠近，就像機(jī)械的隆起物。如果這種污泥完全沉降下來，將得到非常清澈的出水，因?yàn)榇罅康难由旖z狀生物體過濾掉了引起水渾濁的小顆粒。但這種污泥SVI很高(＞150mL/g)，很難沉降和壓縮。

7.活性污泥的培育及馴化

活性污泥培育(cultivation of activated sludge)是活性污泥法啟動運(yùn)行的首要環(huán)節(jié)。接種的污泥應(yīng)取自處理同類水質(zhì)的污水處理廠?；钚晕勰嗟呐嘤芍苯釉谄貧獬貎?nèi)進(jìn)行，步驟如下:將污水泵入曝氣池，并按曝氣池有效容積的5%～10%投入接種污泥;在不進(jìn)水的條件下，連續(xù)曝氣數(shù)天，溶解氧控制在約1mg/L;繼續(xù)曝氣，小流量進(jìn)水并逐漸提高進(jìn)水流量，最終達(dá)到設(shè)計流量。每調(diào)整一個流量，一般應(yīng)保持1周的運(yùn)行時間，溶解氧也應(yīng)隨流量的提高而適當(dāng)提高，最終維持在2～3mg/L?？捎苗R檢的方法來判斷活性污泥是否成熟。

如果無法獲得同類水質(zhì)污水處理廠的活性污泥，經(jīng)常采用馴化(acclimation)的方法培育活性污泥。馴化是利用待處理的污水對微生物種群進(jìn)行自然篩選并使微生物逐步適應(yīng)污染物質(zhì)的過程。接種污泥最好是污水排放流經(jīng)處所的泥土或污水處理廠內(nèi)成熟的活性污泥、生物膜等，也可以從土壤等天然環(huán)境中獲得。實(shí)驗(yàn)室中污泥馴化一般是將取來的污泥或土壤置入含待處理污水的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。開始馴化時污水濃度宜低(如10%或更低)，然后逐漸轉(zhuǎn)種擴(kuò)大培養(yǎng)量，污水量濃度逐步增大甚至達(dá)到100%(因水質(zhì)有異，有時因營養(yǎng)、毒質(zhì)的影響難達(dá)到100%)。在此過程中，微生物由原來的不適應(yīng)而馴化至適應(yīng)，降解污染物能力從無到有，由弱到強(qiáng)。在難降解工業(yè)廢水生物處理中，污泥馴化是處理能否成功的先行環(huán)節(jié)。

除污泥馴化外，還可通過選用已知的特效菌株、分離并篩選高效菌株、誘變育種、基因工程構(gòu)建新菌種等方法或手段，獲得處理污水的優(yōu)良高效菌株。

8.活性污泥法的新工藝

活性污泥法投資省、效率高，單位反應(yīng)體積處理的廢水量較生物膜法高約10倍，故自1914年在英國開始應(yīng)用以來一直受到特別青睞，至今仍是全世界應(yīng)用最廣泛的生活污水和工業(yè)廢水處理技術(shù)。目前，正在運(yùn)行和在建的污水處理廠也大多是活性污泥工藝。然而，該法存在易發(fā)生污泥膨脹、氮磷去除率低、污泥產(chǎn)生量大等缺陷。針對這些缺點(diǎn)目前已開發(fā)出多種新型的活性污泥工藝。

(1)純氧曝氣活性污泥法

純氧曝氣活性污泥法又名富氧曝氣活性污泥法(high purity oxygen activated sludge)，利用純氧直接通入曝氣池進(jìn)行曝氣，其優(yōu)點(diǎn)是溶解氧飽和值較高，氧傳遞速率快，生物處理速度得以提高而曝氣時間短，僅為1.5～3.0h，污泥濃度為400～8000mgMLSS/L，處理效果好?？諝庵械难鹾績H為21%，純氧中的含氧量為90%～95%，氧分壓比空氣高4.4～4.7倍，用純氧進(jìn)行曝氣能提高氧向混合液中傳遞的能力。純氧曝氣工藝分為密閉多段式、開放微氣泡式和并流上升式等，其中尤以密閉多段式最為普遍。

(2)序批式活性污泥法

序批式活性污泥法(sequencing batch reactor)，簡稱SBR工藝。工藝運(yùn)行包括進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、靜置等5個工序，反應(yīng)器的運(yùn)行特點(diǎn)是間歇操作，因此亦稱為間歇式活性污泥法。在SBR工藝中，因污水一次性投入反應(yīng)器，有機(jī)物濃度隨時間變化而減少，至反應(yīng)后期污染物濃度較低，這種變化能較好地抑制絲狀細(xì)菌，而有利于菌膠團(tuán)形成菌的生長。另外，在SBR反應(yīng)器中，通過控制曝氣可實(shí)現(xiàn)厭氧與好氧交替的狀態(tài)，可以抑制專性好氧絲狀菌的過度繁殖。因此，SBR工藝能有效地防止污泥膨脹現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了污泥的沉降性能。

通過控制反應(yīng)工序的曝氣時間和其他工序的持續(xù)時間，在反應(yīng)器內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)厭氧—缺氧—好氧條件的交替，又可獲得脫氮除磷的效果。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，SBR工藝具有投資少、處理效率高等特點(diǎn)，適用于中、小水量的處理，具有廣闊的應(yīng)用前景。在我國，SBR工藝已成功地應(yīng)用于屠宰廢水、苯胺廢水、啤酒廢水、化工廢水、淀粉廢水等的處理。

(3)吸附生物降解工藝

吸附生物降解(adsorption-biodegration)工藝即AB工藝，是在傳統(tǒng)兩級活性污泥法和高負(fù)荷活性污泥法的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新工藝，屬超高負(fù)荷活性污泥法，與傳統(tǒng)活性污泥法相比具有負(fù)荷高、節(jié)能、對水質(zhì)變化適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

AB工藝為兩段活性污泥法，通常不設(shè)初沉池，主要由A段曝氣池、中間沉淀池、B段曝氣池和二次沉淀池等組成，兩段的活性污泥各自回流。A段為生物吸附階段、B段為生物降階段。A段為B段創(chuàng)造了良好的條件，使B段得以在較低負(fù)荷下運(yùn)行。A段承受較高的有機(jī)負(fù)荷，其污泥負(fù)荷是普通活性污泥的50～100倍，水力停留時間只有30min左右，污泥齡短，僅0.3～0.4天。B段污泥負(fù)荷一般小于0.15kgBOD/(kgMLSS·d)，水力停留時間為2～4h，污泥齡為15～20天。

AB法的主要特點(diǎn)是通過水力停留時間的控制，使不同特性的微生物分居在不同反應(yīng)器中，為其創(chuàng)造適宜的環(huán)境，使之得到良好的繁殖、生長，從而達(dá)到凈化污水、提高負(fù)荷的目的。A段主要生長化能異養(yǎng)性細(xì)菌，世代時間長的真核微生物難以繁殖。這些細(xì)菌耐受高濃度有機(jī)負(fù)荷，對有毒化學(xué)物的抗性亦較高。A段的BOD去除作用主要是生物吸附，生物降解去除BOD所占比例較小，一般不超過1/3。

A段不僅能除去大部分有機(jī)物質(zhì)，而且能起調(diào)節(jié)和緩沖作用，為整個處理系統(tǒng)耐沖擊、抗毒性和穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。由于A段的調(diào)節(jié)和緩沖，使B段的進(jìn)水水質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，且負(fù)荷較低，因此，在B段中占優(yōu)勢的微生物主要是生長期較長，要求穩(wěn)定環(huán)境的原生動物和后生動物，如鐘蟲、輪蟲等，它們吞食由A段來的細(xì)菌和有機(jī)物顆粒，過濾、凈化污水，并促使生物絮凝，提高出水水質(zhì)。

(4)延時曝氣活性污泥法

延時曝氣活性污泥法(extended aeration activated sludge，EAAS)又名完全氧化活性污泥法。其主要特點(diǎn)是污泥負(fù)荷F/M非常低，曝氣時間長可達(dá)到24h以上，活性污泥在曝氣池中長期處于內(nèi)源呼吸階段，剩余污泥少且穩(wěn)定，無需再進(jìn)行厭氧消化處理，因此該工藝是污水、污泥綜合處理系統(tǒng)。此外，該工藝還具有處理水穩(wěn)定性高，對原污水水質(zhì)、水量變化有較強(qiáng)適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是曝氣時間長、池容積大、基建費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)較高、占地面積大等。延時曝氣法適用于處理對處理水質(zhì)要求高，而且又不宜采用污泥處理技術(shù)的小城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水，水量不宜超過1000m³/d。

(5)氧化溝

氧化溝又稱循環(huán)曝氣池，是20世紀(jì)50年代由荷蘭的巴斯維爾(Pasveer)所開發(fā)的一種污水活性污泥處理改良技術(shù)。氧化溝的構(gòu)造形式多樣、運(yùn)行靈活，一般呈環(huán)形溝渠狀，平面多為橢圓形、圓形或馬蹄形，總長可達(dá)到幾十米，甚至百米以上。在流態(tài)上，氧化溝介于完全混合和推流之間，這樣有利于活性污泥的生物凝聚作用，而且可以將其劃分為富氧區(qū)、缺氧區(qū)，用以進(jìn)行硝化和反硝化，從而取得脫氮的效果。氧化溝工藝流程簡單，本身兼作沉淀池，可不另設(shè)二沉池，構(gòu)筑物少，運(yùn)行管理方便。氧化溝同活性污泥的延時曝氣法類似，BOD負(fù)荷低，對水溫、水質(zhì)、水量的變動有較強(qiáng)的適應(yīng)性;污泥齡較長可達(dá)15～30d?？缮L世代時間長、增殖速度慢的微生物，如硝化菌，故一般的氧化溝可使污水中的氨氮達(dá)到95%～99%的硝化程度。如果設(shè)計運(yùn)行得當(dāng)，還能具有反硝化脫氮的效果?；钚晕勰嘣谘趸瘻蟽?nèi)的停留時間很長，排出的剩余污泥已得到高度穩(wěn)定，因此只需進(jìn)行濃縮和脫水處理，從而省去了污泥消化池。