第六章 水的好氧生物处理
生物处理是微生物通过其本身新陈代谢的生理功能，将有机物氧化分解为无机物。
污水的生物处理技术利用微生物这一生理功能，采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物生长、繁殖的良好环境，加速其繁殖及新陈代谢生理功能，使污水中的有机物得以降解、去除的处理技术。
⎧的人工强化⎧⎪活性污泥法－水体自净⎪好氧法⎨⎪⎪包括⎨人工强化 ⎩生物膜法－土壤自净的
⎪⎪水⎩{厌氧法－高浓度有机废
去除对象：溶解和胶体状态的有机污染物
第一节 活性污泥法
一、基本原理
（一）基本概念
1．活性污泥：向生活污水中注入空气曝气，并持续一段时间后，污水中即形成一种絮凝体，这种絮凝体主要由大量繁殖的微生物群体所构成，它易于沉淀分离，并使污水得到澄清，称之为活性污泥。
活性污泥上有大量微生物，外观黄褐色絮绒颗粒状，具有较大的比表面积，含水率99％。
2．活性污泥的组成
由活性的微生物M a 、微生物自身氧化的残留物（死菌）M e 、吸附在活性污泥上不能为生物降解的有机物M i 和无机物M ii 。
（1）活性污泥微生物以好氧细菌为主，也存在真菌、原生动物和后生动物等――组成相对稳定的生态系。
（2）污水中有机物的成分决定哪些种属的细菌占优势。
活性污泥上的细菌以异养型原核细菌为主，数量大约107～108/ml，主要有动胶杆菌属、假单胞菌属（含糖、烃类污水）、产碱杆菌属（蛋白质多的污水）、黄杆菌属及大肠杆菌等。
繁殖速度较高，每个世代20～30min 。
以菌胶团形式存在，游离细菌较少。
菌胶团－各种细菌及细菌所分泌粘液物质（多糖、多肽类物质）组成的絮凝体状团粒。
只有在菌胶团良好发育的条件下，活性污泥的絮凝、吸附、沉降等性能才能正常发挥。
（3）与活性污泥有关的真菌主要是霉菌，一种丝状真菌，能分解有机物，但大量繁殖可能导致污泥膨胀。
（4）原生动物－有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫，主要捕食对象是细菌，不同阶段类型不同
a ． 开始阶段－游离细菌多，出现鞭毛虫、肉足虫－水质欠佳
b ．游泳型纤毛虫
c ． 活性污泥成熟，细菌凝聚为菌胶团，出现固着型纤毛虫（钟虫、等枝虫等）－水质良好。
原生动物－活性污泥系统的指示性生物，还能吞食游离细菌，进一步净化水质。
（5）后生动物（轮虫等）
一般不出现，仅在水质优异的完全氧化型活性污泥系统（延时曝气）中出现。是水质非常稳定的标志。
（二）基本流程
回流污泥－使曝气池保持一定的悬浮固体浓度，即保持一定的微生物浓度和活性。
剩余污泥－增殖的微生物量，为保持系统稳定运行，需排除。
二沉池－完成泥水分离。
曝气系统－供氧，搅拌。
曝气池－完成生物处理。
（三）活性污泥的评价指标
除生物相观察外，还使用以下指标
1．表示活性污泥数量的指标
（1）混合液悬浮固体浓度MLSS （Mixed liquor suspended solid） 单位容积混合液中所含活性污泥固体物的总重量，mg/l
MLSS=Ma + Me + Mi + Mii
测定简单，表示活性污泥微生物数量的相对值。
（2）混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS
混合液活性污泥中有机性固体物质的浓度
MLVSS=Ma + Me + Mi
M e + Mi 还是难以生物降解
一般MLVSS/MLSS比较固定，生活污水0.7~0.8
2．活性污泥的沉降与浓缩性能评价指标
（1）污泥沉降比（SV ％）
指曝气池混合液，在1000ml 量筒中静置沉淀30min ，沉淀污泥与混合液的体积比（％）
一般可接近它的最大密度，SV ％可以反映曝气池正常运行的污泥量，用于控制剩余污泥的排放。及时反映出污泥膨胀等异常情况，便于及早查明原因，采取措施。正常15～30％。
（2）污泥指数SVI
污泥容积指数，是指曝气池出口处混合液经静置沉淀30min 后，每克干污泥所占的容积，以mL 计。
SVI ＝
＝混合液30min 静沉后污泥体积(mL /L ) 污泥干重(g /L ) SV (mL /L ) （mL/g)MLSS
反映活性污泥的松散程度（活性）和凝聚沉降性能，一般50～150左右。
，无机物多，缺乏活性和吸附能力⎧⎪SVI 值过低－泥粒细小紧密 ⎨⎪分离，即将膨胀（或已膨胀）⎩SVI 值过高－污泥难于沉降
[例] 曝气池出口处混合液中活性污泥浓度为2500mg/l，1L 混合液经30min 沉淀后污泥体积为300ml ，则混合液SV ％和SVI 是多少？
300解：（1） SV ％＝ 100％＝30％1000
（2） SVI ＝SV 300（mL /L ）＝＝120mL /g MLSS 2. 5g /L
SVI 值受水质和曝气方法影响，两个SVI 来自不同水厂条件不同，相比没有多大意义。
3．活性污泥的增长规律及有关指标
活性污泥主要依靠微生物对水中有机物的降解和去除作用，达到水质净化目的。所以，了解微生物的生长规律，用以控制与发展活性污泥法的运行方式。
营养物或有机底物F 与微生物量M 比值（F ：M ）是微生物增殖速率的重要因素，也是有机物降解速率、氧利用率、活性污泥的凝聚、吸附性能的重要影响因素。
（1）适应期lag phase
微生物没有增殖，对于污水进入形成的新环境条件，细胞内的酶系统有一个适应过程。BOD 、COD 下降很少。
（2）对数增长期 the expotential growth phase
营养过剩，F/M>2.2，微生物以最大速率氧化分解有机物和增殖、合成新细胞。
活性污泥增长速率只受其生物量（MLVSS ）及自身机理有关，与营养物无关。
活性污泥有很高的能量水平，其活性很强，吸附有机物能力强，速度快；微生物活动能力强，活性污泥质地松散，絮凝性能不佳。
代谢速率快，需大量氧，必须维持相应的氧转移率，否则，有机底物降解及微生物增殖速率都将低下。
（3）减速增长期 stationary phase
由于营养物F 下降，细胞M 增长，F/M值降低，营养物不再过剩，成为制约微生物增殖的因素。
有机物降解速率，微生物增长速率与残存的有机物呈一级反应关系。
营养物F 下降，微生物能量水平下降，细菌之间无能力克服相互之间吸引力，开始结合在一起，活性污泥的絮凝体开始形成，活性开始减弱（但仍有相当活性），
凝聚、吸附、沉降性能有所提高，水质改善。
（4）内源呼吸期
F/M下降到最低值并保持一常数，微生物已不能从周围环境中获取足够满足自身生理需要的营养，并开始代谢自身的细胞物质，以维持生命活动。
营养物质几乎消耗殆尽，能量水平极低，絮凝体形成速率提高。细菌凝聚性能最强，细菌处于饥饿状态，吸附有机物能力强。细菌（游离）被栖息于活性污泥表面的原生动物所捕食，处理水质良好，稳定度提高。
F/M－控制活性污泥微生物的增殖期。不同时期，微生物性能不同，处理水质不同。通过F/M调整，使曝气池内活性污泥，主要是出口处处于我们要求的增殖期。
F/M以BOD －污泥负荷率（N S ）表示：
QS o F =N s =(kgBOD5/kgMLSS ⋅d ) M XV
其中：Q －污水流量，m 3/d
S 0－原污水有机底物（BOD 5）浓度，mg/L
V －反应器（曝气池）容积，m 3
X －混合液悬浮固体（MLSS ）浓度，mg/L
污泥龄ts －为曝气池中活性污泥量与每日排放的剩余污泥量之比，即活性污泥在曝气池内的停留时间，又叫生物固体平均停留时间。（SRT －solid retention time ）。
θs =VX (d)∆X
∆X －每日的污泥增长量（即排放量），kg/d
θS －是活性污泥处理系统设计与运行管理的重要参数，它直接影响池内活性污泥的性能和其功能。
（四）活性污泥净化反应过程
活性污泥去除有机物的过程：
1．吸附阶段
污水和污泥刚开始接触的5～10min 内，出现了很高的BOD 去除率，水中有机物被吸附到活性污泥上（活性污泥具有巨大的比表面积，表面上含有多糖类
粘性物质。）
这过程很快，30min 内完成，BOD 去除率达70％。
附、凝聚功能⎧微生物的活性程度－吸
⎪⎪反应速度取决于与水力动力学规律－决定絮凝体 ⎨反应器内水力扩散程度
⎪ 与有机底物的接触程度⎪⎩
吸附在表面的有机物，经数小时的曝气后，才能被代谢。
2．代谢阶段
活性污泥上的有机物被微生物代谢利用，这个过程比较缓慢。微生物对有机物进行合成代谢，形成新的细胞物质，所需能量取自分解代谢。
微生物一直在对自身细胞物质进行氧化分解，并提供能量（内源呼吸）。 当有机底物充足，大量合成新细胞物质，内源呼吸不明显。
当有机物消耗殆尽时，内源呼吸成为提供能量的主要方式。
分解、合成代谢都能去除有机污染物，但产物不同。
CO 2和H 2O ⎧⎪分解代谢产物－ ⎨⎪（以剩余污泥方式排出系统）⎩合成代谢产物－新细胞
（五）对活性污泥反应的影响因素
创造有利于微生物生理活动的环境条件
1．BOD 负荷率
BOD 负荷率(F/M)是影响活性污泥增长、有机物降解的重要因素。
⎧降解速度↑ →反应器V ↓→经济F ⎪活性污泥增长和有机物↑ → ⎨M ⎪质不合格）⎩受纳水体水质要求（水
F ↓ →降解速度↓ →反应器V ↑→处理能力↓→费用↑M
F/M与活性污泥膨胀现象有关。
N S ＝0.5~1.5 kgBOD/kgMLSS d ――膨胀区
N S 1.5 kgBOD/kgMLSS d，――高、低负荷区（不会出现膨胀）
2．水温
最佳温度 20～30 0C （酶促反应）
控制10～35 0C
3．DO
曝气池出口处DO>2mg/l（扩散至絮凝体深处）
⎧⎪DO ↑ 不经济，耗能大 ⎨⎪膨胀⎩DO ↓ 有利于丝状菌生长，易
4．PH 值
一般6.5~8.5
PH ＝4.5，占优势，絮凝体破坏，膨胀⎧PH
⎪⎪ 原生动物消失，水质恶化⎨
⎪菌胶团解体，破坏⎪⎩PH >9
5．营养平衡
C 、N 、P 达到一定浓度，并保持一定平衡（供给微生物代谢）
生活污水 BOD ：N ：P ＝100：5：1；微生物对C 、N 、P 的需要量为46：8：
1。经物理处理后BOD ：N ：P ＝100：20：25。
生活污水和城市废水含有足够营养物质，但某些工业废水，如石油化工、制浆废水缺乏N 、P 等，需向水中投加N 、P ，以保持废水中营养平衡。
6．有毒物质（抑制物质）
重金属及其盐类（无机物）是蛋白质的沉淀剂，其离子易与细胞蛋白质结合，使之变性，或与酶的－SH 基结合而使酶失活。
酚、醇、醛等有机物使生物蛋白质变性或脱水，损坏细胞质，使微生物致死。 有毒物质有允许浓度。
实践证明，经过长期驯化的活性污泥能够承受比允许浓度高得多的浓度，有毒的有机化合物还能被微生物氧化分解，甚至可能成为微生物的营养物质而被摄取。（冲击负荷不大的情况下）
二、有机物降解与活性污泥反应动力学基础
有关动力学模式是以完全混合式曝气池为基础建立的，经过修正后再应用到推流式曝气池系统。
假定：（1）活性污泥系统运行条件绝对稳定
（2）活性污泥在二沉池内不产生微生物代谢活动，而且其量不变；
（3）系统中不含有有毒物质和抑制物质。
动力学能够通过数学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长（微生物增殖）、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。对工程设计与优化运行管理有着一定的指导意义。
但活性污泥反应是多种基质和多种混合微生物群体参与的一系列类型不同、产物不同的生化反应的综合，在应用时根据具体条件修正。
（一）有机物降解动力学
1．米－门公式
生化反应总速率取决于起主导作用的酶促反应活性，米凯利斯－门坦提出了酶促反应动力学公式。（1913年，单一底物，单一反应）
v S v = k m +S
式中：v －酶促反应中产物生成速率。
V max －产物生成的最高速率。
S －有机底物浓度
K m －米氏常数（饱和常数），为v= Vmax /2时的S 。
2．莫诺公式
反映微生物比增殖速率与有机底物浓度关系（单一底物，纯种微生物）
μ=μS
k s +S
式中：μ－微生物比增殖速率（单位生物量增殖速率）
μmax －微生物最高比增殖速率
S －有机底物浓度
K s －饱和常数，为μ=μmax /2时的S 。
假定：微生物比繁殖速度μ与有机物比降解速度v 呈比例。可用莫诺模式描述有机物比降解速度v 与有机物浓度关系：
v S v =max k s +S
有机物比降解速度v =-
有机物降解速度-1ds v S =X st k s +S ds v max SX ==Xv dt k s +S
3．推论
（1）高底物浓度 （S>>KS ，）
K S 忽略，v=vmax
有机物降解速度-ds =v max X =k 1X (k1=v max ) dt
有机底物以最大速度降解，与有机物浓度S 无关。
――微生物处于对数增殖期，酶系统活性为有机物饱和。
（2）低底物浓度 （S
有机物比降解速度v =-
有机物降解速度-v 1ds v S v S =≈=k 2S (k2=) X st k s +S k s k s ds =k 2XS dt
降解速度受S 控制――微生物处于减速增殖期或内源呼吸期。 城市污水BOD 5
4．莫诺模式在完全混合曝气池中的应用
根据有机底物物料平衡关系（进入量－排出量＝被降解量）
S 0Q ＋RQS e -(Q +RQ ) S e =-V ds
dt
Q (S 0-S e ) ds ds =- -=k 2XS e V dt dt
Q (S -S ) (S -S ) v S = =k 2S e =XV Xt k s +S e
BOD 污泥负荷率N rs =Q (S -S ) v S =XV k s +S e
Q (S 0-S e ) (S 0-S e ) v max S e X = = V t k s +S e BOD 容积负荷率N rv =
（二）有机底物降解与微生物增殖
1．微生物增殖基本方程
活性污泥微生物的增殖是生物合成与内源呼吸同步进行的结果，在单位反应
器容积内，其增殖速度：
(dX dX dX ) g =() s -() e dt dt dt
式中： (
(dX ) g －微生物净增殖速率dt dX ) s －微生物合成速率，dt
dX dS ) s ＝Y () u dt dt
dS ) u －微生物对有机底物的利用速率dt ( (
Y－产率系数，即微生物每代谢1kgBOD 所合成的MLVSS 数
(dX ) e －微生物内源代谢（自身氧化）速率dt
dX ) e ＝k d X v dt (
k d －微生物自身氧化率，d -1 （衰减系数）
X v －MLVSS
活性污泥微生物每日在曝气池内的净增殖量为：
∆X ＝Y （S 0-S e ) Q -k d VX v
式中：△X －每日增长（排放）的挥发性污泥量（VSS ），kg/d
VX V －曝气池内MLVSS 总量，kg
S 0－原水中有机底物浓度，kg/l
S e －处理水中有机底物浓度，kg/l
Q －处理流量，l/d
将上式整理，得 ∆X QS r ＝Y -k d VX v VX v
Q （S －S ) QS
式中＝=N rs BOD－污泥去除负荷率
VX v VX v ∆X 1
＝ θc －污泥龄
VX v θc 上式为：1
θc
＝YN rs －k d
2．污泥龄SRT
微生物全部更新一次所需时间（微生物从生成到排出系统的平均停留时间） 剩余污泥（增长污泥）：为保持反应器内活性污泥具有高度的活性和保持稳定的生物量。
每日排出系统的污泥量，包括排出的剩余污泥和随处理水流出的污泥。
∆X =Q w X r +(Q -Q w ) X e
式中：X r －排放的剩余污泥浓度，（kg /m 3) Q w －排放的剩余污泥量（m 3/d ) X e －处理水中活性污泥浓度（kg /m 3)
θc =θc =
XV
X e 一般较低（忽略）
Q w X r +(Q -Q w ) X e XV Q w X r
X R =
X r 1+R
忽略曝气池内微生物增殖，（1＋R ）QX ＝RQX r Q w =
VR
(1+R ) θc
可用θc 直接控制Q W （剩余污泥量），较简单。 θ
c
说明活性微生物的状况，世代长于生物固体停留时间的微生物不可能在
反应器内繁衍成优势种属。
3．常数Y 及kd 的求定
1
＝YN rs －k d 以图解法确定。以根据试验或运行取得的数据，按：
θc
Q （S －S ) ∆X
为横坐标，以 为纵坐标，将数据点入，可求出。
VX v VX v
一般生活污水Y ＝0.5~0.65，k d ＝0.05~0.1 一般城市污水Y ＝0.4~0.5，k d ＝0.07 （三）有机底物降解与需氧
1．混合液需氧量（微生物对有机底物的氧化分解及自身氧化，都需氧）
O 2=a 'QS r +b 'VX v
式中：a '－微生物对有机底物氧化分解过程的需氧率，即每代谢1kgBOD 所需氧量，以kg 计
QS r －微生物所降解的BOD ，kgBOD /d VX v －曝气池中活性污泥量，kg
b '－自身氧化的需氧率，每kg 活性污泥每天自身氧化需氧量，kgO 2/kg ⋅d
将上式整理，得：
O 2QS
=a 'r +b '＝a 'N rs +b ' (kgO2/kg ⋅MLVSS ⋅d ) 单位重量污泥需氧量VX v VX v VX O b '
＝a '+b '=a '+ (kgO2/kg ⋅BOD ⋅d ) ，每去除1kgBOD 需氧量 QS r QS r N rs
2．讨论
O
（1）N rs ↑，θc ↓ （每去除1kgBOD 需氧量）就较低
QS r
原因：有机底物一部分被吸附而未进入细胞体内随剩余污泥排出，且其自身氧化作用也轻，所以需氧量低。
O （2）N rs ↓，θc ↑，微生物对有机底物降就大
QS r O
N rs ↑，θc ↓ （每kg 污泥需氧量）↑，单位曝气池容积的
X v V （3）
需氧量较大，曝气强度高。
3．
3. a '、b '值可以用图解法，以N rs =
QS r O
2为纵坐标，点入数据X v V X v V
得直线，斜率为a '，截距为b '。生活污水a '=0. 42~0. 53，b '=0. 188~0. 11
（四）劳伦斯－麦卡蒂方程式（混合微生物）
1．出水浓度S e 与θc 关系
k s (
S e =
1
θ+k d ) 1
Yv max -(
θc
+k d )
S e =f (θc ) θc ↑ S e ↓
⎧1
⎪θ＝YN rs -k d ⎪c 由⎨ 推出
S e ⎪N =v max ⎪rs k s +S e ⎩
2．反应器内活性污泥浓度X a 与θ
c 关系
k s (
S e =
1
θ+k d ) 1
Yv max -(
θc
+k d )
S e =f (θc ) θc ↑ S e ↓
⎧1
⎪θ＝YN rs -k d
θY (S -S ) ⎪c
由⎨ 推出X a =t (1+k d θc ) ⎪N =Q (S 0-S e )
⎪rs X a S e ⎩
3．回流比R 与θ
c 关系
根据二沉池进出口物料平衡：
(RQ +Q ) X a =RQX r +Q w X r +(Q -Q w ) X e X e 很小，可忽略， Q w =
VX VX VX VR
=[θc =≈]
(1+R ) θc θc X r ∆X Q w X r
X 1+R
[RQXr =(Q +RQ ) X a 忽略泥量=]
X a R (1+R ) QX a =RQX r +1=
VX X r
θc X r
θc
X Q
(1+R -R ) R↑ θc ↑(t 一定) V X a
Xr 回流污泥浓度，是活性污泥特性和二沉池沉淀效果的函数。
106
(X r ) m ax =mg/l
SVI
上式计算出为MLSS 值应换算成MLVSS 。 4．合成产率Y 与θ
c 关系
Y obs =
Y 1+k d θc
Y －合成产率（微生物增殖总量）
Y obs －表观产率（微生物净增殖量，考虑内源呼吸减少量）
三、活性污泥的运行方式与曝气池的运行参数 （一）运行方式
1．传统活性污泥法Conventional plug-flow activated-sludge 曝气池为推流式，回流污泥与废水同时从池首进入。
有机底物的降解经历了吸附与代谢的完整过程，其浓度沿池长逐渐减少。 活性污泥经历从对数增长（少）－减衰增长－内源呼吸的完全生长周期。 需氧速率沿池长逐渐降低，池首DO 低，供氧不足。池末过剩。
优点：（1）处理效果好，BOD5去除率90～95％，适用于处理净化程度和稳定程度较高的污水；
（2）对废水的处理程度比较灵活，根据要求可高可低。
缺点：（1）为避免池首形成厌氧状态，进水有机负荷率不宜过高，所以容积V 大，占地大；
（2）耗氧与供氧速率沿L 难吻合，池首，供氧需氧； （3）对冲击负荷适应性较弱（易受水量、水质影响） 2．完全混合活性污泥法Complete mix activated-sludge process(CMAS)
污水与回流污泥进池后，立即与混合液充分混合，可以认为是已处理未泥水分离的处理水。（减衰期）
优点：（1）污水进池即被混合液稀释、均化，在水质、水量变化时，对活性污泥影响降到极小程度，所以对冲击负荷有较强的适应能力，宜处理高浓度工业废水。
（2）污水在池内分布均匀，各部水质相同，F ：M 相等，F/M的调整，使池工况控制在最佳条件，工作点位于曲线的一个点，充分发挥活性污泥的净化功能，在处理效果相
同的条件下，Ns 高于推流式；
（3）需氧均匀，动力消耗低于推流式。
缺点：有机物无浓度梯度－有机底物的生物降解动力低，活性污泥易产生膨胀现象；处理水质低于推流式。
3．阶段曝气法（分段进水或多段进水法）Step feed activated-sludge process
（1）沿池长分段注入，有机负荷较均匀，改善了供氧与需氧速率的矛盾，有利于降低能耗，又能较充分地发挥活性污泥的降解功能；
（2）分段注入，提高了池子对水质、水量的冲击负荷的适应能力
（3）混合液中活性污泥沿池长下降，出流混合液浓度降低，减轻了二沉池负荷，提高了固液分离效果。
4．吸附－再生法（生物吸附法或接触稳定法）Contact stabilization process
（1）将活性污泥对有机物降解的两个过程－吸附、代谢，分别在各自的反应器内进行 （2）废水和经过再生池再生，具有很强活性的活性污泥同步进入吸附池，充分接触，大部分有机物被活性污泥吸附，废水得以净化
（3）二沉池分离出的污泥进入再生池，对所吸附的有机物进行代谢，有机物降解，微生物增殖，微生物进入内源呼吸期，污泥的活性、吸附功能得到充分恢复，再进入吸附池。
（4）优点：a 、废水与活性污泥在吸附池接触时间短，吸附池容积小，再生池接纳的
是浓度较高的回流污泥，容积也较小，V 吸＋V 再
b 、对水量、水质的冲击负荷有一定的承受能力，吸附池中的活性污泥遭
到破坏，由再生池内的污泥予以补救。
缺点：处理效果低于传统推流式方法；不宜处理溶解性有机底物含量较高的污水。 5．延时曝气法（完全氧化活性污泥法）Extended aeration process
（1）特点：Ns 低，曝气时间长，一般在24h 以上，污泥连续处于内源呼吸期，剩余污泥量少且稳定，勿需再进行消化处理。处理水稳定性较高，对水量、水质变化有较强的适应性，不需初沉池。
（2）缺点：容积大，停留时间长，占地大，基建费和运行费高
（3）适用：对处理水质要求高，又不宜采用污泥处理的小城镇污水和工业废水。 （4）剩余污泥主要是无机悬浮物和微生物内源代谢残留物－难生物降解物质。 6．高负荷法（短时曝气或不完全活性污泥法）
（1）特点：Nrs 高，时间T 短，处理效果较低，一般BOD 5去除率≤70～75％
（2）适用：对水质要求不高的污水。 7．纯氧曝气法High-purity oxygen
（1）特点：a 、纯氧氧分压比空气高近5倍，大大地提高氧的转移效率； b 、氧转移率（利用率）80～90％，鼓风曝气为10％左右； c 、混合液MLVSS ＝4000～7000mg/l，容积负荷提高 d 、剩余污泥量少，SVI
（2）曝气池为多级封闭式，分几个小室，每室流态为完全混合，各室串联，池顶加盖，以防池外空气进入，同时排除代谢产物CO 2。 8．浅层低压曝气、深水曝气、深井曝气
为克服活性污泥各运行方式占地较大，能耗较高的缺点，开发出降低能耗或减少占地面积的工艺。
（1）浅层低压曝气
理论基础：气泡形成和破碎的瞬间，氧的转移率最高。（与气泡在水中的上升高度无关） 曝气装置多设于池的一侧，安装在水面下0.6~0.8m，可用风压1000mm 以下的低压风机，动力效率较高，耗电少，充氧能力1.8~2.6kgO2/kw，池中设导流板，混合液环流。
（2）深水曝气
水深7～8m ，水压大，饱和DO 提高，氧的转移率提高，加快有机物降解速率，减少占地。
（3）深井曝气
氧转移率高（为常规法10倍），动力效率高，占地少，设备简单，易于维护运行，耐冲击负荷，产泥量低，可不设初沉池
四、曝气的理论基础
曝气作用：（1）向混合液供氧－满足微生物代谢时所需氧量
（2）剧烈搅动－使混合液中活性污泥与污水充分接触，保持悬浮状态
出的压缩空气通过一系列管道系统，送到⎧鼓风曝气：将空压机送
⎪
⎪ 池中的空气扩散装置，空气从那以微小气泡形式逸出，⎪
⎪ 并在混合液中扩散，使气泡中O 2转移到混合液；气泡⎪
⎪ 在混合液中的搅动、扩散，使混合液处于剧烈混合、⎪⎪
曝气方法⎨ 搅拌状态；
⎪
水面上、下的叶轮高速旋转，剧烈搅动水面⎪机械曝气：利用安装在
⎪
⎪ 产生水跃，使液面与空气接触的表面不断更新，使空气⎪
⎪ 中O 2转移到混合液中 ⎪
⎪鼓风－机械曝气⎩
（一）氧转移原理
1．菲克定律
通过曝气，空气中的O 2，从气相传递到混合液的液相中－既是传质过程，也是扩散过程。扩散的推动力－物质在界面两侧的浓度差。
v d =-D L
dc
dx
dM Adt
式中 vd －物质的扩散速率，单位时间、单位断面上通过的物质数量v d =
D L －扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要决定于扩散物质 和介质的特性及温度； C －物质浓度 X －扩散过程的长度
dc
－浓度梯度（单位长度内浓度的变化值）
dx
2．双膜理论与氧总转移系数k La （1）双膜理论主要论点：
a 、当气、液两相接触并作相对运动时，接触面的两侧存在着气体与液体的边界层，即气膜和液膜（层流状态），其外侧分别为气相主体和液相主体（紊流状态）。
O 2扩散方式：气相主体→气膜→液膜→液相主体。 b 、O 2转移决定于两膜间分子扩散和膜外对流扩散。
气相、液相主体浓度基本均匀，无浓度差（对流扩散忽略），传递阻力仅存在于两
膜中。
C 、在气膜中存在O 2的分压梯度，液膜中存在O 2的浓度梯度－是O 2转移的推动力。 d 、O 2难溶于水，O 2转移的阻力集中在液膜上，O 2通过液膜的速率是O 2转移过程的控制
速率
以M 表示在单位时间t 内通过界面扩散的物质数量，以A 表示界面面积，则
v d =
dM dc
=-D L Adt dx
dM dc
＝－D L A
dt dx
在气膜中O 2的分压梯度差很小，一般认为Pg=Pi（如P 0＝1atm ，Pg ＝0.2atm ），忽略。 界面处DO 浓度Cs ，是在O 2分压Pg 条件下的DO 饱和浓度值。 设液膜厚度X f ，液膜中DO 浓度梯度
-
dc C s -C
=dx X f
C -C dM
=D L A s
dt X f 式中dM
－氧传递率，kgO 2/h dt
D L －氧分子在液膜中的扩散系数，m 2/h A －气、液两相接触面面积，m 2
C -C －液膜内DO 的浓度梯度，kgO 2/(m 3⋅m )
X f
设液相主体容积V （m ）
3
dM
=D A C s -C ）V X f V dC A
=k L C s -C ）
dt X f
式中
dC
－液相主体中DO 浓度变化速率（氧转移速率）, kgO 2/m 3h dt
D X f
k L －液膜中氧分子传质系数，m /h k L =
由于A 难测，令k La =k L dc
=k La (C s -C ) dt
A V
k La －氧总转移系数，表示在曝气过程中O 2的总传递性。（1/h ) 阻力小时， k La 大；阻力大时， k La 小1k La
单位是h ，表示曝气池中DO 从C →C s 所需的时间
要使氧转移速率dc/dt提高
⎧a 、k La ↑（降低传递阻力），加 强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度X f ，⎪⎪A D A
加速气、液界面的更新，增大气、液接触面积。k La =k L =⎪ ⎪V X f V ⎨⎪
X f ↓ A ↑ k La ↑⎪ ⎪⎪氧曝气、深井曝气等）⎩b 、C s ↑ 提高气相中氧分压（纯
（2）氧总转移系数k La 值的测定
a 、 清水（无氧） b 、 混合液
（二）氧转移的影响因素
C -C dM
=D L A (s ) dt X f
D dC A
=k L (C s -C ) =k La (C s -C ) k L = dt V X f dC
=f (D L 、A 、X f 、C s -C ) dt
1．污水水质
各种杂质对氧的转移产生一定的影响，表面活性物质在交界面形成一层分子膜，阻碍
O 2的扩散转移，使K la 下降
α＝
'污水中K La
清水中K La
'=αK La K La α=0.80~0.85
O 2在水中的饱和度受水质影响（废水中含有盐分）
β＝
'污水中C '=βC s β=0.90~0.97 C s
清水中C s
2．水温
一方面，水温T ↑， μ↓ DL ↑ X f ↓ →K La ↑ 有利于O 2转移k La (T ) =k La (20) ⋅1. 024(T -20)
另一方面，水温T ↑， C s ↓ →C s -C ↓ 不利于O 2转移总之，水温T ↑，不利于O 2转移
正常运行曝气池：混合液在15～30，DO 的浓度C ＝1.5～2.0mg/l 3．氧分压 气压↑，Cs ↑
ρ=
所在区实际气压（Pa ）
C s =C s (760) ρ
5
1. 013⨯10
鼓风曝气池，曝气装置（空气扩散装置）安装在水面以下，其Cs 以扩散装置出口处和混合液表面两处饱和DO 的平均值。
C sb =C s (
Q C P Q +) =(+)
21. 013⨯105212. 026⨯10542
P C s －大气压下氧的饱和度，m g /l
P b －空气扩散装置出口处的绝对压力，P b =P +9. 8⨯103H P－大气压，1.013⨯105Pa H－扩散装置安装高度
Q t －从曝气池逸出气体中含氧量的百分率，Q t =
21(1-E A )
⨯100%
79+21(1-E A )
EA －空气扩散装置氧的转移效率（氧利用率），6～12％
（三）氧转移速率与供气量计算
氧的转移还与气泡大小、液体的紊动程度和气泡与液体的接触时间有关。气泡尺寸大小由空气扩散器的性能所决定。
⎧⎪气泡尺寸小→接触面积A ↑→k La ↑→有利于氧转移
⎨⎪⎩气泡尺寸小→不利于紊动→有利于氧转移
氧的转移速率dc/dt取决于：气相中氧的分压梯度、液相中氧的浓度梯度、接触面积和时间、水温T 、污水的性质及水流的紊流程度。
O 从气泡中→液体中，逐渐使气泡周围的液膜的氧含量饱和，（Cs-C ）↓，所以O 转移速率又取决于液膜的更新速度。紊流和气泡的形成、上升、破裂，都有助于气泡液膜的更新和氧的转移。
在稳定条件下，O 的转移速率等于微生物的需氧速率。 222
dC =αk La (20) ⋅1. 024(T -20) (βρC sb (T ) -C ) =R r (kgO2/m 3⋅h ) dt
在标准条件下，转移到曝气池混合液的总氧量（200，1atm ，无氧）
R 0＝k La (20) C sb (20) V （ C ＝0）
实际条件下，转移到曝气池混合液的总氧量 R ＝R r V
R 0=RC sb (20)
α⋅1. 024(T -20) (βρC sb (T ) -C )
R =a 'QS r +b 'X v V （可求）
R 一般＝1. 33~1. 61R
氧转移效率（利用效率）
R E A ＝⨯100％S
式中 S －供气量，kg/h S =G s ⨯0. 21⨯1. 43=0. 3G s (kg/h)
G s -供气量，m 3/h
0.21－氧在空气中所占百分比
1.43－氧的容重，kg/m3
供气量 G s =
机械曝气R 0⋅100 (m3/h ) 0. 3E A
充氧量Q os =0. 379v 0. 28D 1. 88K (kg/h)
式中 v－叶轮线速度
D－叶轮直径
K－池型结构修正系数
五、曝气系统与空气扩散装置
表示空气扩散装置技术性能的主要指标：
① 动力效率（E p ）：每耗1度电转移到混合液中的氧量,kgO /kwh。
② 氧的利用率通过鼓风曝气转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比，
E A ＝R 0/S×100％。
③ 充氧能力（E L ）：通过机械曝气在单位时间转移到混合液中的氧量，kgO /h。
（一）鼓风曝气系统与空气扩散装置
鼓风曝气系统：空压机、空气扩散装置和空气管道
空压机→空气管道→空气扩散装置→气泡→上升→液面（破裂）
1．微气泡空气扩散装置（多孔性物质）
由多孔性材料（陶土、氧化铝、氧化硅、尼龙等）制成的扩散板、扩散管及扩散罩等。 优点：产生微小气泡d
（1）扩散板：正方形，300×300×35mm
（2）扩散管：d=60～100mm ，L=500～600mm ，8～12根管组装成一个管组。
（3）固定式平板型微孔空气扩散器
（4）固定式钟罩型微孔空气扩散器
（5）膜片式微孔空气扩散器
（6）摇臂式微孔空气扩散器
2．中气泡空气扩散装置
（1）穿孔管 222
d=25～50mm 钢管或塑料管，3～5mm 孔，间距50～100mm ，E A ＝4～6％，1 kgO/kwh
（2）Wm －180型网状膜空气扩散装置
3．水力剪切型
利用构造特征，产生水力剪切作用，在空气从装置吹出之前，将大气泡切割成小气泡。
（1） 倒盆式空气扩散装置
（2） 固定螺旋扩散装置
（3） 金山型扩散装置
4．水力冲击式
（1）密集多喷嘴
（2）射流式
（二）机械曝气装置
安装在曝气池水面上、下，在动力的驱动下，通过以下作用，将空气中氧转移至污水中。
（1）曝气装置（曝气器）转动，水面上的污水不断抛向四周，形成水跃，液面剧烈搅动，卷进空气。
（2）曝气器转动，具有提升液体的作用，使混合液连续地上、下循环流动，气－液接触面不断更新，不断使空气中的O 向液体内转移。
（3）曝气器转动，其后侧形成负压区，能吸入部分空气。
按传动轴的安装方式分：
1．竖轴式机械曝气器（竖轴式叶轮曝气机）
（1）泵型叶轮曝气器
充氧量 Qs＝0.379k 1v D 2.81.8822
32.08叶轮轴功率 N轴＝0.0804k 2v D
k 1、k 2－池型修正系数
v －叶轮外缘线速度，m/s v=4.5～5m/s
D －叶轮公称直径
叶轮淹没深度≤4cm ，过深，影响充氧量；过浅，易脱水
（2）K 型叶轮
v=4m/s，淹没0～1cm ，D 叶/D曝气池＝1：6～10
（3）倒伞型
（4）平板型
2．卧轴式机械曝气器
转刷曝气器－氧化沟
优点：负荷调节方便，维护管理容易，动力效率高
六、曝气池的构造
（一）概述（分类）
1．混合液流动形态：推流式、完全混合式和循环混合式
2．平面形状：长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形
3．曝气方法：鼓风曝气池、机械曝气池以及机械－鼓风曝气池
4．与二沉池关系：合建式和分解式
（二）推流式
多为长方廊道，用鼓风曝气，空气管道和空气扩散装置沿池长的一侧安装。（使水流在池内呈旋转状流动，增加气泡和混合液的接触时间）
1．曝气池数目与廊道组合
每个单元包括几座池，每座曝气池由1～4个折流廊道组成。单数：进出水在两侧；双数：进出水在一侧。增配水渠道，可采用多种运行方式（阶段进水）
2．廊道的L 、B 与H
根据污水厂总体布置，不产生短流。
L ＝50～70m ，可达100m
L ≥（5～10）B
H ↑，E A ↑，造价和动力费用↑
根据土建结构的要求和曝气池的功能要求、允许占用的土地面积、空压机等确定H ，一般H ＝3～5m
扩散装置在一侧时，B ＝（1～2）H
3．曝气池的顶部与底部
（1） 为减少阻力，廊道横剖面的四个角作成450斜面
（2） 水面上0.5m 超高，池顶部隔墙上可考虑建成渠道状，可作为配水渠道使用，充
作空气干管的管沟，上设盖板作人行道
（3） 池底考虑排空，纵向2‰坡度，d=80～100mm 放空管；距池底一定距离设2～3
根排水管d=80～100mm （排驯化时上清液）
4．进水、进泥与出水设备
（1） 进水、进泥均设于水下，淹没出流，以免短路并设闸门，调节流量
（2） 出水，设溢流堰
（三）完全混合式
多采用表面机械曝气装置，首推合建式完全混合曝气沉淀池（曝气沉淀池）：曝气、沉淀二合一。多圆形。
1．合建式
（1）曝气区
4m 以内，污水从底部进入，充分混合、接触，由回流窗进入导流区
（2）导流区
B ≈0.6m （计算），挡流板－阻止旋流，释放混合液气泡，使水流平稳，高度1.5m 以上
（3）沉淀区
泥、水分离，澄清区深度≥1.5m ，污泥区容积不小于2h 存泥量，处理水由出流堰进入排水槽，回流缝（污泥）B ＝0.15～0.20m ，排泥管排出剩余污泥。
优点：结构紧凑，流程短，占地少，无回流设备，易于管理
2．分解式（少）
（四）循环混合式（氧化沟）
七、活性污泥处理系统的工艺设计
（一）设计应掌握的基础资料与工艺流程的选定
活性污泥处理系统由曝气池、曝气系统、二沉池、污泥回流系统等单元组成。
1．设计内容
（1） 工艺流程选定
（2） 曝气池计算与设计：容积V 、工艺设计
（3） 曝气系统设计计算：需氧量、供气量，系统设计计算
（4） 污泥回流系统：回流量、剩余污泥量与系统的设计
（5） 二沉池：选型、工艺计算
2．原始资料与数据
⎧Q p (m 3/d ) :水力停留时间在6h 以上⎪⎪⎪（1） 水量及变化规律⎨Q h (m 3/h ) :水力停留时间在2h 左右
⎪⎪Q min (m 3/h ) ⎪⎩
（2） 水质：BOD 5、COD 、TOC 、SS 、TN 、TP
（3） 处理后出水的水质要求：BOD 5、COD 去除率，处理水浓度
（4） 对所产生的污泥的处理与处置要求
（5） 原污水中是否有有毒物质及浓度，微生物可否驯化
3．应确定的主要参数（N S 、MLSS 、R ）
（1）N S （BOD －污泥负荷率）kgBOD 5/kgMLSS d
η（处理效率）
（2）N S →SV ％与SVI
（3）确定Y 、K d
（4）a 1、b 1
．处理工艺流程的确定
（二）曝气池容积的计算
BOD －污泥负荷率N s =QS a
XV (kgBOD 5/kgMLSS ⋅d )
V =QS XN s
BOD －容积负荷率N v =QS (kgBOD 5/m 3
V ⋅d )
V =QS N
v
1．N S 的确定
（1）完全混合式
污泥处于减衰增长期 比降解速率S -S X =k
v t 2S e
去除效率η＝S -S S a =S -S f =X S a ηX
X =X f 4
N s =QS a S a -S e k 2fS e == XV ηt ηv
f
城市污水 k2=0.0168～0.0281
无资料，通过实验确定
（2）推流式
F/M沿池长变化，k 2不是常数，可近似利用混合式公式
0. 1918 日本N s =0. 01295S e
（3）N S 确定后复核SVI 是否在正常范围
（4）θc ＞硝化菌世代时间
（5）剩余污泥如不便处理，N S 较低，减少产泥（自身氧化↑）
（6）经验选N S
2．混合液污泥浓度（MLSS ）的确定
X （MLSS ）↑→ V↓ 但X ↑影响
（1）供氧的经济与可能
X ↑ 粘滞性↑（混合液），扩散阻力k L ↑，E A ↓，动力费用高，不经济 X ↑ → 需氧量O ↑→ 供氧困难（供氧量上限值）
（2）活性污泥的凝聚沉淀性能
混合液中的污泥来自回流污泥 X＜Xr
回流污泥来自二沉池，Xr 浓度与污泥沉淀性能、在二沉池中浓缩的时间有关。 一般混合液在量筒中沉淀30min 形成的污泥基本可以代表混合液在二沉池中 2