活性污泥法系统设计和运行中的一些重要问题

机械表面曝气机，是把水粉碎成小的液滴，散布于连续的大气相中，而 扩散曝气器则是把空气粉碎成微小气泡，散布于连续的液相。目的都是希望 从空气中获得氧，提高液相中的氧浓度。 在气泡曝气中，气泡在上升的过程，向邻近液体传递氧，因而气泡中的 氧浓度降低，相邻液体的氧浓度提高，这两个因素都使氧的传递速率减慢 这两个因素都使氧的传递速率减慢 （为什么？）。而细的气泡不能促使邻近液体产生紊动，泡和水几乎是同速 上升。因而最大的氧传递速率是发生在气泡刚形成时。基于这种认识，要提 高氧传递速率，就要尽可能使单位气量均匀分布在最宽的断面上。
2．有机负荷
曝气区容积的计算，常以污泥的有机负荷率N 作为设计参数。设计中要 有机负荷率N 有机负荷率 选择适当的污泥负荷率和MLSS值。从公式可知， N值大，曝气池所需的体积 可以小一些。污泥有机负荷率的大小影响处理效率。根据经验，当采用活性 污泥法作为完全处理时，设计的污泥负荷率一般不大于0.5 kg(BOD5)/kg(MLSS)·d；如果要求氮素转入硝化阶段，一般采用0.3 kg(BOD5)/ kg(MLSS)·d。有时为了减小曝气池的容积，可以采用高负荷，即污泥负荷率 采用1以上。采用高的污泥负荷率虽可减小曝气池的容积，但出水水质要降 低，而且使剩余污泥量增多，增加了污泥处置的费用和困难，同时，整个处 理系统较不耐冲击，造成运行中的困难。有时为避免剩余污泥处置上的困难 和要求污水处理系统的稳定可靠，可以采用低的污泥负荷率(<0.1)，把曝气 池建得很大，曝气池中的污泥浓度维持较高，可以基本上没有剩余活性污泥， 这就是延时曝气法。
4．曝气时间
曝气时间和有机负荷的关系很密切，在考虑曝气时间时要注意一些 其他有关因素。当曝气池做得较小时，曝气设备是按系统的负荷峰值控制 设计的。这样，在其它时间，供氧量过大，造成浪费，设备的能力不能充 分得到利用。但若曝气池做得大些，则可降低需氧速率，同时由于负荷率 的降低，曝气设备可以减小，曝气设备的利用率得到提高。因而要仔细地 评价曝气设备和能源消耗的费用以及曝气池的基建费用，使它们获得最佳 匹配。 假如希望获得硝化处理结果，那么曝气时间长短的选择是重要的。 无论是含碳物质代谢需氧还是硝化代谢需氧，都要求足够的氧。长时间曝 气能降低剩余活性污泥量，这是由于好氧硝化以及内源呼吸降低了活性物 质量所致。这样的系统更能适应冲击负荷，但曝气池只要细菌能获得所需要的溶解氧来进行代谢，其代谢速率不 受溶解氧浓度的影响。当耗氧速率超过实际的氧传递速率时，代谢速率受氧 传递速率控制。 好氧代谢，包括硝化，仅发生在曝气池中有剩余氧的地方。从理论上讲， 剩余的氧约1 mg/L是足够了。有很多人做了研究认为，对于单个悬浮着的好 氧细菌代谢，溶解氧浓度只要高于0.1～0.3 mg/L，代谢速率就不受溶解氧 浓度影响。但是，活性污泥絮体是许许多多个体集结在一起的絮状物质，要 使内部的溶解氧浓度达到0.1～0.3 mg/L，絮体周围的溶解氧浓度一定要高 得多，具体数值同絮状体的大小、结构及影响氧扩散性能的混和情况有关。 最主要的还是混和情况。从某种意义上讲，混和情况决定了絮状体的大小和 结构。因而这个数值是和混和情况有关的一个变数。而混和、充氧都是通过 曝气设备来完成的，一般认为混合液中溶解氧浓度应保持在0.5～2 mg/L， 以保证活性污泥系统正常的运行。
12． 12．污泥膨胀及其控制
正常的活性污泥沉降性能良好，其污泥体积指数SVI在50～150之间； 当活性污泥不正常时，污泥就不易沉淀，反映在SVI值升高。混合液在 1000mL量筒中沉淀30 min后，污泥体积膨胀，上层澄清液减少，这种现象 称为活性污泥膨胀。活性污泥膨胀虽与SVI值有关，但有时工业废水在SVI 污泥膨胀定义为： 值常年在200～300范围内也不产生污泥膨胀，所以可将污泥膨胀定义 污泥膨胀定义 由于某种原因使活性污泥沉降性能恶化，SVI不断上升，沉淀池污泥面不断 上升，造成污泥流失，曝气池的MLSS浓度降低，从而破坏正常的处理工艺 操作的情况。
二. 问题分析
1．水力负荷
进入污水处理厂污水量的变化规律：一天内污水流量是变化的，高峰 污水量的变化规律：一天内污水流量是变化的， 污水量的变化规律 常出现在白天，低谷则出现在黑夜。高峰值约为平均流量的200％，最低值 常出现在白天，低谷则出现在黑夜。高峰值 最低值 约为平均流量的50％。污水流量还随季节变化。 水力负荷变化的影响表现： 水力负荷变化的影响表现： 1）对曝气池的影响：当流量增加时，污水在曝气池内的停留时间缩短，影 对曝气池的影响： 响出水质量，同时影响曝气池的水位。若为机械表面曝气机，由于水位的 变化，它的运行就变得不稳定。 对二次沉淀池的影响： 2）对二次沉淀池的影响：使表面水力负荷增加，上升流速增加，沉降效果 下降。 活性污泥法系统承受周期性水力负荷的冲击，对运行十分不利,可通过 集水井和泵的配合调蓄后，得到相对较稳定的流量。
6．氧传递速率
氧传递速率将最终决定任一活性污泥法系统的净化效率。氧传递速率要 考虑两个过程，即氧传递到水中以及真正传递到微生物的膜表面。通常的试 验数据只表明氧传递到水相，但这并不意味着同样量的氧已达到了微生物表 面，而传递到微生物表面的氧量则控制着微生物能力的发挥。从这个观点来 看，曝气设备不仅要提供充分的氧，而且要创造足够的紊动条件，以剪切活 性污泥絮体，这样可使被围在污泥絮体中的细菌得到充足的氧。因此要提高 氧的传递速率，必须有充足的氧量，并使混合液中的悬浮固体保持悬浮状态 和紊动条件。无疑，曝气设备的选择，布置，以及如何同池型配合，是提高 曝气池性能的重要条件。
过分的曝气，虽溶解氧浓度很高，但由于紊动过分剧烈，导致絮状态 体破裂，使出水浊度升高。特别是对于耗氧速度不高，而泥龄偏长的系统， 强烈混合使破碎的絮体不能很好的再凝聚。保证絮体很好凝聚的条件是活 性物质占整个MLSS的1/3，当活性物质低于10％时，絮体很易破碎而不能很 好地再凝聚。这些离散的污泥沉淀性能差，往往流失于出流中。过分的曝 气使这些颗粒有可能积聚在沉淀池的表面，形成深褐色的浮渣。
10．PH和碱度 10．PH和碱度
活性污泥通常运行在pH=6.5～8.5。pH所以能保持在这个范围，是由于 污水中的蛋白质代谢后产生的碳酸铵碱度和从天然水中带来的碱度所致。 生活污水中有足够的碱度使pH保持在较好的水平。（在不考虑碳酸铵碱度 和从天然水中带来的碱度的条件下，曝气池中的PH会如何变化？） 工业污水中经常缺少蛋白质，因而产生pH过低问题。当PH低于6时，刺 激了霉菌和其它真菌的生长，抑制了通常细菌的繁殖。丝状真菌的沉淀性 能差，使过量的微生物流失于出流中。
9．曝气池的构造
曝气池的构造应保证水流不短流和防止活性污泥沉淀，可在池断面的四周 设倒角或设导流墙；同时要结合曝气装置的特性合理设置曝气池的高度及平面 布置。 如随着池型的发展，穿孔管曝气已使用于20 m深的曝气池中去，在这种深 度下，可以产生细气泡，增加了氧的传递能力。机械曝气机配合导流筒可用于 10m深的池中。设计工程师应将曝气设备的特性和池型构造有机地结合起来适 应各种有局限的空间，进行创造性的工作。
ρ sa
r = ρ sr 1+ r
式中： sa — 曝气池中的MLSS，mg/L； ρ
ρ
sr
— 回流污泥的悬浮固体浓度，mg/L r — 污泥回流比。
根据这个公式可知，曝气池中的MLSS不可能高于回流污泥 浓度，两者愈接近，回流比愈大。限制MLSS值的主要因素是回 流污泥的浓度。 回流污泥来自二次沉淀池。二次沉淀池中污泥浓度同活性 污泥的沉降浓缩性能和浓缩时间有关,常用活性污泥体积指数 SVI作指标来衡量活性污泥的沉降浓缩特性。
5．微生物平均停留时间
微生物在曝气池中的平均停留时间，又称泥龄，即工作着的活性污泥总 量同每日排放的剩余污泥量的比值，单位是d。通常活性污泥法系统的微生 物平均停留时间约为水力停留时间的20倍。延时曝气系统的比例为30:1，甚 至为40:1。对于高负荷系统，其比例接近10:1。通常活性污泥系统的水力停 留时间，对城市污水来讲为4～6 h，则相应的微生物停留时间为3.3～5d。 延时曝气的水力停留时间为24 h，则微生物停留时间为30 d左右。高负荷系 统曝气时间为2～3 h，微生物停留时间约为1d。这些是经验的数值。
7．回流污泥浓度
回流污泥浓度是活性污泥沉淀特性和回流污泥回流速率的函数。 混合液中污泥基本来自回流污泥。故MLSS必然同回流污泥量和浓度有关。 按下图进行物料平衡，可推得下列关系式：
回流污泥与MLSS关系图 回流污泥与MLSS关系图 MLSS
rq v ρ sr = (q v + rq v ) ρ sa
3．微生物浓度
提高MLSS，可以缩小曝气池的容积，或者说，可以降低污泥负荷率，提 高处理效率。那么，在设计中采用高的MLSS是否就可以提高效益呢?这种想法 是一种错觉。 其一，污泥量并不就是微生物的活细胞量。曝气池污泥量的增加意味着 泥龄的增加。泥龄的增加就使污泥中活细胞的比例减小； 其二，过高的微生物浓度在后续的沉淀池中难于沉淀，影响出水水质； 其三，曝气池污泥的增加，就要求曝气池中有更高的氧传递速率。否则， 微生物就受到抑制，处理效率降低。而各种曝气设备都有其合理的氧传递速 率的范围，对于每一种曝气设备，超出了它合理的氧传递速率范围，其充氧 动力效率将明显降低，使能耗增加。因此，采用一定的曝气设备系统，实际 上只能够采用相应的污泥浓度，MLSS的提高是有限度的。根据长期的运行经 验，采用鼓风曝气设备的传统活性污泥法时，曝气池中MLSS在2000mg/L左右 是适宜的。对不同的水质、不同的工艺应根据具体情况探索合理的微生物浓 度。
危害：活性污泥膨胀使膨胀污泥不易沉淀，容易流失，既降低处理后 危害：
的出水水质，又造成回流污泥量的不足，如不及时加以控制，就会使系统 中的污泥愈来愈少，从根本上破坏曝气池的运行。据上海市的调查，几乎 所有采用活性污泥法的城市污水厂都曾发生过污泥膨胀问题。
但是，沉降性能恶化并不都是污泥膨胀现象，不应混淆。例如，在二 沉池中，由于反硝化生成氮气使污泥上浮，或是部分地区积泥造成厌氧发 酵而上浮等都不属于我们所讨论的污泥膨胀问题。膨胀的活性污泥，主要 表现在压缩性能差，沉淀性能不良，这主要表现在SVI值高。而它的处理功 能和净化效果并不差。 作为膨胀污泥的SVI限值，目前并不统一。一般认为，SVI超过200，就 算污泥膨胀。 活性污泥膨胀的现象可分为： ① 污泥中丝状菌大量繁殖导致的丝状菌性膨胀 ② 并无大量丝状菌存在的非丝状菌性膨胀。 丝状菌性膨胀是最经常发生和最主要的一类膨胀。