第1章污泥膨脹的基本概念第1章污泥膨脹的基本概念1?1活性污泥法1?1?1活性污泥法的起源一百多年前，法國科學家發(fā)明了Moris池，這是最早的污水生物處理反應器，其中微生物在厭氧條件下生存，因此這也是最早的污水厭氧反應池。第一個生物濾池則是1893年在英國首先采用的，而現(xiàn)代應用最為廣泛的活性污泥法（activatedsludgeprocess）則是在1912～1913年開始試驗研究。1914年，Arden和Lokett在英國曼徹斯特市開創(chuàng)了世界上第一座活性污泥法污水處理試驗廠。1916年，美國正式建立了第一座活性污泥法污水處理廠。
活性污泥工藝最早的運行方式為充?排式，由于受當時技術(shù)條件限制，自動控制技術(shù)與設(shè)備還比較落后，這種運行方式操作繁瑣，空氣擴散裝置易于堵塞，人們意識不到其獨特的優(yōu)越性。連續(xù)進水的推流式活性污泥工藝出現(xiàn)后，很快將其取代�？墒请S之而來的是經(jīng)常出現(xiàn)的污泥沉降性能變差的問題。Donaldson［1］首先提出推流式曝氣池中活性污泥的返混現(xiàn)象（返混現(xiàn)象改變了曝氣池內(nèi)的水力特性，使活性污泥處于完全混合狀態(tài)）是促使發(fā)生污泥膨脹的一個重要原因。他提出通過將推流曝氣池分隔成不同的隔室，可改善污泥的沉降性能。在完全混合活性污泥工藝中，仍保持著連續(xù)進水的方式。后來，Pasveer［2］研究了充?排式技術(shù)，開發(fā)了充?排式氧化溝。這種工藝在歐洲流行起來，一時之間，幾乎所有的污水處理系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換為這種帶有二沉池和污泥回流設(shè)備的連續(xù)流的氧化溝。Pasveer的研究表明，間歇進水氧化溝的污泥沉降性能要好于連續(xù)進水的完全混合系統(tǒng)。在20世紀60年代末和70年代之間，Irvine［3］和他的合作者重新將周期運行的活性污泥工藝命名為序批式反應器，即SBR(sequencingbatchreactor)，該工藝又重新開始在世界范圍內(nèi)應用起來。很多研究者的調(diào)查表明，與完全混合活性污泥工藝和推流式活性污泥工藝相比，SBR工藝內(nèi)活性污泥的沉降性能最好，可以較好地控制污泥膨脹。近幾年，隨著計算機和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，活性污泥法開發(fā)初期間歇操作復雜的問題得到解決，該技術(shù)得到更加廣泛的應用，并且在其基礎(chǔ)上又開發(fā)了一系列變形工藝，如ICEAS工藝、CASS工藝、DAT?IAT工藝、UNITANK工藝和MSBR工藝等。
隨著生物技術(shù)的發(fā)展，活性污泥法也在不斷地發(fā)展進步。在實際生產(chǎn)上的廣泛應用和技術(shù)上的不斷革新改進，特別是近幾十年來，在對其生物反應和凈化機理深入研究的基礎(chǔ)上，活性污泥法在生物學、反應動力學的理論以及在工藝方面都得到了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了多種能夠適應各種條件的工藝流程。目前，活性污泥法已經(jīng)成為處理生活污水、城市污水和部分工業(yè)廢水的主體工藝技術(shù)。
1?1?2活性污泥法的應用
自1914年活性污泥法開創(chuàng)以來，隨著活性污泥法的深入研究、工藝流程的不斷改進和創(chuàng)新，它有更大的水質(zhì)、水量適用范圍和良好的操作穩(wěn)定性。該法將厭氧引進到好氧工藝之中，在不增加或少增加費用的情況下，在去除有機物的同時完成脫氮除磷的任務(wù)，提高處理程度�；钚晕勰喾ㄟ�與其他工藝（如生物膜法，膜分離裝置）組合使用，增加生化反應器中的生物量，提高生化反應效率且表現(xiàn)出良好的靈活性。經(jīng)過90多年的發(fā)展與實踐證明，活性污泥法是一種應用廣泛并極具發(fā)展?jié)摿Φ奈鬯�處理技術(shù)。
活性污泥法的發(fā)展過程大致可以分為以下三個階段。
第一階段(1881~1915年)，活性污泥法的早期階段。隨著Moris池和生物濾池的發(fā)明和應用，最終在1914年發(fā)明了活性污泥法。
第二階段(1915~1960年)，活性污泥法的普及階段。此階段活性污泥處理技術(shù)被大量應用，活性污泥法成了城市廢水處理的主要工藝，并在實踐應用中不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多活性污泥法改良工藝，如階段曝氣法、生物接觸穩(wěn)定法、完全混合曝氣法、延時曝氣法、純氧曝氣法等新工藝。厭氧活性污泥法也從傳統(tǒng)的低效率消化池逐步發(fā)展到高效率消化池、二級消化池和兩相消化池等新工藝�；钚晕勰喾ń�(jīng)過這一階段的發(fā)展，應用領(lǐng)域也從最初的生活污水處理擴展到工業(yè)廢水處理。
第三階段（1961年~至今），活性污泥法發(fā)展的新時期。在此階段，隨著對活性污泥的反應理論、凈化功能、運行方式、工藝系統(tǒng)和微生物生理、生態(tài)學等方面的深入研究，以及單元操作理論、控制理論等的應用，活性污泥法在理論上更完善，在工程實際中積累了豐富的經(jīng)驗，并且又不斷開發(fā)出多種新工藝，在處理效率、出水水質(zhì)改善、減少投資、降低運行費用、提高運行穩(wěn)定性等方面都得到大幅度提高。在此基礎(chǔ)上，活性污泥法隨著環(huán)境污染和能源危機的出現(xiàn)發(fā)生了巨大的飛躍，出現(xiàn)了很多新型污水處理工藝，如氧化溝、A?B法、SBR及其變形工藝、高濃度活性污泥法、深井曝氣、流化床、升流式厭氧污泥床（UASB）反應器、厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應器、ABR等，另外還產(chǎn)生了一系列厭氧、好氧相結(jié)合的活性污泥處理工藝，如A/O、A2/O等。
目前，活性污泥法已成為城市生活污水和有機工業(yè)廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。我國已建成的污水處理廠和在建的城市污水處理廠大多采用活性污泥法。由此可以看出，作為一種典型的污水二級處理技術(shù)，活性污泥法有著廣闊的應用前景。
1?2活性污泥的性質(zhì)1?2?1活性污泥的組成和結(jié)構(gòu)活性污泥外觀是礬花狀絮凝顆粒（絨粒），通稱生物絮體。在混合液靜置時，它們會立即絮凝成較大絨粒而下沉�；钚晕勰嗍腔钚晕勰喾ㄌ幚硐到y(tǒng)中的主體。它不是一般的污泥，而是棲息著種類繁多、具有強大生命活力的微生物群體的生物絮凝體。在微生物群體新陳代謝功能的作用下，它具有將有機物污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機物的能力，故此稱之為“活性污泥”。
活性污泥是以細菌、微型動物為主的微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一起所形成的絮狀體顆粒。良好的活性污泥具有很強的吸附分解有機物的能力和良好的沉降性能。絮體的大小取決于微生物的組成、數(shù)量以及污染物特征和某些外部環(huán)境因素�；钚晕勰囝伾�因污水水質(zhì)不同而不同，一般為黃色或褐色，微具土壤味，密度為1?002～1?006g/cm3，含水率99%左右�；钚晕勰嗤ǔ６季哂休^大的比表面積，每毫升活性污泥的表面積大體上為20～100cm2�；钚晕勰嘀猩�存著各種微生物，構(gòu)成了復雜的微生物相。在多數(shù)情況下，活性污泥中的主要微生物是細菌，伴之以營腐生的原生動物構(gòu)成基本營養(yǎng)層次，然后是以細菌為食的掠食性原生動物占優(yōu)勢。
活性污泥中的固體物質(zhì)含量因污泥類型的不同而變化，對于好氧污泥，固體物質(zhì)含量一般都在1%以下，是由有機固體物質(zhì)與無機固體物質(zhì)兩部分所組成，其組成比例則因原污水水質(zhì)不同而異，如城市污水的活性污泥，其中有機成分占75%～85%。活性污泥中固體物質(zhì)的有機成分，主要是由棲息在活性污泥上的微生物群體所組成。此外，在活性污泥上還夾雜著由入流污水挾入的有機固體物質(zhì)，其中包括某些惰性的難為細菌攝取、利用的“難降解有機物質(zhì)”。這些難降解有機物質(zhì)包括微生物菌體經(jīng)過自身氧化的殘留物，如細胞膜、細胞壁等。活性污泥的無機組成部分，全部是由污水挾入的，至于微生物體內(nèi)存在的無機鹽類，由于數(shù)量極少，可忽略不計。
這樣，活性污泥是由下列四部分物質(zhì)所組成：①具有代謝功能活性的微生物群體（Ma）；②由污水挾入的并被微生物所吸附的有機物質(zhì)（含難為細菌降解的惰性有機物）（Mi）；③微生物自身氧化的殘留物（Me）；④由污水挾入的無機物質(zhì)（Mii）。
活性污泥中的微生物群體（Ma）主要由細菌所組成，其數(shù)量可占污泥中微生物總量的90%～95%，在某些工業(yè)廢水的活性污泥中，甚至可達100%。此外，在活性污泥上還存活著多種真菌、原生動物和后生動物等�；钚晕勰嘀械挠袡C物、細菌、原生動物與后生動物組成了一個小型的相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈。
好氧活性污泥中，直接攝取污水中可溶性有機物的主要是異養(yǎng)型的原核細菌。在成熟的正常活性污泥中，每毫升活性污泥含細菌數(shù)量大致為107～108個�，F(xiàn)已基本判明，可能在活性污泥上能夠形成優(yōu)勢菌屬的細菌主要有：產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、動膠桿菌屬（Zoogloea）、叢毛單胞菌屬（Comamonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和大腸埃希氏桿菌（EscherichiaColi）等。此外，在活性污泥中還可能出現(xiàn)但一般不占優(yōu)勢的細菌有：無色桿菌屬（Achromobacter）、微球菌屬（Microbaccus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）和八疊球菌屬（Sarcina）等。至于哪些種屬的細菌在活性污泥中占優(yōu)勢，則又取決于原污水中有機污染物的性質(zhì)。如含大量糖類和烴類的污水將使假單胞菌得到迅速增殖，而含蛋白質(zhì)多的污水則有利于產(chǎn)堿桿菌的生長繁殖。
上述種屬的細菌在適宜的環(huán)境條件下，都具有較高的增殖速率，世代時間僅為20～30min。具有較強的分解有機物并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機物質(zhì)的能力。另外，活性污泥中還存在一些世代時間較長的細菌，如氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌，它們的世代時間從8小時到數(shù)天不等，能夠?qū)�廢水中的氨氮依次氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽。