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(guó)科學(xué)家發(fā)明了Moris池，這是最早的污水生物處理反應(yīng)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(yīng)池。第一個(gè)生物濾池則是1893年在英國(guó)首先采用的，而現(xiàn)代應(yīng)用最為廣泛的活性污泥法（activatedsludgeprocess）則是在1912～1913年開始試驗(yàn)研究。1914年，Arden和Lokett在英國(guó)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(yàn)廠。1916年，美國(guó)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(yùn)行方式為充?排式，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，自動(dòng)控制技術(shù)與設(shè)備還比較落后，這種運(yùn)行方式操作繁瑣，空氣擴(kuò)散裝置易于堵塞，人們意識(shí)不到其獨(dú)特的優(yōu)越性。連續(xù)進(jìn)水的推流式活性污泥工藝出現(xiàn)后，很快將其取代。可是隨之而來(lái)的是經(jīng)常出現(xiàn)的污泥沉降性能變差的問(wèn)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(gè)重要原因。他提出通過(guò)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(jìn)水的方式。后來(lái)，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(lái)，一時(shí)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(jìn)水氧化溝的污泥沉降性能要好于連續(xù)進(jìn)水的完全混合系統(tǒng)。在20世紀(jì)60年代末和70年代之間，Irvine［3］和他的合作者重新將周期運(yùn)行的活性污泥工藝命名為序批式反應(yīng)器，即SBR(sequencingbatchreactor)，該工藝又重新開始在世界范圍內(nèi)應(yīng)用起來(lái)。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(jì)算機(jī)和自動(dòng)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(fù)雜的問(wèn)題得到解決，該技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)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(jìn)步。在實(shí)際生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用和技術(shù)上的不斷革新改進(jìn)，特別是近幾十年來(lái)，在對(duì)其生物反應(yīng)和凈化機(jī)理深入研究的基礎(chǔ)上，活性污泥法在生物學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理論以及在工藝方面都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，出現(xiàn)了多種能夠適應(yīng)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(yīng)用
自1914年活性污泥法開創(chuàng)以來(lái)，隨著活性污泥法的深入研究、工藝流程的不斷改進(jìn)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(jìn)到好氧工藝之中，在不增加或少增加費(fèi)用的情況下，在去除有機(jī)物的同時(shí)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(yīng)器中的生物量，提高生化反應(yīng)效率且表現(xiàn)出良好的靈活性。經(jīng)過(guò)90多年的發(fā)展與實(shí)踐證明，活性污泥法是一種應(yīng)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(guò)程大致可以分為以下三個(gè)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(yīng)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(yīng)用，活性污泥法成了城市廢水處理的主要工藝，并在實(shí)踐應(yīng)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(shí)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(jí)消化池和兩相消化池等新工藝�；钚晕勰喾ń�(jīng)過(guò)這一階段的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的生活污水處理擴(kuò)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(shí)期。在此階段，隨著對(duì)活性污泥的反應(yīng)理論、凈化功能、運(yùn)行方式、工藝系統(tǒng)和微生物生理、生態(tài)學(xué)等方面的深入研究，以及單元操作理論、控制理論等的應(yīng)用，活性污泥法在理論上更完善，在工程實(shí)際中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)行費(fèi)用、提高運(yùn)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(jī)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(yīng)器、厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)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(jī)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(guó)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(jí)處理技術(shù)，活性污泥法有著廣闊的應(yīng)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(shí)，它們會(huì)立即絮凝成較大絨粒而下沉。活性污泥是活性污泥法處理系統(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(qiáng)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(jī)物污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物的能力，故此稱之為“活性污泥”。
活性污泥是以細(xì)菌、微型動(dòng)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(qiáng)的吸附分解有機(jī)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(fù)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(xì)菌，伴之以營(yíng)腐生的原生動(dòng)物構(gòu)成基本營(yíng)養(yǎng)層次，然后是以細(xì)菌為食的掠食性原生動(dòng)物占優(yōu)勢(shì)。
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(duì)于好氧污泥，固體物質(zhì)含量一般都在1%以下，是由有機(jī)固體物質(zhì)與無(wú)機(jī)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(jī)成分占75%～85%�；钚晕勰嘀泄腆w物質(zhì)的有機(jī)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(jī)固體物質(zhì)，其中包括某些惰性的難為細(xì)菌攝取、利用的“難降解有機(jī)物質(zhì)”。這些難降解有機(jī)物質(zhì)包括微生物菌體經(jīng)過(guò)自身氧化的殘留物，如細(xì)胞膜、細(xì)胞壁等。活性污泥的無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)鹽類，由于數(shù)量極少，可忽略不計(jì)。
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(jī)物質(zhì)（含難為細(xì)菌降解的惰性有機(jī)物）（Mi）；③微生物自身氧化的殘留物（Me）；④由污水挾入的無(wú)機(jī)物質(zhì)（Mii）。
活性污泥中的微生物群體（Ma）主要由細(xì)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(dá)100%。此外，在活性污泥上還存活著多種真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等�；钚晕勰嘀械挠袡C(jī)物、細(xì)菌、原生動(dòng)物與后生動(dòng)物組成了一個(gè)小型的相對(duì)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(jī)物的主要是異養(yǎng)型的原核細(xì)菌。在成熟的正�；钚晕勰嘀�，每毫升活性污泥含細(xì)菌數(shù)量大致為107～108個(gè)。現(xiàn)已基本判明，可能在活性污泥上能夠形成優(yōu)勢(shì)菌屬的細(xì)菌主要有：產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、動(dòng)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(shì)的細(xì)菌有：無(wú)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(xì)菌在活性污泥中占優(yōu)勢(shì)，則又取決于原污水中有機(jī)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(zhǎng)繁殖。
上述種屬的細(xì)菌在適宜的環(huán)境條件下，都具有較高的增殖速率，世代時(shí)間僅為20～30min。具有較強(qiáng)的分解有機(jī)物并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物質(zhì)的能力。另外，活性污泥中還存在一些世代時(shí)間較長(zhǎng)的細(xì)菌，如氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌，它們的世代時(shí)間從8小時(shí)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。