第四章污水的生物處理（一）教學要求掌握活性污泥法的基本原理及其反應機理；理解活性污泥法的重要概念與指標參數(shù)：如活性污泥、剩余污泥、污泥產(chǎn)率等；理解活性污泥反應動力學基礎及其應用；掌握活性污泥的工藝技術或運行方式；掌握曝氣理論；熟練掌握活性污泥系統(tǒng)的計算與設計。§12-1概述

活性污泥法是水體自凈的人工強化方法，是一種依靠在曝氣池內呈懸浮、流動狀態(tài)的微生物群體的凝聚、吸附、氧化分解等作用來去除污水中有機物的方法。概念活性污泥法的提出

1912年英國的Clark和GageArden和Lockett對這一現(xiàn)象進行了研究。1914年建成第一個活性污泥廠。二、活性污泥法基本流程活性污泥工藝主要由曝氣池、曝氣裝置、二沉池、污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥排放系統(tǒng)組成。曝氣裝置的作用:曝氣系統(tǒng)總體上可分為鼓風曝氣和機械曝氣2大類。

向曝氣池供給微生物增長及分解有機污染物所必需的氧氣進行混合攪拌，使活性污泥與有機污染物質充分接觸二沉池的作用是使活性污泥與處理完的污水分離，并使污泥得到一定程度的濃縮。回流污泥系統(tǒng)把二沉池中沉淀下來的絕大部分活性污泥再回流到曝氣池，以保證曝氣池有足夠的微生物濃度。隨著有機污染物質被分解，曝氣池每天都凈增一部分活性污泥，這部分活性污泥稱之為剩余活性污泥，應通過剩余污泥排放系統(tǒng)排出。

三、活性污泥降解污水中有機物的過程BOD吸附降解曝氣過程一般將這整個凈化反應過程分為三個階段：①初期吸附；②微生物代謝；③活性污泥的凝聚、沉淀與濃縮。

三、活性污泥降解污水中有機物的過程BOD吸附降解曝氣過程

所謂“初期吸附”是指：在活性污泥系統(tǒng)內，在污水開始與活性污泥接觸后的較短時間(10

30min)內，由于活性污泥具有很大的表面積因而具有很強的吸附能力，因此在這很短的時間內，就能夠去除廢水中大量的呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機污染物，使廢水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。但這并不是真正的降解，隨著時間的推移，混合液的BOD5值會回升(這是由于固體有機物被吸附并經(jīng)微生物酶作用后，變成可溶性物質而擴散到液體中去的緣故；對于溶解性的有機物則沒有擴散現(xiàn)象)，再之后，BOD5值才會逐漸下降。顏色：褐色、(土)黃色、鐵紅色；氣味：泥土味（城市污水）；比重：略大于1，(1.002

1.006)，混合液污泥1.002

1.003，回流污泥1.004

1.006；顆粒直徑：0.02

0.2mm；比表面積：20

100cm2/mL。好氧活性污泥的性質活性污泥的特征與微生物形態(tài)在顯微鏡下呈不規(guī)則橢圓狀，在水中呈“絮狀”。顏色

正常呈黃褐色，但會隨進水顏色、曝氣程度而變（如發(fā)黑為曝氣不足，發(fā)黃為曝氣過度）。理化性質

ρ=1.002～1.006，含水率99%，直徑大小0.02～0.2mm，表面積20～100cm2/ml，pH值約6.7，有較強的緩沖能力。其固相組分主要為有機物，約占75～85%。過度）。生物特性具有一定的沉降性能和生物活性。組成

由微生物群體Ma，微生物殘體Me，難降解有機物Mi，無機物Mii四部分組成。活性污泥的特征與微生物組成細菌：以異養(yǎng)型原核生物(細菌)為主，數(shù)量107～108個/ml，自養(yǎng)菌數(shù)量略低。其優(yōu)勢菌種：產(chǎn)堿桿菌屬等，它是降解污染物質的主體，具有分解有機物的能力。真菌：由細小的腐生或寄生菌組成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白質的功能，但絲狀菌大量增殖會引發(fā)污泥膨脹。

原生動物：肉足蟲，鞭毛蟲和纖毛蟲3類、捕食游離細菌。其出現(xiàn)的順序反映了處理水質的好壞（這里的好壞是指有機物的去除），最初是肉足蟲，繼之鞭毛蟲和游泳型纖毛蟲；當處理水質良好時出現(xiàn)固著型纖毛蟲，如鐘蟲、等枝蟲、獨縮蟲、聚縮蟲、蓋纖蟲等。

后生動物(主要指輪蟲），捕食菌膠團和原生動物，是水質穩(wěn)定的標志。因而利用鏡檢生物相評價活性污泥質量與污水處理的質量。微生物增殖與活性污泥的增長活性污泥凈化反應影響因素與主要設計、運行參數(shù)影響因素微生物量的指標

混合液懸浮固體濃度（MLSS），其由Ma+Me+Mi+Mii組成混合液揮發(fā)固體濃度（MLVSS），由MLVSS=Ma+Me+Mi組成設計指標與運行參數(shù)

MLVSS/MLSS在0.70左右，過高過低能反映其好氧程度，但不同工藝有所差異。如吸附再生工藝0.7～0.75，而A/O工藝0.67～0.70。活性污泥的沉降性能及其評定指標：污泥沉降比SV（%）：混合液在量筒內靜置30mm后所形成沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分比。污泥容積指數(shù)SVI：SVI=SV/MLSS。對于生活污水處理廠，一般介于70～100之間。當SVI值過低時，說明絮體細小，無機質含量高，缺乏活性；反之污泥沉降性能不好。§12-2活性污泥法的發(fā)展和演變

活性污泥法(ActivatedSludgeProcess)首先于20世紀初在英國出現(xiàn),迄今已有近百年歷史，是當前應用最廣泛的污水處理技術之一，該方法自1914年在英國曼切斯特市建成污水試驗廠以來，已有80多年的歷史。目前，它已成為有機廢水生物處理的主體，但是仍存在一些不容忽視的缺點：對沖擊負荷適應能力差，易發(fā)生污泥膨脹，處理構筑物占地面積大、基建投資和運行費用高、管理復雜等。近幾十年來，國內外學者準對以上這些問題進行了不懈地探索和研究，在供氧方式、運轉條件、反應器形式等方面進行了革新、開發(fā)了多種活性污泥法新工藝，使得活性污泥法朝著高效、節(jié)能的方面發(fā)展。1、普通活性污泥法

普通活性污泥法，又稱習慣曝氣或傳統(tǒng)活性污泥法，是最早使用的一種活性污泥法。曝氣池中水流是縱向混合的推流式。在曝氣池前端，活性污泥同剛進入的廢水相接觸，有機物濃度相對較高，即供給活性污泥微生物的食料較多，所以微生物生長一般處于生長曲線的對數(shù)生長期后期或穩(wěn)定期。由于普通活性污泥法曝氣時間比較長，當活性污泥繼續(xù)向前推進到曝氣池末端時，廢水中有機物已幾乎被耗盡，污泥微生物進入內源代謝期，它的活動能力也相應減弱，因此在沉淀池中容易沉淀，出水中殘剩的有機物數(shù)量少。處于饑餓狀態(tài)的污泥回流入曝氣池后又能夠強烈吸附和氧化有機物，所以普通活性污泥法的BOD和懸浮物去除率都很高，達到90～95%左右。

普通活性污泥法也有它的不足之處，主要是：①對水質變化的適應能力不強；②所供的氧不能充分利用，因為在曝氣池前端廢水水質濃度高、污泥負荷高、需氧量大，而后端則相反，但空氣往往沿池長均勻分布，這就造成前端供氧量不足、后端供氧量過剩的情況。因此，在處理同樣水量時，同其它類型的活性污泥法相比，曝氣池相對龐大、占地多、能耗費用高。2、漸減曝氣活性污泥法

為了解決普通活性污泥法供氧與需氧之間的矛盾，可沿曝氣池長的供氧按需氧量的要求分幾段提供，即前段多供氧，后段少供氧，可使供氧與需氧基本一致。如左圖所示。漸減曝氣池由于解決了供氧與需氧的矛盾，改善了運行條件，在供氧相同的條件下，改善了曝氣池中溶解氧的分布，提高了氧的利用率，從而可節(jié)省運行費用，提高處理效率。3、多點進水活性污泥法又稱階段曝氣法或逐步曝氣法。

廢水沿池長多點進入，這樣使有機物在曝氣池中的分配較為均勻，從而避免了前端缺氧、后端氧過剩的弊病，提高了空氣的利用效率和曝氣池的工作能力，并且由于容易改變各個進水口的水量，在運行上也有較大的靈活性。經(jīng)實踐證明，曝氣池容積同普通活性污泥法比較可以縮小30%左右，但其出水差于普通活性污泥法。4、吸附再生活性污泥法/接觸穩(wěn)定法

曝氣池被一隔為二，廢水在曝氣池的一部分

吸附池內停留數(shù)十分鐘，活性污泥同廢水充分接觸，廢水中有機物被污泥所吸附，隨后進入二沉池，此時出水已達很高的凈化程度。泥水分離后的回流污泥再進入曝氣池的另一部分

再生池，池中曝氣但不進廢水，使污泥中吸附的有機物進一步氧化分解。恢復了活性的污泥隨后再次進入吸附池同新進入的廢水接觸，并重復以上過程。5、完全混合活性污泥法

完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同，但廢水和回流污泥進入曝氣池時，立即與池內原先存在的混合液充分混合。依構筑物的曝氣池和沉淀池合建或分建的不同可分成兩種類型。

6、延時曝氣活性污泥法

延時曝氣活性污泥法是曝氣時間很長，一般為24h左右，微生物生長處在內源代謝階段，不但能幾乎完全氧化去除廢水中的有機物，出水水質很好，而且還能氧化合成的細胞物質，剩余污泥量很少，甚至可長期不排泥，排出的污泥的穩(wěn)定性很好，不必再進行厭氧處理(即厭氧消化)。由于延時曝氣的曝氣時間很長，所以曝氣池的體積很大，曝氣池的建造費用和用于曝氣的電耗很高。在國外，延時曝氣法一般適用于規(guī)模較小的污水處理系統(tǒng)，其優(yōu)點是管理十分方便，正常情況下平時不需要人去管理，只要定期巡視即可；而且出水水質較好；污泥也不必專門處理。7、氧化溝

連續(xù)環(huán)式反應池通常簡稱為氧化溝，它是由荷蘭衛(wèi)生工程研究所在50年代研制成功的。這是活性污泥法的一種改型，屬延時曝氣的一種特殊形式。它把連續(xù)環(huán)式反應池用作生物反應池，污泥混合液在該反應池中以一條閉合式曝氣渠道進行連續(xù)循環(huán)。氧化溝通常在延時曝氣條件下使用，污水停留時間較長，污泥負荷較低。污水在氧化溝渠道內循環(huán)流動，水平流速約0.3m/s。目前常用的卡羅塞爾（Carrousel）氧化溝系統(tǒng)。8、淺層曝氣

1953年Pasveer發(fā)現(xiàn)，氣泡形成和破裂瞬間的氧傳遞速率最大。在水的淺層處用大量空氣進行曝氣，就可獲得較高的氧傳遞速率。為了使液流保持在一定的環(huán)流速率，將空氣擴散器分布在曝氣池相當部分的寬度上，并設一條縱墻，將水池分為2部分，迫使曝氣時液體形成環(huán)流。淺層曝氣與一般曝氣相比，空氣量增大，但風壓僅為一般曝氣的1/3-1/4，故電耗并不增加而略有下降。淺層池適用于中小型規(guī)模的污水廠。但由于布氣系統(tǒng)維修困難，沒有得到推廣應用。9、深井/層曝氣深井曝氣又名“超深水曝氣”，是英國在20世紀70年代開發(fā)的新技術。1974年英國帝國化學公司在Billingham污水處理廠建造了深井曝氣試驗性工程。自此在歐洲、北美和日本引起極大興趣，在國內，深井曝氣也已進入發(fā)展和應用階段。

深井曝氣是以一口地下深豎井作為曝氣池的高效活性污泥工藝，深井被分隔為下降管和上升管2部分，廢水與回流污泥引入下降管，在井內循環(huán)，空氣注入下降管或同時注入下降管與上升管，混合液由上升管中排至固液分離裝置。

10、吸附-生物降解工藝(AB法)

AB法是吸附－生物降解（Adsorption-Biodegradation）工藝的簡稱，是由德國亞琛工業(yè)大學（Aachen）賓克（Bohnke）教授于20世紀70年代中期開創(chuàng)。該工藝于80年代初應用于工程實踐,目前,國內已有多家城市污水處理廠采用了AB法工藝。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，AB法主要有下列特征：未設初沉池，由吸附池和中間沉淀池組成的A段為一級處理系統(tǒng)；B段由曝氣池和二次沉淀池組成；A、B兩段各自擁有獨立的污泥回流系統(tǒng)，兩段完全分開，各自由獨特的微生物群體，有利于功能的穩(wěn)定。

目前全世界有60多座采用AB工藝的污水廠在運行、設計和規(guī)劃之中。南斯拉夫修建了目前世界最大的AB工藝的污水處理廠。在我國上海、山東等地都有采用AB工藝的污水處理廠，如山東泰安污水處理廠（處理污水量10000m3/d），山東青島海泊河污水處理廠（處理污水量8萬m3/d）。11、SBR法

SBR工藝即序批式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess，簡寫為SBR），又稱為間歇式活性污泥法，由于在運行中采用間歇操作的形式，每一個反應池是一批批地處理廢水，因此而得名。70年代末期美國教授R.L.Irvine等人為解決連續(xù)污水處理法存在的一些問題首次提出，并于1979年發(fā)表了第一篇關于采用SBR工藝進行污水處理得論著。繼后,日本、美國、澳大利亞等國的技術人員陸續(xù)進行了大量的研究。隨著研究得深入，人們對該工藝的機理和優(yōu)越性有了全新的認識。1980年在美國國家環(huán)保局的資助下，印第安納州Culver城投建了世界上第一個SBR工藝的污水處理廠。我國在80年代中期也開始了這方面的應用研究,我國第一座應用SBR工藝的污水處理設施——上海市政工程設計院設計的SBR處理系統(tǒng)于1985年投入使用，此后陸續(xù)在城市污水及工業(yè)廢水領域得以推廣應用，同時，在全國也掀起了研究SBR的熱潮，近年來成為國內外學者研究的熱點。目前，SBR主要應用于以下幾個領域：城市污水、工業(yè)污水（主要有石油、化工、食品、制藥等工業(yè)污水處理）、有毒有害廢水和營養(yǎng)元素的廢水。SBR法最顯著的一個特點是將反應和沉淀兩道工序放在同一反應器中進行，擴大了反應器的功能，SBR是一個間歇運行的污水處理工藝,運行時期的有序性,使它具有不同于傳統(tǒng)連續(xù)流活性污泥法的一些特性。1、流程簡單,運行費用低；

SBR法的工藝簡單,便于自動控制,其主要設備就是一個具有曝氣和沉淀功能的反應器,無需連續(xù)流活性污泥法的二沉池和污泥回流裝置,在大多數(shù)情況下可以省去調節(jié)池和初沉池,系統(tǒng)構筑物小,流程簡單,占地面積小、管理方便,投資省,運行費用低。2、固液分離效果好，出水水質好；

SBR在沉淀時屬于理想的靜止沉淀，固液分離效果好,容易獲得澄清的出水。剩余污泥含水率低,這為后續(xù)污泥的處置提供了良好的條件。3、運行操作靈活，效果穩(wěn)定；

SBR在運行操作過程中,可以根據(jù)廢水水量水質的變化、出水水質的要求調整一個運行周期中各個工序的運行時間、反應器內混合液容積的變化和運行狀態(tài)。4、脫氮除磷效果好；

SBR工藝在時間序列上提供了缺氧、厭氧和好氧的環(huán)境條件,使缺氧條件下實現(xiàn)反硝化,厭氧條件下實現(xiàn)磷的釋放和好氧條件下的硝化及磷的過量攝取,從而有效的脫氮除磷。

5、有效防止污泥膨脹；

由于SBR具有理想推流式特點，有機物濃度存在較大的濃度梯度，有利于菌膠團細菌的繁殖，抑制絲狀菌的生長，另外，反應器內缺氧好氧的變化以及較短的污泥齡也是抑制絲狀菌的生長的因素，從而有效地防止污泥膨脹。

6、耐沖擊負荷；池內有滯留的處理水，對污水有稀釋、緩沖作用，有效抵抗水量和有機污物的沖擊。傳統(tǒng)的SBR在應用中有一定的局限性，如在進水流量較大時，對反應系統(tǒng)需調節(jié)，會增大投資。為了進一步提高出水水質，出現(xiàn)了許多SBR演變工藝。CASS工藝：循環(huán)式活性污泥法ICEAS工藝：間歇式循環(huán)延時曝氣工藝IDEA工藝：間歇排水延時曝氣工藝DAT-IAT工藝：需氧池－間歇曝氣池工藝UNITANK工藝：類似于三溝式氧化溝工藝MSBR工藝：改良序批式活性污泥法§12-1廢水生物處理工程的基本數(shù)學模式泥齡（Sludgeage）θc生物固體平均停留時間或活性污泥在曝氣池的平均停留時間，即曝氣池內活性污泥總量與每日排放污泥量之比，用公式表示：θc＝VX/⊿X＝VX/QwXR。式中：⊿X為曝氣池內每日增長的活性污泥量，即要排放的活性污泥量。Qw為排放的剩余污泥體積。XR為剩余污泥濃度。其與SVI的關系為(XR)max＝106/SVI及⑴整個處理系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)反應器中的微生物濃度和底物濃度不隨時間變化，維持一個常數(shù)。即：式中：ρX―反應器中微生物的平均濃度；ρS―反應器中底物的平均濃度。推導廢水生物處理工程數(shù)學模式的幾點假定和⑵反應器中的物質按完全混合及均布的情況考慮整個反應器中的微生物濃度和底物濃度不隨位置變化維持一個常數(shù)。而且，底物是溶解性的。即⑶整個反應過程中，氧的供應是充分的（對于好氧處理）。物料衡算就是根據(jù)質量守恒定律進行反應器系統(tǒng)各種物質的質量平衡計算。物料衡算范圍的選定單位時間進入物量單位時間排出物量單位時間消耗物量單位時間累積物量＝＋＋普通方程式：a曝氣池二沉池回流污泥剩余污泥入流出流becdf活性污泥法數(shù)學模型(1+r)QX,SeQ-QwXe,SeQS0X0=0rQ,Xr,SeVX,Se二沉池Qw,Xr,Se物料衡算范圍Qw,X,Se完全混合連續(xù)流系統(tǒng)物料衡算圖物料衡算兩個前提入流微生物濃度X0=0運行處于穩(wěn)定狀態(tài)，微生物沒有積累即：

(dX/dt)a·V=0據(jù)物料衡算普遍式：入流＝出流＋累積＋消耗1、對系統(tǒng)1活性污泥做物料衡算：Q·X0＝[Qw·XR+(Q-Qw)·Xe]+(dX/dt)a·V+[-dX/dt)g·V]Qw·XR+(Q-Qw)·Xe=(dX/dt)g·V∵Qw·XR+(Q-Qw)·Xe=VX/θc∴(dX/dt)g＝X/θc

1/θc=Y·(dS/dt)u/XR-Kd由r=rmaxSe/（Ks+Se）和(dS/dt)u=rXR得：

Se-出水中有機物的濃度,gBOD/m3Ks-飽和常數(shù),gBOD/m3r-最大比底物速率,gBOD/(gVSS)說明出水有機物濃度僅是污泥齡和動力學參數(shù)的函數(shù)，與進水有機物濃度無關。1/θc=Y·rmaxSe/（Ks+Se）-Kd

Se=[Ks(1+Kd·θc)]/[θc(Y·rmax-Kd)-1]活性污泥法數(shù)學模型(1+r)QX,SeQ-QwXe,SeQS0X0=0rQ,Xr,SeVX,Se二沉池Qw,Xr,Se物料衡算范圍Qw,X,Se完全混合連續(xù)流系統(tǒng)物料衡算圖X=YQ（S0-Se)θc/V(1+Kd·θc)說明曝氣池中活性污泥的濃度與進出水的水質、污泥泥齡和動力學參數(shù)有關。2、對系統(tǒng)2底物做物料衡算：QS0+RQSe-(dS/dt)uV-(1+R)QSe=0得:(dS/dt)uV=Q(S0-Se)/V1/θc=Y·(dS/dt)u/XR–Kd得由1/θc=Y·(S0-Se)/XV–Kd進而得3、對系統(tǒng)2進出曝氣池的微生物做物料衡算：見教材P126

有機污染物降解與需氧微生物對有機污染物的降解包括1/3的直接氧化分解，2/3×80%需合成后再內源呼吸降解，故其需氧量為：O2＝a′QSa＋b′VXv

式中：a′為微生物每代謝1kgBOD所需要的氧量。b′為每kg活性污染自身氧化所需要的氧量。兩邊同除以VXv得O2/VXv=a′Ns＋b′兩邊同除以QSa得O2/QSa＝a′＋b′1/Ns

3、負荷

BOD污泥負荷：Ns＝QSa/XV=F/M指單位重量活性污泥在單位時間內降解到預定程度的有機物量。

BOD容積負荷：Nv＝QSa/V

指單位曝氣池容積在單位時間內降解到預定程度的有機物量。BOD污泥負荷和BOD容積負荷的關系式：Nv＝NsX。雙膜理論1924年Lewis和Whitman提出氣體傳遞原理

雙膜理論(1)在氣、液兩相接觸的界面兩側存在著處于層流狀態(tài)的氣膜和液膜，在其外側則分別為氣相主體和液相主體，兩個主體均處于紊流狀態(tài)。氣體分子以分子擴散方式從氣相主體通過氣膜與液膜而進入液相主體。基本點(2)由于氣液兩相的主體均處于紊流狀態(tài)，其中物質濃度基本上是均勻的，不存在濃度差，也不存在傳質阻力，氣體分子從氣相主體傳遞到液相主體，阻力僅存在于氣、液兩層層流膜中。

(3)在氣膜中存在著氧的分壓梯度，在液膜中存在著氧的濃度梯度，它們是氧轉移的推動力(4)氧難溶于水，并且氧轉移決定性的阻力又集中在液膜上，因此，氧分子通過液膜的轉移速度是氧轉移過程的控制速度。兩邊同除以V：

擴散過程的基本規(guī)律Vd-物質擴散速率，單位時間內通過單位截面積上的物質的量；D-物質的擴散系數(shù)0膜厚層流紊流pPiCsC氣體液體紊流內表面氣膜液膜分壓或濃度氣體傳遞雙膜理論簡圖

由于污水中存在著溶解性有機物，特別是某些表面活性劑，如短鏈脂肪酸和乙醇等，這類物質的分子屬兩性分子，它們將聚集在氣、液界面上，阻礙氧分子的擴散轉移。由于它們增加了氧轉移過程的阻力，因此，造成了KLa值的下降。因此，引入小于1的α修正系數(shù)：

(1)水質

二、氧轉移的影響因素

氧在水中的飽和度也受水質的影響，主要是含鹽量的影響，因此引入小于1的系數(shù)β以修正污水中含鹽量對氧飽和度的影響：(2)水溫

（1）對KLa的影響

（2）對CS的影響

水溫對氧的轉移有相反的影響

但并不完全抵消，當15～30℃時：水溫低對氧轉移有利，30～35℃時：水溫較高對氧轉移有利。總之,水溫低將有利于氧的轉移。Cs值還受氧分壓或氣壓的影響。當氣壓降低時，Cs也降低；反之則增大。因此，在氣壓不是1.013×105Pa的地區(qū)，Cs值應乘以如下的壓力修正系數(shù)：(3)氧分壓

鼓風曝氣池中的Cs應按下式計算其中pd=p+9.8×103H(4)其他氧的轉移系數(shù)，還與氣泡的大小、液體的紊動程度和氣泡與液體的接觸時間有關。氣泡尺寸小，則接觸界面A較大，將提高KLa值，有利于氧的轉移；但氣泡小，則不利于紊動，對氧轉移也有不利影響。紊動程度大，接觸時間長(水層深)，則KLa值大，反之則小。

在穩(wěn)定運行條件下，氧的轉移速度應等于活性污泥微生物的需氧速度（Rr）

在標準條件下，轉移到曝氣池混合液中的總氧量（R0）：

而實際條件下,轉移到曝氣池的需氧量應為：三、氧轉移速率與供氣量的計算解上二式得由于R=RrV；Rr=a′QSr＋b′VXv。因此R0可以求出，一般情況下R0/R

=1.33-1.61即實際工程所需的空氣量較標準條件下多33%-61%

氧轉移效率（氧利用率）：式中S-供氧量，kg/hGs-供氣量，m3/h鼓風曝氣裝置的供氣量為：對于機械曝氣，公式參考教材P134（式12-56）三、曝氣設備

1、曝氣的作用

活性污泥法系統(tǒng)中，曝氣的作用是向液相中供給溶解氧，并起攪拌和混合作用。2、曝氣的方法

通常采用鼓風曝氣、機械曝氣，以及兩者聯(lián)合使用的混合曝氣，某些情況下也采用射流曝氣。鼓風曝氣機械曝氣射流曝氣

將壓縮空氣通過管道系統(tǒng)送入池內的散氣設備，以氣泡形式分散進入混合液。

鼓風曝氣機械曝氣射流曝氣

利用裝設在曝氣池內的葉輪的轉動，劇烈地攪動水面，使液體循環(huán)流動，不斷更新液面并產(chǎn)生強烈水躍，從而使空氣中的氧與水滴或水氣的界面充分接觸，轉入液相中去。鼓風曝氣機械曝氣射流曝氣

利用水射流泵將空氣吸入，使空氣與水充分混合并溶解的曝氣方式。3、鼓風曝氣鼓風曝氣由空氣凈化器，鼓風機，空氣輸配管系統(tǒng)和浸沒于混合液中的擴散器組成。其中關鍵部件是擴散器。（1）擴散器作用：將空氣分散成空氣泡，增大空氣和混合液之間的接觸界面，把空氣中的氧溶解于水中。

（1）擴散器根據(jù)分散氣泡的大小，擴散器可分成幾種類型：①小氣泡擴散器②中氣泡擴散器③大氣泡擴散器④微氣泡擴散器①小氣泡擴散器微孔材料：陶瓷、砂粒、塑料特點：氣泡小(直徑在1.5mm以下)，氧利用率高(在11％左右)，但阻力大，易堵塞。

②中氣泡擴散器

穿孔管的孔眼直徑為2～3mm，孔口氣體流速不小于10m/s，以防堵塞，其特點是氧利用率低，但空氣壓力損失較小；

莎綸管以多孔金屬管為骨架，管外纏繞莎綸繩。金屬管上開有許多小孔，壓縮空氣從小孔溢出后，從繩縫中以氣泡形式擠入混合液。③大氣泡擴散器常用的是曝氣豎管，直徑為15mm左右，底口敞開;特點:氣泡大(直徑3mm以上)，分布不勻，氧利用率低，不易堵塞。

④微氣泡擴散器常稱為射流曝氣器，氣泡直徑在100μm左右，射流曝氣器通過混合液的高速射流，將鼓風機引入的空氣切割粉碎為微細氣泡，與混合液充分接觸混合，促進氧的傳遞。一般布置在曝氣池的一側和池底，以便形成漩流，增加氣泡和混合液的接觸時間，有利于氧的傳遞，同時使混合液中的懸浮固體呈懸浮狀態(tài)。擴散器安裝位置(2)鼓風機

常用的有：羅茨鼓風機和離心式鼓風機。

離心式鼓風機羅茨鼓風機適用于中小型污水廠，最常用單機風量80m3/min左右；風壓0.5Mpa的最穩(wěn)定，采用較多。但噪聲大，必須采取消音、隔音措施。噪音小，效率高，適用于大中型污水廠。這是一種葉片式氣體壓縮機。羅茨鼓風機離心式鼓風機4、機械曝氣機械曝氣是用安裝于曝氣池表面的表面曝氣機來實現(xiàn)的。表面曝氣機分為豎式和臥式2類。（1）豎式(立軸式)表面曝氣機

豎式(立軸式)表面曝氣機械（mechanicalsurfaceaerator）的成套設備有多種形式，其機械傳動結構大致相同，主要區(qū)別在于曝氣葉輪的結構形式上，有泵（E）型葉輪、倒傘型、K3型葉輪、平板型葉輪等。（2）臥式（水平軸式）表面曝氣機

臥式（水平軸式）表面曝氣機有多種型式，機械傳動結構大致相同，總體布置有異，主要區(qū)別在于水平軸上的工作載體——轉刷或轉盤。國內設計應用最廣泛的是轉刷曝氣機和轉盤曝氣機。圖14-14轉刷曝氣機

圖14-15轉盤曝氣機

5、曝氣設備性能指標

氧傳遞速率氧吸收率EA

動力效率EP

式中：R0——溫度20℃，大氣壓力101.325kPa條件下，單位時間轉移到無氧清水中的總氧量（kgO2/h）；S——供氧量(kg/h)，S＝GS×21％×1.33＝0.28GS；

GS——供空氣量，（m3/h）；21%——氧在空氣中所占的體積百分數(shù)；

1.33——20℃時氧的密度（kg/m3）；氧傳遞速率氧吸收率EA

動力效率EP

(單位：mgO2/(L·h))氧傳遞速率氧吸收率EA

動力效率EP

動力效率是曝氣機或曝氣器的性能參數(shù)之一，指單位輸出功率使氧氣轉移到水中的量，單位為kgO2/(kW·h)。動力效率越高，曝氣機或曝氣器的性能越好，提供一定量氧氣所消耗的動力越少。三、曝氣池池型曝氣池分類

從混合液在曝氣池中的流態(tài)可分為推流式、完全混合式和循環(huán)混合式三種；從平面幾何形狀可分為長方形、廊道形、圓形或方形、環(huán)形跑道形三種；

從采用的曝氣方法可分為鼓風曝氣式、機械曝氣式以及兩者聯(lián)合使用的聯(lián)合式三種；

從曝氣池與二次沉淀池的關系可分為分建式和合建式兩種。1、推流式曝氣池

多為狹長形或折流式的池子，一端進水，另一端出水。曝氣裝置常用鼓風曝氣。根據(jù)斷面上的水流情況，可分為平移推流和旋轉推流。平移推流是曝氣池底鋪滿擴散器，池中的水流只有沿池長方向的流動。旋轉推流：較常用，曝氣裝置放在池底一側，廢水和回流污泥一起從池端進入后，在上升氣流的作用下，在池子的橫向產(chǎn)生旋流，混合液水流以螺旋狀打滾前進，逐步推流至池子出口。2、完全混合式

曝氣池曝氣設備多用表面曝氣機，置于池中心。污水進入攪拌中心，立即和全池水混合。完全混合曝氣池可以和沉淀池分建和合建，因此，可分為分建式和合建式。分建式曝氣池在運行上便于調節(jié)控制，應用較多。合建式曝氣池，稱為曝氣沉淀池，結構緊湊，可省去污泥回流設備，適用于中小型污水廠。但是施工復雜、難度大；運行時難以分別控制和調節(jié)，運行不靈活，出水水質難于保證，已經(jīng)基本淘汰。3、兩種池型的結合推流曝氣池中，可以用多個表曝機充氧和攪拌。對于每一個表曝機所影響的范圍內，則為完全混合，而對全池而言，又近似推流。此時，相鄰的表曝機旋轉方向應相反，否則兩機間的水流會互相沖突，也可用橫向擋板在機與機之間隔開。4、循環(huán)混合式

循環(huán)混合式曝氣池，又名氧化溝，多采用轉刷曝氣，其平面形狀如環(huán)形跑道。

四、曝氣設備的性能測試1、完全混合式曝氣池的曝氣設備充氧能力測定見“環(huán)境工程專業(yè)實驗”。2、推流式曝氣池的曝氣設備充氧能力測定——麥金尼法（參考本教材第二版P153）§12-5去除有機污染物活性污泥法的過程設計

活性污泥法處理系統(tǒng)由曝氣池、曝氣設備、污泥回流設備、二沉池等組成。其工藝設計包括：(1)流程的選擇；(2)曝氣區(qū)容積的計算和曝氣池工藝設計；(3)需氧量、供氣量的計算與曝氣設備的設計；(4)回流污泥量、剩余污泥量的計算與回流設備的設計；(5)二沉池的計算與設計等。一、曝氣池的設計計算二、剩余污泥量計算三、需氧量設計計算§12-6生物脫氮除磷

生物脫氮

(1)生物脫氮原理好氧段：由亞硝化細菌和硝化細菌的硝化作用，將NH3-N轉化為NO3－-N；缺氧段：經(jīng)反硝化細菌將NO3－-N反硝化還原為氮氣。①硝化段根據(jù)(3)式計算得到：每氧化1gNH3-N要消耗4.25gO2，7.07g堿度(以CaCO3計)和0.086g無機碳，合成0.17g新細胞。硝化細菌的世代時間普遍比異養(yǎng)菌的世代時間長，為了硝化作用徹底，保證有足夠數(shù)量活性強的硝化細菌(107個/mL以上)及足夠長的停留時間。②反硝化段

以甲醇為碳源作例子，反硝化的生物化學反應式如下：反硝化包括外源反硝化和內源反硝化。外源反硝化：利用外來碳源，以NO3－為最終電子受體，氧化有機物合成細胞物質：從反應式看：每利用1gNO3－反硝化，消耗2.47g甲醇(約合3.7gCOD)，產(chǎn)生0.48g新細胞和3.57g堿度。內源反硝化：以機體內的有機物為碳源，以NO3－為最終電子受體。從以上反應式看，反硝化的結果消耗NO3－，產(chǎn)生堿性物質OH－，使出水pH上升，呈堿性。

總反應式為：(2)生物脫氮工藝①傳統(tǒng)生物脫氮工藝傳統(tǒng)的三級生物處理脫氮工藝補充碳源的兩段生物脫氮工藝②前置式反硝化脫氮A/O(anoxic-Oxic)工藝A/O生物脫氮工藝

A/O工藝是一種前置反硝化工藝，由Barnard為改進傳統(tǒng)生物脫氮工藝而提出來。③后置缺氧脫氮A/O(anoxic-Oxic)工藝好氧/硝化缺氧回流活性污泥進水二沉池④Bardenpho工藝該工藝由兩級A/O工藝組合而成，共4個反應池。由于采用了混合液回流，第一個A池中含有NO3――N，第二個A池在好氧之后，故也含有一定量的NO3――N，兩個A池均為缺氧池，而非厭氧池。Bardenpho工藝的兩級A/O工藝中，缺氧池均可進行反硝化作用，因此脫氮效率較高，可達90～95％。該工藝與其它工藝比較，主要特征是水力停留時間(HRT)較長，剩余污泥中的磷含量4～6％，其同步脫氮除磷效果較好。

⑤同步硝化反硝化（SNDN）過程同步硝化反硝化過程是指在沒有明顯獨立設置缺氧區(qū)的活性污泥處理系統(tǒng)內，總氮被大量去除的過程。機理解釋：

反應器DO分布不均勻理論：典型應用-氧化溝工藝缺氧微循環(huán)理論微生物學解釋(3)生物脫氮工藝設計計算缺氧區(qū)容積計算好氧區(qū)容積計算需氧量計算硝化液回流比計算生物除磷

(1)生物除磷的原理(2)生物除磷的工藝(1)生物除磷的原理在厭氧時聚磷菌能釋放磷酸鹽(PO43-)于體外。在好氧時不僅能大量吸收磷酸鹽(PO43-)合成自身核酸和ATP，而且能逆濃度梯度過量吸磷合成貯能的多聚磷酸鹽顆粒(即異染顆粒)于體內，供其內源呼吸用。

故可創(chuàng)造厭氧和好氧環(huán)境，讓聚磷菌先在含磷污、廢水中厭氧放磷，然后在好氧條件下充分地過量吸磷，而后通過排泥從污水中除去部分磷，可以達到減少污、廢水中磷含量的目的。

(2)生物除磷的工藝①A/O(Anaerobic/Oxic)工藝

這里的A/O除磷工藝與A/O生物脫氮工藝類似，但也有很大不同：一是其A段為嚴格的厭氧(anaerobic)段，而非缺氧(anoxic)段，二是該工藝只有污泥回流，而沒硝化液回流。是美國的Spector于1975年研究活性污泥膨脹與控制問題時，發(fā)現(xiàn)它不僅可預防污泥絲狀膨脹，還具有優(yōu)良的除磷效果而開發(fā)的。進水磷與BOD之比較低時，A/O工藝有較好的除磷效果。A/O除磷工藝與A/O生物脫氮工藝類似，但也有很大不同：一是其A段為嚴格的厭氧(anaerobic)段，而非缺氧(anoxic)段，二是該工藝只有污泥回流，而沒硝化液回流。脫氮除磷②Phostrip_弗斯特利普工藝

Phostrip工藝是在傳統(tǒng)活性污泥法的污泥回流管線上增設一個除磷池及混合反應池構成的。1965年Levin首先提出，把生物除磷和化學除磷相結合，將富磷上清液引入化學沉淀池，投加石灰形成Ca3(PO4)2沉淀，通過排放磷污泥而除磷。

廢水同步生物除磷脫氮工藝

①A2/O(anaerobic/anoxic/oxic)工藝

②Bardenpho工藝

③Phoredox工藝

④UCT工藝

⑤VIP工藝

⑥AP工藝

⑦SBR工藝⑧SBR工藝改良-DAT-IAT工藝①A2/O(anaerobic/anoxic/oxic)工藝

主要優(yōu)點：①厭氧、缺氧、好氧交替運行，可以同時達到去除有機物、脫氮、除磷的目的；②運行不利于絲狀細菌的繁殖，基本不存在污泥膨脹問題；③工藝流程簡單，總的水力停留時間少，不需外加碳源，攪拌少，運行費用低。缺點：①除磷效果受污泥齡、回流污泥中含DO和NO3――N限制，可能不十分理想；②脫氮效果取決于混合液回流比，因該工藝回流比不宜太高(200%)，故脫氮效果不能滿足較高要求。

②Bardenpho工藝

該工藝由兩級A/O工藝組合而成，共4個反應池。由于采用了混合液回流，第一個A池中含有NO3――N，第二個A池在好氧之后，故也含有一定量的NO3――N，兩個A池均為缺氧池，而非厭氧池。Bardenpho工藝的兩級A/O工藝中，缺氧池均可進行反硝化作用，因此脫氮效率較高，可達90～95％。該工藝與其它工藝比較，主要特征是水力停留時間(HRT)較長，剩余污泥中的磷含量4～6％，其同步脫氮除磷效果較好。

③Phoredox工藝

Phoredox工藝由5個反應池組成，是Bardenpho工藝的改進型。它與Bardenpho工藝的主要差別在于在第一缺氧池前增加一個厭氧池。

Bardenpho工藝雖有較好的同時脫氮除磷功能，但缺氧池難以保證厭氧條件，對聚磷菌的放磷能力有一定的不利影響。Bardenpho工藝改為Phoredox工藝后，厭氧池保證了磷的釋放，也保證了好氧條件下有更強的聚磷能力，可提高磷的去除效率。Phoredox工藝的泥齡較長，一般設計取10～20d甚至更長時間以達到污泥穩(wěn)定，增加了碳的氧化能力。該工藝的主要缺點是污泥回流造成NO3--N進入?yún)捬醭兀o磷的去除帶來不利影響，又由于受水質影響較大，對于不同的污水除磷效果不穩(wěn)定。④UCT工藝

UCT工藝是目前比較流行的除磷脫氮工藝，由開普敦大學研究開發(fā)，其全稱是UniversityofCapetown。它是在A2/O工藝的基礎上對回流方式作了調整后產(chǎn)生的工藝。UCT工藝與A2/O工藝的不同之處是，它的回流污泥是從沉淀池回流到缺氧池而非厭氧池，這樣可以防止NO3――N進入?yún)捬醭囟绊懢哿拙膮捬踽尫帕鬃饔谩４送猓黾踊旌弦簭娜毖醭氐絽捬醭氐幕亓鳎捎诨旌弦褐泻芙庑訠OD量較多，NO3――N少，有利于厭氧段的發(fā)酵作用。⑤VIP工藝

VIP工藝是美國Randall教授提出的一種類似于UCT工藝的生物除磷脫氮工藝。其反應池采用分格方式，將一系列體積較小的完全混合式反應串聯(lián)在一起，形成了有機物的梯度分布，有利于充分發(fā)揮聚磷菌的作用，提高除磷效果。VIP工藝與UCT工藝相比主要在兩個方面有顯著不同：一是厭氧段、缺氧段和好氧段的每一部分都有兩個以上的池子組成，其放磷和聚磷速度更快；二是其泥齡比UCT工藝的泥齡短，負荷比UCT工藝高，運行速率和除磷效率都高，所需反應