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，由於受當時技術條件限制，自動控制技術與設備還比較落後，這種運行方式操作繁瑣，空氣擴散裝置易於堵塞，人們意識不到其獨特的優越性。連續進水的推流式活性污泥工藝出現後，很快將其取代。可是隨之而來的是經常出現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像（返混現像改變了曝氣池內的水力特性，使活性污泥處於完全混合狀態）是促使發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，仍保持著連續進水的方式。後來，Pasveer［2］研究了充?排式技術，開發了充?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繫統都轉換為這種帶有二沉池和污泥回流設備的連續流的氧化溝。Pasveer的研究表明，間歇進水氧化溝的污泥沉降性能要好於連續進水的完全混合繫統。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範圍內應用起來。很多研究者的調查表明，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的飛速發展，活性污泥法開發初期間歇操作復雜的問題得到解決，該技術得到更加廣泛的應用，並且在其基礎上又開發了一繫列變形工藝，如ICEAS工藝、CASS工藝、DAT?IAT工藝、UNITANK工藝和MSBR工藝等。
隨著生物技術的發展，活性污泥法也在不斷地發展進步。在實際生產上的廣泛應用和技術上的不斷革新改進，特別是近幾十年來，在對其生物反應和淨化機理深入研究的基礎上，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展，出現了多種能夠適應各種條件的工藝流程。目前，活性污泥法已經成為處理生活污水、城市污水和部分工業廢水的主體工藝技術。
1?1?2活性污泥法的應用
自1914年活性污泥法開創以來，隨著活性污泥法的深入研究、工藝流程的不斷改進和創新，它有更大的水質、水量適用範圍和良好的操作穩定性。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，提高處理程度。活性污泥法還與其他工藝（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出良好的靈活性。經過90多年的發展與實踐證明，活性污泥法是一種應用廣泛並極具發展潛力的污水處理技術。
活性污泥法的發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池和生物濾池的發明和應用，最終在1914年發明了活性污泥法。
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被大量應用，活性污泥法成了城市廢水處理的主要工藝，並在實踐應用中不斷發展，出現了很多活性污泥法改良工藝，如階段曝氣法、生物接觸穩定法、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的低效率消化池逐步發展到高效率消化池、二級消化池和兩相消化池等新工藝。活性污泥法經過這一階段的發展，應用領域也從最初的生活污水處理擴展到工業廢水處理。
第三階段（1961年~至今），活性污泥法發展的新時期。在此階段，隨著對活性污泥的反應理論、淨化功能、運行方式、工藝繫統和微生物生理、生態學等方面的深入研究，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驗，並且又不斷開發出多種新工藝，在處理效率、出水水質改善、減少投資、降低運行費用、提高運行穩定性等方面都得到大幅度提高。在此基礎上，活性污泥法隨著環境污染和能源危機的出現發生了巨大的飛躍，出現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、厭氧內循環（IC）反應器、ABR等，另外還產生了一繫列厭氧、好氧相結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，活性污泥法有著廣闊的應用前景。
1?2活性污泥的性質1?2?1活性污泥的組成和結構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。活性污泥是活性污泥法處理繫統中的主體。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化為穩定的無機物的能力，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、膠體物質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。絮體的大小取決於微生物的組成、數量以及污染物特征和某些外部環境因素。活性污泥顏色因污水水質不同而不同，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。活性污泥通常都具有較大的比表面積，每毫升活性污泥的表面積大體上為20～100cm2。活性污泥中生存著各種微生物，構成了復雜的微生物相。在多數情況下，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成基本營養層次，然後是以細菌為食的掠食性原生動物占優勢。
活性污泥中的固體物質含量因污泥類型的不同而變化，對於好氧污泥，固體物質含量一般都在1%以下，是由有機固體物質與無機固體物質兩部分所組成，其組成比例則因原污水水質不同而異，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，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”。這些難降解有機物質包括微生物菌體經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，至於微生物體內存在的無機鹽類，由於數量極少，可忽略不計。
這樣，活性污泥是由下列四部分物質所組成：①具有代謝功能活性的微生物群體（Ma）；②由污水挾入的並被微生物所吸附的有機物質（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（Mii）。
活性污泥中的微生物群體（Ma）主要由細菌所組成，其數量可占污泥中微生物總量的90%～95%，在某些工業廢水的活性污泥中，甚至可達100%。此外，在活性污泥上還存活著多種真菌、原生動物和後生動物等。活性污泥中的有機物、細菌、原生動物與後生動物組成了一個小型的相對穩定的生態繫統和食物鏈。
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量大致為107～108個。現已基本判明，可能在活性污泥上能夠形成優勢菌屬的細菌主要有：產堿杆菌屬（Alcaligenes）、芽孢杆菌屬（Bacillus）、黃杆菌屬（Flavobacterium）、動膠杆菌屬（Zoogloea）、叢毛單胞菌屬（Comamonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和大腸埃希氏杆菌（EscherichiaColi）等。此外，在活性污泥中還可能出現但一般不占優勢的細菌有：無色杆菌屬（Achromobacter）、微球菌屬（Microbaccus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）和八疊球菌屬（Sarcina）等。至於哪些種屬的細菌在活性污泥中占優勢，則又取決於原污水中有機污染物的性質。如含大量糖類和烴類的污水將使假單胞菌得到迅速增殖，而含蛋白質多的污水則有利於產堿杆菌的生長繁殖。
上述種屬的細菌在適宜的環境條件下，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並將其轉化為穩定的無機物質的能力。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小時到數天不等，能夠將廢水中的氨氮依次氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽。