活性污泥法是利用懸浮生長(zhǎng)的微生物絮體處理污水的一類處理方法。
活性污泥基本概念是1912年英國的克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）發(fā)現(xiàn)提出的。
他們對(duì)污水長(zhǎng)時(shí)間曝氣會(huì)產(chǎn)生污泥，同時(shí)水質(zhì)會(huì)得到明顯的改善。繼而阿爾敦（Arden）和洛開脫（Lockgtt）對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究。曝氣試驗(yàn)是在瓶中進(jìn)行的，每天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)把瓶子倒空，第二天重新開始，他們偶然發(fā)現(xiàn)，由于瓶子清洗不完善，瓶壁附著污泥時(shí)，處理效果反而好。
由于認(rèn)識(shí)了瓶壁留下污泥的重要性，他們把它稱為活性污泥。
隨后，他們?cè)诿刻旖Y(jié)束試驗(yàn)前，把曝氣后的污水靜止沉淀，只倒上層凈化清水，留下瓶底的污泥，供第二天使用，這樣大大縮短了污水處理的時(shí)間。
1916年，應(yīng)用這個(gè)試驗(yàn)的工藝建成的第一個(gè)活性污泥法污水處理廠。
在顯微鏡下觀察這些褐色的絮狀污泥，可以見到大量的細(xì)菌，還有真菌，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，它們組成了一個(gè)特有的生態(tài)系統(tǒng)。
正是這些微生物（主要是細(xì)菌）以污水中的有機(jī)物為食料，進(jìn)行代謝和繁殖，才降低了污水中有機(jī)物的含量。
活性污泥是由細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等微生物群體與污水中的懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一起所形成的、具有很強(qiáng)的吸附分解有機(jī)物能力和良好沉降性能的絮絨狀污泥顆粒，因具有生物化學(xué)活性，所以被稱為活性污泥。
從外觀上看，活性污泥是像礬花一樣的絮絨顆粒，又稱生物絮凝體，絮凝體直徑一般為0.02~0.2 mm,在靜置時(shí)可立即凝聚成較大的絨粒而下沉?；钚晕勰嗟念伾蛭鬯|(zhì)不同而異，一般為黃色或茶褐色，供氧不足或出現(xiàn)厭氧狀態(tài)時(shí)呈黑色，供氧過多營(yíng)養(yǎng)不足時(shí)星灰白色，略顯酸性，稍具土壤的氣味并夾帶一些霉臭味。活性污泥含水率很高，一般都在99%以上，其比重因含水率不同而異，曝氣池混合液相對(duì)密度為1.002~1.003，而回流污泥相對(duì)密度為1.004~1.006.活性污泥表面積一般為20~ 100 cm2/mL。
活性污泥中的固體物質(zhì)不到1%，由有機(jī)物和無機(jī)物兩部分組成，其組成比例則因原污水性質(zhì)不同而異。有機(jī)組成部分主要為棲息在活性污泥中的微生物群體，還包括入流污水中的某些惰性的難被細(xì)菌攝取利用的所謂“難降解有機(jī)物”、微生物自身氧化的殘留物。
活性污泥微生物群體是一個(gè)以好氧細(xì)菌為主的混合群體，其他微生物包括酵母菌、放線菌、霉菌以及原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等，正?；钚晕勰嗟募?xì)菌含量一般為107~108 個(gè)/mL，原生動(dòng)物為100個(gè)/mL左右。
在活性污泥微生物中，原生動(dòng)物以細(xì)菌為食，而后生動(dòng)物以原生動(dòng)物、細(xì)菌為食，它們之間形成一條食物鏈，組成了一個(gè)生態(tài)平衡的生物群體?；钚晕勰嗉?xì)菌常以菌膠團(tuán)的形式存在，呈游離狀態(tài)的較少，這使細(xì)菌具有抵御外界不利因素的性能。
游離細(xì)菌不易沉淀，但可被原生動(dòng)物捕食，從而使沉淀池的出水更清澈?；钚晕勰嗟臒o機(jī)組成部分則全部是由原污水帶入，至于微生物體內(nèi)存在的無機(jī)鹽類，由于數(shù)量極少，可忽略不計(jì)。
②微生物(主要是細(xì)菌)自身氧化殘留物(M);
③由原污水挾入的難生物降解有機(jī)物(M;);
④由原污水挾入的無機(jī)物質(zhì)(M;)。其中活性微生物群體是活性污泥的主要組成部分。
活性污泥法是以污水中的有機(jī)污染物為培養(yǎng)基，在有溶解氧條件下，連續(xù)地培養(yǎng)活性污泥，利用其吸附凝聚和氧化分解功能凈化污水中有機(jī)污染物的一類生物處理方法。以曝氣池和二沉池為主體組成的整體稱作活性污泥系統(tǒng)，完整的活性污泥系統(tǒng)還包括實(shí)現(xiàn)回流、曝氣、污泥處置功能所需的輔助設(shè)施。圖1是活性污泥處理系統(tǒng)的基本流程，該流程也稱為傳統(tǒng)(普通)活性污泥法流程。
由圖1可知，經(jīng)過適當(dāng)預(yù)處理的污水與回流污泥一起進(jìn)入曝氣池形成混合液， 在曝氣池中，回流污泥微生物、污水中的有機(jī)物以及經(jīng)曝氣設(shè)備注入曝氣池的氧氣三者充分混合、接觸，微生物以污水中可生物降解的有機(jī)物進(jìn)行新陳代謝，同時(shí)溶解氧被消耗，污水的BOD5得以降低，隨后混合液流入二沉池進(jìn)行固、液分離，流出二沉池的就是凈化水。二沉池底部經(jīng)沉淀濃縮后的污泥大部分再經(jīng)回流污泥系統(tǒng)回到曝氣池，其余的則以剩余污泥的形式排出，進(jìn)入另設(shè)的污泥處理系統(tǒng)進(jìn)一步處置，以消除二次污染。
曝氣池作為生化反應(yīng)器，通過回流活性污泥及排出剩余污泥，保持著一定量的微生物，去接納允許進(jìn)入反應(yīng)器的有機(jī)污染物量；二沉池作為活性污泥法系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，進(jìn)行活性污泥和水的分離， 通過回流方式與曝氣池緊密相連，提供曝氣池所需的活性污泥微生物，形成一個(gè)有機(jī)整體共同運(yùn)行。
活性污泥凈化反應(yīng)過程比較復(fù)雜，既有活性污泥本身對(duì)有機(jī)污染物的吸附、絮凝等物理、化學(xué)或物理化學(xué)過程，也有活性污泥內(nèi)微生物對(duì)有機(jī)污染物的生物轉(zhuǎn)化、吸收等生物或生物化學(xué)過程，大致可以分為以下兩個(gè)階段。
在污水與活性污泥接觸、混合后的較短時(shí)間(5~10 min)內(nèi)，污水中的有機(jī)污染物，尤其是呈懸浮態(tài)和膠體態(tài)的有機(jī)物，表現(xiàn)出高的去除率，這種初期高速去除現(xiàn)象是物理吸附和生物吸附綜合作用的結(jié)果。在此過程中，混合液中有機(jī)底物迅速減少，BOD迅速降低，見圖2中吸附區(qū)曲線。這是由于活性污泥的表面積大，并且在表面上富集著大量的微生物，外部覆蓋著多糖類的黏質(zhì)層，當(dāng)污水中懸浮態(tài)、膠體態(tài)的有機(jī)底物與活性污泥絮體接觸時(shí)，便被迅速凝聚和吸附去除。這種現(xiàn)象就是“ 初期吸附去除”作用。
初期吸附過程進(jìn)行得很快，一般在30 min內(nèi)便能完成，污水BOD的吸附去除率可達(dá)70%，對(duì)于含懸浮態(tài)和膠體態(tài)有機(jī)物較多的污水，BOD可下降80%~90%。初期吸附速度主要取決于微生物的活性和反應(yīng)器內(nèi)水力擴(kuò)散程度與水力動(dòng)力學(xué)規(guī)律，前者決定活性污泥微生物的吸附、凝聚效能，后者則決定活性污泥絮體與有機(jī)底物的接觸程度?；钚晕勰辔⑸锏母呶交钚匀Q于較大的比表面積和適宜的微生物增殖期，一般而言，處于“饑餓”狀態(tài)的內(nèi)源呼吸期微生物，其吸附活性最強(qiáng)。
被吸附在活性污泥微生物細(xì)胞表面的有機(jī)污染物，在透膜酶的作用下，溶解態(tài)和小分子有機(jī)物直接透過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，而膠體態(tài)和懸浮態(tài)的大分子有機(jī)物如淀粉、蛋白質(zhì)等則先在細(xì)胞外酶一水解酶的作用 下，被水解為溶解態(tài)小分子后再進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，此時(shí)水解產(chǎn)生的部分溶解性簡(jiǎn)單有機(jī)物會(huì)擴(kuò)散到混合液中，造成混合液BOD值升高，如圖2中胞外水解區(qū)曲線所示。
進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)的有機(jī)污染物，在各種胞內(nèi)酶(如脫氫酶、氧化酶等)的催化作用下，被氧化分解為中間產(chǎn)物，有些中間產(chǎn)物合成為新的細(xì)胞物質(zhì)，另一些則氧化為穩(wěn)定的無機(jī)產(chǎn)物，如CO2和H2O等，并釋放能量供合成細(xì)胞所需，這個(gè)過程即物質(zhì)的氧化分解過程，也稱穩(wěn)定過程。在此過程中，不穩(wěn)定的高分子有機(jī)物質(zhì)通過生化反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單穩(wěn)定的低分子無機(jī)物質(zhì)，混合液BOD逐漸降低， 如圖2中胞內(nèi)生物氧化區(qū)曲線所示。穩(wěn)定過程所需時(shí)間取決于有機(jī)物的轉(zhuǎn)化程度，要比吸附過程長(zhǎng)得多。
活性污泥法已有近百年的歷史，其工藝經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)、革新和繁衍，在傳統(tǒng)活性污泥工藝的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了漸減曝氣、階段曝氣、吸附—再生、完全混合、延時(shí)曝氣、高負(fù)荷、純氧曝氣、深井曝氣、淺層曝氣、氧化溝、SBR、 AB等眾多的活性污泥法工藝， 以及活性污泥與生物膜相結(jié)合的多孔懸浮載體活性污泥工藝、活性污泥法與膜分離法相結(jié)合的膜生物反應(yīng)器工藝等。下面主要介紹傳統(tǒng)推流、完全混合、吸附—再生、氧化溝、SBR、AB、多孔懸浮載體活性污泥工藝和膜生物反應(yīng)器工藝等幾種活性污泥法工藝。
傳統(tǒng)活性污泥法又稱為普通活性污泥法，是活性污泥法最早的運(yùn)行方式，曝氣池呈長(zhǎng)方廊道形，一般用3~5個(gè)廊道，在池底均勻鋪設(shè)空氣擴(kuò)散器，其工藝流程如圖1所示，污水和回流污泥在曝氣池首端進(jìn)入，在池內(nèi)呈推流形式流動(dòng)至池的尾端，在此過程中，污水中的有機(jī)物被活性污泥微生物吸附，并在曝氣過程中被逐步轉(zhuǎn)化，從而得以降解。
傳統(tǒng)活性污泥法具有凈化效率高(BOD5去除率可達(dá)90%以上)、出水水質(zhì)好、污泥沉降性好、不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn):
(1)曝氣池首端有機(jī)負(fù)荷高，為了避免池首出現(xiàn)因缺氧造成的厭氧狀態(tài)，進(jìn)水BOD負(fù)荷不宜過高，因此曝氣池容積大、占地多、基建費(fèi)用高。
(2)抗沖擊負(fù)荷能力差，處理效果易受水質(zhì)、水量變化的影響。
(3)供氧與需氧不平衡，此為傳統(tǒng)法的主要缺點(diǎn)。如圖3所示，曝氣池中需氧速率沿池長(zhǎng)由大到小變化，而供氧速率不變，若按池尾需氧要求均勻曝氣，則會(huì)產(chǎn)生池首缺氧問題：若按池首需氧要求均勻曝氣，必然產(chǎn)生池后段供氣浪費(fèi)問題。為了使供氧與需氧盡可能相匹配，可采取沿池長(zhǎng)漸減曝氣和階段曝氣，由此產(chǎn)生了漸減曝氣活性污泥法工藝和階段曝氣活性污泥法工藝。漸減曝氣法通過改變傳統(tǒng)法曝氣池底擴(kuò)散器的鋪設(shè)方式，使供氧速率如需氧速率一樣沿池長(zhǎng)逐步遞減變化，如圖4 所示；階段曝氣法工藝流程如圖5所示，將傳統(tǒng)法的單點(diǎn)進(jìn)水改為多點(diǎn)進(jìn)水，而曝氣方式不變，使原來由曝氣池首端承擔(dān)的較高有機(jī)負(fù)荷沿池長(zhǎng)均勻承擔(dān)，從而縮小了供氧速率與需氧速率的差距，如圖6所示。
在階段曝氣法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加進(jìn)水點(diǎn)數(shù)的同時(shí)增加回流污泥的入流點(diǎn)數(shù)，即形成如圖7所示的完全混合活性污泥法工藝，污水與回流污泥進(jìn)入曝氣池即與池內(nèi)混合液充分混合，傳統(tǒng)法曝氣池中混合液不均勻的狀況被改變，池內(nèi)需氧均勻，因此，完全混合活性污泥法動(dòng)力消耗低、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，但有機(jī)物降解動(dòng)力低，因而出水水質(zhì)一般低于傳統(tǒng)法，且活性污泥易產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。
吸附—再生活性污泥法又稱為接觸穩(wěn)定法或生物吸附活性污泥法，其主要特點(diǎn)是將活性污泥對(duì)有機(jī)物降解的兩個(gè)過程——吸附與代謝穩(wěn)定分別放在各自的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，圖8為吸附-再生活性污泥法的工藝流程，其中圖8 (a)為分建式， 即吸附池與再生池分開設(shè)置，圖8(b)為合建式，吸附池與再生池合建。污水與經(jīng)過再生的活性污泥一起進(jìn)入吸附池，約70%的BOD5可通過吸附作用得以去除，混合液從吸附池進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，回流的活性污泥先進(jìn)入再生池再生，恢復(fù)活性后再回到吸附池進(jìn)行下一輪吸附，剩余污泥則不經(jīng)曝氣直接排出系統(tǒng)。
吸附-再生法主要利用活性污泥的“初期吸附”作用去除有機(jī)物，此過程非?？?，所需時(shí)間短，因此吸附池容積小；活性污泥易吸附懸浮態(tài)和膠體態(tài)有機(jī)物，故污水不需經(jīng)初沉池預(yù)處理;再生池只對(duì)部分污泥(回流部分)曝氣再生，因此曝氣費(fèi)用少，且再生池容積小，對(duì)于相同的處理規(guī)模，吸附池和再生池總?cè)莘e比傳統(tǒng)法曝氣池容積小得多;但由于受活性污泥吸附能力和吸附特性的限制，吸附再生法的處理效果低于傳統(tǒng)法，而且不宜處理溶解性有機(jī)污染物含量高的污水。
吸附—生物降解工藝簡(jiǎn)稱AB法或AB工藝，其工藝流程如圖9所示，整個(gè)系統(tǒng)由預(yù)處理段、A段、B段三個(gè)部分組成，預(yù)處理段只設(shè)格柵、沉砂池等簡(jiǎn)易處理設(shè)施，不設(shè)初沉池; A段和B段是兩個(gè)串聯(lián)的活性污泥系統(tǒng)，A段為吸附段，由吸附池和中間沉淀池組成，主要用于污染物的吸附去除，其污泥負(fù)荷達(dá)2.0~6.0 kg (BOD5) /[kg(MLSS)·d], 為傳統(tǒng)法的10~20倍，泥齡短(0.3~0.5d)，水力停留時(shí)間短(約30min)。
A段的活性污泥全部是繁殖快、世代時(shí)間短的細(xì)菌，通過控制溶解氧含量，可使其以好氧或缺氧方式生活; B段為生物氧化段，由曝氣池和二沉池組成，與傳統(tǒng)法相似，主要用于氧化降解有機(jī)物，在低負(fù)荷下運(yùn)行，污泥負(fù)荷為0.15~0.3kg (BOD5)/[kg(MLSS)·d],水力停留時(shí)間較長(zhǎng)(2~6h)，泥齡較長(zhǎng)(15~20d); A段與B段各自擁有獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)，兩段完全分開，每段能夠培育出適于本段水質(zhì)特征的微生物種群。
污水經(jīng)過A段處理后，BOD5去除率為40%~70%，同時(shí)重金屬、難降解物質(zhì)以及氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等也得到一定的吸附去除，不僅大大減輕了B段的有機(jī)負(fù)荷，而且污水的可生化性提高，有利于B段的生物降解作用。B段發(fā)生硝化和部分的反硝化，活性污泥沉淀性能好，出水SS和BOD5一般小于l0mg/L。
AB工藝出水水質(zhì)好、處理效果穩(wěn)定，具有抗沖擊負(fù)荷、pH值變化的能力，并能根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力進(jìn)行分期建設(shè)，可用于老污水處理廠改造，以擴(kuò)大處理能力和提高處理效果。此外，對(duì)于有毒有害污水和工業(yè)污水比例較高的城市污水處理，AB法具有較大優(yōu)勢(shì)。
氧化溝工藝是20世紀(jì)50年代由荷蘭的帕斯維爾(Pasveer)研發(fā)的一種污水生物處理技術(shù)，屬于延時(shí)曝氣法的一種特殊形式，因其構(gòu)筑物呈封閉的溝渠型而得名，由于其出水水質(zhì)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且運(yùn)行穩(wěn)定、管理方便，目前，氧化溝污水處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市污水、工業(yè)廢水(包括石油、化工、造紙、印染及食品加工廢水等)處理工程。
氧化溝由氧化溝池、曝氣設(shè)備、進(jìn)出水裝置、導(dǎo)流和混合裝置等組成。
氧化溝池屬于封閉環(huán)流式反應(yīng)池，溝體狹長(zhǎng)，一般星環(huán)形溝渠狀，平面多為橢圓形(圖10)，總長(zhǎng)可達(dá)幾十米，甚至百米以上。在環(huán)形溝槽中設(shè)有曝氣設(shè)備，推動(dòng)污水和活性污泥混合液在閉合式曝氣渠道中以0.3 m/s以上的平均流速連續(xù)循環(huán)流動(dòng)，水力停留時(shí)間10~30h,因此，可以認(rèn)為溝內(nèi)污水水質(zhì)幾乎一致，即總體上的污水流態(tài)是完全混合式，但具有局部推流特征，如曝氣器的下游，溶解氧濃度從高到低變化。溝內(nèi)水深與采用曝氣設(shè)備有關(guān)，為2.5~8m:采用曝氣轉(zhuǎn)刷一般在2.5m左右;采用曝氣轉(zhuǎn)盤一般不大于4.5 m;采用立式表面曝氣機(jī)水深一般可為4~6m，最深可達(dá)8 m。
曝氣設(shè)備是氧化溝的主要裝置，用以供氧、推動(dòng)水流作循環(huán)流動(dòng)、防止活性污泥沉淀及對(duì)反應(yīng)混合液的混合。常用臥式曝氣轉(zhuǎn)刷和曝氣轉(zhuǎn)盤，也可根據(jù)實(shí)際情況采用立式表面曝氣機(jī)、射流曝氣機(jī)、 導(dǎo)管曝氣機(jī)以及混合曝氣系統(tǒng)等。
進(jìn)出水裝置包括進(jìn)水口、回流污泥口和出水調(diào)節(jié)堰等。氧化溝進(jìn)水和回流污泥進(jìn)口應(yīng)在曝氣器的上游，使進(jìn)水能與溝內(nèi)混合液立即混合。
單池進(jìn)水比較簡(jiǎn)單，采用進(jìn)水管即可，而有2個(gè)以上氧化溝平行工作時(shí)，進(jìn)水要用配水井， 當(dāng)采用交替工作的氧化溝時(shí)，配水井內(nèi)還需設(shè)自動(dòng)控制裝置。氧化溝出水一般采用溢流堰，溢流堰高度可調(diào)節(jié)，出水位置應(yīng)在曝氣器的下游，并且離進(jìn)水點(diǎn)和回流污泥點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，以免短流。
導(dǎo)流和混合裝置包括導(dǎo)流墻和導(dǎo)流板。在氧化溝的彎道處設(shè)置導(dǎo)流墻，以減少水頭損失，防止通過彎道的污水出現(xiàn)停滯和渦流現(xiàn)象，防止對(duì)彎道處的過度沖刷。在轉(zhuǎn)刷上下游設(shè)置導(dǎo)流板，主要是為了使表面的較高流速轉(zhuǎn)入池底，同時(shí)降低混合液表面流速，提高傳氧速率。
此外， 氧化溝處理系統(tǒng)還包括二沉池、刮(吸)泥機(jī)和污泥回流泵房等附屬設(shè)施，此部分與傳統(tǒng)活性污泥工藝相同。
氧化溝的形式較多，按布置形式可分單溝、雙溝、三溝、多溝同心和多溝串聯(lián)氧化溝等多種;按二沉池與氧化溝的關(guān)系，有分建和合建(即一體化氧化溝)兩種;按進(jìn)水方式，分連續(xù)進(jìn)水和交替進(jìn)水氧化溝;按曝氣設(shè)備，分轉(zhuǎn)刷曝氣、轉(zhuǎn)盤曝氣或泵型、倒傘型表面曝氣機(jī)氧化溝等。目前常用的主要有普通氧化溝、卡羅塞爾(Carrousel) 氧化溝、奧巴勒(Orbal)氧化溝、交替工作式氧化溝(DE型、T型)、一體化氧化溝等。Carrousel 氧化溝是20世紀(jì)60年代由荷蘭某公司所開發(fā)，為多溝串聯(lián)氧化溝。圖11為四廊道并采用表面曝氣器的Carrousel 氧化溝，在每組溝渠的轉(zhuǎn)彎處安裝一臺(tái)表面曝氣器，靠近曝氣器的下游為富氧區(qū)，上游為低氧區(qū)，外環(huán)還可能成為缺氧區(qū)，這樣能形成生物脫氮的環(huán)境條件。Carrousel氧化溝系統(tǒng)的BOD去除率高達(dá)95%~99%，脫氮率可達(dá)90%以上，除磷率50%左右，在世界各地應(yīng)用廣泛。
氧化溝工藝的優(yōu)點(diǎn):工藝流程簡(jiǎn)單(不需設(shè)初沉池)， 運(yùn)行管理方便，處理效果好;除能去除有機(jī)物外，還能脫氮除磷，尤其是脫氮效果好:具有延時(shí)曝氣法的優(yōu)點(diǎn)，污泥產(chǎn)量少且穩(wěn)定:一體化氧化溝能節(jié)省占地，更易于管理。氧化溝的局限性:占地面積大; F/M值低，容易引起污泥膨脹;與傳統(tǒng)處理工藝相比，曝氣能耗更高;難以進(jìn)行廠區(qū)擴(kuò)建。
SBR工藝即序批式活性污泥法，是以序批式反應(yīng)器(Sequencing Batch Reactor, SBR)為核心的間歇式活性污泥法，是城市污水處理、工業(yè)(石油、化工、食品、制藥業(yè)等)污水處理及營(yíng)養(yǎng)元素去除的重要方法之一。
(1) SBR工藝的運(yùn)行工序及特點(diǎn)
SBR工藝是活性污泥法的一種變形，它的反應(yīng)機(jī)理與污染物去除機(jī)制和傳統(tǒng)活性污泥法相同，但在工藝上將曝氣池和沉淀池合為一體，在運(yùn)行模式上是由進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置等5個(gè)基本過程組成一個(gè)周期，即在單一反應(yīng)器內(nèi)的不同時(shí)段進(jìn)行不同目的的操作，雖然在流態(tài)上是完全混合式，但在污染物的降解方面，則是時(shí)間上的推流。
SBR工藝的運(yùn)行工序如圖12所示，在進(jìn)水階段，污水被加入反應(yīng)器，直到預(yù)定高度(一般可允許反應(yīng)器中的液位達(dá)到總?cè)莘e的75%~ 100%)， 當(dāng)使用兩個(gè)反應(yīng)器時(shí)，進(jìn)水時(shí)間可能占總循環(huán)時(shí)間的50%。
進(jìn)水方式可根據(jù)工藝上的其他要求而定，既可單純進(jìn)水，也可邊進(jìn)水邊曝氣，以起預(yù)曝氣和恢復(fù)污泥活性的作用，還可以邊進(jìn)水邊緩慢攪拌，以滿足脫氮、釋放磷的工藝要求;
在反應(yīng)階段，微生物在所控制的環(huán)境條件下降解消耗污水中的底物，即污水注入達(dá)到預(yù)定高度后，開始反應(yīng)操作，根據(jù)污水處理的目的，如BOD去除、硝化、磷的吸收以及反硝化等，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，并根據(jù)需要達(dá)到的程度決定反應(yīng)的延續(xù)時(shí)間;在沉淀階段，混合液在靜止條件下進(jìn)行固液分離，澄清后的上清液將作為處理水排放;
在出水階段，排出池中澄清后的處理水，一直到最低水位;閑置階段，即在處理水排放后，反應(yīng)器處于停滯狀態(tài)的階段，通常用于多個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)，閑置時(shí)間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況而定，但有時(shí)可省略。
除了以上闡述的五個(gè)工藝階段外，排泥是SBR工藝運(yùn)行中另一個(gè)影響效果的重要環(huán)節(jié)，污泥排放的數(shù)量和頻率由效能需要決定。排泥沒有指定在哪個(gè)運(yùn)行階段進(jìn)行，一般放在反應(yīng)階段后期，就可達(dá)到均勻排泥(包括細(xì)微物質(zhì)和大的絮凝體顆粒)的目的。由于曝氣和沉淀過程都在同一個(gè)池中完成，所以不需進(jìn)行污泥回流以維持曝氣池中的污泥濃度。
SBR工藝最顯著的一個(gè)特點(diǎn)是將反應(yīng)和沉淀兩道工序放在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，擴(kuò)大了反應(yīng)器的功能。此外，SBR是一個(gè)間歇運(yùn)行的污水處理工藝，運(yùn)行時(shí)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(jiǎn)單，設(shè)備少，占地少，基建及運(yùn)行費(fèi)用低。SBR工藝的主要設(shè)備就是一個(gè)兼具沉淀功能的反應(yīng)器，無需二沉池和污泥回流裝置，且在大多數(shù)情況下還可省去調(diào)節(jié)池。
2)固液分離效果好，出水水質(zhì)好。SBR工藝中的沉淀過程屬于理想的靜止沉淀，固液分離效果好，且剩余污泥含水率低，有利于污泥的后續(xù)處置。
3)運(yùn)行操作靈活，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)各單元操作的狀態(tài)可達(dá)到脫氮除磷的效果。通過適度的充氣、停氣攪拌，形成時(shí)間序列上的缺氧、厭氧和好氧交替環(huán)境條件，滿足缺氧反硝化、厭氧放磷和好氧硝化及吸磷的要求，從而可有效地脫氮除磷。
4)能有效地防止污泥膨脹。由于SBR具有理想推流式特點(diǎn)，反應(yīng)期間反應(yīng)底物濃度大、缺氧與好氧狀態(tài)交替變化以及泥齡較短，都是抑制絲狀菌生長(zhǎng)的因素。
5)耐沖擊負(fù)荷。SBR工藝?yán)酶哐h(huán)率有效稀釋進(jìn)水中高濃度的難降解或?qū)ξ⑸镉幸种谱饔玫挠袡C(jī)化合物。
6)利用時(shí)間上的推流代替空間上的推流，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該工藝的各操作階段及各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)都可通過計(jì)算機(jī)加以控制，便于自控運(yùn)行，易于維護(hù)管理。
7)容積利用率低，水頭損失大，出水不連續(xù)，峰值需氧量高，設(shè)備利用率低，運(yùn)行控制復(fù)雜，不適用于大水量。
針對(duì)傳統(tǒng)SBR工藝存在的不足及在應(yīng)用中的某些局限性，如進(jìn)水流量較大時(shí)，對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)需調(diào)節(jié)，會(huì)增大投資;對(duì)出水水質(zhì)有特殊要求時(shí)，如脫氮、除磷，則需對(duì)SBR進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。因此出現(xiàn)了ICEAS、CASS、IDEA、DAT-IAT、UNITANK、MSBR等SBR的變形工藝。
ICEAS 工藝稱為間歇式延時(shí)曝氣活性污泥工藝，于1968年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)與美國ABJ公司合作開發(fā)。該工藝最大的特點(diǎn)是在SBR反應(yīng)器進(jìn)水端增加了一個(gè)預(yù)反應(yīng)區(qū)(圖13),實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)水(不但在反應(yīng)階段進(jìn)水，在沉淀和排水階段也進(jìn)水)。
ICEAS 工藝集反應(yīng)、沉淀、排水于一體，運(yùn)行時(shí)，污水連續(xù)不斷地進(jìn)入反應(yīng)池前部的預(yù)反應(yīng)區(qū)，并從主、預(yù)反應(yīng)區(qū)隔墻下部的孔眼以低速(0.03~0.05 m/min)進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)，在主反應(yīng)區(qū)按照反應(yīng)、沉淀、排水的周期性運(yùn)行程序，完成對(duì)含碳有機(jī)物和氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的去除。
ICEAS工藝的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)進(jìn)水，可以減少運(yùn)行操作的復(fù)雜性，在處理市政污水和工業(yè)污水方面比傳統(tǒng)SBR工藝費(fèi)用更低、出水效果更好，其缺點(diǎn)是進(jìn)水貫穿于整個(gè)周期，沉淀期進(jìn)水在主反應(yīng)區(qū)底部造成水力紊動(dòng)，從而影響分離時(shí)間，因此水量受到限制，且容積利用率低， 脫氦除磷有一定難度。
CASS 或CAST 或CASP工藝稱為循環(huán)式活性污泥工藝。該工藝是在ICEAS工藝基礎(chǔ)上，將生物選擇器與SBR反應(yīng)器有機(jī)結(jié)合。通常CASS反應(yīng)器分為3個(gè)區(qū)域(圖14): 生物選擇區(qū)、缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，各區(qū)容積之比為1:5: 30。污水首先進(jìn)入選擇區(qū)，與來自主反應(yīng)區(qū)的污泥(20%~ 30%)混合，經(jīng)過厭氧反應(yīng)后進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)。與ICEAS工藝相比，CASS工藝將主反應(yīng)區(qū)中部分污泥回流至生物選擇器中，而且沉淀階段不進(jìn)水， 使排水的穩(wěn)定性得到保障。CASS工藝解決了ICEAS工藝對(duì)于SBR優(yōu)點(diǎn)部分的弱化問題， 脫氮除磷效果比ICEAS更好。
IDEA 工藝稱為間歇排水延時(shí)曝氣工藝。該工藝保持了CASS工藝的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行方式與ICEAS工藝相似，采用連續(xù)進(jìn)水、間歇曝氣、周期排水的形式。與CASS相比，預(yù)反應(yīng)區(qū)改為與SBR主體構(gòu)筑物分離的預(yù)混合池，部分污泥回流進(jìn)入預(yù)反應(yīng)池，且采用中部進(jìn)水。預(yù)混合池的設(shè)立可以使污水在高絮體負(fù)荷下有較長(zhǎng)停留時(shí)間，有利于高絮凝性細(xì)菌的選擇性生長(zhǎng)。
DATIAT工藝是一種連續(xù)進(jìn)水的SBR工藝，其主體構(gòu)筑物由需氧池和間歇曝氣池串聯(lián)組成(圖15)。IAT池為主反應(yīng)池，一般情況下DAT池連續(xù)進(jìn)水，連續(xù)曝氣，其出水經(jīng)雙層導(dǎo)流墻連續(xù)進(jìn)入IAT池，在此完成曝氣、沉淀、排水和排出剩余污泥工序，同時(shí)部分污泥回流到DAT池。原污水首先經(jīng)DAT池的初步生物處理后再進(jìn)入IAT池，由于連續(xù)曝氣起到了水力均衡作用，提高了整個(gè)工藝的穩(wěn)定性，進(jìn)水工序只發(fā)生在DAT池，排水工序只發(fā)生在IAT池， 兩池串聯(lián)，進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)生物處理系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性，有利于有機(jī)物的去除。
與CASS和ICEAS工藝相比，DAT池是一種更加靈活、完備的預(yù)反應(yīng)器，從而使DAT池與IAT池能夠保持較長(zhǎng)的污泥齡和很高的MLSS濃度,使系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力;在去除BOD的同時(shí)，進(jìn)行脫氮除磷; DAT-IAT 工藝同時(shí)具有SBR工藝和傳統(tǒng)活性污泥法的優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)水質(zhì)水量的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性，操作運(yùn)行比較簡(jiǎn)便。
UNITANK系統(tǒng)是一體化活性污泥法工藝，類似于三溝式氧化溝工藝，為連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水的處理工藝。UNITANK系統(tǒng)在外形上是一矩形體，里面被分割成3個(gè)相等的以開孔公共墻相隔的矩形單元池，中間單元池始終做曝氣池，邊池交替做曝氣池和沉淀池(圖16）。
UNITANK系統(tǒng)集合了SBR工藝、三溝式氧化溝和傳統(tǒng)活性污泥法的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是池型構(gòu)造簡(jiǎn)單，采用固定堰出水，排水簡(jiǎn)單，也不需污泥回流:其缺點(diǎn)是邊池污泥濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中池， 脫氮效果一般， 除磷效果差。
MSBR 稱為改良型序批式生物反應(yīng)器，不需初沉池、二沉池及相應(yīng)的布水及回流設(shè)備，整個(gè)反應(yīng)池在全充滿、恒水位及連續(xù)進(jìn)水情況下運(yùn)行。
MSBR處理系統(tǒng)在外形上常為矩形，分成三個(gè)主要部分(圖17);曝氣格和兩個(gè)交替序批處理格。主曝氣格在整個(gè)運(yùn)行周期中保持連續(xù)曝氣，而每半個(gè)運(yùn)行周期中，兩個(gè)序批處理格分別交替作為SBR池和沉淀池。此外，還有根據(jù)工藝處理要求設(shè)置的厭氧格和缺氧格， 因此，它實(shí)質(zhì)上是A2/0工藝與SBR工藝的串聯(lián)。如果只去除BOD和SS, 則不需設(shè)厭氧格和缺氧格，MSBR系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。
MSBR工藝被認(rèn)為是集約化程度較高、同時(shí)具有生物脫氮除磷功能的污水處理工藝，在系統(tǒng)的可靠性、土建工程量、總裝機(jī)容量、節(jié)能、降低運(yùn)行成本和節(jié)約用地等多方面均具有優(yōu)勢(shì)。
多孔懸浮載體活性污泥工藝是在曝氣池中投加占曝氣池容積15%~ 50%的多孔泡沫塊(球)，泡沫塊為曝氣池中的微生物提供了大量可供棲息的表面積，微生物附著于其表面及孔隙中，有的泡沫塊的生物量可達(dá)100~ 150 mg/塊，因此，大大增加了曝氣池內(nèi)生物量。由于泡沫塊僅占少部分曝氣池的容積，所以整個(gè)系統(tǒng)仍屬活性污泥法系統(tǒng)。但多孔懸浮載體大大改善了活性污泥系統(tǒng)的工藝性能，使其具有如下不同于常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的特性。
1)提高了活性污泥法反應(yīng)器內(nèi)的總生物量和附著生長(zhǎng)的生物濃度，同時(shí)相對(duì)降低了懸浮生長(zhǎng)的生物濃度。附著生長(zhǎng)的微生物的大量出現(xiàn)，使生物相系統(tǒng)發(fā)生了巨大變化。傳統(tǒng)活性污泥法系統(tǒng)較易生長(zhǎng)的絲狀菌可被載體吸附于其孔隙內(nèi)或表面，載體的孔隙及其表面的粗糙狀況決定了其對(duì)絲狀菌的捕獲能力。
這樣，既能發(fā)揮絲狀菌的強(qiáng)大凈化能力，又能控制污泥膨脹及污泥上浮、流失給系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來的巨大危害。
2)載體投加量與載體上的附著生物量密切相關(guān)。載體投加量越大，系統(tǒng)中附著的生物量越高，但單個(gè)載體附著生物量則下降。
3)有機(jī)負(fù)荷對(duì)兩種生物相濃度影響很大。有機(jī)負(fù)荷增高，系統(tǒng)內(nèi)總附著生長(zhǎng)生物量及單位載體上附者的生物量均增加，而懸浮生長(zhǎng)生物量則相對(duì)減少。
4)改變了系統(tǒng)內(nèi)底物的分配及傳質(zhì)狀況，附著生長(zhǎng)生物與懸浮生長(zhǎng)生物的傳質(zhì)與生 物降解作用有所不同。
5)投加載體能防止活性污泥法系統(tǒng)污泥沉降性能的惡化，反應(yīng)器的生物濃度及出水水質(zhì)不像傳統(tǒng)活性污泥法對(duì)二沉池工況那樣具有較大敏感性與依賴性。6)系統(tǒng)內(nèi)懸浮生長(zhǎng)生物相的吸氧速率有所降低。
7)延長(zhǎng)了泥齡，有助于硝化反應(yīng)及氨氮的去除，大大提高了系統(tǒng)耐受沖擊負(fù)荷的能力，完善了凈化過程，提高了處理效率，能獲得更好的出水水質(zhì)。
膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, MBR)工藝是由膜分離組件(常用超濾)與活性污泥反應(yīng)器(曝氣池)相結(jié)合而成的污水處理工藝，即用膜組件代替二沉池進(jìn)行固液分離的污水生物處理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)生物處理工藝相比，MBR工藝具有生化效率高、有機(jī)負(fù)荷高、污泥負(fù)荷低、出水水質(zhì)好、設(shè)備占地面積小、便于自動(dòng)控制和管理等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)膜與生物反應(yīng)器的位置關(guān)系，MBR可分為分置式(外置式)和一體式(內(nèi)置式)兩種。
分置式MBR將膜組件(多為管式和平板式)置于生物反應(yīng)器外部，二者通過泵與管路相連，其工藝流程如圖18所示，輸送泵將曝氣池中的混合液加壓后送到膜分離單元，由膜組件進(jìn)行固液分離，濃縮液回流至生物反應(yīng)器，透過液為出水。該方式運(yùn)行靈活，設(shè)備安裝方便，膜組件的清洗、維護(hù)、更換及增設(shè)比較容易，膜通量相對(duì)較高，易于大型化和對(duì)現(xiàn)有工藝的改造，但動(dòng)力費(fèi)用較高，泵高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會(huì)使某些微生物菌體失活。
圖19 一體式MBR
一體式MBR又稱淹沒式MBR ，其工藝流程如圖19所示，將無外殼的膜組件(多為中空纖維式)直接安裝浸沒于曝氣池內(nèi)部，微生物在曝氣池中降解有機(jī)物，依靠重力或水泵抽吸產(chǎn)生的負(fù)壓或真空泵將膜組件透過液移出，成為出水。
