二、好氧活性污泥法
活性污泥法自1914年在英国由阿登(E.Arden)和洛基特(W.T.Lockett)创始以来已经有近一个世纪的历史，在城市污水和工业废水的处理中得到了广泛运用。
活性污泥法是利用含有大量好氧和兼性厌氧微生物的活性污泥，采用人工曝气的手段，使得活性污泥均匀分散并悬浮于反应器中，同废水充分接触，利用微生物的代谢作用去除水中的有机污染物。该法通常作为二级处理，接纳从初级沉淀池的来水进行需氧生物氧化处理，主要降解溶解和胶体有机物。
1.活性污泥的组成及性质
活性污泥(activated sludge)是指由多种好氧和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与污水中的有机和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或绒粒(floc)，静置时能凝聚成较大的绒粒而沉降。活性污泥具有很强的吸附、氧化分解有机物的能力。
活性污泥外观上呈黄褐色，有时亦呈深灰、灰褐、灰白等色，含水率在99%左右，颗粒大小为0.02～0.2 mm，表面积为20～100cm2/ml，相对密度为1.002～1.006。呈弱酸性(pH值约为6.7)，对进水pH的变化有一定的承受能力。
2.活性污泥中的微生物群落及其在净化污水中的功能
活性污泥结构和功能的中心是菌胶团。菌胶团是活性污泥的基本成分，是一些具有夹膜或黏液层，能起絮凝作用的细菌相互聚集由公共夹膜包围所成的细菌集团。菌胶团上吸附有大量碎屑、有机颗粒，菌胶团的表面生活着各种各样的微生物。菌胶团不但具有很强的生物吸附和氧化分解有机物的能力，还为其他微生物提供了良好的生存环境和附着、摄食场所，原生动物、微型后生动物有的固着生活在其表面，有的在其上爬行、穿梭取食，大大提高了微生物的摄食和分解效率。此外，菌胶团还可指示活性污泥的性能，菌胶团生命力旺盛，吸附和氧化能力强，老化的菌胶团颜色深，结构松散，吸附和氧化分解能力差，一旦菌胶团被破坏，则有机物的去除能力大为降低。
活性污泥的微生物相十分复杂，除大量细菌外，还有一定量的原生动物、霉菌、酵母菌、放线菌、单细胞藻和某些微型后生动物如轮虫、线虫、寡毛类等。由于不断人工充氧和污泥回流，个体较大、生命周期长的微生物较难存活。
(1)细菌(真细菌、古生菌)
活性污泥中的微生物主要由细菌组成。细菌是污水处理中最重要的一类微生物，是去除污水中有机污染物的主力军，其数量可占污泥中微生物总量的90%～95%，密度为108～109个/ml。活性污泥中的细菌主要是菌胶团细菌和丝状细菌，它们构成了活性污泥的骨架。
活性污泥中出现的细菌种类很多，主要有假单胞菌(Pseudomonas)、动胶菌(Zoogloea)、产碱杆菌(Alcaligenes)、黄杆菌(Flavobacterium)、芽孢杆菌(Bacillus)、埃希氏菌(Escherichia)、微球菌(Micrococcus)、葡萄球菌(Staphylococcus)、甲烷杆菌(Methanobacterium)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、甲烷球菌(Methanococcus)、无色杆菌(Achromobacter)、气杆菌(Aerobacter)、节杆菌(Arthrobacter)、亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)、贝氏硫细菌(Beggiatoa)、不动细菌属(Acinetobacter)、球衣菌属(Sphaerotilus)、大肠菌属(Coliform)、八叠球菌(Sarcina)、诺卡氏菌属(Nocardia)、蛭弧菌属(Bdellovibrio)等。
活性污泥絮凝体中以无色杆菌属、黄杆菌属、假单胞菌属和产碱杆菌属占优势，主要种类有生枝动胶菌Zoogloea ramigera、蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus、中间埃希氏菌E.intermedia、粪产气副大肠杆菌Paracolobacterum aerogenoides、放线形诺卡氏菌Nocardia actinomorphya、假单胞属菌Pseudomonas、产碱杆菌属Alcaligenes、黄杆菌属Flavobacterium、大肠杆菌E.coli、产气气杆菌属Aerobacter aerogenes、变形菌类Proteus等。另外，硝化细菌、球衣细菌、贝日阿托氏菌、发硫菌等也很常见。
好氧活性污泥中的细菌大多包含在胶质中，以菌胶团的形式存在。胶质是菌胶团形成菌分泌的蛋白质、多糖及核酸等胞外聚合物。在活性污泥形成初期，细菌多以游离态存在，随着活性污泥的成熟，细菌增多并聚集成菌胶团，进而形成活性污泥絮状体(floc)。菌胶团的形状有球形、蘑菇形、椭圆形、分枝状、垂丝状及不规则形。典型的菌胶团细菌是动胶菌，如生枝动胶菌(Zoogloea ramigera)和垂(悬)丝动胶菌(Zoogloea filipendula)。
菌胶团在污水处理中的作用主要表现在:①有很强的生物吸附能力和氧化分解有机物的能力。一旦菌胶团受到各种因素的影响和破坏，则对有机物去除能力明显降低，甚至无去除能力;②菌胶团对有机物的吸附和分解，通过去除毒物、提供食料、升高溶解氧等途径，改善了污水中的环境条件，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境;③为原生动物和微型后生动物提供附着场所;④具有指示作用:通过对菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能。例如新生菌胶团颜色浅、无色透明、结构紧密，则说明菌胶团生命力旺盛，吸附和氧化能力强，即再生能力强。老化的菌胶团颜色深、结构松散、活性不强、吸附和氧化能力差。
活性污泥中还有一些丝状细菌(filamentous bacteria)。常见的丝状细菌主要有球衣菌(sphaerotilus)、铁细菌(Crenothrix)、贝日阿托氏菌(Beggiatoa)和发硫菌(Thiothirx)等。丝状细菌不分枝或有假分枝。丝状菌在污(废)水处理中作用重要而独特。在正常的污水生物处理系统中，这些丝状菌与菌胶团细菌形成互惠关系，或附着在菌胶团上，或与菌胶团交织在一起，成为活性污泥的骨架。这种结构性的丝状细菌对维持污(废)水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力有重要意义。丝状细菌对污染物质的降解也有一定的积极作用，如球衣菌对有机物的分解氧化能力相当强;硫磺细菌能将水中硫化氢氧化为硫，并以硫粒形式存在于菌体内，当水中溶解氧高时(大于1mg/L)，体内硫粒可进一步氧化而消失。但丝状细菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状细菌的大量繁殖，会引起污水处理系统的污泥膨胀。
(2)放线菌
放线菌(Actinomycete)是原核微生物，形态为具有分枝的丝状体。大多数放线菌都是好氧性的，革兰氏染色呈阳性，利用有机物提供碳源和能源。生长最适pH值为7～8，最适的温度为25～30℃。放线菌中的一些种类在污水处理中具有特殊的作用，如诺卡氏菌(Nocardia)能分解氧化无机氰化物和烃类化合物，在处理含烃类和无机氰化物的污(废)水中起着重要的作用。
(3)原生动物
原生动物的重要性仅次于细菌，起净化水质和指示生物的作用。
原生动物一般是好氧性的，主要附聚在活性污泥的表面。活性污泥中的原生动物密度为5000～20000个/ml，已鉴定的种类大约有300种，纤毛虫最多，另有一定量的肉足虫和鞭毛虫。原生动物种类繁多，营养类型复杂，渗养性种类如一些小的裸肉足虫可以利用溶解有机质，吞噬性种类可取食有机颗粒、细菌等，有的能取食藻类，还有的以捕食为生，取食细菌甚至其他原生动物。
活性污泥中常见的原生动物如波多虫Bodo、滴虫Monas、变形虫Amoeda、简变虫Vampkampfia、表壳虫Arcella、草履虫Paramecium、肾形虫Colpoda、豆形虫Colpidium、漫游虫Lionotus、尖毛虫Oxytricha、盾纤虫Aspidisca、游仆虫Euplotes、钟虫Vorticella、累枝虫Epistylis、盖纤虫Opercularia、聚缩虫Zoothamnium、足吸管虫Podophrya、壳吸管虫Acineta、锤吸管虫Tokophrya等。
原生动物在污水生物处理的作用有以下几方面:
①通过促进凝絮和沉淀作用，间接提高了出水水质:原生动物通过分泌一些物质，促进絮凝和沉淀。污水生物处理中主要靠细菌起净化和絮凝作用。但有的细菌需要一定量的原生动物存在，由原生动物分泌一定的黏液协同和促使细菌发生絮凝作用。如有些纤毛虫能分泌多糖类物质促进菌胶团的形成以及活性污泥的絮凝，加大了其沉降性，从而改善活性污泥的泥水分离特性，使出水更加澄清;一些固着型种类如钟虫等的尾柄可以分泌黏液，这些黏性物质会使沉降加速，促进生物絮凝。此外，固着型纤毛虫本身有沉降性能，加上和细菌形成絮体，更完善了二沉池的泥水分离作用。
②净化作用:首先，原生动物可直接取食有机物质，净化水质。原生动物中的渗养性种类如一些小鞭毛虫和肉足虫可通过渗透作用直接吸收废水中的溶解性有机物质，其他动物性营养种类可吞食有机碎屑、颗粒、细菌以及其他微生物，直接对水质起净化作用。其次，原生动物可通过对细菌的取食提高出水水质。原生动物对游离性细菌的捕食可明显改善出水水质，使出水更澄清。取食活动还有助于菌胶团细菌维持合理的数量和活力，刺激细菌群体的生长繁殖，从而增加污泥沉降性，便于泥水分离，提高水处理效率。原生动物和微型后生动物吞食食物是无选择性的，它们除吞食有机颗粒外，也吞食菌胶团，原生动物的吞食量不影响整体的净化效果，不会危及净化作用。相反，原生动物尤其是纤毛虫的存在，对出水水质有明显改善。实验表明，人为去除了纤毛虫的生物处理系统，出水始终浑浊。
③指示作用:原生动物作为单细胞真核生物，对环境变化极为敏感，加上个体较细菌大得多，在光学显微镜下可以方便地分类鉴定，因此原生动物在污水处理过程中能起指示生物的作用。
不同种类的原生动物对环境条件的要求不尽相同，随污水处理进程有明显的种类演替，如在水体自净过程中，水体理化条件和可利用的营养物质均发生变化，原生动物因对环境条件的要求及营养方式的不同，随着污水净化和水体自净程度的提高，相应出现不同种类。
水体自净过程中，原生动物演替的一般规律是渗养性种类如小鞭毛虫和裸肉足虫——菌食性的鞭毛虫和肉足虫——全毛类纤毛虫——下毛类纤毛虫——固着型纤毛虫。
在污泥培养和系统运行过程中，原生动物和微型后生动物出现的先后顺序是:以溶解和颗粒有机质为生的小肉足虫和鞭毛虫→食细菌的鞭毛虫、肉足虫→游泳型全毛类纤毛虫→游泳型下毛类纤毛虫、吸管虫→固着型纤毛虫、有壳肉足虫→轮虫等后生动物。
此外，当环境条件改变时原生动物的个体形态和生长状况会发生变化。例如，当溶解氧不足时，钟虫(Vorticella)的虫体出现气泡，尾柄脱落，虫体变长，最后变为胞囊，甚至解体死亡。
在水处理实践中，可通过出现的原生动物种类组成特别是优势种类判断水处理程度或活性污泥成熟程度，以及原生动物的活动状况如个体形态、生长是否正常来判断进水水质变化及系统运行状况。一般认为，在活性污泥处理过程中，当曝气池中出现大量钟虫等固着型纤毛虫时，说明污水处理运转正常，处理水质良好;当出现大量鞭毛虫、根足虫等时，说明运转不正常，处理水质变差;系统运行正常时，原生动物形态、活动正常，反之，如细胞行动缓慢、细胞内空泡增多、钟虫口纤毛盘凹陷甚至脱落、虫体死亡、形成胞囊等，则表示可能进水中有有毒物质、供氧不足或有其他冲击负荷。
原生动物和微型后生动物在活性污泥培养过程中具有指示作用，它们与活性污泥培养成熟程度之间的关系为:在活性污泥培养初期，主要出现小鞭毛虫、变形虫;活性污泥培养中期主要是游泳型纤毛虫、鞭毛虫;而在活性污泥培养成熟期，则出现钟虫等固着型纤毛虫、楯纤虫等下毛类纤毛虫，以及轮虫等后生动物。
(4)微型后生动物
后生动物的作用与原生动物相仿。它们一般在固着型纤毛虫之后出现，这些个体大的微生物可取食碎屑、细菌、原生动物和其他微型后生动物，增加活性污泥的沉降性能等，故它们的存在可进一步提高水质。但线虫的大量出现则预示系统缺氧。活性污泥中常见的后生动物是轮虫、线虫和瓢体虫。轮虫取食游离细菌、有机物颗粒或碎屑。轮虫在系统运行正常时期，一般在有机物含量较低、出水水质良好时才会出现，故轮虫的存在说明处理效果较好。但有时污泥因泥龄较长、负荷较低、缺乏营养而老化解体时，轮虫可因污泥碎屑增多而大量增殖。这时，轮虫的出现则是污泥老化解絮的标志。活性污泥中常见的轮虫如玫瑰旋轮虫Philodina roseola和猪吻轮虫Dicranohorus。
(5)其他微生物
活性污泥中的真菌主要为霉菌和少量酵母菌。已报道的霉菌有毛霉属、根霉属、曲霉属、青霉属、镰孢霉属、枝孢霉属、木霉属、地霉属等。霉菌的出现与水质有关，常出现在pH值偏低的污水中。霉菌与絮状体的形成和污泥膨胀均有关系，一定条件下(如低pH值、高糖)会引起霉菌性污泥膨胀。活性污泥中偶尔可见少量单细胞藻类，但因曝气池中浊度高影响光线透入，故藻类在其中难以繁殖，为数很少。此外，活性污泥中还混有病毒、立克次氏体等，但都不是活性污泥的主要组分。
(6)氧化塘中的微生物群落特征
氧化塘可以视为特殊的活性污泥系统。氧化塘一般用于三级深度处理，用以处理生活污水和富含氮、磷的工业废水。与常规活性污泥法相比，氧化塘中的微生物多样性更高，特别是藻类，种类和数量都大得多。氧化塘中的微生物群落与天然湖泊生态系统类似，水体中主要有细菌、藻类、原生动物和微型后生动物，在底泥中则有底栖生物，包括原生动物、线虫、寡毛类以及水生昆虫的幼虫等。
氧化塘主要是靠异养细菌和藻类来完成净化作用的，二者是典型的互生关系:细菌利用水中的溶解氧，将有机物氧化分解为H2O、CO2、NH3、NO3－、PO43－、SO42－等为藻类提供光合作用所需物质;藻类利用H2O和CO2进行光合作用合成碳水化合物，再吸收NH3和SO42－合成蛋白质、吸收PO43－合成核酸，并繁殖新藻体，光合作用释放出的氧气则为细菌代谢所用。
3.活性污泥法的微生物学过程
由于活性污泥的比表面积大，吸附能力强，废水进入曝气池与活性污泥充分接触后，其中有机物在1～30min的短时间内可被吸附到活性污泥上。大分子的有机物先被细菌的胞外酶分解成为较小分子化合物，然后被摄入细菌体内，低分子有机物可直接吸收。废水中的溶解性有机物直接被细菌吸收，而固体及胶体有机物则先附着在微生物体外，由胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞，在细菌体内氧化分解。在微生物的胞内酶作用下，有机物的一部分被同化形成微生物有机体，另一部分转化成H2O、CO2、NH3、NO3－、PO43－、-SO42－等简单无机物及能量释出。值得指出的是，活性污泥法的微生物学过程是一个复杂的过程，其中包括一系列的微生物酶引起的复杂生化反应，是多种微生物连续协同作用的结果。
4.活性污泥法的控制条件
养料:水中BOD5∶N∶P以100∶5∶1为适宜，最低要求是100∶2∶0.5(均为质量比)。为解决养料不平衡的问题，可以通过投加粪尿或将生活污水与工业废水混合处理。同时，还要考虑污水中所含有机物浓度。有机物浓度过高微生物难以适应或感到供氧不足，同时出水有机物浓度也会相应提高。浓度过低，微生物营养缺乏也会影响处理效果。一般好氧生物处理进水有机物浓度BOD5不宜超过500～1000mg/L，不低于50～100mg/L。
氧气:一般曝气池中的溶解氧在1.5～3mg/L时较适宜。
温度:一般污水处理中起作用的为中温性微生物，最适宜的温度为25～32℃，温度过高气味明显，而低温降低BOD的去除率。
pH值:微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的pH值下，微生物才能进行正常的生理活动。pH值过大地偏离适宜值，微生物酶系统的催化功能就会减弱甚至消失。大多数细菌在pH 6.5～8生长良好，污水过酸、过碱均须先调解pH值，而后再进入曝气池。
有毒物质:当污水中有毒物质达到一定浓度时，能破坏微生物的结构而影响微生物的新陈代谢，从而影响污水的处理效果。微生物经驯化后能提高对毒物的耐受力。
容积负荷:单位曝气池有效容积单位时间内所承受的有机污染物量，以kgBOD5/(m3·d)表示，普通活性污泥法一般为0.3～0.8 BOD5/(m3·d)。
污泥负荷:是指单位质量活性污泥在单位时间内所承受的有机污染物量，单位一般为kgBOD5/(kgMLSS·d)，普通活性污泥法一般为0.2～0.4 kgBOD5/(kgMLSS·d)，又称有机底物量(F)与微生物量(M)的比值(food to microorganism ratio，F/M)，它是影响活性污泥增长速率、氧的利用速率以及污泥吸附凝聚性能的重要因素。
污泥龄:是指曝气池内工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余物量之比，又称污泥平均停留时间，单位是d。污泥龄的长短直接影响曝气池内活性污泥的性质，普通活性污泥法一般为2～4天。
水力停留时间:曝气池有效容积与污水流量的比值，表示污水在曝气池中的平均停留时间。普通活性污泥法一般为6～10h。
5.活性污泥法运行中常见的问题
活性污泥法运行中的常见问题见表9-1。
表9-1 活性污泥法运行中的常见问题
(1)分散生长
分散生长是由微观结构的毁坏导致的，因为微生物不能相互黏附了，生化絮凝无法发生。这通常是由于在某种特殊的活性污泥生长条件下不可絮凝细菌的出现，它们是单个的细胞或丝状菌。难生物降解表面活性剂亦可通过分散(反絮凝)已絮凝的活性污泥导致分散生长。
(2)黏性膨胀
黏液或凝胶的形成，被称为“黏性膨胀”或“菌胶膨胀”或“非丝状膨胀”。这是由于微观结构中促进生化絮凝发生的大量胞外物质被毁坏，微生物细胞在有高度保水能力的胞外团块中“分散”，导致活性污泥的黏滞、难沉降和密实。
(3)针状絮体
微细絮体或针状絮体是由于宏观结构的毁坏，通常发生在低有机负荷的情况下，但在一些工业废水活性污泥体系中，该问题可能是由化学物质对絮凝体形成的干扰(如分散作用)造成的。絮凝体中基本不存在(或只有极少的)丝状生物体，絮凝体很小、大致呈球形、脆弱且在曝气池中很快被分裂并散开。
(4)丝状膨胀
丝状膨胀是因为丝状微生物(主要是丝状细菌，有时也有由霉菌引起的丝状膨胀)大量存在，它们或产生伸展、扩散的絮凝体结构，或超越活性污泥絮凝体的局限而在分散介质中大量生长并在絮凝体之间架桥，由此妨碍了活性污泥的压缩和沉降。
(5)污泥上浮
①污泥脱氮上浮:当较长时间的缺氧引起反硝化作用，产生氮气，污泥上氮气吸附过多时污泥就会随气体浮出水面。
②污泥腐化上浮:在沉淀池内污泥因缺氧而腐化，产生的甲烷和二氧化碳使污泥上浮，上浮的污泥发黑发臭。
(6)泡沫/浮渣
当废水中含有合成洗涤剂及其他起泡物质时，就会在曝气池表面形成大量泡沫。泡沫/浮渣通常是由丝状微生物诺卡氏菌属(Nocardia spp)或微丝菌(M.parvicella)以及反硝化作用引起的。当脱氮污泥含有大量丝状微生物时，污泥上浮问题会更加严重。泡沫的危害主要表现在:表面机械曝气时，隔绝空气与水接触，降低叶轮的充氧能力;在泡沫表面吸附大量活性污泥固体时，影响二沉池沉淀效率，恶化出水水质;有风时随风飘散，影响环境卫生。
诺卡氏菌属(Nocardia spp)和微丝菌(M.parvicella)的细胞表面都是疏水性的，当它们在活性污泥中大量生长繁殖时，改变了絮凝体的疏水性质并使其与空气泡黏附。这些附有空气泡的絮凝物聚集体比水轻，因此漂浮在表面上。既然它们是疏水性的，所以一旦到达表面就停留在那了;它们积累起来形成了一层很厚、呈巧克力棕色的漂浮物或浮渣。
二沉池中的脱氮作用会产生外观上类似的漂浮物。在曝气池中产生的硝酸盐，在二沉池池底缺氧环境的活性污泥中被转化成极难溶于水的氮气(N2)释放出来。氮气进而充当了很好的絮凝物浮选剂作用。N2气泡很小，又是在活性污泥絮凝体内部产生，故能很好地黏附絮凝体，这些附有气体的固体聚集体比水轻，上升到表面成为漂浮物。
由反硝化反应引起的浮渣和由诺卡氏菌属(Nocardia spp)或微丝菌(M.parvicella)引起的浮渣有所区别:由诺卡氏菌属(Nocardia spp)或微丝菌(M.parvicella)引起的浮渣中生物体在混合液面上有明显的聚集，曝气池中的气泡大而坚固;由反硝化反应引起的则主要是在二沉池中有氮气小气泡，且浮渣和混合液之间难以区别。
(7)剩余污泥
剩余污泥(excess sludge)的形成:在正常运行条件下，系统内的微生物不断进行新陈代谢，将有机污染物氧化分解为二氧化碳、水和各种中间代谢产物，同时利用分解代谢所释放出的能量，将一部分基质合成细胞物质，供微生物生长，系统内活性污泥量不断增加。在系统开始运行时，这种积累是必要的，但当活性污泥达到一定数量，能满足废水处理的需要之后，新增的污泥不再是处理过程所需要的，应予以排除，这部分排出的活性污泥称为剩余污泥(excess sludge)。其中，固体物质占0.5%～2%，主要是微生物细胞物质(生物质，biomass)和少量的重金属、有机污染物质等。
常规活性污泥工艺的污泥产量系数(sludge production coefficient)一般为0.5，污泥量通常占污水量的0.3%～0.5%(体积)，或污水处理量的1%～2%(质量)，如果进行深度处理，污泥量还会增加0.5～1倍。因此，城市人口增长、污水处理率提高、处理程度加深等，都会导致剩余污泥量增加。
剩余污泥的处理和处置投资大、花费多。剩余污泥需经浓缩、消化(通常是厌氧消化)、调节和脱水等步骤进一步处理，以减少病原体、稳定有机质、消除臭气、去除重金属、减少体积等，处理后形成的沉淀物则被焚烧、填埋、土地利用或海洋倾倒。在大多数城市污水处理厂，剩余污泥的处理费用占整个污水处理费用的25%～65%，欧洲、美国普遍占到总费用的一半甚至60%。然而，尽管耗资巨大，目前这些污泥处置措施没有一种能继续推广应用，随着公众健康意识的加强和环保法规的日趋严格，现行手段越来越受到限制。如填埋占用土地和污染地下水，海洋倾倒会污染海洋，焚烧会污染大气，污泥的农用影响人畜健康。目前，海洋倾倒已被许多国家禁止，污泥的农用在发达国家已受到严格的卫生法规限制。
6.丝状微生物与活性污泥性质
丝状微生物对活性污泥絮凝体的性质会产生重要影响，丝状微生物的存在和数量与活性污泥絮凝体的性质有极大关系。活性污泥絮凝体有三种情况:理想絮凝体、针状絮凝体和丝状膨胀污泥，区别主要就是丝状微生物的存在状况(表9-2)。
表9-2 活性污泥絮凝体中微生物的构成特征
在理想的未膨胀的活性污泥絮凝体中，丝状微生物体和絮状微生物体的生长处于平衡状态。丝状生物体大部分生长在絮凝体内部，为絮凝体提供支撑和强度。只有极少的丝状生物体从絮凝体表面伸出到溶液中，因其数量很少，不至于妨碍活性污泥的压缩和沉降。这种污泥的污泥容积指数(SVI)在80～120mL/g之间。
针状絮凝体中只有极少量甚至没有丝状生物体存在。这类絮凝体很小，往往很脆弱并容易在曝气池的湍流中被剪切和分裂。大块絮凝体沉降和压缩得很快，更小的聚集体则不能很好地沉降。这种污泥处理的出水通常很浑浊，悬浮固体浓度很高，泥水界面也不明显。该污泥具有很低的污泥容积指数(＜70mL/g)。
丝状膨胀污泥中，丝状生物体大量生长。它们生长在絮凝体的内部和外部，并渗透到溶液中。它们伸展到絮凝体外，使之分散并/或在絮凝体之间架桥，因此阻碍了絮凝体靠近，就像机械的隆起物。如果这种污泥完全沉降下来，将得到非常清澈的出水，因为大量的延伸丝状生物体过滤掉了引起水浑浊的小颗粒。但这种污泥SVI很高(＞150mL/g)，很难沉降和压缩。
7.活性污泥的培育及驯化
活性污泥培育(cultivation of activated sludge)是活性污泥法启动运行的首要环节。接种的污泥应取自处理同类水质的污水处理厂。活性污泥的培育可直接在曝气池内进行，步骤如下:将污水泵入曝气池，并按曝气池有效容积的5%～10%投入接种污泥;在不进水的条件下，连续曝气数天，溶解氧控制在约1mg/L;继续曝气，小流量进水并逐渐提高进水流量，最终达到设计流量。每调整一个流量，一般应保持1周的运行时间，溶解氧也应随流量的提高而适当提高，最终维持在2～3mg/L。可用镜检的方法来判断活性污泥是否成熟。
如果无法获得同类水质污水处理厂的活性污泥，经常采用驯化(acclimation)的方法培育活性污泥。驯化是利用待处理的污水对微生物种群进行自然筛选并使微生物逐步适应污染物质的过程。接种污泥最好是污水排放流经处所的泥土或污水处理厂内成熟的活性污泥、生物膜等，也可以从土壤等天然环境中获得。实验室中污泥驯化一般是将取来的污泥或土壤置入含待处理污水的培养基中培养。开始驯化时污水浓度宜低(如10%或更低)，然后逐渐转种扩大培养量，污水量浓度逐步增大甚至达到100%(因水质有异，有时因营养、毒质的影响难达到100%)。在此过程中，微生物由原来的不适应而驯化至适应，降解污染物能力从无到有，由弱到强。在难降解工业废水生物处理中，污泥驯化是处理能否成功的先行环节。
除污泥驯化外，还可通过选用已知的特效菌株、分离并筛选高效菌株、诱变育种、基因工程构建新菌种等方法或手段，获得处理污水的优良高效菌株。
8.活性污泥法的新工艺
活性污泥法投资省、效率高，单位反应体积处理的废水量较生物膜法高约10倍，故自1914年在英国开始应用以来一直受到特别青睐，至今仍是全世界应用最广泛的生活污水和工业废水处理技术。目前，正在运行和在建的污水处理厂也大多是活性污泥工艺。然而，该法存在易发生污泥膨胀、氮磷去除率低、污泥产生量大等缺陷。针对这些缺点目前已开发出多种新型的活性污泥工艺。
(1)纯氧曝气活性污泥法
纯氧曝气活性污泥法又名富氧曝气活性污泥法(high purity oxygen activated sludge)，利用纯氧直接通入曝气池进行曝气，其优点是溶解氧饱和值较高，氧传递速率快，生物处理速度得以提高而曝气时间短，仅为1.5～3.0h，污泥浓度为400～8000mgMLSS/L，处理效果好。空气中的氧含量仅为21%，纯氧中的含氧量为90%～95%，氧分压比空气高4.4～4.7倍，用纯氧进行曝气能提高氧向混合液中传递的能力。纯氧曝气工艺分为密闭多段式、开放微气泡式和并流上升式等，其中尤以密闭多段式最为普遍。
(2)序批式活性污泥法
序批式活性污泥法(sequencing batch reactor)，简称SBR工艺。工艺运行包括进水、反应、沉淀、排水、静置等5个工序，反应器的运行特点是间歇操作，因此亦称为间歇式活性污泥法。在SBR工艺中，因污水一次性投入反应器，有机物浓度随时间变化而减少，至反应后期污染物浓度较低，这种变化能较好地抑制丝状细菌，而有利于菌胶团形成菌的生长。另外，在SBR反应器中，通过控制曝气可实现厌氧与好氧交替的状态，可以抑制专性好氧丝状菌的过度繁殖。因此，SBR工艺能有效地防止污泥膨胀现象的发生，从而提高了污泥的沉降性能。
通过控制反应工序的曝气时间和其他工序的持续时间，在反应器内可以实现厌氧—缺氧—好氧条件的交替，又可获得脱氮除磷的效果。与传统活性污泥法相比，SBR工艺具有投资少、处理效率高等特点，适用于中、小水量的处理，具有广阔的应用前景。在我国，SBR工艺已成功地应用于屠宰废水、苯胺废水、啤酒废水、化工废水、淀粉废水等的处理。
(3)吸附生物降解工艺
吸附生物降解(adsorption-biodegration)工艺即AB工艺，是在传统两级活性污泥法和高负荷活性污泥法的基础上开发的一种新工艺，属超高负荷活性污泥法，与传统活性污泥法相比具有负荷高、节能、对水质变化适应能力强等特点。
AB工艺为两段活性污泥法，通常不设初沉池，主要由A段曝气池、中间沉淀池、B段曝气池和二次沉淀池等组成，两段的活性污泥各自回流。A段为生物吸附阶段、B段为生物降阶段。A段为B段创造了良好的条件，使B段得以在较低负荷下运行。A段承受较高的有机负荷，其污泥负荷是普通活性污泥的50～100倍，水力停留时间只有30min左右，污泥龄短，仅0.3～0.4天。B段污泥负荷一般小于0.15kgBOD/(kgMLSS·d)，水力停留时间为2～4h，污泥龄为15～20天。
AB法的主要特点是通过水力停留时间的控制，使不同特性的微生物分居在不同反应器中，为其创造适宜的环境，使之得到良好的繁殖、生长，从而达到净化污水、提高负荷的目的。A段主要生长化能异养性细菌，世代时间长的真核微生物难以繁殖。这些细菌耐受高浓度有机负荷，对有毒化学物的抗性亦较高。A段的BOD去除作用主要是生物吸附，生物降解去除BOD所占比例较小，一般不超过1/3。
A段不仅能除去大部分有机物质，而且能起调节和缓冲作用，为整个处理系统耐冲击、抗毒性和稳定运行提供了保障。由于A段的调节和缓冲，使B段的进水水质相当稳定，且负荷较低，因此，在B段中占优势的微生物主要是生长期较长，要求稳定环境的原生动物和后生动物，如钟虫、轮虫等，它们吞食由A段来的细菌和有机物颗粒，过滤、净化污水，并促使生物絮凝，提高出水水质。
(4)延时曝气活性污泥法
延时曝气活性污泥法(extended aeration activated sludge，EAAS)又名完全氧化活性污泥法。其主要特点是污泥负荷F/M非常低，曝气时间长可达到24h以上，活性污泥在曝气池中长期处于内源呼吸阶段，剩余污泥少且稳定，无需再进行厌氧消化处理，因此该工艺是污水、污泥综合处理系统。此外，该工艺还具有处理水稳定性高，对原污水水质、水量变化有较强适应性等优点。主要缺点是曝气时间长、池容积大、基建费和运行费较高、占地面积大等。延时曝气法适用于处理对处理水质要求高，而且又不宜采用污泥处理技术的小城镇污水和工业废水，水量不宜超过1000m3/d。
(5)氧化沟
氧化沟又称循环曝气池，是20世纪50年代由荷兰的巴斯维尔(Pasveer)所开发的一种污水活性污泥处理改良技术。氧化沟的构造形式多样、运行灵活，一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆形、圆形或马蹄形，总长可达到几十米，甚至百米以上。在流态上，氧化沟介于完全混合和推流之间，这样有利于活性污泥的生物凝聚作用，而且可以将其划分为富氧区、缺氧区，用以进行硝化和反硝化，从而取得脱氮的效果。氧化沟工艺流程简单，本身兼作沉淀池，可不另设二沉池，构筑物少，运行管理方便。氧化沟同活性污泥的延时曝气法类似，BOD负荷低，对水温、水质、水量的变动有较强的适应性;污泥龄较长可达15～30d。可生长世代时间长、增殖速度慢的微生物，如硝化菌，故一般的氧化沟可使污水中的氨氮达到95%～99%的硝化程度。如果设计运行得当，还能具有反硝化脱氮的效果。活性污泥在氧化沟内的停留时间很长，排出的剩余污泥已得到高度稳定，因此只需进行浓缩和脱水处理，从而省去了污泥消化池。
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