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1.活性污泥法工藝
活性污泥法工藝是一種應用最廣泛的廢水好氧生化處理技術，其主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統以及污泥回流系統等組成。廢水經初次沉淀池后與二次沉淀池底部回流的活性污泥同時進入曝氣池，通過曝氣，活性污泥呈懸浮狀態，并與廢水充分接觸。
廢水中的懸浮固體和膠狀物質被活性污泥吸附，而廢水中的可溶性有機物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營養，代謝轉化為生物細胞，并氧化成為最終產物(主要是CO2)。非溶解性有機物需先轉化成溶解性有機物，而后才被代謝和利用。
廢水由此得到凈化。凈化后廢水與活性污泥在二次沉淀池內進行分離，上層出水排放；分離濃縮后的污泥一部分返回曝氣池，以保證曝氣池內保持一定濃度的活性污泥，其余為剩余污泥，由系統排出。
2.活性污泥的形態和組成
活性污泥通常為黃褐色（有時呈鐵紅色）絮絨狀顆粒，也稱為“菌膠團”或“生物絮凝體”，其直徑一般為0.02~2mm；含水率一般為99.2%~99.8%，密度因含水率不同而異，一般為1.002~1.006g/m3；活性污泥具有較大的比表面積，一般為20~100cm2/mL。
活性污泥由有機物及無機物兩部分組成，組成比例因污泥性質的不同而異。例如，城市污水處理系統中的活性污泥，其有機成分占75%~85%，無機成分僅占15%~25%。活性污泥中有機成分主要由生長在活性污泥中的微生物組成，這些微生物群體構成了一個相對穩定的生態系統和食物鏈，其中以各種細菌及原生動物為主，也存在著真菌、放線菌、酵母菌以及輪蟲等后生動物。在活性污泥上還吸附著被處理的廢水中所含有的有機和無機固體物質，在有機固體物質中包括某些惰性的難以被細菌降解的物質。
3.活性污泥的性能指標
(1) 污泥濃度指標
混合液懸浮固體濃度（MLSS），也稱為“混合液污泥濃度”，表示活性污泥在曝氣池混合液中的濃度，其單位為mg/L或kg/m3。混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS),表示有機懸浮固體的濃度，其單位為爪mg/L或kg/m3。在條件一定時，MLVSS/MLSS比值是比較穩定的，城市污水一般在0.75~0.85之間，不同廢水的MLVSS/MLSS值有異。
(2) 污泥沉降性能指標
①污泥沉降比(SV）又稱30min沉淀率。SV是指從曝氣池中取出的混合液在量筒（一般是100mL）中靜置30min后，立即測得的污泥沉淀體積與原混合液體積的比值，一般以%表示。SV值能相對地反映出污泥濃度、污泥的凝聚和沉降性能，可用于控制排泥量和及時發現初期的污泥膨脹。一般認為SV值的正常值為20%~30%。由于SV值的測定方法比較簡單快捷，故成為評定活性污泥質量的重要指標之一。
②污泥體積指數（SVI）是指曝氣池出口處的混合液經30min靜置沉淀后，1g干污泥所形成的沉淀污泥體積，其單位mL/g其計算為：
SVI值比SV值更能夠準確地評價污泥的凝聚性能及沉降性能。一般來說：若SVI值過低，則表明污泥粒徑小、密實、無機成分含量高；若SVI值過高，則表明污泥沉降性能不好，將要發生或已經發生污泥膨脹。
對于城市污水而言，SVI值一般為50~150mL/g；對于工業廢水，SVI值在上述范圍之外，也屬正常。例如，北京高碑店污水廠工業廢水的含量超過50%，SVI長年在200~300mL/g之間，也無污泥溢出現象，處理效果良好。另外，對于高濃度活性污泥系統，即使污泥沉降性能較差，由于MLSS其較高，故其SVI值也不會很高。
因此有人建議將活性污泥膨脹定義為：由于某種原因，活性污泥沉降性能惡化，SVI值不斷增加，沉淀池的污泥面也不斷上升，最終導致污泥流失，使曝氣池中的MLSS濃度降低，從而破壞了正常處理工藝操作的污泥，這種現象稱為污泥膨脹。
另外，由于SVI值的測量受許多因素（如所用容器的直徑、污泥初始濃度及攪拌等）的影響，所以，一般在各個污水廠測得的SVI值之間不具可比性。為此人們對污泥指數的測定提出一些修正，考慮到污泥濃度對SVI值的影響，有人建議采用稀釋的污泥體積指數(DSVI)作為標準方法，建議稀釋后的污泥濃度采用1.5g/L。而在英國是采用攪拌的污泥體積指數（SSVI），模擬二次沉淀池中污泥的沉淀情況，安裝一個慢速攪拌裝置于量簡（體積為1L，髙度為38.4cm）中，污泥濃度也模擬在二沉池中實際的污泥濃度，取為3.5g/L。
活性污泥的微生物及其生態學
活性污泥中的微生物體主要由各種細菌和原生動物組成，同時還存在著真菌和以輪蟲為主的后生動物。原生動物以細菌為食物，后生動物以細菌和原生動物為食物。在活性污泥中的有機物、細菌、原生動物和后生動物構成了一個相對穩定的生態系統和食物鏈。
1.活性污泥的食物鏈
活性污泥中的微生物可分為幾類：形成活性污泥絮體的微生物、腐生生物、捕食者及有害生物。
腐生生物是降解有機物的生物，以細菌為主。顯然，這些細菌中包括被看作形成絮體的大多數細菌，也可能包括不絮凝的細菌，但它們被包裹在由第一類細菌形成的絮體顆粒中。腐生生物可分為初級和二級腐生生物，前者用于降解原始基質，而二級腐生生物則以初級腐生生物的代謝產物為食，這充分表明在群落中具有高度的偏利共生性。
在活性污泥的群落中主要的捕食者是以細菌為食的原生動物及后生動物，在數量上，大約為103個/mL。在活性污泥中大約發現230多種原生動物，它們在系統中可能占生物固體量的5%。其中，纖毛蟲幾乎都捕食細菌，通常為占優勢的原生動物。
由于原生動物及后生動物的數量會隨著污水處理的運行條件及處理水質的變化而變化，所以，可以通過顯微鏡觀察活性污泥中的原生動物及后生動物的種類來判斷處理水質的好壞。因此，一般將原、后生動物稱為活性污泥系統中的指示性生物。
所謂的有害生物是指那些達到一定數目時就會干擾活性污泥處理系統正常運行的生物。通常認為，絲狀菌及真菌對污泥沉淀效果有影響。即使當絲狀生物的數量在整個生物群落中所占的百分比很小時，污泥絮體的實際密度也會降低很多，以致于污泥很難用重力沉淀法來有效地進行分離，從而最終影響出水水質，這種情況通常叫做絲狀菌污泥膨脹（簡稱污泥膨脹）。目前人們已知有近30種不同類型的絲狀菌會引起污泥膨脹。
2.活性污泥的結構
在活性污泥工藝中，將千萬個細菌結合在一起形成絮凝體狀的細菌稱為菌膠團細菌。菌膠團細菌在活性污泥中具有十分重要的作用，只有在菌膠團發育良好的條件下，活性污泥的絮凝、吸附及沉降等功能才能正常發揮。形成絮體的細菌在處理過程中起著非常重要的作用，它們有助于從處理過的廢水中分離污泥。
通過對活性污泥中種群動態學的研究，人們認識到，活性污泥中的菌膠團細菌和絲狀菌形成一個共生的微生物體系。當活性污泥中的菌膠團細菌和絲狀菌處于平衡狀態時，絲狀菌作為污泥絮體的骨架，菌膠團細菌附著在其表面，形成結構緊密、沉降性能良好的污泥絮體。
隨著絮體尺寸增大到某一臨界值后，絮體內部條件不利于菌膠團細菌和絲狀菌的繁殖，絲狀菌伸展出來，沉降性能開始變差。后來，污泥絮體開始解體，污泥的沉降性能更差。破碎后的小指狀污泥又利于菌膠團細菌的生長，此時擴散能力改善，菌膠團細菌又可直接從溶液中吸取營養和基質，故又可出現菌膠團細菌和絲狀菌的生長平衡狀態，如此完成絮體形態上的一個循環。
由此可見，菌膠團細菌和絲狀菌的共生體系是一種接近于自然界的混合培養體系，存在著這兩類微生物之間在時間和空間上的動態生態學的相互作用。在該體系中，絲狀菌的重要作用有：
(1)保持污泥絮體的結構，形成沉淀性能良好的污泥從Seagin等人關于絮體結構的學說中可知，由絲狀菌形成污泥絮體的骨架，這對于保證污泥絮體的強度有很大作用；若缺少絲狀菌,則污泥絮體強度降低，抗剪力變差，往往會造成出水的混濁。
⑵高的凈化效率，低的出水濃度從動力學參數方面比較，絲狀菌的Ks及μmax均比菌膠團的低，而按莫諾德(Monod)方程，由于菌膠團的Ks,、μmin大于絲狀菌的，因而菌膠團的Smin值也高于絲狀菌的；可見在絲狀菌存在（但不是大量存在）的條件下可以獲得高質量、低濃度的出水，從而保證了凈化效果。
(3)保持絲狀菌和菌膠團菌的共生關系從大量的實際工程運轉資料可以得出，活性污泥中絲狀菌含量太高或太低均不適宜。前者雖能使出水濃度低，但沉淀性能差；后者沉降性能好，但出水中含有較多的細小懸浮物。
但如果采用一定的方法，使曝氣中的生態環境有利于選擇性地發展菌膠團細菌，應用生物競爭的機制抑制絲狀菌的過度生長和繁殖，從而利于控制污泥膨脹的發生發展，稱之為環境調控。總之，廢水處理的最終目標是出水清澈、沉降性能好，為實現這一目標，應合理地控制絲狀菌，使其在一個合理的范圍之內。
3. 活性污泥的功能
活性污泥中存在大量的腐生生物，其主要功能是降解有機物。細菌是有機物的凈化功能中心。同時，活性污泥中還存在硝化細菌與反硝化細菌。其在生物脫氮中起著非常重要的作用。尤其在廢水中氮的去除日益受到重視的形勢下，這兩類菌及它們之間的關系就顯得更重要了。
進行硝化作用的微生物有：
(1)亞硝化細菌和硝化細菌，它們均為化能自養菌，專性好氧，分別從氧化NH3和N02-的過程中獲得能量，以C02為唯一碳源，產物分別為NO2-及N03-；它們要求中性或弱堿性環境（pH=6.5~8.0），在pH〈6時，作用顯著下降。
(2)好氧的異養細菌和真菌，如節桿菌、芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、姆拉克漢遜酵母、黃曲霉、青霉等能將NH4+氧化為N02-及NO3-，但它們并不依靠這個氧化過程作為能量來源的途徑，它們相對于自然界的硝化作用而言并不重要。
硝化菌對環境的變化很敏感，DO≥1mg/L，pH=8.0~8.4，BOD5≤15~20mg/L，適宜溫度=20~30℃；硝化菌在反應器內的停留時間即生物固體平均停留時間，必須大于其最小的世代時間。
進行反硝化作用的微生物有異養型的反硝化菌，如脫氮假單胞菌、熒光假單胞菌、銅綠假單胞菌等，在厭氧條件下利用NO3中的氧氧化有機物，獲得能量。自養型的反硝化菌，如脫氮硫桿菌，在缺氧環境中利用NO3中的氧將硫或硫代硫酸鹽氧化成硫酸鹽，從中獲得能量來同化CO2。兼性化能自養型反硝化菌，如脫氮副球菌，能利用氫的還原作用作為能源，以02或N03-作為電子受體，使NO3-還原成N2O和N2。
活性污泥反應的影響因素
為了強化與提高活性污泥處理系統的凈化效果，必須考慮影響活性污泥反應的各項影響因素，充分發揮活性污泥微生物的代謝功能。以下為一些影響活性污泥的環境因素。
1. BOD負荷率（F/M,也稱有機負荷率，以Ns表示）
F/M值是影響活性污泥增長、有機基質降解的重要因素。它表示曝氣池里單位質量的活性污泥（MLSS）在單位時間里承受的有機物（BOD5）的量，單位：kg/(kg·d)。
提高F/M值，可加快活性污泥增長速率及有機基質的降解速率，縮小曝氣池容積，有利于減少基建投資；但F/M值過高，往往難以達到排放標準的要求。反之，若F/M值過低，則有機基質的降解速率過低，從而處理能力降低，曝氣池的容積加大，導致基建費用升高，也是不可取的。
因此，應控制在合理的范圍之內。在活性污泥工藝設計中，BOD負荷率一般取0.15~0.44kg/(kg·d)。同時，處理目標不同處理系統的負荷也是不相同的，如對去除有機物、達到硝化，去除N、P和達到污泥穩定化等不同要求所采用的負荷是不同的。
2.水溫
活性污泥中微生物的生理活動與周圍的溫度關系密切。在15~30℃溫度范圍內，微生物的生理活動旺盛。在此溫度范圍外，均會導致活性污泥反應程度受到某些不利影響。例如，當溫度高于35℃或低于10℃，微生物對有機物的代謝功能會受到一定程度的不利影響。
在我國北方地區，大中型的活性污泥處理系統也可露天建設，但小型活性污泥處理系統則可以考慮建在室內。而當溫度高于35℃或低于5℃，反應速率會降至最低程度，甚至完全停止反應。因此，一般活性污泥反應進程的最高及最低的極限溫度，分別控制在35℃及10℃。
3.pH
最適宜于活性污泥中微生物生長的值介于6.5~8.5之間。當pH值低于6.5時，有利于真菌的生長繁殖；當pH值低于4.5時，原生動物完全消失，大多數微生物不適應，真菌將完全占優勢，活性污泥絮體受到破壞，產生污泥膨脹現象，處理水質惡化。當pH值高于9.0時，多數微生物也會不適應，菌膠團可能解體，活性污泥絮體將受到破壞，也會產生污泥膨脹現象。
活性污泥混合液本身具有一定的緩沖作用，因為微生物的代謝活動能改變環境的pH值。如微生物對含氮化合物的利用，由于脫氮作用而產生酸，降低環境的pH值；由于脫羧作用而產生堿性胺，可使pH值上升。
在活性污泥的培養、馴化過程中，如果將pH值的因素考慮在內，逐漸升高或降低pH值，則活性污泥也能逐漸適應。但pH值發生急劇變化，即在有沖擊負荷的時候，活性污泥的凈化效果將大大降低。因此，酸、減廢水是否需要進行中和處理，應根據實際情況而定。
4.溶解氧
活性污泥中的微生物均是好氧菌，所以，在混合液中保持一定濃度的溶解氧是非常重要的。對混合液的游離細菌而言，溶解氧保持0.2~0.3mg/L的濃度，即可滿足要求。但是由于活性污泥是由微生物群體構成的絮凝體，溶解氧必須擴散到活性污泥絮體的內部，為使活性污泥系統保持良好的凈化功能，所以，溶解氧需要維持在較高的水平。一般要求曝氣池出口處溶解氧濃度不小于1~2mg/L。
溶解氧濃度過高時，氧的轉移效率降低，動力費用過高，在經濟上不適宜；溶解氧濃度過低時，絲狀菌在系統中占優勢，微生物凈化功能降低，容易誘發污泥膨脹。
5.營養平衡
微生物細胞的組成元素主要有碳、氫、氧、氮等幾種，約占90%~97%，其余3%~10%為無機元素，其中磷元素的含量占50%。活性污泥中的微生物在進行各項生命活動中，必須不斷地從環境中攝取各種營養物質。
為使活性污泥保持良好的沉降性能，就必須使廢水中供微生物生長的基本元素一碳、氮、磷達到一定的濃度值，并保持一定的比例關系。其中元素碳的量在污水中以BOD值表示。對于活性污泥微生物來說，一般以BOD:N:P的比值來表示廢水中營養物質的平衡。活性污泥中微生物對N、P的需要量可按BOD:N:P=100:5:1來計算；但實際上其還與剩余污泥量有關，即與污泥齡和微生物比增殖速率有關，故可依下式計算：
N的需要量=0.122ΔX
P的需要量=0.023ΔX
式中，ΔX為活性污泥增長量（以MLSS計），kg/d；0.122、0.023分別為生物體內N、P所占比例。
當廢水中營養元N、P的含量供不應求時，宜向曝氣池反應器內補充N、P，以保持廢水中的營養平衡。可以投加氨水、硫酸銨、硝酸銨、尿素等以補充氮，投加過磷酸鈣、磷酸等以補充磷。
6.有毒物質
有些化學物質可能對微生物生理功能有毒害作用，如：重金屬及其鹽類均可使蛋白質變性或與酶的一SH基結合而使酶失活；醇、醛、酚等有機化合物能使蛋白質發生變性或使蛋白質脫水而使微生物致死。另外，某些元素是微生物生理上所需要的，但當其濃度達到一定程度時，就會對微生物產生毒害作用。
因此，首先要了解各種元素及化學物質對微生物生理功能產生毒害作用的最低限值，即閾值。當物質的濃度高于此值時，就會對微生物的生理功能產生毒害作用，如抑制微生物的增殖，甚至可使微生物滅絕。
