在活性污泥法中起主要作用的是活性污泥，活性污泥是由具有活性的微生物、微生物自身氧化的殘留物、吸附在活性污泥上不能為生物所降解的有機物和無機物組成，其中微生物是活性污泥的主要組成部分。
活性污泥微生物又是由細菌、真菌、原生動物、后生動物等多種微生物群體相結(jié)合所組成的一個生態(tài)系。
細菌是活性污泥在組成和凈化功能上的中心，是微生物的最主要成分，污水中有機物的性質(zhì)決定那些種屬的細菌占優(yōu)勢，含蛋白質(zhì)的污水有利于產(chǎn)堿桿菌屬和芽孢桿菌屬，而醣類污水或烴類污水則有利于假單孢菌屬。在一定的能量水平（即細菌的活動能力）下，大部分細菌構(gòu)成了活性污泥的絮凝體，并形成菌膠團，具有良好的自身凝聚和沉淀性能。
在活性污泥法處理過程中，凈化污水的第一和主要承擔(dān)者是細菌，其次出現(xiàn)原生動物，是細菌的首次捕食者，繼之出現(xiàn)后生動物，是細菌的第二次捕食者。活性污泥微生物能夠連續(xù)從污水中去除有機物，是由以下幾個過程完成的。
在很多活性污泥系統(tǒng)里，當(dāng)污水與活性污泥接觸后很短的時間（3-5分鐘）內(nèi)就出現(xiàn)了很高的有機物（BOD）去除率，這種初期高速去除現(xiàn)象是吸附作用所引起的，由于污泥表面積很大（介于2000-10000m2/m3混合液），且表面具有多糖類粘質(zhì)層，因此，污水中懸浮的和膠體的物質(zhì)是被絮凝和吸附去除的，初期被去除的BOD象一種備用的食物源一樣貯存在微生物細胞的表面，經(jīng)過幾小時的曝氣后，才會相繼攝入代謝。
在初期，被單位污泥去除的有機物數(shù)量是有一定限度的，它取決于污水的類型以及與污水接觸時的污泥性能，例如，污水中呈懸浮的和膠體的有機物多，則初期去除率大，反之如溶解性有機物多，則初期去除率就小，又如，回流的污泥未經(jīng)足夠地曝氣，預(yù)先貯存在污泥里的有機物將代謝不充分，污泥未得到再生，活性不能很好恢復(fù)，因而必將降低初期去除率，但是，如回流污泥經(jīng)過長時間的曝氣，則會使污泥長期處于內(nèi)源呼吸階段，由于過分自身氧化而失去活性，同樣也會降低初期去除率。
活性污泥微生物以污水中各種有機物作為營養(yǎng)，在有氧的條件下，將其中一部分有機物合成新的細胞物質(zhì)（原生質(zhì)）；對另一部分有機物則進行分解代謝，即氧化分解以獲得合成新細胞所需要的能量，并最終形成CO2和H2O等穩(wěn)定的物質(zhì)。在新細胞合成與微生物增長的過程中，除氧化一部分有機物以獲得能量外，還有一部分微生物細胞物質(zhì)也在進行氧化分解，并供應(yīng)能量。
活性污泥微生物從污水中去除有機物的代謝過程，主要是由微生物細胞物質(zhì)的合成（活性污泥增長），有機物（包括一部分細胞物質(zhì)）的氧化分解和氧的消耗所組成，當(dāng)氧供應(yīng)充足時，活性污泥的增長與有機物的去除是并行的；污泥增長的旺盛時期，也就是有機物去除的快速時期。
污水中有機物通過生物降解，一部分氧化分解形成二氧化碳和水，一部分合成細胞物質(zhì)成為菌體，如果形成菌體的有機物不從污水中分離出去，這樣的凈化不能算結(jié)束，為了使菌體從水中分離出來，現(xiàn)多使用重力沉淀法，如果每個菌體都處于松散狀態(tài)，由于其大小與膠體顆粒大體相同，那么將保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，沉淀分離是不可能的，為此，必須使菌體凝聚成為易于沉淀的絮凝體。
易于形成絮凝體的細菌有動膠菌屬、產(chǎn)堿桿菌、無色桿菌、黃桿菌、假單孢菌等，但無論哪一種細菌又都是在一定條件下才能夠凝聚的。評價活性污泥，除對活性污泥微生物組成的生物相進行觀察外，還使用以下指標(biāo)。
混合液懸浮固體是指曝氣池中污水和活性污泥混合后的混合懸浮固體數(shù)量，單位為mg/L，也稱混合液污泥濃度，它是計量曝氣池中活性污泥數(shù)量多少的指標(biāo)，活性污泥法中，MLSS一般為2-4g/L。
混合液揮發(fā)性懸浮固體是指混合液懸浮固體中有機物的重量，單位mg/L，在一般情況下，MLVSS/MLSS的比值較固定，對于生活污水，常在0.75左右，對于工業(yè)廢水，其比值視水質(zhì)不同而異。
污泥沉降比是指曝氣池混合液在100ml量筒中，靜置沉淀30min后，沉淀污泥與混合液之體積比（%），由于正常的活性污泥在靜沉30min后，一般可以接近它的最大密度，故污泥沉降比可以反映曝氣池正常運行時的污泥量，可用于控制剩余污泥的排放，它還能及時反映出污泥膨脹等異常情況，便于及早查明原因，采取措施，污泥沉降比測定比較簡單，并能說明一定問題，因此它成為評定活性污泥的重要指標(biāo)之一。
污泥指數(shù)全稱污泥容積指數(shù)，，是指曝氣池出口處混合液經(jīng)30min靜沉后，1g干污泥所占的容積以ml計，即：
?SVI值能較好地反映出活性污泥的松散程度（活性）和凝聚、沉淀性能，SVI值過低，說明泥細小緊密，無機物多，缺乏活性和吸附能力，SVI值過高，說明污泥難于沉淀分離，并使回流污泥的濃度降低，甚至出現(xiàn)“污泥膨脹”，導(dǎo)致污泥流失等后果，一般認為，生活污水的SVI＜100時，沉淀性能良好；SVI為100-200時，沉淀性能一般；SVI＞200時，沉淀性能不好。
例如曝手池混合液污泥沉降比為20%，污泥濃度為2.5g/L，則SVI=20×10/2.5=80
污泥齡是曝氣池中工作看的活性污泥總量與每日排放的剩余污泥量之比值，單位是日，在運行穩(wěn)定時，剩余污泥量也就是新增長的污泥量，因此污泥齡也就是新增長的污泥在曝氣池中平均停留時間，或污泥增長一倍平均所需要的時間。
活性污泥法是需氧的好氧過程，對于傳統(tǒng)活性污泥法，氧的最大需要出現(xiàn)在污水與污泥開始混合的曝氣池首端，常供氧不足，供氧不足會出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，妨礙正常的代謝過程，滋長絲狀菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的濃度控制。由于活性污泥絮凝體的大小不同，所需要的最小溶解氧濃度也就不一樣，絮凝體越小，與污水的接觸面積越大，也越宜于對氧的攝取，所需要的溶解氧濃度就?。?/span>反之絮凝體大，則所需的溶解氧濃度就大，為了使沉淀分離性能良好，較大的絮凝體是所期望的，因此，溶解氧濃度以2mg/L左右為宜。
在活性污泥系統(tǒng)里，微生物的代謝需要一定比例的營養(yǎng)物，除以BOD表示的碳源外，還需要氮、磷和其他微量元素，生活污水含有微生物所需要的各種元素，但某些工業(yè)廢水卻缺乏一些關(guān)鍵的元素——氮、磷等。對氮、磷的需要量應(yīng)滿足以下比例，即BOD：N：P=100：5：1。
對于好氧生物處理，PH值一般以6.5-9.0為宜，PH值低于6.5，真菌即開始與細菌競爭，降低到4.5時，真菌則將完全占優(yōu)勢，嚴(yán)重影響沉淀分離；PH值超過9.0時，代謝速度受到障礙。
對于活性污泥法，其PH值是指混合液而言，對于堿性廢水，生化反應(yīng)可以起緩沖作用；對于以有機酸為主的酸性廢水，生化反應(yīng)也可起緩沖作用，而且如果在馴化過程中將PH值因素考慮進去，活性污泥也可以逐漸適應(yīng)，對于出現(xiàn)沖擊負荷，PH值急變時，則將給活性污泥以嚴(yán)重打擊，凈化效果將急劇惡化。在這種情況下，完全混合活性污泥法，則有較大的優(yōu)越性，為了使污水處理裝置穩(wěn)定運行，應(yīng)避免PH值急變沖擊，酸堿廢水在進行生化處理前應(yīng)進行預(yù)處理，將PH調(diào)節(jié)到適宜范圍。
水溫是影響微生物生長活動的重要因素，城市污水在夏季易于進行生物處理，而在冬季凈化效果則降低，水溫的下降是其主要原因。在微生物酶系統(tǒng)不受變性影響的溫度范圍內(nèi)，水溫上升就會使微生物活動旺盛，就能夠提高反應(yīng)速度。此外，水溫上升還有利于混合、攪拌、沉淀等物理過程，但不利于氧的轉(zhuǎn)移。
對于生化過程，一般認為水溫在20-30℃時效果最好，35℃以上和10℃以下凈化效果即行降低。因此，對高溫工業(yè)廢水要采取降溫措施，對寒冷地區(qū)的污水，則應(yīng)采取必要的保溫措施。目前對于小型生物處理裝置，一般采取建在室內(nèi)的措施加以保溫，對于大型污水處理廠，如水溫能維持6-7℃，采取提高污泥濃度和降低污泥負荷率等措施，活性污泥仍能有效地發(fā)揮其凈化功能。
對生物處理有毒害作用的物質(zhì)很多，毒物大致可分為重金屬，H2S等無機物質(zhì)和氰、酚等有機物質(zhì)。這些物質(zhì)對細菌的毒害作用，或是破壞細菌細胞某些必要的生理結(jié)構(gòu)，或是抑制細菌的代謝進程。毒物的毒害作用還與PH值、水溫、溶解氧、有無其他毒物及微生物的數(shù)量和是否馴化等有很大關(guān)系。
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