国外废水处理活性污泥工艺进展

赵体金

(天津市敬业精细化工有限公司/天津市滨海新区渤海精细化工基地，天津 300270)



国外废水处理活性污泥工艺进展

赵体金

(天津市敬业精细化工有限公司/天津市滨海新区渤海精细化工基地，天津 300270)

介绍了活性污泥法的基本原理，比较了不同工艺流程，阐述了生物处理工艺步骤和去营养化能力以及强化去氮、磷的措施，分析了废水处理厂优势和缺点，对于生物废水处理的发展前景进行了展望。

活性污泥；废水处理；生物处理工艺

1　废水处理厂概述

包含不同功能反应器(池、罐)的污水处理系统称为污水处理厂，其污水流量是完全受控并经优化的。污水处理厂可包含物理、化学和生物工序。在物理处理工序中，较重颗粒沉淀于池底而悬浮于水面的较轻废物被除去。在化学处理工序中，可加入金属盐沉淀磷，磷的去除可以在处理工艺的不同阶段进行，早于、同时、晚于生物处理工序相应地被称为预沉淀、共沉淀、后沉淀。生物处理工序反应器可包含固体界面以支撑细菌生长和生物膜扩展，如生物滤池、生物转盘、流化床(图1(b))；也可让细菌在水中自然悬浮固体上生长(即活性污泥工艺)(图1(a))。

图1　活化絮(a)和固体表面生物膜(b)的结构

活性污泥工艺可以设计成连续流动系统[1]或序批式反应器活性污泥系统。两种系统一般都包含生物曝气去营养工序和污泥沉降工序，不同之处在于，连续处理系统中两工序在两个不同的反应器中进行，而在序批式反应器活性污泥法中，两工序是在同一反应器中顺序进行。

2　连续流系统和序批式反应器活性污泥法

传统连续流系统中，废水首先被输入曝气池(图2a)。废水和压缩空气可以从一端引入，整个曝气池溶氧和底物存在浓度梯度，也可以从多点引入，这样曝气池中溶氧和底物浓度较均一。另外，废水可流经几个开放式水池，在完全混合工艺中，废水也在水池间循环。在清水流出之前先经过一个澄清池使固体颗粒沉淀，含存活生物量的过量污泥分离出来单独处理，部分污泥会循环利用以保持系统处理能力稳定。整个过程与实验室和许多工业生产过程中的微生物连续培养相同。

序批式活性污泥系统由连续的进水-排水循环组成，每个循环包括进水、反应、沉降、排水、备用等一系列单元操作。因而，在反应阶段也就是菌体生长阶段后，产生的生物量可以沉淀，而上层清液可以排出。此过程类似于实验室细菌批培养。

3　生物处理工艺控制

活性污泥系统的生物处理步骤需要适当地混合，以使悬浮固体、空气、营养成分密切接触，基于混合方式不同可分为柱塞流系统和完全混合系统。此时大量空气从下面通入反应器以有效混合并供给充分的氧气供好氧微生物呼吸，将溶氧应控制在2 mg/L左右，为微生物生长提供优良的环境，在此阶段形成了高活性微生物群落的三维聚集物，称为絮(图1a)，典型絮直径为100～500 μm。新的显微技术比如荧光显微镜、共聚焦激光扫描显微镜结合影像分析技术已应用于分析活性污泥聚集体，通常，絮中可辨别出四种主要结构：①活性和失活微生物细胞，主要是细菌、原生动物和后生动物；②胞外聚合物，如碳水化合物、蛋白质；③无机颗粒(沙)；④水。从技术角度看，污泥特性至关重要。形成具有优良沉降特性的致密絮体将方便操作。丝状细菌总是出现在运转良好的工艺过程中，没有污泥膨胀或大量起泡的征兆。一般采用几个污泥指标来描述和表征污泥特性[2]。

偶尔，丝状细菌比例增加会形成沉降缓慢结构松散的菌絮团。这种膨胀现象导致不可控的固体损失(包括活性硝化菌)。虽然绝大多数丝状细菌是异养生物，但是极难培养，约10种丝状细菌看似涉及大多数膨胀事件。其中微丝菌似乎是特别重要的[3]，这种细菌长而细，卷曲的外观使它容易从活性污泥样品显微镜检中区分出来。微丝菌在溶氧大于6 mg/L时受到抑制而在0.4 mg/L时生长良好，因而应认为是一种微需氧菌。虽然8 ℃时也观察到它的生长，但据报道最适生长温度是25 ℃，喜欢偏碱性环境，最大生长速度范围在0.38～1.44 d-1。该细菌不能利用葡萄糖，但可利用长链脂肪酸，如油酸。它可以储存胞内PHA和脂类。活性污泥工艺中因丝状微生物增长引起的污泥膨胀没有可靠的控制策略。根据细菌生理特性，建议采取下面工艺措施来减少其丰度：缩短污泥停留时间，增加溶氧到2 mg/L以上，通过浮选法清除大量油脂。

图2　活性污泥工艺

引起固体分离困难的另一普遍问题是起泡[1]。稳定的泡沫将澄清池的污泥和固体残渣带到水池表面。泡沫通常由稠密丝状菌体和气泡组成。微丝菌比活性污泥中其它种类的菌更具疏水性，常常与起泡问题相关。污泥泡沫中确认的另一类菌是产分枝菌酸的放线菌。最常用的控制起泡方法与控制膨胀方法相同，但起泡问题的严重性迫使人们开发了物理和化学的应急措施来进行控制。

4　去营养能力

恰当控制的活性污泥工艺能够高效除去有机碳并矿化、硝化氮。通常对城市废水的COD和BOD去除能力分别超过85%和95%。碳的减少依靠有氧呼吸消耗、生物量生长形成的沉淀污泥的去除以及溶解性和颗粒状有机物的絮凝。另外，分别有20%～30%的磷和氮随着沉降污泥工艺对减少氮和磷不太有效。通过引入化学沉淀和联合硝化-反硝化，磷和氮的去除率可分别提高到90%和70%以上。

活性污泥系统产生的大量污泥是一个需要解决的问题。虽然污泥富含植物营养素，是潜在的有机肥料，但由于存在病菌和化学毒物的风险，比如污泥中的重金属，将污泥循环用于耕地肥料是有问题的，因而，人们设法尽量减少污泥产量，可以增加曝气时间导致污泥驻留时间延长，内源代谢时间相应延长，也就是裂解细胞和颗粒物质的矿化以及胞内物质的微生物降解时间延长，也可以使用水生肉食寡毛类微生物减少过量污泥生成。减少污水处理系统污泥量的一个常用方法是采用厌氧反应器处理污泥以产生生物气(CO2和CH4)。

5　强化清除氮、磷

人们早就知道联合应用硝化菌与反硝化菌是废水除氮的有效生物手段。为两种菌提供适宜环境条件的方案是在厌氧池前连上好氧池，即所谓的后置反硝化工艺(图2b)。不过，由于大多数有机物在好氧区分解，该设置因除氮菌缺乏易得能量而效率不高。更有效的方案是将厌氧区置于好氧区之前，并在两区循环污水。这种前置反硝化设计中，除氮菌既有缺氧环境，又有进水中的新鲜有机物。另一方案是用外部有机能源支撑反硝化。据报道，采用醋酸盐、乙醇、甲醇可有效反硝化。对醋酸盐和乙醇的利用是直接的，因为这些分子是有机营养菌正常代谢途径中的成分。用甲醇反硝化则需要较长的适应期，通常需要几个月。只有少数生长缓慢的特种菌，如生丝微菌属，能利用一碳化合物(CH3OH)，而且代谢途径复杂。

伴随着新菌株的发现，生物除氮技术开发了一些新方法。通过部分硝化结合厌氧氨氧化工艺，建立了一些低消耗除氮技术(图3b和e)[4,5]。在部分硝化工艺中，阻止亚硝酸盐氧化菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，而是通过异养反硝化直接去除亚硝酸盐。在高效去除亚硝酸铵的单一反应器系统，使用比氨氧化菌生长速度慢的亚硝酸盐氧化菌在较高温度(大于26 ℃)下实现了不完全硝化。应用高水压驻留时间，亚硝酸盐氧化菌被洗出，积累的亚硝酸盐在后续反应器厌氧氨氧化工序中去除。在此过程中，氨作为电子供体，亚硝酸盐被氧化。部分硝化工艺中，半数氨转化成亚硝酸盐。此工艺的一个优点是反硝化工序不需要额外的有机能。另一变化是硝化菌在单一反应器中将铵氧化成硝酸盐，消耗氧造成厌氧氨氧化菌需要的缺氧环境。该工艺称为全自养亚硝酸盐脱氮，简称CANON。

图3　生态系统中5种微生物转化除氮过程

既然生物除氮和强化生物除磷都需要交替循环的好氧和厌氧条件，将两者结合起来顺理成章。不过，事情并不像看起来那么容易。除了变换厌氧和好氧机制，厌氧区必须保持完全无氧以提供脂肪酸类的发酵终产物，并筛选聚磷菌。厌氧区硝酸盐含量必须较低，否则，异养反硝化菌会消耗聚磷菌需要的有机分子。在所谓的三阶段PHOREDOX工艺中，进水首先进入厌氧反应器，然后转入兼氧反应器，同时补入最后好氧反应器循环过来的活性污泥(图2c)。这种方式，很少硝酸盐随着澄清池污泥返回系统前部。因而，这种设计既能除磷又能除氮。

6　调控模型

活性污泥工艺不只包含多个工序，进水特性也随时变化。这就使工艺调控和优化十分必要。由活性污泥模型、水力模型、氧传递模型、沉淀池模型组合的总模型可描述真实的污水处理厂。活性污泥模型用一组微分方程描述过程中发生的生物反应。污水处理厂模型除了用于控制和优化，还用于模拟不同情景以学习或评估新的设计方案[6]。

7　废水处理厂的优缺点

活性污泥工艺的基础设计方案具有较高的生物氧化碳和氮的能力，而且是在较小的单元里完成，也就是需要空间小，这常常是城区污水处理的先决条件。通过调整设计，大量的氮和磷也可用生物工艺除去。SBR工艺是既稳定又灵活的活性污泥工艺，生物量没有洗出损失，处理有机物和水负荷变化的适应性良好。另外，维持SBR工艺需要的设备和人工更少。

活性污泥法污水处理工艺操作需要很多知识和经验。活性污泥工艺设计重点大多放在去营养效率方面。虽然病菌一般可有效去除，但大多数污水处理厂不是为处理致病微生物设计的，而且，对微生物菌群的环境筛选压力可能造成高度特化的生态系统，因此，处理工艺可能易被环境变化干扰，如污水负荷、组成以及毒物的变化，造成维护成本升高。系统中氮这种有价值的植物营养素以气态散发出去，而不是用于作物生产。另外，富含植物营养素的污泥可能含有重金属以及人为的有机污染物，可能对生态系统造成风险，因而常常必须谨慎存放或焚烧。

活性污泥工艺设计仍在持续地改进中，以应对各种废水高效低耗的处理要求。

8　生物污水处理展望

最初的污水处理是因卫生需求引入。当今工业化社会，污水处理厂和耕地贡献了相当比例的氮，使水环境严重富营养化。大多自然生态环境在磷和氮等主要营养元素缺乏情况下可控，意味着富营养化经常直接影响生态系统的反应。因而使污水处理系统适应自然生物地球化学循环并和可持续发展社会愿景一致非常重要。

城市污水污泥应被视为有价值的资源而循环利用于作物和能量生产。无论磷的提取还是无机氮肥生产都要消耗大量矿石燃料。因而，未来一个重要的目标就是形成一个可持续的植物营养循环，通过食物生产、精制、消费、废物处理再返回耕地。为此，排放的废水必须含有尽可能多的磷和氮，同时有机和无机毒物含量降到最少。

这样的全球目标需要具备处理不断增多的污水的能力。不但就具体问题选择具体方案很重要，而且要考虑到水动力学和生物工艺学包含的广泛的科学基础知识，同时优化处理方案的能力也是至关重要的。科学知识对于深入理解生物处理系统优化中的关键微生物过程非常重要，但最重要的是大家要形成废水也是资源的意识，并鼓励全社会为此献计献策。

[1]Seviour RJ， Blackall LL. The Microbiology of Activated Sludge [M]. Dordrecht: Kluwer Academic,1999.

[2]Eikelboom DH. Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation [M]. London: IWA Publishing,2000.

[3]Rossetti S, Tomei MC, Nielsen PH, et al. ‘Microthrix parvicella’, a filamentous bacterium causing bulking and foaming in activated sludge systems: A review of current knowledge [J]. FEMS Microbiology Reviews,2005(29):49～64.

[4]Schmidt I, Sliekers O, Schmidt MS, et al. New concepts of microbial treatment processes for the nitrogen removal in wastewater [J]. FEMS Microbiology Reviews,2003(27):481～492.

[5]Ahn Y-H. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies [J]. Process Biochemistry,2006(41): 1709～1721.

[6]Garnaey KV, van Loosdrecht MCM, Henze M, et al. Activated sludge wastewater treatment plant modelling and simulation: State of the art [J]. Environmental Modelling and Software,2004(19):763～784.

Review on Activated Sludge Process for Wastewater Treatment in Foreign Countries

Zhao Tijin

(TianjinJingyeFineChemicalCo.,Ltd,BohaiFineChemicalBase,BinhaiNewDistrict,TianjinCity300270，China)

The basic principle of activated sludge method was introduced, and the different processes were compared in this paper. This paper expounded the biological treatment process steps, nutrient remove capacity and enhanced nitrogen and phosphorus reduction, analyzed the strengths and weaknesses of WWTP. The prospects for the development of biological wastewater treatment were discussed.

activated sludge; wastewater treatment; biological process

2016-05-31

赵体金(1969—)，男，高级工程师，主要从事微生物发酵产品研发工作。

X52

A

1674-9944(2016)14-0074-04