活性污泥法发展现状

　

(重庆交通大学　重庆　400074)

一、引言

随着世界上各国工业化的推进，水资源成为了全世界国家发展过程中面临的共同问题。目前，占世界人口40%的80个国家正面临着水危机，发展中国家约有10亿人喝不到清洁的水，17亿人没有良好的卫生设施，每年约有2500万人死于饮用不清洁的水[1]。水危机已经严重制约了人类的可持续发展。1992年里约热内卢联合国环境与发展大会通过的《21世纪议程》中指出：水不仅为维持地球一切生命所必需，而且对一切经济问题都有生死攸关的重要意义。

水资源的短缺主要由两个方面引起，一是地区淡水总量的缺乏，二是水污染。其中，水污染是可以控制，也必须控制的问题。发展过程中的发达国家，比如十九世纪的英国[2]美国，二十世纪的日本[3]，都遭受过水污染问题造成的严重后果。中国是世界上淡水资源严重缺乏的国家,被列为世界13个最缺水国家之一,全国600多个城市中大约1/2的城市缺水,75%的湖泊出现了不同程度的富营养化,90%的城市水域污染严重,南方城市总缺水量的60%～70%是由于水污染造成的[4]。因此，对水污染的治理成了亟需解决的重要问题。

解决水污染问题，使用污水处理，即采用各种技术措施，将水中所含有的各种形态的污染物分离出来或将其分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化。

二、水污染的治理

(一)水处理方法的分类

目前污水处理的方法主要可按其原理分为三大类，物理法、化学法和生物法。其中，物理法是利用物理作用，如沉淀过滤等除去废水中污染物质，在处理过程中不改变水的化学性质。如格栅、沉淀、气浮、过滤、反渗透、离心、蒸发、结晶等。化学法是向废水中投加某些化学物质，利用化学反应来分离、转化、破坏或回收废水中的污染物，并使其转化成为无害物质。如混凝、中和、氧化还原、吸附、离子交换法、膜分离、汽提萃取等。生物法是利用水中微生物的新陈代谢功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量增殖，从而使废水中呈溶解和胶体状态的有机物被降解，并转化成为稳定，无害的物质，使废水得以净化。如活性污泥法、生物膜法、自然生物处理法和厌氧生物处理法等。

对城市污水处理，一般是同时使用物理、化学和生物处理方法。分为一级处理，二级处理和三级处理。其中一级处理一般是利用物理处理方法，对大颗粒污染物进行沉降，对悬浮物质进行絮凝沉降等，也使用少量的化学处理方法为后续处理进行服务，一级处理又称为预处理，单单使用一级处理，无法满足对城市污水处理的需求。二级处理主要是利用生物处理方法，除去水中的胶体有机物或溶解性的有机物，二级处理一般能大幅度降低水中有机污染物的含量，城市水污染最主要的工序。三级处理，是对二级处理的补充，进一步去除二级处理中，未能去除的物质，包括残余的悬浮物及胶体、残余的溶解性有机物、无机盐类(如氮、磷、重金属等)及色素、细菌与病毒等。

生物处理是二级处理的主体工序，是最有力的去除水中有机污染物的手段。生物处理主要分为天然生物处理和人工生物处理，天然生物处理又分为氧化塘法和人工湿地处理法，人工生物处理又分为厌氧氧化法和好氧氧化法。其中，好氧氧化法的利用得最为广泛，其代表性的处理方法为活性污泥法和生物膜法。

(二)活性污泥法

活性污泥法是利用好氧微生物(包括兼性微生物)处理城市污水和有机工业废水的有效方法，最早1913年在英国曼彻斯特市试验成功。该方法是向废水中连续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。

活性污泥法有很多变体，但是究其根源，其基本功能组成为如下的几个部分：

初沉池：位于主体反应前，主要用于去除大颗粒，易沉降，不溶于水的杂质，为一级处理，不属于活性污泥法的一部分。

曝气池：活性污泥法反应的场所，最主要的部分。在这里微生物物得到了增值，溶于水的有机物或有机物的胶体被微生物所消耗，达到了生物处理的效果。

二沉池：将曝气池中产生的活性污泥与水分离，最终达到净化的目的。同时二沉池的污泥会进入污泥浓缩池，一部分会进入污泥回流系统。另一部分则会作为剩余污泥排除整个系统。

污泥回流系统：将一部分二沉池中的污泥回流至曝气池中，维持活性污泥的浓度，即曝气池的生物的数量。通过调整污泥的回流比，可以改变整个活性污泥法的运行工况。

供氧系统：为曝气池中的微生活提供必要的氧分以维持其正常的生命活动，维持整个好氧生物处理法系统的运行。

整个活性污泥系统正常运行需要满足一些基本条件：为了维持活性污泥微生物的数量，废水中溶解性有机物含量必须充足；曝气池加入的氧气要形成足够的溶解氧，使微生物正常生存和工作；活性污泥在池内需要成悬浮状态；回流污泥与剩余污泥的比合理，使得曝气池中污泥浓度维持在一个稳定的水平；进水中不能含有对活性污泥微生物有毒有害的物质。

(三)活性污泥法变体

传统活性污泥法一开始有机物浓度很高，后来浓度渐渐下降，需氧量也渐渐下降，而如果均匀供氧，则难以满足处理的要求，出现前端供氧量不足，后端溶解氧过剩的情况，渐减曝气在一定程度上可以减少这种问题。但是因为氧溶解需要时间，因此前端溶解氧浓度太低的问题，通过渐减曝气难以消除，如果有机物负荷太高，甚至可能出现缺氧厌氧的情况。因此，诞生了一种新的活性污泥处理方法，多段进水活性污泥法。该方法改变进水与供氧的流程，改为分段供水，使得供氧率与耗氧率之间更加匹配，同时也提升了曝气池对水量冲击负荷的适应能力。

另外为了应付不同的处理需求，传统的活性污泥法还有许多变种。如，再生曝气活性污泥法系统，此系统先对二沉池回流的污泥进行再生处理，防止其活性不能再直接回流到曝气池之后不能得到及时的恢复。吸附-再生活性污泥法系统能够充分发挥污泥的吸附功能，具有较小的曝气池容积，并能抵抗一定的冲击负荷，但是其处理效果不如传统活性污泥法。完全氧化活性污泥法系统，改系统采用的流态为完全混合式，处理能力高，剩余污泥少，无需设初沉池，但是其需要的基建和运行成本都较高，需要的时间长，占地面积大，因此目前一般只在对水质要求高，且不宜设污泥处理设施的小型污水厂使用。高负荷活性污泥法系统，加大了曝气池的流速，BOD去除率较低，适用于对处理水水质要求不高的情况。多级活性污泥法，当原污水含有较高的有机物浓度时，可以考虑采用，每一级都是一个独立的活性污泥法系统，都有自己的二沉池和回流池，这样做大大地增加了处理的成本，只适合在对污水浓度非常高的地方使用。深井曝气活性污泥法系统，该系统竖向设计，能节约占地面积；水深度大，水深处的水压较大，加快了氧的传递速率，氧的利用率高，有机物降解速度快，处理的效果显著。浅层曝气活性污泥法，拥有非常高的氧转移率，节约了充氧电机消耗的能量。

(四)同步除磷脱氮工艺

在现代的城市污水处理中，除了有机污染物的去除，一些化学物质的去除也是至关重要的。在国家的排水标准《中华人民共和国污水综合排放标准》中，无论是一级A标准还是一级B标准，除了对COD、BOD的要求外，都有对氨氮、总氮、总磷含量的要求。因此上面的除了上面的一般活性污泥法外，在近来的污水处理工艺中，都会附加除磷和除氮的需求。对工艺系统的运行方式做了适当调整，将缺氧技术纳入到工艺系统中，使活性污泥处理系统能够有效的进行硝化和反硝化反应，取得脱氮率80%左右的效果。将厌氧技术纳入工艺系统中，是活性污泥处理系统中的活性污泥，在交替好氧和厌氧的环境中，能够使活性污泥微生物在厌氧环境中充分放磷，而在好氧环境中微生物能从周围环境中摄取远超出其本身所需要的磷，使活性污泥处理系统具有生物除磷的功能。这样兼具脱氮除磷的功能的厌氧缺氧和好氧交替的二级处理，被称为强化二级处理工艺，如AOE工艺、A2O工艺、氧化沟工艺、间歇式活性污泥工艺等。

三、活性污泥法展望

(一)活性污泥法的新方向

引入自动化控制技术，是活性污泥法研究的一个主流的新方向。污水处理具有工艺简单、操作模式化、重复的特点，例如SBR等序批式污泥处理技术，特别适合于机械自动化控制。特别是在机器算法发展的今天，完全可以通过传感器检测实时处理COD的变化，建立模糊控制模型[5]，实现对溶解氧，回流比等参数更合理的控制。

除此之外对污泥生物群的控制也是重要的方向之一。例如通过加入磁粉，对污水中的颗粒增强吸附作用，并通过磁场影响微生物的生理机能；通过在活性污泥的生物群落中加入藻类，使藻类和细菌共生[6]，通过藻类光合作用的固定能力，增加了除磷脱氮的能力，并减少二氧化碳的排放量等。

(二)活性污泥法的未来

活性污泥法虽然诞生已经有超过百年，但是如今仍然是处理城市污水使用最广泛的方法，因其运行方式灵活,工作效率高,日常费用低,很少二次污染而被广泛采用。但是活性污泥法存在两个问题，一是耗能过高，二是大量产出的活性污泥[7]。产出的活性污泥储存着大量的能量，而这些能量不能得到有效的利用，造成了能量的大量浪费。

未来，不会产生大量能量浪费，可以将富余能量有效利用的厌氧氨氧化处理方法，有可能可以取代活性污泥法，成为最主流的污水处理方法。但是活性污泥法大量与原始工艺不同的改进工艺的产生就是为了满足各种不同的需求，活性污泥法简单、灵活、因地制宜的优点，可能会使研究人员不断改进，减轻能耗过高、能量浪费带来的负面影响，让这个百年老法，继续为污水处理效力。