活性污泥法在城市污水治理中的应用分析

沈阳水务集团有限公司水质检验中心 付鸿超

我国十分重视城市污水治理工作，随着污水处理产业的逐渐兴起，各大污水处理厂的污水处理技术和经验不断丰富，为实现环保型污水处理奠定坚实基础。城市污水是污水处理的主要对象，强调城市污水治理成效是我国环保工程开展的必然要求。从可持续发展的角度来看，优化城市污水治理工作模式，合理运用废水生物处理技术至关重要。

一、城市污水治理现状

城市污水治理一直是社会各界关注的重点，该项工作不仅关乎城市建设，影响国计民生，更对我国环保事业以及绿色发展国策有着深远影响。1921年我国在上海建立了第一污水处理厂，这标志着我国城市污水处理事业正式开端，新中国建立以后城市污水处理事业逐渐受到关注，随着工业发展以及城市化进程加速，城市污水治理已成为城市发展与管理中不可或缺的内容。总的来说，我国现代化城市污水处理事业起步较晚，但发展速度极快，从2014年开始进入持续高速发展阶段，具体发展情况见表1。

表1 城市污水治理事业发展情况

当前，城市污水主要分为生产污水与生活污水两种，前者又以工业废水为主，这些污水若未经处理直接排放将会对土壤、空气、水源造成严重污染，进而破坏城市周边生态系统，最终影响城市居民的身体健康。虽然我国大力发展城市污水治理事业，但产业发展存在非常严重的不平衡性问题，东南沿海地区经济发达，财政实力优越，所以在城市污水治理方面的基础设施也相对健全，污水处理能力高且污水处理行业发展快；但在中西部经济相对落后的地区，城市污水治理难以获得充足的财政支持，所以无论是基础设施建设还是行业整体发展都相对落后。从当前情况来看，城市污水治理将成为长效化、专业化城市管理业务，污水处理行业也将朝着信息化、智慧化方向发展。

二、传统活性污泥法概述

活性污泥法是一种非常常见的污水处理方法，在城市污水治理之中应用广泛。起初，污水治理仅采用传统活性污泥法，随着实践经验累积以及科学技术进步，传统活性污泥法得到了充分改进，新的活性污泥法逐渐被研发出来。在此环节，笔者从传统活性污泥法应用的角度出发，结合城市污染治理要求对该方法的作用机制、系统构成、工艺流程以及影响因素进行简要分析。

（一）作用机制

通常来说，城市污水治理需要依次经过悬浮污染物清理、溶解性可降解污染物清理和可溶解无机物与不可降解有机物处理等三个阶段，活性污泥法主要被应用在第二个阶段，在处理悬浮污染物和溶解性可降解污染物方面有着极高价值。从本质上来说，活性污泥法就是一种好氧生物处理方法，在处理污水时可基于人工驯化培养的微生物去除可生化有机物、氮磷元素，并有效吸附其中的悬浮固体。在实际应用过程中，基于好氧菌的新陈代谢，可实现污水中的含磷或含氮有机污染物的有效溶解，从而降低污水的污染能力。

在城市污水治理过程中，活性污泥法的作用机制是利用活性污泥与污水中的有机营养物形成复杂食物链，从而通过活性污泥的有效运转吸附、溶解、清除污染物，最终使水质好转[1]。从现实角度来看，基于活性污泥法废水中的有机物将会被充分降解，从而形成水和二氧化碳；若采取厌氧活性污泥法，则分解后的成分主要为二氧化碳和甲烷。

（二）系统构成

城市污水治理中，活性污泥法的应有需要依靠相应的工作系统，为保证系统运行质量必须强调基础设施建设以及活性污泥科学生产。

1.基础设施

传统活性污泥法的系统构成较为简单，系统内部主要包括曝气池、沉淀池、剩余污泥处理系统、回流系统以及供氧气系统。其中，曝气池主要用于反应气筒，在应用活性污泥法时污水最先进入的装置就是曝气池。沉淀池的主要作用是实现水和污染物分离，从而改善出水水质；而且，沉淀池与曝气池、污泥回流系统相连，当污水中固液分离时，活性污泥会从其底部排出再次进入污水处理循环或直接被回收。在活性污泥法之中，回流系统以及剩余污泥处理系统都与污泥使用有直接关系，前者主要发挥维持和调节曝气池污泥浓度的作用，可通过改变回流比影响曝气池的运行情况；后者则主要用于取出有机物，可在保障系统稳定运行方面发挥重要作用。传统的活性污泥法属于好氧微生物水污染处理技术，所以在该系统中必须保障充足供氧；在实际运用过程中，用于污水治理的溶解氧由供氧曝气机、专用曝气器组合而成，它们也是供氧系统的主体。

2.污泥生产

为保证活性污泥法的应用质效，必须保障活性污泥性能和质量。活性污泥并不特指某一种物质，它是微生物群体及其所依附的有机物、无机物的统称，污水处理环节活性污泥大多呈絮状。目前，常用的活性污泥培养方法有三种：其一同步培养法；其二是异步培养法；其三是接种法。活性污泥生产全程分为曝气、培养和驯化三个阶段，其中活性污泥培养至关重要。在此环节，相关工作人员应该保证闷爆、静置时长标准，前者为22小时，后者为2小时。同时，还需要在排放废水以后加入等量的自配水，7天以后活性污泥将呈黑色并展现出良好的沉降能力。在培养活性污泥的过程中，相关工作需要持续监控混合液悬浮固体浓度与污泥沉降比的数值，并及时掌握化学需氧量、酸碱度以及氨氮含量等参数，以便确定培养质效。通常来说，在培养7天以后，上述数值并不会发生太大变化，所以细菌量培养程度不够；14天以后，活性污泥的颜色将会转变为浅黑色，此时化学需氧量大约为43%，氨氮含量大约为10%，活性污泥的活性依然较弱需进行持续培养；而后，基于曝气10小时/周期与静置2小时/周期的形式持续培养至30天以后可发现，活性污泥的颜色逐渐变成黄褐色，且拥有新型菌胶团，各参数数值均发生较大变化，种种迹象皆表明活性污泥拥有较强的活性，可用于开展污水治理。

（三）应用流程

活性污泥法的应用原理简单，而且应用流程也并不复杂。在实际作业环节，污水需依次进入活性污泥污水治理系统的各个装置，从而实现多次沉降、吸附、分解、优化，最终排出干净的水。从城市污水治理角度来看，活性污泥法的应用流程和实践要点如下。

第一，曝气。在这一阶段，最为重要的运行装置就是曝气池。城市污水从进水口直接进入曝气池以后将会与活性污泥全面混合。在此环节，供氧系统将会为曝气池提供充足溶解氧，具体操作方式是基于空气压缩机实现压缩空气输送，让位于曝气池底的空气扩散装置运行，进而基于大量气泡增加污水含氧量，从而为活性污泥与污水混合液营造好氧环境。这一操作还能有效搅动混合液，这样一来混合液与溶解氧之间的接触面积和融合程度将会进一步提升，可以为活性污泥提供良好的作用基础。从现实角度来看，在曝气池当中，活性污泥中的菌胶团会快速吸附城市污水中的悬浮固体以及有机污染物，还能实现有机物氧化分解。此时，城市污水有机污染物可被分解为水和二氧化碳，既实现了活性污泥壮大供能，又保障了污染物降解净化。

第二，沉淀。曝气池与沉淀池直接相连，城市污水经过曝气处理后已经实现了初步净化，而后污水与活性污泥混合液将会一同进入沉淀池。此时，附着于活性污泥表面的固体悬浮物将会在沉淀过程中逐步与水体分离，而后经过净化的水将会直接排出而活性污泥会在沉淀后直接回流到曝气池之中或进入剩余污泥处理系统。事实上，进入沉淀池的污水水质已经达到排放标准，所以只需实现固液分离就可直接排出。

第三，循环。活性污泥法的循环主要是指活性污泥在各个装置之中的循环应用，在这一过程中循环载体分别是污泥回流系统和剩余污泥处理系统。通常来说，沉淀池将会直接与污泥回流系统和剩余污泥处理系统相连；在活性污泥法之中，沉淀池中的大部分污泥会通过回流系统再次回到曝气池，重新参与城市污水治理，将成为调节微生物浓度的重要工具，为保证悬浮固体浓度始终提供保障；而未回流的活性污泥将会直接进入剩余污泥处理系统，这些污泥表面附着大量污染物和悬浮颗粒，从某种程度上来说这些剩余污泥整体都属于污染物，此外剩余污泥处理系统还会吸收活性污泥净化过程中的增殖微生物。

（四）影响因素

从现实角度来看，基于传统活性污泥法处理城市污水的可靠性和稳定性很高，但在其使用过程中依然存在许多的质量影响因素，对于城市污水处理厂而言，加强这些因素的质控十分必要[2]。在实际作业环节，污水水温、酸碱度、溶解氧含量、有毒物质浓度以及有机负荷率都是影响活性污泥法实用性的重要因素，而且在系统运行过程中混合液中的活性污泥浓度大小、曝气池中活性污泥是否处于悬浮状态、城市污水中的可溶性可降解有机物含量也会对活性污泥法的污水治理效果产生影响。

三、城市污水治理中的改进活性污泥法应用

目前，应用于城市污水治理的活性污泥法，不仅包括传统活性污泥法，还包括许多的改进活性污泥法。在下文中，笔者将结合城市污水治理实践经验，分析常见的改进活性污泥法的应用要点。

（一）序批式活性污泥法

序批式活性污泥法是应用范围最广的改进活性污泥法，该方法的英文全称是Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process， 简 称 为 SBR。这种污水处理方法的应用原理与传统活性污泥法类似，同样需要基于曝气反应与沉淀实现污水净化；不同的是，序批式活性污泥法中曝气方式将从传统的持续曝气改变为间歇曝气，在实际应用环节这种方法将基于特定的时空顺序和不连续操作完成城市污水净化。通常来说，基于序批式活性污泥法的城市污水处理，也需要应用曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥处理系统，污水进入和处理的整体顺序与传统污泥法相同，但需要注意的是在该方法下必须在反应器中快速地注满污水然后实施曝气，这样才能保证该方法的实用性。从实践角度来看，序批式活性污泥法的曝气频率主要与有机物降解情况有关，若活性污泥已经完成污水有机物充分降解则无需继续曝气。目前，在城市污水治理阶段应用序批式活性污泥法前需要根据治理目标合理选用污泥参数，比如基于污泥负荷比与冲刷比低的反应系统实现有效脱氮，若这两个参数较高则可用于有效脱磷。

（二）氧化沟

氧化沟也属于改进活性污泥法，与传统活性污泥法相比这种方法更注重循环曝气。最早的氧化沟系统受曝气池建设材料限制，也可被视为序批式活性污泥法。从系统构成方面来看，氧化沟属于循环曝气池系统，曝气池被建设成循环封闭的沟渠，所以污水处理装置是首尾相连的；当然，在系统中也同样设置了沉淀池和污泥回流系统，可以有效排水为活性污泥循环利用提供保障。在实际应用过程中，氧化沟展现出稳定性高、净化效果好、工艺简单且缓冲能力强的特点。

城市污水进入氧化沟的沟体以后，曝气装置将会开始运转，基于溶解氧支持实现污水与活性污泥的有效融合，而后经过净化和沉淀导流混合设备、出水设备也将逐步启动，完成污水治理的整体流程。通常来说，基于氧化沟处理城市污水时，活性污泥的浓度需控制在2500-4500mg/L，污泥龄必须超过20天；同时，沟内的平均流速应该控制在0.4m/s，水力停留时间保持在10-40h。

（三）A2O法

A2O法的英文全称是Anaerobic-Anoxic-Oxic，按其首字母缩写情况也可将该方法简称为AAO法，中文全称为厌氧-缺氧-好氧法。这种方法在污水处理领域十分常见，同样属于改性活性污泥法，大多应用在二级污水、三级污水处理，以及中水回用。这一方法的主要原理是基于交替的厌氧、缺氧和好氧环境和活性污泥清除污水当中的污染物，污水处理环节也需要经过曝气和沉淀。在实际应用环节，A2O工艺的主要装置包括厌氧池、缺氧池和好氧池，曝气装置、推进器以及回流渠道将围绕着三个装置设置；运行时，城市污水从进水口直接进入曝气装置，而后基于推进装置被推入到厌氧段、缺氧段和好氧段，最后通过有效沉淀，实现剩余污泥回流和处理水排出。

从实际应用角度来看，A2O法的脱氮除磷效果极佳，不仅能同步进行还有着较高肥效；而且这种方法在使用中无须投药，所以成本低、操作简便。最为重要的是，基于A2O法处理城市污水时，总水力停留时间极短，其特殊的运行条件（厌氧、好氧交替）也限制了丝状菌大量增殖，因此极少出现污泥膨胀问题，SVI值一般小于100。当然，A20法也并非全无缺点。这一方法虽然在同步脱磷除氮方面展现出了极大优势，但是氮磷脱除效果难以再次提升，效用天花板十分明显。而且，基于该技术处理城市污水时，必须保证沉淀池中的溶解氧浓度合理。在实际作业环节，有效控制沉淀池中的溶解氧浓度难度颇高，一旦溶解氧含量异常，缺氧反应器就会受到混合液的干扰

四、基于城市污水治理的活性污泥法优化路径

在城市污水治理环节，无论是使用传统活性污泥法，还是使用改进活性污泥法，都必须保证活性污泥的实用性。从现实角度来看，活性污泥法的应用质效将会受到多方面因素影响，产生质量问题的根本原因是污泥应用状态异常。基于此，笔者结合实践经验对城市污水治理当中的活性污泥应用异常情况进行总结，并提出相应的处理措施。

（一）污泥上浮

在夏季，基于活性污泥法治理城市污水时，常常出现污泥上浮的情况。这一问题的根本原因在于硝化作用，在这种反应下污泥将被还原为氮气，进而引发污泥上浮。

通常来说，活性污泥污水治理系统当中的沉淀池是污泥上浮的主要发生地点，所以在处理这一问题时相关工作需要重点关注沉淀池状态，提出针对性解决措施。比如，必须适当减少曝气量，改变净化反应环境。当然，在这一环节，也可以严格控制沉淀池中活性污泥的水力停留时间，从而避免污泥上浮。

（二）污泥膨胀

污泥膨胀也是城市污水治理中活性污泥法应用的主要问题之一，在这一情况之下污泥将会出现质量变轻和膨胀的问题。通常来说，活性污泥膨胀的影响因素较为复杂，污水水质、温度、酸碱度、溶解氧含量以及负荷率都可能会引发污泥膨胀。基于污泥膨胀，活性污泥的沉降性能将会大幅下降，那么沉降池中的固液分离效果将会大打折扣。而且，受到污泥膨胀影响，污泥的体积指数也会出现异常性增高。比如，由50ml/g升高至400ml/g，严重影响污泥的实用性。不仅如此，当活性污泥出现膨胀以后，污泥的实用性将会迅速降低甚至崩溃，若想要恢复活性污泥的使用性能必须重新进行污泥培养与驯化，否则将会导致污水处理成本大增、效率大减。结合实践经验不难发现，污泥膨胀与丝状菌发展异常有关，一方面丝状菌的异常增殖会造成活性污泥迅速膨胀；另一方面，活性污泥中的黏性物质堆积异常也会引发膨胀，此时污泥膨胀属于非丝状菌性膨胀。因此，在面对活性污泥膨胀问题时，相关工作人员必须对症下药，通过杀灭丝状菌来避免膨胀。在实际作业环节，杀灭丝状菌可采取药剂杀灭方式。比如，选用臭氧、过氧化氢、硫酸铝等化学药剂，使其与活性污泥充分融合，从而改变污泥的絮凝状态，提高该物质的絮凝性。在这一环节，相关工作人员还可以使用黏土或消石灰，用以提高活性污泥的沉降性。通常来说，在药剂处理的基础上还需要实现回流污泥增量应用以及再生性曝气处理，以便于从根本上解决活性污泥膨胀问题，为保障污泥应用质效与城市污水治理有效性奠定基础。

五、结论

综上所述，活性污泥法是一种较为常见的城市污水治理技术，在实际应用中逐渐衍生出多种不同的技术类型。在城市污水治理中，传统活性污泥法、序批式活性污泥法、氧化沟等多种方法均得到了广泛应用；各种方法之间虽然在系统构成以及工艺要点方面存在差异，但其工艺原理相同。为进一步推进活性污泥法在城市污水治理中的合理应用，污水处理厂必须强调净化反应影响因素管理。