活性污泥法發展現狀

(重慶交通大學　重慶　400074)

一、引言

隨著世界上各國工業化的推進，水資源成為了全世界國家發展過程中面臨的共同問題。目前，占世界人口40%的80個國家正面臨著水危機，發展中國家約有10億人喝不到清潔的水，17億人沒有良好的衛生設施，每年約有2500萬人死于飲用不清潔的水[1]。水危機已經嚴重制約了人類的可持續發展。1992年里約熱內盧聯合國環境與發展大會通過的《21世紀議程》中指出：水不僅為維持地球一切生命所必需，而且對一切經濟問題都有生死攸關的重要意義。

水資源的短缺主要由兩個方面引起，一是地區淡水總量的缺乏，二是水污染。其中，水污染是可以控制，也必須控制的問題。發展過程中的發達國家，比如十九世紀的英國[2]美國，二十世紀的日本[3]，都遭受過水污染問題造成的嚴重后果。中國是世界上淡水資源嚴重缺乏的國家,被列為世界13個最缺水國家之一,全國600多個城市中大約1/2的城市缺水,75%的湖泊出現了不同程度的富營養化,90%的城市水域污染嚴重,南方城市總缺水量的60%～70%是由于水污染造成的[4]。因此，對水污染的治理成了亟需解決的重要問題。

解決水污染問題，使用污水處理，即采用各種技術措施，將水中所含有的各種形態的污染物分離出來或將其分解、轉化為無害和穩定的物質，使廢水得到凈化。

二、水污染的治理

(一)水處理方法的分類

目前污水處理的方法主要可按其原理分為三大類，物理法、化學法和生物法。其中，物理法是利用物理作用，如沉淀過濾等除去廢水中污染物質，在處理過程中不改變水的化學性質。如格柵、沉淀、氣浮、過濾、反滲透、離心、蒸發、結晶等。化學法是向廢水中投加某些化學物質，利用化學反應來分離、轉化、破壞或回收廢水中的污染物，并使其轉化成為無害物質。如混凝、中和、氧化還原、吸附、離子交換法、膜分離、汽提萃取等。生物法是利用水中微生物的新陳代謝功能，并采取一定的人工措施，創造有利于微生物生長、繁殖的環境，使微生物大量增殖，從而使廢水中呈溶解和膠體狀態的有機物被降解，并轉化成為穩定，無害的物質，使廢水得以凈化。如活性污泥法、生物膜法、自然生物處理法和厭氧生物處理法等。

對城市污水處理，一般是同時使用物理、化學和生物處理方法。分為一級處理，二級處理和三級處理。其中一級處理一般是利用物理處理方法，對大顆粒污染物進行沉降，對懸浮物質進行絮凝沉降等，也使用少量的化學處理方法為后續處理進行服務，一級處理又稱為預處理，單單使用一級處理，無法滿足對城市污水處理的需求。二級處理主要是利用生物處理方法，除去水中的膠體有機物或溶解性的有機物，二級處理一般能大幅度降低水中有機污染物的含量，城市水污染最主要的工序。三級處理，是對二級處理的補充，進一步去除二級處理中，未能去除的物質，包括殘余的懸浮物及膠體、殘余的溶解性有機物、無機鹽類(如氮、磷、重金屬等)及色素、細菌與病毒等。

生物處理是二級處理的主體工序，是最有力的去除水中有機污染物的手段。生物處理主要分為天然生物處理和人工生物處理，天然生物處理又分為氧化塘法和人工濕地處理法，人工生物處理又分為厭氧氧化法和好氧氧化法。其中，好氧氧化法的利用得最為廣泛，其代表性的處理方法為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)處理城市污水和有機工業廢水的有效方法，最早1913年在英國曼徹斯特市試驗成功。該方法是向廢水中連續通入空氣，經一定時間后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥狀絮凝物。其上棲息著以菌膠團為主的微生物群，具有很強的吸附與氧化有機物的能力。

活性污泥法有很多變體，但是究其根源，其基本功能組成為如下的幾個部分：

初沉池：位于主體反應前，主要用于去除大顆粒，易沉降，不溶于水的雜質，為一級處理，不屬于活性污泥法的一部分。

曝氣池：活性污泥法反應的場所，最主要的部分。在這里微生物物得到了增值，溶于水的有機物或有機物的膠體被微生物所消耗，達到了生物處理的效果。

二沉池：將曝氣池中產生的活性污泥與水分離，最終達到凈化的目的。同時二沉池的污泥會進入污泥濃縮池，一部分會進入污泥回流系統。另一部分則會作為剩余污泥排除整個系統。

污泥回流系統：將一部分二沉池中的污泥回流至曝氣池中，維持活性污泥的濃度，即曝氣池的生物的數量。通過調整污泥的回流比，可以改變整個活性污泥法的運行工況。

供氧系統：為曝氣池中的微生活提供必要的氧分以維持其正常的生命活動，維持整個好氧生物處理法系統的運行。

整個活性污泥系統正常運行需要滿足一些基本條件：為了維持活性污泥微生物的數量，廢水中溶解性有機物含量必須充足；曝氣池加入的氧氣要形成足夠的溶解氧，使微生物正常生存和工作；活性污泥在池內需要成懸浮狀態；回流污泥與剩余污泥的比合理，使得曝氣池中污泥濃度維持在一個穩定的水平；進水中不能含有對活性污泥微生物有毒有害的物質。

(三)活性污泥法變體

傳統活性污泥法一開始有機物濃度很高，后來濃度漸漸下降，需氧量也漸漸下降，而如果均勻供氧，則難以滿足處理的要求，出現前端供氧量不足，后端溶解氧過剩的情況，漸減曝氣在一定程度上可以減少這種問題。但是因為氧溶解需要時間，因此前端溶解氧濃度太低的問題，通過漸減曝氣難以消除，如果有機物負荷太高，甚至可能出現缺氧厭氧的情況。因此，誕生了一種新的活性污泥處理方法，多段進水活性污泥法。該方法改變進水與供氧的流程，改為分段供水，使得供氧率與耗氧率之間更加匹配，同時也提升了曝氣池對水量沖擊負荷的適應能力。

另外為了應付不同的處理需求，傳統的活性污泥法還有許多變種。如，再生曝氣活性污泥法系統，此系統先對二沉池回流的污泥進行再生處理，防止其活性不能再直接回流到曝氣池之后不能得到及時的恢復。吸附-再生活性污泥法系統能夠充分發揮污泥的吸附功能，具有較小的曝氣池容積，并能抵抗一定的沖擊負荷，但是其處理效果不如傳統活性污泥法。完全氧化活性污泥法系統，改系統采用的流態為完全混合式，處理能力高，剩余污泥少，無需設初沉池，但是其需要的基建和運行成本都較高，需要的時間長，占地面積大，因此目前一般只在對水質要求高，且不宜設污泥處理設施的小型污水廠使用。高負荷活性污泥法系統，加大了曝氣池的流速，BOD去除率較低，適用于對處理水水質要求不高的情況。多級活性污泥法，當原污水含有較高的有機物濃度時，可以考慮采用，每一級都是一個獨立的活性污泥法系統，都有自己的二沉池和回流池，這樣做大大地增加了處理的成本，只適合在對污水濃度非常高的地方使用。深井曝氣活性污泥法系統，該系統豎向設計，能節約占地面積；水深度大，水深處的水壓較大，加快了氧的傳遞速率，氧的利用率高，有機物降解速度快，處理的效果顯著。淺層曝氣活性污泥法，擁有非常高的氧轉移率，節約了充氧電機消耗的能量。

(四)同步除磷脫氮工藝

在現代的城市污水處理中，除了有機污染物的去除，一些化學物質的去除也是至關重要的。在國家的排水標準《中華人民共和國污水綜合排放標準》中，無論是一級A標準還是一級B標準，除了對COD、BOD的要求外，都有對氨氮、總氮、總磷含量的要求。因此上面的除了上面的一般活性污泥法外，在近來的污水處理工藝中，都會附加除磷和除氮的需求。對工藝系統的運行方式做了適當調整，將缺氧技術納入到工藝系統中，使活性污泥處理系統能夠有效的進行硝化和反硝化反應，取得脫氮率80%左右的效果。將厭氧技術納入工藝系統中，是活性污泥處理系統中的活性污泥，在交替好氧和厭氧的環境中，能夠使活性污泥微生物在厭氧環境中充分放磷，而在好氧環境中微生物能從周圍環境中攝取遠超出其本身所需要的磷，使活性污泥處理系統具有生物除磷的功能。這樣兼具脫氮除磷的功能的厭氧缺氧和好氧交替的二級處理，被稱為強化二級處理工藝，如AOE工藝、A2O工藝、氧化溝工藝、間歇式活性污泥工藝等。

三、活性污泥法展望

(一)活性污泥法的新方向

引入自動化控制技術，是活性污泥法研究的一個主流的新方向。污水處理具有工藝簡單、操作模式化、重復的特點，例如SBR等序批式污泥處理技術，特別適合于機械自動化控制。特別是在機器算法發展的今天，完全可以通過傳感器檢測實時處理COD的變化，建立模糊控制模型[5]，實現對溶解氧，回流比等參數更合理的控制。

除此之外對污泥生物群的控制也是重要的方向之一。例如通過加入磁粉，對污水中的顆粒增強吸附作用，并通過磁場影響微生物的生理機能；通過在活性污泥的生物群落中加入藻類，使藻類和細菌共生[6]，通過藻類光合作用的固定能力，增加了除磷脫氮的能力，并減少二氧化碳的排放量等。

(二)活性污泥法的未來

活性污泥法雖然誕生已經有超過百年，但是如今仍然是處理城市污水使用最廣泛的方法，因其運行方式靈活,工作效率高,日常費用低,很少二次污染而被廣泛采用。但是活性污泥法存在兩個問題，一是耗能過高，二是大量產出的活性污泥[7]。產出的活性污泥儲存著大量的能量，而這些能量不能得到有效的利用，造成了能量的大量浪費。

未來，不會產生大量能量浪費，可以將富余能量有效利用的厭氧氨氧化處理方法，有可能可以取代活性污泥法，成為最主流的污水處理方法。但是活性污泥法大量與原始工藝不同的改進工藝的產生就是為了滿足各種不同的需求，活性污泥法簡單、靈活、因地制宜的優點，可能會使研究人員不斷改進，減輕能耗過高、能量浪費帶來的負面影響，讓這個百年老法，繼續為污水處理效力。