活性污泥法及其發(fā)展歷程

1、活性污泥法及其發(fā)展歷程活性污泥法是一種污水的好氧生物處理法，由英國的克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）于1912年發(fā)明。如今，活性污泥法及其衍生改良工藝是處理城市污水最廣泛使用的方法。它能從污水中去除溶解性的和膠體狀態(tài)的可生化有機物以及能被活性污泥吸附的懸浮固體和其他一些物質(zhì)，同時也能去除一部分磷素和氮素。活性污泥法的發(fā)展歷程：1912年，克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）將污水裝在玻璃瓶里，進行實驗。他們發(fā)現(xiàn)對污水長時間曝氣，玻璃瓶里會出現(xiàn)污泥，水質(zhì)也得到明顯改善。他們進一步發(fā)現(xiàn)，將那些沒有洗干凈而附著有污泥的瓶子用作污水曝氣實驗，污水處理效果更好。他們稱這種自己生長的污泥為“活性污

2、泥”（Activated Sludge）。讓曝氣后的污水靜止沉淀，倒出上層已經(jīng)凈化的清水，留下瓶底的污泥，供第二天使用，這樣可以大大縮短污水處理的時間。1914年，第一座活性污泥法污水處理廠在英國曼徹斯特建立。在活性污泥法發(fā)展歷史上將1914年作為活性污泥法的創(chuàng)始年。這個試驗的工藝化是 1916年，建成的第一個活性污泥法污水處理廠。在顯微鏡下觀察這些褐色的絮狀污泥，可以見到大量的細菌，還有真菌，原生動物和后生動物，它們組成了一個特有的生態(tài)系統(tǒng)。正是這些微生物（主要是細菌）以污水中的有機物為食料，進行代謝和繁殖，才降低了污水中有機物的含量。活性污泥可分為好氧活性污泥和厭氧顆?；钚晕勰?。1921年

3、，上海建成了 第一座活性污泥法污水處理廠，就是現(xiàn)在的上海北區(qū)污水處理廠，后來1926年相繼又建成上海東區(qū)和西區(qū)活性污泥法污水處理廠。 活性污泥：肉眼觀察活性污泥，呈黃褐色絮狀物質(zhì)。氣味特殊，但無臭味。在顯微鏡下觀察活性污泥顆粒，可以看見大量微生物，包括各種細菌、真菌、原生動物和少量的后生動物。除此之外，還有作為粘附基礎(chǔ)的無機物質(zhì)存在。這些微生物和無機物組成了微型的生態(tài)系統(tǒng)。這種生態(tài)系統(tǒng)成為菌膠團或稱"膠羽"?；钚晕勰囝w粒中70-90%是有機物，即微生物，另有10-30%是其他無機物質(zhì)。菌膠團是有細菌分泌的多糖類物質(zhì)將細菌包覆為黏性團塊，構(gòu)成活性污泥絮凝體的核心。在菌膠團外圍

4、，粘附了著真菌和原生動物，而較為高等的后生動物則是處于相對游離的狀態(tài)。 活性污泥法：是以活性污泥為主體的廢水生物處理的主要方法。活性污泥法是向廢水中連續(xù)通入空氣，經(jīng)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。 流程原理：典型的活性污泥法是由曝氣池、沉淀池、污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥排除系統(tǒng)組成。污水和回流的活性污泥一起進入曝氣池形成混合液。從空氣壓縮機站送來的壓縮空氣，通過鋪設(shè)在曝氣池底部的空氣擴散裝置，以細小氣泡的形式進入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，還使混合液處于劇烈攪動的狀態(tài)，形懸浮狀態(tài)。溶解氧、活性污泥與污水

5、互相混合、充分接觸，使活性污泥反應(yīng)得以正常進行。 第一階段，污水中的有機污染物被活性污泥顆粒吸附在菌膠團的表面上，這是由于其巨大的比表面積和多糖類黏性物質(zhì)。同時一些大分子有機物在細菌胞外酶作用下分解為小分子有機物。 第二階段，微生物在氧氣充足的條件下，吸收這些有機物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供給自身的增殖繁衍?；钚晕勰喾磻?yīng)進行的結(jié)果，污水中有機污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增長，污水則得以凈化處理。 經(jīng)過活性污泥凈化作用后的混合液進入二次沉淀池，混合液中懸浮的活性污泥和其他固體物質(zhì)在這里沉淀下來與水分離，澄清后的污水作為處理水排出系統(tǒng)。經(jīng)過沉淀濃縮的污泥從沉淀池底部排出

6、，其中大部分作為接種污泥回流至曝氣池，以保證曝氣池內(nèi)的懸浮固體濃度和微生物濃度；增殖的微生物從系統(tǒng)中排出，稱為“剩余污泥”。事實上，污染物很大程度上從污水中轉(zhuǎn)移到了這些剩余污泥中。 活性污泥法的原理形象說法：微生物“吃掉”了污水中的有機物，這樣污水變成了干凈的水。它本質(zhì)上與自然界水體自凈過程相似，只是經(jīng)過人工強化，污水凈化的效果更好。 工藝類型發(fā)展歷程：自1912年開始自今，活性污泥法經(jīng)過近100年的發(fā)展和改良，在理論和實踐上都相當?shù)某墒?，同時也衍生出了很多種類的運行方式，如下列舉的是各種典型的活性污泥法工藝流程：傳統(tǒng)活性污泥法、完全混合活性污泥法、延時曝氣、純氧曝氣、淺層曝氣、深井曝氣、接觸

7、穩(wěn)定法、氧化溝、活性生物濾池（ABF工藝）、吸附-生物降解工藝（AB法）、序批式活性污泥法（SBR） 運行方式發(fā)展演變：傳統(tǒng)的活性污泥法或稱普通活性污泥法，經(jīng)不斷發(fā)展，已有多種運行方式。 1.漸減曝氣 在推流式的傳統(tǒng)曝氣池中，混合液的需氧量在長度方向是逐步下降的。因此等距離均量地布置擴散器是不合理的。實際情況是：前半段氧遠遠不夠，后半段供氧超過需要。漸減曝氣的目的就是合理的布置擴散器，使布氣沿程變化，而總的空氣用量不變，這樣可以提高處理效率。 2.分步曝氣 在30年代，紐約市污水廠的曝氣池空氣量供應(yīng)不足，廠總工程師把入流的一部分從池端引到池的中部分點進水，解決了問題。使同樣的空氣量，同樣的池子

8、，得到了較高的處理效率。 3.完全混合法 美國1950年以前建造的曝氣池全是狹長的條形池，按推流設(shè)計。由于前段需氧量很大，因而通過漸減曝氣池來解決。但是，一般池子只有中段（約全長的 1/3處）需氧速率與氧傳遞速率配合的比較好一些。在池的前段，因食料多，微生物的生長率高，需氧率也就很大，因而即使?jié)u減曝氣也不能根本解決問題，實際的需氧速率受供氧速率控制和制約。需氧和供氧率之間池前后兩塊面積應(yīng)相等。這樣的供氧和需氧情況，當受到?jīng)_擊負荷時，前段陰影面積擴大，后段陰影面積縮小，嚴重時，后段面積全部消失，出現(xiàn)全池缺氧情況。 從以上運行方式看，傳統(tǒng)活性污泥法的重要矛盾是供氧和需氧的矛盾，為了解決這個矛盾，漸

9、減曝氣是通過布氣的方法來改善，分步曝氣則是通過進水分配的均勻性上來改善。 為了根本上改善長條形池子中混合液不均勻的狀態(tài)，在分步曝氣的基礎(chǔ)上，進一步大大增加進水點，同時相應(yīng)增加回流污泥并使其在曝氣池中迅速混合，它就是完全混合的概念。在完全混合法的曝氣池中，需氧速率和供氧速率的矛盾在全池得到了平衡，因而完全混合法有如下特征：池液中各個部分的微生物種類和數(shù)量基本相同，生活環(huán)境也基本相同； 人流出現(xiàn)沖擊負荷時，池液的組成變化也較小，因為驟然增加的負荷可為全池混合液所分擔，而不是象推流中僅僅由部分回流污泥來承擔。因而完全混合池從某種意義上來講，是一個大的緩沖器和均和池。它不僅能緩和有機負荷的沖擊，也減少

10、有毒物質(zhì)的影響，在工業(yè)污水的處理中有一定優(yōu)點； 池液里各個部分的需氧率比較均勻。 為適應(yīng)完全混和的需要，機械曝氣的圓形池子也得到了發(fā)展。機械曝氣器很象攪拌機，而圓形池子便于完全混合。 4.淺層曝氣 1953年，派斯維爾（Pasveer）曾計算并測定氧在10靜止水中的傳遞特性。他發(fā)現(xiàn)了氣泡形成和破裂瞬間的氧傳遞速率最大的特點。在水的淺層處用大量空氣進行曝氣，就可獲得較高的氧傳遞速率。為了使液流保持一定的環(huán)流速率，將空氣擴散器分布在曝氣池相當部分的寬度上，并設(shè)一條縱墻，將水池分為二部分，迫使曝氣時液體形成環(huán)流。根據(jù)聯(lián)邦德國埃姆歇實驗站的測定結(jié)果，可得到深度與單位能量吸氧率的關(guān)系。因而擴散器的深度放

11、置在水面以下0.60.8m范圍為宜，此時與常規(guī)深度的曝氣池相比，可以節(jié)省動力費用。此外，由于風壓減小，風量增加，可以用一般的離心鼓風機。淺層曝氣池水深為34m，以淺者為好。深寬比在1.0-1.3之間，供氣量為3040 m3/3（水）·h，風壓lOkPa左右，動力效率可達1.8-2.6kg02/kW·h。淺層曝氣與一般曝氣相比，空氣量是增大，但風壓僅為一般曝氣的1/31/4，故電耗并不增加而略有下降。淺層池適用于中小型規(guī)模的污水廠。但由于布氣系統(tǒng)進行維修上的困難，沒有得到推廣應(yīng)用。 5.深層曝氣 曝氣池的經(jīng)濟深度是按基建費和運行費用來決定的。根據(jù)長期的經(jīng)驗，并經(jīng)過多方面的技術(shù)

12、經(jīng)濟比較，經(jīng)濟深度一般為45m。但隨著城市的發(fā)展，普遍感到用地緊張，為了節(jié)約用地，從60年代開始，研究發(fā)展了深層曝氣法。一般深層曝氣池水深可達1020m。70年代以來，國外又發(fā)展了超深層曝氣法，又稱豎井或深井曝氣，水深竟達150-300m，大大節(jié)省了用地面積。同時由于水深大幅度增加，可以促進氧傳遞速率，從而提高了曝氣池處理污水的負荷。但對深層曝氣的特性和經(jīng)濟效果，還不能說已十分清楚。深井曝氣法的實際裝置直徑為1.06.0m，深度為50-150m。井中分隔成兩個部分，一面為下降管，另一面為上升管。污水及污泥從下降管導入，由上升管排出。在深井靠地面的井頸部分，局部擴大，以排除部分氣體。經(jīng)處理后的混

13、合液，先經(jīng)真空脫氣（也可以加一個小的曝氣池代替真空脫氣，并充分利用混合液中的溶解氧），再經(jīng)二次沉淀池固液分離?；旌弦阂部捎脷飧》ㄟM行固液分離。在深井中可利用空氣作為動力，促使液流循環(huán)。采用空氣循環(huán)的方法是啟動時先在上升管中比較淺的部位輸入空氣，使液流開始循環(huán)，待液流完全循環(huán)后，再在下降管中逐步供給空氣。液流在下降管中與輸入的空氣一起，經(jīng)過深井底部流人上升管中，并從井頸頂管排出，并釋放部分空氣。由于下降管和上升管的氣液混合物存在著密度差，故促使液流保持不斷循環(huán)。深井曝氣法中，活性污泥經(jīng)受壓力的變化較大，有時加壓，有時減壓，實踐表明這時微生物的活性和代謝能力并無異常變化。但合成和能量的分配有一定變

14、化，運行中發(fā)現(xiàn)二氧化碳的量比常規(guī)曝氣多30%，污泥產(chǎn)量低。深井曝氣池內(nèi)，氣液紊流大，液膜更新快，促使KI。值增大，同時氣液接觸時間增長，溶解氧的飽和濃度也由深度的增加而增加。國外已建成了幾十個深井曝氣處理廠。國內(nèi)也正在開展研究。但是，當井壁腐蝕或受損時污水是否會通過井壁滲透，污染地下水，這個問題必須嚴肅認真地對待。 6.高負荷曝氣或變型曝氣 有些污水廠只需要部分處理，因此產(chǎn)生了高負荷曝氣法。曝氣池中的 MLSS，約300500mg/L，曝氣的時間比較短，約23h，處理效率僅約65%左右，有別于傳統(tǒng)的活性污泥法，故常稱變型曝氣。 7.克勞斯（Kraus）法 美國有一釀造廠，污水的碳水化合物含量有

15、時特別高，給城市污水廠的運行造成很大困難，常引起污泥膨脹。膨脹的活性污泥不易在二次沉淀池中沉淀，而隨水流帶走，不僅降低了出水水質(zhì)，而且造成回流污泥量不足，進而降低了曝氣池中混合液懸浮固體濃度。如不及時采取措施加以解決，就會使系統(tǒng)中的活性污泥愈來愈少，從根本上破壞曝氣池的運行。克勞斯工程師把厭氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝氣，然后再進入曝氣池，成功地克服了高碳水化合物的污泥膨脹問題。這個過程稱為克勞斯法。消化池上清液中富有氨氮，可以供應(yīng)大量碳水化合物代謝所需的氮。此外，消化池上清液挾帶的消化污泥比重較大，有改善混合液沉淀性能的功效。 8.延時曝氣 延時曝氣在40年代末到50年代初在美國流行起

16、來。特點是曝氣時間很長，達24h甚至更長，MLSS較高，達到3 000-6 000mg/L，活性污泥在時間和空間上部分處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，剩余污泥少而穩(wěn)定，無需消化，可直接排放。適用于污水量很小的場合，最先是牛奶場，后來用于村莊和風景區(qū)、旅社等。近年來，國內(nèi)用于高層建筑生活污水處理。設(shè)備可用鋼板裝配，由廠商供應(yīng)。對于不是24h連續(xù)來水的場合，常常不設(shè)沉淀池而采用間歇運行方式，例如20h曝氣和進水，2h沉淀，2h放空，再運行。也有曝氣池和二沉池合建的。 9.接觸穩(wěn)定法 50年代德克薩斯州奧斯?。ˋustin）城的污水廠由于水量增加，需要擴建。雖然另有空地，但地價昂貴，因而沒有擴建的可能性，不得不另

17、找它法。在實驗室里，用活性污泥法處理生活污水時，混合液中液體部分的BOD5下降有一定的規(guī)律。如果測定BOD5時的取樣間隔時間較長，例如每隔1h取樣一次，那么所得的BOD5下降曲線是光滑的，表明池液中的反應(yīng)接近于一級反應(yīng)。但是，縮短取樣間隔時，發(fā)現(xiàn)在運行開始后的第一小時內(nèi)，BOD5值有一個迅速下降而后又逐漸回升的現(xiàn)象。而且這個短暫過程中BOD5的最低值與曝氣數(shù)小時后的BOO<基本相同，其值相當?shù)汀＠眠@一事實，把曝氣時間縮短為1545win（MLSS為2 000 mg/L），取得了BOD5相當?shù)偷某鏊?。但是，回流污泥喪失了活性，其降低污水中BOD5的能力下降了。于是把回流污泥與人流的城市污

18、水匯合之前預先進行充分曝氣，這樣即可恢復它的活性。在適當改變原曝氣池的出人口位置和增添擴散板面積后，只用了原池一半容積，就解決了超負荷問題。但是，每月總有一天出水質(zhì)量不好，調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)這一天是城內(nèi)牛奶場的清洗日。牛奶場污水BOD5很高而SS不高。這啟示了：混合液曝氣過程中第一階段BOD5的下降是由于吸附作用造成的，對于溶解的有機物，吸附作用不大或沒有，因此，把這種方法稱為接觸穩(wěn)定法，也叫吸附再生法，混合液的曝氣完成了吸附作用，回流污泥的曝氣完成穩(wěn)定作用（恢復活性）。 此外，還發(fā)現(xiàn)：這一方法直接用于原污水的處理比用于初沉池的出流水效果好，初沉池可以不用；剩余污泥量增加了。結(jié)果，在改造曝氣池時，

19、只增添了空氣供應(yīng)設(shè)備的污泥處理設(shè)備。實際上，再生池和吸附池可合建，用墻隔開。在接觸穩(wěn)定法中，回流污泥濃縮（由2000mg/L變成8000mg/L）再曝氣穩(wěn)定，池容積節(jié)省了，或者說，同樣的池子增加了處理能力。 在50年代開發(fā)的氧化溝是延時曝氣法的一種特殊形式，它的池體狹長，池深較淺，在溝槽中設(shè)有表面曝氣裝置。曝氣裝置的轉(zhuǎn)動，推動溝內(nèi)液體迅速流動，取得曝氣和攪拌兩個作用，溝中混合液流速約為0.3- 0.6m/s，使活性污泥呈懸浮狀態(tài)，一種典型的氧化溝-卡羅塞式氧化溝，它是由荷蘭DHV公司于60年代開發(fā)的使用很廣泛的一種氧化溝，如我國昆明蘭花溝污水處理廠，桂林市東區(qū)污水處理廠及上海龍華肉聯(lián)廠的廢水處

20、理都采用這種形式的氧化溝，它不但可以達到95%以上的BOD5去除率，還可同時達到部分脫氮除磷的目的。80年代初，美國開發(fā)了將二次沉淀池設(shè)置在氧化溝中的合建式氧化溝，一種典型的合建式氧化溝BMTS型，即在溝內(nèi)截出一個區(qū)段作為沉淀區(qū)，兩側(cè)設(shè)隔板，沉淀區(qū)底部設(shè)一排呈三角形的導流板，混合液的一部分從導流板間隙上升進入沉淀區(qū)，沉淀的污泥也通過導流板回流到氧化溝，出水由設(shè)于水面的集水管排出。因省去二沉池，故節(jié)省占地，更易于管理。 11.純氧曝氣 以純氧代替空氣，可以提高生物處理的速度。純氧曝氣采用密閉的池子。曝氣時間較短，約1.53.0h，MLSS較高，約4000-8000mg/L。因而二沉池的運行要注意

21、。廠商推廣純氧曝氣池的主要論點之一是：氧的純度達98%。在密閉的容器中，溶解氧飽和濃度可提高，氧溶解的推動力也隨著提高，氧傳遞速率增加了，因而處理效果好，污泥的沉淀性能也好。純氧曝氣并沒有改變活性污泥或微生物的性質(zhì)，但使微生物充分發(fā)揮了作用。純氧曝氣的缺點主要是純氧發(fā)生器容易出現(xiàn)故障，裝置復雜，運轉(zhuǎn)管理較麻煩。水池頂部必須密閉不漏氣，結(jié)構(gòu)要求高，施工要特別小心。如果進水中混入大量易揮發(fā)的碳氫化合物，容易引起爆炸。同時生物代謝中生成的二氧化碳，將使氣體中的二氧化碳分壓上升，溶解于溶液中，會導致pH值的下降，妨礙生物處理的正常運行，影響處理效率。因而要適時排氣和進行pH值的調(diào)節(jié)。 12.活性生物濾

22、池（ABF工藝） 在通常的活性污泥過程之前設(shè)置一個塔式濾池，它同曝氣池可以是串聯(lián)的，又可以是并聯(lián)的，但主要是串聯(lián)。塔式濾池濾料表面上附著很多活性污泥，因此濾料的材質(zhì)和構(gòu)造不同于一般生物濾池。通常用耐腐蝕的木板條做成柵狀板，然后平放重疊起來。柵板與柵板之間留有一定間距，塔高4-6m。塔的設(shè)計負荷率為3.2kg/ m3·d，去除率約65%，冬季處理效果較差，和水溫有關(guān)。塔的出流含氧量高達6-8mg/L（20），混合液需氧速率也高，隨廢水濃度不同，可達30-300mg/L·h左右。這里的濾池也可以看作采用表面曝氣特殊形式的曝氣池，塔是一個強烈的充氧器。因而ABF可認為是一個復合式

23、活性污泥法。污水流過濾池的時間不到1min，但由于濾料污泥層附著水的存在，實際上污水的逗留時間要長得多。對ABF工藝國內(nèi)外都作了一些研究，但對它的技術(shù)經(jīng)濟和運行特性的研究還不夠充分。 13.吸附-生物降解工藝（AB法） 70年代，德國亞深工業(yè)大學的Boehnkg教授提出了吸附-生物降解工藝，簡稱AB法。A級以高負荷或超高負荷運行（污泥負荷>2.0kg BOD5/kgMLSS·d），B級以低負荷運行（污泥負荷一般為0.10.3kg BOD5/kgMLSS·d），A級曝氣池停留時間短，3060min，B級停留2-4h。該系統(tǒng)不設(shè)初沉池，A級是一個開放性的生物系統(tǒng)。A、B兩

24、級各自有獨立的污泥回流系統(tǒng)，兩級的污泥互不相混。該工藝處理效果穩(wěn)定，具有抗沖擊負荷、pH值變化的能力，在德國以及歐洲有廣泛的應(yīng)用。該工藝還可以根據(jù)經(jīng)濟實力進行分期建設(shè)。例如，可先建A級，以削減污水中的大量有機物，達到優(yōu)于一級處理的效果，等條件成熟，再建B級以滿足更高的處理要求。近年來，AB法在我國的青島海泊河污水處理廠，淄博污水處理廠等有應(yīng)用。 14.序批式活性污泥法（SBR法） 序批式活性污泥法簡稱SBR法，是早期充排式反應(yīng)器（Fill-Draw）的一種改進，比連續(xù)流活性污泥法出現(xiàn)得更早，但由于當時運行管理條件限制而被連續(xù)流系統(tǒng)所取代。隨著自動控制水平的提高，SBR法又引起人們的重新重視，并對它進行了更加深入的研究與改進，自1985年我國第一座SBR處理設(shè)施在上海市吳淞肉聯(lián)廠投產(chǎn)運行以來，SBR工藝在國內(nèi)已用于屠宰，繅絲，含酚，啤酒，化工試劑，魚品加工，制藥等工業(yè)污水和生活及城市污水的處理。傳統(tǒng)活性污泥