活性污泥法及其发展历程

活性污泥法及其发展历程活性污泥法是一种污水的好氧生物处理法，由英国的克拉克（Clark）和盖奇（Gage）于1912年发明。如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市污水最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解性的和胶体状态的可生化有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质，同时也能去除一部分磷素和氮素。活性污泥法的发展历程：1912年，克拉克（Clark）和盖奇（Gage）将污水装在玻璃瓶里，进行实验。他们发现对污水长时间曝气，玻璃瓶里会出现污泥，水质也得到明显改善。他们进一步发现，将那些没有洗干净而附着有污泥的瓶子用作污水曝气实验，污水处理效果更好。他们称这种自己生长的污泥为“活性污泥”（ActivatedSludge）。让曝气后的污水静止沉淀，倒出上层已经净化的清水，留下瓶底的污泥，供第二天使用，这样可以大大缩短污水处理的时间。1914年，第一座活性污泥法污水处理厂在英国曼彻斯特建立。在活性污泥法发展历史上将1914年作为活性污泥法的创始年。这个试验的工艺化是1916年，建成的第一个活性污泥法污水处理厂。在显微镜下观察这些褐色的絮状污泥，可以见到大量的细菌，还有真菌，原生动物和后生动物，它们组成了一个特有的生态系统。正是这些微生物（主要是细菌）以污水中的有机物为食料，进行代谢和繁殖，才降低了污水中有机物的含量。活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥。1921年，上海建成了第一座活性污泥法污水处理厂，就是现在的上海北区污水处理厂，后来1926年相继又建成上海东区和西区活性污泥法污水处理厂。活性污泥：肉眼观察活性污泥，呈黄褐色絮状物质。气味特殊，但无臭味。在显微镜下观察活性污泥颗粒，可以看见大量微生物，包括各种细菌、真菌、原生动物和少量的后生动物。除此之外，还有作为粘附基础的无机物质存在。这些微生物和无机物组成了微型的生态系统。这种生态系统成为菌胶团或称胶羽。活性污泥颗粒中70-90%是有机物，即微生物，另有10-30%是其他无机物质。菌胶团是有细菌分泌的多糖类物质将细菌包覆为黏性团块，构成活性污泥絮凝体的核心。在菌胶团外围，粘附了着真菌和原生动物，而较为高等的后生动物则是处于相对游离的状态。活性污泥法：是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥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。流程原理：典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈搅动的状态，形悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。事实上，污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。活性污泥法的原理形象说法：微生物“吃掉”了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水。它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。工艺类型发展历程：自1912年开始自今，活性污泥法经过近100年的发展和改良，在理论和实践上都相当的成熟，同时也衍生出了很多种类的运行方式，如下列举的是各种典型的活性污泥法工艺流程：传统活性污泥法、完全混合活性污泥法、延时曝气、纯氧曝气、浅层曝气、深井曝气、接触稳定法、氧化沟、活性生物滤池（ABF工艺）、吸附-生物降解工艺（AB法）、序批式活性污泥法（SBR）运行方式发展演变：传统的活性污泥法或称普通活性污泥法，经不断发展，已有多种运行方式。1.渐减曝气在推流式的传统曝气池中，混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。因此等距离均量地布置扩散器是不合理的。实际情况是：前半段氧远远不够，后半段供氧超过需要。渐减曝气的目的就是合理的布置扩散器，使布气沿程变化，而总的空气用量不变，这样可以提高处理效率。2.分步曝气在30年代，纽约市污水厂的曝气池空气量供应不足，厂总工程师把入流的一部分从池端引到池的中部分点进水，解决了问题。使同样的空气量，同样的池子，得到了较高的处理效率。3.完全混合法美国1950年以前建造的曝气池全是狭长的条形池，按推流设计。由于前段需氧量很大，因而通过渐减曝气池来解决。但是，一般池子只有中段（约全长的1/3处）需氧速率与氧传递速率配合的比较好一些。在池的前段，因食料多，微生物的生长率高，需氧率也就很大，因而即使渐减曝气也不能根本解决问题，实际的需氧速率受供氧速率控制和制约。需氧和供氧率之间池前后两块面积应相等。这样的供氧和需氧情况，当受到冲击负荷时，前段阴影面积扩大，后段阴影面积缩小，严重时，后段面积全部消失，出现全池缺氧情况。从以上运行方式看，传统活性污泥法的重要矛盾是供氧和需氧的矛盾，为了解决这个矛盾，渐减曝气是通过布气的方法来改善，分步曝气则是通过进水分配的均匀性上来改善。为了根本上改善长条形池子中混合液不均匀的状态，在分步曝气的基础上，进一步大大增加进水点，同时相应增加回流污泥并使其在曝气池中迅速混合，它就是完全混合的概念。在完全混合法的曝气池中，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：①池液中各个部分的微生物种类和数量基本相同，生活环境也基本相同；②人流出现冲击负荷时，池液的组成变化也较小，因为骤然增加的负荷可为全池混合液所分担，而不是象推流中仅仅由部分回流污泥来承担。因而完全混合池从某种意义上来讲，是一个大的缓冲器和均和池。它不仅能缓和有机负荷的冲击，也减少有毒物质的影响，在工业污水的处理中有一定优点；③池液里各个部分的需氧率比较均匀。为适应完全混和的需要，机械曝气的圆形池子也得到了发展。机械曝气器很象搅拌机，而圆形池子便于完全混合。4.浅层曝气1953年，派斯维尔（Pasveer）曾计算并测定氧在10℃静止水中的传递特性。他发现了气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率最大的特点。在水的浅层处用大量空气进行曝气，就可获得较高的氧传递速率。为了使液流保持一定的环流速率，将空气扩散器分布在曝气池相当部分的宽度上，并设一条纵墙，将水池分为二部分，迫使曝气时液体形成环流。根据联邦德国埃姆歇实验站的测定结果，可得到深度与单位能量吸氧率的关系。因而扩散器的深度放置在水面以下0.6～0.8m范围为宜，此时与常规深度的曝气池相比，可以节省动力费用。此外，由于风压减小，风量增加，可以用一般的离心鼓风机。浅层曝气池水深为3～4m，以浅者为好。深宽比在1.0-1.3之间，供气量为30～40m3/3（水）·h，风压lOkPa左右，动力效率可达1.8-2.6kg02/kW·h。浅层曝气与一般曝气相比，空气量是增大，但风压仅为一般曝气的1/3～1/4，故电耗并不增加而略有下降。浅层池适用于中小型规模的污水厂。但由于布气系统进行维修上的困难，没有得到推广应用。5.深层曝气曝气池的经济深度是按基建费和运行费用来决定的。根据长期的经验，并经过多方面的技术经济比较，经济深度一般为4～5m。但随着城市的发展，普遍感到用地紧张，为了节约用地，从60年代开始，研究发展了深层曝气法。一般深层曝气池水深可达10～20m。70年代以来，国外又发展了超深层曝气法，又称竖井或深井曝气，水深竟达150-300m，大大节省了用地面积。同时由于水深大幅度增加，可以促进氧传递速率，从而提高了曝气池处理污水的负荷。但对深层曝气的特性和经济效果，还不能说已十分清楚。深井曝气法的实际装置直径为1.0～6.0m，深度为50-150m。井中分隔成两个部分，一面为下降管，另一面为上升管。污水及污泥从下降管导入，由上升管排出。在深井靠地面的井颈部分，局部扩大，以排除部分气体。经处理后的混合液，先经真空脱气（也可以加一个小的曝气池代替真空脱气，并充分利用混合液中的溶解氧），再经二次沉淀池固液分离。混合液也可用气浮法进行固液分离。在深井中可利用空气作为动力，促使液流循环。采用空气循环的方法是启动时先在上升管中比较浅的部位输入空气，使液流开始循环，待液流完全循环后，再在下降管中逐步供给空气。液流在下降管中与输入的空气一起，经过深井底部流人上升管中，并从井颈顶管排出，并释放部分空气。由于下降管和上升管的气液混合物存在着密度差，故促使液流保持不断循环。深井曝气法中，活性污泥经受压力的变化较大，有时加压，有时减压，实践表明这时微生物的活性和代谢能力并无异常变化。但合成和能量的分配有一定变化，运行中发现二氧化碳的量比常规曝气多30%，污泥产量低。深井曝气池内，气液紊流大，液膜更新快，促使KI。值增大，同时气液接触时间增长，溶解氧的饱和浓度也由深度的增加而增加。国外已建成了几十个深井曝气处理厂。国内也正在开展研究。但是，当井壁腐蚀或受损时污水是否会通过井壁渗透，污染地下水，这个问题必须严肃认真地对待。6.高负荷曝气或变型曝气有些污水厂只需要部分处理，因此产生了高负荷曝气法。曝气池中的MLSS，约300～500mg/L，曝气的时间比较短，约2～3h，处理效率仅约65%左右，有别于传统的活性污泥法，故常称变型曝气。7.克劳斯（Kraus）法美国有一酿造厂，污水的碳水化合物含量有时特别高，给城市污水厂的运行造成很大困难，常引起污泥膨胀。膨胀的活性污泥不易在二次沉淀池中沉淀，而随水流带走，不仅降低了出水水质，而且造成回流污泥量不足，进而降低了曝气池中混合液悬浮固体浓度。如不及时采取措施加以解决，就会使系统中的活性污泥愈来愈少，从根本上破坏曝气池的运行。克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气，然后再进入曝气池，成功地克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题。这个过程称为克劳斯法。消化池上清液中富有氨氮，可以供应大量碳水化合物代谢所需的氮。此外，消化池上清液挟带的消化污泥比重较大，有改善混合液沉淀性能的功效。8.延时曝气延时曝气在40年代末到50年代初在美国流行起来。特点是曝气时间很长，达24h甚至更长，MLSS较高，达到3000-6000mg/L，活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸状态，剩余污泥少而稳定，无需消化，可直接排放。适用于污水量很小的场合，最先是牛奶场，后来用于村庄和风景区、旅社等。近年来，国内用于高层建筑生活污水处理。设备可用钢板装配，由厂商供应。对于不是24h连续来水的场合，常常不设沉淀池而采用间歇运行方式，例如20h曝气和进水，2h沉淀，2h放空，再运行。也有曝气池和二沉池合建的。9.接触稳定法50年代德克萨斯州奥斯汀（Austin）城的污水厂由于水量增加，需要扩建。虽然另有空地，但地价昂贵，因而没有扩建的可能性，不得不另找它法。在实验室里，用活性污泥法处理生活污水时，混合液中液体部分的BOD5下降有一定的规律。如果测定BOD5时的取样间隔时间较长，例如每隔1h取样一次，那么所得的BOD5下降曲线是光滑的，表明池液中的反应接近于一级反应。但是，缩短取样间隔时，发现在运行开始后的第一小时内，BOD5值有一个迅速下降而后又逐渐回升的现象。而且这个短暂过程中BOD5的最低值与曝气数小时后的BOO基本相同，其值相当低。利用这一事实，把曝气时间缩短为15～45win（MLSS为2000mg/L），取得了BOD5相当低的