全面解析活性污泥法

活性污泥法实质上是天然水体自净作用的人工强化，能从污水中去除溶解态和胶体态的可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他物质，具有对水质水量的适应性广、运行方式灵活多样、可控制性好等特点，已成为生物处理方法的主体。一、基本原理活性污泥是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等微生物群体与污水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起所形成的、具有很强的吸附分解有机物能力和良好沉降性能的絮绒状污泥颗粒，因具有生物化学活性，所以被称为活性污泥。活性污泥的性状：从外观上看，活性污泥是像矾花一样的絮绒颗粒，又称生物絮凝体，絮凝体直径一般为0.02——0.2mm,在静置时可立即凝聚成较大的绒粒而下沉。活性污泥的颜色因污水水质不同而异，一般为黄色或茶褐色，供氧不足或出现厌氧状态时呈黑色，供氧过多营养不足时星灰白色，略显酸性，稍具土壤的气味并夹带-些霉臭味。活性污泥含水率很高，一般都在99%以上，其比重因含水率不同而异，曝气池混合液相对密度为1.002——1.003，而回流污泥相对密度为1.004——1.006.活性污泥表面积一般为20——100cm2/mL。活性污泥的组成：活性污泥中的固体物质不到1%，由有机物和无机物两部分组成，其组成比例则因原污水性质不同而异。有机组成部分主要为栖息在活性污泥中的微生物群体，还包括入流污水中的某些惰性的难被细菌摄取利用的所谓“难降解有机物”、微生物自身氧化的残留物。活性污泥微生物群体是一个以好氧细菌为主的混合群体，其他微生物包括酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物、后生动物等，正常活性污泥的细菌含量一般为107——108个/mL，原生动物为100个/mL左右。在活性污泥微生物中，原生动物以细菌为食，而后生动物以原生动物、细菌为食，它们之间形成一条食物链，组成了一个生态平衡的生物群体。活性污泥细菌常以菌胶团的形式存在，呈游离状态的较少，这使细菌具有抵御外界不利因素的性能。游离细菌不易沉淀，但可被原生动物捕食，从而使沉淀池的出水更清澈。活性污泥的无机组成部分则全部是由原污水挟入，至于微生物体内存在的无机盐类，由于数量极少，可忽略不计。总之，活性污泥由下列四部分物质所组成:①具有代谢功能活性的微生物群体(M);②微生物(主要是细菌)自身氧化残留物(M);③由原污水挟入的难生物降解有机物(M;);④由原污水挟入的无机物质(M;)。其中活性微生物群体是活性污泥的主要组成部分。二、基本流程活性污泥法是以污水中的有机污染物为培养基，在有溶解氧条件下，连续地培养活性污泥，利用其吸附凝聚和氧化分解功能净化污水中有机污染物的一类生物处理方法。以曝气池和二沉池为主体组成的整体称作活性污泥系统，完整的活性污泥系统还包括实现回流、曝气、污泥处置功能所需的辅助设施。图1是活性污泥处理系统的基本流程，该流程也称为传统(普通)活性污泥法流程。由图1可知，经过适当预处理的污水与回流污泥一起进入曝气池形成混合液，在曝气池中，回流污泥微生物、污水中的有机物以及经曝气设备注入曝气池的氧气三者充分混合、接触，微生物以污水中可生物降解的有机物进行新陈代谢，同时溶解氧被消耗，污水的BOD5得以降低，随后混合液流入二沉池进行固、液分离，流出二沉池的就是净化水。二沉池底部经沉淀浓缩后的污泥大部分再经回流污泥系统回到曝气池，其余的则以剩余污泥的形式排出，进入另设的污泥处理系统进一步处置，以消除二次污染。曝气池作为生化反应器，通过回流活性污泥及排出剩余污泥，保持着一定量的微生物，去接纳允许进入反应器的有机污染物量;二沉池作为活性污泥法系统的一个重要组成部分，进行活性污泥和水的分离，通过回流方式与曝气池紧密相连，提供曝气池所需的活性污泥微生物，形成一-个有机整体共同运行。三、活性污泥净化反应过程活性污泥净化反应过程比较复杂，既有活性污泥本身对有机污染物的吸附、絮凝等物理、化学或物理化学过程，也有活性污泥内微生物对有机污染物的生物转化、吸收等生物或生物化学过程，大致可以分为以下两个阶段。(一)初期吸附去除阶段在污水与活性污泥接触、混合后的较短时间(5——10min)内，污水中的有机污染物，尤其是呈悬浮态和胶体态的有机物，表现出高的去除率，这种初期高速去除现象是物理吸附和生物吸附综合作用的结果。在此过程中，混合液中有机底物迅速减少，BOD迅速降低，见图2中吸附区曲线。这是由于活性污泥的表面积大，并且在表面上富集着大量的微生物，外部覆盖着多糖类的黏质层，当污水中悬浮态、胶体态的有机底物与活性污泥絮体接触时，便被迅速凝聚和吸附去除。这种现象就是“初期吸附去除”作用。初期吸附过程进行得很快，一般在30min内便能完成，污水BOD的吸附去除率可达70%，对于含悬浮态和胶体态有机物较多的污水，BOD可下降80%——90%。初期吸附速度主要取决于微生物的活性和反应器内水力扩散程度与水力动力学规律，前者决定活性污泥微生物的吸附、凝聚效能，后者则决定活性污泥絮体与有机底物的接触程度。活性污泥微生物的高吸附活性取决于较大的比表面积和适宜的微生物增殖期，一般而言，处于“饥饿”状态的内源呼吸期微生物，其吸附活性最强。(二)代谢稳定阶段被吸附在活性污泥微生物细胞表面的有机污染物，在透膜酶的作用下，溶解态和小分子有机物直接透过细胞壁进入细胞体内，而胶体态和悬浮态的大分子有机物如淀粉、蛋白质等则先在细胞外酶一水解酶的作用下，被水解为溶解态小分子后再进入细胞体内，此时水解产生的部分溶解性简单有机物会扩散到混合液中，造成混合液BOD值升高，如图2中胞外水解区曲线所示。进入细胞体内的有机污染物，在各种胞内酶(如脱氢酶、氧化酶等)的催化作用下，被氧化分解为中间产物，有些中间产物合成为新的细胞物质，另一些则氧化为稳定的无机产物，如CO2和H2O等，并释放能量供合成细胞所需，这个过程即物质的氧化分解过程，也称稳定过程。在此过程中，不稳定的高分子有机物质通过生化反应被转化为简单稳定的低分子无机物质，混合液BOD逐渐降低，如图2中胞内生物氧化区曲线所示。稳定过程所需时间取决于有机物的转化程度，要比吸附过程长得多。四、活性污泥法工艺类型活性污泥法已有近百年的历史，其工艺经历了不断的改进、革新和繁衍，在传统活性污泥工艺的基础上，出现了渐减曝气、阶段曝气、吸附-再生、完全混合、延时曝气、高负荷、纯氧曝气、深井曝气、浅层曝气、氧化沟、SBR、AB等众多的活性污泥法工艺，以及活性污泥与生物膜相结合的多孔悬浮载体活性污泥工艺、活性污泥法与膜分离法相结合的膜生物反应器工艺等。下面主要介绍传统推流、完全混合、吸附-再生、氧化沟、SBR、AB、多孔悬浮载体活性污泥工艺和膜生物反应器工艺等几种活性污泥法工艺。1、传统活性污泥法工艺传统活性污泥法又称为普通活性污泥法，是活性污泥法最早的运行方式，曝气池呈长方廊道形，一般用3——5个廊道，在池底均匀铺设空气扩散器，其工艺流程如图1所示，污水和回流污泥在曝气池首端进入，在池内呈推流形式流动至池的尾端，在此过程中，污水中的有机物被活性污泥微生物吸附，并在曝气过程中被逐步转化，从而得以降解。传统活性污泥法具有净化效率高(BOD5去除率可达90%以上)、出水水质好、污泥沉降性好、不易发生污泥膨胀等优点，但存在以下缺点:(1)曝气池首端有机负荷高，为了避免池首出现因缺氧造成的厌氧状态，进水BOD负荷不宜过高，因此曝气池容积大、占地多、基建费用高。(2)抗冲击负荷能力差，处理效果易受水质、水量变化的影响。(3)供氧与需氧不平衡，此为传统法的主要缺点。如图3所示，曝气池中需氧速率沿池长由大到小变化，而供氧速率不变，若按池尾需氧要求均匀曝气，则会产生池首缺氧问题:若按池首需氧要求均匀曝气，必然产生池后段供气浪费问题。为了使供氧与需氧尽可能相匹配，可采取沿池长渐减曝气和阶段曝气，由此产生了渐减曝气活性污泥法工艺和阶段曝气活性污泥法工艺。渐减曝气法通过改变传统法曝气池底扩散器的铺设方式，使供氧速率如需氧速率一样沿池长逐步递减变化，如图4所示;阶段曝气法工艺流程如图5所示，将传统法的单点进水改为多点进水，而曝气方式不变，使原来由曝气池首端承担的较高有机负荷沿池长均匀承担，从而缩小了供氧速率与需氧速率的差距，如图6所示。2、完全混合活性污泥法工艺在阶段曝气法基础上，进一步增加进水点数的同时增加回流污泥的入流点数，即形成如图7所示的完全混合活性污泥法工艺，污水与回流污泥进入曝气池即与池内混合液充分混合，传统法曝气池中混合液不均匀的状况被改变，池内需氧均匀，因此，完全混合活性污泥法动力消耗低、耐冲击负荷能力强，但有机物降解动力低，因而出水水质一般低于传统法，且活性污泥易产生膨胀现象。3、吸附-再生活性污泥法工艺吸附-再生活性污泥法又称为接触稳定法或生物吸附活性污泥法，其主要特点是将活性污泥对有机物降解的两个过程——吸附与代谢稳定分别放在各自的反应器内进行，图8为吸附-再生活性污泥法的工艺流程，其中图8(a)为分建式，即吸附池与再生池分开设置，图8(b)为合建式，吸附池与再生池合建。污水与经过再生的活性污泥一起进入吸附池，约70%的BOD5可通过吸附作用得以去除，混合液从吸附池进入二沉池进行泥水分离，回流的活性污泥先进入再生池再生，恢复活性后再回到吸附池进行下-轮吸附，剩余污泥则不经曝气直接排出系统。吸附-再生法主要利用活性污泥的“初期吸附”作用去除有机物，此过程非常快，所需时间短，因此吸附池容积小；活性污泥易吸附悬浮态和胶体态有机物，故污水不需经初沉池预处理;再生池只对部分污泥(回流部分)曝气再生，因此曝气费用少，且再生池容积小，对于相同的处理规模，吸附池和再生池总容积比传统法曝气池容积小得多;但由于受活性污泥吸附能力和吸附特性的限制，吸附再生法的处理效果低于传统法，而且不宜处理溶解性有机污染物含量高的污水。4、吸附生物降解工艺吸附-生物降解工艺简称AB法或AB工艺，其工艺流程如图9所示，整个系统由预处理段、A段、B段三个部分组成，预处理段只设格栅、沉砂池等简易处理设施，不设初沉池;A段和B段是两个串联的活性污泥系统，A段为吸附段，由吸附池和中间沉淀池组成，主要用于污染物的吸附去除，其污泥负荷达2.0——6.0kg(BOD5)/[kg(MLSS)·d],为传统法的10——20倍，泥龄短(0.3——0.5d)，水力停留时间短(约30min)。A段的活性污泥全部是繁殖快、世代时间短的细菌，通过控制溶解氧含量，可使其以好氧或缺氧方式生活;B段为生物氧化段，由曝气池和二沉池组成，与传统法相似，主要用于氧化降解有机物，在低负荷下运行，污泥负荷为0.15——0.3kg(BOD5)/[kg(MLSS)·d],水力停留时间较长(2——6h)，泥龄较长(15——20d);A段与B段各自拥有独立的污泥回流系统，两段完全分开，每段能够培育出适于本段水质特征的微生物种群。污水经过A段处理后，BOD5去除率为40%——70%，同时重金属、难降解物质以及氮、磷营养物质等也得到一定的吸附去除，不仅大大减轻了B段的有机负荷，而且污水的可生化性提高，有利于B段的生物降解作用。B段发生硝化和部分的反硝化，活性污泥沉淀性能好，出水SS和BOD5一般小于l0mg/L。AB工艺出水水质好、处理效果稳定，具有抗冲击负荷、pH值变化的能力，并能根据经济实力进行分期建设，可用于老污水处理厂改造，以扩大处理能力和提高处理效果。此外，对于有毒有害污水和工业污水比例较高的城市污水处理，AB法具有较大优势。5、氧化沟工艺氧化沟工艺是20世纪50年代由荷兰的帕斯维尔(Pasveer)研发的一种污水生物处理技术，属于延时曝气法的一种特殊形式，因其构筑物呈封闭的沟渠型而得名，由于其出水水质能达到设计要求，并且运行稳定、管理方便，目前，氧化沟污水处理技术已广泛应用于城市污水、工业废水(包括石油、化工、造纸、印染及食品加工废水等)处理工程。(1)氧化沟的组成氧化沟由氧化沟池、曝气设备、进出水装置、导流和混合装置等组成。氧化沟池属于封闭环流式反应池，沟体狭长，一般星环形沟渠状，平面多为椭圆形(图10)，总长可达几十米，甚至百米以上。在环形沟槽中设有曝气设备，推动污水和