趙體金

(天津市敬業(yè)精細化工有限公司/天津市濱海新區(qū)渤海精細化工基地，天津 300270)

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國外廢水處理活性污泥工藝進展

趙體金

(天津市敬業(yè)精細化工有限公司/天津市濱海新區(qū)渤海精細化工基地，天津 300270)

介紹了活性污泥法的基本原理，比較了不同工藝流程，闡述了生物處理工藝步驟和去營養(yǎng)化能力以及強化去氮、磷的措施，分析了廢水處理廠優(yōu)勢和缺點，對于生物廢水處理的發(fā)展前景進行了展望。

活性污泥；廢水處理；生物處理工藝

1　廢水處理廠概述

包含不同功能反應(yīng)器(池、罐)的污水處理系統(tǒng)稱為污水處理廠，其污水流量是完全受控并經(jīng)優(yōu)化的。污水處理廠可包含物理、化學(xué)和生物工序。在物理處理工序中，較重顆粒沉淀于池底而懸浮于水面的較輕廢物被除去。在化學(xué)處理工序中，可加入金屬鹽沉淀磷，磷的去除可以在處理工藝的不同階段進行，早于、同時、晚于生物處理工序相應(yīng)地被稱為預(yù)沉淀、共沉淀、后沉淀。生物處理工序反應(yīng)器可包含固體界面以支撐細菌生長和生物膜擴展，如生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、流化床(圖1(b))；也可讓細菌在水中自然懸浮固體上生長(即活性污泥工藝)(圖1(a))。

圖1　活化絮(a)和固體表面生物膜(b)的結(jié)構(gòu)

活性污泥工藝可以設(shè)計成連續(xù)流動系統(tǒng)[1]或序批式反應(yīng)器活性污泥系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)一般都包含生物曝氣去營養(yǎng)工序和污泥沉降工序，不同之處在于，連續(xù)處理系統(tǒng)中兩工序在兩個不同的反應(yīng)器中進行，而在序批式反應(yīng)器活性污泥法中，兩工序是在同一反應(yīng)器中順序進行。

2　連續(xù)流系統(tǒng)和序批式反應(yīng)器活性污泥法

傳統(tǒng)連續(xù)流系統(tǒng)中，廢水首先被輸入曝氣池(圖2a)。廢水和壓縮空氣可以從一端引入，整個曝氣池溶氧和底物存在濃度梯度，也可以從多點引入，這樣曝氣池中溶氧和底物濃度較均一。另外，廢水可流經(jīng)幾個開放式水池，在完全混合工藝中，廢水也在水池間循環(huán)。在清水流出之前先經(jīng)過一個澄清池使固體顆粒沉淀，含存活生物量的過量污泥分離出來單獨處理，部分污泥會循環(huán)利用以保持系統(tǒng)處理能力穩(wěn)定。整個過程與實驗室和許多工業(yè)生產(chǎn)過程中的微生物連續(xù)培養(yǎng)相同。

序批式活性污泥系統(tǒng)由連續(xù)的進水-排水循環(huán)組成，每個循環(huán)包括進水、反應(yīng)、沉降、排水、備用等一系列單元操作。因而，在反應(yīng)階段也就是菌體生長階段后，產(chǎn)生的生物量可以沉淀，而上層清液可以排出。此過程類似于實驗室細菌批培養(yǎng)。

3　生物處理工藝控制

活性污泥系統(tǒng)的生物處理步驟需要適當?shù)鼗旌?，以使懸浮固體、空氣、營養(yǎng)成分密切接觸，基于混合方式不同可分為柱塞流系統(tǒng)和完全混合系統(tǒng)。此時大量空氣從下面通入反應(yīng)器以有效混合并供給充分的氧氣供好氧微生物呼吸，將溶氧應(yīng)控制在2 mg/L左右，為微生物生長提供優(yōu)良的環(huán)境，在此階段形成了高活性微生物群落的三維聚集物，稱為絮(圖1a)，典型絮直徑為100～500 μm。新的顯微技術(shù)比如熒光顯微鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡結(jié)合影像分析技術(shù)已應(yīng)用于分析活性污泥聚集體，通常，絮中可辨別出四種主要結(jié)構(gòu)：①活性和失活微生物細胞，主要是細菌、原生動物和后生動物；②胞外聚合物，如碳水化合物、蛋白質(zhì)；③無機顆粒(沙)；④水。從技術(shù)角度看，污泥特性至關(guān)重要。形成具有優(yōu)良沉降特性的致密絮體將方便操作。絲狀細菌總是出現(xiàn)在運轉(zhuǎn)良好的工藝過程中，沒有污泥膨脹或大量起泡的征兆。一般采用幾個污泥指標來描述和表征污泥特性[2]。

偶爾，絲狀細菌比例增加會形成沉降緩慢結(jié)構(gòu)松散的菌絮團。這種膨脹現(xiàn)象導(dǎo)致不可控的固體損失(包括活性硝化菌)。雖然絕大多數(shù)絲狀細菌是異養(yǎng)生物，但是極難培養(yǎng)，約10種絲狀細菌看似涉及大多數(shù)膨脹事件。其中微絲菌似乎是特別重要的[3]，這種細菌長而細，卷曲的外觀使它容易從活性污泥樣品顯微鏡檢中區(qū)分出來。微絲菌在溶氧大于6 mg/L時受到抑制而在0.4 mg/L時生長良好，因而應(yīng)認為是一種微需氧菌。雖然8 ℃時也觀察到它的生長，但據(jù)報道最適生長溫度是25 ℃，喜歡偏堿性環(huán)境，最大生長速度范圍在0.38～1.44 d-1。該細菌不能利用葡萄糖，但可利用長鏈脂肪酸，如油酸。它可以儲存胞內(nèi)PHA和脂類?；钚晕勰喙に囍幸蚪z狀微生物增長引起的污泥膨脹沒有可靠的控制策略。根據(jù)細菌生理特性，建議采取下面工藝措施來減少其豐度：縮短污泥停留時間，增加溶氧到2 mg/L以上，通過浮選法清除大量油脂。

圖2　活性污泥工藝

引起固體分離困難的另一普遍問題是起泡[1]。穩(wěn)定的泡沫將澄清池的污泥和固體殘渣帶到水池表面。泡沫通常由稠密絲狀菌體和氣泡組成。微絲菌比活性污泥中其它種類的菌更具疏水性，常常與起泡問題相關(guān)。污泥泡沫中確認的另一類菌是產(chǎn)分枝菌酸的放線菌。最常用的控制起泡方法與控制膨脹方法相同，但起泡問題的嚴重性迫使人們開發(fā)了物理和化學(xué)的應(yīng)急措施來進行控制。

4　去營養(yǎng)能力

恰當控制的活性污泥工藝能夠高效除去有機碳并礦化、硝化氮。通常對城市廢水的COD和BOD去除能力分別超過85%和95%。碳的減少依靠有氧呼吸消耗、生物量生長形成的沉淀污泥的去除以及溶解性和顆粒狀有機物的絮凝。另外，分別有20%～30%的磷和氮隨著沉降污泥工藝對減少氮和磷不太有效。通過引入化學(xué)沉淀和聯(lián)合硝化-反硝化，磷和氮的去除率可分別提高到90%和70%以上。

活性污泥系統(tǒng)產(chǎn)生的大量污泥是一個需要解決的問題。雖然污泥富含植物營養(yǎng)素，是潛在的有機肥料，但由于存在病菌和化學(xué)毒物的風險，比如污泥中的重金屬，將污泥循環(huán)用于耕地肥料是有問題的，因而，人們設(shè)法盡量減少污泥產(chǎn)量，可以增加曝氣時間導(dǎo)致污泥駐留時間延長，內(nèi)源代謝時間相應(yīng)延長，也就是裂解細胞和顆粒物質(zhì)的礦化以及胞內(nèi)物質(zhì)的微生物降解時間延長，也可以使用水生肉食寡毛類微生物減少過量污泥生成。減少污水處理系統(tǒng)污泥量的一個常用方法是采用厭氧反應(yīng)器處理污泥以產(chǎn)生生物氣(CO2和CH4)。

5　強化清除氮、磷

人們早就知道聯(lián)合應(yīng)用硝化菌與反硝化菌是廢水除氮的有效生物手段。為兩種菌提供適宜環(huán)境條件的方案是在厭氧池前連上好氧池，即所謂的后置反硝化工藝(圖2b)。不過，由于大多數(shù)有機物在好氧區(qū)分解，該設(shè)置因除氮菌缺乏易得能量而效率不高。更有效的方案是將厭氧區(qū)置于好氧區(qū)之前，并在兩區(qū)循環(huán)污水。這種前置反硝化設(shè)計中，除氮菌既有缺氧環(huán)境，又有進水中的新鮮有機物。另一方案是用外部有機能源支撐反硝化。據(jù)報道，采用醋酸鹽、乙醇、甲醇可有效反硝化。對醋酸鹽和乙醇的利用是直接的，因為這些分子是有機營養(yǎng)菌正常代謝途徑中的成分。用甲醇反硝化則需要較長的適應(yīng)期，通常需要幾個月。只有少數(shù)生長緩慢的特種菌，如生絲微菌屬，能利用一碳化合物(CH3OH)，而且代謝途徑復(fù)雜。

伴隨著新菌株的發(fā)現(xiàn)，生物除氮技術(shù)開發(fā)了一些新方法。通過部分硝化結(jié)合厭氧氨氧化工藝，建立了一些低消耗除氮技術(shù)(圖3b和e)[4,5]。在部分硝化工藝中，阻止亞硝酸鹽氧化菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，而是通過異養(yǎng)反硝化直接去除亞硝酸鹽。在高效去除亞硝酸銨的單一反應(yīng)器系統(tǒng)，使用比氨氧化菌生長速度慢的亞硝酸鹽氧化菌在較高溫度(大于26 ℃)下實現(xiàn)了不完全硝化。應(yīng)用高水壓駐留時間，亞硝酸鹽氧化菌被洗出，積累的亞硝酸鹽在后續(xù)反應(yīng)器厭氧氨氧化工序中去除。在此過程中，氨作為電子供體，亞硝酸鹽被氧化。部分硝化工藝中，半數(shù)氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽。此工藝的一個優(yōu)點是反硝化工序不需要額外的有機能。另一變化是硝化菌在單一反應(yīng)器中將銨氧化成硝酸鹽，消耗氧造成厭氧氨氧化菌需要的缺氧環(huán)境。該工藝稱為全自養(yǎng)亞硝酸鹽脫氮，簡稱CANON。

圖3　生態(tài)系統(tǒng)中5種微生物轉(zhuǎn)化除氮過程

既然生物除氮和強化生物除磷都需要交替循環(huán)的好氧和厭氧條件，將兩者結(jié)合起來順理成章。不過，事情并不像看起來那么容易。除了變換厭氧和好氧機制，厭氧區(qū)必須保持完全無氧以提供脂肪酸類的發(fā)酵終產(chǎn)物，并篩選聚磷菌。厭氧區(qū)硝酸鹽含量必須較低，否則，異養(yǎng)反硝化菌會消耗聚磷菌需要的有機分子。在所謂的三階段PHOREDOX工藝中，進水首先進入?yún)捬醴磻?yīng)器，然后轉(zhuǎn)入兼氧反應(yīng)器，同時補入最后好氧反應(yīng)器循環(huán)過來的活性污泥(圖2c)。這種方式，很少硝酸鹽隨著澄清池污泥返回系統(tǒng)前部。因而，這種設(shè)計既能除磷又能除氮。

6　調(diào)控模型

活性污泥工藝不只包含多個工序，進水特性也隨時變化。這就使工藝調(diào)控和優(yōu)化十分必要。由活性污泥模型、水力模型、氧傳遞模型、沉淀池模型組合的總模型可描述真實的污水處理廠?；钚晕勰嗄Ｐ陀靡唤M微分方程描述過程中發(fā)生的生物反應(yīng)。污水處理廠模型除了用于控制和優(yōu)化，還用于模擬不同情景以學(xué)習或評估新的設(shè)計方案[6]。

7　廢水處理廠的優(yōu)缺點

活性污泥工藝的基礎(chǔ)設(shè)計方案具有較高的生物氧化碳和氮的能力，而且是在較小的單元里完成，也就是需要空間小，這常常是城區(qū)污水處理的先決條件。通過調(diào)整設(shè)計，大量的氮和磷也可用生物工藝除去。SBR工藝是既穩(wěn)定又靈活的活性污泥工藝，生物量沒有洗出損失，處理有機物和水負荷變化的適應(yīng)性良好。另外，維持SBR工藝需要的設(shè)備和人工更少。

活性污泥法污水處理工藝操作需要很多知識和經(jīng)驗?；钚晕勰喙に囋O(shè)計重點大多放在去營養(yǎng)效率方面。雖然病菌一般可有效去除，但大多數(shù)污水處理廠不是為處理致病微生物設(shè)計的，而且，對微生物菌群的環(huán)境篩選壓力可能造成高度特化的生態(tài)系統(tǒng)，因此，處理工藝可能易被環(huán)境變化干擾，如污水負荷、組成以及毒物的變化，造成維護成本升高。系統(tǒng)中氮這種有價值的植物營養(yǎng)素以氣態(tài)散發(fā)出去，而不是用于作物生產(chǎn)。另外，富含植物營養(yǎng)素的污泥可能含有重金屬以及人為的有機污染物，可能對生態(tài)系統(tǒng)造成風險，因而常常必須謹慎存放或焚燒。

活性污泥工藝設(shè)計仍在持續(xù)地改進中，以應(yīng)對各種廢水高效低耗的處理要求。

8　生物污水處理展望

最初的污水處理是因衛(wèi)生需求引入。當今工業(yè)化社會，污水處理廠和耕地貢獻了相當比例的氮，使水環(huán)境嚴重富營養(yǎng)化。大多自然生態(tài)環(huán)境在磷和氮等主要營養(yǎng)元素缺乏情況下可控，意味著富營養(yǎng)化經(jīng)常直接影響生態(tài)系統(tǒng)的反應(yīng)。因而使污水處理系統(tǒng)適應(yīng)自然生物地球化學(xué)循環(huán)并和可持續(xù)發(fā)展社會愿景一致非常重要。

城市污水污泥應(yīng)被視為有價值的資源而循環(huán)利用于作物和能量生產(chǎn)。無論磷的提取還是無機氮肥生產(chǎn)都要消耗大量礦石燃料。因而，未來一個重要的目標就是形成一個可持續(xù)的植物營養(yǎng)循環(huán)，通過食物生產(chǎn)、精制、消費、廢物處理再返回耕地。為此，排放的廢水必須含有盡可能多的磷和氮，同時有機和無機毒物含量降到最少。

這樣的全球目標需要具備處理不斷增多的污水的能力。不但就具體問題選擇具體方案很重要，而且要考慮到水動力學(xué)和生物工藝學(xué)包含的廣泛的科學(xué)基礎(chǔ)知識，同時優(yōu)化處理方案的能力也是至關(guān)重要的?？茖W(xué)知識對于深入理解生物處理系統(tǒng)優(yōu)化中的關(guān)鍵微生物過程非常重要，但最重要的是大家要形成廢水也是資源的意識，并鼓勵全社會為此獻計獻策。

[1]Seviour RJ， Blackall LL. The Microbiology of Activated Sludge [M]. Dordrecht: Kluwer Academic,1999.

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Review on Activated Sludge Process for Wastewater Treatment in Foreign Countries

Zhao Tijin

(TianjinJingyeFineChemicalCo.,Ltd,BohaiFineChemicalBase,BinhaiNewDistrict,TianjinCity300270，China)

The basic principle of activated sludge method was introduced, and the different processes were compared in this paper. This paper expounded the biological treatment process steps, nutrient remove capacity and enhanced nitrogen and phosphorus reduction, analyzed the strengths and weaknesses of WWTP. The prospects for the development of biological wastewater treatment were discussed.

activated sludge; wastewater treatment; biological process

2016-05-31

趙體金(1969—)，男，高級工程師，主要從事微生物發(fā)酵產(chǎn)品研發(fā)工作。

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A

1674-9944(2016)14-0074-04