活性污泥法研究进展
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活性污泥法及其研究进展
索金莉,单爱琴
中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008
E-mail:[email protected]
摘要:活性污泥法是处理城市污水和有机工业废水应用最广泛的一种方法。随着对微生物反应及其净化机理的研究的不断深入,对实际投入生产问题的不断改进,相继出现了活性污泥法的多种流程及工艺方法,处理效果与功能能得到不断改善。本文通过对活性污泥法的主要运行方式及当前污水处理的工艺应用发展现状的论述,对活性污泥法的发展趋势进行进一步探究。
关键词:废水处理;活性污泥法;运行工艺
中途分类号:X703
1. 引言
社会经济的高速发展,带来了日益严重的环境问题,而随着社会的进步,人民对生活环境的质量要求越来越高,城市水环境问题成为关注的焦点。2008年全国废水排放总量为572.0亿吨。随着城市化得进程加快,城市污水排放量也迅速增长。而我国约有70%的河川湖泊和沿海受到了不同程度的污染,更加说明了水处理技术研究的重要性。
活性污泥法是目前有机废水处理的主要方法[1]。它是一种好氧生物处理方法,利用活性污泥中的微生物[2]摄取废水中的有机底物进行代谢利用而被去除,使污水得以进化。迄今为止,随着技术的不断演变发展,活性污泥法有多种运行方式。
2. 活性污泥法的运行方式
1880年英国与美国有把空气吹入污水中进行净化的实验,1912年英国的Clark 和Gage 在Lawrence 研究所试验中发现对污水长时间曝气会产生污泥同时水质会改善,之后英国的Arden 和Locdett 实验中发现把空气吹入生成的污泥中循环使用可以加速污水的净化,他们于1914年开创了活性污泥法。1916年英国曼彻斯特建成了第一个活性污泥法污水处理厂。1930年人们认识到活性污泥法是由于微生物的作用净化污水。1942年Gould 等提出分段曝气法,1944年Stter 提出了修正曝气法,之后又相继研究了高效活性污泥法,延时曝气法等所多种活性污泥法的运行方式,不断发展进步。[3]
2.1传统活性污泥法
传统活性污泥法工艺流程如图1所示,由四部分组成:曝气系统,二沉池,污泥回流系统,剩余污泥排放系统[4]。传统活性污泥法是以推流式曝气池为核心的,废水在曝气池内与污泥混合,活性污泥微生物进行连续吸附和代谢,进入二沉池中进行固液分离,沉淀的污泥一部分以回流形式返回曝气池,另一部分作为剩余污泥排出,维持系统的稳定运行。BOD 5的去除率可达90-95%,净化效果和沉降性能均较好,但是其池容积较大,占地面积较大,曝气池池末端可能出现供养速率高于需氧速率的现象而有动力损失,对冲击负荷的适应性较
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图1传统活性污泥基本流程
2.2完全混合活性污泥法
完全混合法中的入流废水进入曝气池中即与池内的废水完全混合,曝气池内营养与需氧速率都是均匀的,微生物群的性质和数量基本上到处相同,可以方便地通过F/M的调节,使反应器内的有机物降解反应控制在最佳状态,对冲击负荷有一定的抵抗能力,多用于处理较高浓度的有机工业废水和制药废水,近年来也有将其应用于处理生活污水的研究[5]。但该工艺在进水水质比较稳定和常用的负荷条件下出水水质往往比传统活性污泥法较差。
2.3多点进水活性污泥法
多点进水法又称阶段曝气法,它是传统活性污泥法的一个简单改进,克服了其氧利用率不充分的缺憾。废水沿池多点注入,有机物负荷分布较均匀,降低了池前端的耗氧速率,改善了供养速率与需氧速率之间的矛盾,同时也提高了曝气池对冲击负荷的适应能力,混合液中的活性污泥浓度沿池逐步降低,则排出的混合液污泥浓度较低,减轻了二沉池的负荷。
2.4延时曝气活性污泥法
通常采用完全混和型曝气池且曝气时间一般达24h 以上,因为曝气时间长其废水中所含有机物被活性污泥的微生物充分氧化分解,又称完全氧化活性污泥法。其优点是有机负荷率较低,污泥因为处于内源代谢状态剩余污泥量少,无需消化而直接排放,处理出水水质及稳定性都较好,可不设初沉池。缺点是池容大,曝气时间厂,则基建与运行费用较高,一般处于水量小出水水质要求较高的城市污水和工业废水,可处理一些有机物含量高且难降解的有机废水。王海波[6]等通过改进工艺,将延时曝气法应用于低DO 条件下处理废水,降低了曝气能耗,同时也达到了良好的处理效果。
2.5高负荷活性污泥法
高负荷活性污泥法的工艺流程与普通活性污泥法基本相同,主要分两种,一种是采用低污泥浓度,短时间曝气,是微生物维持在对数增长期,以BOD 的高速去除为特征,去除效率低,约为70%左右,另一种是采用高污泥浓度,短曝气时间使微生物维持在衰减增长期,一般去除率为80%左右。其运行费用较低,处理流程简单,且有一定的脱氮除磷效果,但其有机物去除效率低,仅适用于出水水质要求较低或前一级处理,属于强化一级处理工艺[7]。
2.6吸附再生活性污泥法
20世纪七十年代联邦德国亚琛工业大学的宾客教授提出了活性污泥净化废水分为吸附、稳定两个阶段,前一阶段只需30min ,后一阶段则需几个小时,吸附再生活性污泥法则
是把这两个阶段分别在各自的反应器内进行,活性污泥在曝气池中吸附15—30min后,迅速进入沉淀池沉淀1h 后,使浓缩的污泥进入再生池进行通风曝气,有机物彻底被氧化分解,最后污泥会流入曝气池[8]。这种工艺即AB 法,它由于A 段的抗pH 冲击能力强、抗毒性、能够降解部分难降解物等性能[9]而使AB 法具有反应池容积小、造价低,耐冲击负荷、出水水质稳定可靠,可以用于处理城市生活污水[10]及工业废水[11],亦可用于老厂改造以提高处理效果。因为AB 但也有废水处理效果低于传统法,对溶解性有机物含量较高的废水处理效果差的缺点。近年来,也有一些对AB 法的改进以加强其对有机物的去除率及增加脱氮除磷能力,王存峰[12]等利用ASM2D 活性污泥模型对济宁污水厂AB 法进行模拟改进,模拟结果表明将B 段改造为A 2/O工艺,可使出水水质达到国家一级B 排放标准并具有脱氮除磷的要求。
2.7纯氧曝气活性污泥法
纯氧中氧分压比空气中高5倍,纯氧曝气可大大提高氧的转移效率,可提高到80—90%,这样使曝气池内活性污泥浓度高达4000—7000mg/l,大大提高了曝气池的容积负荷,剩余污泥常量少,处理效率明显提高。其一般适用于处理负荷大,但空间小,或有机物浓度高、波动大时。在我国,纯氧曝气最早应用于石油化工行业,渐渐试用于轻工、医药、造纸、燃料等难降解废水行业[13]。
2.8序批式间歇活性污泥法
它是由按一定时间顺序间歇操作运行的反应器。每个间歇反应器在处理废水时的操作过程包括五个阶段,进水、反应、沉淀、排水排泥至闲置期结束为一个运行周期。一个运行周期中,各个阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化及运行状态等都可以根据具体污水的性质、出水水质及运行功能要求灵活掌握[14]。SBR 工艺早在20世纪初已有应用,但由于人工管理困难和繁琐等原因未有推广使用,近年来在国内外被引起广泛重视,研究日趋增多。产生了各种新的变型[15]。ICEAS 在传统SBR 反应器的进水端增加了一个预反应区,运行方式为连续进水,间歇排水;Goronszy 教授在ICEAS 的基础上研究开发出一种改良型的CASS 工艺[16];DAT-IAT 工艺提高了反应池的容积利用率;Dague 教授把SBR 运用于厌氧处理开发了厌氧序批式活性污泥法ASBR [17]。
2.9氧化沟
1954年在荷兰的V oorshoper 市建成了第一家氧化沟污水处理厂,它将曝气、沉淀和污泥稳定等处理过程集于一体,间歇运行,BOD 5去除率高达97%,管理方便,运行稳定,称为Passveer 沟,它的曝气设备为Kessensre 转刷。氧化沟的曝气池呈封闭的沟渠型。1968年。荷兰工程师将立式低速表曝机应用于氧化沟,把它安装在中心挡板的末端,利用表曝机产生的径流为动力推流,这一工艺称为Carrousel 氧化沟,至此氧化沟沟深可增加到4.5米以下。1970年,Huisman 在南非开发了使用转盘曝气机的Orbal 氧化沟。我国从八十年代以来也开展了对氧化沟工艺的研究。重庆建筑大学邓荣森[18]等人研究了侧渠式氧化沟与厌氧相结合对高浓度有机废水处理的应用,侧渠式实现无泵污泥的自动回流,厌氧组合有助于提高出水水质;周律[19]等人研究了三沟式氧化沟实际应用于邯郸市东污水处理厂级运行效果等。研究表
明,氧化沟工艺的主要特点是进出水装置简单,污水的流态可看成是完全混合式,由于池体狭长又类似于推流式,BOD 负荷低,处理水质良好且产泥率低,并可同时实现脱氮[20]。
3. 活性污泥法在发展中的问题
3.1脱氮除磷的功能
随着城市化水平的不断提高,污水中氮、磷排放总量不断增加,湖泊河流水体富营养化问题严重,2007年太湖蓝藻事件的爆发无疑敲响了警钟。污水排放标准的更加严格是发展趋势,目前对污水生物脱氮除磷的机理、影响因素及工艺等的研究引起广泛关注[21]。活性污泥法逐步研究出新的改革工艺。A 2/O工艺即厌氧—缺氧—好氧活性污泥法,污水进入厌氧区和好氧区完成除磷功能,污水进入厌氧区氨化,好氧区硝化,内回流到缺氧区反硝化完成脱氮功能;倒置A 2/O工艺将缺氧段前置,优先满足了反硝化对碳源的需求,取消了内回流;UCT 工艺将活性污泥回流至缺氧池的前端在,再将活性污泥回流至厌氧池;聂福胜[22]等人运用MUCT 工艺设计建造了深圳市南山污水处理厂,通过变频调泵来调整各段混合液及污泥的回流比以适应各种水质条件下对除磷脱氮的要求;荷兰Mark 教授在氧化沟及UCT 工艺的基础上研究开发出BCFS 新工艺[23],充分利用DPB(反硝化除磷菌)其出水正磷酸盐含量几乎为零;东南大学研发的五项一体化活性污泥工艺[24]是智能型的中小型除磷脱氮技术,不需污泥及混合液回流且处理效果较好;SHARON 是短程反硝化原理的具体应用,即将氨氮氧化控制在亚硝化阶段然后进行反硝化;华南理工大学奉林玉[25]等人研究的双泥膜法SBR 采用活性污泥法与生物膜法相结合,使硝化菌和除磷菌各自在最佳的环境中生长解决了传统工艺中脱氮与除磷之间的矛盾取得了稳定高效的脱氮除磷效果;中国矿业大学张雁秋
[26]提出分点进水的高效脱氮除磷ECOSUNDE 工艺,创造了硝化菌及聚磷菌的有利生存环境,实现了短时高效脱氮除磷。
3.2污泥处理
活性污泥法必然产生剩余污泥,对污水处理厂所产生的污泥处理就成了关注的重点问题。2007年我国城市污水厂的湿污泥产量为2555×104t/a[27],并且污泥的成份很复杂,含有多种有毒有害成份,易腐败且有恶臭,污泥的含水量很高,脱水干化既没有极大地降低含水率,又浪费能源。我国对污泥的最终处置有焚烧、填埋、投放,但是都会对环境带来很大的破坏及一定的经济损益,并且迄今为止,各个国家都没有行之有效的污泥回收利用的方法。所以对此问题解决行之有效的根本方法是从源头上减少污泥的产生量,即采用产泥量少,且污泥达到稳定的污水处理工艺,从而减轻了后续污泥处理工艺的负担。目前,大多研究采用过程减量化的方法即通过超声波技术[28]、臭氧法[29]、生物捕食、微生物强化、代谢解偶联[30]及氯化法[31]等来减少污泥体积,这些研究大都都处于初步探讨阶段,有待进一步发展应用。
4. 结论
科技日新月异,随着知识水平的不断提高及实际问题的探讨研究,活性污泥法不断改进,不断提出新的工艺。人们通过对传统理论水平工艺流程及反应器的改造和对微生物学及生物
化学的基础理论研究不断开发出新型工艺。从而进一步实现更好的去除有机物的能力,具有更好的脱氮除磷效果,满足更高的污水排放标准;产污泥量少,污泥达到稳定;提高曝气效率,减少能耗,运行管理更加经济方便。
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Research on activated sludge process
Suo Jinli 1, Shan Aiqin 1
School of Environmental and Spatial Information in China University of Mining &Technology,
Xuzhou,jiangsu (221008)
Abstract
Activated sludge is a popular process to treat municipal sewage and organic industrial wastewater. With the in-depth study of micro-reaction and purification mechanism, and the continuous improvement of the practical question, there are more and more activated sludge process and method, of which the treatment effect and function are continuously improved. This paper provides a review of various types water treatment currently for further exploration in the development trend of activated sludge. Keywords:wastewater treatment; activated sludge; process
作者简介:单爱琴,女,副教授,主要研究方向是环境(微)生物和环境水文地质