國外廢水處理活性污泥工藝進展

趙體金

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

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國外廢水處理活性污泥工藝進展

趙體金

(天津市敬業精細化工有限公司/天津市濱海新區渤海精細化工基地，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化能力以及強化去氮、磷的措施，分析了廢水處理廠優勢和缺點，對于生物廢水處理的發展前景進行了展望。

活性污泥；廢水處理；生物處理工藝

1　廢水處理廠概述

包含不同功能反應器(池、罐)的污水處理系統稱為污水處理廠，其污水流量是完全受控并經優化的。污水處理廠可包含物理、化學和生物工序。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地被稱為預沉淀、共沉淀、后沉淀。生物處理工序反應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)的結構

活性污泥工藝可以設計成連續流動系統[1]或序批式反應器活性污泥系統。兩種系統一般都包含生物曝氣去營養工序和污泥沉降工序，不同之處在于，連續處理系統中兩工序在兩個不同的反應器中進行，而在序批式反應器活性污泥法中，兩工序是在同一反應器中順序進行。

2　連續流系統和序批式反應器活性污泥法

傳統連續流系統中，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，廢水可流經幾個開放式水池，在完全混合工藝中，廢水也在水池間循環。在清水流出之前先經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，部分污泥會循環利用以保持系統處理能力穩定。整個過程與實驗室和許多工業生產過程中的微生物連續培養相同。

序批式活性污泥系統由連續的進水-排水循環組成，每個循環包括進水、反應、沉降、排水、備用等一系列單元操作。因而，在反應階段也就是菌體生長階段后，產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。

3　生物處理工藝控制

活性污泥系統的生物處理步驟需要適當地混合，以使懸浮固體、空氣、營養成分密切接觸，基于混合方式不同可分為柱塞流系統和完全混合系統。此時大量空氣從下面通入反應器以有效混合并供給充分的氧氣供好氧微生物呼吸，將溶氧應控制在2 mg/L左右，為微生物生長提供優良的環境，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。新的顯微技術比如熒光顯微鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡結合影像分析技術已應用于分析活性污泥聚集體，通常，絮中可辨別出四種主要結構：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；③無機顆粒(沙)；④水。從技術角度看，污泥特性至關重要。形成具有優良沉降特性的致密絮體將方便操作。絲狀細菌總是出現在運轉良好的工藝過程中，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構松散的菌絮團。這種膨脹現象導致不可控的固體損失(包括活性硝化菌)。雖然絕大多數絲狀細菌是異養生物，但是極難培養，約10種絲狀細菌看似涉及大多數膨脹事件。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，因而應認為是一種微需氧菌。雖然8 ℃時也觀察到它的生長，但據報道最適生長溫度是25 ℃，喜歡偏堿性環境，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PHA和脂類。活性污泥工藝中因絲狀微生物增長引起的污泥膨脹沒有可靠的控制策略。根據細菌生理特性，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。污泥泡沫中確認的另一類菌是產分枝菌酸的放線菌。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了物理和化學的應急措施來進行控制。

4　去營養能力

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。通過引入化學沉淀和聯合硝化-反硝化，磷和氮的去除率可分別提高到90%和70%以上。

活性污泥系統產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素，是潛在的有機肥料，但由于存在病菌和化學毒物的風險，比如污泥中的重金屬，將污泥循環用于耕地肥料是有問題的，因而，人們設法盡量減少污泥產量，可以增加曝氣時間導致污泥駐留時間延長，內源代謝時間相應延長，也就是裂解細胞和顆粒物質的礦化以及胞內物質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。減少污水處理系統污泥量的一個常用方法是采用厭氧反應器處理污泥以產生生物氣(CO2和CH4)。

5　強化清除氮、磷

人們早就知道聯合應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，由于大多數有機物在好氧區分解，該設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置于好氧區之前，并在兩區循環污水。這種前置反硝化設計中，除氮菌既有缺氧環境，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期，通常需要幾個月。只有少數生長緩慢的特種菌，如生絲微菌屬，能利用一碳化合物(CH3OH)，而且代謝途徑復雜。

伴隨著新菌株的發現，生物除氮技術開發了一些新方法。通過部分硝化結合厭氧氨氧化工藝，建立了一些低消耗除氮技術(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器系統，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 ℃)下實現了不完全硝化。應用高水壓駐留時間，亞硝酸鹽氧化菌被洗出，積累的亞硝酸鹽在后續反應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，半數氨轉化成亞硝酸鹽。此工藝的一個優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境。該工藝稱為全自養亞硝酸鹽脫氮，簡稱CANON。

圖3　生態系統中5種微生物轉化除氮過程

既然生物除氮和強化生物除磷都需要交替循環的好氧和厭氧條件，將兩者結合起來順理成章。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，厭氧區必須保持完全無氧以提供脂肪酸類的發酵終產物，并篩選聚磷菌。厭氧區硝酸鹽含量必須較低，否則，異養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，進水首先進入厭氧反應器，然后轉入兼氧反應器，同時補入最后好氧反應器循環過來的活性污泥(圖2c)。這種方式，很少硝酸鹽隨著澄清池污泥返回系統前部。因而，這種設計既能除磷又能除氮。

6　調控模型

活性污泥工藝不只包含多個工序，進水特性也隨時變化。這就使工藝調控和優化十分必要。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。活性污泥模型用一組微分方程描述過程中發生的生物反應。污水處理廠模型除了用于控制和優化，還用于模擬不同情景以學習或評估新的設計方案[6]。

7　廢水處理廠的優缺點

活性污泥工藝的基礎設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，這常常是城區污水處理的先決條件。通過調整設計，大量的氮和磷也可用生物工藝除去。SBR工藝是既穩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性良好。另外，維持SBR工藝需要的設備和人工更少。

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

活性污泥工藝設計仍在持續地改進中，以應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生需求引入。當今工業化社會，污水處理廠和耕地貢獻了相當比例的氮，使水環境嚴重富營養化。大多自然生態環境在磷和氮等主要營養元素缺乏情況下可控，意味著富營養化經常直接影響生態系統的反應。因而使污水處理系統適應自然生物地球化學循環并和可持續發展社會愿景一致非常重要。

城市污水污泥應被視為有價值的資源而循環利用于作物和能量生產。無論磷的提取還是無機氮肥生產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的植物營養循環，通過食物生產、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和生物工藝學包含的廣泛的科學基礎知識，同時優化處理方案的能力也是至關重要的。科學知識對于深入理解生物處理系統優化中的關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.

[2]Eikelboom DH. Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation [M]. London: IWA Publishing,2000.

[3]Rossetti S, Tomei MC, Nielsen PH, et al. ‘Microthrix parvicella’, a filamentous bacterium causing bulking and foaming in activated sludge systems: A review of current knowledge [J]. FEMS Microbiology Reviews,2005(29):49～64.

[4]Schmidt I, Sliekers O, Schmidt MS, et al. New concepts of microbial treatment processes for the nitrogen removal in wastewater [J]. FEMS Microbiology Reviews,2003(27):481～492.

[5]Ahn Y-H. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies [J]. Process Biochemistry,2006(41): 1709～1721.

[6]Garnaey KV, van Loosdrecht MCM, Henze M, et al. Activated sludge wastewater treatment plant modelling and simulation: State of the art [J]. Environmental Modelling and Software,2004(19):763～784.

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，主要從事微生物發酵產品研發工作。

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1674-9944(2016)14-0074-04