活性污泥法在城市污水治理中的應用分析

沈陽水務集團有限公司水質檢驗中心 付鴻超

我國十分重視城市污水治理工作，隨著污水處理產業的逐漸興起，各大污水處理廠的污水處理技術和經驗不斷豐富，為實現環保型污水處理奠定堅實基礎。城市污水是污水處理的主要對象，強調城市污水治理成效是我國環保工程開展的必然要求。從可持續發展的角度來看，優化城市污水治理工作模式，合理運用廢水生物處理技術至關重要。

一、城市污水治理現狀

城市污水治理一直是社會各界關注的重點，該項工作不僅關乎城市建設，影響國計民生，更對我國環保事業以及綠色發展國策有著深遠影響。1921年我國在上海建立了第一污水處理廠，這標志著我國城市污水處理事業正式開端，新中國建立以后城市污水處理事業逐漸受到關注，隨著工業發展以及城市化進程加速，城市污水治理已成為城市發展與管理中不可或缺的內容。總的來說，我國現代化城市污水處理事業起步較晚，但發展速度極快，從2014年開始進入持續高速發展階段，具體發展情況見表1。

表1 城市污水治理事業發展情況

當前，城市污水主要分為生產污水與生活污水兩種，前者又以工業廢水為主，這些污水若未經處理直接排放將會對土壤、空氣、水源造成嚴重污染，進而破壞城市周邊生態系統，最終影響城市居民的身體健康。雖然我國大力發展城市污水治理事業，但產業發展存在非常嚴重的不平衡性問題，東南沿海地區經濟發達，財政實力優越，所以在城市污水治理方面的基礎設施也相對健全，污水處理能力高且污水處理行業發展快；但在中西部經濟相對落后的地區，城市污水治理難以獲得充足的財政支持，所以無論是基礎設施建設還是行業整體發展都相對落后。從當前情況來看，城市污水治理將成為長效化、專業化城市管理業務，污水處理行業也將朝著信息化、智慧化方向發展。

二、傳統活性污泥法概述

活性污泥法是一種非常常見的污水處理方法，在城市污水治理之中應用廣泛。起初，污水治理僅采用傳統活性污泥法，隨著實踐經驗累積以及科學技術進步，傳統活性污泥法得到了充分改進，新的活性污泥法逐漸被研發出來。在此環節，筆者從傳統活性污泥法應用的角度出發，結合城市污染治理要求對該方法的作用機制、系統構成、工藝流程以及影響因素進行簡要分析。

（一）作用機制

通常來說，城市污水治理需要依次經過懸浮污染物清理、溶解性可降解污染物清理和可溶解無機物與不可降解有機物處理等三個階段，活性污泥法主要被應用在第二個階段，在處理懸浮污染物和溶解性可降解污染物方面有著極高價值。從本質上來說，活性污泥法就是一種好氧生物處理方法，在處理污水時可基于人工馴化培養的微生物去除可生化有機物、氮磷元素，并有效吸附其中的懸浮固體。在實際應用過程中，基于好氧菌的新陳代謝，可實現污水中的含磷或含氮有機污染物的有效溶解，從而降低污水的污染能力。

在城市污水治理過程中，活性污泥法的作用機制是利用活性污泥與污水中的有機營養物形成復雜食物鏈，從而通過活性污泥的有效運轉吸附、溶解、清除污染物，最終使水質好轉[1]。從現實角度來看，基于活性污泥法廢水中的有機物將會被充分降解，從而形成水和二氧化碳；若采取厭氧活性污泥法，則分解后的成分主要為二氧化碳和甲烷。

（二）系統構成

城市污水治理中，活性污泥法的應有需要依靠相應的工作系統，為保證系統運行質量必須強調基礎設施建設以及活性污泥科學生產。

1.基礎設施

傳統活性污泥法的系統構成較為簡單，系統內部主要包括曝氣池、沉淀池、剩余污泥處理系統、回流系統以及供氧氣系統。其中，曝氣池主要用于反應氣筒，在應用活性污泥法時污水最先進入的裝置就是曝氣池。沉淀池的主要作用是實現水和污染物分離，從而改善出水水質；而且，沉淀池與曝氣池、污泥回流系統相連，當污水中固液分離時，活性污泥會從其底部排出再次進入污水處理循環或直接被回收。在活性污泥法之中，回流系統以及剩余污泥處理系統都與污泥使用有直接關系，前者主要發揮維持和調節曝氣池污泥濃度的作用，可通過改變回流比影響曝氣池的運行情況；后者則主要用于取出有機物，可在保障系統穩定運行方面發揮重要作用。傳統的活性污泥法屬于好氧微生物水污染處理技術，所以在該系統中必須保障充足供氧；在實際運用過程中，用于污水治理的溶解氧由供氧曝氣機、專用曝氣器組合而成，它們也是供氧系統的主體。

2.污泥生產

為保證活性污泥法的應用質效，必須保障活性污泥性能和質量。活性污泥并不特指某一種物質，它是微生物群體及其所依附的有機物、無機物的統稱，污水處理環節活性污泥大多呈絮狀。目前，常用的活性污泥培養方法有三種：其一同步培養法；其二是異步培養法；其三是接種法。活性污泥生產全程分為曝氣、培養和馴化三個階段，其中活性污泥培養至關重要。在此環節，相關工作人員應該保證悶爆、靜置時長標準，前者為22小時，后者為2小時。同時，還需要在排放廢水以后加入等量的自配水，7天以后活性污泥將呈黑色并展現出良好的沉降能力。在培養活性污泥的過程中，相關工作需要持續監控混合液懸浮固體濃度與污泥沉降比的數值，并及時掌握化學需氧量、酸堿度以及氨氮含量等參數，以便確定培養質效。通常來說，在培養7天以后，上述數值并不會發生太大變化，所以細菌量培養程度不夠；14天以后，活性污泥的顏色將會轉變為淺黑色，此時化學需氧量大約為43%，氨氮含量大約為10%，活性污泥的活性依然較弱需進行持續培養；而后，基于曝氣10小時/周期與靜置2小時/周期的形式持續培養至30天以后可發現，活性污泥的顏色逐漸變成黃褐色，且擁有新型菌膠團，各參數數值均發生較大變化，種種跡象皆表明活性污泥擁有較強的活性，可用于開展污水治理。

（三）應用流程

活性污泥法的應用原理簡單，而且應用流程也并不復雜。在實際作業環節，污水需依次進入活性污泥污水治理系統的各個裝置，從而實現多次沉降、吸附、分解、優化，最終排出干凈的水。從城市污水治理角度來看，活性污泥法的應用流程和實踐要點如下。

第一，曝氣。在這一階段，最為重要的運行裝置就是曝氣池。城市污水從進水口直接進入曝氣池以后將會與活性污泥全面混合。在此環節，供氧系統將會為曝氣池提供充足溶解氧，具體操作方式是基于空氣壓縮機實現壓縮空氣輸送，讓位于曝氣池底的空氣擴散裝置運行，進而基于大量氣泡增加污水含氧量，從而為活性污泥與污水混合液營造好氧環境。這一操作還能有效攪動混合液，這樣一來混合液與溶解氧之間的接觸面積和融合程度將會進一步提升，可以為活性污泥提供良好的作用基礎。從現實角度來看，在曝氣池當中，活性污泥中的菌膠團會快速吸附城市污水中的懸浮固體以及有機污染物，還能實現有機物氧化分解。此時，城市污水有機污染物可被分解為水和二氧化碳，既實現了活性污泥壯大供能，又保障了污染物降解凈化。

第二，沉淀。曝氣池與沉淀池直接相連，城市污水經過曝氣處理后已經實現了初步凈化，而后污水與活性污泥混合液將會一同進入沉淀池。此時，附著于活性污泥表面的固體懸浮物將會在沉淀過程中逐步與水體分離，而后經過凈化的水將會直接排出而活性污泥會在沉淀后直接回流到曝氣池之中或進入剩余污泥處理系統。事實上，進入沉淀池的污水水質已經達到排放標準，所以只需實現固液分離就可直接排出。

第三，循環。活性污泥法的循環主要是指活性污泥在各個裝置之中的循環應用，在這一過程中循環載體分別是污泥回流系統和剩余污泥處理系統。通常來說，沉淀池將會直接與污泥回流系統和剩余污泥處理系統相連；在活性污泥法之中，沉淀池中的大部分污泥會通過回流系統再次回到曝氣池，重新參與城市污水治理，將成為調節微生物濃度的重要工具，為保證懸浮固體濃度始終提供保障；而未回流的活性污泥將會直接進入剩余污泥處理系統，這些污泥表面附著大量污染物和懸浮顆粒，從某種程度上來說這些剩余污泥整體都屬于污染物，此外剩余污泥處理系統還會吸收活性污泥凈化過程中的增殖微生物。

（四）影響因素

從現實角度來看，基于傳統活性污泥法處理城市污水的可靠性和穩定性很高，但在其使用過程中依然存在許多的質量影響因素，對于城市污水處理廠而言，加強這些因素的質控十分必要[2]。在實際作業環節，污水水溫、酸堿度、溶解氧含量、有毒物質濃度以及有機負荷率都是影響活性污泥法實用性的重要因素，而且在系統運行過程中混合液中的活性污泥濃度大小、曝氣池中活性污泥是否處于懸浮狀態、城市污水中的可溶性可降解有機物含量也會對活性污泥法的污水治理效果產生影響。

三、城市污水治理中的改進活性污泥法應用

目前，應用于城市污水治理的活性污泥法，不僅包括傳統活性污泥法，還包括許多的改進活性污泥法。在下文中，筆者將結合城市污水治理實踐經驗，分析常見的改進活性污泥法的應用要點。

（一）序批式活性污泥法

序批式活性污泥法是應用范圍最廣的改進活性污泥法，該方法的英文全稱是Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process， 簡 稱 為 SBR。這種污水處理方法的應用原理與傳統活性污泥法類似，同樣需要基于曝氣反應與沉淀實現污水凈化；不同的是，序批式活性污泥法中曝氣方式將從傳統的持續曝氣改變為間歇曝氣，在實際應用環節這種方法將基于特定的時空順序和不連續操作完成城市污水凈化。通常來說，基于序批式活性污泥法的城市污水處理，也需要應用曝氣池、沉淀池、污泥回流系統和剩余污泥處理系統，污水進入和處理的整體順序與傳統污泥法相同，但需要注意的是在該方法下必須在反應器中快速地注滿污水然后實施曝氣，這樣才能保證該方法的實用性。從實踐角度來看，序批式活性污泥法的曝氣頻率主要與有機物降解情況有關，若活性污泥已經完成污水有機物充分降解則無需繼續曝氣。目前，在城市污水治理階段應用序批式活性污泥法前需要根據治理目標合理選用污泥參數，比如基于污泥負荷比與沖刷比低的反應系統實現有效脫氮，若這兩個參數較高則可用于有效脫磷。

（二）氧化溝

氧化溝也屬于改進活性污泥法，與傳統活性污泥法相比這種方法更注重循環曝氣。最早的氧化溝系統受曝氣池建設材料限制，也可被視為序批式活性污泥法。從系統構成方面來看，氧化溝屬于循環曝氣池系統，曝氣池被建設成循環封閉的溝渠，所以污水處理裝置是首尾相連的；當然，在系統中也同樣設置了沉淀池和污泥回流系統，可以有效排水為活性污泥循環利用提供保障。在實際應用過程中，氧化溝展現出穩定性高、凈化效果好、工藝簡單且緩沖能力強的特點。

城市污水進入氧化溝的溝體以后，曝氣裝置將會開始運轉，基于溶解氧支持實現污水與活性污泥的有效融合，而后經過凈化和沉淀導流混合設備、出水設備也將逐步啟動，完成污水治理的整體流程。通常來說，基于氧化溝處理城市污水時，活性污泥的濃度需控制在2500-4500mg/L，污泥齡必須超過20天；同時，溝內的平均流速應該控制在0.4m/s，水力停留時間保持在10-40h。

（三）A2O法

A2O法的英文全稱是Anaerobic-Anoxic-Oxic，按其首字母縮寫情況也可將該方法簡稱為AAO法，中文全稱為厭氧-缺氧-好氧法。這種方法在污水處理領域十分常見，同樣屬于改性活性污泥法，大多應用在二級污水、三級污水處理，以及中水回用。這一方法的主要原理是基于交替的厭氧、缺氧和好氧環境和活性污泥清除污水當中的污染物，污水處理環節也需要經過曝氣和沉淀。在實際應用環節，A2O工藝的主要裝置包括厭氧池、缺氧池和好氧池，曝氣裝置、推進器以及回流渠道將圍繞著三個裝置設置；運行時，城市污水從進水口直接進入曝氣裝置，而后基于推進裝置被推入到厭氧段、缺氧段和好氧段，最后通過有效沉淀，實現剩余污泥回流和處理水排出。

從實際應用角度來看，A2O法的脫氮除磷效果極佳，不僅能同步進行還有著較高肥效；而且這種方法在使用中無須投藥，所以成本低、操作簡便。最為重要的是，基于A2O法處理城市污水時，總水力停留時間極短，其特殊的運行條件（厭氧、好氧交替）也限制了絲狀菌大量增殖，因此極少出現污泥膨脹問題，SVI值一般小于100。當然，A20法也并非全無缺點。這一方法雖然在同步脫磷除氮方面展現出了極大優勢，但是氮磷脫除效果難以再次提升，效用天花板十分明顯。而且，基于該技術處理城市污水時，必須保證沉淀池中的溶解氧濃度合理。在實際作業環節，有效控制沉淀池中的溶解氧濃度難度頗高，一旦溶解氧含量異常，缺氧反應器就會受到混合液的干擾

四、基于城市污水治理的活性污泥法優化路徑

在城市污水治理環節，無論是使用傳統活性污泥法，還是使用改進活性污泥法，都必須保證活性污泥的實用性。從現實角度來看，活性污泥法的應用質效將會受到多方面因素影響，產生質量問題的根本原因是污泥應用狀態異常。基于此，筆者結合實踐經驗對城市污水治理當中的活性污泥應用異常情況進行總結，并提出相應的處理措施。

（一）污泥上浮

在夏季，基于活性污泥法治理城市污水時，常常出現污泥上浮的情況。這一問題的根本原因在于硝化作用，在這種反應下污泥將被還原為氮氣，進而引發污泥上浮。

通常來說，活性污泥污水治理系統當中的沉淀池是污泥上浮的主要發生地點，所以在處理這一問題時相關工作需要重點關注沉淀池狀態，提出針對性解決措施。比如，必須適當減少曝氣量，改變凈化反應環境。當然，在這一環節，也可以嚴格控制沉淀池中活性污泥的水力停留時間，從而避免污泥上浮。

（二）污泥膨脹

污泥膨脹也是城市污水治理中活性污泥法應用的主要問題之一，在這一情況之下污泥將會出現質量變輕和膨脹的問題。通常來說，活性污泥膨脹的影響因素較為復雜，污水水質、溫度、酸堿度、溶解氧含量以及負荷率都可能會引發污泥膨脹。基于污泥膨脹，活性污泥的沉降性能將會大幅下降，那么沉降池中的固液分離效果將會大打折扣。而且，受到污泥膨脹影響，污泥的體積指數也會出現異常性增高。比如，由50ml/g升高至400ml/g，嚴重影響污泥的實用性。不僅如此，當活性污泥出現膨脹以后，污泥的實用性將會迅速降低甚至崩潰，若想要恢復活性污泥的使用性能必須重新進行污泥培養與馴化，否則將會導致污水處理成本大增、效率大減。結合實踐經驗不難發現，污泥膨脹與絲狀菌發展異常有關，一方面絲狀菌的異常增殖會造成活性污泥迅速膨脹；另一方面，活性污泥中的黏性物質堆積異常也會引發膨脹，此時污泥膨脹屬于非絲狀菌性膨脹。因此，在面對活性污泥膨脹問題時，相關工作人員必須對癥下藥，通過殺滅絲狀菌來避免膨脹。在實際作業環節，殺滅絲狀菌可采取藥劑殺滅方式。比如，選用臭氧、過氧化氫、硫酸鋁等化學藥劑，使其與活性污泥充分融合，從而改變污泥的絮凝狀態，提高該物質的絮凝性。在這一環節，相關工作人員還可以使用黏土或消石灰，用以提高活性污泥的沉降性。通常來說，在藥劑處理的基礎上還需要實現回流污泥增量應用以及再生性曝氣處理，以便于從根本上解決活性污泥膨脹問題，為保障污泥應用質效與城市污水治理有效性奠定基礎。

五、結論

綜上所述，活性污泥法是一種較為常見的城市污水治理技術，在實際應用中逐漸衍生出多種不同的技術類型。在城市污水治理中，傳統活性污泥法、序批式活性污泥法、氧化溝等多種方法均得到了廣泛應用；各種方法之間雖然在系統構成以及工藝要點方面存在差異，但其工藝原理相同。為進一步推進活性污泥法在城市污水治理中的合理應用，污水處理廠必須強調凈化反應影響因素管理。