活性污泥法在城市污水治理中的應(yīng)用分析

沈陽水務(wù)集團(tuán)有限公司水質(zhì)檢驗(yàn)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(chǎn)業(yè)的逐漸興起，各大污水處理廠的污水處理技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保型污水處理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。城市污水是污水處理的主要對(duì)象，強(qiáng)調(diào)城市污水治理成效是我國環(huán)保工程開展的必然要求。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，優(yōu)化城市污水治理工作模式，合理運(yùn)用廢水生物處理技術(shù)至關(guān)重要。

一、城市污水治理現(xiàn)狀

城市污水治理一直是社會(huì)各界關(guān)注的重點(diǎn)，該項(xiàng)工作不僅關(guān)乎城市建設(shè)，影響國計(jì)民生，更對(duì)我國環(huán)保事業(yè)以及綠色發(fā)展國策有著深遠(yuǎn)影響。1921年我國在上海建立了第一污水處理廠，這標(biāo)志著我國城市污水處理事業(yè)正式開端，新中國建立以后城市污水處理事業(yè)逐漸受到關(guān)注，隨著工業(yè)發(fā)展以及城市化進(jìn)程加速，城市污水治理已成為城市發(fā)展與管理中不可或缺的內(nèi)容?？偟膩碚f，我國現(xiàn)代化城市污水處理事業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度極快，從2014年開始進(jìn)入持續(xù)高速發(fā)展階段，具體發(fā)展情況見表1。

表1 城市污水治理事業(yè)發(fā)展情況

當(dāng)前，城市污水主要分為生產(chǎn)污水與生活污水兩種，前者又以工業(yè)廢水為主，這些污水若未經(jīng)處理直接排放將會(huì)對(duì)土壤、空氣、水源造成嚴(yán)重污染，進(jìn)而破壞城市周邊生態(tài)系統(tǒng)，最終影響城市居民的身體健康。雖然我國大力發(fā)展城市污水治理事業(yè)，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在非常嚴(yán)重的不平衡性問題，東南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，財(cái)政實(shí)力優(yōu)越，所以在城市污水治理方面的基礎(chǔ)設(shè)施也相對(duì)健全，污水處理能力高且污水處理行業(yè)發(fā)展快；但在中西部經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的地區(qū)，城市污水治理難以獲得充足的財(cái)政支持，所以無論是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)還是行業(yè)整體發(fā)展都相對(duì)落后。從當(dāng)前情況來看，城市污水治理將成為長效化、專業(yè)化城市管理業(yè)務(wù)，污水處理行業(yè)也將朝著信息化、智慧化方向發(fā)展。

二、傳統(tǒng)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(yīng)用廣泛。起初，污水治理僅采用傳統(tǒng)活性污泥法，隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)累積以及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)活性污泥法得到了充分改進(jìn)，新的活性污泥法逐漸被研發(fā)出來。在此環(huán)節(jié)，筆者從傳統(tǒng)活性污泥法應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合城市污染治理要求對(duì)該方法的作用機(jī)制、系統(tǒng)構(gòu)成、工藝流程以及影響因素進(jìn)行簡要分析。

（一）作用機(jī)制

通常來說，城市污水治理需要依次經(jīng)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(jī)物與不可降解有機(jī)物處理等三個(gè)階段，活性污泥法主要被應(yīng)用在第二個(gè)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(jià)值。從本質(zhì)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(shí)可基于人工馴化培養(yǎng)的微生物去除可生化有機(jī)物、氮磷元素，并有效吸附其中的懸浮固體。在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于好氧菌的新陳代謝，可實(shí)現(xiàn)污水中的含磷或含氮有機(jī)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(jī)制是利用活性污泥與污水中的有機(jī)營養(yǎng)物形成復(fù)雜食物鏈，從而通過活性污泥的有效運(yùn)轉(zhuǎn)吸附、溶解、清除污染物，最終使水質(zhì)好轉(zhuǎn)[1]。從現(xiàn)實(shí)角度來看，基于活性污泥法廢水中的有機(jī)物將會(huì)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(tǒng)構(gòu)成

城市污水治理中，活性污泥法的應(yīng)有需要依靠相應(yīng)的工作系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量必須強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及活性污泥科學(xué)生產(chǎn)。

1.基礎(chǔ)設(shè)施

傳統(tǒng)活性污泥法的系統(tǒng)構(gòu)成較為簡單，系統(tǒng)內(nèi)部主要包括曝氣池、沉淀池、剩余污泥處理系統(tǒng)、回流系統(tǒng)以及供氧氣系統(tǒng)。其中，曝氣池主要用于反應(yīng)氣筒，在應(yīng)用活性污泥法時(shí)污水最先進(jìn)入的裝置就是曝氣池。沉淀池的主要作用是實(shí)現(xiàn)水和污染物分離，從而改善出水水質(zhì)；而且，沉淀池與曝氣池、污泥回流系統(tǒng)相連，當(dāng)污水中固液分離時(shí)，活性污泥會(huì)從其底部排出再次進(jìn)入污水處理循環(huán)或直接被回收。在活性污泥法之中，回流系統(tǒng)以及剩余污泥處理系統(tǒng)都與污泥使用有直接關(guān)系，前者主要發(fā)揮維持和調(diào)節(jié)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(yùn)行情況；后者則主要用于取出有機(jī)物，可在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的活性污泥法屬于好氧微生物水污染處理技術(shù)，所以在該系統(tǒng)中必須保障充足供氧；在實(shí)際運(yùn)用過程中，用于污水治理的溶解氧由供氧曝氣機(jī)、專用曝氣器組合而成，它們也是供氧系統(tǒng)的主體。

2.污泥生產(chǎn)

為保證活性污泥法的應(yīng)用質(zhì)效，必須保障活性污泥性能和質(zhì)量?；钚晕勰嗖⒉惶刂改骋环N物質(zhì)，它是微生物群體及其所依附的有機(jī)物、無機(jī)物的統(tǒng)稱，污水處理環(huán)節(jié)活性污泥大多呈絮狀。目前，常用的活性污泥培養(yǎng)方法有三種：其一同步培養(yǎng)法；其二是異步培養(yǎng)法；其三是接種法?；钚晕勰嗌a(chǎn)全程分為曝氣、培養(yǎng)和馴化三個(gè)階段，其中活性污泥培養(yǎng)至關(guān)重要。在此環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)該保證悶爆、靜置時(shí)長標(biāo)準(zhǔn)，前者為22小時(shí)，后者為2小時(shí)。同時(shí)，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(xiàn)出良好的沉降能力。在培養(yǎng)活性污泥的過程中，相關(guān)工作需要持續(xù)監(jiān)控混合液懸浮固體濃度與污泥沉降比的數(shù)值，并及時(shí)掌握化學(xué)需氧量、酸堿度以及氨氮含量等參數(shù)，以便確定培養(yǎng)質(zhì)效。通常來說，在培養(yǎng)7天以后，上述數(shù)值并不會(huì)發(fā)生太大變化，所以細(xì)菌量培養(yǎng)程度不夠；14天以后，活性污泥的顏色將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黑色，此時(shí)化學(xué)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(jìn)行持續(xù)培養(yǎng)；而后，基于曝氣10小時(shí)/周期與靜置2小時(shí)/周期的形式持續(xù)培養(yǎng)至30天以后可發(fā)現(xiàn)，活性污泥的顏色逐漸變成黃褐色，且擁有新型菌膠團(tuán)，各參數(shù)數(shù)值均發(fā)生較大變化，種種跡象皆表明活性污泥擁有較強(qiáng)的活性，可用于開展污水治理。

（三）應(yīng)用流程

活性污泥法的應(yīng)用原理簡單，而且應(yīng)用流程也并不復(fù)雜。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，污水需依次進(jìn)入活性污泥污水治理系統(tǒng)的各個(gè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)多次沉降、吸附、分解、優(yōu)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(yīng)用流程和實(shí)踐要點(diǎn)如下。

第一，曝氣。在這一階段，最為重要的運(yùn)行裝置就是曝氣池。城市污水從進(jìn)水口直接進(jìn)入曝氣池以后將會(huì)與活性污泥全面混合。在此環(huán)節(jié)，供氧系統(tǒng)將會(huì)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(jī)實(shí)現(xiàn)壓縮空氣輸送，讓位于曝氣池底的空氣擴(kuò)散裝置運(yùn)行，進(jìn)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(huán)境。這一操作還能有效攪動(dòng)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(huì)進(jìn)一步提升，可以為活性污泥提供良好的作用基礎(chǔ)。從現(xiàn)實(shí)角度來看，在曝氣池當(dāng)中，活性污泥中的菌膠團(tuán)會(huì)快速吸附城市污水中的懸浮固體以及有機(jī)污染物，還能實(shí)現(xiàn)有機(jī)物氧化分解。此時(shí)，城市污水有機(jī)污染物可被分解為水和二氧化碳，既實(shí)現(xiàn)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(jīng)過曝氣處理后已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步凈化，而后污水與活性污泥混合液將會(huì)一同進(jìn)入沉淀池。此時(shí)，附著于活性污泥表面的固體懸浮物將會(huì)在沉淀過程中逐步與水體分離，而后經(jīng)過凈化的水將會(huì)直接排出而活性污泥會(huì)在沉淀后直接回流到曝氣池之中或進(jìn)入剩余污泥處理系統(tǒng)。事實(shí)上，進(jìn)入沉淀池的污水水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，所以只需實(shí)現(xiàn)固液分離就可直接排出。

第三，循環(huán)?；钚晕勰喾ǖ难h(huán)主要是指活性污泥在各個(gè)裝置之中的循環(huán)應(yīng)用，在這一過程中循環(huán)載體分別是污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥處理系統(tǒng)。通常來說，沉淀池將會(huì)直接與污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥處理系統(tǒng)相連；在活性污泥法之中，沉淀池中的大部分污泥會(huì)通過回流系統(tǒng)再次回到曝氣池，重新參與城市污水治理，將成為調(diào)節(jié)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(huì)直接進(jìn)入剩余污泥處理系統(tǒng)，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(tǒng)還會(huì)吸收活性污泥凈化過程中的增殖微生物。

（四）影響因素

從現(xiàn)實(shí)角度來看，基于傳統(tǒng)活性污泥法處理城市污水的可靠性和穩(wěn)定性很高，但在其使用過程中依然存在許多的質(zhì)量影響因素，對(duì)于城市污水處理廠而言，加強(qiáng)這些因素的質(zhì)控十分必要[2]。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，污水水溫、酸堿度、溶解氧含量、有毒物質(zhì)濃度以及有機(jī)負(fù)荷率都是影響活性污泥法實(shí)用性的重要因素，而且在系統(tǒng)運(yùn)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(tài)、城市污水中的可溶性可降解有機(jī)物含量也會(huì)對(duì)活性污泥法的污水治理效果產(chǎn)生影響。

三、城市污水治理中的改進(jìn)活性污泥法應(yīng)用

目前，應(yīng)用于城市污水治理的活性污泥法，不僅包括傳統(tǒng)活性污泥法，還包括許多的改進(jìn)活性污泥法。在下文中，筆者將結(jié)合城市污水治理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析常見的改進(jìn)活性污泥法的應(yīng)用要點(diǎn)。

（一）序批式活性污泥法

序批式活性污泥法是應(yīng)用范圍最廣的改進(jìn)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(yīng)用原理與傳統(tǒng)活性污泥法類似，同樣需要基于曝氣反應(yīng)與沉淀實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的持續(xù)曝氣改變?yōu)殚g歇曝氣，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)這種方法將基于特定的時(shí)空順序和不連續(xù)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(yīng)用曝氣池、沉淀池、污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥處理系統(tǒng)，污水進(jìn)入和處理的整體順序與傳統(tǒng)污泥法相同，但需要注意的是在該方法下必須在反應(yīng)器中快速地注滿污水然后實(shí)施曝氣，這樣才能保證該方法的實(shí)用性。從實(shí)踐角度來看，序批式活性污泥法的曝氣頻率主要與有機(jī)物降解情況有關(guān)，若活性污泥已經(jīng)完成污水有機(jī)物充分降解則無需繼續(xù)曝氣。目前，在城市污水治理階段應(yīng)用序批式活性污泥法前需要根據(jù)治理目標(biāo)合理選用污泥參數(shù)，比如基于污泥負(fù)荷比與沖刷比低的反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效脫氮，若這兩個(gè)參數(shù)較高則可用于有效脫磷。

（二）氧化溝

氧化溝也屬于改進(jìn)活性污泥法，與傳統(tǒng)活性污泥法相比這種方法更注重循環(huán)曝氣。最早的氧化溝系統(tǒng)受曝氣池建設(shè)材料限制，也可被視為序批式活性污泥法。從系統(tǒng)構(gòu)成方面來看，氧化溝屬于循環(huán)曝氣池系統(tǒng)，曝氣池被建設(shè)成循環(huán)封閉的溝渠，所以污水處理裝置是首尾相連的；當(dāng)然，在系統(tǒng)中也同樣設(shè)置了沉淀池和污泥回流系統(tǒng)，可以有效排水為活性污泥循環(huán)利用提供保障。在實(shí)際應(yīng)用過程中，氧化溝展現(xiàn)出穩(wěn)定性高、凈化效果好、工藝簡單且緩沖能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

城市污水進(jìn)入氧化溝的溝體以后，曝氣裝置將會(huì)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，基于溶解氧支持實(shí)現(xiàn)污水與活性污泥的有效融合，而后經(jīng)過凈化和沉淀導(dǎo)流混合設(shè)備、出水設(shè)備也將逐步啟動(dòng)，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(shí)，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(shí)，溝內(nèi)的平均流速應(yīng)該控制在0.4m/s，水力停留時(shí)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(lǐng)域十分常見，同樣屬于改性活性污泥法，大多應(yīng)用在二級(jí)污水、三級(jí)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(huán)境和活性污泥清除污水當(dāng)中的污染物，污水處理環(huán)節(jié)也需要經(jīng)過曝氣和沉淀。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，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(jìn)器以及回流渠道將圍繞著三個(gè)裝置設(shè)置；運(yùn)行時(shí)，城市污水從進(jìn)水口直接進(jìn)入曝氣裝置，而后基于推進(jìn)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(shí)現(xiàn)剩余污泥回流和處理水排出。

從實(shí)際應(yīng)用角度來看，A2O法的脫氮除磷效果極佳，不僅能同步進(jìn)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(shí)，總水力停留時(shí)間極短，其特殊的運(yùn)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(xiàn)污泥膨脹問題，SVI值一般小于100。當(dāng)然，A20法也并非全無缺點(diǎn)。這一方法雖然在同步脫磷除氮方面展現(xiàn)出了極大優(yōu)勢(shì)，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(shù)處理城市污水時(shí)，必須保證沉淀池中的溶解氧濃度合理。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，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(yīng)器就會(huì)受到混合液的干擾

四、基于城市污水治理的活性污泥法優(yōu)化路徑

在城市污水治理環(huán)節(jié)，無論是使用傳統(tǒng)活性污泥法，還是使用改進(jìn)活性污泥法，都必須保證活性污泥的實(shí)用性。從現(xiàn)實(shí)角度來看，活性污泥法的應(yīng)用質(zhì)效將會(huì)受到多方面因素影響，產(chǎn)生質(zhì)量問題的根本原因是污泥應(yīng)用狀態(tài)異常。基于此，筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)城市污水治理當(dāng)中的活性污泥應(yīng)用異常情況進(jìn)行總結(jié)，并提出相應(yīng)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(shí)，常常出現(xiàn)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(yīng)下污泥將被還原為氮?dú)?，進(jìn)而引發(fā)污泥上浮。

通常來說，活性污泥污水治理系統(tǒng)當(dāng)中的沉淀池是污泥上浮的主要發(fā)生地點(diǎn)，所以在處理這一問題時(shí)相關(guān)工作需要重點(diǎn)關(guān)注沉淀池狀態(tài)，提出針對(duì)性解決措施。比如，必須適當(dāng)減少曝氣量，改變凈化反應(yīng)環(huán)境。當(dāng)然，在這一環(huán)節(jié)，也可以嚴(yán)格控制沉淀池中活性污泥的水力停留時(shí)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(yīng)用的主要問題之一，在這一情況之下污泥將會(huì)出現(xiàn)質(zhì)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(fù)雜，污水水質(zhì)、溫度、酸堿度、溶解氧含量以及負(fù)荷率都可能會(huì)引發(fā)污泥膨脹。基于污泥膨脹，活性污泥的沉降性能將會(huì)大幅下降，那么沉降池中的固液分離效果將會(huì)大打折扣。而且，受到污泥膨脹影響，污泥的體積指數(shù)也會(huì)出現(xiàn)異常性增高。比如，由50ml/g升高至400ml/g，嚴(yán)重影響污泥的實(shí)用性。不僅如此，當(dāng)活性污泥出現(xiàn)膨脹以后，污泥的實(shí)用性將會(huì)迅速降低甚至崩潰，若想要恢復(fù)活性污泥的使用性能必須重新進(jìn)行污泥培養(yǎng)與馴化，否則將會(huì)導(dǎo)致污水處理成本大增、效率大減。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，污泥膨脹與絲狀菌發(fā)展異常有關(guān)，一方面絲狀菌的異常增殖會(huì)造成活性污泥迅速膨脹；另一方面，活性污泥中的黏性物質(zhì)堆積異常也會(huì)引發(fā)膨脹，此時(shí)污泥膨脹屬于非絲狀菌性膨脹。因此，在面對(duì)活性污泥膨脹問題時(shí)，相關(guān)工作人員必須對(duì)癥下藥，通過殺滅絲狀菌來避免膨脹。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，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(xué)藥劑，使其與活性污泥充分融合，從而改變污泥的絮凝狀態(tài)，提高該物質(zhì)的絮凝性。在這一環(huán)節(jié)，相關(guān)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(chǔ)上還需要實(shí)現(xiàn)回流污泥增量應(yīng)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(yīng)用質(zhì)效與城市污水治理有效性奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)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(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中逐漸衍生出多種不同的技術(shù)類型。在城市污水治理中，傳統(tǒng)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(yīng)用；各種方法之間雖然在系統(tǒng)構(gòu)成以及工藝要點(diǎn)方面存在差異，但其工藝原理相同。為進(jìn)一步推進(jìn)活性污泥法在城市污水治理中的合理應(yīng)用，污水處理廠必須強(qiáng)調(diào)凈化反應(yīng)影響因素管理。