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活性污泥法的发展和演变

活性污泥法的发展和演变
活性污泥法自发明以来，根据反应时间、进水方式、曝气设备、氧的来源、反应池型等的不同，已经发展出多种变型，这些变型方式有的还在广泛应用，同时新开发的处理工艺还在工程中接受实践的考验，采用时需慎重区别对待，因地因时的加以选择。
1、传统推流式
传统推流式活性污泥法工艺流程，污水和回流污泥在曝气池的前端进入，在池内呈推流形式流动至池的末端，由鼓风机通过扩散设备或机械曝气机曝气并搅拌，因为廊道的长宽比要求在5~10，所以一般采用3~5条廊道。在曝气池内进行吸附、絮凝和有机污染物的氧化分解，最后进入二沉池进行处理后的污水和活性污泥的分离，部分污泥回流至曝气池，部分污泥作为剩余污泥排放。传统推流式运行中存在的主要问题，一是池内流态呈推流式，首端有机污染物负荷高，耗氧速率高；二是污水和回流污泥进入曝气池后，不能立即与整个曝气池混合液充分混合，易受冲击负荷影响，适应水质、水量变化的能力差；三是混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的，而充氧设备通常沿池长是均匀布置的，这样会出现前半段供氧不足，后半段供氧超过需要的现象。
2、渐减曝气法
为了改变传统推流式活性污泥法供氧和需氧的差距，可以采用渐减曝气方式，充氧设备的布置沿池长方向与需氧量匹配，使布气沿程逐步递减，使其接近需氧速率，而总的空气用量有所减少，从而可以节省能耗，提高处理效率。
3、阶段曝气法
降低传统推流式曝气池中进水端需氧量峰值要求，还可以采用分段进水方式，入流污水在曝气池中分3~4点进入，均衡了曝气池内有机污染物负荷及需氧率，提高了曝气池对水质、水量冲击负荷的能力。阶段曝气推流式曝气池一般采用3条或更多廊道，在第一个进水点后，混合液的MLSS浓度可高达5000~9000mg/L，后面廊道污泥浓度随着污水多点进入而降低。在池体容积相同情况下，与传统推流式相比，阶段曝气活性污泥法系统可以拥有更高的污泥总量，从而污泥龄可以更高。
阶段曝气法也可以只向后面的廊道进水，使系统按照吸附再生法运行。在雨季高流量时，可将进水超越到后面廊道，从而减少进入二沉池的固体负荷，避免曝气池混合液悬浮固体的流失。
4、高负荷曝气法
高负荷曝气法（又称改良曝气法）在系统与曝气池构造方面与传统推流式活性污泥法相同，但曝气停留时间仅1.5~3.0h，曝气池活性污泥处于生长旺盛期。本工艺的主要特点是有机物容积负荷或污泥负荷高，曝气时间短，但处理效果低，一般BOD5去除率不超过70％~75％，为了维护系统的稳定，必须保证充分的搅拌和曝气。
5、延时曝气法
延时曝气法与传统推流式类似，不同之处在于本工艺的活性污泥处于生长曲线的内源呼吸期，有机物负荷非常低，曝气反应时间长，一般多在24h以上，污泥泥龄长，SRT在20~30d，曝气系统的设计决定于系统的搅拌要求而不是需氧量。由于活性污泥在池内长期处于内源呼吸期，剩余污泥量少且稳定，剩余污泥主要是一些难于生物降解的微生物内源代谢的残留物，因此也可以说该工艺是污水、污泥综合好氧处理系统。本工艺还具有处理过程稳定性高，对进水水质、水量变化适应性强，不需要初沉池等优点；但也存在需要池体容积大，基建费用和运行费用都较高等缺点，一般适用于小型污水处理系统。
6、吸附再生法
吸附再生法又名稳定接触法，出现于20世纪40年代后期美国的污水处理厂扩建改造中。
本工艺的特点是污水与活性污泥在吸附池内吸附时间较短（30~60min），吸附池容积较小，而再生池接纳的是已经排除剩余污泥的回流污泥，且污泥浓度较高，因此，再生池的容积也较小；吸附再生法具有一定的抗冲击负荷能力，如果吸附池污泥遭到破坏，可以由再生池进行补充。
但由于吸附接触时间短，限制了有机物的降解和氨氮的硝化，处理效果低于传统法，对于含溶解性有机污染物较多的污水处理，本工艺并不适用。
7、完全混合法
污水与回流污泥进入曝气池后，立即与池内的混合液充分混合，池内的混合也是有待泥水分离的处理水。
该工艺具有如下特征：
（1）进入曝气池的污水很快即被池内已存在的混合液所稀释、均化，入流出现冲击负荷时池液的组成变化较小，因为骤然增加的负荷可为全池混合液所分担，而不是像推流中仅仅由部分回流污泥来承担，所以该工艺对冲击负荷具有较强的适应能力，适用于处理工业废水，特别是浓度较高的工业废水。
（2）污水在曝气池内分布均匀，F/M值均等，各部位有机污染物降解工况相同，微生物群体的组成和数量几近一致，因此，有可能通过对F/M值的调整，将整个曝气池的工况控制在最佳条件，以更好发挥活性污泥的净化功能。
（3）曝气池内混合液的需氧速率均衡。
完全混合活性污泥法系统因为有机物负荷较低，微生物生长通常位于生长曲线的静止期或衰老期，活性污泥易于产生膨胀现象。
完全混合活性污泥法池体形状可采用圆形或方形，与沉淀池可以合建或分建。
8、深层曝气法
曝气池的经济深度是按基建费和运行费用来决定的。根据长期的经验，并经过多方面的技术经济比较，经济深度一般为5~6m。但随着城市的发展，普遍感到用地紧张，为了节约用地，从20世纪60年代开始研究发展了深层曝气法。
一般深层曝气池水深可达10~20m，但超深层曝气法，又称竖井或深井曝气，直径为1.0~6.0m，水深可达150~300m，大大节省了用地面积。同时由于水深大幅度增加，可以促进氧传递速率，处理功能几乎不受气候条件的影响。本工艺适用于处理高浓度有机废水。
深井曝气法中，活性污泥经受压力的变化较大，有时加压，有时减压，实践表明这时微生物的活性和代谢能力并没有异常变化。但合成和能量的分配有一定变化，运行中发现二氧化碳产生量比常曝气多30％，污泥产量低。
深井曝气池内，气液紊流大，夜膜更新快，促使KLa值增大，同时气液接触时间增长，溶解氧的饱和浓度也随深度的增加而增加。国外已建成了几十个深井曝气处理厂，国内也有应用。但是，当井壁腐蚀或受损时污水是否会通过井壁渗透，污染地下水，这个问题必须严肃认真地对待。
9、纯氧曝气法
以纯氧代替空气，可以提高生物处理的速率。纯氧曝气采用密闭的池子。曝气时间较短，约1.5~3.0h，MLSS较高，约6000~8000mg/L，因而二沉池的设计和运行要引起注意。
纯氧曝气池的主要优点之一是：氧的纯度达90％以上，在密闭的容器中，溶解氧饱和浓度可提高，氧转移的推动力也随之提高，氧传递速率增加了，因而处理效果好，污泥的沉淀性能好，产生的剩余污泥量少。纯阳曝气并没有改变活性污泥或微生物的性质，但使微生物充分发挥了作用。
纯氧曝气的缺点主要是纯氧发生器容易出现故障，装置复杂，运转管理较麻烦。水池顶部必须密闭不漏气，结构要求高。如果进水中混入大量易挥发的碳氢化合物，容易引起爆炸。同时生物代谢中生成的二氧化碳，将使气体的二氧化碳分压上升，溶解于溶液中，会导致pH的下降，妨碍生物处理的正常运行，特别是影响硝化反映的过程，因而要适时排气和进行pH的调节。
10、克劳斯（Kraus）法
克劳斯工程师把厌氧消化富含氨氮的上清液加到回流污泥中一起曝气硝化，然后再加入曝气池，除了提供氮源外，硝酸盐也可以作为电子受体，参与有机物的降解。工艺改造后成功地克服了高碳水化合物所带来的污泥膨胀问题。此外，消化池上清液挟带的消化污泥量较大，有改善混合液沉淀性能的功效。
11、吸附-生物降解工艺（AB法）
AB处理工艺的主要特征是：
（1）整个污水处理系统共分为预处理段、A级、B级三段，在预处理段只设格栅、沉沙等处理设备，不设初沉池；
（2）A级由吸附池和中间沉淀池组成，B级由曝气池及二沉池组成；
（3）A级与B级各自拥有独立的污泥回流系统，每级能够培育出各自独特的、适合本级水质特征的微生物种群。
A级以高负荷或超高负荷运行，曝气停留时间在2~4h，污泥泥龄15~20d。
该工艺处理效果稳定，具有抗冲击负荷能力，在欧洲有广泛的应用。该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。
12、序批式活性污泥法（SBR法）
序批式活性污泥法比连续活性污泥法出现得更早，但由于当时运行管理条件限制而被连续流系统所取代。随着自动控制水平的提高，SBR法又引起人们的重视，并对它进行了更加深入的研究与改进。
SBR工艺与连续流活性污泥法工艺相比有一些优点：①工艺系统组成简单，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备；②耐冲击负荷，在一般情况下（包括工业废水处理）无需设置调节池；③反应推动力大，易于得到优于连续流系统的出水水质；④运行操作灵活，通过适当调节各阶段操作状态可达到脱氮除磷的效果；⑤活性污泥在一个运行周期内，经过不同的运行环境条件，污泥沉降性能好，SVI值较低，能有效的防止丝状菌膨胀；⑥该工艺可通过计算机进行自动控制，易于维护管理。
13、氧化沟
20世纪50年代开发的氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式，一般采用圆形或椭圆形廊道，池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有机械曝气和推进装置，近年来也有采用局部区域鼓风曝气外加水下推进器的运行方式。池体的布置和曝气、搅拌装置都有利于廊道内的混合液单向流动。通过曝气或搅拌作用在廊道中形成0.25~0.30m/s的流速，使活性污泥呈悬浮状态，在这样的廊道流速下，混合液在5~15min内完成一次循环，而廊道中大量的混合液可以稀释进水20~30倍，廊道中水流虽然呈推流式，但过程动力学接近完全混合反应池。当污水离开曝气区后，溶解氧浓度降低，有可能发生反硝化反应。
大多数情况下，氧化沟系统需要二沉池，但有些场合可以在廊道内进行沉淀以完成泥水分离过程。
14、循环活性污泥工艺（CAST或称CASS）
CAST工艺是SBR工艺的一种变形，池体内用隔墙隔出生物选择区、兼性区和主反应区三个区域，三个区域的体积比大致为1：2：20，混合液由第三区回流到第一区，回流比一般为20％，在第一区内活性污泥与进入的新鲜污水混合、接触，创造微生物种群在高浓度、高负荷环境下竞争生存的条件，从而选择出适合该系统的独特的为生物种群，并有效抑制丝状菌的过分增殖，避免污泥膨胀现象的发生，提高系统的稳定性。
生物选择区在高污泥浓度和新鲜进水条件下具有释放磷的作用，兼性区可以进一步促进磷的释放和反硝化作用，如果要求系统达到一定的脱氮除磷目的，主反应区需对应进行缺氧、厌氧、好氧环境设计，系统的反硝化反应除了在兼性区进行外，在沉淀和滗水阶段的污泥层中也观察到很高的水平，同时还可以控制好氧阶段的溶解氧水平实现同步硝化反硝化。

摘自《水污染控制工程》

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