探討活性污泥工藝的技術現狀及發展展望
傳統活性污泥工藝采用中等污泥負荷，曝氣池為連續推流式。目前仍有大批采用傳統活性污泥工藝的處理廠在運行。若只要求去除有機污染物時，傳統活性污泥工藝仍是一種可行的選擇。對傳統活性污泥工藝進行的各種改進，產生了很多種不同的活性污泥工藝。
活性污泥工藝是污水處理的主要工藝。在全球近6萬座城市污水處理廠中，有3萬多座采用活性污泥工藝，而其余多為規模很小的穩定塘系統。
活性污泥工藝本世紀初出現于英國，之后迅速在歐美得到應用。早在20年代初，我國上海就建成了采用活性污泥工藝的污水處理廠。30年代初，日本也開始采用活性污泥工藝處理污水。60年代以前，各地采用的活性污泥工藝與最初形式基本一致，稱為傳統活性污泥工藝。60年代以來，日益嚴重的水污染問題迫切需要建設大批污水處理廠，使活性污泥得到了較快的發展。本文從工藝改進和污泥膨脹兩個方面，回顧了活性污泥工藝的技術發展，討論了該工藝未來的發展趨勢。
1 活性污泥工藝的改進
傳統活性污泥工藝采用中等污泥負荷，曝氣池為連續推流式。目前仍有大批采用傳統活性污泥工藝的處理廠在運行。若只要求去除有機污染物時，傳統活性污泥工藝仍是一種可行的選擇。對傳統活性污泥工藝進行的各種改進，產生了很多種不同的活性污泥工藝。一些工藝較傳統工藝處理功能增強，一些工藝運行更加穩定，而另外一些工藝的費用大大降低或運行更加方便。這些工藝上的改進，充分滿足了各種不同的處理要求。這些改進可以分為池形的改進、運行方式的改進、曝氣方式的改進、生物學方面的改進以及投加填料等幾個方面。
1.1 池形的改進
傳統工藝采用推流式曝氣池，后來出現了完全混合式曝氣池。推流流態和完全混合流態各有其優缺點。與推流相比，完全混合式流態抗沖擊負荷能力強，但易發生短流。另外，完全混合活性污泥系統易產生絲狀菌污泥膨脹。氧化溝為環流流態，介于完全混合與推流之間，兼具二者的優點。氧化溝工藝最顯著的特點是運行管理簡便，出水穩定。
1.2 運行方式的改變
傳統工藝系連續流運行方式，且從曝氣池前端進水。運行方式的早期改進是多點進水工藝。多點進水最初的目的是平衡沿池的污泥負荷及需氧量，但后來被漸減曝氣工藝所取代。當采用串級反硝化工藝時，多點進水被用來補充各缺氧段的碳源。多點進水運行方式的另一個新用途是緩沖水力沖擊負荷。當雨季進入活性污泥系統的流量增大時，改為多點進水運行可有效防止污泥流失。
SBR是間歇運行的活性污泥工藝，曝氣和沉淀在同一池內完成，省去了二沉池和回流系統，使運行簡單化。最初的SBR系間歇進水間歇出水運行。后來，在反應器內加入前置區，實現了連續進水間歇出水運行。這一改進的目的是為脫氮除磷過程補充碳源，另外兼有抑制絲狀菌增長的作用。對應的工藝有CASS和ICEAS。CASS為周期循環活性污泥系統，是Trausenviro公司的專利工藝。ICEAS為間歇循環延時曝氣系統，是ABJ公司的專利工藝。這兩種工藝的本質特征都是連續進水間歇出水，屬同一種工藝。另外還有多種SBR工藝，如Aqua SBR、Om Niflo SBR、BPAS、Fluidyne等。所有這些工藝都是在曝氣設備和潷水器上作了改進，運行方式上與最初SBR一致。T型氧化溝是另外一種間歇運行方式，兩個邊溝周期性地處于曝氣和沉淀狀態，因此也省去了二沉池和回流系統。合理調整運行周期和程序，T型氧化溝也可以進行硝化和反硝化。
T型氧化溝的缺點是轉刷利用率太低，脫氮效率也不高。為此，Kruger公司又開發了De型氧化溝。該種氧化溝屬半間歇式運行，設有二沉池及回流系統。兩個溝為一組，交替處于硝化反硝化狀態。只脫氮的De氧化溝稱之為Biodenitro工藝；在氧化溝外設厭氧池，實現除磷時，稱之為Biodenpho工藝。由于增設了二沉池及回流系統，DE溝的轉刷利用率明顯提高。
間歇運行一個最新的改進是Seghers公司的Unitank工藝。該工藝的運行方式類似于T型氧化溝，但運行程序似乎更趨優化。
1.3 曝氣方式的改變
傳統活性污泥工藝既采用鼓風曝氣又采用機械表曝。鼓風曝氣又有穿孔管曝氣和微孔曝氣兩種形式。穿孔管鼓風曝氣由于氧轉移效率及動力效率太低，實際上已很少采用。
曝氣方式的改進主要是為了提高充氧性能，并方便運行維護。射流曝氣是曝氣方式一種較早的改進。其充氧性能高于穿孔管曝氣，且維護方便。目前，仍有新型的射流曝氣裝置出現。陶瓷微孔曝氣器早在80年代就已采用，但一直沒有得到廣泛應用。80年代中期，大批污水處理廠改造成了陶瓷微孔曝氣器，但至90年代很快又被橡膠膜片曝氣器所取代。膜片曝氣器的顯著特點是不堵塞不積垢，但由于材質原因，其壽命和理化穩定性仍是一個待解決的問題。
純氧曝氣也是一種較早的曝氣方式的改進，它的顯著特點是充氧性能大大提高。其原因是由于氧分壓提高，使氧在污水中的飽和溶解度增大，進而增大了氧傳質擴散的推動力。深層曝氣的充氧性能也大大提高，但原因是由于壓力的提高，導致擴散傳質推動力的增大。目前出現的氣提反應器使深層曝氣工藝趨于優化。
1.4 生物學方面的改進
傳統活性污泥工藝采用中等污泥負荷。較早的改進方式是高負荷工藝和低負荷工藝。高負荷工藝又稱高速曝氣工藝，主要是利用活性污泥強大的吸附性能在較短的時間內去除大部分有機物。吸附再生工藝和A B工藝的A段嚴格上也屬于高速曝氣工藝。低負荷工藝又稱延時曝氣工藝，除能去除有機物以外，還能實現污泥好氧穩定。
傳統活性污泥工藝的最大改進是各種脫氮除磷工藝的出現。早期的脫氮工藝采用二階段或三階段活性污泥工藝，有機物分解、硝化和反硝化分別在不同的活性污泥系統中完成，且反硝化過程需外加碳源。70年代初，Wuhrmann工藝將有機物分解、硝化和反硝化合并到一套活性污泥系統中，形成了早期的OA脫氮工藝。Ludzack Ettinger工藝將反硝化段移至硝化段首端，將OA工藝改進為AO工藝。之后，Baranard提出了MLE工藝，在Ludzack Ettinger工藝中加入了混合液內循環，形成了現在普遍采用的AO脫氮工藝。
生物除磷工藝的發展基本與生物脫氮同步。早在50年代，就已發現活性污泥“過度吸磷”(Luxuryup Tank)現象，但60年代中期，才開始理論上的研究，到70年代，才形成了現在的AO除磷工藝，又稱為Phoredox工藝。AO生物除磷工藝有兩類：主流除磷和側流除磷。主流(Main Stream)除磷工藝將放磷的厭氧段設在主工藝流程上，而側流(SIDESTREAM)工藝的厭氧段則不在工藝主路上，稱為Strip池。側流工藝也稱為Phostrip工藝，改進的目的是增加一個放磷口，提高除磷率。
A2O工藝將生物脫氮生物除磷綜合到了同一活性污泥系統中，是生物脫氮和生物除磷的最初結合點。A2O工藝是美國Air Products公司的專利，但在生物脫氮除磷領域很快被其他很多專利工藝所取代。對A2O工藝的改進基于生物脫氮除磷的大量基礎研究。改進的目的集中在消除脫氮與除磷的相互干擾，提高脫氮除磷效率、降低運行費用等方面。
UCT工藝和MUCT工藝的主要特征是消除了回流污泥中的硝酸氮或DO對聚磷菌放磷過程的影響。MUCT設置兩個獨立的缺氧區，使這種影響降至最低，并可增大內回流比，提高脫氮率。能起同樣作用的還有VIP工藝。Eimco公司的Bardenpho工藝在AO和A2O基礎上又增加一個缺氧區和好氧區，起到了精脫氮的作用。Bardenpho工藝包括四區工藝和五區工藝兩種，四區工藝用于脫氮，五區工藝用于脫氮除磷。另一類A2O的改進工藝是利用污泥發酵產生的易降解有機物(VFA)，補充到A2O工藝中的厭氧段或缺氧段，以提高脫氮除磷效率。主要有NTH、Hypro Concept、Owasa、UBC和EASC等工藝類型。
Owasa是美國工藝，特點是初沉污泥經發酵之后，進行重力濃縮，上清液進入曝氣池的厭氧或缺氧段。NTH是挪威工藝，特點是將初污泥首先進行濃縮，將濃縮后的污泥進行熱水解(100～180℃)，之后再進行離心分離，將分離液回流至曝氣池的缺氧段。挪威污水的BOD5/TN極低，脫氮所需VFA嚴重不足，而熱水解可提供較大的VFA量，能滿足脫氮需要。
Hypro Concept是一種丹麥工藝流程。當采用前置化學除磷時，初沉池出水中的BOD5會大大降低，必定滿足不了后續脫氮的需要，因而必須將初沉污泥進行發酵，并離心濃縮，將富含VFA的離心液回至反硝化區。
UBC是加拿大工藝，其特點是初沉污泥經發酵后，將部分污泥回至初沉池前端，另一部分去污泥處理區，不設發酵污泥的濃縮單元。實際上，回至初沉池的發酵污泥在沉淀過程中，將VFA與污水充分混合，進入后續脫氮除磷系統。在UBC工藝中，初沉池代替了濃縮單元。EASC出現于德國，稱之為延時厭氧污泥接觸工藝。其特點是回流污泥排至初沉池，初沉污泥排入曝氣池。在EASC工藝中，回流污泥中的硝酸氮和DO，入流污水中的硝酸氮、NXO等均將在初沉池被消耗掉，從而不影響后續的脫氮除磷。同時，初沉污泥中的VFA進入曝氣池后，也能補充脫氮除磷所需的磷源。
另外還有一些脫氮除磷工藝，雖然機理上并無新意，但卻能降低系統的總水力停留時間，節省投資。如多級串聯脫氮工藝以及RDN工藝等。多級串聯生物脫氮工藝有兩種：Cascade NdN和Cascade dNN工藝。前者為多級串聯的后置脫氮工藝，不需內回流，但需多點進水運行。后者為多級串聯的前置脫氮工藝，每一級均需設置內回流。RDN是捷克開發的一種工藝，特點是在AO脫氮系統中，增設一個污泥再曝氣池，增大了系統的好氧污泥齡。在同樣的脫氮效率下，RDN較AO水力停留時間可縮短，從而使投資節省。
以上生物脫氮除磷工藝大多開發于80年代末90年代初，已在污水處理廠獲得廣泛應用。自1994年以來，對生物脫氮除磷機理的研究有了新的進展，在此基礎上出現了一些新工藝
缺氧與反硝化是聯系緊密的兩個概念。缺氧是指混合液中只存在化合態氧(NO-X)而不存在分子態氧的一種狀態。當既無NO-X又無DO時，則為厭氧狀態。在缺氧狀態下，NO-X是唯一的最終電子受體。如果存在可利用的碳源，則微生物必然進行反硝化。但此時如果存在溶解氧，微生物將優先利用O2作為最終電子，從而抑制反硝化。因此，在實際污水處理中，N2O工藝一般要求缺氧段的DO<0.5mg/l。但近年來發現DO>0.5mg/l時，缺氧段也能繼續保持反硝化。同時，由于DO的提高，硝化也同時存在。由此人們認識到，硝化和反硝化可以在某個較高的DO范圍(如10～15mg/l)內同步進行。對同步硝化和反硝化現象可能的解釋是：活性污泥中的硝化細菌易于脫離污泥絮體而游離存在，或主要生存在絮體的外層，而進行反硝化的異氧菌則主要集中在絮體內部。當控制DO在合適的范圍時，混合液主體以及污泥絮體外層處于好氧狀態，硝化細菌進行硝化，而污泥絮體內部處于缺氧狀態，異氧菌進行反硝化；谕较趸聪趸墓に囉校篘deN工藝、Orbalsim Pre工藝和OAO工藝。NdeN是美國Enviro公司的專利工藝，流程如圖1。
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NdeN工藝在達到同樣的脫氮效率時，需要的水力停留時間較AO脫氮工藝短，因而可節省投資。Orbalsim Pre工藝是Enviro公司將同步硝化反硝化原理在ORBAL氧化溝上的應用，屬前置同步硝化反硝化的OrbalRBAL氧化溝。Orbalsim Pre一般分三溝串聯，第一溝進行同步硝化反硝化，第二、三溝進行硝化。OAO是日本應用同步硝化反硝化開發的工藝，如圖2所示：
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O1中的DO值由混合液的ORP控制，即控制ORP在要求范圍內，保證硝化反硝化同步進行。AN為厭氧段，用于聚磷菌釋放磷。
AO生物除磷的基礎是：聚磷菌在厭氧狀態下釋放磷，在好氧狀態下大量吸收磷。在實際的A2O系統中，發現混合液中磷的濃度經缺氧區之后降低了50%以上。這說明，聚磷菌在缺氧狀態下亦能大量吸收磷。后來的一系列實驗也證明，聚磷菌在分解有機物，為大量吸收磷獲取能量的過程中，更易以NO3-為最終電子受體。即聚磷菌在缺氧狀態下的吸磷速率要高于好氧狀態下的吸磷速率，亦即聚磷菌也能進行反硝化。雖然這一現象的原因尚不清楚，但已經出現基于這一現象的兩種最新脫氮除磷工藝：Dephanox工藝和BCFS工藝。De Phanox工藝的流程如圖3。
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在該工藝流程中，硝化后的污水與充分放磷后的聚磷菌在Dephanox池中混合，聚磷菌進行反硝化吸磷。由于脫氮與除磷過程不再競爭VFA，當采用Dephanox工藝時，即使SBOD5/TP很低，也可能不再需要外加碳源。BCFS工藝的流程如圖4所示。
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以上工藝特別適于反硝化聚磷菌的繁殖，實現脫氮與除磷的有機結合。傳統的硝化過程系將氨氮氧化為亞硝酸氮，再氧化為硝酸氮。反硝化系將硝酸氮逐步還原為N2。
在超高胺氮負荷AO脫氮系統中，人們發現通過控制溫度和pH，可使硝化只進行到亞硝酸氮，然后將亞硝酸氮進行反硝化，從而實現脫氮。這一“短路”脫氮過程可以降低系統的水力停留時間和耗氧量。對應的有Sharon工藝。該工藝適合于胺氮濃度很高的消化回流或垃圾填埋滲濾液的脫氮，投資和運行費用均低于AO脫氮工藝，溫度可控制在35℃，pH控制在7～8。
1.5 投料和投加載體方面的改進
向活性污泥工藝的曝氣池中投加一些具有吸附性能的活性材料可以提高污泥濃度，顯著改善污泥的沉降性能。較早的工藝有PACT工藝，即粉末活性炭活性污泥工藝。由于粉末活性炭的成本較高，再生也較困難，PACT應用不多。近年來出現了所謂的LUZENAC工藝。該工藝采用的投加材料為滑石，主要成分為水合硅酸鎂[Mg3Si4O10(OH)2]，使投料活性污泥工藝的運行成本大大降低。
在曝氣池內加入載體，可提高活性污泥濃度，使系統的水力停留時間大大縮短。很多國家在這方面進行了大量的研究和實踐，摸索出了一批合適的載體類型。國際上較有代表性的工藝有KMT工藝、CcptorR工藝、Biofor工藝、Linpor工藝和IFAS工藝。其中IFAS工藝為集成固定膜活性污泥工藝，其余均為懸浮態生物膜活性污泥工藝；KMT為挪威和瑞典工藝，載體材質采用聚乙烯塑料，為直徑7mm，高12mm的空心圓柱；Captor為美國工藝，它采用聚氨酯材料，是12mm×25mm×25mm的長方體；LINPOR為德國工藝，是12mm×12mm×12mm的立方體；Biofor為法國工藝，載體為3mm左右的不規則砂質顆粒。
2 污泥膨脹和生物泡沫問題
1932年法國人Donaldso首先發現了活性污泥中的絲狀菌膨脹問題。1969年，Anon首先在美國的Milwaukee污水處理廠發現了生物泡沫問題。從污泥膨脹和生物泡沫出現之日起，人們就開始研究其產生的原因，尋找控制對策，但直到現在并沒有解決。
應該說，在污泥膨脹控制方面，也取得了許多重要進展，但這些進展落后于新工藝帶來的新膨脹問題。1975年，Eikelboom系統地總結出了一套絲狀微生物分類及鑒別方法，為控制污泥膨脹提供了基礎。1973年，Chudoba提出了KST理論(動力學選擇)和生物選擇器的概念，為控制污泥膨脹找到了一個正確的方向。
1977年，Cooper提出了缺氧選擇器的概念，Spector提出了厭氧選擇器的概念。80年代末，Jenk Ins提出了MST理論(代謝選擇)，并結合80年代的實踐成果，系統地提出了好氧選擇器、缺氧選擇器及厭氧選擇器的理論和設計方法。世界各地的大量實踐證明，生物選擇器能永久性地控制由以下絲狀菌導致的污泥膨脹：021N；Thiothrix；S.Natans；1701；N.Limicola；H.Hydrossis。遺憾的是，以上種類只是導致中等污泥負荷活性污泥膨脹的絲狀菌。在低負荷系統中，以上絲狀菌一般不會成為優勢種類。尤其在脫氮除磷系統中，厭氧區和缺氧區本身就具有代謝選擇功能，使以上種類失去了繁殖的可能。
在丹麥、瑞典、荷蘭、德國、法國、意大利、英國、南非和澳大利亞等國家幾千座處理廠進行的調查表明：生物脫氮除磷活性污泥系統更容易產生絲狀菌污泥膨脹。常見的絲狀菌為：M.Parvicella；0092；Nocadiaspp.；0675；1851；0041。其中，M. Parvicella是導致污泥膨脹的最主要種類。Nocadiaspp.是導致生物泡沫的主要種類。M. Parvicella也常導致泡沫，其產生的泡沫比Nocadia產生的泡沫更加粘稠，常稱之為生物浮渣。M. Parvicella產生的污泥膨脹及浮渣出現在較冷的季節，有時能從秋末持續到初春。而Nocadiaspp.產生的泡沫常出現在夏季。污泥膨脹和生物浮渣及泡沫問題會嚴重干擾處理廠的運行控制和維護管理。污泥膨脹會使整個工藝狀態偏離控制要求，嚴重時則造成污泥流失，導致運行失敗。
生物泡沫對運行的影響有時會達到難以想象的程度。澳大利亞某處理廠由M.Parvicella導致的生物浮渣，最厚達到1.5m。瑞典斯德歌爾摩的Hilm Merfjarden處理廠自1994年以來一直存在著嚴重的生物泡沫。該廠的泡沫曾隨排泥進入消化池，然后自沼氣管道進入了沼氣鍋爐。美國某處理廠曾出現大量浮渣堵塞了消化池液面至池蓋之間的空間，使初沉出水無法流入曝氣池。美國另一處理廠生物浮渣嚴重時，核算發現曝氣池內45%的MLSS(活性污泥中懸浮固體含量)轉移到了浮渣中。理論上不能證明生物選擇器能控制M.Parvicella產生的膨脹和浮渣，以及Nocadiaspp.產生的泡沫。實踐中也基本沒有成功的經驗。許多污水廠曾嘗試加氯殺滅M.Parvicella，但收效不大。因其菌絲有相當部分深藏在絮體內部。雖然世界各地進行了大量的研究和實踐，目前仍沒有找到控制M.Parvicella的對策。
對該種絲狀菌初步進行的一些純培養研究發現：厭氧、缺氧、好氧交替循環的環境，尤其適合該種絲狀菌大量繁殖。因此，為脫氮除磷設置的工藝狀態，恰恰為M.Parvicella的大量繁殖創造了條件；蛟S，M.Parvicella是留待下世紀解決的一個課題。
3 活性污泥工藝的發展趨勢
通過幾十年的研究與實踐，活性污泥工藝已經成為一種比較完善的工藝。在池形、運行方式、曝氣方式、載體等方面已經很難有較大的發展。用常規手段也已經很難在生物學方面有所突破。筆者認為該工藝未來兩個大的方向是膜分離技術和分子生物學技術的應用。
3.1 膜分離技術的應用
用膜分離代替沉淀進行泥水分離，可帶來活性污泥工藝的以下變化：
①不再存在污泥膨脹問題。在調控活性污泥系統時，不必再考慮污泥的沉降性能問題，從而使工藝控制大大簡化；
②曝氣池的污泥濃度將大大提高(MLSS可以大于20000mg/l)從而使系統可在超大泥齡、超低負荷狀態下運行，充分滿足去除各種污染物質的需要；
③在同樣的處理要求下，可使曝氣池容積大大減小，節省處理廠的占地面積；
④污泥濃度的提高，將要求較高的曝氣速率，因而純氧曝氣將隨著膜分離而被大量采用。
雖然膜分離目前還存在易堵塞等方面的問題，但這些問題正逐步得到解決。實際上，目前已有一批膜分離活性污泥系統在運行，如日本Hiroshiwa市的Higashi污水處理廠的膜分離系統已連續運行3年。
3.2 分子生物技術的應用
目前分子生物技術已開始應用于污水處理領域。為搞清聚磷菌除磷的生化機理，已開始用分子診斷技術獲取聚磷菌的遺傳信息，F在從活性污泥中已發現的30多種絲狀菌中，只有4種準確命名及生物分類學定位，因為這些絲狀菌大部分無法進行分離純培養。目前正用分子診斷技術進行這些絲狀菌的生物學定位，以進一步準確了解其特性。
分子診斷技術的大量應用，活性污泥微生物基因庫的建立，在此基礎上用基因技術培育具有高效活性的污泥菌種，進一步提高處理效果，是未來發展的方向。
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