活性污泥法及其发展历程.docx
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活性污泥法及其发展历程
活性污泥法及其开展历程
活性污泥法是一种污水的好氧生物处理法,由英国的克拉克〔Clark〕和盖奇〔Gage〕于1912年创造。
如今,活性污泥法及其衍生改进工艺是处理城市污水最广泛使用的方法。
它能从污水中去除溶解性的和胶体状态的可生化有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质,同时也能去除一局部磷素和氮素。
活性污泥法的开展历程:
1912年,克拉克〔Clark〕和盖奇〔Gage〕将污水装在玻璃瓶里,进展实验。
他们发现对污水长时间曝气,玻璃瓶里会出现污泥,水质也得到明显改善。
他们进一步发现,将那些没有洗干净而附着有污泥的瓶子用作污水曝气实验,污水处理效果更好。
他们称这种自己生长的污泥为“活性污泥〞〔ActivatedSludge〕。
让曝气后的污水静止沉淀,倒出上层已经净化的清水,留下瓶底的污泥,供第二天使用,这样可以大大缩短污水处理的时间。
1914年,第一座活性污泥法污水处理厂在英国曼彻斯特建立。
在活性污泥法开展历史上将1914年作为活性污泥法的创始年。
这个试验的工艺化是1916年,建成的第一个活性污泥法污水处理厂。
在显微镜下观察这些褐色的絮状污泥,可以见到大量的细菌,还有真菌,原生动物和后生动物,它们组成了一个特有的生态系统。
正是这些微生物〔主要是细菌〕以污水中的有机物为食料,进展代和繁殖,才降低了污水中有机物的含量。
活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥。
1921年,建成了第一座活性污泥法污水处理厂,就是现在的北区污水处理厂,后来1926年相继又建成上区和西区活性污泥法污水处理厂。
活性污泥:
肉眼观察活性污泥,呈黄褐色絮状物质。
气味特殊,但无臭味。
在显微镜下观察活性污泥颗粒,可以看见大量微生物,包括各种细菌、真菌、原生动物和少量的后生动物。
除此之外,还有作为粘附根底的无机物质存在。
这些微生物和无机物组成了微型的生态系统。
这种生态系统成为菌胶团或称"胶羽"。
活性污泥颗粒中70-90%是有机物,即微生物,另有10-30%是其他无机物质。
菌胶团是有细菌分泌的多糖类物质将细菌包覆为黏性团块,构成活性污泥絮凝体的核心。
在菌胶团外围,粘附了着真菌和原生动物,而较为高等的后生动物那么是处于相对游离的状态。
活性污泥法:
是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。
活性污泥法是向废水中连续通入空气,经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。
其上栖息着以菌胶团为主的微生物群,具有很强的吸附与氧化有机物的能力。
流程原理:
典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。
污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。
从空气压缩机站送来的压缩空气,通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置,以细小气泡的形式进入污水中,目的是增加污水中的溶解氧含量,还使混合液处于剧烈搅动的状态,形悬浮状态。
溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触,使活性污泥反响得以正常进展。
第一阶段,污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的外表上,这是由于其巨大的比外表积和多糖类黏性物质。
同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。
第二阶段,微生物在氧气充足的条件下,吸收这些有机物,并氧化分解,形成二氧化碳和水,一局部供给自身的增殖繁衍。
活性污泥反响进展的结果,污水中有机污染物得到降解而去除,活性污泥本身得以繁衍增长,污水那么得以净化处理。
经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池,混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水别离,澄清后的污水作为处理水排出系统。
经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出,其局部作为接种污泥回流至曝气池,以保证曝气池的悬浮固体浓度和微生物浓度;增殖的微生物从系统中排出,称为“剩余污泥〞。
事实上,污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。
活性污泥法的原理形象说法:
微生物“吃掉〞了污水中的有机物,这样污水变成了干净的水。
它本质上与自然界水体自净过程相似,只是经过人工强化,污水净化的效果更好。
工艺类型开展历程:
自1912年开场自今,活性污泥法经过近100年的开展和改进,在理论和实践上都相当的成熟,同时也衍生出了很多种类的运行方式,如以下举的是各种典型的活性污泥法工艺流程:
传统活性污泥法、完全混合活性污泥法、延时曝气、纯氧曝气、浅层曝气、深井曝气、接触稳定法、氧化沟、活性生物滤池〔ABF工艺〕、吸附-生物降解工艺〔AB法〕、序批式活性污泥法〔SBR〕
运行方式开展演变:
传统的活性污泥法或称普通活性污泥法,经不断开展,已有多种运行方式。
1.渐减曝气
在推流式的传统曝气池中,混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。
因此等距离均量地布置扩散器是不合理的。
实际情况是:
前半段氧远远不够,后半段供氧超过需要。
渐减曝气的目的就是合理的布置扩散器,使布气沿程变化,而总的空气用量不变,这样可以提高处理效率。
2.分步曝气
在30年代,纽约市污水厂的曝气池空气量供给缺乏,厂总工程师把入流的一局部从池端引到池的中局部点进水,解决了问题。
使同样的空气量,同样的池子,得到了较高的处理效率。
3.完全混合法
美国1950年以前建造的曝气池全是狭长的条形池,按推流设计。
由于前段需氧量很大,因而通过渐减曝气池来解决。
但是,一般池子只有中段〔约全长的1/3处〕需氧速率与氧传递速率配合的比拟好一些。
在池的前段,因食料多,微生物的生长率高,需氧率也就很大,因而即使渐减曝气也不能根本解决问题,实际的需氧速率受供氧速率控制和制约。
需氧和供氧率之间池前后两块面积应相等。
这样的供氧和需氧情况,当受到冲击负荷时,前段阴影面积扩大,后段阴影面积缩小,严重时,后段面积全部消失,出现全池缺氧情况。
从以上运行方式看,传统活性污泥法的重要矛盾是供氧和需氧的矛盾,为了解决这个矛盾,渐减曝气是通过布气的方法来改善,分步曝气那么是通过进水分配的均匀性上来改善。
为了根本上改善长条形池子中混合液不均匀的状态,在分步曝气的根底上,进一步大大增加进水点,同时相应增加回流污泥并使其在曝气池中迅速混合,它就是完全混合的概念。
在完全混合法的曝气池中,需氧速率和供氧速率的矛盾在全池得到了平衡,因而完全混合法有如下特征:
①池液中各个局部的微生物种类和数量根本一样,生活环境也根本一样;
②人流出现冲击负荷时,池液的组成变化也较小,因为骤然增加的负荷可为全池混合液所分担,而不是象推流中仅仅由局部回流污泥来承当。
因而完全混合池从某种意义上来讲,是一个大的缓冲器和均和池。
它不仅能缓和有机负荷的冲击,也减少有毒物质的影响,在工业污水的处理中有一定优点;
③池液里各个局部的需氧率比拟均匀。
为适应完全混和的需要,机械曝气的圆形池子也得到了开展。
机械曝气器很象搅拌机,而圆形池子便于完全混合。
4.浅层曝气
1953年,派斯维尔〔Pasveer〕曾计算并测定氧在10℃静止水中的传递特性。
他发现了气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率最大的特点。
在水的浅层处用大量空气进展曝气,就可获得较高的氧传递速率。
为了使液流保持一定的环流速率,将空气扩散器分布在曝气池相当局部的宽度上,并设一条纵墙,将水池分为二局部,迫使曝气时液体形成环流。
根据联邦德国埃姆歇实验站的测定结果,可得到深度与单位能量吸氧率的关系。
因而扩散器的深度放置在水面以下0.6~0.8m围为宜,此时与常规深度的曝气池相比,可以节省动力费用。
此外,由于风压减小,风量增加,可以用一般的离心鼓风机。
浅层曝气池水深为3~4m,以浅者为好。
深宽比在1.0-1.3之间,供气量为30~40m3/3〔水〕·h,风压lOkPa左右,动力效率可达1.8-2.6kg02/kW·h。
浅层曝气与一般曝气相比,空气量是增大,但风压仅为一般曝气的1/3~1/4,故电耗并不增加而略有下降。
浅层池适用于中小型规模的污水厂。
但由于布气系统进展维修上的困难,没有得到推广应用。
5.深层曝气
曝气池的经济深度是按基建费和运行费用来决定的。
根据长期的经历,并经过多方面的技术经济比拟,经济深度一般为4~5m。
但随着城市的开展,普遍感到用地紧,为了节约用地,从60年代开场,研究开展了深层曝气法。
一般深层曝气池水深可达10~20m。
70年代以来,国外又开展了超深层曝气法,又称竖井或深井曝气,水深竟达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,从而提高了曝气池处理污水的负荷。
但对深层曝气的特性和经济效果,还不能说已十分清楚。
深井曝气法的实际装置直径为1.0~6.0m,深度为50-150m。
井中分隔成两个局部,一面为下降管,另一面为上升管。
污水及污泥从下降管导入,由上升管排出。
在深井靠地面的井颈局部,局部扩大,以排除局部气体。
经处理后的混合液,先经真空脱气〔也可以加一个小的曝气池代替真空脱气,并充分利用混合液中的溶解氧〕,再经二次沉淀池固液别离。
混合液也可用气浮法进展固液别离。
在深井中可利用空气作为动力,促使液流循环。
采用空气循环的方法是启动时先在上升管中比拟浅的部位输入空气,使液流开场循环,待液流完全循环后,再在下降管中逐步供给空气。
液流在下降管中与输入的空气一起,经过深井底部流人上升管中,并从井颈顶管排出,并释放局部空气。
由于下降管和上升管的气液混合物存在着密度差,故促使液流保持不断循环。
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,实践说明这时微生物的活性和代能力并无异常变化。
但合成和能量的分配有一定变化,运行中发现二氧化碳的量比常规曝气多30%,污泥产量低。
深井曝气池,气液紊流大,液膜更新快,促使KI。
值增大,同时气液接触时间增长,溶解氧的饱和浓度也由深度的增加而增加。
国外已建成了几十个深井曝气处理厂。
国也正在开展研究。
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。
6.高负荷曝气或变型曝气
有些污水厂只需要局部处理,因此产生了高负荷曝气法。
曝气池中的MLSS,约300~500mg/L,曝气的时间比拟短,约2~3h,处理效率仅约65%左右,有别于传统的活性污泥法,故常称变型曝气。
7.克劳斯〔Kraus〕法
美国有一酿造厂,污水的碳水化合物含量有时特别高,给城市污水厂的运行造成很大困难,常引起污泥膨胀。
膨胀的活性污泥不易在二次沉淀池中沉淀,而随水流带走,不仅降低了出水水质,而且造成回流污泥量缺乏,进而降低了曝气池中混合液悬浮固体浓度。
如不及时采取措施加以解决,就会使系统中的活性污泥愈来愈少,从根本上破坏曝气池的运行。
克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气,然后再进入曝气池,成功地克制了高碳水化合物的污泥膨胀问题。
这个过程称为克劳斯法。
消化池上清液中富有氨氮,可以供给大量碳水化合物代所需的氮。
此外,消化池上清液挟带的消化污泥比重较大,有改善混合液沉淀性能的成效。
8.延时曝气
延时曝气在40年代末到50年代初在美国流行起来。
特点是曝气时间很长,达24h甚至更长,MLSS较高,到达3000-6000mg/L,活性污泥在时间和空间上局部处于源呼吸状态,剩余污泥少而稳定,无需消化,可直接排放。
适用于污水量很小的场合,最先是牛奶场,后来用于村庄和风景区、旅社等。
近年来,国用于高层建筑生活污水处理。
设备可用钢板装配,由厂商供给。
对于不是24h连续来水的场合,常常不设沉淀池而采用间歇运行方式,例如20h曝气和进水,2h沉淀,2h放空,再运行。
也有曝气池和二沉池合建的。
9.接触稳定法
50年代德克萨斯州奥斯汀〔Austin〕城的污水厂由于水量增加,需要扩建。
虽然另有空地,但地价昂贵,因而没有扩建的可能性,不得不另找它法。
在实验室里,用活性污泥法处理生活污水时,混合液中液体局部的BOD5下降有一定的规律。
如果测定BOD5时的取样间隔时间较长,例如每隔1h取样一次,那么所得的BOD5下降曲线是光滑的,说明池液中的反响接近于一级反响。
但是,缩短取样间隔时,发现在运行开场后的第一小时,BOD5值有一个迅速下降而后又逐渐上升的现象。
而且这个短暂过程中BOD5的最低值与曝气数小时后的BOO<根本一样,其值相当低。
利用这一事实,把曝气时间缩短为15~45win〔MLSS为2000mg/L〕,取得了BOD5相当低的出水。
但是,回流污泥丧失了活性,其降低污水中BOD5的能力下降了。
于是把回流污泥与人流的城市污水集合之前预先进展充分曝气,这样即可恢复它的活性。
在适当改变原曝气池的出人口位置和增添扩散板面积后,只用了原池一半容积,就解决了超负荷问题。
但是,每月总有一天出水质量不好,调查研究后发现这一天是城牛奶场的清洗日。
牛奶场污水BOD5很高而SS不高。
这启示了:
混合液曝气过程中第一阶段BOD5的下降是由于吸附作用造成的,对于溶解的有机物,吸附作用不大或没有,因此,把这种方法称为接触稳定法,也叫吸附再生法,混合液的曝气完成了吸附作用,回流污泥的曝气完成稳定作用〔恢复活性〕。
此外,还发现:
①这一方法直接用于原污水的处理比用于初沉池的出流水效果好,初沉池可以不用;②剩余污泥量增加了。
结果,在改造曝气池时,只增添了空气供给设备的污泥处理设备。
实际上,再生池和吸附池可合建,用墙隔开。
在接触稳定法中,回流污泥浓缩〔由2000mg/L变成8000mg/L〕再曝气稳定,池容积节省了,或者说,同样的池子增加了处理能力。
在50年代开发的氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式,它的池体狭长,池深较浅,在沟槽中设有外表曝气装置。
曝气装置的转动,推动沟液体迅速流动,取得曝气和搅拌两个作用,沟中混合液流速约为0.3-0.6m/s,使活性污泥呈悬浮状态,一种典型的氧化沟--卡罗塞式氧化沟,它是由荷兰DHV公司于60年代开发的使用很广泛的一种氧化沟,如我国兰花沟污水处理厂,市东区污水处理厂及肉联厂的废水处理都采用这种形式的氧化沟,它不但可以到达95%以上的BOD5去除率,还可同时到达局部脱氮除磷的目的。
80年代初,美国开发了将二次沉淀池设置在氧化沟中的合建式氧化沟,一种典型的合建式氧化沟——BMTS型,即在沟截出一个区段作为沉淀区,两侧设隔板,沉淀区底部设一排呈三角形的导流板,混合液的一局部从导流板间隙上升进入沉淀区,沉淀的污泥也通过导流板回流到氧化沟,出水由设于水面的集水管排出。
因省去二沉池,故节省占地,更易于管理。
11.纯氧曝气
以纯氧代替空气,可以提高生物处理的速度。
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4000-8000mg/L。
因而二沉池的运行要注意。
厂商推广纯氧曝气池的主要论点之一是:
氧的纯度达98%。
在密闭的容器中,溶解氧饱和浓度可提高,氧溶解的推动力也随着提高,氧传递速率增加了,因而处理效果好,污泥的沉淀性能也好。
纯氧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,构造要求高,施工要特别小心。
如果进水中混入大量易挥发的碳氢化合物,容易引起爆炸。
同时生物代中生成的二氧化碳,将使气体中的二氧化碳分压上升,溶解于溶液中,会导致pH值的下降,阻碍生物处理的正常运行,影响处理效率。
因而要适时排气和进展pH值的调节。
12.活性生物滤池〔ABF工艺〕
在通常的活性污泥过程之前设置一个塔式滤池,它同曝气池可以是串联的,又可以是并联的,但主要是串联。
塔式滤池滤料外表上附着很多活性污泥,因此滤料的材质和构造不同于一般生物滤池。
通常用耐腐蚀的木板条做成栅状板,然后平放重叠起来。
栅板与栅板之间留有一定间距,塔高4-6m。
塔的设计负荷率为3.2kg/m3·d,去除率约65%,冬季处理效果较差,和水温有关。
塔的出流含氧量高达6-8mg/L〔20℃〕,混合液需氧速率也高,随废水浓度不同,可达30-300mg/L·h左右。
这里的滤池也可以看作采用外表曝气特殊形式的曝气池,塔是一个强烈的充氧器。
因而ABF可认为是一个复合式活性污泥法。
污水流过滤池的时间不到1min,但由于滤料污泥层附着水的存在,实际上污水的逗留时间要长得多。
对ABF工艺国外都作了一些研究,但对它的技术经济和运行特性的研究还不够充分。
13.吸附-生物降解工艺〔AB法〕
70年代,德国亚深工业大学的Boehnkg教授提出了吸附-生物降解工艺,简称AB法。
A级以高负荷或超高负荷运行〔污泥负荷>2.0kgBOD5/kgMLSS·d〕,B级以低负荷运行〔污泥负荷一般为0.1~0.3kgBOD5/kgMLSS·d〕,A级曝气池停留时间短,30~60min,B级停留2-4h。
该系统不设初沉池,A级是一个开放性的生物系统。
A、B两级各自有独立的污泥回流系统,两级的污泥互不相混。
该工艺处理效果稳定,具有抗冲击负荷、pH值变化的能力,在德国以及欧洲有广泛的应用。
该工艺还可以根据经济实力进展分期建立。
例如,可先建A级,以削减污水中的大量有机物,到达优于一级处理的效果,等条件成熟,再建B级以满足更高的处理要求。
近年来,AB法在我国的海泊河污水处理厂,污水处理厂等有应用。
14.序批式活性污泥法〔SBR法〕
序批式活性污泥法简称SBR法,是早期充排式反响器〔Fill-Draw〕的一种改进,比连续流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法又引起人们的重新重视,并对它进展了更加深入的研究与改进,自1985年我国第一座SBR处理设施在市吴淞肉联厂投产运行以来,SBR工艺在国已用于屠宰,缫丝,含酚,啤酒,化工试剂,鱼品加工,制药等工业污水和生活及城市污水的处理。
传统活性污泥法的曝气池,在流态上届推流、在有机物降解方面也是沿着空间而逐渐降解的。
而SBR工艺的曝气池,在流态上属完全混合,在有机物降解上,却是时间上的推流,有机物是随着时间的推移而被降解的。
其根本操作流程由进水,反响,沉淀,出水和闲置等五个根本过程组成,从污水流人到闲置完毕构成一个周期,在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反响器依次进展的。
SBR工艺与连续流活性污泥工艺相比有一些优点,①工艺系统组成简单,不设二沉池,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〔包括工业污水处理〕无需设置调节池;③反响推动力大,易于得到优于连续流系统的出水水质;④运行操作灵活,通过适当调节各单元操作的状态可到达脱氮除磷的效果;⑤污泥沉淀性能好,SVI值较低,能有效地防止丝状菌膨胀;⑥该工艺的各操作阶段及各项运行指标可通过计算机加以控制,便于自控运行,易于维护管理。
活性污泥法的开展前景:
〔1〕膜生物反响器:
膜生物反响器可在紧凑的空间同时实现微生物对污染物质的降解和膜对污染物质的别离,而降解与别离之间又存在着协同作用,是一种高效、实用的污水处理技术。
〔2〕膜别离技术的应用:
用膜别离代替沉淀进展泥水别离,可带来活性污泥工艺的以下变化:
①不再存在污泥膨胀问题。
在调控活性污泥系统时,不必再考虑污泥的沉降性能问题,从而使工艺控制大大简化;②曝气池的污泥浓度将大大提高(MLSS可以大于20000mg/l)从而使系统可在超大泥龄、超低负荷状态下运行,充分满足去除各种污染物质的需要;③在同样的处理要求下,可使曝气池容积大大减小,节省处理厂的占地面积;④污泥浓度的提高,将要求较高的曝气速率,因而纯氧曝气将随着膜别离而被大量采用。
虽然膜别离目前还存在易堵塞等方面的问题,但这些问题正逐步得到解决。
实际上,目前已有一批膜别离活性污泥系统在运行,如日本Hiroshiwa市的Higashi污水处理厂的膜别离系统已连续运行3年。
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