(重慶交通大學(xué)　重慶　400074)

一、引言

隨著世界上各國工業(yè)化的推進(jìn)，水資源成為了全世界國家發(fā)展過程中面臨的共同問題。目前，占世界人口40%的80個(gè)國家正面臨著水危機(jī)，發(fā)展中國家約有10億人喝不到清潔的水，17億人沒有良好的衛(wèi)生設(shè)施，每年約有2500萬人死于飲用不清潔的水[1]。水危機(jī)已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類的可持續(xù)發(fā)展。1992年里約熱內(nèi)盧聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì)通過的《21世紀(jì)議程》中指出：水不僅為維持地球一切生命所必需，而且對(duì)一切經(jīng)濟(jì)問題都有生死攸關(guān)的重要意義。

水資源的短缺主要由兩個(gè)方面引起，一是地區(qū)淡水總量的缺乏，二是水污染。其中，水污染是可以控制，也必須控制的問題。發(fā)展過程中的發(fā)達(dá)國家，比如十九世紀(jì)的英國[2]美國，二十世紀(jì)的日本[3]，都遭受過水污染問題造成的嚴(yán)重后果。中國是世界上淡水資源嚴(yán)重缺乏的國家,被列為世界13個(gè)最缺水國家之一,全國600多個(gè)城市中大約1/2的城市缺水,75%的湖泊出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化,90%的城市水域污染嚴(yán)重,南方城市總?cè)彼康?0%～70%是由于水污染造成的[4]。因此，對(duì)水污染的治理成了亟需解決的重要問題。

解決水污染問題，使用污水處理，即采用各種技術(shù)措施，將水中所含有的各種形態(tài)的污染物分離出來或?qū)⑵浞纸?、轉(zhuǎn)化為無害和穩(wěn)定的物質(zhì)，使廢水得到凈化。

二、水污染的治理

(一)水處理方法的分類

目前污水處理的方法主要可按其原理分為三大類，物理法、化學(xué)法和生物法。其中，物理法是利用物理作用，如沉淀過濾等除去廢水中污染物質(zhì)，在處理過程中不改變水的化學(xué)性質(zhì)。如格柵、沉淀、氣浮、過濾、反滲透、離心、蒸發(fā)、結(jié)晶等?；瘜W(xué)法是向廢水中投加某些化學(xué)物質(zhì)，利用化學(xué)反應(yīng)來分離、轉(zhuǎn)化、破壞或回收廢水中的污染物，并使其轉(zhuǎn)化成為無害物質(zhì)。如混凝、中和、氧化還原、吸附、離子交換法、膜分離、汽提萃取等。生物法是利用水中微生物的新陳代謝功能，并采取一定的人工措施，創(chuàng)造有利于微生物生長、繁殖的環(huán)境，使微生物大量增殖，從而使廢水中呈溶解和膠體狀態(tài)的有機(jī)物被降解，并轉(zhuǎn)化成為穩(wěn)定，無害的物質(zhì)，使廢水得以凈化。如活性污泥法、生物膜法、自然生物處理法和厭氧生物處理法等。

對(duì)城市污水處理，一般是同時(shí)使用物理、化學(xué)和生物處理方法。分為一級(jí)處理，二級(jí)處理和三級(jí)處理。其中一級(jí)處理一般是利用物理處理方法，對(duì)大顆粒污染物進(jìn)行沉降，對(duì)懸浮物質(zhì)進(jìn)行絮凝沉降等，也使用少量的化學(xué)處理方法為后續(xù)處理進(jìn)行服務(wù)，一級(jí)處理又稱為預(yù)處理，單單使用一級(jí)處理，無法滿足對(duì)城市污水處理的需求。二級(jí)處理主要是利用生物處理方法，除去水中的膠體有機(jī)物或溶解性的有機(jī)物，二級(jí)處理一般能大幅度降低水中有機(jī)污染物的含量，城市水污染最主要的工序。三級(jí)處理，是對(duì)二級(jí)處理的補(bǔ)充，進(jìn)一步去除二級(jí)處理中，未能去除的物質(zhì)，包括殘余的懸浮物及膠體、殘余的溶解性有機(jī)物、無機(jī)鹽類(如氮、磷、重金屬等)及色素、細(xì)菌與病毒等。

生物處理是二級(jí)處理的主體工序，是最有力的去除水中有機(jī)污染物的手段。生物處理主要分為天然生物處理和人工生物處理，天然生物處理又分為氧化塘法和人工濕地處理法，人工生物處理又分為厭氧氧化法和好氧氧化法。其中，好氧氧化法的利用得最為廣泛，其代表性的處理方法為活性污泥法和生物膜法。

(二)活性污泥法

活性污泥法是利用好氧微生物(包括兼性微生物)處理城市污水和有機(jī)工業(yè)廢水的有效方法，最早1913年在英國曼徹斯特市試驗(yàn)成功。該方法是向廢水中連續(xù)通入空氣，經(jīng)一定時(shí)間后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥狀絮凝物。其上棲息著以菌膠團(tuán)為主的微生物群，具有很強(qiáng)的吸附與氧化有機(jī)物的能力。

活性污泥法有很多變體，但是究其根源，其基本功能組成為如下的幾個(gè)部分：

初沉池：位于主體反應(yīng)前，主要用于去除大顆粒，易沉降，不溶于水的雜質(zhì)，為一級(jí)處理，不屬于活性污泥法的一部分。

曝氣池：活性污泥法反應(yīng)的場所，最主要的部分。在這里微生物物得到了增值，溶于水的有機(jī)物或有機(jī)物的膠體被微生物所消耗，達(dá)到了生物處理的效果。

二沉池：將曝氣池中產(chǎn)生的活性污泥與水分離，最終達(dá)到凈化的目的。同時(shí)二沉池的污泥會(huì)進(jìn)入污泥濃縮池，一部分會(huì)進(jìn)入污泥回流系統(tǒng)。另一部分則會(huì)作為剩余污泥排除整個(gè)系統(tǒng)。

污泥回流系統(tǒng)：將一部分二沉池中的污泥回流至曝氣池中，維持活性污泥的濃度，即曝氣池的生物的數(shù)量。通過調(diào)整污泥的回流比，可以改變整個(gè)活性污泥法的運(yùn)行工況。

供氧系統(tǒng)：為曝氣池中的微生活提供必要的氧分以維持其正常的生命活動(dòng)，維持整個(gè)好氧生物處理法系統(tǒng)的運(yùn)行。

整個(gè)活性污泥系統(tǒng)正常運(yùn)行需要滿足一些基本條件：為了維持活性污泥微生物的數(shù)量，廢水中溶解性有機(jī)物含量必須充足；曝氣池加入的氧氣要形成足夠的溶解氧，使微生物正常生存和工作；活性污泥在池內(nèi)需要成懸浮狀態(tài)；回流污泥與剩余污泥的比合理，使得曝氣池中污泥濃度維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平；進(jìn)水中不能含有對(duì)活性污泥微生物有毒有害的物質(zhì)。

(三)活性污泥法變體

傳統(tǒng)活性污泥法一開始有機(jī)物濃度很高，后來濃度漸漸下降，需氧量也漸漸下降，而如果均勻供氧，則難以滿足處理的要求，出現(xiàn)前端供氧量不足，后端溶解氧過剩的情況，漸減曝氣在一定程度上可以減少這種問題。但是因?yàn)檠跞芙庑枰獣r(shí)間，因此前端溶解氧濃度太低的問題，通過漸減曝氣難以消除，如果有機(jī)物負(fù)荷太高，甚至可能出現(xiàn)缺氧厭氧的情況。因此，誕生了一種新的活性污泥處理方法，多段進(jìn)水活性污泥法。該方法改變進(jìn)水與供氧的流程，改為分段供水，使得供氧率與耗氧率之間更加匹配，同時(shí)也提升了曝氣池對(duì)水量沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力。

另外為了應(yīng)付不同的處理需求，傳統(tǒng)的活性污泥法還有許多變種。如，再生曝氣活性污泥法系統(tǒng)，此系統(tǒng)先對(duì)二沉池回流的污泥進(jìn)行再生處理，防止其活性不能再直接回流到曝氣池之后不能得到及時(shí)的恢復(fù)。吸附-再生活性污泥法系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮污泥的吸附功能，具有較小的曝氣池容積，并能抵抗一定的沖擊負(fù)荷，但是其處理效果不如傳統(tǒng)活性污泥法。完全氧化活性污泥法系統(tǒng)，改系統(tǒng)采用的流態(tài)為完全混合式，處理能力高，剩余污泥少，無需設(shè)初沉池，但是其需要的基建和運(yùn)行成本都較高，需要的時(shí)間長，占地面積大，因此目前一般只在對(duì)水質(zhì)要求高，且不宜設(shè)污泥處理設(shè)施的小型污水廠使用。高負(fù)荷活性污泥法系統(tǒng)，加大了曝氣池的流速，BOD去除率較低，適用于對(duì)處理水水質(zhì)要求不高的情況。多級(jí)活性污泥法，當(dāng)原污水含有較高的有機(jī)物濃度時(shí)，可以考慮采用，每一級(jí)都是一個(gè)獨(dú)立的活性污泥法系統(tǒng)，都有自己的二沉池和回流池，這樣做大大地增加了處理的成本，只適合在對(duì)污水濃度非常高的地方使用。深井曝氣活性污泥法系統(tǒng)，該系統(tǒng)豎向設(shè)計(jì)，能節(jié)約占地面積；水深度大，水深處的水壓較大，加快了氧的傳遞速率，氧的利用率高，有機(jī)物降解速度快，處理的效果顯著。淺層曝氣活性污泥法，擁有非常高的氧轉(zhuǎn)移率，節(jié)約了充氧電機(jī)消耗的能量。

(四)同步除磷脫氮工藝

在現(xiàn)代的城市污水處理中，除了有機(jī)污染物的去除，一些化學(xué)物質(zhì)的去除也是至關(guān)重要的。在國家的排水標(biāo)準(zhǔn)《中華人民共和國污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中，無論是一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)還是一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，除了對(duì)COD、BOD的要求外，都有對(duì)氨氮、總氮、總磷含量的要求。因此上面的除了上面的一般活性污泥法外，在近來的污水處理工藝中，都會(huì)附加除磷和除氮的需求。對(duì)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行方式做了適當(dāng)調(diào)整，將缺氧技術(shù)納入到工藝系統(tǒng)中，使活性污泥處理系統(tǒng)能夠有效的進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)，取得脫氮率80%左右的效果。將厭氧技術(shù)納入工藝系統(tǒng)中，是活性污泥處理系統(tǒng)中的活性污泥，在交替好氧和厭氧的環(huán)境中，能夠使活性污泥微生物在厭氧環(huán)境中充分放磷，而在好氧環(huán)境中微生物能從周圍環(huán)境中攝取遠(yuǎn)超出其本身所需要的磷，使活性污泥處理系統(tǒng)具有生物除磷的功能。這樣兼具脫氮除磷的功能的厭氧缺氧和好氧交替的二級(jí)處理，被稱為強(qiáng)化二級(jí)處理工藝，如AOE工藝、A2O工藝、氧化溝工藝、間歇式活性污泥工藝等。

三、活性污泥法展望

(一)活性污泥法的新方向

引入自動(dòng)化控制技術(shù)，是活性污泥法研究的一個(gè)主流的新方向。污水處理具有工藝簡單、操作模式化、重復(fù)的特點(diǎn)，例如SBR等序批式污泥處理技術(shù)，特別適合于機(jī)械自動(dòng)化控制。特別是在機(jī)器算法發(fā)展的今天，完全可以通過傳感器檢測實(shí)時(shí)處理COD的變化，建立模糊控制模型[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧，回流比等參數(shù)更合理的控制。

除此之外對(duì)污泥生物群的控制也是重要的方向之一。例如通過加入磁粉，對(duì)污水中的顆粒增強(qiáng)吸附作用，并通過磁場影響微生物的生理機(jī)能；通過在活性污泥的生物群落中加入藻類，使藻類和細(xì)菌共生[6]，通過藻類光合作用的固定能力，增加了除磷脫氮的能力，并減少二氧化碳的排放量等。

(二)活性污泥法的未來

活性污泥法雖然誕生已經(jīng)有超過百年，但是如今仍然是處理城市污水使用最廣泛的方法，因其運(yùn)行方式靈活,工作效率高,日常費(fèi)用低,很少二次污染而被廣泛采用。但是活性污泥法存在兩個(gè)問題，一是耗能過高，二是大量產(chǎn)出的活性污泥[7]。產(chǎn)出的活性污泥儲(chǔ)存著大量的能量，而這些能量不能得到有效的利用，造成了能量的大量浪費(fèi)。

未來，不會(huì)產(chǎn)生大量能量浪費(fèi)，可以將富余能量有效利用的厭氧氨氧化處理方法，有可能可以取代活性污泥法，成為最主流的污水處理方法。但是活性污泥法大量與原始工藝不同的改進(jìn)工藝的產(chǎn)生就是為了滿足各種不同的需求，活性污泥法簡單、靈活、因地制宜的優(yōu)點(diǎn)，可能會(huì)使研究人員不斷改進(jìn)，減輕能耗過高、能量浪費(fèi)帶來的負(fù)面影響，讓這個(gè)百年老法，繼續(xù)為污水處理效力。