百年活性污泥或迎來變革 未來百年將何去何從
1914年4月3日,英國(guó)兩個(gè)年輕衛(wèi)生工程師愛德華·阿登和威廉·洛克特發(fā)表了《無需濾池的污水氧化試驗(yàn)》一文,首次提出“活性污泥”的概念,標(biāo)志著活性污泥法正式誕生。活性污泥法誕生后,世界各地迅速開始研究,并著手實(shí)際建設(shè)污水處理廠。1923年,中國(guó)第一座活性污泥法污水處理廠在上海北區(qū)建成,日處理能力為3500立方米。此后幾年,上海東區(qū)和西區(qū)污水處理廠也相繼建成,日處理量分別為1.7萬(wàn)立方米和1.5萬(wàn)立方米。
百年后的今天,世界各地至少有50000座活性污泥法污水處理廠在運(yùn)行,每天處理著至少5億立方米的污水?梢院敛豢鋸埖卣f,沒有活性污泥法的世界將難以想象。
什么叫活性污泥?
從微生物角度來看,生化池中的污泥是由各種各樣有生物活性的微生物組成的一個(gè)生物群體。如果把污泥的泥粒放在顯微鏡下觀察,可以看到里面有多種微生物---細(xì)菌、霉菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物(如輪蟲、昆蟲的幼蟲和蠕蟲等),它們構(gòu)成一條食物鏈,細(xì)菌和霉菌能分解復(fù)雜的有機(jī)化合物,獲得自身活動(dòng)必需的能量并構(gòu)造自身。原生動(dòng)物以細(xì)菌和霉菌為食,又被后生動(dòng)物所消耗,后生動(dòng)物也可以直接依靠細(xì)菌生活。這種充滿微生物、具有降解有機(jī)物能力的絮狀泥粒就叫做活性污泥。
活性污泥除了由微生物組成之外,還含有一些無機(jī)物質(zhì)和吸附在活性污泥上不能再被生物降解的有機(jī)物(即微生物的代謝殘余物);钚晕勰嗟暮室话阍98-99%。
活性污泥象礬花一樣,具有很大的表面積,因此具有很強(qiáng)的吸附力和氧化分解有機(jī)物的能力。
活性污泥法凈化污水三個(gè)主要過程
(1)吸附在很多活性污泥系統(tǒng)里,當(dāng)污水與污泥接觸后很短時(shí)間(10~40min)內(nèi)就出現(xiàn)了很高的有機(jī)物(BOD)去除率。這個(gè)初期高速去除現(xiàn)象是吸附作用引起的。由于污泥表面積很大(介于2000~10000m2/m;旌弦海冶砻婢哂卸嗵穷愷べ|(zhì)層,因此可以認(rèn)為污水中懸浮的和膠體的物質(zhì)是被絮凝和吸附去除的。呈膠狀的大分子有機(jī)物被吸附后,首先被水解菌作用,分解為小分子物質(zhì),然后這些小分子與溶解有機(jī)物一道在透膜ø的作用或在濃差推動(dòng)下選擇性滲入細(xì)胞體內(nèi)。
通過吸附作用,有機(jī)物只是從水中轉(zhuǎn)移到污泥上,其性質(zhì)并δ立即發(fā)生變化;钚晕勰嗟奈侥芰㈦S著吸附量的增加而減弱。如果回流污泥δ經(jīng)充分曝氣,儲(chǔ)存在微生物體內(nèi)的有機(jī)物δ充分氧化分解,活性污泥尚δ達(dá)到內(nèi)源呼吸階段,這時(shí)污泥的吸附能力較差。
在吸附階段,同時(shí)也進(jìn)行有機(jī)物的氧化和細(xì)胞合成,但吸附作用是主要的。
(2)微生物代謝作用活性污泥微生物以污水中各種有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng),在有氧的條件下,將其中一部分有機(jī)物合成新的細(xì)胞物質(zhì)(原生質(zhì));對(duì)另一部分有機(jī)物則進(jìn)行分解代謝,即氧化分解以獲得合成新細(xì)胞所需要的能量,并最終形成C02和H2O等穩(wěn)定物質(zhì)。在新細(xì)胞合成與微生物增長(zhǎng)過程中,除氧化一部分有機(jī)物以獲得能量外,還有一部分微生物細(xì)胞物質(zhì)也在進(jìn)行氧化分解,并供應(yīng)能量。
活性污泥微生物從污水中去除有機(jī)物的代謝過程,主要是由微生物細(xì)胞物質(zhì)的合成(活性污泥增長(zhǎng))、有機(jī)物(包括一部分細(xì)胞物質(zhì))的氧化分解和氧的消耗組成。當(dāng)氧供應(yīng)充足時(shí),活性污泥的增長(zhǎng)與有機(jī)物的去除是并行的,污泥增長(zhǎng)的旺盛時(shí)期,也就是有機(jī)物去除的快速時(shí)期。
(3)絮凝體的形成與凝聚沉淀絮凝體是活性污泥的基本結(jié)構(gòu),它能夠防止微型動(dòng)物對(duì)游離細(xì)菌的吞噬,并承受曝氣等外界不利因素的影響,更有利于與處理水的分離。凝聚的原因主要是細(xì)菌體內(nèi)積累的聚羧基丁酸釋放到液相,促使細(xì)菌間相互凝聚,結(jié)成絨粒;微生物攝取過程釋放的黏性物質(zhì)促進(jìn)凝聚;在不同的條件下,細(xì)胞內(nèi)部的能量不同,當(dāng)外界營(yíng)養(yǎng)不足時(shí),微生物的生長(zhǎng)處于靜止期和衰亡期,微生物細(xì)胞內(nèi)部能量降低,表面電荷減少,細(xì)胞顆粒間的結(jié)合力大于排斥力,形成絨粒。而當(dāng)營(yíng)養(yǎng)充足(污水與活性污泥混合初期,F(xiàn)/M較大)時(shí),微生物的生長(zhǎng)處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期,微生物細(xì)胞內(nèi)部能量大,表面電荷增大,形成的絨粒重新分散。沉淀是混合液中固相活性污泥顆粒向污水分離的過程。固液分離的好壞,直接影響出水水質(zhì)。如果處理水夾帶生物體,出水BOD和SS將增大。所以,活性污泥法的處理效率同其他生物處理方法一樣,應(yīng)包括二次沉淀池的效率,即用曝氣池及二沉池的總效率表示。除了重力沉淀外,也可用氣浮法進(jìn)行固液分離。
活性污泥技術(shù)和人工濕地技術(shù)的對(duì)比
作為兩大污水生物處理技術(shù),活性污泥技術(shù)和人工濕地技術(shù)有哪些特點(diǎn)以及市場(chǎng)應(yīng)用前景呢?
活性污泥法改良和替代方向
人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長(zhǎng)王洪臣表示到現(xiàn)在為止,活性污泥有3個(gè)方向改良最為重要。一個(gè)是生物膜-活性污泥法(MBBR,IFAS),第二個(gè)是膜生物反應(yīng)器(MBR),第三個(gè)就是好氧顆粒污泥(AGS)。這三個(gè)工藝就從本質(zhì)上大大的提高了活性污泥的效率,但是我們必須看到他們都不是本質(zhì)上的革新,他們?cè)谔岣咝实耐瑫r(shí)不同程度的增加了能耗。
而污泥處理替代的方向也日益成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的對(duì)象,成果顯著。
一是厭氧膜生物反應(yīng)器。厭氧可以產(chǎn)生能量,可進(jìn)行能量回收,且不需要消耗電能。此外厭氧過程產(chǎn)生的污泥非常少。但可能也會(huì)存在一些問題,如占地面積會(huì)增大,膜污染清洗、氮的處理等問題,所以提出了厭氧膜生物反應(yīng)器概念。
第二類處于萌芽狀態(tài)的替代技術(shù),包括生物電化學(xué)技術(shù)(BES),微生物燃料電池(MFCs)和微生物電解電池(MECs),這些技術(shù)能量轉(zhuǎn)化率大于80%,前景比較好,但是存在問題也比較大,如出水差、成本高、反應(yīng)器難以放大、能量損失大等等。
第三個(gè)替代技術(shù)是可持續(xù)營(yíng)養(yǎng)物去除技術(shù)。污水處理中最難的是氮的去除。在污水處理中本可以有機(jī)物早期分離出去,之所以留下,就是為了后面用生物技術(shù)進(jìn)行處理。為什么可持續(xù)營(yíng)養(yǎng)物去除技術(shù)是活性污泥法的替代技術(shù)呢?因?yàn)樗梢圆挥锰荚催M(jìn)行脫氮。厭氧氨氧化技術(shù),經(jīng)過20多年的研究,在高濃度氨氮廢水處理過程中,已經(jīng)趨于成熟