1.間歇式活性污泥工藝的發(fā)現(xiàn)

世界上第一個(gè)間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)的工藝是英國(guó)工程師 Sir Thomas Wardle于1898年發(fā)現(xiàn).該工藝含有化學(xué)沉淀和曝氣兩個(gè)處理過(guò)程。分成進(jìn)水期、曝氣期、沉淀期和排水期四個(gè)階段，但反應(yīng)器中沒(méi)有活性污泥。

十多年后Ardern and Lockett 在曼徹斯特實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了類似的間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康囊?jiàn)考察在沒(méi)有化學(xué)處理情況下僅通過(guò)一級(jí)曝氣處理達(dá)到完全消化的可能性，從而去除廢水中的有機(jī)物。在此之前的試驗(yàn)者在試驗(yàn)中一旦達(dá)到完全消化后就將廢水和泥一起倒掉，從而需很長(zhǎng)的曝氣時(shí)間和多級(jí)曝氣才能達(dá)到完全消 化而他們?cè)谠囼?yàn)中先將處理后的混合液進(jìn)行靜沉。然后撇去上清液，保持沉淀物， 再注入新的廢水進(jìn)行曝氣處理，這樣反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：隨著重復(fù)次數(shù)的增加懸浮物和污泥產(chǎn)生量也越多，廢水凈化所需時(shí)間也越短， 他們對(duì)這種新的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了較詳細(xì)地分析研究，并在1914年4月3日“化學(xué)工業(yè)國(guó)際會(huì)議"上發(fā)表 了他們的發(fā)現(xiàn)和研究成果，其主要成果如下。

廢水通過(guò)曝氣后可形成一種稱為活性污泥的懸浮性物質(zhì)，這種活性污泥的存在可使廢水凈化處理加快，但廢水凈化的速度與泥水混合強(qiáng)弱以及活性污泥多少相關(guān)；活性污泥與通常的污泥有本質(zhì)的區(qū)別，活性污泥是探褐色，沒(méi)有氣味，具有良好的絮凝性，很好的沉降性，主要有細(xì)菌和單細(xì)胞生物組成（細(xì)菌數(shù)為34 萬(wàn)個(gè)/cm⊃3;) , 活性污泥含氮量較高；在活性污泥中沒(méi)，有氧化的物質(zhì)可通過(guò)下次進(jìn)水前的再曝氣使其減少，在溫度10~24℃條件下， 廢水溫度對(duì)出水COD的去除率沒(méi)有影響。對(duì)于城市污水曝氣6~9h可得到完全消化，但前3h的曝氣對(duì)COD去除較快，對(duì)于某種廢水所必需的曝氣時(shí)間取決于廢水濃度和所需去除率。

然后，他們又將曝氣器改為陶瓷微孔板，進(jìn)行小氣泡供氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用小氣泡供氣時(shí)氧的利用率更高由于試驗(yàn)中的工藝較簡(jiǎn)單，容易在實(shí)際污水處理工程 中應(yīng)用。上述試驗(yàn)成果在英國(guó)1914年的Salford市污水處理中得到直接應(yīng)用。Salford市污水處理設(shè)備設(shè)施是世界上第一個(gè)間歇式活性污泥設(shè)施，它由兩個(gè) 83m⊃3;的間歇式反應(yīng)器和預(yù)處理設(shè)施組成、運(yùn)轉(zhuǎn)采用進(jìn)水45min,曝氣 3h，沉淀2h，排水1h，閑置15min,并獲得了較好的處理效果，COD去除率達(dá)90%以上。一年后美國(guó) Milmaukee市也建造了一座間歇式活性污泥設(shè)施。間歇式活性污泥工藝在發(fā)明以后，立即在工程上得到利用，這種間歇進(jìn)水，間歇排水的充排式運(yùn)轉(zhuǎn)方式 是當(dāng)時(shí)主要的污水處理工藝。

連續(xù)進(jìn)水、間歇排水的間歇式活性污泥工藝由Hoover和Proges及Pasveer于 20 世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)和完善，他們?cè)谘芯靠勺內(nèi)莘e氧化溝工藝時(shí)采用了連續(xù) 進(jìn)水方式，當(dāng)氧化溝反應(yīng)池中得到一定的水位時(shí)停止供氣，進(jìn)行沉淀和排水，但在沉淀和排水階段仍保持進(jìn)水。這種連續(xù)進(jìn)水、間歇排水的間歇式活性污泥法氧化溝工藝一直到 20 世紀(jì)70年代后期仍在實(shí)向污水處理中應(yīng)用。

2早期間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)中的間題

間歇式活性污泥工藝自發(fā)現(xiàn)和在工程中應(yīng)用后，人們很快發(fā)現(xiàn)這 種工藝對(duì)泵，攪拌器和曝氣器等設(shè)備需不斷進(jìn)行開(kāi)停轉(zhuǎn)換，在當(dāng)時(shí)的自動(dòng)化水平下運(yùn)轉(zhuǎn)十分不方便。由于當(dāng)時(shí)的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)水平的限制，運(yùn)行管理顯得過(guò)于繁瑣，同時(shí)，人們還發(fā)現(xiàn)：上清液從池中 排出時(shí)常會(huì)夾帶污泥，選成出水水質(zhì)的惡化；曝氣所用的空氣擴(kuò)散器很容易被沉淀丁池底的污泥堵塞。因而，間歇式活性污泥工藝在早期 實(shí)際上沒(méi)有大量推廣應(yīng)用。到20世紀(jì)50年代，隨看污水處理規(guī)模的 不斷擴(kuò)大，這種工藝漸漸被后來(lái)發(fā)展起來(lái)的連續(xù)流活性污泥法所替代。

3間歇式活性污泥工藝的系統(tǒng)性研究和應(yīng)用

隨著連續(xù)流活性污泥法技術(shù)在工程中的大量應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)連續(xù) 流活性污泥法也有許多缺點(diǎn)，這種工藝必須設(shè)調(diào)節(jié)池和污泥回流。這 樣不僅增加設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用，而且在水質(zhì)變化大的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)不理想， 污泥回流的控制也不方便；二沉池不是理想的靜態(tài)，與間歇式活性污泥工藝靜沉相比，沉淀效果受異重流等因素的影響。連續(xù)流活性 污泥法會(huì)發(fā)生絲狀菌污泥膨脹。而上述缺點(diǎn)在間歇式活性污泥工藝污 水處押中都不會(huì)發(fā)生。在20世紀(jì)70年代，自動(dòng)控制技術(shù)日趨成熟，大量具有自控系統(tǒng)的閥門、流星計(jì)，液位傳感器，定時(shí)控制設(shè)備在水 處理中得到了應(yīng)用，排水裝置的潷水器和防堵塞曝氣設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使間歇式活性污泥上藝在早期實(shí)際工程應(yīng)用上的問(wèn)題得到了解 決。從而在70年代后期。間歇式活性污泥工藝才得到系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，并在污水處理工程中逐漸得到推廣應(yīng)用。

活性污泥

澳大利亞的 Goronszy 教授從連續(xù)進(jìn)水間歇運(yùn)行的氧化溝工藝著 手從事可變?nèi)莘e活性污泥法的研究和開(kāi)發(fā)。發(fā)現(xiàn)早期的連續(xù)進(jìn)水、 間歇出水的運(yùn)轉(zhuǎn)方式所進(jìn)入的污水與池中已處理的水在沉淀和排水期會(huì)發(fā)生混合，從而影響出水效果在他的研究中，采用在反應(yīng)池中進(jìn)水 段用墻隔出一節(jié)的辦法來(lái)減少這種混合的發(fā)生，并將該污水處理方 法稱為ICEAS工藝。在該研究的基礎(chǔ)上，澳大利亞南威爾大學(xué)與美國(guó)ABJ公司合作于1976年建成世界上第一座ICEAS工藝污水處理廠。1978年Goronszy教授利用活性污泥基質(zhì)再生理論，根據(jù)基質(zhì)去除與污泥負(fù)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及污泥活性組成和污泥呼吸速率之間的關(guān)系，將生物選擇器原理應(yīng)用于間歇式活性污泥工藝中開(kāi)發(fā)出CASS工藝。于 1984年和1989年分別在美國(guó)和加拿大取得CASS工藝的專利。

美國(guó)Natre Dame大學(xué)Irvine教授及其同事在實(shí)驗(yàn)室以及在污水處 理工程實(shí)際中對(duì)于間歇進(jìn)水、間歇排水的活性污泥工藝進(jìn)行了系統(tǒng) 的研究。揭示了間歇式活性污泥工藝的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。為這種工藝的推廣應(yīng)用建立了理論依據(jù)，Irvine稱這種間歇進(jìn)水，間歇排水的活性污泥工藝為SBR。SBR工藝中進(jìn)水，生物降解、沉淀、 排水都在一個(gè) 池中按時(shí)間順序進(jìn)行并不斷反復(fù)。80年代初美國(guó)Indiana州南部的 Culver市成功地將原有的連續(xù)流活性污泥裝置改建為雙池的SBR 反應(yīng)池，其BOD5和ss的去除率都達(dá)到94 %左右。

Goronszy和Irvine等對(duì)間歇式活性污泥工藝的系統(tǒng)性研究，為間歇式活性污泥工藝奠定了理論基礎(chǔ)，并引起各國(guó)污水處理研究者的重視，各國(guó)研究者根據(jù)本地的實(shí)際情況又開(kāi)發(fā)了許多間歇式活性污泥工藝。美國(guó)，日本、德國(guó)、加拿大等國(guó)迅速將間歇式處理工藝應(yīng)用于工業(yè)廢水和中小城鎮(zhèn)污水處理中，美國(guó)，加拿大和日本等國(guó)并于20世紀(jì)80年代后期分別及時(shí)地對(duì)間歇式活性污泥工藝污水處理廠做了評(píng)價(jià)，公布了間歇式活性污泥工藝技術(shù)報(bào)告書，日本于1990年出版了 《序批式活性污泥法設(shè)計(jì)指南》, 美國(guó)、德國(guó)等國(guó)也已出版了間歇式 活性污泥工藝法手冊(cè)，德國(guó)于1997年還發(fā)布了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。為了總結(jié)和推動(dòng)間歇式活性污泥工藝的應(yīng)用，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)( IAWA)于 1996 在德國(guó)召開(kāi)了第一次間歇式活性污泥工藝學(xué)術(shù)研討會(huì)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，至1996年僅澳大利亞就有600多座問(wèn)歇式活性污泥法污水處理廠，美國(guó)僅AQUA AEROBIC SYSTEMS一家公司就已設(shè)計(jì)了350多座 SBR污水處理廠。

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污水處理曝氣系統(tǒng)

我國(guó)對(duì)間歇式活性污泥工藝的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代中期，上海市政工程設(shè)計(jì)院于20世紀(jì)80年代中期，設(shè)計(jì)了我國(guó)第一座生產(chǎn)性間歇式活性污泥工藝系統(tǒng)（上海市吳凇肉聯(lián)廠SBR 法污水處理站）。清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院等研究設(shè)汁單位以及許多環(huán)境工程公司都對(duì)間歇式活性污泥工藝進(jìn)行過(guò)專項(xiàng)研究，并開(kāi)發(fā)了許多改進(jìn)的工藝系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，我 國(guó)陸續(xù)在城市生活污水，水產(chǎn)品加工、 屠宰廢水、肉類加工、制藥廢水和化工廢水等污水治理工程中使用了間歇式活性污泥工藝，目前間歇式活性污泥工藝已成為我國(guó)城市生活污水和工藝廢水處理中常用的處理工藝之一。

4.各種間歇式活性污泥工藝的比較和分析

最近二十多年對(duì)間歇式活性污泥工藝的系統(tǒng)件研究和在污水處理工程中的大量應(yīng)用，促進(jìn)了間歇式活性污泥工藝的發(fā)展。然而， 污 水處理工程中所采用工藝的適宜性總是與進(jìn)出水水質(zhì)特性、去除效果的要求等因素相關(guān)，因此，世界各國(guó)在工程實(shí)踐中根據(jù)不同的水質(zhì)條件和去除要求發(fā)展了多種間歇式活性污泥工藝，這些工藝也在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，表1僅列出目前文獻(xiàn)資料中和工程實(shí)際中常見(jiàn)的幾 種間歇式活性污泥工藝。除此而外， 針對(duì)某一特定的廢水處理，采用不同工藝組合發(fā)展了一些新的處理方法，如兩段SBR法，膜法SBR

工藝等 ，這此工藝都帶有間歇式活性污泥工藝的特點(diǎn)。

間歇式活性污泥工藝中英對(duì)照表

表1 常用的間歇式活性污泥工藝中英對(duì)照表

SBR工藝是國(guó)內(nèi)外研究最多和工桯應(yīng)用最廣的間歇式活性污泥法，我國(guó)SBR污水處理廠也較多。該方法按運(yùn)行次序?qū)⒁粋�(gè)周期分為進(jìn) 水期、反應(yīng)期、沉淀期、排水期和閑置期5個(gè)階段，并進(jìn)行不斷的周期反復(fù)對(duì)污水進(jìn)行處理。該工藝進(jìn)水和排水都是間歇式，一個(gè)周期中各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間、反應(yīng)池中混合液的濃度以及運(yùn)行狀況等都可根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)與運(yùn)行功能要求等靈活掌握，只要有效地控制與變換各階段的操作時(shí)間，就可以獲得不同的污水處理效果。表1中的其他工藝都是在此工藝基礎(chǔ)上發(fā)展開(kāi)發(fā)的。

ICEAS、CASS和 IDEA三種工藝都是采用連續(xù)進(jìn)水、間歇排水的方 式運(yùn)轉(zhuǎn)，都設(shè)有一個(gè)生物選擇器或預(yù)反應(yīng)器，循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)方式都為：充水/曝氣-充水/沉淀-沖水/排水-充水/閑置。但它們也有些不同點(diǎn) ，ICEAS工藝中僅設(shè)置了一個(gè)預(yù)反應(yīng)器，沒(méi)有污泥回流到生物預(yù)反應(yīng)器 中。CASS和IDEA工藝設(shè)置了生物選擇器，并設(shè)有污泥回流系統(tǒng)將反 應(yīng)池中污泥回流到生物選擇器。IDEA工藝生物選擇器是單設(shè)的池子 ，而CASS和ICEAS 藝是在反應(yīng)池前端用隔墻隔開(kāi)一部分來(lái)作為生物選 擇器或預(yù)反應(yīng)器。ICEAS工藝的預(yù)反應(yīng)區(qū)設(shè)有曝氣設(shè)備，而CASS和 IDEA工藝在生物選擇器中不需要設(shè)曝氣設(shè)備。ICEAS在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早， 1991年上海市中藥制藥三廠污水處理中在我國(guó)第一次使用ICEAS工藝。昆明市第二污水處理廠采用ICEAS工藝技術(shù)。該廠設(shè)計(jì)能力為：旱季平均15萬(wàn)m⊃3;/d , 旱季高峰20萬(wàn)m⊃3;/d ;雨季高峰30萬(wàn) m⊃3;/d。北京航天城污水處理工程是我國(guó)使用CASS處理市政污水較早的工 程之一，CASS工藝近幾年來(lái)已在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)外大型的 CASS 工藝污水處理廠實(shí)例較多。IDEA 工藝行國(guó)內(nèi)還沒(méi)有得到廣泛 推廣。

污水處咯工藝流程圖

DAT-IAT、IBCASP和BioCoS工藝都至少有兩個(gè)池子串聯(lián)使用,這些工藝都是在總結(jié)SBR, ICEAS、CASS、IDEA和連續(xù)流活性污泥法工藝的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，不斷完善發(fā)展起來(lái)的新的處理方法。它們的運(yùn)轉(zhuǎn)方式和反應(yīng)機(jī)理都保留了間歇式的優(yōu)點(diǎn)，但池子的利用效率比SBR工藝要高。DAT- IAT工藝采用連續(xù)進(jìn)水、間歇出水的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，原污水連續(xù)進(jìn)入 DAT池，在DAT池連續(xù)曝氣初步生物處理后，經(jīng)兩池之間雙層配水裝 置連續(xù)不斷的進(jìn)入IAT池，按工藝要求，在IAT池中完成曝氣或攪拌、沉淀和排水，還可以根據(jù)需要設(shè)置閑置過(guò)程，上述IAT運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程與SBR 工藝類似。但I(xiàn)AT池中一部分活性污泥要回流到DAT池，作為DAT池下個(gè)周期的基質(zhì)。

IBCASP工藝結(jié)合SBR法和連續(xù)流活性污泥法各自優(yōu)點(diǎn)，保留了 SBR工藝的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)方式和連續(xù)流活性污泥法的排水優(yōu)點(diǎn)。從而成功地實(shí)現(xiàn)在間歇式活性污泥工藝運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)需采用特殊的排水設(shè)備，該工 藝是由兩個(gè)矩形池組成，兩個(gè)池子之間水力相連通，每個(gè)池子都有供 氧設(shè)備，進(jìn)水和出水系統(tǒng)。原水通過(guò)閥門控制分別在不同的周期內(nèi)進(jìn) 入不同的反應(yīng)器，在一個(gè)周期內(nèi)，進(jìn)水直接進(jìn)入反應(yīng)器Ⅰ，在反應(yīng)器 Ⅰ曝氣并完成生物降解；另一個(gè)反應(yīng)池（反應(yīng)器Ⅱ) 則在非曝氣階段，主要完成泥水分離和排水。在下一個(gè)周期中進(jìn)水直接進(jìn)入反應(yīng)器Ⅱ, 在反應(yīng)器Ⅱ曝氣并完成生物降解，反應(yīng)器Ⅰ則在非曝氣階段完成泥 水分離和排水。上述過(guò)程不斷重復(fù)循環(huán)從而完成污水處理的任務(wù)這 種運(yùn)轉(zhuǎn)方式對(duì)于每個(gè)周期來(lái)說(shuō)水力流動(dòng)類似于有曝氣池和沉淀池組成的連續(xù)流活性污泥法。因而排水時(shí)不需要特殊的排水設(shè)備。 IBCASP工藝一般用于小規(guī)模污水處理上程中，目前在國(guó)內(nèi)工業(yè)廢水處 理工程已成功地完成了近20 多個(gè)工業(yè)廢水處理工程，涉及到油廠，食品加工，紡織，皮革等工業(yè)廢 水的冶理。

BioCoS工藝自1998年以來(lái)在德國(guó)和奧地利得到了廣泛的應(yīng)用，該工藝主要有一個(gè)好氧池和一個(gè)或兩個(gè)沉淀循環(huán)池組成。當(dāng)采用一個(gè) 好氧池和一個(gè)沉淀循環(huán)池組成處理系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)采用間歇進(jìn)水、間歇排水方式，但在實(shí)際工程中很少使用。實(shí)際工程中一般采用一個(gè)好氧 池和兩個(gè)沉淀循環(huán)池組成的污水處理系統(tǒng)，運(yùn)轉(zhuǎn)采用連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)排水方式。通常一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)可分成3個(gè)階段。在第1階段，原污 水連續(xù)進(jìn)入好氧池，好氧池停止曝氣，沉淀循環(huán)池Ⅰ和好氧池之間的 上部和下部的連接管道打開(kāi)，沉淀循環(huán)池Ⅱ和好氧池之間的連接管 道關(guān)閉，沉淀循環(huán)池Ⅰ中的污泥通過(guò)上部連接管道向好氧池中回流，同時(shí)進(jìn)水通過(guò)下部連 接管道進(jìn)入沉淀循環(huán)池Ⅰ; 沉淀循環(huán)池Ⅱ在排水狀態(tài)。在第2階段，原污水仍連續(xù)進(jìn)入好氧池，沉淀循環(huán)池Ⅰ和好氧池之間的上部連接管道關(guān)閉，下部連接管道打開(kāi)，沉淀循環(huán)池Ⅱ和好氧池之間的連接管道仍關(guān)閉，好氧池曝氣，沉淀循環(huán)池Ⅰ在沉淀階段，沉淀循環(huán)池Ⅱ仍在排水狀態(tài)第3階段是重復(fù)上述兩個(gè)過(guò)程。但沉淀循環(huán)池Ⅰ和Ⅱ的作用調(diào)換， 既沉淀循環(huán)池Ⅰ在排水狀態(tài)，沉淀循環(huán)池Ⅱ按時(shí)間順序分別處在污泥回流到好氧池和沉淀階段，BioCoS 工藝對(duì)沉淀循環(huán)池和好氧池之間的下部的連接管道構(gòu)造要求較高。以便保證在沉淀循環(huán)池處于沉淀狀態(tài)時(shí)好氧池中的混合液以低速流入沉淀循環(huán)池，不影響沉淀循環(huán)池的沉淀效果，同時(shí)，還應(yīng)設(shè)置防止污 泥翻卷的裝置

5小結(jié)

間歇式活性污泥工藝是最早發(fā)現(xiàn)的污水生物處理工藝，它的發(fā)展 過(guò)程中經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)。工程早期應(yīng)用, 幾乎停止，系統(tǒng)研究和大規(guī)模應(yīng) 用幾個(gè)階段，這一發(fā)展過(guò)程與自控技術(shù)和污水處理設(shè)備技術(shù)的發(fā)展相關(guān)。目前圍內(nèi)外常用的幾種間歇式活性污泥工藝在系統(tǒng)組成和運(yùn)轉(zhuǎn)方式上都有一些差異。在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)廢水特性和實(shí)際情況選擇 合適的工藝。

 




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  The 18thIWA Conference on Sustainable Sludge Management   國(guó)際水協(xié)第 18 屆可持續(xù)污泥技術(shù)與管理會(huì)議   中 國(guó) 環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 會(huì) 固 廢 分 會(huì) 2024 年年會(huì)   第 1 屆中國(guó)污泥 100 人高層技術(shù)與管理論壇   Beijing, China — 18-20, May 2024




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