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(guī)模很小的穩(wěn)定塘系統(tǒng)。
活性污泥工藝本世紀(jì)初出現(xiàn)于英國，之后迅速在歐美得到應(yīng)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(tǒng)活性污泥工藝。60年代以來，日益嚴(yán)重的水污染問題迫切需要建設(shè)大批污水處理廠，使活性污泥得到了較快的發(fā)展。本文從工藝改進(jìn)和污泥膨脹兩個(gè)方面，回顧了活性污泥工藝的技術(shù)發(fā)展，討論了該工藝未來的發(fā)展趨勢。
1 活性污泥工藝的改進(jìn)
傳統(tǒng)活性污泥工藝采用中等污泥負(fù)荷，曝氣池為連續(xù)推流式。目前仍有大批采用傳統(tǒng)活性污泥工藝的處理廠在運(yùn)行。若只要求去除有機(jī)污染物時(shí)，傳統(tǒng)活性污泥工藝仍是一種可行的選擇。對傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行的各種改進(jìn)，產(chǎn)生了很多種不同的活性污泥工藝。一些工藝較傳統(tǒng)工藝處理功能增強(qiáng)，一些工藝運(yùn)行更加穩(wěn)定，而另外一些工藝的費(fèi)用大大降低或運(yùn)行更加方便。這些工藝上的改進(jìn)，充分滿足了各種不同的處理要求。這些改進(jìn)可以分為池形的改進(jìn)、運(yùn)行方式的改進(jìn)、曝氣方式的改進(jìn)、生物學(xué)方面的改進(jìn)以及投加填料等幾個(gè)方面。
1.1 池形的改進(jìn)
傳統(tǒng)工藝采用推流式曝氣池，后來出現(xiàn)了完全混合式曝氣池。推流流態(tài)和完全混合流態(tài)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。與推流相比，完全混合式流態(tài)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，但易發(fā)生短流。另外，完全混合活性污泥系統(tǒng)易產(chǎn)生絲狀菌污泥膨脹。氧化溝為環(huán)流流態(tài)，介于完全混合與推流之間，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。氧化溝工藝最顯著的特點(diǎn)是運(yùn)行管理簡便，出水穩(wěn)定。
1.2 運(yùn)行方式的改變
傳統(tǒng)工藝系連續(xù)流運(yùn)行方式，且從曝氣池前端進(jìn)水。運(yùn)行方式的早期改進(jìn)是多點(diǎn)進(jìn)水工藝。多點(diǎn)進(jìn)水最初的目的是平衡沿池的污泥負(fù)荷及需氧量，但后來被漸減曝氣工藝所取代。當(dāng)采用串級反硝化工藝時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水被用來補(bǔ)充各缺氧段的碳源。多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行方式的另一個(gè)新用途是緩沖水力沖擊負(fù)荷。當(dāng)雨季進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)的流量增大時(shí)，改為多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行可有效防止污泥流失。
SBR是間歇運(yùn)行的活性污泥工藝，曝氣和沉淀在同一池內(nèi)完成，省去了二沉池和回流系統(tǒng)，使運(yùn)行簡單化。最初的SBR系間歇進(jìn)水間歇出水運(yùn)行。后來，在反應(yīng)器內(nèi)加入前置區(qū)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)水間歇出水運(yùn)行。這一改進(jìn)的目的是為脫氮除磷過程補(bǔ)充碳源，另外兼有抑制絲狀菌增長的作用。對應(yīng)的工藝有CASS和ICEAS.CASS為周期循環(huán)活性污泥系統(tǒng)，是Trausenviro公司的專利工藝。ICEAS為間歇循環(huán)延時(shí)曝氣系統(tǒng)，是ABJ公司的專利工藝。這兩種工藝的本質(zhì)特征都是連續(xù)進(jìn)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(shè)備和潷水器上作了改進(jìn)，運(yùn)行方式上與最初SBR一致。T型氧化溝是另外一種間歇運(yùn)行方式，兩個(gè)邊溝周期性地處于曝氣和沉淀狀態(tài)，因此也省去了二沉池和回流系統(tǒng)。合理調(diào)整運(yùn)行周期和程序，T型氧化溝也可以進(jìn)行硝化和反硝化。
T型氧化溝的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)刷利用率太低，脫氮效率也不高。為此，Kruger公司又開發(fā)了De型氧化溝。該種氧化溝屬半間歇式運(yùn)行，設(shè)有二沉池及回流系統(tǒng)。兩個(gè)溝為一組，交替處于硝化反硝化狀態(tài)。只脫氮的De氧化溝稱之為Biodenitro工藝；在氧化溝外設(shè)厭氧池，實(shí)現(xiàn)除磷時(shí)，稱之為Biodenpho工藝。由于增設(shè)了二沉池及回流系統(tǒng)，DE溝的轉(zhuǎn)刷利用率明顯提高。
間歇運(yùn)行一個(gè)最新的改進(jìn)是Seghers公司的Unitank工藝。該工藝的運(yùn)行方式類似于T型氧化溝，但運(yùn)行程序似乎更趨優(yōu)化。
1.3 曝氣方式的改變
傳統(tǒng)活性污泥工藝既采用鼓風(fēng)曝氣又采用機(jī)械表曝。鼓風(fēng)曝氣又有穿孔管曝氣和微孔曝氣兩種形式。穿孔管鼓風(fēng)曝氣由于氧轉(zhuǎn)移效率及動(dòng)力效率太低，實(shí)際上已很少采用。
曝氣方式的改進(jìn)主要是為了提高充氧性能，并方便運(yùn)行維護(hù)。射流曝氣是曝氣方式一種較早的改進(jìn)。其充氧性能高于穿孔管曝氣，且維護(hù)方便。目前，仍有新型的射流曝氣裝置出現(xiàn)。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(yīng)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(diǎn)是不堵塞不積垢，但由于材質(zhì)原因，其壽命和理化穩(wěn)定性仍是一個(gè)待解決的問題。
純氧曝氣也是一種較早的曝氣方式的改進(jìn)，它的顯著特點(diǎn)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(jìn)而增大了氧傳質(zhì)擴(kuò)散的推動(dòng)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(dǎo)致擴(kuò)散傳質(zhì)推動(dòng)力的增大。目前出現(xiàn)的氣提反應(yīng)器使深層曝氣工藝趨于優(yōu)化。
1.4 生物學(xué)方面的改進(jìn)
傳統(tǒng)活性污泥工藝采用中等污泥負(fù)荷。較早的改進(jìn)方式是高負(fù)荷工藝和低負(fù)荷工藝。高負(fù)荷工藝又稱高速曝氣工藝，主要是利用活性污泥強(qiáng)大的吸附性能在較短的時(shí)間內(nèi)去除大部分有機(jī)物。吸附再生工藝和A B工藝的A段嚴(yán)格上也屬于高速曝氣工藝。低負(fù)荷工藝又稱延時(shí)曝氣工藝，除能去除有機(jī)物以外，還能實(shí)現(xiàn)污泥好氧穩(wěn)定。
傳統(tǒng)活性污泥工藝的改進(jìn)是各種脫氮除磷工藝的出現(xiàn)。早期的脫氮工藝采用二階段或三階段活性污泥工藝，有機(jī)物分解、硝化和反硝化分別在不同的活性污泥系統(tǒng)中完成，且反硝化過程需外加碳源。70年代初，Wuhrmann工藝將有機(jī)物分解、硝化和反硝化合并到一套活性污泥系統(tǒng)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(jìn)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(nèi)循環(huán)，形成了現(xiàn)在普遍采用的AO脫氮工藝。
生物除磷工藝的發(fā)展基本與生物脫氮同步。早在50年代，就已發(fā)現(xiàn)活性污泥“過度吸磷”（Luxuryup Tank）現(xiàn)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(xiàn)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(cè)流除磷。主流（Main Stream）除磷工藝將放磷的厭氧段設(shè)在主工藝流程上，而側(cè)流（SIDESTREAM）工藝的厭氧段則不在工藝主路上，稱為Strip池。側(cè)流工藝也稱為Phostrip工藝，改進(jìn)的目的是增加一個(gè)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(tǒng)中，是生物脫氮和生物除磷的最初結(jié)合點(diǎn)。A2O工藝是美國Air Products公司的專利，但在生物脫氮除磷領(lǐng)域很快被其他很多專利工藝所取代。對A2O工藝的改進(jìn)基于生物脫氮除磷的大量基礎(chǔ)研究。改進(jìn)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(yùn)行費(fèi)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(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的缺氧區(qū)，使這種影響降至最低，并可增大內(nèi)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(chǔ)上又增加一個(gè)缺氧區(qū)和好氧區(qū)，起到了精脫氮的作用。Bardenpho工藝包括四區(qū)工藝和五區(qū)工藝兩種，四區(qū)工藝用于脫氮，五區(qū)工藝用于脫氮除磷。另一類A2O的改進(jìn)工藝是利用污泥發(fā)酵產(chǎn)生的易降解有機(jī)物（VFA），補(bǔ)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(diǎn)是初沉污泥經(jīng)發(fā)酵之后，進(jìn)行重力濃縮，上清液進(jìn)入曝氣池的厭氧或缺氧段。NTH是挪威工藝，特點(diǎn)是將初污泥首先進(jìn)行濃縮，將濃縮后的污泥進(jìn)行熱水解（100～180℃），之后再進(jìn)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(yán)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(dāng)采用前置化學(xué)除磷時(shí)，初沉池出水中的BOD5會(huì)大大降低，必定滿足不了后續(xù)脫氮的需要，因而必須將初沉污泥進(jìn)行發(fā)酵，并離心濃縮，將富含VFA的離心液回至反硝化區(qū)。
活性污泥工藝本世紀(jì)初出現(xiàn)于英國，之后迅速在歐美得到應(yīng)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(tǒng)活性污泥工藝。60年代以來，日益嚴(yán)重的水污染問題迫切需要建設(shè)大批污水處理廠，使活性污泥得到了較快的發(fā)展。本文從工藝改進(jìn)和污泥膨脹兩個(gè)方面，回顧了活性污泥工藝的技術(shù)發(fā)展，討論了該工藝未來的發(fā)展趨勢。
1 活性污泥工藝的改進(jìn)
傳統(tǒng)活性污泥工藝采用中等污泥負(fù)荷，曝氣池為連續(xù)推流式。目前仍有大批采用傳統(tǒng)活性污泥工藝的處理廠在運(yùn)行。若只要求去除有機(jī)污染物時(shí)，傳統(tǒng)活性污泥工藝仍是一種可行的選擇。對傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行的各種改進(jìn)，產(chǎn)生了很多種不同的活性污泥工藝。一些工藝較傳統(tǒng)工藝處理功能增強(qiáng)，一些工藝運(yùn)行更加穩(wěn)定，而另外一些工藝的費(fèi)用大大降低或運(yùn)行更加方便。這些工藝上的改進(jìn)，充分滿足了各種不同的處理要求。這些改進(jìn)可以分為池形的改進(jìn)、運(yùn)行方式的改進(jìn)、曝氣方式的改進(jìn)、生物學(xué)方面的改進(jìn)以及投加填料等幾個(gè)方面。
1.1 池形的改進(jìn)
傳統(tǒng)工藝采用推流式曝氣池，后來出現(xiàn)了完全混合式曝氣池。推流流態(tài)和完全混合流態(tài)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。與推流相比，完全混合式流態(tài)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，但易發(fā)生短流。另外，完全混合活性污泥系統(tǒng)易產(chǎn)生絲狀菌污泥膨脹。氧化溝為環(huán)流流態(tài)，介于完全混合與推流之間，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。氧化溝工藝最顯著的特點(diǎn)是運(yùn)行管理簡便，出水穩(wěn)定。
1.2 運(yùn)行方式的改變
傳統(tǒng)工藝系連續(xù)流運(yùn)行方式，且從曝氣池前端進(jìn)水。運(yùn)行方式的早期改進(jìn)是多點(diǎn)進(jìn)水工藝。多點(diǎn)進(jìn)水最初的目的是平衡沿池的污泥負(fù)荷及需氧量，但后來被漸減曝氣工藝所取代。當(dāng)采用串級反硝化工藝時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水被用來補(bǔ)充各缺氧段的碳源。多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行方式的另一個(gè)新用途是緩沖水力沖擊負(fù)荷。當(dāng)雨季進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)的流量增大時(shí)，改為多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行可有效防止污泥流失。
SBR是間歇運(yùn)行的活性污泥工藝，曝氣和沉淀在同一池內(nèi)完成，省去了二沉池和回流系統(tǒng)，使運(yùn)行簡單化。最初的SBR系間歇進(jìn)水間歇出水運(yùn)行。后來，在反應(yīng)器內(nèi)加入前置區(qū)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)水間歇出水運(yùn)行。這一改進(jìn)的目的是為脫氮除磷過程補(bǔ)充碳源，另外兼有抑制絲狀菌增長的作用。對應(yīng)的工藝有CASS和ICEAS.CASS為周期循環(huán)活性污泥系統(tǒng)，是Trausenviro公司的專利工藝。ICEAS為間歇循環(huán)延時(shí)曝氣系統(tǒng)，是ABJ公司的專利工藝。這兩種工藝的本質(zhì)特征都是連續(xù)進(jìn)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(shè)備和潷水器上作了改進(jìn)，運(yùn)行方式上與最初SBR一致。T型氧化溝是另外一種間歇運(yùn)行方式，兩個(gè)邊溝周期性地處于曝氣和沉淀狀態(tài)，因此也省去了二沉池和回流系統(tǒng)。合理調(diào)整運(yùn)行周期和程序，T型氧化溝也可以進(jìn)行硝化和反硝化。
T型氧化溝的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)刷利用率太低，脫氮效率也不高。為此，Kruger公司又開發(fā)了De型氧化溝。該種氧化溝屬半間歇式運(yùn)行，設(shè)有二沉池及回流系統(tǒng)。兩個(gè)溝為一組，交替處于硝化反硝化狀態(tài)。只脫氮的De氧化溝稱之為Biodenitro工藝；在氧化溝外設(shè)厭氧池，實(shí)現(xiàn)除磷時(shí)，稱之為Biodenpho工藝。由于增設(shè)了二沉池及回流系統(tǒng)，DE溝的轉(zhuǎn)刷利用率明顯提高。
間歇運(yùn)行一個(gè)最新的改進(jìn)是Seghers公司的Unitank工藝。該工藝的運(yùn)行方式類似于T型氧化溝，但運(yùn)行程序似乎更趨優(yōu)化。
1.3 曝氣方式的改變
傳統(tǒng)活性污泥工藝既采用鼓風(fēng)曝氣又采用機(jī)械表曝。鼓風(fēng)曝氣又有穿孔管曝氣和微孔曝氣兩種形式。穿孔管鼓風(fēng)曝氣由于氧轉(zhuǎn)移效率及動(dòng)力效率太低，實(shí)際上已很少采用。
曝氣方式的改進(jìn)主要是為了提高充氧性能，并方便運(yùn)行維護(hù)。射流曝氣是曝氣方式一種較早的改進(jìn)。其充氧性能高于穿孔管曝氣，且維護(hù)方便。目前，仍有新型的射流曝氣裝置出現(xiàn)。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(yīng)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(diǎn)是不堵塞不積垢，但由于材質(zhì)原因，其壽命和理化穩(wěn)定性仍是一個(gè)待解決的問題。
純氧曝氣也是一種較早的曝氣方式的改進(jìn)，它的顯著特點(diǎn)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(jìn)而增大了氧傳質(zhì)擴(kuò)散的推動(dòng)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(dǎo)致擴(kuò)散傳質(zhì)推動(dòng)力的增大。目前出現(xiàn)的氣提反應(yīng)器使深層曝氣工藝趨于優(yōu)化。
1.4 生物學(xué)方面的改進(jìn)
傳統(tǒng)活性污泥工藝采用中等污泥負(fù)荷。較早的改進(jìn)方式是高負(fù)荷工藝和低負(fù)荷工藝。高負(fù)荷工藝又稱高速曝氣工藝，主要是利用活性污泥強(qiáng)大的吸附性能在較短的時(shí)間內(nèi)去除大部分有機(jī)物。吸附再生工藝和A B工藝的A段嚴(yán)格上也屬于高速曝氣工藝。低負(fù)荷工藝又稱延時(shí)曝氣工藝，除能去除有機(jī)物以外，還能實(shí)現(xiàn)污泥好氧穩(wěn)定。
傳統(tǒng)活性污泥工藝的改進(jìn)是各種脫氮除磷工藝的出現(xiàn)。早期的脫氮工藝采用二階段或三階段活性污泥工藝，有機(jī)物分解、硝化和反硝化分別在不同的活性污泥系統(tǒng)中完成，且反硝化過程需外加碳源。70年代初，Wuhrmann工藝將有機(jī)物分解、硝化和反硝化合并到一套活性污泥系統(tǒng)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(jìn)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(nèi)循環(huán)，形成了現(xiàn)在普遍采用的AO脫氮工藝。
生物除磷工藝的發(fā)展基本與生物脫氮同步。早在50年代，就已發(fā)現(xiàn)活性污泥“過度吸磷”（Luxuryup Tank）現(xiàn)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(xiàn)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(cè)流除磷。主流（Main Stream）除磷工藝將放磷的厭氧段設(shè)在主工藝流程上，而側(cè)流（SIDESTREAM）工藝的厭氧段則不在工藝主路上，稱為Strip池。側(cè)流工藝也稱為Phostrip工藝，改進(jìn)的目的是增加一個(gè)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(tǒng)中，是生物脫氮和生物除磷的最初結(jié)合點(diǎn)。A2O工藝是美國Air Products公司的專利，但在生物脫氮除磷領(lǐng)域很快被其他很多專利工藝所取代。對A2O工藝的改進(jìn)基于生物脫氮除磷的大量基礎(chǔ)研究。改進(jìn)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(yùn)行費(fèi)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(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的缺氧區(qū)，使這種影響降至最低，并可增大內(nèi)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(chǔ)上又增加一個(gè)缺氧區(qū)和好氧區(qū)，起到了精脫氮的作用。Bardenpho工藝包括四區(qū)工藝和五區(qū)工藝兩種，四區(qū)工藝用于脫氮，五區(qū)工藝用于脫氮除磷。另一類A2O的改進(jìn)工藝是利用污泥發(fā)酵產(chǎn)生的易降解有機(jī)物（VFA），補(bǔ)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(diǎn)是初沉污泥經(jīng)發(fā)酵之后，進(jìn)行重力濃縮，上清液進(jìn)入曝氣池的厭氧或缺氧段。NTH是挪威工藝，特點(diǎn)是將初污泥首先進(jìn)行濃縮，將濃縮后的污泥進(jìn)行熱水解（100～180℃），之后再進(jìn)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(yán)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(dāng)采用前置化學(xué)除磷時(shí)，初沉池出水中的BOD5會(huì)大大降低，必定滿足不了后續(xù)脫氮的需要，因而必須將初沉污泥進(jìn)行發(fā)酵，并離心濃縮，將富含VFA的離心液回至反硝化區(qū)。