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活性污泥法處理工業廢水的工藝設計及運行方式探討

日期：2021-03-05　

田旭中

（山東省輕工業設計院，山東，濟南，250014）

[提要]本文提出了在用活性污泥法處理工業廢水時，宜采用推流式和完全混合式相結合且具備缺氧、好氧功能的設計工藝。指出采用該種工藝適合工業廢水的特點并具有處理效率高、能耗低、有效抑制活性污泥膨脹的優點。最后給出了兩種推薦工藝，供設計參考。

[關鍵詞]工業廢水，活性污泥法，缺氧，好氧

Discussion on Design and Operation of Industrial Wastewater Treatment Using Activated Sludge Systems

Tian Xu Zhong

(Shandong Light lndustry Design lnstitute,Jinan,250014,China)

Abstract:A process which has the co-operation of PFR and CMAS and has the function of both Anoxic and Aerobic should be used in the industrial wastewater treatment using activated sludge systems.It is suited to the peculiarity of the industrial wastewater and has the advantages of high efficient treatment,low energy consuming and effectively restrainting sludge expansion.Two recommeded processes are given in the last.

Keywords:industrial wastewater,activated sludge systems,Anoxic,Aerobic

1、引言

對于中等濃度的有機工業廢水，目前普遍采用的處理工藝為活性污泥工藝。常規活性污泥法是一種以好氧為主要生化環境的生化處理工藝。生化環境對微生物群落生態有著極為深刻的影響。好氧處理能夠支撐完整的食物鏈，包括食物鏈底部的細菌和頂部的輪蟲。缺氧環境比較受限制，而厭氧環境最受限制，只是細菌占主導地位。生化環境影響著處理效果，因為微生物在三種環境中可能有關迥然不同的代謝途徑。在工業廢水處理中，生化環境變得尤為重要，因為有些降解只能夠以好氧方式而非厭氧方式進行，或者相反[1]。本文以制漿造紙工業廢水為例，從微生物對有機物降解機制出發，試圖說明在采用活性污泥法處理工業廢水的設計及運行中，可通過合理的設計或運行方式，為微生物創造不同的生化環境，滿足微生物對有機物的降解要求，為工業廢水生化處理的設計和運行提供參考。

2、活性污泥法處理工業廢水的工藝設計及運行方式

對于中等濃度偏上、可生化性較差的有機工業廢水（如制漿造紙、紡織、印染廢水等），由于廢水中有機物組分復雜，且存在較多難降解的高分子有機物質，如果單純采用好氧處理，則較難達到理想的處理效果，采用厭氧—好氧工藝則是一種較為合理的設計方法。有人以草漿中段廢水為處理對象，采用混凝沉淀—厭氧—好氧組合處理工藝進行了小試研究，結果表明采用垂直折流板式厭氧污泥床反應器（VBASB）在負荷為3.1-4.3kgCOD/（m3·d）時，COD去除率約為55%；接觸氧化池負荷為1.5-2.0kgCOD/（m3·d）時，COD去除率為50%[2]，厭氧—好氧組合工藝使COD總去除率接近80%，而國內草漿中段廢水單純采用好氧處理的工藝生化段COD去除率一般不超過60%。目前，制漿造紙廢水的厭氧處理裝置其處理對象以高濃度制漿污水為多，且大都處于實驗研究階段。大水量、中等濃度的制漿造紙綜合廢水的厭氧處理裝置尚未見報導。一般采用厭氧處理的目的之一是注重能源的回收，這就要求保證甲烷菌有最適合的生長條件、最大的產氣量，以達到較高的能源回收效果，需要的反應時間也相當長。而為維持甲烷菌最適合生長條件，需要加溫保溫消耗一定的能源。如果無法與從廢水中回收的能源形成平衡，則在經濟上是不合算的。甲烷菌屬于專性厭氧菌，對溫度、PH及毒性物質十分敏感，對草漿中段廢水來講，高速厭氧反應器無論從設計還是運行上均存在很多問題。對于大多數制漿造紙廠來說，中段廢水處理更加注重的是水處理的環境效益（達標排放），而不是能源回收。因此，放棄厭氧反應中反應時間長、控制條件高的甲烷發酵階段，而只利用厭氧反應中的水解和酸化階段是非常必要的。水解菌、產酸菌均屬兼性菌，對PH、溫度等均有較大范圍的適應性。據有關文獻報導，造紙綜合廢水采用水解—酸化工藝，當水力停留時間為4-6h時，COD去除率可達到30-50%[3]。可是要設置獨立的水解反應器對造紙廢水，尤其是處理量較大的造紙廢水具有一定的難度。嚴格的水解反應器屬上流式污泥床反應器的范疇，具有兩個基本功能即生物反應和沉淀功能，水解反應器中需形成高約1m左右，平均污泥濃度為15g/L的污泥層，因此對池底布水、上升流速的控制要求均非常嚴格[4]。中段廢水量大且廢水中細小纖維極多，設置水解反應器不僅布水系統復雜，而且如果對廢水不采取嚴格的預處理措施則極易造成對布水系統的堵塞。國內的造紙廢水處理實際運行經驗表明，如果在曝氣池中通過曝氣器（或曝氣機）的合理布置有目的地使曝氣池分割為好氧區、缺氧區，則可在缺氧區同樣完成水解反應器的功能。曝氣池中的活性污泥屬于由各種微生物組成的復雜的微生物生態系統，任何特定的微生物都可能歸屬于不只一種類型，而且隨著群體選擇壓力的變化而隨之改變類型[1]。在曝氣池好氧區，活性污泥中的微生物將以好氧菌為主，完成對廢水中易降解有機物的代謝功能，這也是曝氣池的最主要功能。而在曝氣池缺氧區，活性污泥中的微生物則以兼性微生物為主，完成對廢水中難降解有機物的初級分解功能——即水解酸化作用，具體講就是將大分子物質分解為小分子物質，難以生物降解的物質轉化為易于生物降解的物質。在缺氧區得到初步分解的難降解有機物在好氧區將得到充分的降解。因此，在曝氣池設計或運行中將好氧、缺氧功能組合在一起，可極大提高生物反應器對有機物的降解能力。另一方面曝氣池中缺氧—好氧的交替設置也可形成溶解氧濃度梯度，可比單純采用好氧的曝氣池有效氧吸收率要高。

工業廢水的特點是流量及有機物濃度均具有較大的不穩定性。因此，為使廢水以較均衡的濃度和流量進入生化處理系統，防止對生化處理系統造成沖擊，采取的措施一是在初沉池后設置均衡池以均化水質、調節流量，二是選擇的生化處理系統具有較強的耐沖擊負荷能力。顯然后者可簡化流程，降低投資和運行費用。因此，工業廢水處理宜采用具有較強耐沖擊負荷能力的生化處理系統。

活性污泥工藝普遍易受活性污泥膨脹的困擾和危害，為此，人們發明了各種各樣的方法以避免活性污泥膨脹的發生，而最根本的解決措施是在設計中就采用了可避免活性污泥膨脹發生的處理工藝。推流式活性污泥法由于具有一定的有機物濃度梯度可有效避免活性污泥膨脹的發生。然而標準的推流式活性污泥法由于耐沖擊負荷能力較差而不適合工業廢水處理。完全混合式活性污泥法具有較強的耐沖擊負荷能力，但易發生活性污泥膨脹。缺氧-好氧工藝可有效避免活性污泥膨脹現象的發生。這是因為導致活性污泥膨脹的絲狀菌屬于專性好氧菌，難以在缺氧、好氧交替的環境中形成優勢，而菌膠團細菌則能在該條件下攝取、轉化和貯藏基質，從而競爭性地排斥了在這一條件下該能力差的絲狀菌[3]。

綜上所述，活性污泥法處理工業廢水的設計原則應是：①兼具完全混合式和推流式活性污泥法的優點，系統具有較強的耐沖擊負荷能力；②曝氣池中交替設有缺氧、好氧功能區，使系統處理效率更高，且具有較強抑制活性污泥膨脹的能力。在已投入運行的生化處理系統中，可通過調節DO的分布來創造不同段的生化環境，使曝氣池交替出現缺氧（厭氧）、好氧區。如此，處理效果可達到令人滿意的程度。

3、兩種推薦工藝

3.1卡魯塞爾氧化溝工藝

該工藝曝氣裝置采用低速倒傘型表面曝氣機，通過曝氣機的間隔設置可使曝氣池交替成為缺氧、好氧區。卡魯塞爾氧化溝的設計首先要保證進水與池中大量微生物迅速混合，微生物將進水中的顆粒物質和膠體物質迅速截留和吸附，這是一個物理過程的快速反應。截留下來的物質吸附在活性污泥的表面，慢慢地被分解代謝。污水中易降解有機物質會在較短的時間內被微生物分解代謝，而難降解的大分子有機物若被分解代謝將需要較長的時間。對于造紙廢水來說，由于廢水中難降解有機物種類多，比例大（B/C值僅0.3左右），因而其生化反應需要較低的有機負荷和較長的停留時間，去除單位BOD需氧量也較大。眾所周知，微生物對有機物的攝取是只有溶解性的小分子物質才可直接進入細胞體內，而不溶性大分子物質首先要通過胞外酶的分解才得以進入微生物體內的代謝過程[4]。因此，卡魯塞爾氧化溝中缺氧段的設置可使活性污泥中大量的兼性微生物（主要為水解、產酸菌）將大分子物質進行初級分解，不僅可無能耗地降解部分有機物，而且可提高廢水B/C值，縮短在好氧段有機物的代謝時間，降解單位BOD需氧量也有所減少。另外，卡魯塞爾氧化溝工藝由于兼具推流式和完全混合式活性污泥法的優點，因而具有較強的耐沖擊負荷能力，同時由于缺氧-好氧區的交替存在可有效抑制活性污泥膨脹現象的發生。因此，該工藝非常適合工業廢水處理，在造紙工業廢水處理中得到了成功應用，取得了良好的處理效果[5]。

3.2潛水曝氣活性污泥工藝

該工藝在曝氣池內沿其長度方向設若干隔墻，將曝氣池分為若干格，混合液逐格串聯流動，采用潛水式曝氣機可讓混合液在各格內呈完全混合式流態，而從曝氣池整體來看則是推流式流態；進水上采用多點進水。

該工藝具有以下顯著的技術特點：

1）每一格內形成不同的微生物群落，適應在不同負荷下微生物生長的需要，不但可提高處理效率，而且可抑制活性污泥膨脹的發生；

2）進入曝氣池的污水能立即被池內已存在的混合液所稀釋、均化，可以減輕沖擊負荷的影響；

3）多點進水可提高曝氣機的利用率，從而節約能耗。

該工藝亦可按A/O工藝即缺氧-好氧工藝運行。在A池中可利用兼性微生物將廢水中的固體、大分子和不易生物降解的有機物降解為易于生物降解的小分子有機物，提高廢水的可生化性，從而更有利于O池對有機污染物的進一步降解；缺氧-好氧交替式存在不僅可使廢水系統充氧具有更大的推動力，而且可有效抑制活性污泥膨脹現象的發生。

[主要參考文獻]：

1、C.P.Leslie Grady,Jr、Glen T.Daigger、Henry C.Lim著，張錫輝、劉勇弟譯，廢水生物處理（第二版，改編和擴充）[M]，北京：化學工業出版社，2003

2、徐華、祝萬鵬、師紹琪、楊志華，草漿中段廢水混凝沉淀-厭氧-好氧生物處理的工藝研究[J]，給水排水，1999，25（1）：44-47

3、徐亞同、黃民生著，廢水生物處理的運行管理與異常對策[M]，北京：化學工業出版社，2003

4、王凱軍著，低濃度污水厭氧-水解處理工藝[M]，北京：中國環境科學出版社，1992

5、田旭中、周煥祥，卡魯塞爾氧化溝在麥草漿中段廢水處理中的應用[J]，給水排水，2001，27（8）：48-51

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