姜 怡 曹 蓉

（1.河北工程大學(xué) 河北 邯鄲 056006；2.湖泊工程技術(shù)中心 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 中國(guó) 北京 100012）

0 前言

自20世紀(jì)產(chǎn)生到現(xiàn)在，活性污泥法作為一種有效手段廣泛應(yīng)用于廢水處理中。此方法具有工藝成熟、處理能力高、出水水質(zhì)好、處理范圍寬廣及處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國(guó)約有60%的城市污水處理廠和大部分工業(yè)廢水處理廠都采用活性污泥法。在活性污泥系統(tǒng)中最常見的問題是污泥膨脹，可以定義為絲狀菌或原生動(dòng)物過量生長(zhǎng)導(dǎo)致污泥沉降慢且壓縮性差[1]。膨脹的活性污泥主要表現(xiàn)在壓縮性能差，沉降性能不良，而它的凈化效果并不差[2]，但污泥膨脹導(dǎo)致的二沉池固液分離難，出水因污泥流失而渾濁，有時(shí)還伴隨大量泡沫，對(duì)整個(gè)生化處理系統(tǒng)造成直接影響。因此，研究污泥膨脹的產(chǎn)生機(jī)理及其控制方法對(duì)于活性污泥系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文就污泥膨脹形成機(jī)理及控制進(jìn)行相關(guān)探討研究。

1 活性污泥的性質(zhì)及組成

活性污泥是粒徑在200～1000μm的類似礬花狀的不定形的絮體結(jié)構(gòu)，含水率在99%以上，與水比重介于1.00～1.006之間，具有良好的凝聚沉降功能[2]。在顯微鏡鏡下觀察活性污泥，是褐色的絮狀污泥，有大量的細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等多種微生物群體，它們組成了一個(gè)特有的生態(tài)系統(tǒng)。正是這些微生物群體（主要是細(xì)菌）以污水中的有機(jī)污染物為營(yíng)養(yǎng)源，進(jìn)行代謝和繁殖，從而降低了污水中有機(jī)污染物的含量，同時(shí)通過污泥絮凝體的生物絮凝和吸附，去除污水中的呈懸浮或膠體狀態(tài)的其他物質(zhì)。

活性污泥組成可分為四個(gè)部分：有活性的微生物、微生物自身氧化殘留物、吸附在活性污泥上不能被微生物所降解的有機(jī)物、無(wú)機(jī)懸浮固體。有活性的微生物由細(xì)菌、真菌組成，通常以菌膠團(tuán)的形式存在，呈游離態(tài)的較少，且這部分的細(xì)菌不易沉降。菌膠團(tuán)是由細(xì)菌分泌的多糖類物質(zhì)將細(xì)菌等包覆成的黏性團(tuán)塊，保護(hù)細(xì)菌以抵御外界不利因素的影響。

2 污泥膨脹類型及形成機(jī)理

根據(jù)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的微生物，污泥膨脹可以分為非絲狀性膨脹（non-filamentous bulking）和絲狀性膨脹（filamentous bulking）。

2.1 非絲狀性膨脹

Durmaz等[4]發(fā)現(xiàn)C/N（以COD/TKN計(jì)）對(duì)EPS的產(chǎn)生有很大的影響，EPS生長(zhǎng)量和EPS中的碳水化合物隨著C/N增加而增加。當(dāng)C/N達(dá)到43就會(huì)引起粘性膨脹。楊鵬等[5]研究了采用SBR法處理釀造工藝污水在磷充足而氮缺乏時(shí)對(duì)活性污泥膨脹的影響。結(jié)果顯示在BOD/N值為100/4時(shí)污泥完全沉降，當(dāng)BOD/N值為100/3時(shí)，絲狀細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，同時(shí)黏性菌膠團(tuán)過度增長(zhǎng)，伴隨粘性膨脹發(fā)生。當(dāng)BOD/N值為100/2時(shí)，觀察不到絲狀微生物的過度生長(zhǎng)。當(dāng)BOD/N值為100/0.94時(shí)，更嚴(yán)重的粘性膨脹發(fā)生。

2.2 絲狀性膨脹

絲狀膨脹是由各種絲狀細(xì)菌的過量增長(zhǎng)形成的。絲狀細(xì)菌是活性污泥中基本的種群，對(duì)有機(jī)污染物的去除是有積極意義。但當(dāng)它生長(zhǎng)過量時(shí)，容易向污泥絮體以外的空間伸展形成一個(gè)擴(kuò)散開放的結(jié)構(gòu)或形成不同細(xì)胞和部分絮體間的橋梁，這兩種情況都會(huì)使絮體結(jié)構(gòu)擴(kuò)張，并阻止絮體壓縮。而絲狀體之間相互支撐、交錯(cuò)，將影響污泥的凝聚、沉降、壓縮性能從而形成膨脹。對(duì)于絲狀膨脹的產(chǎn)生，有選擇性理論及擴(kuò)散理論等。

絲狀體微生物生長(zhǎng)較慢，它的最大增長(zhǎng)速率和飽和常數(shù)低于非絲狀體微生物。Chudoba等[6]在1973年提出了選擇性理論，該理論以微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同種類微生物具有不同的Umax（最大生長(zhǎng)速率）和Ks（飽和常數(shù)），分析絲狀菌與絮體菌的競(jìng)爭(zhēng)情況。絲狀菌和絮體菌動(dòng)力學(xué)之間的差別作為解釋它們競(jìng)爭(zhēng)的主要機(jī)制。絮體菌有高的最大增長(zhǎng)速率且喜歡在高的基質(zhì)濃度中生長(zhǎng)。而絲狀細(xì)菌的Ks較小，因此喜歡在低的基質(zhì)濃度中生長(zhǎng)。

Martins等[3]提出了擴(kuò)散理論，此理論提出在絮體中的基質(zhì)擴(kuò)散限制是絲狀細(xì)菌和絮體菌選擇的更重要的因素。理論假設(shè)絲狀細(xì)菌和絮體菌有相似的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在低的基質(zhì)濃度基質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入絮體限制了絮體結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。絲狀細(xì)菌可以在相同低的速率下生長(zhǎng)，但是由于它們的形狀，它們可以比絮體結(jié)構(gòu)更快速的向外擴(kuò)。這樣污泥膨脹就產(chǎn)生了。在高的基質(zhì)濃度中，擴(kuò)散基質(zhì)并不限制基質(zhì)進(jìn)入絮體結(jié)構(gòu)中，對(duì)于絲狀細(xì)菌沒什么益處，大多數(shù)細(xì)菌在絮體中生長(zhǎng)，就不會(huì)引起膨脹。這個(gè)理論就不用引進(jìn)兩種有機(jī)體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)（Umax和Ks）的差異來解釋污泥膨脹。另外一種解釋就是說在相同的基質(zhì)濃度下，當(dāng)絮體較大時(shí)，由于較高的基質(zhì)擴(kuò)散限制，污泥膨脹就會(huì)發(fā)生。

Francis等[7]針對(duì)以上兩種理論提出了新的假設(shè)，假設(shè)絲狀細(xì)菌和絮體菌受動(dòng)力選擇和基質(zhì)擴(kuò)散限制的共同影響，構(gòu)造了一種模型，顯示了三種不同區(qū)域的存在：膨脹區(qū)、非膨脹區(qū)、中間區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)果表明在低基質(zhì)濃度下，動(dòng)力選擇占主導(dǎo)地位。在高基質(zhì)，相當(dāng)于中間區(qū)域，絲狀膨脹是由于基質(zhì)擴(kuò)散限制所決定的膨脹發(fā)生在絮體較大的顆粒中。模擬了不同絮體層基質(zhì)濃度對(duì)膨脹的影響結(jié)果。也表明了只用動(dòng)力學(xué)或擴(kuò)散限制理論解釋微生物競(jìng)爭(zhēng)是不合理的。這個(gè)新理論也提供了對(duì)絲狀物和絮體之間競(jìng)爭(zhēng)的合理解釋。在這個(gè)理論的基礎(chǔ)上，可以用控制絮體大小來避免有利活性污泥膨脹環(huán)境的產(chǎn)生。

3 常見引發(fā)膨脹和泡沫的微生物

活性污泥絲狀膨脹的致因微生物很多。Eikelboom等[8]分別從各國(guó)不同地域污水處理廠中收集約1100個(gè)樣品中區(qū)分出多種微生物純培養(yǎng)并分為26類。其中經(jīng)常出現(xiàn)的是若卡氏菌屬（Nocardia）、浮游球衣菌（Sphaerotilus natans）、微絲菌屬（Microthrix）、發(fā)硫菌屬（Thiothrix）、貝日阿托氏菌屬（Beggiatoa）等。

通常，絲狀微生物與來自氣浮產(chǎn)生的氣泡和絮體顆粒結(jié)合。當(dāng)這個(gè)現(xiàn)象一直持續(xù)著就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的生物泡沫。由確定種類的絲狀微生物引起的活性污泥泡沫必須與非生物性泡沫明確區(qū)分，非生物性泡沫是由油脂，石油等導(dǎo)致的。

從這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，錫林郭勒草原牛、羊肉蛋白質(zhì)含量高，分別是22.00g/100g和18.90g/100g；脂肪含量低，分別是5.67g/100g和10.73g/100g，與現(xiàn)代人飲食要求相符合。同時(shí)微量元素含量也豐富，Ca、P、Fe、Zn、Se含量也較高，營(yíng)養(yǎng)成分齊全、含量豐富,不同部位營(yíng)養(yǎng)素含量大小不同，對(duì)分割肉分等級(jí)及產(chǎn)品深加工有著重要的參考價(jià)值和科學(xué)依據(jù)。

4 污泥膨脹的控制

4.1 物化法控制污泥膨脹

4.1.1 投加氯氣

控制污泥膨脹采用的最傳統(tǒng)的氧化劑就是氯氣。采用氯氣控制污泥膨脹是由美國(guó)Jenkins等人提出的。氯會(huì)毀壞微生物的細(xì)胞壁，從而破壞細(xì)胞的新陳代謝。Süleyman ?vez等[10]對(duì)一制革廢水處理系統(tǒng)投加氯氣后控制了污泥膨脹和泡沫現(xiàn)象，恢復(fù)了出水水質(zhì)。氯損壞了絮體之間的絲狀連接，僅剩下疏松的絲狀菌的殘?bào)w，主要導(dǎo)致污泥膨脹和泡沫的菌Nocardia也完全從溶解物中去除，殘?bào)w重新回到絮體結(jié)構(gòu)中去?？梢钥隙ǖ氖锹葰鈱?duì)于污泥的膨脹和泡沫是有控制作用的，但是因?yàn)镹ocardia仍然在絮體中，有著再次生長(zhǎng)的潛能，所以氯氣對(duì)污泥膨脹和泡沫的控制是暫時(shí)的、表面的。

4.1.2 投加凝聚劑

目前，用于改善活性污泥沉降性能的無(wú)機(jī)凝聚劑或沉淀劑有石灰、鐵鹽或亞鐵鹽和鋁鹽等。凝聚劑投加到活性污泥中后，形成的絮凝物與膨脹污泥一起下沉，從而提高污泥的密度，改善污泥的沉降性能[11]。

當(dāng)污泥膨脹發(fā)生時(shí)，采用上述方法能較快地降低SVI值，但是沒有從根本上控制住絲狀菌的繁殖。在絲狀菌被氧化滅活或絮凝沉淀的同時(shí)，絮體形成菌的活性和濃度也大大降低。在控制絲狀菌的同時(shí)，也帶來出水水質(zhì)惡化的不良效果。一旦停止加藥，污泥膨脹可能又會(huì)出現(xiàn)。加藥改變了微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，無(wú)疑會(huì)對(duì)污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響，因此只能作為臨時(shí)應(yīng)急使用。

所以，物化方法一般達(dá)不到徹底治理污泥膨脹的效果，還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

4.2 微生物反應(yīng)器控制法

微生物反應(yīng)器控制是應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理，在曝氣池中形成一個(gè)適合菌膠團(tuán)細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境，選擇性地增殖菌膠團(tuán)細(xì)菌，使其成為活性污泥中的優(yōu)勢(shì)菌，以此來調(diào)控菌膠團(tuán)細(xì)菌與絲狀細(xì)菌之間的共生關(guān)系，抑制絲狀細(xì)菌的過度繁殖，從而從根本上控制絲狀污泥膨脹。

微生物反應(yīng)器可以控制絲狀膨脹，但是一些報(bào)導(dǎo)缺氧和厭氧反應(yīng)器對(duì)于控制絲狀膨脹不是很成功。其他研究報(bào)道缺氧和厭氧反應(yīng)器可以大大改進(jìn)污泥的沉降性能。Parker等[13]總結(jié)了可用的缺氧和厭氧反應(yīng)器數(shù)據(jù)，比較它們的運(yùn)行性能，為近一步研究提供基礎(chǔ)。研究顯示安裝了微生物反應(yīng)器活性污泥SVI值顯著減少，污水處理廠最終出水水質(zhì)改善，且用厭氧反應(yīng)器的活性污泥系統(tǒng)比缺氧反應(yīng)器好。

4.3 工藝運(yùn)行控制

4.3.1 增加溶解氧

許多研究表明溶解氧低時(shí)容易發(fā)生由浮游球衣菌和硫細(xì)菌引起的污泥膨脹。Jenkins[14]曾研究發(fā)現(xiàn)在SND工藝中單級(jí)CTSR結(jié)構(gòu)和低溶解氧環(huán)境是造成污泥膨脹的潛在因素。所以對(duì)污泥上覆的現(xiàn)象，可以通過增加曝氣量減少進(jìn)水來進(jìn)行控制。

4.3.2 調(diào)整污泥負(fù)荷

曝氣池的污泥負(fù)荷較高時(shí)會(huì)發(fā)生污泥膨脹，鄭俊[15]在早期研究得出：活性污泥的SVI值與污泥負(fù)荷值密切相關(guān)。但實(shí)踐表明，這樣的結(jié)論并不是完全正確的。影響污泥的絲狀膨脹的最主要原因是水質(zhì)而不是污泥負(fù)荷，對(duì)于某些污水，不論污泥負(fù)荷較高或者較低都會(huì)發(fā)生污泥絲狀膨脹；對(duì)另一些污水則相反。有研究[12]顯示低F/M會(huì)引起污泥膨脹。

4.3.3 溫度

構(gòu)成活性污泥的各種細(xì)菌最適生長(zhǎng)溫度在30℃左右。菌膠團(tuán)細(xì)菌如動(dòng)膠菌屬最適生長(zhǎng)溫度范圍是28～30℃，低于10℃生長(zhǎng)緩慢，高于45℃不生長(zhǎng)。浮游球衣（Sphaerotilus natans）最適溫度范圍在25～30℃間，生長(zhǎng)溫度在15～37℃間。因此水溫低于15℃一般不會(huì)引起污泥膨脹。

4.3.4 控制pH值

在活性污泥法運(yùn)行中，為了使活性污泥正常發(fā)育及生長(zhǎng)，曝氣池的pH值應(yīng)保持在6.5～8.0范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道，混合液的pH值低于6.0，有利于絲狀菌的生長(zhǎng)，而菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)受到抑制。pH值降至4.5時(shí)，真菌將完全占優(yōu)勢(shì)，原生動(dòng)物大部分消失，嚴(yán)重影響污泥的沉降分離和出水水質(zhì)。pH值超過11，活性污泥即會(huì)破壞，處理效果明顯下降。

4.3.4 工藝方法選擇

完全混合式的工藝方法比傳統(tǒng)的推流式較易發(fā)生污泥膨脹，而間歇運(yùn)行的曝氣池最不容易發(fā)生污泥膨脹；不設(shè)初沉池（設(shè)沉砂池）的活性污泥法，SIV值較低，不容易發(fā)生污泥膨脹；葉輪式機(jī)械曝氣與鼓風(fēng)曝氣相比，易于發(fā)生絲狀菌性膨脹；射流曝氣的供氧方式可以有效地克服浮球衣細(xì)菌引起的膨脹。Jenkins[14]曾研究發(fā)現(xiàn)在SND工藝中單級(jí)CTSR結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹。黃林等[16]發(fā)現(xiàn)在循環(huán)式曝氣下的污泥沉降性比恒定速率下的污泥沉降性能好。

5 結(jié)語(yǔ)

污泥膨脹的產(chǎn)生及其控制是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，因?yàn)橛绊懳勰嗯蛎浀囊蛩靥??；钚晕勰鄬?duì)底物的降解是生物化學(xué)反應(yīng)過程，形成活性污泥的微生物是多種微生物的群體，既受到污水水質(zhì)條件的影響，又受到運(yùn)行條件及環(huán)境的影響，如污水的種類、成分、濃度、水溫、負(fù)荷、溶解氧、pH值及氮磷含量等因素都會(huì)對(duì)污泥膨脹產(chǎn)生影響，既可能一個(gè)因素起作用，也可能多個(gè)因素協(xié)同誘發(fā)，在不同的研究條件下也可能得出不同的結(jié)論。因此，在實(shí)際工程運(yùn)行中，污泥膨脹的產(chǎn)生及控制需要更加深入的研究，探討出適合不同工程單元的污泥膨脹控制方法。

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