彭趙旭，彭永臻，2，于振波，劉旭亮，柴同志

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090;2.北京工業(yè)大學環(huán)境與能源學院，北京100022)

活性污泥法二沉池中的污泥沉降性對于出水水質起著至關重要的作用.目前對污泥沉降過程的研究多基于Dick提出的固體通量理論展開[1-2]，該理論認為污泥的重力沉降速率由其質量濃度決定.根據(jù)這個重要假設，學者們建立了冪函數(shù)模型、指數(shù)模型和Cho模型等沉降速率模型[3-4].后兩者由于分別能很好地描述污泥沉速與質量濃度的關系，以及污泥批沉降曲線，因此得到了廣泛應用.一般來說，使用這些模型前需要先確定其中的參數(shù)，而污泥容積指數(shù)(SVI)由于易于測量而常被用來進行參數(shù)估計，并取得了很好的效果[5-6].但是SVI相關的測量方法很多(DSVI，USVI，SSVI)，并且受測量器具(高度，直徑等)和污泥質量濃度等因素的影響非常明顯[7-9].考慮到日常操作的簡易性，本研究采用標準的100 mL量筒進行批沉降試驗，考察不同活性污泥中質量濃度對沉降性的影響，意在摸索以SVI作參數(shù)衡量污泥沉降性的適用范圍.

1 材料與方法

1.1 試驗用泥

按照沉降性，活性污泥可以分為不膨脹污泥、絲狀菌膨脹污泥和非絲狀菌膨脹污泥3種.為了更全面的研究污泥質量濃度對沉降過程的影響，本課題組采用小試序批式間歇反應器(SBR)，通過增設前置厭氧段，低有機負荷低DO運行和加大曝氣量的方法，分別培養(yǎng)出了以上3種典型污泥，其微生物相如圖1所示.

圖1 試驗污泥的微生物相(100×)

1.2 試驗裝置和方法

本試驗采用標準的體積為100mL的量筒進行批沉降試驗.為了減少試驗中其他因素對沉速的影響，對污泥進行如下預處理.取SBR排放的剩余污泥，過度曝氣后加乙酸鈉充分攪拌，確保反硝化完全，再小量曝氣吹脫10 min后靜沉.先測定沉后的污泥質量濃度，之后根據(jù)不同的稀釋比分別取一定體積的沉后污泥加入到100 mL量筒中，其余體積用蒸餾水調至100 mL，配置不同質量濃度的泥水混合液，搖勻后進行批沉降試驗.記錄沉降開始后0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90 min時的污泥沉降比SVt(t代表記錄的時間)，其相應的污泥容積指數(shù)記為SVIt.

1.3 檢測分析項目

為了使試驗結果便于實際應用，采用最簡單的SVI測定方法.污泥沉降比SVt由靜沉t分鐘后所形成的污泥體積占原混合液體積的百分比計算得出.污泥容積指數(shù)SVIt由相應的SVt除以混合液污泥質量濃度計算得出.它表示經(jīng)過t分鐘靜沉后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的體積.污泥微生物相用OLYPUSBX51顯微鏡觀察.

2 結果與討論

2.1 不膨脹污泥中質量濃度對沉降性的影響

在不膨脹污泥批沉降試驗中，除去質量濃度較低的情況(1 500 mg/L)外，沉降過程始終存在著清晰的泥水分界面，且其下沉速率隨著污泥質量濃度的增加而降低.Fuchs等研究發(fā)現(xiàn)了2種可導致清晰泥水分界面形成的機理.1)擁擠沉淀.它是在沉降過程中顆粒之間互相影響，彼此沉速不斷改變.如果速率分布區(qū)間很小，清晰的泥水分界面就會形成.2)交聯(lián)分離.它是絮體之間彼此交聯(lián)形成了相對固定的整體結構，所有絮體都用一個速率一起沉降[10].對于不膨脹污泥來說，由于缺少相互交聯(lián)的絲狀菌(圖1(A)所示)，因此擁擠沉淀是導致形成清晰泥水分界面的主要原因.另外，隨著質量濃度增大，污泥絮體的空隙減小，沉降過程中水流過生物絮體的阻力增大，導致污泥絮體的沉速逐漸減小，反映在SVt上就是其同一時間的數(shù)值隨著污泥質量濃度的增加而增加(圖2所示).而當質量濃度過小時，污泥絮體彼此之間處于離散狀態(tài).由于各絮體在尺寸、密度和形狀等方面的差異導致了不同的沉速，因此難以形成清晰的泥水分界面，從而對SVt的測量造成很大的誤差.在低質量濃度情況下，本試驗的SVt數(shù)值取自沉降污泥主體部分的最上端.另外，質量濃度低時絮體沉降速率快，污泥很快進入壓縮沉淀過程，沉后體積幾乎不再減小.而隨著質量濃度的升高，污泥進入沉后體積不變狀態(tài)所需的時間也越來越長.SVIt是指每克干污泥形成的沉淀污泥的體積，影響其數(shù)值的最大因素就是沉后污泥絮體之間的空隙.隨著靜沉時間的增加，空隙越來越小，不同質量濃度下的SVIt值也趨于統(tǒng)一.從圖3可以看出，不同質量濃度下的SVI60差別已經(jīng)很小，SVI90則完全相同，但是平常所使用的SVI30卻存在誤差.考慮到實際中操作的簡易性，對不膨脹的活性污泥來說，用SVI60來作為沉降性能好壞的指標可以忽略質量濃度的影響.而SVt則對質量濃度過于敏感，不太適合用來表征污泥沉降性.

2.2 絲狀菌膨脹污泥中質量濃度對沉降性的影響

由于發(fā)生膨脹的活性污泥壓縮性惡化，而為了不破壞污泥絮體的結構，本試驗僅通過重力沉降來濃縮原始污泥(未離心)，因此試驗污泥質量濃度較低，最大也只有3 712 mg/L.與不膨脹污泥的批沉降試驗相似，當質量濃度過低時(1 000 mg/L)，污泥絮體處于離散狀態(tài)，沉降速率較快且沒有明顯的泥水分界面.與前者不同的是，當質量濃度增加時，絲狀菌的存在大大增加了沉淀過程中絮體所受的阻力，導致沉降速率明顯變緩，甚至降低為零.質量濃度升高時沉降過程中也出現(xiàn)了清晰的泥水分界面，但是其成因不是擁擠沉淀，而是絲狀菌使絮體相互交聯(lián)形成固定整體結構產(chǎn)生的交聯(lián)分離作用導致的.需要指出的是，絲狀菌相互交織形成的絮體網(wǎng)狀結構在沉降過程中會對上升水流起到過濾作用，吸附和截留水中細小顆粒物，因此沉后上清液十分清澈[11].絲狀菌對污泥沉降性的影響是多方面的，它不但會增大沉淀過程所受阻力，而且其交聯(lián)形成的疏松多孔網(wǎng)狀結構會降低活性污泥絮體的密度.由于活性污泥絮體的密度普遍在1.022～1.056 g/mL，而沉降過程的動力來自絮體所受重力與水的重力之差，因此絮體密度的改變會直接影響到污泥的沉降性[12].Schuler等研究發(fā)現(xiàn)當絮體的密度與水密度接近時，這種影響尤為顯著[8].從圖4可見，當質量濃度大于2 000 mg/L時，污泥絮體的沉降過程已不明顯.在整個批沉降期間，SVt一直維持在90%以上，幾乎不隨質量濃度而改變，但是SVIt受質量濃度影響十分明顯，與質量濃度成反比(圖5所示).由此可見，對于質量濃度大于2 000 mg/L的絲狀菌膨脹污泥來說，延長沉降時間對強化泥水分離效果甚微，通常所采用的30 min已經(jīng)足夠描述其沉降性能.當用SVI30為參數(shù)表征污泥沉降性時，可以設定某一質量濃度的SVI30作為標準值(比如3 000 mg/L)，其他質量濃度下的SVI30值通過反比例關系換算到該質量濃度下進行比較.進一步分析發(fā)現(xiàn)，采用SV30來表征絲狀菌污泥沉降性更為方便.在沉降過程出現(xiàn)明顯泥水分界面的情況下，如果通過鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥絮體中存在大量絲狀菌，且SV30大于90%，則可以判定該污泥發(fā)生了絲狀菌膨脹而不用考慮測定時的污泥質量濃度.

圖5 絲狀菌膨脹污泥中質量濃度對SVI t的影響

2.3 非絲狀菌膨脹污泥中質量濃度對沉降性的影響

絲狀菌是活性污泥的骨架，絮狀菌附著其上形成活性污泥絮體.兩者比例合適時，污泥絮體大小適中，沉降性能良好[13].當由于某種因素刺激絮狀菌過量增殖或者胞外聚合物的大量積累時，往往會導致非絲狀菌膨脹的發(fā)生.由于膨脹污泥的壓縮性嚴重惡化，用于批沉降試驗的污泥質量濃度偏低，最濃的也只有1 993 mg/L.與前兩種污泥的批沉降試驗相似，當質量濃度過低時(1 000 mg/L)，污泥沉降速率較快.沉降的污泥絮體呈現(xiàn)出底部濃，頂部稀的狀態(tài)，且沒有明顯的泥水分界面，上清液渾濁.當質量濃度增加時，污泥絮體密度不再分布不均，而是呈現(xiàn)出均一的果凍狀形態(tài)，外表狀似浮云，非常難以沉降，同時也出現(xiàn)了清晰的泥水分界面.由圖1(C)可見，發(fā)生非絲狀菌膨脹的污泥絮體依靠體表的胞外聚合物(EPS)相互黏連成一個整體，有些類似于絲狀菌膨脹污泥中依靠絲狀菌的相互交聯(lián)，這是形成清晰泥水分界面的主要原因.另外，非絲狀菌膨脹污泥絮體疏松多孔，在沉降過程中可以充分的吸附截留水中的細小顆粒物，致使沉后上清液非常清澈.從圖6可見，只要不是質量濃度過稀的情況(1 000 mg/L)，非絲狀菌膨脹的污泥絮體幾乎沒有沉降.分析其原因主要有以下兩點.1)非絲狀菌膨脹的污泥絮體含有大量的結合水，密度和水的密度接近，導致沉降動力不足;2)非絲狀菌膨脹污泥絮體表面黏性很大，增加了泥水混合液的黏度和沉降過程中的阻力[14-15].在整個批沉降期間，SVt一直維持在接近100%的水平.由于SVIt是表征靜沉t分鐘后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的體積.因此在SVt保持在100%的前提下，SVIt與質量濃度成反比例關系(圖6所示).與絲狀菌膨脹污泥相似，對非絲狀菌膨脹污泥來說，由于污泥壓縮性的嚴重惡化，延長沉降時間并不會改善泥水分離效果.當用SVI30為參數(shù)表征污泥沉降性時，可以設定某一質量濃度的SVI30作為標準值(比如2 000 mg/L)，其他質量濃度下的SVI30值通過反比例關系換算到該質量濃度下進行比較.進一步分析發(fā)現(xiàn)，采用SV30來表征非絲狀菌膨脹污泥沉降性更為方便.在沉降過程出現(xiàn)明顯泥水分界面的情況下，如果通過鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥絮體中幾乎不含絲狀菌，沉降的污泥外表呈果凍狀，且SV30大于90%，則可以判定該污泥發(fā)生了非絲狀菌膨脹.

圖6 非絲狀菌膨脹污泥中質量濃度對SV t和SVI t的影響

SV和SVI是表征污泥沉降性能的常見參數(shù)，描述的是沉降的結果.而沉淀的過程則可以從沉降速率和沉后上清液兩方面來考察，本試驗僅僅初步考察了沉后上清液的特性，對于沉降速率的描述還不夠，缺少區(qū)域沉降速率(ZSV)等參數(shù)的測量.另外，本試驗在配置不同污泥質量濃度的混合液時采用的是蒸餾水稀釋的方法，這多少會破壞污泥絮體和水之間的初始狀態(tài)，從而影響沉降過程的測定結果.若在培養(yǎng)污泥的SBR中直接進行1.2節(jié)中的預處理，之后讓泥水混合液進行沉降，隨著污泥的濃縮而取出一系列質量濃度的沉后污泥進行批沉降試驗，則可以避免上述因素的影響，這些都需要今后進一步的研究.

3 結論

本文考察了不同活性污泥系統(tǒng)中質量濃度對沉降過程的影響，得到以下主要結論.

1)當質量濃度過稀時，無論不膨脹污泥(1 500 mg/L)還是膨脹污泥(1 000mg/L)，污泥絮體都呈離散或半離散狀態(tài)，沉速較快，泥水分界面模糊不清，沉后上清液渾濁.

2)當質量濃度升高時，隨著沉降過程中水流過污泥絮體的阻力增大，各種污泥的沉速都會降低.膨脹沉速降幅尤其明顯，幾乎降低為零.泥水分界面都十分清晰，但是成因不同.不膨脹污泥是由絮體的擁擠沉淀造成的，而膨脹污泥則是由絲狀菌或EPS的交聯(lián)分離作用造成的.

3)在絮體不處于離散狀態(tài)的情況下，用SVt來表征污泥沉降性時，質量濃度對不膨脹污泥影響十分明顯，而對絲狀菌膨脹污泥和非絲狀菌膨脹污泥則幾乎沒有影響.在整個批沉降試驗中，膨脹污泥的SV一直保持在90%以上，延長沉淀時間對改善泥水分離效果作用不大.

4)在絮體不處于離散狀態(tài)的情況下，用SVIt來表征污泥沉降性能時，對于不膨脹污泥，SVI60可以消除質量濃度對測定值的影響.對于膨脹污泥，需要設定一個特定質量濃度下的SVI30標準值，其他質量濃度下的SVI30按照反比例關系換算到該質量濃度下進行沉降性能比較.

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