呂冬梅，彭永臻，趙偉華，王淑瑩 （北京工業(yè)大學(xué)北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

A2O-BAF反硝化除磷工藝絲狀菌膨脹的發(fā)生及控制

呂冬梅，彭永臻*，趙偉華，王淑瑩 （北京工業(yè)大學(xué)北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

為了有效控制A2O-BAF反硝化除磷工藝處理實(shí)際生活污水時(shí)產(chǎn)生的絲狀菌污泥膨脹，研究了有機(jī)負(fù)荷和冬季突然降溫對(duì)絲狀菌污泥膨脹的影響.結(jié)果表明：當(dāng)有機(jī)負(fù)荷低于0.30kgCOD/（kgMLSS·d）時(shí)，系統(tǒng)中存在輕度的絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷高于0.55kgCOD/（kgMLSS·d）時(shí)，容易引發(fā)嚴(yán)重的絲狀菌污泥膨脹，調(diào)節(jié)有機(jī)負(fù)荷可使絲狀菌污泥膨脹得到有效控制.冬季突然降溫也會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹的發(fā)生，恢復(fù)溫度后，污泥沉降性能恢復(fù)正常，絲狀菌污泥膨脹亦得到有效控制.

A2O-BAF工藝；反硝化除磷；有機(jī)負(fù)荷；絲狀菌膨脹；降溫

A2O-BAF反硝化除磷工藝，結(jié)合活性污泥法和生物膜法于一體，A2O段采用活性污泥法，完成反硝化除磷作用，BAF段采用生物膜法，完成硝化作用，具有抗沖擊負(fù)荷、節(jié)省能耗、脫氮除磷效率高等優(yōu)點(diǎn)［1-4］.從理論上講，A2O-BAF反硝化除磷工藝不易發(fā)生污泥膨脹問題，而且由于除磷作用，污泥沉降性能較好［5-6］.然而，筆者在實(shí)驗(yàn)室以A2O-BAF反硝化除磷工藝處理實(shí)際生活污水時(shí)，A2O活性污泥法段發(fā)生了絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象.由于BAF是順序連接在二沉池之后，活性污泥的無法正常沉淀，致使部分活性污泥流入BAF中，破壞生物膜，影響B(tài)AF的硝化作用，從而無法為反硝化除磷提供電子受體硝態(tài)氮，導(dǎo)致除磷作用的惡化，最終會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)處理效能崩潰［7-8］.由此可見，活性污泥對(duì)于整個(gè)A2O-BAF系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，活性污泥能否在A2O中發(fā)揮正常作用，直接關(guān)系到BAF能否為A2O提供足夠的電子受體，因此，控制A2O中活性污泥發(fā)生的絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象，恢復(fù)活性污泥的沉降性能，是改善BAF硝化性能及整個(gè)系統(tǒng)脫氮除磷效率的關(guān)鍵.

已有研究表明，有機(jī)負(fù)荷是影響污泥膨脹非常關(guān)鍵的因素之一，且影響因素非常復(fù)雜，與其他因素可能存在協(xié)同作用［9-13］.冬季溫度降低也是可能誘發(fā)污泥膨脹的另一關(guān)鍵因素，低溫會(huì)影響微生物活性，導(dǎo)致微生物的代謝能力減弱［14］.然而，對(duì)于有機(jī)負(fù)荷及溫度對(duì)反硝化除磷系統(tǒng)污泥沉降性能影響及影響機(jī)制的研究則少有報(bào)道，因此，本文從有機(jī)負(fù)荷和溫度兩大關(guān)鍵因素著手，主要研究了A2O-BAF反硝化除磷工藝活性污泥法段有機(jī)負(fù)荷和冬季降溫對(duì)絲狀菌污泥膨脹的影響，并提出了對(duì)應(yīng)的控制措施.

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 A2O-BAF工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of A2O-BAF process

A2O-BAF反硝化除磷工藝，工藝流程見圖1.A2O反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，共分為9個(gè)格室，V厭：V缺：V好=2：6：1，每個(gè)格室的有效容積為3.3L，主要完成反硝化除磷反應(yīng).BAF反應(yīng)器材質(zhì)亦為有機(jī)玻璃，直徑0.1m，高1.8m，內(nèi)部填充塑料填料，填充比為45%，微生物以生物膜的形式生長(zhǎng)于填料上，主要完成硝化反應(yīng)，BAF出水一部分回流至A2O缺氧區(qū)首端，另一部分直接排放.

1.2 試驗(yàn)用水及水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自北京某高校教工住宅小區(qū)化糞池生活污水，該污水中ρ（COD）/ρ（）的比值約為3.0～4.5，屬于低C/N比生活污水，pH值在7.2～7.4之間，試驗(yàn)期間，具體水質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 實(shí)際生活污水水質(zhì)Table 1 Characteristics of actual domestic wastewater

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過控制投加乙酸鈉的量改變有機(jī)負(fù)荷，本試驗(yàn)選擇3種不同的有機(jī)負(fù)荷，分別為0.30，0.45，0.55kgCOD/（kgMLSS.d）.根據(jù)A2O的工藝特點(diǎn)，反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)負(fù)荷NCOD按式（1）計(jì)算：

式中：NCOD為A2O反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)負(fù)荷，kgCOD/（kgMLSS.d），以計(jì)；Q為A2O反應(yīng)器進(jìn)水流量，m3/d；S0為A2O反應(yīng)器進(jìn)水的COD值，mg/L；X1為A2O反應(yīng)器厭氧格內(nèi)的平均活性污泥濃度，mg/L；V1為厭氧格的容積，m3；X2為A2O反應(yīng)器缺氧格內(nèi)的平均活性污泥濃度，mg/L；V2為缺氧格的容積，m3；X3為A2O反應(yīng)器好氧格內(nèi)的平均活性污泥濃度，mg/L；V3為好氧格的容積，m3.試驗(yàn)期間，將有機(jī)負(fù)荷作為唯一變量，其他外界因素（如溫度、pH值等）保持一致，將A2O反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）控制在2000mg/L左右，厭氧、缺氧格DO控制在0.5mg/L以下，好氧格DO控制在3～4mg/L，整個(gè)A2O-BAF系統(tǒng)溫度控制在（26±1）℃，在每個(gè)有機(jī)負(fù)荷條件下反應(yīng)器都運(yùn)行20d，污泥的沉降性能用SVI表示，每天測(cè)定污泥的沉降性能SVI，通過顯微鏡對(duì)污泥絮體進(jìn)行觀察，最后對(duì)不同有機(jī)負(fù)荷條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論.

1.4 試驗(yàn)分析項(xiàng)目與檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 不同有機(jī)負(fù)荷引起的絲狀菌污泥膨脹

不同有機(jī)負(fù)荷運(yùn)行條件下的SVI值在系統(tǒng)分別運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)明顯變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.當(dāng)有機(jī)負(fù)荷在0.45kgCOD/（kgMLSS·d）條件下運(yùn)行時(shí)，SVI值穩(wěn)定維持在100mL/g左右，污泥的沉降性能良好，沒有發(fā)生膨脹現(xiàn)象.顯微鏡觀察污泥絮體內(nèi)的微生物，如圖3b所示，可以發(fā)現(xiàn)，基本沒有絲狀菌存在.當(dāng)有機(jī)負(fù)荷降低到0.30kgCOD/（kgMLSS·d）條件下運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)初期，污泥的沉降性能基本不變，SVI始終保持在150mL/g下，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第7d時(shí)，SVI值開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，增加到200mL/g左右，顯微鏡觀察污泥絮體內(nèi)的微生物，出現(xiàn)了少量的絲狀菌，如圖3a所示，這說明系統(tǒng)在低有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，污泥的沉降性能受到了一定的影響，引發(fā)了輕度的絲狀菌污泥膨脹.當(dāng)有機(jī)負(fù)荷升高到0.55kgCOD/（kgMLSS·d）條件下運(yùn)行時(shí)，污泥的沉降性能發(fā)生了較大的變化，從第5d開始，SVI值急劇增加，到第14d時(shí)，SVI值達(dá)到350mL/g，污泥大量流失，回流污泥濃度過低（＜2000mg/L），活性污泥在二沉池中不能正常沉淀下來，顯微鏡觀察污泥絮體內(nèi)的微生物，出現(xiàn)了大量的絲狀菌，如圖3c所示，這說明系統(tǒng)在高有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，污泥的沉降性能受到了很大的影響，引發(fā)了惡性的絲狀菌污泥膨脹.

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因如下：在A2O系統(tǒng)中，聚磷菌在厭氧段攝取有機(jī)物完成磷酸鹽的釋放過程，在缺氧、好氧段氧化體內(nèi)儲(chǔ)存的PHA過量吸收水中的磷酸鹽同時(shí)合成自身細(xì)胞物質(zhì)增殖.當(dāng)系統(tǒng)中有機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，微生物的食物減少，導(dǎo)致部分微生物進(jìn)入衰亡期，數(shù)量開始減少，原因是所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足以維持自身生存，然而，絲狀菌在低基質(zhì)條件下，由于其菌絲可以伸展，獲取較大表面積，更易吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使生長(zhǎng)速率高于菌膠團(tuán).又因進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較低，厭氧段聚磷菌利用大部分有機(jī)物，到好氧段可利用的有機(jī)物很少，所以絲狀菌不會(huì)大量生長(zhǎng)，活性污泥發(fā)生輕度絲狀菌膨脹現(xiàn)象，SVI值在200mL/g左右.當(dāng)系統(tǒng)中有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，雖然聚磷菌在厭氧區(qū)利用大部分有機(jī)物，然而經(jīng)過缺氧區(qū)反硝化除磷脫氮后，依然會(huì)有部分剩余的有機(jī)物流入好氧區(qū)，由于絲狀菌對(duì)于DO的親和力和競(jìng)爭(zhēng)力都高于聚磷菌等菌膠團(tuán)微生物，較其他微生物具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)，其增殖速率遠(yuǎn)比菌膠團(tuán)要高，于是迅速獲取好氧區(qū)的有機(jī)物，快速生長(zhǎng)，活性污泥發(fā)生嚴(yán)重的絲狀菌膨脹現(xiàn)象，SVI值達(dá)到400mL/g左右，污泥沉降性能嚴(yán)重惡化.

圖2 不同有機(jī)負(fù)荷下A2O內(nèi)SVI的變化Fig.2 The evolution of SVI throughout the periods of the research at different sludge loads in A2O

圖3 不同有機(jī)負(fù)荷條件下的污泥鏡檢圖Fig.3 Microscope pictures of activated sludge at different sludge loadings

2.2 不同有機(jī)負(fù)荷引起的絲狀菌污泥膨脹的控制策略

圖4 不同有機(jī)負(fù)荷引起絲狀菌膨脹的恢復(fù)過程Fig.4 The evolution of SVI during the periods of the bulking sludge controlled

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于絲狀菌污泥膨脹控制方法的研究，主要集中在兩大類：一類是依靠物理、化學(xué)方法，通過投加混凝劑、絮凝劑等物質(zhì)增加污泥的密實(shí)度來改善污泥的沉降性能［15］.有研究表明：向曝氣池中投加FeCl2或滑石粉可以改善污泥的沉降性能，控制絲狀菌污泥膨脹，使SVI值迅速降低逐漸趨于穩(wěn)定［16］.然而，這類方法不能從根本上控制污泥膨脹，如果停止投加藥劑，出現(xiàn)污泥膨脹反復(fù)的可能性很大，實(shí)際工程中，加入這些物質(zhì)勢(shì)必帶來一定的額外費(fèi)用，而且可能會(huì)影響污水的處理效果.另一類是從污泥膨脹發(fā)生的本因出發(fā)，研究微生物的生長(zhǎng)機(jī)理，調(diào)控微生物的生長(zhǎng)環(huán)境有效控制絲狀菌的大量生長(zhǎng).可以通過調(diào)整運(yùn)行工況、改變反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷或采用生物選擇器等方法，控制絲狀菌污泥膨脹，恢復(fù)污泥的沉降性能［17］.這類方法是從污泥膨脹的起因出發(fā)，調(diào)控適合菌膠團(tuán)細(xì)菌的生長(zhǎng)環(huán)境，抑制絲狀菌的過度繁殖，不僅不會(huì)對(duì)污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，而且能有效根治絲狀菌污泥膨脹，在工程實(shí)踐中具有很大的應(yīng)用價(jià)值.

圖5 絲狀菌污泥膨脹得到控制后的污泥鏡檢圖Fig.5 Microscope pictures of activated sludge when sludge filamentous bulking was controlled

本試驗(yàn)研究將有機(jī)負(fù)荷作為單一限制因素，所以采取調(diào)節(jié)系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷的方法，控制絲狀菌污泥膨脹，恢復(fù)污泥的沉降性能.由低有機(jī)負(fù)荷引起的輕度絲狀菌污泥膨脹，將有機(jī)負(fù)荷升高并維持在0.45kgCOD/（kgMLSS·d）左右，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行20d，每天測(cè)定SVI值，顯微鏡觀察污泥絮體內(nèi)微生物，標(biāo)記為1#試驗(yàn)；由高有機(jī)負(fù)荷引起的惡性絲狀菌污泥膨脹，將有機(jī)負(fù)荷降低并維持0.45kgCOD/（kgMLSS·d）左右，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行30d，每天測(cè)定SVI值，顯微鏡觀察污泥絮體內(nèi)微生物，標(biāo)記為2#試驗(yàn).兩組試驗(yàn)期間，都將A2O反應(yīng)器的污泥濃度MLSS控制在2000mg/L左右，其他條件（DO、溫度等）維持適宜且穩(wěn)定，排除外界條件干擾.

研究結(jié)果表明，由圖4可知，1#試驗(yàn)隨著運(yùn)行天數(shù)的增加，SVI值逐漸降低，運(yùn)行到第9d時(shí)，SVI值降到150mL/g以下，污泥的沉降性能得到改善，最后系統(tǒng)SVI值穩(wěn)定在120mL/g左右，結(jié)合鏡檢發(fā)現(xiàn)，絲狀菌減少，如圖5a所示，由低有機(jī)負(fù)荷引起的輕度絲狀菌污泥膨脹得到有效控制.2#試驗(yàn)，在有機(jī)負(fù)荷降低后，SVI值逐漸降低，當(dāng)運(yùn)行到第16d時(shí)，SVI值降低到150mL/g以下，最后SVI值穩(wěn)定在130mL/g左右，結(jié)合鏡檢發(fā)現(xiàn)，絲狀菌大量減少，如圖5b所示，由高有機(jī)負(fù)荷引起的惡性絲狀菌污泥膨脹亦得到有效控制，污泥沉降性能恢復(fù)正常.

2.3 冬季突然降溫引起的絲狀菌污泥膨脹及控制

A2O-BAF反硝化除磷系統(tǒng)之前一直在溫度為（26±1）℃條件下運(yùn)行，系統(tǒng)脫氮除磷效率高，污泥沉降性能好，A2O反應(yīng)器SVI值一直維持在110mL/g左右，且由于A2O-BAF反硝化除磷工藝自身的特點(diǎn)，除磷污泥顆粒較大，污泥沉降性能較好，不存在污泥膨脹.然而，北方到達(dá)冬季時(shí)，室內(nèi)溫度驟然下降，反應(yīng)器的進(jìn)水溫度突然降低到（12±1）℃左右.從圖6可以看出，在冬季突然降溫后，系統(tǒng)內(nèi)的SVI值短短幾天從110mL/g左右升高到 300mL/g 左右，且發(fā)現(xiàn)污泥在二沉池中不能正常沉淀下來，污泥沉降性能惡化，顯微鏡觀察污泥絮體內(nèi)的微生物，發(fā)現(xiàn)有大量絲狀菌存在，這說明，冬季突然降溫導(dǎo)致了A2O-BAF反硝化除磷系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌污泥膨脹的發(fā)生.

目前，對(duì)于冬季突然降溫引起的絲狀菌污泥膨脹研究較少，有些污水處理廠為防止冬季降溫引發(fā)污泥膨脹，通過投加藥劑或采用生物選擇器等方法來控制污泥膨脹.由于本研究是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，所以，采取添加加熱裝置來升高反應(yīng)器內(nèi)水溫的方法，以便有效控制絲狀菌污泥膨脹.具體方法過程為：首先在原水水箱底部添加兩個(gè)加熱棒，運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象沒有得到很好控制，且繼續(xù)惡化.分析原因：雖然在原水水箱添加加熱棒，原水水箱中及反應(yīng)器中溫度有所提升，但是原水水箱每天進(jìn)一次生活污水，相當(dāng)于在原水水箱溫度剛剛得到提升且穩(wěn)定后，給剛剛穩(wěn)定的水溫突然降低的沖擊，每天都進(jìn)行一次溫度驟減的變化，即驗(yàn)證了溫度突然降低對(duì)活性污泥沉降性能的影響，引發(fā)了絲狀菌污泥膨脹.然后通過在A2O反應(yīng)器中平均距離添加3個(gè)加熱棒，保證原水進(jìn)入A2O反應(yīng)器與泥水混合液混合后，水溫并不受原水水箱中溫度變化的影響.這時(shí)調(diào)節(jié)加熱棒溫度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)水溫在12～18℃時(shí)，污泥的沉降性能并沒有得到改善，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)水溫＞18℃時(shí)，運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)絲狀菌數(shù)量減少，污泥沉降性能變好，可見18℃為系統(tǒng)活性污泥發(fā)生絲狀菌膨脹的臨界點(diǎn)，因此采用加熱裝置，保證活性污泥正常的溫度范圍，可有效控制活性污泥的絲狀菌膨脹.

從圖6中可知，升高溫度后，反應(yīng)器內(nèi)的SVI值逐漸降低，運(yùn)行到第17d時(shí)，SVI值降到150mL/g以下，最后穩(wěn)定在120mL/g左右，污泥沉降性能恢復(fù)正常，絲狀菌污泥膨脹得到有效控制.分析原因可能是，當(dāng)冬季突然溫度降低后，反應(yīng)器內(nèi)微生物的活性降低，聚磷菌的代謝能力減弱，使得在厭氧段部分有機(jī)物不能被充分利用，后進(jìn)入好氧段，絲狀菌快速利用易降解有機(jī)物，大量繁殖，生長(zhǎng)速率高于其他菌膠團(tuán)微生物，導(dǎo)致絲狀菌污泥膨脹，污泥沉降性能變差.在恢復(fù)溫度后，聚磷菌等微生物的活性逐漸恢復(fù)，代謝能力逐漸增強(qiáng)，將進(jìn)水有機(jī)物絕大部分在厭氧段充分利用，慢慢的絲狀菌由于缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，漸漸衰亡，被其他菌膠團(tuán)微生物取代，污泥的沉降性能變好，絲狀菌污泥膨脹得到控制.由此可見，采用加熱裝置升高反應(yīng)器中水溫是控制冬季活性污泥絲狀菌膨脹的有效方式，在節(jié)能降耗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化加溫方法，對(duì)于防止及治理污水處理廠的冬季污泥膨脹具有非常大的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值.

圖6 溫度對(duì)污泥沉降性能的影響Fig.6 The effect of the temperature on sludge settling property

3 結(jié)論

3.1 A2O-BAF反硝化除磷工藝處理實(shí)際生活污水，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷高于0.55kgCOD/（kgMLSS·d）時(shí)，容易引發(fā)惡性絲狀菌污泥膨脹；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷低于0.30kgCOD/（kgMLSS·d）時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生輕度絲狀菌污泥膨脹，從而影響系統(tǒng)的污水處理效果.

3.2 冬季突然降溫，導(dǎo)致微生物活性降低，代謝速率減慢，絲狀菌生長(zhǎng)速率高于菌膠團(tuán)生長(zhǎng)速率，可引發(fā)絲狀菌污泥膨脹.

3.3 本試驗(yàn)采取調(diào)節(jié)有機(jī)負(fù)荷和恢復(fù)溫度的方法，有效的解決了絲狀菌污泥膨脹問題.

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Occurrence and control of filamentous bulking in A2O-BAF denitrifying phosphorus removal process.

Lü Dong-mei， PENG Yong-zhen*， ZHAO Wei-hua， WANG Shu-ying （Engineering Research Center of Beijing， Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：3026～3031

In order to effectively control the sludge filamentous bulking in A2O-BAF denitrifying phosphorus removal process when treating domestic wastewater， the effects of sludge load and temperature on sludge filamentous bulking were investigated. The results had shown that the problem of slight sludge filamentous bulking existed when the sludge load was less than 0.30kgCOD/（kgMLSS·d）. Serious sludge filamentous bulking got easily happened when the sludge load was higher than 0.55kgCOD/（kgMLSS·d）， and sludge filamentous bulking was controlled effectively by changing sludge load. The sludge filamentous bulking also occurred when the temperature was decreased in winter， but the settling ability of activated sludge got recovered after increasing the temperature to original level， and the sludge filamentous bulking was also controlled effectively.

A2O-BAF process；denitrifying phosphorus removal；sludge load；filamentous bulking；temperature

X703.1

A

1000-6923（2015）10-3026-06

呂冬梅（1989-），女，河北省廊坊人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事污水生物處理理論與應(yīng)用研究.

2015-03-27

國(guó)家“863”項(xiàng)目（2012AA063406）；北京市教委資助項(xiàng)目

* 責(zé)任作者， 教授， pyz@bjut.edu.cn