城市污水处理厂污泥膨胀的研究现状廖嘉俊

广东化工2012年第10期·124·期城市污水处理厂污泥膨胀的研究现状廖嘉俊(中山公用集团水务事业部，广东中山528400)[摘要]活性污泥法是目前中国污水处理厂普遍运用的方法。而污泥膨胀是活性污泥法运行的昀大危害之一。本文主要研究城市污水处理厂活性污泥法发生污泥膨胀的特性，污泥膨胀的分类，相关理论假说，污泥膨胀的影响因素和控制污泥膨胀的方法。[关键词]活性污泥；污泥膨胀；影响因素；控制方法[中图分类号]X[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2012)10-0124-03TheResearchonSludgeBulkinginMunicipalWastewaterTreatmentPlantLiaoJiajun(WaterdepartmentofZhongshanPublicUtilities,Zhongshan528400,China)Abstract:ActivatedsludgeisawidelyappliedmethodinChinesesewagetreatmentplantatpresent.Sludgebulkingisoneoftheworsteffectsofactivatedsludgeoperation.Thepapermadeastudyofcharacteristicsofthesludgebulkinghappenedintheurbansewagetreatmentplantofactivatedsludge,theclassificationofsludgebulking,relevanttheoreticalhypothesis,theinfluencefactorsofsludgebulkingandthecontrolmethodsofsludgebulking.Keywords:activatedsludge；sludgebulking；influencingfactor；thecontrolmethods活性污泥法自1914年由Aldern和Lockett开创以来，已成为世界上应用昀广泛的二级污水处理工艺。目前，我国约有60%的城市污水处理厂和大部分工业废水处理厂采用活性污泥法或由其改进的生物处理工艺。活性污泥法工艺主要包括曝气池和二沉池。曝气池中的泥水混合液，在二沉池中停留一顿时间，达到固液分离保证出水清澈并使部分活性污泥回流到曝气池，使曝气池中保持稳定的微生物量。在实际运行过程中，会出现二沉池姑爷分离不完全的现象，例如污泥在二沉池沉降困难，泥面上升，污泥指数较高，严重时能造成二沉池污泥外溢、流失，这一现象成为污泥膨胀[1]。1污泥膨胀的特点污泥膨胀是污水处理厂运行中的“常见多发病”，它一般表现出三个特点：(1)普遍性，在各种类型的活性污泥工艺中都存在活性污泥膨胀问题，甚至连昀不容易膨胀的SBR反应器中也可能发生活性污泥膨胀。(2)发生率高，据统计，法国有25%~40%的活性污泥法污水处理厂出现污泥膨胀问题；德国约有50%；美国约有60%；我国大部分采用活性污泥法的城市污水处理厂每年都发生活性污泥膨胀。(3)危害性，污泥膨胀使得处理系统的处理能力下降，造成了污泥流失，出水中悬浮物浓度超标，一旦发生了污泥膨胀，则难于控制或需要相当长的时间才能恢复。如果在对污泥膨胀起因不完全清楚的情况下，对其进行控制的方法若不得当，可能会适得其反，或将使整个处理系统处于瘫痪状态。2污泥膨胀的分类污泥膨胀总体上分为两大类：丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀[2-4]。丝状菌膨胀是活性污泥絮体中的丝状菌过度繁殖导致的膨胀；非丝状菌膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷太高的时候，此时细菌吸附了大量有机物，来不及代谢，在胞外积贮大量高粘性的多糖物质，使得表面附着物大量增加，很难沉淀压缩。而当氮严重缺乏时，也可产生膨胀现象。在实际运行中，污水处理厂发生的污泥膨胀多为丝状菌污泥膨胀。据报道，在发生污泥膨胀的活性污泥法处理厂中，约有90%的污泥膨胀问题是由活性污泥中丝状菌的过量生长而引起的[5]。此外，因营养缺乏或有毒物质的影响，工业废水处理厂比城市污水处理厂容易发生膨胀。3污泥膨胀的相关理论污泥膨胀的发生原因复杂且相互影响，这在一定程度上给人们的研究造成了很大的困难。目前，关于污泥膨胀的假说和理论都还不是特别完备，仅能解释部分或特定条件下的污泥膨胀现象。主要有面积/面积比(A/V)、积累/再生(AC/SC)、选择性原则和饥饿理论等四种假说[6-7]。3.1面积/面积比(A/V)假说A和V分别是指活性污泥中微生物的表面积和容积。该假说认为，活动于活性污泥絮体之外的丝状菌在比表面积(A/V)方面要远大过菌胶团细菌。因而当微生物处于底物控制和控制状态时，比表面积大的丝状菌取得底物的能力要强于菌胶团细菌。在曝气池中丝状菌的生长将占优，而菌胶团细菌的生长将受到限制。这是目前昀被广泛接受的污泥丝状菌膨胀理论假说。它对于解释低底物浓度和氮、磷元素缺乏的污泥膨胀是比较有效的[8]。3.2积累/再生(AC/SC)假说尽管面积/面积比(A/V)假说获得了广泛的认同，但它却无法解释高负荷条件下的污泥丝状菌膨胀现象。Chudoba认为存在一种影响丝状菌和菌胶团细菌选择性生长的因素，并提出了如图1所示的积累/再生(AC/SC)假说。SexACSCMVinVm(s)VsVexVmVdSex—细胞底物浓度；Vin,Vex—底物输入、输出细胞的速率；Vd,Va—贮存物质解聚、形成速率；Vm—底物代谢速率；Vm(s)—贮存物质代谢速率；M—代谢产物图1污泥丝状菌膨胀的AC/SC假说Fig.1AC/SChypothesisofsludgefilamentousbulking该理论认为微生物对底物的利用经历了细胞内累积、贮存和生物代谢三个阶段。底物通过传输和扩散作用进入微生物细胞体内成为积累物质，所积累的有机物在细胞内进一步转化为贮存物质。单位质量细胞所能积累的底物称为细胞的积累能力(accumulationcapacity,AC)，所能贮存的底物量称为贮存能力(storagecapacity,SC)。只有当微生物所积累的有机底物得到氧化降解后，其积累能力才能得到恢复，微生物才能继续进行代谢和生长。在混合培养液中，具有高AC值的微生物将处于优势地位。研究表明，菌胶团比丝状菌具有高的AC值，但当微生物摄取的基质得不到氧化或缺乏足够的营养物时，其高AC值的能力将不能充分发挥而导致降低，这就很好地解释了高负荷丝状菌污泥膨胀的原因。3.3选择性原则选择性原则基于不同种群的微生物的生长动力学参数的不同而提出的。一般认为活性污泥中的微生物的增长都是符合Monod方程的。[收稿日期]2012-06-30[基金项目]中山市珍家山污水处理有限公司技术改造项目[作者简介]廖嘉俊(1987-)，男，本科，助理工程师，主要从事污水治理、水质监测相关方向的研究。2012年第10期广东化工第39卷总第234期·125·SKSs+μ=μmax式中：μ——微生物比增长速率，时间-1；μmax——微生物昀大比增长速率，时间-1；Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度，质量·容积-1；S——底物浓度，质量·容积-1。因为大多数的丝状菌的Ks和μmax值比菌胶团的低，所以，按照以上Monod方程可以得出图2。Ks1Ks2μMax1μMax2比增值速率μ菌胶团丝状菌底物浓度S图2两种微生物在不同底物浓度下的竞争Fig.2Thecompetitionofthetwokindsofmicroorganismsindifferentsubstrateconcentrations从图2中可以明显的看出具有低Ks和μmax值的丝状菌在低基质浓度条件下具有高的增长速率，而具有较高Ks和μmax值的菌胶团在高基质浓度条件下才占优势[9]。3.4饥饿假说Chiesa等汇总和分析了不同研究者对动力学研究的结果，提出了饥饿假说。该假说认为在活性污泥中存在三种不同的微生物种群。一是快速生长的菌胶团污泥絮凝微生物；二是具有较高底物亲和力、生长缓慢的耐饥饿的丝状微生物；三是对溶解氧具有亲和力、对饥饿高度敏感的快速生长丝状菌(如图3所示)。在低底物浓度条件下，第二类微生物将占生长优势；当有机底物浓度在S﹡以上时，只要氧的传递不受限制，第一类微生物将具有生长优势；在高底物浓度且受溶解氧传递控制的情况下，第三类微生物将占优势，从而将影响污泥的沉降性能[10]。底物浓度S(负值)0比增长速率/μ(正值)123S*图3不同微生物的竞争Fig.3Differentmicrobialcompetition饥饿假说可以合理地解释间歇活性污泥系统中污泥不发生膨胀的原因。生长缓慢丝状菌由于在高浓度下低的生长速率而被控制。生长迅速的丝状菌在内源代谢期间显著地减少了丝状菌的长度和活性而被控制。4污泥膨胀的影响因素活性污泥膨胀的诱因很多，从目前的研究成果来看，主要包括以下几个影响因素。废水水质成分的影响。(1)有机物类型。废水中碳源有机物含量多且以糖类为主时，容易发生污泥膨胀。因为在该种环境之下，导致丝状菌污泥膨胀的微生物如球衣菌属、蜡状芽孢杆菌、白地菌等不仅能直接利用单糖物质进行繁殖，而且能较容易地将这些糖类碳水化合物代谢，分泌出高粘性多糖类物质，从而导致非丝状菌性污泥膨胀。此外，废水中可溶性有机物含量过多和悬浮固体含量较低时也容易发生污泥膨胀。这是因为活性污泥中的丝状菌与其他游离细菌相比，对高分子物质的水解能力弱，难于吸收不溶性物质。活性污泥微生物易于利用这些可溶性糖类物质产生更多的高粘性多糖类物质，也会导致非丝状菌性污泥膨胀。(2)营养物质的缺乏。活性污泥微生物的正常生长除了需要碳源外，还需要氮、磷等营养物质。这些营养物质之间有适当的比例，通常认为N、P在污水中的合理比例是BOD5∶N∶P=100∶5∶1。当废水中N、P含量较低时容易发生污泥膨胀。这主要有两方面的原因。一方面是当碳源相对较多时，糖类物质相应就较多，代谢产物多糖类高粘性物质就较多，从而易于发生非丝状菌性污泥膨胀。另一方面是因为活性污泥中丝状菌相对其他微生物来说要大，其摄取底物的能力较强。故当N、P含量得不到满足时，活性污泥中其他微生物会逐渐衰退死亡，而丝状菌则能正常生长，进而使菌胶团细菌和丝状菌的比例失衡，昀终引起丝状菌性污泥膨胀[11]。(3)金属元素和毒性物质。微生物的正常代谢不仅需要充足的营养元素，还需有一定的微量金属元素。这些微量金属元素对微生物的生长具有电子传递、调节渗透压等多方面功能。缺乏这些元素就会限制微生物的正常生长，导致丝状菌的大量生长而诱发丝状菌污泥膨胀。同理，废水中含有有毒物质和重金属时也会引起污泥膨胀；硫化氢，若污水中硫化物含量偏高，容易引起诸如硫化菌、021N型菌、贝氏硫化菌等硫代谢丝状菌的过量增殖，致使引发污泥膨胀[12]。(4)水温的影响：温度是影响微生物新陈代谢的重要因素之一，每种微生物都有各自的适宜生长温度。在适宜生长温度下，其繁殖旺盛，竞争力强。反之，则会生长不良甚至衰退死亡。如：球衣菌的适宜生长温度在30℃左右。丝硫菌、贝氏硫细菌的适宜生长温度在30~36℃之间。一般而言，在低温、高负荷情况下，可能发生非丝状性污泥膨胀。这主要是因为温度较低时，污水中微生物代谢速度较慢，来不及将有机物完全氧化消耗，从而会积贮起大量高粘性的多糖类物质。Knoop[13]等通过观察M．parvicclla细菌在5℃、12℃和20℃下的生长情况，认为低温有利于丝状菌的生长。Daigger等人的研究同样表明，丝状菌膨胀对温度具有敏感性，在其它条件等同的情况下，10℃时产生严重的污泥膨胀现象；将反应器温度提高到22℃，不再产生污泥膨胀。这也是大多数活性污泥在冬季时会产生污泥膨胀或者污泥膨胀更加严重的原因之一。(5)溶解氧的影响。研究表明，曝气池中若溶解氧浓度太低容易发生污泥膨胀，这是因为，虽然丝状菌也是好氧性微生物，但因其具有较长的菌丝，比表面积大，对溶解