低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法的发现

低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法的发现、提出及理论基础作者：彭永臻等低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法的发现、提出及理论基础摘要：预防和控制污泥膨胀一直是国内外研究的热点和难点，但目前尚未出现利用丝状菌特性、针对利用丝状菌污泥膨胀的节能理论与方法的研究。实际的污水处理厂运行结果表明，供氧不足引起了污泥膨胀，但并没有导致污泥流失，相反出水水质有所改善，出水COD、SS和TP的去除率得到了提高，基于此提出了低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法。在阐述低溶解氧污泥微膨胀节能方法的发现和提出的基础上，对低溶解氧引发丝状菌适度生长、丝状菌和微膨胀在提高出水水质的重要作用，及利用低溶解氧微膨胀来节能的机制进行了理论分析。并对低溶解氧污泥微膨胀节能理论和方法的应用和研究方向进行了展望。国内外95%以上的城市污水和50%左右的工业废水采用活性污泥法处理。污泥膨胀是活性污泥法问世以来在运行管理中一直困扰人们的难题之一，不仅发生率高，而且普遍存在。如何控制和预防污泥膨胀成了国内外研究的热点和难点。迄今为止，国外对污泥膨胀的机制、控制与预防进行了大量深入的研究，这些研究主要集中在丝状菌的分离与鉴定上，目前已经鉴别出了存在于不同条件下的各种优势丝状菌，并对各种丝状菌形态和生理特性进行了大量研究，认识到了丝状菌在活性污泥絮体的组成、结构和形态上发挥了重要作用，提出了低溶解氧导致丝状菌增殖的理论解释，以及大量的关于污泥膨胀的控制与预防和数学模型的研究。由于活性污泥膨胀长期困扰污水处理厂的稳定运行，国内对此也投入了大量的研究，研究方向和国外的大致相同，多集中污泥膨胀的预防与控制等方面。但是到目前为止国内外还尚未出现利用丝状菌生理生态特性、针对利用丝状菌污泥膨胀的节能理论与方法的报道。本课题组在长期研究污泥膨胀控制与防治的过程中，发现很多污水处理厂由于供氧不足引起了污泥膨胀，但并没有导致污泥流失，相反出水水质有所改善。并基于对污水处理厂运行情况的实际考察，提出了低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法。本研究在介绍低溶解氧污泥微膨胀节能方法的发现和提出的基础上，对低溶解氧引发丝状菌适度生长、丝状菌和微膨胀在提高出水水质的重要作用，及利用低溶解氧微膨胀来节能的机制进行了理论分析，并对该方法的进一步研究和应用进行了展望。1低溶解氧污泥微膨胀节能方法的发现北京市某污水处理厂承担着北京市总计86km2流域范围内的污水治理，服务人口48万，占地24hm2，设计水量为20万m3/d。该厂采用氧化沟工艺，污水经格栅、沉砂池预处理，先后进入厌氧选择池和氧化沟进行二级处理，氧化沟处理后的混合液经二沉池沉淀后上清液排放。该污水厂主要工艺参数为：污泥龄控制在16d左右；回流比为100%～120%；污泥浓度在4000～6000mg/L；BOD污泥负荷0103～0112kgP(kg•d)；水力停留时间17h左右。自2000年运行以来，处理效果稳定，出水水质很好，活性污泥沉降性能较好。但是在2002年冬天，曾因曝气设备发生故障，致使曝气池内溶解氧浓度降低，发生了丝状菌污泥膨胀，并持续了半年。对发生污泥膨胀前后的运行数据和污水处理效率进行分析，在低溶解氧条件下发生丝状菌污泥膨胀后，处理出水水质良好，对污染物的处理能力并没有下降。膨胀前后污水处理厂的运行情况对比具体可见表1。污泥膨胀前后的处理出水水质变化不大，出水仍可达标排放。膨胀期间TP的去除率大大提高，由原来的48.9%提高到76.6%。氨氮去除率降低主要是为了提高曝气池内的DO浓度，人为加大排泥量，降低了曝气池内的MLSS浓度所致。此外，需强调的是丝状菌污泥膨胀期间，二沉池出水非常清澈。发生污泥膨胀后，除了考察出水水质外，另一个关键问题在于是否会出现污泥流失的问题，其关系到曝气池能否维持原有污泥浓度，能否保证处理系统稳定运行。实际的运行情况表明，污泥膨胀本身只是使污泥的沉降性能变差，并没有发生污泥流失的现象，曝气池内污泥浓度维持在4000～6000mg/L，SVI大多在200mL/g左右。膨胀期间的SV、SVI、MLSS变化情况如图1所示。表1污泥膨胀期间和污泥沉降性能良好时污染物的去除效率Table1Pollutantsremovalefficienciesbeforeandduringsludgebulking项目去除率污泥沉降性良好期间平均值P%整个污泥膨胀期间平均值(6个月)P%污泥膨胀较严重期间平均值(1个月)P%COD90.490.790.7BOD594.894.695.1SS9394.495.1TN7568.875.7TP48.976.685.4NH+4-N96.390.691.2图1北京某污水处理厂发生污泥膨胀期间SVI、SV和MLSS的变化Fig.1VariationsofSVI，SVandMLSSduringbulkinginaWWTP除此，该方法在重庆市忠县州屏污水处理厂实际运行中得到了进一步的验证。该污水处理厂采用改良APO(anoxicPaerobic，缺氧P好氧)氧化沟工艺，为降低曝气能耗，特意将3台表面曝气机曝气减少为2台表面曝气机曝气，曝气池内DO浓度由原来的210mg/L降低到015～018mg/L之间，发生了丝状菌污泥微膨胀。但是对比发现，日耗电量节省了20%，总氮去除率从45%增加到75%，总磷、COD、BOD去除率仍然维持原来水平。基于对上述实际污水处理厂的生产实践，发现低溶解氧引起了污泥膨胀，污泥膨胀程度轻微，没有导致二沉池内污泥流失，而且出水水质得到了一定改善，并达到了节能效果。在此基础上提出了低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法。2低溶解氧污泥微膨胀节能方法的提出活性污泥法污水处理系统在低溶解氧运行下，会导致丝状菌污泥膨胀的发生。若能保证其它运行和环境条件正常，单纯由低溶解氧引发的污泥膨胀，发生速度很慢，膨胀的程度也有限。低溶解氧活性污泥微膨胀节能方法是调整系统在低氧条件下运行，人为地促使丝状菌适量生长，调节其余参数在正常的范围内，并控制丝状菌增殖程度不影响沉淀池中的泥水分离。由于丝状菌延长的丝和较大的比表面积，具有较强的降解低浓度底物的能力，且能够形成网状污泥，更好地网捕水中细小的悬浮物。与正常溶解氧控制条件下的出水相比，不仅提高了对悬浮物的去除能力、得到更清澈的出水，同时由于大大节约了供氧量，从而也达到节能的目的。低溶解氧污泥微膨胀从膨胀程度、引发因素、SVI范围、是否节能等几方面有别于经常发生的较为严重的污泥膨胀(表2)，其主要区别在于污泥微膨胀是由单一的低DO引发的，膨胀程度轻微，SVI能维持在一定范围内(150～250mL/g)。二者最大的区别在于由低溶解氧引起的污泥微膨胀意味着污水的节能处理。表2污泥微膨胀与较严重污泥膨胀的区别Table2Differencesbetweenlimitedfilamentousbulkingandseriousfilamentousbulking项目污泥微膨胀较严重的污泥膨胀膨胀程度轻微严重SVI/mL•g-1150～250250是否引起污泥流失不会经常引发因素主要是低DO众多因素：过高或过低负荷、低DO、低pH、低温度、冲击负荷、水质等出水情况COD和SS去除率提高，其余指标去除率可保持不变污泥流失导致出水水质恶化是否节能节能不节能3低溶解氧污泥微膨胀节能方法的理论基础3.1低溶解氧下丝状菌适度生长的理论解释根据Chudoba等提出的动力选择性理论，活性污泥中存在菌胶团细菌和丝状菌两类不同的微生物。无论是丝状菌，还是菌胶团细菌的生长都需要氧，溶解氧是它们代谢活动过程中的基质，当曝气池内溶解氧不足时(即低溶解氧)，溶解氧就成为微生物生长的限制性基质。由于丝状菌具有较低的氧饱和常数Ks和最大比生长速率μmax值，在低溶解氧浓度条件下，具有相对较高的生长速率，从而具有竞争优势。另外，丝状菌还具有比表面积大的特点，结合扩散选择理论，在低溶解氧条件下，丝状菌将充分利用其生理和生态特性快速繁殖。综上，低溶解氧条件容易引发丝状菌污泥膨胀。但是，对于低溶解氧是否会引起严重的污泥膨胀目前没有从理论层面进行过深入的探讨。从本课题组前期进行的大量试验和其他学者的研究报道看，单纯地靠低溶解氧不会导致恶性的污泥膨胀。目前，很多学者已建立了关于污泥膨胀的数学模型。Cenens等建立了基于动力学选择的污泥膨胀数学模型，该模型指出，如果不考虑丝状菌的骨架作用，仅仅靠丝状菌和菌胶团菌在底物竞争中的差异不会出现二者共存的现象。3.2丝状菌及微膨胀在提高出水水质中的重要作用3.2.1较高的COD去除率微生物的比净增长速率由下式(1)确定：μ=Y(μmaxS/Ks+S)-Kd(1)式中，μ、μmax分别为微生物的实际和最大比生长速率(d-1)，Ks为半饱和常数，即当μ=μmax，P2时的底物浓度(mg/L)，S为底物浓度，包括DO浓度(mg/L)，Kd为微生物的衰减系数(d-1)，Y为微生物产率系数(kg/kg)。按照式(1)可得处于稳态条件下的最小基质浓度(Smin)的表达式：Smin=Kd•KsP(Yμmax-Kd)(2)在丝状菌与菌胶团菌共生的系统中，由于丝状菌具有较低的Ks和μmax，则其Smin值较小，因而丝状菌的存在保证获得低浓度的出水水质，从而保证净化效率。此外，根据动力学选择理论，丝状菌和菌胶团菌是2种不同类型的微生物，如图2所示。当底物浓度低于S0时，丝状菌的比增长速率(μ1)高于菌胶团菌比增长速率(μ2)，而微生物比增长速率与底物比降解速率成正比，如下式所示：μ1=Y1v1(3)μ2=Y2v2(4)式中，v1和v2分别为丝状菌和菌胶团菌对应的底物比降解速率，Y1和Y2分别是丝状菌和菌胶团菌的产率系数；将式(3)和(4)做比例，可以得出v1/v2=(*μ1Y2/μ2Y1)，由于Y2Y1，μ1μ2，可推知v1v2，即在低浓度底物条件下，丝状菌对应的底物比降解速率高于菌胶团菌对应的底物比降解速率。图22种微生物在不同底物浓度下的选择性竞争Fig.2Competitionoftwokindsofmicroorganismatdifferentsubstrateconcentration3.2.2较高的SS去除率菌胶团和丝状菌在竞争中出现严重失衡，将会对污水处理厂的正常运行带来不良影响。如果污水处理系统中菌胶团占绝对优势而丝状菌几乎不存在时，会出现由于丝状菌过少而缺少骨架作用导致的“针状污泥”(pin2pointsludge)，这种污泥絮体小，虽然污泥沉降性好，但是出水的SS和浊度会严重升高；如果系统中丝状菌繁殖过多，虽然出水的SS和浊度会明显降低，但污泥的沉降性会大大降低，出现严重的污泥膨胀会导致二沉池内污泥的流失，甚至整个处理系统将会崩溃。而适宜数量的丝状菌形成的污泥絮体网状结构在沉淀过程中对上升水流起到过滤作用，并吸附和截流水中细小颗粒物和游离细菌，又可保持良好的沉降性能，从而产生清澈的出水水质。3.2.3较高的脱氮除磷效率采用低溶解氧污泥微膨胀方法不但不会造成系统COD和SS去除率的下降，反而会提高它们的去除率。但对于脱氮除磷系统来说，低溶解氧运行下系统的脱氮除磷效果会不会恶化更值得关注。对于脱氮系统，溶解氧作为氨氧化菌(AOB)和亚硝酸氧化菌(NOB)的反应底物，其值的高低严重影响硝化速率的大小。如果溶解氧过低，则硝化反应速率将会变慢，会导致一定的水力停留时间内硝化反应不能完全进行，出水氨氮浓度将会升高。系统长期地在低溶解氧下运行，可能出现亚硝酸氧化菌增长缓慢而逐渐从系统中淘洗出去。近几年许多研究表明，在较低的溶解氧条件下系统仍然能够维持较好的硝化效果，而且容易出现亚硝酸氮的积累，从而实现短程硝化。Hanaki等的研究结果表明，当溶解氧浓度低于015mg/L时，反应器中氨氧化菌的氨氧化速率并未受到影响。相反，反硝化过程应该在严格的缺氧条件下进行，如果缺氧区存在分子态氧气，则系统的反硝化效果将会恶化。对于APO工艺，如果好氧区的溶解氧浓度过高，则硝化回流液中的溶解氧势必会破坏系统首端缺氧环境，从而导致反硝化效果的恶化，出水的硝态氮浓度升高。因此，要想得较