生化系统污泥上浮和沉淀池中污泥膨胀成因及检测与控制secret

生化系统活性污泥上浮和沉淀池中污泥膨胀成因及检测与控制摘要：从活性污泥上浮、膨胀的原因着手，探讨生化系统中污泥活性抑制、污泥上浮检测与控制及控制沉淀池中污泥膨胀的手段。关键词：活性污泥污泥上浮丝状菌污泥膨胀检测控制选择器活性污泥工艺引言：在采用活性污泥法处理废水的运行过程中，有多种原因可引起生化体统（曝气池）中污泥活性受到抑制，导致生化系统中污泥上浮和沉淀池中污泥膨胀，从而使有机物的去除率下降。污泥膨胀、上浮的问题是活性污泥自产生以来一直伴随并常常发生的一个棘手的问题。其主要特征是：污泥结构松散，质量变轻，体积膨大，沉淀压缩性能差；SV值增大，有时达到90%，SVI达到400以上；大量污泥流失，出水浑浊；二次沉淀池难以固液分离，回流污泥浓度低，有时还伴随大量的泡沫的产生，无法维持生化处理的正常工作。污泥膨胀、上浮是生化处理系统较为严重的异常现象之一，它直接影响出水水质，并危害整个生化系统的运作。生化池（曝气池）中污泥活性一旦受到抑制，就会导致微生物性质和类群的改变、有机底物的去除率下降。有些微生物（如丝状菌）的过量增长会形成泡沫或浮渣，运行时机械应力、挟裹气泡等均会使活性污泥的比重降低而上浮飘走，流入二沉池会引起二沉池污泥膨胀，不仅增加了出水中的悬浮固体量，而且会大大降低生物反应系统（曝气池）中活性污泥的活性和数量。污泥膨胀的发生率是相当高的，在欧洲近50%的城市污水厂每年都会有不同程度的污泥膨胀发生，在我国的发生率也非常高。基本上目前各种类型的活性污泥工艺都会发生污泥膨胀。污泥膨胀不但发生率高，发生普遍，而且一旦发生难以控制，通常都需要很长的时间来调整。针对污泥膨胀、污泥上浮及生化体统中污泥活性受抑制，各方面的理论很多，但并不完全一致。本文在阅读大量文献基础上，对导致活性污泥活性抑制与膨胀、上浮的原因、检测方法和控制技术进行了讨论，整理出几种较为成熟且有普遍意义的观点，并归纳如下。1引起活性污泥上浮的主要因素1.1进水水质1.1.1过量的表面活性物质和油脂类化合物这类物质可以影响细胞质膜的稳定性和通透性，使细胞的某些必要成分流失而导致微生物生长停滞和死亡。当曝气池进水中含有大量这类物质时，会产生大量泡沫（气泡），这些气泡很容易附聚在菌胶团上，使活性污泥的比重降低而上浮。另外，当进水含油脂量过高时，经过曝气与混合，油脂会附聚在菌胶团表面，使细菌缺氧死亡，导致比重降低而上浮[1-3]。1.1.2pH值冲击过高或过低的pH值会影响活性污泥微生物胞外酶及存在于细胞质和细胞壁里酶的催化作用以及微生物对营养物质的吸收。当连续流曝气应池内pH＜4.0或pH＞11.0时，多数情况下活性污泥中微生物活性受到抑制，或失去活性，甚至死亡，以致发生污泥上浮[4]。用SBR法处理啤酒废水和化工废水的实验结果表明：当进水pH值为2.5－5.0和10.0－12.0时，pH值越低（或越高），污泥活性受抑制越严重，上浮污泥量越多。控制低pH值（3.5-7.0）的反应周期内pH值不变，两种废水的活性污泥在pH≤5.5时就开始出现污泥上浮[5-6]。另一方面，随着pH值的增加，由于胞外聚合物（ExtraCelluarPolymer）的电离官能团增加，活性污泥絮凝作用增加（尽管带的负电性增加），但当pH值超过一定范围后，絮凝作用下降。可见，这时的电排斥作用增加，也会造成活性污泥脱絮（悬浮、不絮凝、反絮凝（deflocculation）和上浮[6]。1.1.3盐含量的影响对进水的pH值调整不能消除碱度对活性污泥的影响。对碱性进水调pH值，虽然中和了碱性物质，但产生了盐。盐溶液浓度不同其渗透压也不同，渗透压是影响微生物生存的重要因素之一[7]。如微生物所处的溶液渗透压发生突变，就会导致细胞死亡。1.1.4水温过热组成活性污泥的微生物适合的温度范围一般为15－35℃，超过45℃时会使活性污泥中大部分微生物死亡而上浮（经过长期驯化的或特殊微生物除外）[8]。另外，KlausKriebitzsch等在用SBR工艺测定温度对细胞内酶活性影响的试验中也发现，温度在20、30和40℃时酶活性较好，大于50℃之后，酶的活性明显下降。1.1.5致毒性底物对好氧活性污泥微生物有致毒作用的底物主要包括：含量过高的COD、有机物（酚及其衍生物，醇，醛和某些有机酸等）、硫化物、重金属及卤化物。高底物浓度可与细胞酶活动中心形成稳定的化合物，导致基质不能接近，无法被降解，甚至使细胞中毒死亡。重金属离子进人细胞后主要与酶或蛋白质上的-SH基结合而使之失活或变性。微量的重金属离子还能在细胞内不断积累最终对微生物发生毒害作用（微动作用）。卤化物最常见的是碘和氯，碘不可逆地与菌体蛋白质（或酶）的酪氨酸结合，生成二碘酪氨酸，使菌体失活。氯与水合成次氯酸，其分解产生强氧化剂。而且废水中有机物的突变，使原被驯化好的并能降解有机毒物的微生物减少或消失。1.2工艺运行1.2.1过量曝气微生物处于饥饿状态而引起自身氧化进人衰老期，池中溶解氧浓度（DO）上升；或者由于污泥活性差，曝气叶轮线速度过高，供氧过多。总之，DO上升，短期内污泥活性可能很好，因为新陈代谢快，有机物分解也快，但时间一久，污泥被打得又轻又碎（但无气泡），象雾花片似的飘满沉淀池表面，随水流走。这种污泥色浅，活性差，耗氧速率下降，污泥体积和污泥指数增高，处理效果明显降低。1.2.2缺氧引起的污泥上浮污泥呈灰色，若缺氧过久则呈黑色，并常带有小气泡。1.2.3反硝化引起的污泥上浮当废水中有机氨化合物含量高或氨氮高时，在适宜条件下可被硝酸菌和亚硝酸菌氧化为NO3-，如二沉池积泥或停留时间过长，NO3-还原产生的N2会被活性污泥絮凝体所吸附，使得活性污泥上浮。1.2.4回流量太大引起的污泥上浮回流量突增，会使气水分离不彻底，曝气池中的气泡带到沉淀区上浮，这种污泥呈颗粒状，颜色不变，上翻的方向是从导流区壁直向沉淀区壁成湍流翻动。1.2.5二沉池池底积泥引起的污泥上浮如果二沉池底泥发酵，产生的CO2和H2也会附聚在活性污泥上，使污泥比重降低而上浮。污泥腐化产生CH4、H2S后卜浮，首先是一个个小气泡逸出水面，紧接着有黑色污泥上浮。1.3活性污泥丝状菌过量生长及其控制产生的污泥上浮1.3.1温度与负荷微丝菌（Mocrothrixpatvicella）的最佳生长条件是温度在12－15℃，污泥负荷小于0.1kg/（kg·d）。它的天然疏水性会引起活性污泥的脱水性差，最高为490mL/g。在温度高于20℃后、即使污泥负荷是0.2kg/(kg·d)，M.parvicella也不增值。它打碎成30－80μm的碎片，成浮渣形式而上浮。1.3.2表面活性物质、类脂化合物及机械应力作用引起低负荷膨胀和污泥上浮的最频繁的丝状菌是：微丝菌、0092型、0041型。在进水中表面活性物质和类脂化合物浓度的升高、接种和机械应力也会引起放线菌（Actinomycetes）的增长。Kappeleretal观察到机械应力（如离心泵）损坏紧密的活性污泥絮凝体并导致微丝菌的过量增长[9]。1.3.3过量投加丝状菌抑制剂在曝气池流出槽中注人过氧化氢，数天后，丝状菌就消失，SVI从580mL/g下降至178mL/g。且过氧化氢也有确保曝气池DO和去除H2S臭味的效果。但若加人量太多会引起活性污泥的活性抑制及污泥上浮。2、沉淀池（二次沉淀池）中污泥膨胀原因污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。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，也有可产生膨胀现象。因为若缺氮，微生物便于工作不能充分利用碳源合成细胞物质，过量的碳源将被转弯为多糖类胞外贮存物，这种贮存物是高度亲水型化合物，易形成结合水，从而影响污泥的沉降性能，产生高粘性的污泥膨胀。非丝状菌污泥膨胀发生时其生化处理效能仍较高，出水也还比较清澈，污泥镜检也看不到丝状菌。非丝状菌膨胀发生情况较少，且危害并不十分严重，在这里就不着重研究。丝状菌膨胀在日常实际工作中较为常见，成因也十分复杂。影响丝状菌污泥膨胀的因素有很多，但我们首先应该认识到的是活性污泥是一个混合培养系统，其中至少存在着30种可能引起污泥膨胀的丝状菌。而丝状菌在与活性胶团系统共生的关系中是不可缺少的一类重要微生物。它的存在对净化污水起着很好的作用。它对保持污泥的絮体结构，保持生化处理的净化效率，及在沉淀中起着对悬浮物的过滤作用等都有很重要的意义。事实也证明在丝状菌与菌胶团细菌平衡时是不会产生污泥膨胀，只有当丝状菌生长超过菌胶团细菌时，才会出现污泥膨胀现象。2.1污泥负荷对污泥膨胀的影响一般认为活性污泥中的微生物的增长都是符合Monod方程的：Sμ=μmaxKS+S式中μ----微生物比增长速率，d-1；μ=1/x*dx/dtX----生物体浓度，mg/L；S----生长限制性基质浓度(残留与溶液中的基质浓度)，mg/L；KS-----饱和常数（半速度常数），其值为μ=μmax/2时的基质浓度，mg/L；μmax-----在饱和浓度中微生物的最大比增长速率，d-1研究证明大多数的丝状菌的KS和μmax值比菌胶团的低，所以，按照以上Monond方程，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。同样认为低负荷对于丝状菌生长有利的理论还有表面积/容积比（A/V）假说。这里的表面积和容积，是指活性污泥中微生物的表面积与体积。该假说认为伸展于絮凝体之外的丝状菌的比表面积（A/V）要大大超过菌胶团细菌的比表面积。当微生物处于受基质限制和控制的状态时，比表面积大的丝状菌在取得底物方面要比菌胶团有利，结果在曝气池内丝状菌就变成了优势菌。低负荷易导致污泥膨胀这一观点无论是在实际运行中还是在理论上都有了较为成熟的解释。但在我国，通常生化反应的负荷设计都是较高的，大量污泥膨胀却是在高负荷条件下发生的，这引起了人们对该理论的怀疑。事实上，在高负荷条件下的污泥膨胀往往是由于供氧不足、曝气池内DO浓度降低引起的。我们下面就针对溶解氧DO对于污泥膨胀的影响。2.2溶解氧浓度对污泥膨胀的影响微生物对有机物的降解过程实质上就是对氧的利用过程。溶解氧在活性污泥法的运行中是一个重要的控制参数，曝气池中DO浓度的高低直接影响着有机物的去除效率和活性污泥的生长。低DO浓度一直被认为是引起丝状菌污泥膨胀的主要因素之一。丝状菌由于具有较大的比表面积和较低的氧饱和常数，在低DO浓度下比絮状菌增殖得快，从而导致丝状菌污泥膨胀。根据各方面的研究反应，DO对于污泥膨胀影响的的临界值并不确定。DO浓度的要求是与污泥负荷息息相关的，负荷越高，则对应的临界值就越大。这一值的确定与工艺选择、池型及进水类型都有着密切关系，必须根据实际情况结合实验才可以得出。2.3其它方面对污泥膨胀的影响2.3.1污水种类污水种类对污泥膨胀有着明显的影响。通常来说，那些含有易生物降解和溶解的有机成份，特别是低分子量的烃类、糖类和有机酸类等类型基质的污水易引起污泥膨胀，例如酿酒、乳品、石化和造纸废水等。2.3.2营养成分的不均衡当污水中N、P不足时，易引起污泥膨胀的发生。通常认为，N、P的合适比例为BOD5：N：P=100：5：1。很多研究表明许多丝状菌对营养物质N、P有着较强的亲和力，这可能就是缺乏营养物质导致污泥膨胀的原因。2.3.3pH值与温度一般认为pH偏低易引起丝状菌的大量繁殖。而温度的对丝状菌的影响也是很普遍的。例如，冬天Microthixparvicella在丝状菌群中占优势，而温暖季节时Nocardiaform，0041型或Nostocoidalimnicda较易大量繁殖。另外污水在进水处理系统前的早期厌氧消化产生的有机酸和硫化氢也可能导致污泥膨胀的发生。硫磺菌的的贝氏硫菌、硫丝菌等能从硫化氢氧化中获取能量。而这么细菌以非常长的丝状性增殖，有时能长达1厘米，从而导致污泥膨胀的发生。3、生化体统（曝气池）中污泥活性抑制与上浮的检测