什么是活性污泥膨胀 活性污泥膨胀机理及控制方法的研究

活性污泥膨胀机理及控制方法的研究 苏州市排水管理处 王健 吴巍刚 摘要：阐述了污泥膨胀的定义，类型。着重探讨了污泥膨胀的诱发机理及引起污泥膨胀的主要原因，并从工艺设计、工艺运行和应急措施三方面综述了污泥膨胀的控制措施。为污泥膨胀的预防和控制提供了参考依据。 关键字：污泥膨胀 丝状菌 SVI ABSTRACT：The paper elaborated the sludge bulking definition,Type. The major reason of having discussed sludge bulking emphatically that pings out mechanism and arouses sludge bulking is

designed from technology , technology operation and emergency measure 3 aspect has summarized the control measure of sludge bulking. Have offered to refer to basis for control and the prevention of sludge bulking. Keywords：sludge bulking；filamentous organism；SVI 1 前言 正常的活性污泥沉降性能良好，其污泥体积指数SVI在50～150之间，当活性污泥不正常时，污泥就不易沉淀，SVI 值升高，甚至高达400 以上。混合液在1000ml量筒中沉淀30min后，污泥体积膨胀，上层澄清液减少，这种现象称为活性污泥膨胀[1]。污泥膨胀如不及时加以控制，就会使系统中的污泥越来越少，从根本上破坏曝气池的运行。因此解决污泥膨胀问题对废水生物处理极为重要。 2 污泥膨胀的类型 污泥膨胀成因的解释很多，一般分为丝状菌性膨胀和非丝状菌性膨胀。其中丝状菌性膨胀是经常发生和最主要的一类膨胀。 2。1 丝状菌性膨胀 丝状菌膨胀是污泥中的丝状菌过度繁殖的结果。正常的活性污泥是絮体状物质，是菌胶团细菌和丝状菌的共生系统。当丝状菌生长超过菌胶团细菌时，会产生污泥膨胀。研究表明，污水水质是造成污泥膨胀的最主要因素。当废水中含溶解性碳水化合物时易发生由浮游球衣细菌引起的丝状膨胀；含硫化物高的废水易发生由硫细菌引起的丝状膨胀[2]。污水的水温和pH 值及工艺方法也对污泥膨胀有明显的影响。如完全混合的工艺方法比传统的推流式较易发生污泥膨胀，而间歇运行的曝气池最不易发生污泥膨胀；不设初沉池的活性污泥法不容易发生污泥膨胀。 目前已鉴别出能引起活性污泥膨胀的丝状菌大约有30种，但与污泥膨胀密切相关的丝状菌只有十几种如微丝菌，软发菌，诺卡氏菌，浮游球衣细菌（1701型，0092型，0961型，0041型，0803型），发硫菌（921N型）等[3]。 2．2 非丝状菌性膨胀 非丝状菌膨胀指菌胶团细菌本身生理活动异常产生的膨胀，发生在污水水温较低而且污泥负荷太高时。细菌很快将大量有机物吸入体内，又不能进行新陈代谢，就积储了大量高粘度的多糖类物质，这些物质分子含羟基而具亲水性，使得活性污泥的结合水高达400％，成粘性凝胶状，无法在二沉池中分离。 经研究，非丝状菌性膨胀污泥含有大量的表面附着水，细菌外面包有粘度极高的粘性物质，这种粘性物质是由葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖、脱氧核糖等形成的多糖类。 3 污泥膨胀诱发机理 对其污泥膨胀诱发机理，目前还存在不同看法。Cbiesa根据污水中不可降解基质和微生物衰减系数对微生物生长速率的影响，提出了污泥膨胀的饥饿假说理论，指出活性污泥中有三种不同的微生物种群：一是生长速度快的菌胶团污泥絮凝微生物；二是具有高基质亲和力生长缓慢的耐饥饿丝状微生物；三是对溶解氧具有亲和力、对饥饿高度敏感的快速生长的丝状菌。在低基质浓度条件下，耐饥饿丝状微生物占优势；当有机质在特定浓度以上时，只要氧传递不受限制，菌胶团微生物占优势；在高基质且受溶解氧限制情况下，快速生长的丝状菌占优势，影响污泥的

沉淀性能，从而产生了污泥膨胀[4]。丝状菌和菌胶团细菌的性能对比见表1[4]。另有理论认为，低底物浓度下，具有较低KS（饱和常数）和Umax（最大比增长速率）的丝状菌生长速率较高。见图1[3]。 性质 菌胶团细菌 参考值 丝状菌 参考值 最大生长速率 高 4. 4d - 1 低 0.3d - 1 基质亲合力 低 64mg / L 高 40mg / L DO 亲合力 低 0. 1mg / L 高 0. 027mg / L 内源代谢率（Kd） 高 0. 012d - 1 低 0. 010d - 1 产率系数（Y） 高 0. 153g / g 低 0. 139g / g 表1 丝状菌和菌胶团细菌的性能对比 图1 丝状菌与菌胶团菌的选择性竞争曲线 从生态学看，活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌等共同构成一个共生的微生物生态体系，菌胶团和丝状菌是共生关系，均具有净化功能，其中丝状菌作为菌胶团细菌生长的支撑，起“骨架”的作用。当菌胶团细菌和丝状菌的生长达到一种平衡时，微生物间共生关系占主导地位，不发生污泥膨胀；在条件恶化时，竞争关系成为主导，菌胶团细菌受抑制，适应性强的丝状菌大量繁殖，引发污泥膨胀。 关于丝状菌在液体培养中增殖形态的研究表明，能否引起污泥膨胀主要取决于发芽期孢子的举动。有些丝状菌在液体培养中，还没有发芽的孢子被刚发芽的丝状菌菌丝缠绕凝集在一起，菌丝分枝伸长，在通风搅拌下，慢慢变大，逐渐形成菌球体。这种菌球体由外向里越来越疏松，其核心部分成高度空白，有时可以观察到退化的细胞和孢子座的存在。在这种情况下多数丝状菌不发生污泥膨胀。有些丝状菌在发芽时期，孢子没有凝集作用，即孢子大多是一个一个地零散地发芽，当袍子量少时，菌丝一个一个地自身缠绕可成长为菌球体，原则上一个孢子生成一个菌球体，不会引起膨胀，但若孢子量多时，发芽的菌丝重复分枝伸长，并编织成网眼状，形成菌丝状生长态，则引起污泥膨胀[5]。 除了基质浓度外，不同的水质条件（如水温、酸度、营养物浓度等）也可导致丝状菌大量繁殖而产生污泥膨胀。近年来发现痕量金属缺乏可导致菌胶团微生物的代谢困难，诱发污泥膨胀。 4 引起污泥膨胀的主要原因 从目前的研究情况来看，活性污泥膨胀主要与以下因素有关： 4．1 废水水质的影响 4．1．1 污水种类 废水水质对污泥膨胀有明显影响，一般认为污水中悬浮固体少，而溶解性和易降解的有机物组分较多，特别是含低分子量的烃类、糖类和有机酸等类型基质的污水容易发生非丝状菌性污泥膨胀，例如啤酒、食品、乳品、石化、造纸等废水。 4．1．2 营养成分 有研究认为，污水中的碳、氮、磷的比例对发生丝状膨胀影响很大，氮和磷不足都易发生丝状膨胀.但有的研究结果表明，恰恰是含氮太高促使了污泥膨胀，在实验室的研究也表明，如以葡萄糖和牛肉膏为主配制人工污水进行实验，则不论碳、氮、磷的比例是高或低，都会产生及其严重的污泥膨胀。 4．1．3 pH值 活性污泥是一个动态的微生态系统，其中不同种属的微生物对pH值有不同的适宜范围.丝状细菌宜在酸性环境（pH值为4.5~6.5）中生长，活性污泥的菌胶团宜在pH为6~8的环境中生长。在pH值≤5的情况下，易引起真菌繁殖而造成污泥膨胀。另外，污水在下水管道、初沉池等贮存设施中，停留时间过长，发生早期消化，使pH值下降，产生利于丝状菌摄取的低分子溶解性有机物和H2S，导致污泥膨胀。 4．2 溶解氧浓度的影响 溶解氧(DO)是影响污泥膨胀的另一个重要因素，污水厂在实际运行中由于DO的原因而引起的污泥膨胀也比较常见。国外有不少关于DO对污泥膨胀影响的研究报道，但得出的结论也不尽一致。例如，Sezgin等人的研究发现，曝气池混合液中DO浓度小于1.0mg / L时会引起污泥膨胀，德国研

究小组则认为曝气池中DO浓度小于2.0mg/L时就会导致污泥膨胀。Benefield等人报道高DO会引起污泥膨胀[4]。Palm等人的研究结果表明，引起污泥膨胀的DO临界值与污泥负荷有关，如诺卡氏菌的适合生长条件是DO≥0.9mg / L，污泥负荷（COD / MLSS）= 0.10～0.28kg /（kg·d），从表2可以看出，在高污泥负荷下，“安全”DO值较高[6]。 污泥负荷（kg /（kg·d）） DO（mg / L） 0. 3 1. 0 0. 5 2. 0 0. 75 3. 0 0. 9

4. 0 表2 污泥负荷与DO “安全”浓度的关 4．3 污泥负荷的影响 污泥负荷是影响污泥膨胀最重要的因素之一，各国的研究者对此做了大量的研究，但研究结果却并不一致，有的甚至矛盾。Pipes调查研究了32个活性污泥处理厂，发现合适的污泥负荷在0.25～0.45kgCOD / kgMLSS·d范围内，低于或高于这个范围会导致高的SVI值。Chao和Keinath在研究中发现，负荷在0.6～1.3gCOD / gMLSS·d和大于1.8gCOD / gMLSS·d范围内易发生膨胀。德国一个研究小组经过多年的调查研究指出，在完全混合式曝气池中比较频繁地出现污泥膨胀问题，此时其污泥负荷小于0.05kgCOD / kgMLSS·d；而在推流式曝气池中当污泥负荷超过0.5kgCOD / kgMLSS·d时才出现污泥膨胀问题[2]。 4．4 工艺方法的影响 研究和调查表明，完全混合的工艺方法比传统的推流方式较易发生污泥膨胀，而间歇运行的曝气池最不容易发生污泥膨胀；不设初次沉淀池（设有沉砂池）的活性污泥法，SVI值较低，不容易发生污泥膨胀；叶轮式机械曝气与鼓风曝气相比，易于发生丝状菌性膨胀。射流曝气的供氧方式可以有效的克服浮游球衣菌引起的污泥膨胀。 5 污泥膨胀的控制措施 污水处理厂如发生污泥膨胀，可针对膨胀的类型和丝状菌的特性，采取一些抑制的措施，其控制措施大体上可分为三类：一类是临时应急控制措施；第二类是工艺设计控制措施；第三类是工艺运行控制措施。 5．1 临时应急控制措施 5．1．1 投加混凝剂 目前，用于改善活性污泥沉降性能的凝聚剂有石灰、铁或亚铁和铝盐等。投加高岭土、碳酸钙、氢氧化钙等也可以提高污泥的压密性来改善污泥的沉降性能[7]。例如，向曝气池中投加FeCl2能有效控制污泥膨胀；投加滑石粉能很好地改善污泥沉降性能，使SVI从850 mL / g 迅速降低至250 mL / g，并逐渐稳定在100～150 mL / g 范围内。 5．1．2 投加化学药剂 可以向发生丝状菌膨胀的污泥投加化学药剂，来杀灭或抑止丝状菌，从而达到控制 污泥膨胀的目的。最常用的化学药剂是氯气，通常向回流污泥中投加，投加量一般为2～10 kg Cl2 / 1000kg干污泥。此外，投加臭氧、过氧化氢（H2O2）也能起到破坏丝状菌改善污泥沉降性能的作用。 5．2 工艺设计控制措施 在污泥膨胀的控制中，采取必要的控制手段解决污泥膨胀固然十分重要，但更重要的是在工艺设计阶段就防止污泥膨胀的发生，为此我们可以采取以下一些方法： （1）减少城市污水厂的初沉池或取消初沉池，增加进入曝气池的污水中悬浮物，可使曝气池中污泥浓度明显增加，污泥沉降性能改善； （2）为避免污水早期消化，可采取适当措施，如使下水道具有合适的坡度以防止污水长时间停留；调节池、沉砂池水力停留时间不宜过长等。 （3）对于现有的容易发生污泥严重膨胀的污水厂，可以在曝气池的前面部分补充设置足够的填料。这样，既降低了曝气池的污泥负荷，又改变了进入后面部分曝气池的水质，可以有效的克服活性污泥膨胀。 （4）在曝气池前端通过设置高负荷接触区（也称生物选择器），池中混合液呈推流状态，形成一个明显的底物浓度梯度来克服污泥膨胀[8]。选择器可分为好氧选择器、缺氧选择器和厌

氧选择器等形式。PrendlL等人对制糖和造纸废水的实验研究证明，好氧选择器可以有效地控制021N型、0041型和1701型丝状菌的生长，数十天后污泥SVI可从300～600mL / g降为60～90mL / g。 （5）采用对污泥膨胀有控制作用的工艺。大量实践表明，SBR 工艺与活性污泥法其它工艺相比是一种不易发生污泥膨胀的工艺。SBR 工艺的特点是间歇进水，在底物降解过程中反应器内底物浓度随时间逐渐降低，具有理想的推流状态，在反应开始出现的高基质浓度实际上起到了生物选择器的作用，因此丝状菌不易形成优势而发生污泥膨胀。 （6）设置调节池，对进水水质、水量进行均衡，使曝气池的负荷保持在一个比较稳定的范围内，这可在一定程度上防止污泥膨胀的发生。 5．3 工艺运行控制措施 污水厂在运行中发生污泥膨胀时, 如果查明膨胀的原因是由于运行工艺不合理所致, 可以调整运行参数来控制污泥膨胀。 （1）污水厂由于曝气池中溶解氧浓度过低而引起低溶解氧膨胀，可以加大曝气量或在推流式曝气池中合理分配曝气量（前端增加，后端降低），使曝气池内保持合适的溶解氧浓度来控制丝状菌膨胀。在试验研究中发现，对于低溶解氧污泥膨胀的发生，通过提高溶解氧浓度至3.4 mg / L 运行一段时间，污泥膨胀就能得到有效控制[9]，如图2所示。如果污水厂运行稳定，则使曝气池中保持适量的溶解氧（不低于1～2 mg / L，不超过4 mg / L）就能有效的防止污泥膨胀[3]。 图2 高DO下SVI 值的变化 （2）在日常维护管理过程中，定期测定碳、氮、磷浓度，以检验其比例是否合理。若比例不当，可适当补充营养元素，缺氮时可从污泥消化池中回流上清液。 （3）改变污水的进水方式，将连续进水改为间歇进水可控制浮游球衣细菌引起的污泥膨胀。这是因为从进水时高底物浓度到停止进水时的低底物浓度之间存在时间上的浓度梯度，有利于抑止丝状菌的生长。 （4）城市污水厂的污水在经过沉砂池后，跳越初沉池，直接进入曝气池。 （5）沉淀池及时排泥，以避免污水的早期消化，对已产生消化的污水进行预曝气等。 （6）在污泥负荷提升时发生污泥膨胀，采取阶段性波浪式的负荷提高方式，将负荷提升后，适当回调，维持一段时间，使污泥逐步适应，然后再进行负荷提升。 6 结语 污泥膨胀是一个相当复杂的问题，它的多发性、普遍性及危害严重性使人们一直在持续不断地研究与实践污泥膨胀控制技术。虽然十多年来各国在理论和实用控制技术上取得了很多成果，但目前有关污泥膨胀的理论还不完善，所以，我们还需要进一步加强污泥膨胀机理的研究，在此基础上制定出一套经济有效的污泥膨胀控制技术。 参考文献 [1] 高延耀，顾国维编.水污染控制工程.第二版[M].北京:高等教育出版社，1999 [2] 刘寒，李旭等.活性污泥膨胀的机理与控制[J].后勤工程学院学报，2004，(2):88～91 [3] 周利，李丽等.活性污泥法中引起丝状菌污泥膨胀的因素[J].青岛建筑工程学院学报，2005，26(2):50～54 [4] 周利，彭永臻等.丝状菌污泥膨胀机理与控制方法[J].苏州科技学院学报(工程技术版)，2005，18(2):43~47 [5] 杨柳燕编.环境微生物工程[M].南京:南京大学出版社，1998 [6] 李宇庆，赵建夫，陈玲.污泥膨胀及其控制技术研究[J].贵州环保科技，2004，(4):11~12 [7] 张 艳.活性污泥法应用中的问题与对策[J].节能环保技术，2004，(5):22~26 [8] 张凤君，赵芝清等.膜生物反应器中污泥膨胀和腐败研究[J].环境污染治理技术与设备，2005，6(6):32~36 [9] 张志峰，孔建成等.绍兴污水处理厂一期工程污泥膨服控制对策[J].工业给排水，2005，7(31):47~51