杭州皙全：污泥膨脹的活性污泥法處理廠中，怎樣去除污泥膨脹和生物泡沫的形成
【浙江杭州水處理設(shè)備網(wǎng)www.www.gu-qin.com】1污泥膨脹和生物泡沫的形成及特點
據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生污泥膨脹的活性污泥法處理廠中，約有90%污泥膨脹問題是由于活性污泥中絲狀菌過量生長引起的Sezgin等將絲狀菌膨脹定義為“宏觀結(jié)構(gòu)的失敗，從某種意義上來說，有太大的宏觀結(jié)構(gòu)”即絲狀菌是構(gòu)成活性污泥絮體的骨架，能夠堅持污泥良好的絮體結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)絲狀菌數(shù)量太多時，就會影響污泥的沉降性能和壓縮性能。 水處理設(shè)備關(guān)于污泥膨脹嚴(yán)重水平的判定指標(biāo)主要有以下幾個：1由絲狀菌引起的污泥膨脹，絲狀菌總長大于104m/L;2根據(jù)活性污泥中絲狀菌數(shù)量的多少進(jìn)行分級(如表1所示);3污泥體積指數(shù)(SVI大于150mL/g
生物泡沫經(jīng)常是污泥膨脹發(fā)生后出現(xiàn)的由于絲狀菌的異常生長，其與氣泡、絮狀顆�；旌隙傻呐菽哂蟹�(wěn)定、繼續(xù)、較難控制的特點。實際工程中生物泡沫的嚴(yán)重水平除了根據(jù)SVI和絲狀菌特性進(jìn)行判定外，還可以利用泡沫發(fā)泡指數(shù)(FSI進(jìn)行評估。
隨著鄉(xiāng)村污水廠進(jìn)水中工業(yè)廢水量的增加，越來越多的鄉(xiāng)村污水廠也出現(xiàn)了污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象，而污泥膨脹和生物泡沫一般具有以下三個特點：
1發(fā)生率較高。據(jù)統(tǒng)計，歐洲各國和美國每年分別約有50%和60%鄉(xiāng)村污水處置廠會發(fā)生污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。法國的調(diào)查顯示，6013座污水處置廠中有20%受到泡沫問題的臨時影響。國，大部分鄉(xiāng)村污水處置廠和一些工業(yè)廢水處置廠也存在污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。
2普遍性。污泥膨脹和生物泡沫存在于各種類型的活性污泥處置工藝中，完全混合式工藝中，這些問題尤其突出，而且連最不易發(fā)生污泥膨脹和生物泡沫的間歇曝氣池也可能發(fā)生這種情況。
3處置難度高。污泥膨脹和生物泡沫會使工藝的處置能力下降，情況嚴(yán)重時，會使得污泥流失，出水懸浮物增高，大大影響工藝效果，并且其控制或恢復(fù)需要相當(dāng)長的時間純水設(shè)備。
2活性污泥膨脹中的罕見微生物
2.1污泥膨脹中主要優(yōu)勢微型動物
微型動物在實際污水處置中常被作為反映系統(tǒng)處置性能的指示生物，這主要是因為微型動物自身在污水生物處置系統(tǒng)中占有重要地位，其對周圍環(huán)境變化的敏感性較高，且其檢測方法較為簡便。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要對微型動物與污泥沉降性能的相關(guān)性進(jìn)行研究，認(rèn)為漫游蟲屬(Litonotu斜葉蟲屬(Loxophyllum一些種類數(shù)量與污泥沉降性能存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。陳小剛等采用缺氧–好氧膜生物反應(yīng)器(A/O-MBR組合工藝對系統(tǒng)運行過程中的生物種群結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行期間，污泥絮體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律為緊密–疏松–緊密–出現(xiàn)膨脹，絲狀菌數(shù)量級別隨絮體結(jié)構(gòu)變化逐漸增加到++級”微型動物優(yōu)勢群落也隨之變化，即游動型纖毛蟲—輪蟲—鐘蟲—累枝蟲，其中當(dāng)鐘蟲和累枝蟲成為優(yōu)勢群落時，污泥絮體處于緊密狀態(tài)，隨后出現(xiàn)污泥膨脹。劉娟等對絲狀菌污泥膨脹狀態(tài)下的原生動物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)污泥膨脹狀態(tài)下匍匐型纖毛蟲及有殼類肉足蟲優(yōu)勢明顯，其典型的原生動物為斜管蟲(Chiloclonella小輪毛蟲(Trochiliaminuta和匣殼蟲(Centropyxi
2.2污泥膨脹和發(fā)泡菌群
污泥膨脹和生物泡沫的發(fā)生主要與活性污泥中微生物的種類以及生長情況有關(guān)。有大量研究標(biāo)明，當(dāng)進(jìn)水含硫化物或營養(yǎng)物質(zhì)缺乏時，會引起硫絲菌和貝氏硫絲菌的過度繁殖，而含溶解性碳水化合物高的廢水會引起浮游球衣細(xì)菌的過度增殖，這些都會引發(fā)污泥膨脹�；钚晕勰嘀蟹种岱啪�菌(Mycolata過度繁殖也會造成污泥膨脹和生物泡沫，因為分枝菌酸放線菌的細(xì)胞壁中含有長鏈枝狀的分枝菌酸，造成細(xì)胞外表呈疏水性，而細(xì)胞疏水性正是形成絲狀菌污泥膨脹和生物泡沫的必要條件。另外也有報道認(rèn)為，微絲菌(Microthrixparvicella大量增殖也會引起污泥膨脹和生物泡沫，因為微絲菌在生長繁殖過程中可利用長鏈脂肪酸作為碳源和能源，純水設(shè)備多余的長鏈脂肪酸被富集、貯存在體內(nèi)，這由油脂組成大液珠可以達(dá)到細(xì)胞干重的35%使得活性污泥比重進(jìn)一步降低，更易漂浮到水面形成浮沫。絲狀菌并不是一種特殊的微生物，而是具有絲狀或枝狀特性的微生物的統(tǒng)稱。從實質(zhì)上來說，絲狀菌是具有疏水表面層的與油類的特性相似�？梢愿街杷缘孜锷�，并通過食用它作為食物來源而生長。Eikelboom通過對數(shù)百個污水處置廠的數(shù)千個污泥樣品進(jìn)行了觀察和研究，將所觀察的絲狀菌區(qū)分為26大類，分類依據(jù)包括：1否存在衣鞘和粘液;2否滑行運動;3真分支或假分支;4革蘭氏染色和奈氏染色反應(yīng)的特征;5絲狀體的長短、性質(zhì)和形狀;6細(xì)胞直徑、長短和形狀;7有無胞含體(PHB多聚磷酸鹽和硫粒等)等。根據(jù)以上七個方面的特性分為7個群，如表2所示。
總結(jié)國內(nèi)外膨脹污泥中出現(xiàn)的絲狀微生物，盡管在不同地區(qū)和不同的工藝運行條件下出現(xiàn)的絲狀菌會有所差異，但最頻繁出現(xiàn)的絲狀菌有以下種類：微絲菌、0961型菌、軟發(fā)菌、0092型菌、0041型菌/0675型菌、NocardioformactinomycetNostocoidalimicola021N型菌/發(fā)硫菌、浮游球衣菌/1701型菌等。
3污泥膨脹和泡沫的控制方法
3.1降低細(xì)胞平均停留時間
據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外較為罕見的發(fā)泡微生物平均世代時間較長， 水處理設(shè)備降低細(xì)胞平均停留時間(MCRT可以有效控制污泥膨脹和發(fā)泡現(xiàn)象。Noutsopoulo等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MCRT為8~10d時，可以有效抑制微絲菌的生長。也有文獻(xiàn)報道，控制MCRT9d以內(nèi)，可以將曝氣池中的諾卡菌(Nocardia消除。但這種控制方法在實際污水廠中很難實現(xiàn)，曝氣池中的硝化菌平均世代時間較長，與采用此方法相矛盾。
3.2調(diào)節(jié)曝氣池溶解氧量
曝氣池長時間處于低溶解氧狀態(tài)經(jīng)常會引起絲狀菌污泥膨脹，這種污泥膨脹的控制措施是提高溶解氧量，這就需要提高曝氣系統(tǒng)的供氧能力和降低有機負(fù)荷。Palm等研究發(fā)現(xiàn)，DO濃度與系統(tǒng)有機負(fù)荷成函數(shù)關(guān)系，一般當(dāng)有機負(fù)荷約為0.5kgCOD/kgMLSS?d并且DO質(zhì)量濃度在2.0mg/L時可以有效控制絲狀菌的生長。高春娣等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A/O工藝臨時處于0.5mg/L低溶解氧狀態(tài)時，會發(fā)生以軟發(fā)菌(H.hydrossi為優(yōu)勢菌的絲狀菌膨脹，SVI一直堅持在300mL/g以上;將DO質(zhì)量濃度提高到2.0mg/L同時有機負(fù)荷降低到0.37kgCOD/kgMLSS?d,能夠有效控制污泥膨脹，SVI下降到150mL/g通過合理調(diào)節(jié)DO和有機負(fù)荷來防止低溶解氧引起的絲狀菌污泥膨脹，污泥膨脹控制最直接、經(jīng)濟和有效的方純水設(shè)備法。
3.3曝氣池添加前置生物選擇器
生物選擇器是通過提供各種較為適宜的生存環(huán)境(溶解氧、pH或污泥濃度等)來選擇優(yōu)勢微生物的裝置。生物選擇器主要分為好氧生物選擇器、厭氧生物選擇器及缺氧生物選擇器三種。好氧生物選擇器是根據(jù)擴散選擇理論，曝氣池前端或首段設(shè)置高負(fù)荷區(qū)域，通過負(fù)荷的變化來抑制低負(fù)荷條件下的絲狀菌過度繁殖;而厭氧和缺氧生物選擇器主要利用微生物代謝機制的不同來抑制絲狀菌的生長，預(yù)防污泥膨脹的發(fā)生。大量的試驗數(shù)據(jù)證明，生物選擇器能永久性地控制由以下絲狀菌導(dǎo)致的污泥膨脹：021N型菌、發(fā)硫菌、S.Natan1701型菌、N.limicola軟發(fā)菌等。Bitton發(fā)現(xiàn)好氧生物選擇器在泥齡5d時可以有效抑制諾卡菌的生長，而Ayer等發(fā)現(xiàn)厭氧生物選擇器是控制微絲菌生長最有效的臨時解決方法。另外有研究報道，缺氧生物選擇器對諾卡菌有控制作用，對微絲菌則無明顯作用。
好氧生物選擇器對污泥膨脹控制效果的好壞，取決于對接觸時間和曝氣量的設(shè)計。接觸時間太短或太長都會引起后續(xù)生物處置工藝中絲狀菌的生長，設(shè)計中一般取5~30min另外，曝氣量過小會撫慰菌膠團(tuán)分泌過多的胞外聚合物(EPS而引發(fā)非絲狀菌膨脹;若過大，不只造成能量的浪費，且對污泥絮體的形成造成負(fù)面影響。一般好氧生物選擇器的曝氣量設(shè)計采用15%~30%溶解性COD去除率進(jìn)行計算。缺氧生物選擇器的主要設(shè)計參數(shù)是易生物降解CODRBCOD與NO3ˉ-N比值和接觸時間。RBCOD/NO3ˉ-N過小時，反硝化進(jìn)行不徹底，引起絲狀菌膨脹;比值過大時，會因NOxˉ-N完全反硝化而出現(xiàn)厭氧狀態(tài)。缺氧生物反應(yīng)器的底物貯存能力會因未知原因降低，導(dǎo)致溶解性有機底物大量進(jìn)入后續(xù)曝氣池，引發(fā)絲狀菌生長，這些都是目前需要解決的關(guān)鍵問題。厭氧生物選擇器在實際工程中也得到廣泛應(yīng)用，且控制效果比較明顯。但當(dāng)進(jìn)水中含有硫化物時，常會引起絲狀硫氧化菌的生長，導(dǎo)致厭氧選擇器中污泥沉降性能的下降。
3.4投加化學(xué)藥劑
通過向反應(yīng)器投加特定的化學(xué)藥劑(Cl2O3H2O2等)可以殺死廢水中的絲狀菌，從而消除污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。有研究表明，投加10mgCl/gMLSSNaClO能有效解決微絲菌過度增殖造成的污泥膨脹和生物泡沫問題。黃程蘭等研究發(fā)現(xiàn)，氯化鈣溶于水后會分解發(fā)生氯離子，氯離子在水中具有滅菌消毒作用，可以殺死局部絲狀菌，抑制絲狀菌的生長，促進(jìn)菌膠團(tuán)的形成，對解決污泥膨脹有很好的效果。Guo等發(fā)現(xiàn)由低底物濃度梯度引起的耐氯021N型絲狀菌，NaClO劑量高達(dá)80mgCl/gSS情況下仍能夠維持細(xì)胞的完整性;但加入30mg/gSS溴化十六烷基三甲基銨(CTA B可滲透該耐氯菌的細(xì)胞壁，從而將其選擇性殺死，顯著提升污泥沉降性能。實際工程應(yīng)用中，投加化學(xué)藥劑仍存在一些問題， 水處理設(shè)備如藥劑投加量大導(dǎo)致剩余污泥量大大增加，滅菌劑對絲狀菌不具有選擇性而抑制其他菌群的活性導(dǎo)致出水水質(zhì)變差，以及藥效短暫而極大增加了運行利息等。因此研發(fā)投加量少、見效快、無復(fù)發(fā)作用，以及能夠選擇性殺死絲狀菌的新型化學(xué)藥劑是今后主要的研究方向。
3.5投加特定微生物
目前，通過投加特定微生物來控制污泥膨脹和生物泡沫仍處于實驗室階段，實際污水處置廠中尚未廣泛采用。有研究提出，采用輪蟲可殺死大量的絲狀菌，提高污泥沉降性能，從而控制污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。Inamori等發(fā)現(xiàn)有兩種具有胞咽囊的纖毛蟲能夠吞食021N型菌和浮游球衣細(xì)菌這兩類絲狀菌，對由這兩類絲狀菌引起的污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象有很好的處置效果。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，某些特定的噬菌體能夠?qū)植堪l(fā)泡細(xì)菌起控制作用，如名為GTE2GTE5GTE7TPA 2噬菌體所具有的特征及其基因組序列對穩(wěn)定污水處置廠中的污泥膨脹和生物泡沫有很大幫助。雖然這些噬菌體的控制機理尚不明確，但是實驗室規(guī)模上的各種研究標(biāo)明，噬菌體對絲狀菌的控制是有效的將噬菌體引入實際工程應(yīng)用中來減少絲狀菌的數(shù)量，一種平安有效且環(huán)境友好的方法純水設(shè)備。
3.6其他控制方法
除了上述方法之外，向泡沫噴灑水、加強上部攪拌、對發(fā)泡污泥進(jìn)行連續(xù)選擇性浮選以及減少水量的沖擊負(fù)荷等方法都能對污泥膨脹和生物泡沫起一定作用，運用時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況加以選擇。
3.7厭氧消化泡沫的控制
厭氧消化泡沫普遍存在于厭氧消化池中，其主要發(fā)泡成因有以下三點：1由于有機負(fù)荷過高導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸(VFA 特別是乙酸的積累所致;2污泥中含有大量的外表活性劑;3污泥中含有大量的絲狀菌，如戈登氏菌(Gordoniaamara和微絲菌。針對厭氧消化泡沫的控制措施有以下幾種：降低細(xì)胞平均停留時間、降低有機負(fù)荷、加強機械攪拌、投加化學(xué)藥劑(如聚合鋁鹽)熱水解技術(shù)以及對污泥進(jìn)行超聲預(yù)處理等。
3.7.1熱水解技術(shù)
熱水解技術(shù)是一種有效的污泥預(yù)處理技術(shù)純水設(shè)備，可以改善剩余污泥和濃縮污泥的脫水性能，也是一種十分有效和經(jīng)濟可行的厭氧泡沫控制措施。Barjenbruch等研究發(fā)現(xiàn)，熱水解技術(shù)(121℃下加熱60min相比機械攪拌和酶法預(yù)處置技術(shù)具有較好的發(fā)泡控制性能。有研究表明，坎比工藝的熱水解預(yù)處置技術(shù)對厭氧泡沫的控制具有顯著效果。Alfaro等研究發(fā)現(xiàn)，熱水解技術(shù)(170℃下蒸汽加熱15min能夠急劇降低以微絲菌為優(yōu)勢菌群的絲狀菌豐度(泡沫指數(shù)由從5級降到2級)熱水解技術(shù)相對于幾種被廣泛接受的生物泡沫控制戰(zhàn)略具有明顯優(yōu)勢， 水處理設(shè)備但是其操作壓力和溫度控制仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化改善。
3.7.2超聲預(yù)處理技術(shù)
超聲預(yù)處置技術(shù)可以破壞污泥絮體的細(xì)胞及結(jié)構(gòu)，提高細(xì)胞的可生化性，而且可以使絲狀菌菌絲斷裂，降低絲狀菌豐度。Khanal等研究發(fā)現(xiàn)，僅僅超聲處置2min絲狀菌的結(jié)構(gòu)完整性被顯著破壞，細(xì)菌細(xì)胞沒有明顯的破壞，經(jīng)過超聲30min絲狀菌細(xì)胞壁完全解體。有研究報道，對污泥進(jìn)行超聲預(yù)處置可以有效減少中溫沼氣池的生物泡沫。Alfaro等研究發(fā)現(xiàn)，采用運行能耗為66.7kWh/m3超聲波處理污泥，厭氧消化池中的絲狀菌數(shù)量大大減少，絲狀菌豐度從“+++級”降到±級”盡管超聲預(yù)處置技術(shù)對絲狀菌的控制有顯著效果，但是相對于熱水解技術(shù)來說，該技術(shù)的能源消耗較大純水設(shè)備，運行費用較高，因此在實際工程應(yīng)用中超聲預(yù)處理技術(shù)的能耗問題是一個需要著重考慮的方面。
4結(jié)論與建議
1污水處置廠運行過程中，針對曝氣池、二沉池等易發(fā)生污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象的生物處置工藝，應(yīng)加強對SVI生物相等指標(biāo)的檢測，并制定一套完整的污泥膨脹和生物泡沫的預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，時刻注意工藝運行狀況，防止污泥膨脹和生物泡沫的發(fā)生。
2由于引起污泥膨脹和生物泡沫的絲狀菌種類繁多，因此在采取相應(yīng)的控制措施時應(yīng)從微生物入手，采用先進(jìn)的現(xiàn)代生物檢測技術(shù)確定絲狀菌種類，明確污泥膨脹和生物泡沫發(fā)生的原因，為后續(xù)制定控制方案提供依據(jù)。
3對于已經(jīng)發(fā)生污泥膨脹或生物泡沫并已明確其主要優(yōu)勢絲狀菌種類的生物處置工藝，首先應(yīng)根據(jù)絲狀菌的特性采取工藝調(diào)控措施，純水設(shè)備如降低污泥齡、調(diào)節(jié)曝氣池溶解氧量、增設(shè)生物選擇器等。若上述措施沒有對污泥膨脹或生物泡沫起到很好的控制效果，可以通過投加化學(xué)藥劑或特定微生物進(jìn)行控制。
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