活性污泥泡沫問題

1、活性污泥法處理過程中泡沫問題的產(chǎn)生與控制【摘要】活性污泥法運行過程中經(jīng)常受泡沫問題的影響，導(dǎo)致處理效果的降低以及運行費用的提高。大量研究表明，污泥中某些絲狀菌或放線菌的過度增殖是造成活性污泥工藝中泡沫問題的主要原因。主要討論了活性污泥過程中泡沫的產(chǎn)生原因、已知的發(fā)泡微生物的種類、影響發(fā)泡的環(huán)境因素和過程參數(shù)及常用的泡沫控制技術(shù)，并對污泥消化過程中的泡沫問題作了簡單的介紹?！娟P(guān)鍵詞】活性污泥工藝絲狀菌泡沫Formation and control of foaming in activated sludge plantsZhang feng, Liu xiaoyun(Shanghai Chemi

2、cal Industrial Design Institute Co. Ltd, Shanghai 200032)Abstract：Severe foaming in activated sludge plant increase operating cost and/or reduce treatment performance. The foam is caused by the excessive growth of some filamentous bacteria and actinomycetes in activated sludge mixed liquor. This pap

3、er presents the mechanisms of foam formation, the responsible microorganisms, environmental factors and important process parameters affecting the form formation of foam as well as some effective foam control strategies.The foaming issue in anaerobic sludge digester is also presented.Keywords：Activa

4、ted sludge processFilamentous bacteriaFoaming前言活性污泥法是目前城市污水處理廠應(yīng)用最為廣泛的生物處理方法之一。據(jù)報道，采用活性污泥法的污水處理廠普遍存在泡沫問題，使得污水處理廠的操作、運行和控制都產(chǎn)生了一定的困難，嚴重影響了出水水質(zhì)。對澳大利亞昆士蘭州的調(diào)查顯示，50個采用活性污泥法的污水處理廠中有46個受到不同程度的泡沫問題的影響1；美國108家采用活性污泥法的污水處理廠中有56%受到泡沫問題的困擾2。法國的調(diào)查顯示，6 013個污水處理廠中有20%受到泡沫問題的長期影響，而采用延時曝氣方式的污水廠中更是有87%受到泡沫問題影響3。據(jù)不完全統(tǒng)計，

5、在我國采用活性污泥法的城市污水處理廠中有近50%出現(xiàn)過不同程度的泡沫問題4。泡沫問題已成為近年來活性污泥法運行操作中較為突出的問題。采用活性污泥法處理污水過程中，在曝氣池與二沉池內(nèi)出現(xiàn)的泡沫問題很早就引起人們的關(guān)注。早在1969年，Anon就對活性污泥法處理過程中的生物泡沫進行了報道5。近30年來，關(guān)于好氧生物處理過程中的泡沫形成問題有大量的報道。多數(shù)研究者認為，當(dāng)污泥中微絲菌和諾卡氏菌大量存在時會形成穩(wěn)定的泡沫68。然而，對于為何污泥中微絲菌和諾卡氏菌會占優(yōu)勢以及這些菌種是如何形成穩(wěn)定的泡沫等問題至今仍存在著一定的爭議9。另外，目前關(guān)于活性污泥法處理污水過程中泡沫問題的研究主要集中于曝氣池與

6、二沉池泡沫上，對污泥厭氧消化池中發(fā)生的泡沫問題的研究則相對較少。本文討論了活性污泥過程中泡沫的產(chǎn)生原因、引起生物泡沫的微生物、發(fā)泡影響因素、泡沫的危害及常用的泡沫控制方法，同時也對污泥消化過程中的厭氧泡沫作了一定的介紹。1活性污泥工藝中泡沫的產(chǎn)生 選擇性浮選理論能較好地對活性污泥過程中的發(fā)泡現(xiàn)象進行解釋10。曝氣系統(tǒng)的連續(xù)運行使得曝氣池內(nèi)氣液兩相得以充分的接觸，在液相中產(chǎn)生大量的氣泡。進水中帶入的或者微生物自身所產(chǎn)生的生物表面活性劑的存在能降低液體的表面張力，使得氣泡具有一定的彈性而不易破滅。另外，氣泡上升過程中還會對液體中的固體顆粒進行浮選，在這過程中一些具有疏水表面的固體顆粒就會在氣泡間產(chǎn)

7、生架橋作用，減小各個原本分散的氣泡間的距離，從而這些固體顆粒就會與氣泡結(jié)合，產(chǎn)生更為穩(wěn)定的泡沫。 活性污泥法過程中產(chǎn)生的泡沫可以分成如下4種形式11：（1）啟動泡沫。活性污泥法運行啟動初期，由于污水中含有一些表面活性物質(zhì)，易引起表面泡沫。泡沫呈白色且質(zhì)輕，且穩(wěn)定性較差。隨著活性污泥的成熟，這些表面活性物質(zhì)經(jīng)生物降解，泡沫現(xiàn)象會逐漸消失。 （2）反硝化泡沫?；钚晕勰嗵幚硐到y(tǒng)以低負荷串運轉(zhuǎn)時，在沉淀池或曝氣不足的地方會發(fā)生反硝化作用而產(chǎn)生氮氣，氮氣的釋放在一定程度上減小污泥密度并帶動部分污泥上浮，從而出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象，這樣產(chǎn)生的懸浮泡沫通常不是很穩(wěn)定。 （3）表面活性劑泡沫。能生物降解的洗滌劑的大量使

8、用，或膠體有機質(zhì)以及各烴類的大量流入都易于引起處理池表面產(chǎn)生泡沫。如果這種進水偶爾存在，發(fā)泡過程僅在短時內(nèi)造成影響；若持續(xù)存在，長時間地運行會發(fā)展成穩(wěn)定的生物泡沫。（4）生物泡沫。由于活性污泥中某些微生物的異常生長，曝氣過程中氣泡會通過選擇性浮選與微生物機體結(jié)合生成穩(wěn)定的泡沫。這種現(xiàn)象可用壓縮為3種組分的系統(tǒng)來描述：微生物十氣泡十絮粒穩(wěn)定的生物泡沫。生物泡沫粘度大，呈褐色、穩(wěn)定性強，懸浮顆?？蛇_50 g/L，泡沫層相對密度大約是0.7，一般情況下很難將其吹走。對于活性污泥法運行過程中的泡沫問題，過去主要歸因于進水中表面活性物質(zhì)的大量存在。但是近代大量研究表明，曝氣過程產(chǎn)生的泡沫，主要是由于污泥

9、中一些微生物的過度增殖而產(chǎn)生的生物泡沫。近年來，對活性污泥過程中泡沫問題的研究也都主要集中于生物泡沫的產(chǎn)生與控制等方面。2活性污泥法中的發(fā)泡微生物2.1發(fā)泡微生物的類群 生物泡沫的形成主要與活性污泥中微生物的種類和生長情況有關(guān)。很多研究表明，活性污泥中含分枝菌酸放線菌(mycolata)的生長和積聚會造成生物泡沫12，因為含分枝菌酸放線菌的細胞壁中所含的長鏈枝狀的分枝菌酸構(gòu)成了細胞表面疏水性（CSH），而CSH正是泡沫形成的選擇性浮選的必要條件13。另有報道認為，微絲菌（Microthrix parvicella）的存在同樣也會引起生物泡沫14。由于對微生物分類差異性認識的不足以及檢測手段的限

10、制，對于活性污泥過程中的生物泡沫究竟是由哪些微生物引起的問題至今還沒有統(tǒng)一的報道。普遍認同的與生物泡沫有關(guān)的菌屬主要有：（1）放線菌。包括：Nocardia amarne，革蘭氏陽性，枝狀菌絲；Nocardia pinesis，革蘭氏陽性，松枝狀；Rhodococcus sp.，革蘭氏陽性，枝狀菌絲。（2）絲狀菌。包括：Microthrix parvicella，革蘭氏陽性，絲狀、無鞘無分枝；EikelbMm type 0675，革蘭氏陽性，有鞘無分枝；Eikelboom type 0092，革蘭氏陰性，無鞘無分枝。在上述菌種中，最常見的是Nocardia amarne和Microthrix

11、parvicella。另外，放線菌中的Nocardia asteroide、Mycobacterium sp.、Oerskovia sp.、Gordona sp.及絲狀菌中的Eikelboom Type 1851、0581、0803、0041、0914和Nostocoidia limicola等微生物，雖然它們在曝氣池中的濃度一般不足以產(chǎn)生生物泡沫，但是在穩(wěn)定的泡沫中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有它們的存在15。不同地區(qū)產(chǎn)生生物泡沫的微生物類群和數(shù)量會有所差別。有報道表明，在比較溫暖的氣候條件下，Nocardia amarne是主要的發(fā)泡微生物16。根據(jù)澳大利亞維多利亞、新南威爾士及昆士蘭地區(qū)污水廠泡沫問題的調(diào)查

12、顯示，Nocardia amarne、Nocardia pinesis和Microthrix parvicella是該地區(qū)最常見的發(fā)泡微生物1。而在歐洲的城市污水處理廠，生物泡沫問題主要是由于Microthrix parvicella和Rhodococcus sp.引起的17。2.2微生物發(fā)泡閾值濃度活性污泥中發(fā)泡微生物的濃度必須達到一定的閾值水平以上才能引起生物泡沫18。分子水平生物檢測技術(shù)的提高為確定微生物發(fā)泡閾值濃度問題提供了技術(shù)支持?，F(xiàn)在，相關(guān)rRNA水平的定量化技術(shù)及定量化熒光原位雜交（FISH）技術(shù)等檢測手段都能用來確定活性污泥中發(fā)泡微生物的生物量19。Cha等通過細絲交叉點計數(shù)法

13、確定過活性污泥中諾卡氏菌的發(fā)泡閾值為1106 n/g VSS20；Davenport等通過定量化FISH技術(shù)確定了含分枝菌酸放線菌的發(fā)泡閾值為2106 n/mL21；Francis等進一步對細菌形成生物泡沫與形成穩(wěn)定的生物泡沫進行了區(qū)分，通過試驗分別測定了發(fā)泡閾值及穩(wěn)定發(fā)泡閾值。通過以SSU rRNA為目標(biāo)的雜交探針檢測技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在批式試驗中Gordonia（以前稱作Nocardia）的發(fā)泡閾值和穩(wěn)定發(fā)泡閾值分別為2108 m/mL和1109 m/mL16。3影響生物泡沫形成的因素3.1溫度與生物泡沫形成有關(guān)的菌類都有各自適宜的生長溫度，當(dāng)環(huán)境或水溫有利于它們生長時，就可能產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象。一般認

14、為，溫度較高時生物泡沫主要由放線菌引起，而溫度較低時主要由Microthrix parvicella等絲狀菌引起。Lechevalier認為，只有在溫度高于14 時，放線菌才會引起生物泡沫，同時他還特別提到，Nocardia amarne 的生長溫度范圍為2337 。Knoop等的研究表明，Microthrix parvicella更適宜在1215 的較低溫度下生長，超過20 就不會發(fā)生增殖22。3.2pH11, 23有研究表明，Nocardia和Rhodococcus菌種的最佳pH為7.08.5，當(dāng)pH從7.0下降到5.05.6時，能有效地減少泡沫的形成。另外，Nocardia amarne

15、的生長對pH極為敏感，最適宜的pH為7.8，當(dāng)pH為5.0時，能有效控制其生長；Microthrix parvicella最適宜pH為7.78.0。3.3溶解氧 Nocardia是好氧菌，在缺氧或厭氧條件下不易生長，但也不死亡。Microthrix parvicella卻能忍受缺氧狀態(tài)15。也有報道認為，較低的曝氣池溶解氧濃度是絲狀微生物開始增殖的有利因素17。3.4污泥停留時間 由于產(chǎn)生泡沫的微生物普遍存在生長速率較低、生長周期長(見表1)的特點，所以污泥停留時間長有利于微生物的生長。因此，采用延時曝氣方式的活性污泥法更易產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象。另外，一旦泡沫形成，泡沫層的生物停留時間就會獨立于曝氣池

16、內(nèi)的污泥停留時間，易形成穩(wěn)定持久的泡沫。表1 常見發(fā)泡微生物的生長周期11菌類 生長周期/dRhodococcus sp. 24Nocardia amarne 47Microthrix parvicella 610Nocardia pinesis 10213.5污泥負荷研究表明，在較高的F/M下，Nocardia在放線菌中所占的數(shù)量會上升約6，幾乎在放線菌中占絕對優(yōu)勢，并且泡沫也迅速出現(xiàn)。其他放線菌如果其微環(huán)境中底物濃度很高（如為液相中的100倍以上）也會大量增殖并產(chǎn)生泡沫。而Microthrix parvicella卻比較適合在較低的污泥負荷下生長，有報道表明其最佳污泥負荷0.1 kg/（k

17、gd）22。3.6底物種類 底物的種類與泡沫的產(chǎn)生有很大關(guān)系。由于大多數(shù)發(fā)泡微生物具有疏水性，因此疏水性底物更易被這些微生物利用而引發(fā)泡沫問題23。大量研究表明，進水中存在高水平可乳化的脂肪類物質(zhì)如油或者油脂時極易引起泡沫問題24。脂肪酸被認為是Nocardia amarne的唯一碳源，因此當(dāng)進水中有脂肪酸存在時，發(fā)泡機率就會大大增加25，而Rhodococcus sp.更適宜以C12-C17的烷烴作為底物26。以橄欖油或者吐溫80等疏水性物質(zhì)作為底物時，Nocardia pinesis生長更快27。跟放線菌不同，Microthrix parvicella具有很高的營養(yǎng)需求，喜歡長鏈脂肪酸如油

18、酸作為其碳源，因此在含有高負荷脂、油和皂類的情況下，有優(yōu)先繁殖Microthrix parvicella的危險28。3.7曝氣方式不同曝氣方式所產(chǎn)生的氣泡不同，而微氣泡或小氣泡比大氣泡更有利于產(chǎn)生生物泡沫，并且泡沫層易集中于曝氣強度低的區(qū)域11。3.8其他運行條件曝氣池中離心循環(huán)泵產(chǎn)生的機械應(yīng)力會損壞密實的活性污泥絮狀體，從破損的細胞中釋放出來的表面活性蛋白質(zhì)、類脂化合韌的增多，能導(dǎo)致放線菌、絲狀菌的增殖，產(chǎn)生大量泡沫29。4厭氧泡沫 大量研究表明，泡沫問題不僅發(fā)生在曝氣池和二沉池中，污泥消化池運行過程中也經(jīng)常會遇到泡沫問題。一般認為，污泥消化池中的泡沫問題主要是由如下3點原因造成的：（1）由

19、于產(chǎn)甲烷階段是厭氧消化的速度限制步驟，當(dāng)消化過程超負荷運轉(zhuǎn)時就會因過程失去平衡而造成揮發(fā)性脂肪酸（VFA）特別是乙酸的積累；（2）污泥中疏水物質(zhì)的存在；（3）污泥中含有發(fā)泡微生物30。Krishna等認為，污泥中諾卡氏菌的存在、消化池的鼓氣混合、過度的氣體再流通、高污泥負荷、不當(dāng)?shù)奈勰嘭摵煽刂埔约拔勰嘀杏袡C物含量過高都會引起消化過程中的泡沫問題31；Wanner認為，厭氧消化過程中的生物泡沫同樣是由于具有疏水性細胞壁的Nocardia以及Microthrix parvicella等微生物與過程中產(chǎn)生的氣泡結(jié)合上升至表面積累積而產(chǎn)生的32。5泡沫的危害活性污泥過程中出現(xiàn)的泡沫會產(chǎn)生如下問題17：

20、（1）刮風(fēng)時泡沫飛揚會給人不良的美觀感受；（2）污染池壁和過道，會引起一系列安全問題；（3）妨礙刮渣系統(tǒng)的正常運行；（4）在寒冷的冬天會因結(jié)冰而影響機械裝置的正常運行；（5）影響曝氣系統(tǒng)（特別是機械曝氣）的充氧效率；（6）增加出水的BOD和SS，影響出水水質(zhì)；（7）氣味問題。另外，在厭氧消化池中產(chǎn)生的泡沫也會導(dǎo)致一系列的運行問題，降低消化池的效率并降低氣體產(chǎn)量。6活性污泥過程中泡沫問題的控制近年來，活性污泥過程中泡沫問題的控制技術(shù)得到了較大的發(fā)展，但是這些技術(shù)大都有較強的針對性，在使用時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況加以選擇。6.1降低污泥停留時間大量研究表明，降低曝氣池的污泥停留時間，能有效控制活性污

21、泥過程中的生物泡沫。降低污泥停留時間，實質(zhì)上是種生物篩選策略，即利用發(fā)泡微生物平均世代時間較長的特點，抑制發(fā)泡微生物在曝氣池中的過度增殖或?qū)⑵渑懦鋈?，達到控制生物泡沫的目的。有文獻報道，只要將泥齡控制在9 d以下，就能將曝氣池中的Nocardia消除33。但降低泥齡也有許多不適用的方面：當(dāng)曝氣池中需要有硝化作用發(fā)生時，則需要相對較長的污泥停留時間，與采用此法是個矛盾；另外，Microthrix parvicella和其他一些絲狀菌的生長受泥齡變化的影響相對較小，如果生物泡沫主要由這些微生物引起，采用此法效果不大17。6.2降低曝氣池空氣輸入率降低曝氣池的空氣輸入率，能在一定程度上控制生物泡沫

22、的發(fā)展。一方面，降低空氣輸入率相應(yīng)減少了曝氣池中微氣泡生成量，有效降低曝氣池中選擇性浮選強度，而選擇性浮選恰是活性污泥過程中泡沫產(chǎn)生的重要原因；另外，降低空氣輸入率能降低曝氣池中的溶解氧濃度，抑制Nocardia等菌屬的過度增殖34。但是，隨著空氣輸入率的降低，曝氣池中的硝化作用會受到抑制，出水濁度也會相應(yīng)有所提高，這是采用此法控制泡沫問題時需要考慮的地方33。6.3曝氣池前增設(shè)生物選擇器 生物選擇器是個混合池，使進入曝氣池的污水先與回流活性污泥充分混合，在好氧、厭氧或缺氧的條件下停留一段時間，抑制發(fā)泡微生物的過度增殖，選擇性發(fā)展其他微生物34。在厭氧或缺氧生物選擇器中，建立高F/M、低DO或

23、厭氧的條件，使兼性的絮凝體形成菌吸附并貯存水中大部分可溶有機物，通過奪去一部分發(fā)泡微生物賴以生存的營養(yǎng)源的方式對發(fā)泡微生物進行控制。好氧生物選擇器也以控制某些發(fā)泡微生物的生長為最終目的，所不同的是，它所創(chuàng)造的是個好氧的環(huán)境。Paolo等在研究中用污泥負荷為11 kgBOD5/（kgMLSS d）、平均接觸時間為18 min的缺氧生物選擇器有效控制了回流污泥中的Nocardia，但該選擇器對Microthrix parvicella則無明顯效果；當(dāng)采用污泥負荷為24 kgBOD5/（kgMLSS d）、平均接觸時間為14 min的好氧生物選擇器時則能對Microthrix parvicella有

24、較好的控制作用35。6.4選擇性泡沫浮選或淘汰（SFW）通過對發(fā)泡污泥進行連續(xù)選擇性浮選，處理并淘汰泡沫后，生物相中的發(fā)泡微生物會大大減少。Pretorius等通過研究發(fā)現(xiàn)，對發(fā)泡污泥選擇性浮選4 h后，其中95%的發(fā)泡微生物得到了去除10。6.5回流厭氧消化池上清液 由于消化池上清液對Nocardia amarne有毒性，因此可以通過向曝氣池引入消化池上清液來控制生物泡沫。需要注意的是，由于上清液COD和NH3-N濃度極高，因此把上清液引入曝氣池后可能會惡化最終出水水質(zhì)17。6.6其他控制方法除了上述方法之外，向泡沫噴水、加強上部攪拌、添加化學(xué)藥劑(如H2O2、O3和聚合鋁鹽等)、投加特別微

25、生物（如腎形蟲）、對回流污泥進行氯化以殺傷放線菌及降低污水pH等方法都能對泡沫起一定的控制作用，在運用時可根據(jù)實際情況加以選擇。6.7厭氧泡沫的控制 對于污泥厭氧消化池中的泡沫問題，可以采用如下方法進行控制：降低污泥齡、在消化池頂部安裝攪拌器、投加消泡劑（如聚合鋁鹽）及對污泥進行加熱與處理（70 、5 min）。7問題與展望對于活性污泥過程中的泡沫問題，目前已經(jīng)展開了大量的研究并且也取得了一定的成果。但是活性污泥法中產(chǎn)生泡沫的機理及其影響因素都較為復(fù)雜，并且還經(jīng)常會與污泥膨脹等其他異常情況同時出現(xiàn)，在對其控制上還缺乏廣泛有效的手段，很多方面還有待于進一步的研究。（1）明確活性污泥過程中的泡沫產(chǎn)

26、生機理。選擇性浮選可以較好地解釋活性污泥過程中泡沫的產(chǎn)生，因此可以對其進一步展開研究，對選擇性浮選過程中的微氣泡大小、絮體顆粒大小以及CIH等因素進行量化考察，明確這些指標(biāo)在發(fā)泡過程中所起的作用。（2）采用現(xiàn)代先進的生物檢測技術(shù)確定不同情況下發(fā)泡微生物的種類，較準(zhǔn)確地判斷發(fā)泡原因，以便能使用具有針對性的措施控制泡沫的產(chǎn)生。（3）運用數(shù)學(xué)模型把發(fā)泡微生物種類、濃度及各種發(fā)泡影響因素與發(fā)泡情況有機地聯(lián)系起來，爭取運用數(shù)學(xué)模型來有效預(yù)測、判斷活性污泥過程中的發(fā)泡狀況。（4）開發(fā)使用范圍廣、不利因素小和經(jīng)濟可行的組合泡沫控制技術(shù)來有效控制活性污泥過程中的泡沫問題。參 考 文 獻1Linda L B，A

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