活性污泥膨脹影響因素調(diào)控措施研究

1、活性污泥膨脹的影響因素及調(diào)控措施研究王鳳祥,龍騰銳,郭勁松自從1914年Aldern和Lockett首次發(fā)明活性污泥法處理污水技術(shù)以后,至今,活性污泥工藝得到了廣泛的應(yīng)用,并產(chǎn)生一系列變形工藝,如階段曝氣、漸減曝氣、吸附再生、完全混合式、序批式等。且純氧曝氣、深井曝氣、粉末碳活性污泥法、AB工藝和A/O、A2/O等脫氮除磷工藝以及氧化溝等工藝也得到進一步發(fā)展。但是,不論是哪一種改進的活性污泥工藝,污泥膨脹是活性污泥法問世以來在運行管理中一直困擾人們的最大難題之一。活性污泥法的關(guān)鍵技術(shù)就是活性污泥沉降性能的好壞,它直接影響出水水質(zhì)。污泥膨脹發(fā)生很普遍,據(jù)報道,在美國60% ,德國50% ,意大利

2、50%的污水廠存在污泥膨脹問題。我國的絕大多數(shù)活性污泥法工藝的污水廠,也不同程度地存在污泥膨脹問題。1污泥膨脹的概念及理論1. 1污泥膨脹的概念污泥膨脹是活性污泥系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象之一,定義為:由于某種原因活性污泥沉降性能惡化( SVI值不斷上升) ,造成二沉池中泥水分離效果差,污泥易隨出水流失,影響出水水質(zhì),從而破壞處理工藝的正常運行的現(xiàn)象。1. 2污泥膨脹的理論由于污泥膨脹成因的多樣性,在一定程度上給人們研究污泥膨脹造成了困難。雖然有關(guān)污泥膨脹的假說很多,但是有些假說只能解釋特定條件下的污泥膨脹問題。自從Chudoba于1973年提出了選擇性理論后,該理論為學(xué)者們廣為接受并成為

3、污泥膨脹研究領(lǐng)域中的主要理論。它是基于不同的微生物的生長動力學(xué)參數(shù)的不同而提出的。微生物的動力學(xué)參數(shù)可根據(jù)Monod方程式(式1)來確定。 =max S / ( Ks+ S ) (1)式中:、max分別為微生物的實際和最大比生長速率(d -1) ; S為限制性基質(zhì)濃度, mg/L; Ks為半飽和常數(shù),mg/L。根據(jù)Chudoba提出的理論,具有低的Ks和max值的絲狀菌在低基質(zhì)濃度下,具有較高的生長速率,從而具有競爭優(yōu)勢; 而在高基質(zhì)濃度下, 具有高的Ks和max值的菌交團微生物有較高的生長速率(如圖1 所示) 。該理論可以很好地解釋基質(zhì)限制、溶解氧限制和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏引起的污泥膨脹現(xiàn)象。圖1兩

4、類微生物比增長速率與基質(zhì)濃度/DO的關(guān)系另外,關(guān)于污泥膨脹的理論還有A /V假說、饑餓假說理論和積累再生假說理論等等。2污泥膨脹類型活性污泥系統(tǒng)中的微生物處于動態(tài)平衡之中,理想的污泥絮體沉降性能良好,絲狀菌和菌膠團之間相互競爭,相互依存,絮體中存在的絲狀菌有利于保護絮體已經(jīng)形成的結(jié)構(gòu)并能增加其強度。但是在污泥膨脹誘因的誘發(fā)下就容易發(fā)生污泥膨脹。污泥膨脹可以分為兩大類:絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。前者是由于活性污泥中大量絲狀菌繁殖而造成的,大量的絲狀菌從污泥絮體中伸出很長的菌絲體,菌絲體之間互相接觸,起到架橋作用,從而形成了一個框架結(jié)構(gòu),支撐著污泥絮體,阻止了絮體的有效沉降。后者是由于菌膠團在特定

5、的環(huán)境條件下分泌并積累大量高粘性物質(zhì),而高粘性物質(zhì)的結(jié)合水高達380%,從而造成污泥比重減輕,壓縮性能惡化而引起膨脹。3 污泥膨脹的影響因素從進水水質(zhì)、環(huán)境條件和運轉(zhuǎn)條件三方面來論述其對污泥膨脹的影響。3. 1進水水質(zhì)在大量的實踐中總結(jié)出的如下幾種廢水水質(zhì)容易引起污泥膨脹:1) 碳水化合物含量高的廢水,含有大量可溶性有機物的廢水。廢水水質(zhì)對污泥膨脹有明顯影響, 一般認為污水中懸浮固體少, 而溶解性和易降解的有機物組分較多,特別是含低分子量的烴類、糖類和有機酸等類型基質(zhì)的污水容易發(fā)生非絲狀菌性污泥膨脹,例如啤酒、食品、乳品、石化、造紙等廢水。2) 陳腐或腐化的廢水,含有大量H2S的廢水。污水在下

6、水管道、初沉池等貯存設(shè)施中,停留時間過長,發(fā)生早期消化, 使pH值下降,產(chǎn)生利于絲狀菌攝取的低分子溶解性有機物和H2S,容易引起硫代謝絲狀菌,如021N型菌、絲硫細菌、貝絲硫菌的過量增殖。現(xiàn)有的資料一致認為,含有H2S的廢水易引起污泥膨脹。當城市污水中的H2S濃度超過12. 5 mg/L時,就可能發(fā)生膨脹。污水中存在的硫化物,大部分是厭氧發(fā)酵過程中的一個副產(chǎn)物,在污水中厭氧發(fā)酵有大量小分子有機酸產(chǎn)生,它是曝氣池在一定運行方式和負荷情況下造成污泥膨脹的主要原因,而H2S是次要因素。3) 含有有毒物質(zhì)的廢水。當大量含有有毒有害物質(zhì)的工業(yè)廢水進入污水廠時,絕大多數(shù)情況下,活性污泥中的微生物要出現(xiàn)“中

7、毒”現(xiàn)象。Novak在對非絲狀菌膨脹的研究中發(fā)現(xiàn),當活性污泥中菌膠團細菌吸收污水中的有毒物質(zhì)后,粘性物質(zhì)分泌量減少,生理活動出現(xiàn)異常,可能引起污泥膨脹。4) N、P含量不平衡的廢水。進水中營養(yǎng)物質(zhì)缺乏或不平衡,除引發(fā)絲狀菌膨脹外,還會導(dǎo)致非絲狀菌污泥膨脹。高春娣等人以SBR 法處理啤酒廢水(COD為600 mg/ l)為研究對象,分析了N、P缺乏引起的非絲狀菌污泥膨脹問題, 認為當進水TP 充足,BOD5 /P為100 /0. 6和100 /0. 3時發(fā)生高含水率粘性菌膠團菌過量生長引起了污泥膨脹, BOD5 /P為100 /0. 4時,混合液中出現(xiàn)大量高含水量的細胞外聚物,發(fā)生嚴重的非絲狀菌

8、污泥膨脹;當進水TP充足, BOD5 /N為100 /3和100 /2時,污水中營養(yǎng)失調(diào),均發(fā)生高含水率的粘性菌膠團細菌過量生長引起了非絲狀菌污泥膨脹。C. Wu報道,對于完全混合式反應(yīng)器在BOD5/N為35/1時,就會形成N限制的情況,使得過量的碳源存在,微生物不能充分利用,吸入體內(nèi)并轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑厶穷惏赓A存物,此類物質(zhì)具有高度親水性,形成很多結(jié)合水,從而影響了污泥的沉降性能,造成高粘度污泥膨脹。吉芳英和楊琴等在除磷脫氮SBR系統(tǒng)的系統(tǒng)研究中也發(fā)現(xiàn)了高粘性污泥膨脹。樓少華和王濤等在一體化氧化溝的實際運行中發(fā)現(xiàn)了高粘性污泥膨脹。5) 低pH值的廢水。在活性污泥法工藝的運行中,為了使活性污泥正常發(fā)

9、育、生長,曝氣池的pH值應(yīng)保持在6. 58. 0范圍內(nèi)。pH值較低會導(dǎo)致絲狀真菌的繁殖而引起污泥膨脹。國內(nèi)外研究報道,混和液的pH值低于6. 5時,有利于絲狀真菌的生長繁殖,而菌膠團的生長受到抑制;當pH值低至4. 5時,真菌將完全占優(yōu),活性污泥絮體遭到破壞,處理出水水質(zhì)嚴重惡化。Storm和Hu通過對不同pH 值下的研究發(fā)現(xiàn), pH5時有利于真菌繁殖。3. 2環(huán)境條件1) 水流流態(tài)及運轉(zhuǎn)方式。流態(tài)影響的關(guān)鍵是曝氣池內(nèi)的基質(zhì)濃度梯度。Rensink于1982年在三種不同流態(tài)的活性污泥試驗?zāi)Ｐ椭?進行比較得出,曝氣池內(nèi)的流態(tài)對絲狀菌的生長有很大影響的結(jié)論。在完全混合式曝氣池中負荷0. 10. 5

10、kgBOD5 / ( kgMLSS·d)都發(fā)生膨脹,而在推流式系統(tǒng)中,污泥負荷大于0. 5kgBOD5 /kgMLSS·d)才發(fā)生膨脹。而在間歇反應(yīng)器內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。2) 流量和水質(zhì)變化。在實際污水處理工程的實踐中,污水的流量、水質(zhì)變化是其本質(zhì)特性。王凱軍等研究認為,在變化的水力負荷下,污泥的SVI呈上升趨勢,具體分析為變負荷對于污泥沉降性能的影響是在高負荷、低溶解氧的狀態(tài)下刺激了絲狀菌的生長,且由于絲狀菌生長過程的不可逆性,結(jié)果造成了污泥沉降性能的變化。日本的口田廣的研究表明,在水質(zhì)、水量發(fā)生變化時,特別當有機物濃度劇增時,極易引起污泥膨脹。比利時的Meyers(19

11、79)則認為,人為控制的沖擊負荷對于低負荷的污泥膨脹有一定的控制作用。3) 其他環(huán)境因子(pH,溫度,營養(yǎng)成分) 。微生物的生長、發(fā)育、代謝過程受各種環(huán)境條件影響很大。pH、溫度以及營養(yǎng)成分等環(huán)境因子對絲狀菌的生長十分重要。低pH的條件下,一些真菌迅速繁殖可以造成絲狀菌型膨脹。不同的絲狀菌具有其各自的最佳溫度生長范圍。如:球衣菌的最佳生長溫度在30 左右,絲硫菌、貝氏硫菌等的最佳生長溫度在3036 之間。如果溫度較低,污水中微生物代謝速度較慢,會積貯起大量高粘性多糖類物質(zhì),易形成高粘性污泥膨脹。溫度也普遍影響絲狀菌的生長, Knoop 等人通過觀察M. Parvicella細菌在低溫下的生長情

12、況,認為低溫有利于絲狀菌的生長。據(jù)報道,在低溫、高負荷的情況下,可能發(fā)生非絲狀菌型膨脹。3. 3運行條件1)負荷的影響。負荷對污泥沉降性能的影響比較復(fù)雜,很多報道是由于研究者的背景以及研究條件的不同,研究結(jié)果有時互相矛盾。Chudoba在70年代進行一組試驗結(jié)果表明,完全混合式活性污泥系統(tǒng)中,隨著負荷的增大, SVI值呈下降趨勢。而推流式活性污泥系統(tǒng)中, SVI的變化規(guī)律則相反。一般認為,在低負荷時,進水底物濃度低,由于基質(zhì)的限制而引起污泥膨脹。低F /M的情況通常出現(xiàn)在完全混合式曝氣池、大回流比的氧化溝(如Carrousel氧化溝) 、沿程分散進水曝氣池中。2) 溶解氧。在曝氣池中低溶解氧濃

13、度的條件下,大部分好氧菌幾乎不能繼續(xù)生長繁殖。因為絲狀菌的菌絲比較長,比表面積大,更易奪得溶解氧并迅速生長繁殖。另外,絲狀菌的飽和常數(shù)Kb值低,對低濃度溶解氧有很大的親和力,因此在低溶解氧的環(huán)境中,絲狀菌是優(yōu)勢菌屬。負荷與溶解氧之間的關(guān)系對SVI有十分密切的影響。Palm等人對負荷與溶解氧關(guān)系對SVI的影響進行詳細研究表明,只要溶解氧成為限制,在任何負荷下都可能發(fā)生膨脹。同樣,只要負荷足夠高,在任何溶解氧的條件下也可能發(fā)生污泥膨脹。溶解氧在0. 16. 0 mg/L 之間時,隨著有機負荷的不同,活性污泥均有可能發(fā)生污泥膨脹。Segzin等人研究結(jié)果表明,在高有機負荷的情況下,推流式系統(tǒng)在缺氧時

14、引起膨脹。在高污泥負荷下,“安全”溶解氧值很高,具體詳表1。陳瀅,彭永臻等人在研究用SBR工藝處理實際生活小區(qū)污水時發(fā)現(xiàn),在低溶解氧條件下,有機負荷為0. 20kg(kg·d) -1和0. 26kg (kg·d) -1時,活性污泥中雖有絲狀菌存在,但沒有發(fā)生污泥膨脹。當有機負荷升高至0. 57kg(kg·d) -1時,發(fā)生了非絲狀菌污泥膨脹。長期的高負荷,低溶解氧濃度條件下可引起非絲狀菌污泥膨脹。表1有機負荷率與“安全”溶解氧濃度的關(guān)系3)污泥齡( SRT) 。錢易等人對污泥齡與SVI的相關(guān)關(guān)系進行研究表明,在兩者之間不存在數(shù)量上的相關(guān)關(guān)系。認為泥齡對污泥沉降性能

15、的影響,實際上是通過受其他影響的很多因素來發(fā)生作用。 4污泥膨脹的調(diào)控措施4. 1應(yīng)急調(diào)控措施早期的污泥膨脹控制方法主要通過投加藥劑等方法。第一類是通過增加絮體的比重,或者增加絮體的沉淀速度的方法,如投加硅藻土、粘土、厭氧污泥、金屬鹽類。此外還可以投加一些混凝劑也可以增加絮體比重,改善污泥沉降性能。第二類是采用無選擇性的,對微生物有毒害作用的藥劑或氧化劑。利用絲狀菌的比表面積大于菌膠團細菌;先將絲狀菌毒害抑制其生長過程。而菌膠團細菌同樣受到傷害,但傷害不大,不影響其正常的處理功能。具有代表性的是采用回流污泥加氯措施,投加量一般為2 10 kgCl2/1 000 kg干污泥。既可以控制曝氣池內(nèi)的

16、污泥膨脹,也可以對二級處理出水進行消毒,同時還使控制污泥膨脹所需要加氯量最少。此類方法的優(yōu)點是能夠迅速有效地控制住污泥膨脹地發(fā)生和發(fā)展,但是停止加藥后污泥膨脹重新產(chǎn)生。此類方法沒有解決污泥膨脹的根本原因,治標不治本。需要對影響污泥膨脹的各種因素和絲狀菌的生長特性進行透徹了解,才能對癥下藥,很好地控制污泥膨脹地發(fā)生。4. 2環(huán)境調(diào)控措施通過對污泥膨脹機理不斷深入的研究和對絲狀菌作用的進一步了解,對于污泥膨脹的控制方法也隨之由簡單的投藥等方法發(fā)展到應(yīng)用生態(tài)學(xué)的原理調(diào)節(jié)處理工藝運行條件及反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境條件,通過協(xié)調(diào)菌膠團微生物與絲狀菌的協(xié)調(diào)共生關(guān)系,從根本上消除污泥的絲狀菌膨脹問題的綜合控制方法。環(huán)境

17、調(diào)控控制法的基本著手點就是通過曝氣池中生態(tài)環(huán)境的改變,造成有利于菌膠團細菌生長的環(huán)境條件,應(yīng)用生物競爭的機制抑制絲狀菌的過度生長和繁殖,將絲狀菌控制在合理的范圍內(nèi),從而控制污泥膨脹的發(fā)生。近幾年得到充分發(fā)展的選擇器理論就是運用這一概念。選擇器是在曝氣池之前或其前段特設(shè)的高有機負荷區(qū)(接觸區(qū)) ,為菌膠團細菌提供高濃度的可吸收的溶解底物,以提高其攝取和貯存能力,使其在與絲狀菌的競爭中處于優(yōu)勢地位。選擇器可分為好氧選擇器,缺氧選擇器,厭氧選擇器等形式。好氧選擇器是利用動力學(xué)機理,即在生物反應(yīng)器的入口處產(chǎn)生有利于菌膠團細菌生長的高底物濃度,而抑制絲狀菌的生長。缺氧和厭氧選擇器主要利用代謝選擇機理(即

18、通過控制選擇器內(nèi)終端電子受體來完成的) ,也涉及到動力學(xué)選擇機理。環(huán)境調(diào)控控制法還包括改變反應(yīng)器的形式,將完全混合式曝氣池改為推流式曝氣池。連續(xù)進水改為間歇進水,如對食品加工廢水,連續(xù)進水時,發(fā)生由于Sphaerotilus (浮游分枝絲菌) 引起的污泥膨脹,當改為間歇進水時,該菌消失。至今分離出的所有的絲狀微生物,幾乎都不能在完全無分子氧的環(huán)境中吸收底物,這就導(dǎo)致選擇了那些通過脫氮或生物除磷過程而利用底物的微生物,并在此過程中迅速增殖。因此生物脫氮、除磷和同時脫氮、除磷的A/O、A2/O 系統(tǒng)也能有效的控制絲狀菌污泥膨脹。在曝氣池首端加填料,使絲狀菌固著于填料上,得到充分生長,但不進入活性污泥絮體中。菌膠團菌在后續(xù)曝氣池中占主要地位,從而也可避免污泥膨脹的發(fā)生。4. 3工藝運行調(diào)控措施工藝運行調(diào)節(jié)控制措施用于運行控制不當產(chǎn)生的污泥膨脹。例如,由于