活性污泥膨胀的控制

污泥膨胀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，沉淀压缩性能差；SV值增大，有时达到90%，SVI达到300以上；大量污泥流失，出水浑浊；二次沉淀难以固液分离，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。
　　
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，各方面的理论很多，但并不完全一致，甚至有很多相互矛盾，这给水处理工作者造成很大的麻烦。本文将从污泥膨胀的内在因素着手，整理出几种较为成熟且有普遍意义的观点，并归纳一下污泥膨胀控制的一般方法。
　　
1、 污泥膨胀的原因

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。
　　
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： μ=μmax·S/Ks+S
　　   
式中S----生长限制性基质浓度，mg/L； 
　　   
μ----生长限制性基质浓度，mg/L； 
　　   
KS-----饱和常数，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，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、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。
　　
3、其它方面对污泥膨胀的影响 
　　
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) 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。通宵认为，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。 
　　
3) pH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Microthix parvicella在丝状菌群中占优势，而温暖季节时Nocardia form，0041型或Nostocoida limnicda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。

2、 污泥膨胀的一般解决办法 
　　
第一类：应急措施 
　　
适用于临时应急，主要方法是投加药物增强污泥沉降性能或是直接杀死丝状菌。投加铁盐铝盐等混凝剂可以直接提高污泥的压密性保证沉淀出水。另外，投加一些化学药剂，如氯气，加在回流污泥中也可以达到消除污泥膨胀现象。投加过氧化氢和臭氧也可以起到破坏丝状菌的效果。
　　
采用这种方法一般能较快降低SVI值，但这些方法并没有从根本上控制丝状菌的繁殖，一旦停止加药，污泥膨胀现象可以又会卷土重来。而且投药有可能破坏生化系统的微生物生长环境，导致处理效果降低，所以，这种办法只能做为临时应急时用。 
　　
第二类：改善生化环境 
　　
污水厂发生污泥膨胀的时候，一般无法从工艺流程、池型和曝气方式的改变来解决，只能在正在运行的流程基础上通过改变生化池内的微生物生长环境来抑制或消除丝状菌的过度繁殖。在不同的工艺和水质的情况下，很难有一个放之四海而皆准的解决方案。但生化工艺常遇见的几种应该注意的问题必须加以注意。
　　
1) 污水性质的控制 
　　
首先应该检查和调整pH值，当pH值低于5以下时，不仅对污泥膨胀会有利，而且对正常的生化反应也会有一定的危害，所以当pH值偏低时应及时调整。另外在北方寒冷地区一定应注意冬季时的水温，若水温偏低应加热，因为低温也会导致污泥膨胀的发生。采用鼓风曝气能有效的在冬季较高的水温。
　　
当污水中营养成份不足或失衡时，应补充投加。N、P含量应控制在BOD：N：P=100：5：1左右。 
　　
若污水处理生化系统前已有消化现象的发生，产生的低分子有机酸将有利于丝状菌的生长，这时可以对废水在调节池内预曝气来加以改善。一般采用空气扩散器向3-5米有效水深的调节池曝气，供气量可以控制在0.5-1.0m3/废水米3·小时。它能使调节池的废水保持新鲜，并有效防止由于厌氧所会带来的臭气。 
　　
2) 保持池内足够的溶解氧对于高负荷的生化系统特别重要，3) 一般至少应控制DO>2毫克/L。 
　　
4) 沉淀池内的污泥应及时排出或回流，5) 防止其发生厌氧现象。若发生厌氧现象，6) 产生的各种气体吸附在污泥上，7) 也会使污泥上浮，8) 沉降性能变差。而9) 且发生厌氧的污泥回流也会引发丝状菌的大量繁殖。这种情况时除排泥和清除沉淀池内的死角，10) 并缩短污泥在池内的停留时间外，11) 还应提高曝气池DO值，12) 使出入沉淀池的水保持较的溶解氧，13) 或者在污泥回流进入生化池前曝气再生。如左图所示。 
　　
在解决了以上问题后，如果污泥膨胀现象仍得不到控制，就得根据实际情况加以分析，下面针对几中常见的工艺提出一些指导性的方法，供污水处理工作者参考。
　　
A. 高负荷活性污泥工艺 
　　
目前国内对活性污泥工艺的设计通常采用中等负荷（0.3KgBOD5/(kgMLSS·d)），而在实际中人们从经济角度考虑总是采用较高的负荷，所以高负荷下的污泥膨胀在中国具体较为广泛的意义。在高负荷情况下，最常见的是DO不足，所以先采取提高气水比，强化曝气，在推流式曝气池内首端采用射流曝气等方式，观察一段时间，找出问题的所在。
　　
如果在以上措施采取后一段时间情况仍无好转，则可考虑在曝气池头部加设软填料。这一部份对于有机酸去除率很高，从而去除丝状菌的生长促进因素，帮助絮状菌生长。这个方法比较有效，但造价较高，且对以后的维修管理造成不便。或者在曝气池前设置一个水力停留时间约为15min的选择器，一般能很有效的抑制丝状菌的生长。
　　
对于间歇式进水的SBR工艺来说，反应器本身是完全混合式的，而且在时间上其污染物的基质就存在浓度梯度，所以无需再另设选择器。通常间歇式SBR工艺产生污泥膨胀的原因是，污泥浓度过高，而进水有机物浓度偏低或水量偏小而导致污泥负荷偏低。对于这种情况，降低排出比，提高基质初始浓度，并对SBR强制排泥，一般就能够对污泥膨胀现象进行有效的控制。而对于连续进水的SBR如ICEAS和CASS等工艺如果发生污泥膨胀的话，就有必要在进水端设置一个预反应区或生物反应器了。 
　　
B. 低负荷活性污泥工艺
　　
低负荷活性污泥工艺曝气池内基质浓度较低，丝状菌容易获得较高的增长效率，所以是最容易产生污泥膨胀。除了在水质和曝气上想办法外，最根本和有效的是将曝气池分成多格且以推流方式运行，或增设一个分格设置的小型预曝气池作为生物选择器，在这个选择器内采用高污泥负荷，吸附部分有机物并消除有机酸。这个办法不但有助于抑制污泥膨胀，并能有效的改善生化处理效果。在曝气池内增加填料的方法也同样在低负荷完全混合工艺中适用。
　　
对于A/O和A2/O工艺可通过在在好氧段前设置缺氧段和厌氧段以及污泥回流系统，使混合菌群交替处于缺氧和好氧状态，并使有机物浓度发生周期性变化，这既控制了污泥膨胀又改善了污泥的沉降性能。而交替工作式氧化沟和UNITANK工艺等连续进水的系统因为其本身在时间和空间上就有了实际上的“选择器”，所以对污泥膨胀有着效强的控制能力。如果这两种工艺发生污泥膨胀，则可通过调整曝气控制溶氧量和控制回流污泥量来调节池内的污泥负荷及DO，通过一段时间的改善，一般能够控制住污泥膨胀现象。
　　
3、 总结 
　　
总的来说，污泥膨胀由于丝状菌的种类繁多，且生长适宜的环境也不尽相同。在不同工艺不同水质的情况下，微生物的生长环境非常微妙，这就要求发生污泥膨胀时，需要水处理工作者根据实际情况作大量切实的实验和分析，大胆实践，才能解决污泥膨胀问题。这里对本文观点作一个总结。
　　
丝状菌是生长处理微生物中不可缺少的一部份。污泥膨胀现象在于丝状菌的过度生长，消除污泥膨胀的根本在于使丝状菌与活性污泥菌胶团平衡生长；完全混合式较推流式更产生污泥膨胀，低污泥负荷较高污泥负荷易易产生污泥膨胀；进水水质在水温、pH、营养成份及是否有处理前的消化反应等方面是处理污泥膨胀应该首先考察的问题；高负荷下的污泥膨胀一般在于溶氧不足；低负荷下的污泥膨胀采用生物选择器是行之有效的办法。由于丝状菌的多样性，关于污泥膨胀的理论解释和实际报道仍有很多不尽一致，大胆实践不断总结并和同行广泛交流，才能更快找到行之有效地解决方法。