生物選擇器與污泥膨脹控制

胡 睿

自從1914年Aldern和Lockett發(fā)明推流式活性污泥處理方法,其成為城市污水處理主流工藝。傳統(tǒng)活性污泥由推流式經(jīng)歷了漸減曝氣,吸附再生,完全混合型,序批式等多種變形?；钚晕勰嘣缙谛问綖楹唵纬浞攀胶突钊鞒刈?20世紀(jì)50年代出現(xiàn)完全混合活性污泥,二十世紀(jì)六七十年代活性污泥運(yùn)行裝置是以連續(xù)式完全混合為主,污泥膨脹大量發(fā)生,膨脹導(dǎo)致泥水難以分離使處理不達(dá)標(biāo),甚至系統(tǒng)崩潰,嚴(yán)重困擾著活性污泥工藝。1973年Chuduoba提出選擇性理論后,轉(zhuǎn)向了對傳統(tǒng)活塞流反應(yīng)器和間歇式反應(yīng)器形式研究,提出了選擇器活性污泥工藝,70年代初出現(xiàn)了第一個污泥膨脹研究熱點[1-4];20世紀(jì)80年代脫氮除磷工藝引入,掀起了活性污泥膨脹研究又一高潮[4-6]。

1 污泥膨脹控制方法

早期污泥膨脹控制方法主要是通過投加硅藻土、黏土、厭氧污泥、金屬鹽類、混凝劑和加氯等無選擇性對微生物有毒害作用的化學(xué)藥劑來實現(xiàn),無法徹底解決污泥膨脹問題。環(huán)境調(diào)控使曝氣池中生態(tài)環(huán)境選擇性發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌,應(yīng)用生物競爭機(jī)制抑制絲狀菌過度繁殖[7]。

1.1 常規(guī)污泥膨脹控制方法

1)污泥再生法:Chuduoba將回流污泥在單獨(dú)設(shè)置曝氣池內(nèi)曝氣,使具有最大吸附和貯存能力的菌膠團(tuán)細(xì)菌,氧化體內(nèi)貯存物獲得能量迅速增殖,克服膨脹。工藝流程為接觸池和再生池,美國和原蘇聯(lián)污水工藝采用高負(fù)荷運(yùn)行方式,設(shè)置再生工藝,很少有污泥膨脹現(xiàn)象發(fā)生。2)投加填料控制法:接觸氧化法利用絲狀菌在填料上附著生長,避免污泥膨脹,填料池相當(dāng)于一個選擇器,將絲狀菌固著于填料上在第一個池子中選擇性生長,不進(jìn)入活性污泥絮體中。絮狀菌在第二個池內(nèi)生長,作用是降低有機(jī)負(fù)荷。填料上的微生物量增加了系統(tǒng)中總生物量,有機(jī)負(fù)荷降低。3)射流曝氣和其他機(jī)械方式:研究認(rèn)為射流對污泥絮體剪切破碎作用不利于絲狀菌,特別是球衣細(xì)菌,采用機(jī)械快速攪拌回流污泥可控制膨脹;但射流器中被吸入的空氣和主體流量同時被強(qiáng)烈剪切粉碎,減少了污泥絮體尺寸,大大增加了空氣和基質(zhì)接觸界面,加速了基質(zhì)向細(xì)胞內(nèi)傳遞,提高了微生物代謝速率,DO處于超飽和狀態(tài),減緩了供氧限制,加快了污泥活性限制。4)微生物生態(tài)學(xué)控制:利用原生動物對絲狀菌捕食來控制污泥膨脹,日本蘇口健和橋本禮在曝氣池中觀察到纖毛蟲類增加,絲狀菌急劇減少,SVI值降低。

1.2 生物選擇器控制

1.2.1 生物選擇器原理

1973年Chuduoba等提出了動力學(xué)選擇性準(zhǔn)則,理論是基于不同種屬微生物 Monod方程中Ks和μmax參數(shù)不相同,且對于不同基質(zhì),其生長速率常數(shù)也不同[1]。按照Chuduoba理論,具有低Ks和μmax值微生物,在混合培養(yǎng)曝氣池中,當(dāng)基質(zhì)濃度很低時具有高生長速率占優(yōu)勢,在高基質(zhì)濃度下恰好相反(見圖 1)。Chuduoba選擇理論統(tǒng)一了絲狀菌膨脹理論,開發(fā)了選擇器控制污泥膨脹的新途徑。

生物選擇器就是應(yīng)用生物競爭機(jī)制抑制絲狀菌過度增殖,做法是在完全混合或推流曝氣池前加一個停留時間比曝氣池小得多的池,在生物選擇器內(nèi),起始主體溶液中基質(zhì)濃度很高,局部提高F/M,菌膠團(tuán)細(xì)菌迅速增殖。

1.2.2 各類型生物選擇器

1)好氧選擇器。本質(zhì)是具有推流特點的曝氣池,起始F/M很高,菌膠團(tuán)細(xì)菌迅速攝取,轉(zhuǎn)化并貯存大部分可溶性有機(jī)物,奪取絲狀菌營養(yǎng),后續(xù)曝氣池中,絲狀菌營養(yǎng)缺乏受抑制,好氧選擇器設(shè)計關(guān)鍵是尺寸,選擇器過大,起始F/M不高,造成首端基質(zhì)濃度適合絲狀菌生長;過小,則對基質(zhì)吸收利用不夠,使沒有降解基質(zhì)泄漏進(jìn)入后續(xù)曝氣池,利于絲狀菌生長。選擇器停留時間一般在5 min～30 min[8]。

2)缺氧選擇器。1931年Goudey發(fā)現(xiàn),在曝氣池首端設(shè)置缺氧選擇器,與其說是控制污泥膨脹,不如說是起脫氮作用。WilliamL.Martin對Beloit.Landis等5個污水廠缺氧選擇器運(yùn)行效果分析中認(rèn)為缺氧區(qū)F/M負(fù)荷,好氧池SRT是主要影響參數(shù),當(dāng)F/M 為 0.7 kg BOD5/(kg MLSS?d)～ 1.2 kg BOD5/(kg MLSS?d),SRT在8 d～12 d時可控制膨脹,溫度升高,可適當(dāng)縮短 SRT,提高F/M,并提出用缺氧選擇器中固體停留時間作為控制參數(shù)調(diào)整系統(tǒng)。吳凡松等認(rèn)為進(jìn)水中可溶性COD較多時,缺氧池中F/M為1.2 kg BOD5/(kg MLSS?d)～ 1.7 kg BOD5/(kg MLSS?d)較合適[9]。

缺氧選擇器多用于帶有硝化的系統(tǒng),除了與好氧選擇器一樣保持高濃度梯度外,菌膠團(tuán)細(xì)菌在缺氧條件下有比絲狀菌高兩個數(shù)量級的基質(zhì)利用率和硝酸鹽還原率,說明缺氧選擇器對絲狀菌抑制是由于菌膠團(tuán)細(xì)菌可以利用硝酸鹽中化合態(tài)氧降解有機(jī)物,絲狀菌缺乏這種能力且在后續(xù)曝氣池中缺乏營養(yǎng)生長受到抑制。足夠的硝酸鹽是缺氧選擇器的必要條件;其次是停留時間選擇,停留時間過長,缺氧段缺乏硝酸鹽無法控制絲狀菌。絲狀菌與菌膠團(tuán)參數(shù)比較見表1。

表1 絲狀菌與菌膠團(tuán)菌動力學(xué)參數(shù)比較[10]

缺氧選擇器用于污泥膨脹控制,同時具備動力學(xué)和代謝兩種選擇機(jī)制。此外,A/O和A2/O,UCT等脫氮除磷對工藝中的缺氧池以脫氮為目的。而缺氧選擇器是控制絲狀菌膨脹,停留時間相對短;浮游球衣菌、諾卡氏等絲狀菌屬也具有脫氮功能,硝酸鹽還原菌是否為絮凝菌有待研究。

3)厭氧選擇器?；钚晕勰鄥捬醭剡\(yùn)轉(zhuǎn)可以追溯到1952年A.B.Dvidson對釀造工業(yè)廢水處理,試驗表明采用厭氧—好氧交替操作可很好控制污泥膨脹,但未得到重視,直至1974年Heide和Pasveer在氧化溝里采用了厭氧—好氧操作以及后來發(fā)展的Barnard流程,Phoredox流程及1980年出現(xiàn)的A2/O流程之后才進(jìn)一步認(rèn)識了活性污泥厭氧—缺氧—好氧運(yùn)轉(zhuǎn)在控制污泥膨脹上的重要意義。Spector在1975年發(fā)現(xiàn),當(dāng)負(fù)荷在0.2 kg BOD5/(kg MLSS?d),進(jìn)水中BOD/TN＞4～5的A/O工藝可有效控制污泥膨脹。

B.Chamber認(rèn)為,厭氧處理后,聚磷菌釋磷,后續(xù)好氧段污泥吸磷量增大,污泥含磷量較高,P/C比值上升,SVI值降低,聚磷菌在厭氧過程中能迅速吸收COD轉(zhuǎn)化為PHAs,好氧時PHAs分解獲得能量,厭氧下絲狀菌生長,具有較低的多聚磷酸鹽釋放速率。1987年J.Wanner也發(fā)現(xiàn)021N型菌和球衣細(xì)菌在厭氧條件下,由于較低的磷酸鹽釋速率被抑制生長,控制了污泥膨脹。厭氧區(qū)目的重在釋磷,要求VFAs過剩,與進(jìn)水水質(zhì)中可溶性有機(jī)物量有關(guān)。水解時間長,則厭氧區(qū)容積大,可降解基質(zhì)含量高時,HRT為1.5 d,VFAs占污水中等比例時,HRT取0.5 d～1.5 d,難降解成分含量高時,HRT取2.5 d～3 d,厭氧選擇器用于污泥膨脹控制容積小。

2 結(jié)語

在污泥膨脹這一污水生物處理遇到的問題起源,發(fā)展背景下,分析生物選擇器提出的歷史情況,基礎(chǔ)理論,應(yīng)用狀況來顯現(xiàn)其在污泥膨脹控制方面的地位。而污泥膨脹的微生物動力學(xué)機(jī)理復(fù)雜,加上絲狀菌種類繁多,生理特性各異,有待于深入研究。

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