廢水處理工藝中生物泡沫產(chǎn)生機(jī)制及控制措施

史奇峰，劉康懷，蘇 誠(chéng)，徐 珊，施家剛

（桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

廢水處理工藝中生物泡沫產(chǎn)生機(jī)制及控制措施

史奇峰，劉康懷，蘇 誠(chéng)，徐 珊，施家剛

（桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

活性污泥工藝中常常會(huì)出現(xiàn)泡沫過(guò)多問(wèn)題，通過(guò)分析生物泡沫產(chǎn)生機(jī)制，研究國(guó)內(nèi)外對(duì)于解決曝氣池生物泡沫問(wèn)題所獲得的效果，提出控制泡沫的幾點(diǎn)措施。對(duì)于我國(guó)活性污泥工藝泡沫問(wèn)題的深入研究和控制泡沫的可行方法，希望能起到拋磚引玉的作用。

活性污泥工藝；生物泡沫；發(fā)泡微生物

當(dāng)今世界范圍內(nèi)大多數(shù)城市污水處理廠采用活性污泥法處理工藝，然而，運(yùn)行過(guò)程中曝氣池或者二沉池污水表面產(chǎn)生泡沫問(wèn)題長(zhǎng)期影響活性污泥法處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大部分活性污泥法污水處理廠都存在過(guò)泡沫問(wèn)題。調(diào)查顯示［1］：澳大利亞昆士蘭州的50個(gè)采用活性污泥法的污水處理廠中有46個(gè)受到不同程度的泡沫問(wèn)題的影響；美國(guó)108家采用活性污泥法的污水處理廠中有56%受到泡沫問(wèn)題的困擾。法國(guó)的調(diào)查顯示，在6013家污水處理廠中，有20%的污水處理廠受到泡沫問(wèn)題的長(zhǎng)期影響，而采用延時(shí)曝氣方式的污水廠中，有87%受到泡沫問(wèn)題影響。

我國(guó)城市污水廠發(fā)生泡沫的現(xiàn)象也較多，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程和環(huán)境保護(hù)的發(fā)展，污水處理廠的大批興建和運(yùn)行，這方面的問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越突出。國(guó)內(nèi)對(duì)污泥膨脹現(xiàn)象早有研究，然而對(duì)活性污泥工藝發(fā)泡沫現(xiàn)象及專(zhuān)門(mén)針對(duì)生物泡沫和產(chǎn)泡細(xì)菌的研究比較少。因此，針對(duì)性地開(kāi)展這方面的研究，理解生物泡沫的發(fā)生機(jī)制，并采取有效的預(yù)防措施來(lái)解決泡沫問(wèn)題，對(duì)于提高污水處理廠管理運(yùn)行效率和降低運(yùn)行費(fèi)用，具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 生物泡沫形成機(jī)制

大量研究表明，曝氣過(guò)程產(chǎn)生的泡沫，主要是由于污泥中一些微生物過(guò)度增殖而形成的生物泡沫。因此，對(duì)活性污泥過(guò)程中泡沫問(wèn)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。

形成生物泡沫的主要原因：在各種因素的影響下，絲狀菌和放線菌等微生物的異樣生長(zhǎng)。絲狀菌的生長(zhǎng)速率要比菌膠團(tuán)細(xì)菌高，絲狀菌的表面積也較大，因此，絲狀菌在得氧能力上比菌膠團(tuán)細(xì)菌強(qiáng)得多，導(dǎo)致曝氣池中絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌種而大量繁殖。而絲狀微生物大都呈絲狀或枝狀，易形成網(wǎng)狀，能捕掃污水中的微粒和氣泡等，并浮到水面［2］。氣泡被這種絲網(wǎng)包圍，表面張力增加而變得不易破碎，泡沫也更加穩(wěn)定。最后，通過(guò)曝氣氣泡產(chǎn)生的氣浮作用，在曝氣池表面形成了大量泡沫。

1.1 發(fā)泡微生物的類(lèi)群

研究表明，活性污泥中含分枝菌酸放線菌（Mycolata）的生長(zhǎng)和積聚是造成生物泡沫的主要原因，因?yàn)楹种岱啪€菌的細(xì)胞壁中所含的長(zhǎng)鏈枝狀的分枝菌酸構(gòu)成了細(xì)胞表面疏水性（CSH），而CSH又是泡沫形成的選擇性浮選的必要條件。另有研究表明，微絲菌（Microthrixparvi－cella）的存在也會(huì)引起生物泡沫。普遍認(rèn)同的與生物泡沫有關(guān)的菌屬主要有：

（1）放線菌。 包括：Nocar－dia pinesis，革蘭氏陽(yáng)性，松枝狀；Nocardia amarne，革蘭氏陽(yáng)性，枝狀菌絲；Rhodococcus sp.，革蘭氏陽(yáng)性，枝狀菌絲。

（2）絲狀菌。包括：Eikelboom type 0092，革蘭氏陰性，無(wú)鞘無(wú)分枝；EikelbMm type 0675，革蘭氏陽(yáng)性，有鞘無(wú)分枝；Micro－thrix parvicella，革蘭氏陽(yáng)性，絲狀、無(wú)鞘無(wú)分枝［3］。

不同地區(qū)和不同污水處理廠產(chǎn)生生物泡沫的微生物類(lèi)群和數(shù)量會(huì)有所差別。但是在所有菌種中最常見(jiàn)的是Nocardia amarne和Microthrix parvicella。另外，放線菌中的Nocardia asteroide、Mycobacterium sp.、Oerskoviasp.、Gordona sp.和 Nostocoidia limicola等菌種，雖然它們?cè)谄貧獬刂械臐舛炔淮螅⒉蛔阋援a(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。有報(bào)道指出，在歐洲的城市污水處理廠，生物泡沫問(wèn)題主要是由于Microthrix parvicella和Rhodococcus sp.等引起的。而在比較溫暖的氣候條件下，Nocardia amarne是主要發(fā)泡微生物。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(wèn)題 的調(diào)查顯示［5］，Nocardia amarne、Nocardia pinesis和Microthrix parvicella是該地區(qū)最常見(jiàn)的發(fā)泡微生物。美國(guó)和中國(guó)香港起泡微生物由多到少的出現(xiàn)頻率為Nocardia Pinensis，Nocardiaamarae，M.parvicella及Nocardis amarae。

1.2 產(chǎn)泡菌類(lèi)生長(zhǎng)的影響因素

1.2.1 污泥停留時(shí)間

由于絲狀菌和放線菌等微生物普遍生長(zhǎng)速率較低、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)（見(jiàn)表1），因此，污泥停留時(shí)間長(zhǎng)（SRT）就會(huì)有利于這些微生物的生長(zhǎng)。若采用延時(shí)曝氣方式，就易產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象，一旦泡沫形成，泡沫層的生物停留時(shí)間就獨(dú)立于曝氣池內(nèi)的污泥停留時(shí)間，形成穩(wěn)定持久的泡沫，不易破碎。

表1 微生物的生長(zhǎng)周期與生長(zhǎng)溫度［6］

1.2.2 溫度

與生物泡沫形成有關(guān)的菌類(lèi)都有各自適宜的生長(zhǎng)溫度和最佳溫度（見(jiàn)表1），當(dāng)環(huán)境或水溫適于它們生長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生生物泡沫。

1.2.3 污泥負(fù)荷

污泥負(fù)荷不同，產(chǎn)生生物泡沫的絲狀微生物的類(lèi)群也不同。已有研究表明，高負(fù)荷狀態(tài)（大于0.2kgBOD5/kgMLVSS﹒d）產(chǎn)生生物泡沫的污水廠的比例是低負(fù)荷狀態(tài) （小于0.1kgBOD5/kgMLVSS﹒d）的兩倍多［7］。Nocardia和放線菌在負(fù)荷高的條件下，增值速度也越快，而低溫下M.parvicella則無(wú)論負(fù)荷高低，在絲狀細(xì)菌種群中始終處于優(yōu)勢(shì)。底物中長(zhǎng)鏈脂肪酸的含量與生物泡沫的發(fā)生密切相關(guān)，脂肪酸是泡沫微生物N.amarae的唯一碳源，M.parvicella喜歡長(zhǎng)鏈脂肪酸如油酸作為碳源，處理廢水中的油、脂更有利于這些絲狀微生物的生長(zhǎng)，從而產(chǎn)生泡沫。

1.2.4 pH值

不同的絲狀微生物對(duì)pH的要求不一樣，M.parvicella最適宜pH值為7.7～8.0， 而Nocardia amarae的生長(zhǎng)對(duì)pH相當(dāng)敏感，最適宜的pH值為7.8。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)pH值從7.0下降到5.0～5.6時(shí)，可以有效減少泡沫形成。這主要是因?yàn)榈偷膒H值超過(guò)了產(chǎn)生泡沫的微生物群落對(duì)pH的極限。因此當(dāng)pH值為5.0時(shí)，就能有效控制其生長(zhǎng)。

1.2.5 溶解氧（DO）

Nocardia是典型的好氧菌，它的生長(zhǎng)與DO有很大關(guān)系。但是，在缺氧或厭氧條件下，這種微生物也不容易死亡。

2 控制泡沫的方法

生物泡沫具有持續(xù)、穩(wěn)定和較難控制的特點(diǎn)。污水處理廠的地域不同，或者工藝、環(huán)境條件不同，導(dǎo)致產(chǎn)生生物泡沫的絲狀細(xì)菌的類(lèi)群也不一樣，因此，采取的控制措施也不同，應(yīng)根據(jù)污水廠運(yùn)行的實(shí)際情況，采取不同方法控制泡沫問(wèn)題。

2.1 減少污泥停留時(shí)間

一般采用減少曝氣池中污泥的停留時(shí)間，可以抑制有較長(zhǎng)生長(zhǎng)期的放線菌的生長(zhǎng)。由于產(chǎn)生泡沫的微生物普遍生長(zhǎng)速率較慢，如Nocardia的μmax＝2.3/d，Yobs＝0.23gVSS/gCOD，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)（Nocardiaamarae為4～7d，M.parvicella為6～10d，Nocardiapinensis為10～12d）［8］。 當(dāng)污泥停留時(shí)間控制在5～6d時(shí)，能有效抑制Nocardia菌屬的生長(zhǎng)，但是減少污泥齡也有許多不適用的方面：如需要硝化時(shí)，則污泥停留時(shí)間在寒冷季節(jié)至少需要6d，如果采用這個(gè)方法會(huì)影響生物處理系統(tǒng)的脫氮效果。另外，Microthrix parvicella和一些絲狀菌卻不受污泥齡變化的影響。

2.2 降低曝氣池空氣輸入率

（1）降低曝氣池中氣提強(qiáng)度，減緩微絲菌的上浮速度。

（2）降低曝氣池中的溶解氧濃度，放線菌是典型的好氧菌，在缺氧或厭氧條件下不易生長(zhǎng)。

（3）降低曝氣池的空氣輸入量，相應(yīng)降低了微氣泡的生成量，減少了絲狀菌和放線菌機(jī)體上浮的載體，從而延緩了泡沫的形成。

2.3 曝氣池前增設(shè)生物選擇器

生物選擇器使進(jìn)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(shí)間，抑制發(fā)泡微生物的過(guò)度增殖，選擇性發(fā)展其他微生物。在厭氧或缺氧生物選擇器中，建立高負(fù)荷、低DO或厭氧的條件，使兼性的絮凝體形成菌吸附并貯存水中大部分可溶有機(jī)物，通過(guò)奪去一部分發(fā)泡微生物賴(lài)以生存的營(yíng)養(yǎng)源的方式對(duì)發(fā)泡微生物進(jìn)行控制。Paolo等在研究中用污泥負(fù)荷為11kgBOD5（以每kg MLSS每天計(jì)，下同）、平均接觸時(shí)間為18min的缺氧生物選擇器有效控制了回流污泥中的Nocardia，但是該選擇器對(duì)Microthrix parvicella則無(wú)明顯效果；當(dāng)采用污泥負(fù)荷為24kgBOD5、平均接觸時(shí)間為14min的好氧生物選擇器時(shí)則能對(duì)Microthrix parvicella有較好的控制作用［9］。

2.4 灑水

通過(guò)噴灑水流來(lái)沖碎浮在水面的氣泡，以達(dá)到減少泡沫的目的。被打散的污泥顆粒部分重新恢復(fù)沉降性能，但絲狀細(xì)菌仍然存在于混合液中，所以這種方法并不能根本消除泡沫現(xiàn)象。部分污水廠采用的消泡方法及成功率見(jiàn)表2。

表2 污水處理廠采用控制泡沫方法及成功率［10］

2.5 投加氧化劑

研究表明，投加低濃度的H2O2能氧化部分絲狀菌和放線菌殘?jiān)拖锎x過(guò)程產(chǎn)生的毒素，促進(jìn)菌膠團(tuán)菌的生長(zhǎng)，在曝氣池產(chǎn)生泡沫的敏感期，預(yù)先投加低濃度的H2O2能較好地防止泡沫產(chǎn)生［10］。 此外，在曝氣池中通O3（2～6mg/L），也可抑制Nocardia菌過(guò)多增殖產(chǎn)生的泡沫，使污泥沉降性能好轉(zhuǎn)。但此方法成本較高，應(yīng)根據(jù)污水廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)條件而定。

2.6 投加混凝劑

投加鐵鹽、鋁鹽等混凝劑可以通過(guò)其凝聚作用提高污泥的壓密性來(lái)改善污泥的沉降性達(dá)到減少泡沫危害的作用。美國(guó)洛杉磯市就有投加0.5mg/L的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺消褪了12萬(wàn)m3/d污水廠曝氣池里泡沫的成功實(shí)例［11］。但是投加混凝劑僅能短期除去曝氣池表面的絲狀菌，一般數(shù)周之后又會(huì)出現(xiàn)，并不能根除泡沫問(wèn)題，只能作為一種緊急處理的手段，不能長(zhǎng)期使用這個(gè)方法。

3 結(jié)語(yǔ)

生物泡沫是大多數(shù)城市污水活性污泥處理廠共同存在的復(fù)雜而突出的問(wèn)題，引起生物泡沫的主要原因是活性污泥中的絲狀菌個(gè)放線菌的異常增殖，影響生物浮沫產(chǎn)生的環(huán)境因子復(fù)雜，因此對(duì)于不同環(huán)境，抑制泡沫生成的控制措施不同，效果也不同，如采取減少泥齡的措施，雖然可以減少系統(tǒng)中大部分的絲狀細(xì)，但是同時(shí)也排除了硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，影響了系統(tǒng)的脫氮效果，其他方法也不能解決泡沫問(wèn)題。綜合上述，解決活性污泥法中產(chǎn)生的泡沫問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)活性污泥法運(yùn)行理論，結(jié)合工程實(shí)踐，分析當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境，研究其產(chǎn)生的機(jī)理，并考慮控制措施的技術(shù)性、可行性、經(jīng)濟(jì)性等因素來(lái)采取相應(yīng)措施，才能合理、徹底地解決活性污泥工藝中的泡沫問(wèn)題。

［1］Linda L B，Anne E H，Greenfield P F，et al.Foaming in activatedsludge plants：a survey in Queensland Australia and an evaluation of some control strategies［J］.Wat.Res.，1991，25（3）：65-66.

［2］徐鵬.一體化活性污泥處理工藝中泡沫的形成和控制［J］.山西化工，2007，27（3）：49－50.

［3］張峰，周?chē)?guó)光.活性污泥法處理過(guò)程中泡沫問(wèn)題的產(chǎn)生與控制［J］.環(huán)境污染與防治，2006，28（8）：611－612.

［4］張永勝，張向榮.膜分離技術(shù)及其在水處理中的應(yīng)用與前景［J］.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：137－139.

［5］Francis L R，Lutgarde R.Role of filamentous Microorganisms in activated sludge foaming：relationship of mycolata levels to foaming initiation and stability［J］.Wat.Res.，2002，36.

［6］李探微，彭永臻，陳志銀.活性污泥法的生物泡沫形成和控制［J］.中國(guó)給水排水，2001（17）：73－74.

［7］Paola M.Donatella D.and Giorgia G Survey of filamentous microorganisms from bulking and foaming activated sludge plants in Italy［J］.Water Res，2000，34（6）24：1767－1772 .

［8］Tyler R，Phil N，Carl J.Solution of Nocardiafoaming problems［J］.Re.J.WPCF，1990，62（7）：915.

［9］P Madoni，D Davoli.Testing the control of filamentous microorganisms responsible for foaming in a full－scale activated－sludge plant running with initial aerobic or anoxic contactzones［J］.Bioresource Technology，1997（60）：43－49.

［10］陳紅英.用投加低濃度H2O2方法控制活性污泥工藝中生物泡沫［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2003，16（3）：76－77.

［11］楊云龍，趙志強(qiáng)，鹿敬鴻.污水處理廠泡沫問(wèn)題淺析［J］.山西建筑2009，35（10）：173－174.

Mechanism of Biological Bubble and Control Measures in Wastewater Treatment Process

SHI Qi－feng，LIU Kang－h(huán)uai，SU Cheng，XU Shan，SHI Jia－gang
（College of Environmental Science and Engineering Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Excessive sudsing problems are existed widespread in activated－sludge process.The paper analyzes the mechanism of biological bubble，discuses the effects of various countries to solve current biological bubble problems and puts forward several measures of control biological bubbles.For our country’s in－depth research of activated－sludge foam problem and feasible method of controlling biological bubble， it is wished to make a lightly contribution to this aspect of research.

activated sludge processes； biological bubble； microbe produce bubble

X703.1

A

1672-9900（2011）01-0008-03

2011－01－07

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻0816002－3）

史奇峰（1986－），男（漢族），江蘇常州人，碩士，主要從事水污染控制方向的研究，（Tel）15078383245。