厭氧消化泡沫形成的影響因素探究

張 玨，邢保山，馬 春，王 慧，金仁村

（杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州 310036）

隨著工農業(yè)的發(fā)展，大量有機廢水隨之產生，而這些廢水的厭氧消化也得到了廣泛關注[1]。厭氧消化具有眾多優(yōu)點，如低剩余污泥產量、低能源消耗、可回收能源等[2]。同時，該工藝在應用中常有泡沫產生，嚴重影響了反應器和設備的正常運轉[3-5]。Oerther等[6]將活性污泥表面產生的具有黏滯性、深褐色的氣泡定義為生物泡沫。在表面活性劑存在的條件下，由于厭氧產氣發(fā)生攪拌形成大量氣泡，Varley等[7]將其稱為表面活性劑泡沫。由此可知，厭氧消化池中的泡沫由污泥表面的液膜所包圍的氣泡累積而成。

厭氧消化池中泡沫的產生使得氣體的傳遞效率降低，增加了能耗；同時，泡沫還導致消化池內污泥濃度呈逆向分布，使得消化池上部污泥濃度高，下部濃度低，進而使得死區(qū)增加，有效體積減少，不利于工藝的穩(wěn)定運行。此外，過量的泡沫不僅易于造成氣體混合設備及氣體收集管道堵塞，而且不利于污泥回流裝置的正常運行。由此帶來的能耗、人力成本和消泡劑使用等均會導致運行成本增加，成為污水處理廠面臨的一個重要挑戰(zhàn)[8-11]。

通過厭氧消化泡沫成因的研究，一般認為厭氧消化池中的泡沫問題主要由于有機負荷過高，造成揮發(fā)性脂肪酸尤其是乙酸大量積累所致，或者是由于污泥中絲狀菌的過量繁殖引發(fā)。Barjenbruch等[3]和 Barber[4]研究表明，混合不足、溫度波動、負荷沖擊、胞外聚合物以及疏水性物質等因素也可導致厭氧消化泡沫的形成。然而，由于試驗研究的局限性，對于厭氧消化中形成泡沫的其它影響因素仍有待進一步研究。

鑒于此，本文作者重點討論了影響厭氧消化池中泡沫形成的化學組分和微生物類群，綜述了有關泡沫形成影響因素的最新研究進展，就其中存在的問題及以后的探究方向進行了闡述，以期為厭氧消化過程中泡沫產生機制的進一步探究提供支持。

1 表面活性劑

表面活性劑包括油類、揮發(fā)性脂肪酸、洗滌劑、蛋白質等[12]。消化池中表面活性劑的濃度是影響泡沫形成的一個關鍵因子[13-15]。表面活性劑吸附到氣泡上，延長氣泡壽命，從而導致泡沫形成[10，16]。表面活性劑對厭氧消化泡沫的影響取決于表面活性劑化學組分的特性。蛋白質相對于脂類和纖維較難降解，使其對泡沫的影響更為顯著。乙酸積累是否導致泡沫產生尚無定論。厭氧條件下，洗滌劑也較難降解，所以厭氧消化池中洗滌劑的存在對于泡沫的發(fā)生也起到一定作用。

諸多研究[12-17]認為，厭氧消化泡沫成因需要重點考慮以下兩方面因素：一方面，在厭氧消化池中，表面活性劑相互之間以及表面活性劑與污泥中固體顆粒物之間的相互作用，在一定程度上可以增加或者減少泡沫的形成；另一方面，表面活性劑在厭氧消化工藝中分解為更小成分（如有機酸），或徹底礦化，使得其作用尚不明確，探明這些物質在厭氧消化過程中的降解途徑及其副產物組分，有利于理解表面活性劑對于泡沫形成的影響。厭氧消化池中蛋白質以及洗滌劑由于較難降解形成蓄積，乙酸的積累和產甲烷菌對乙酸的部分利用等因素導致厭氧消化不穩(wěn)定，促進了泡沫形成。因此，對諸如表面活性劑的臨界濃度、表面張力、氣速等關鍵參數(shù)，進行定性或定量監(jiān)測顯得尤為必要[18-19]。

此外，當表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的濃度低于臨界膠束濃度（critical micelle concentration，cmc）時，表面活性劑分子以單體的形態(tài)存在，而濃度高于cmc時則以膠束的形態(tài)存在[12，20]。Schramm[21]研究表明，表面活性劑分子濃度高于cmc時，會形成大量膠束，此時表面活性劑對泡沫的影響顯著。簡言之，表面活性化合物濃度超過cmc時，如果溶液中同時存在氣泡，就會形成泡沫。Clarkson等[22]報道稱牛血清蛋白的cmc為0.03 mg/mL。Garcia等[11]指出直鏈烷基磺酸鹽（LAS）的cmc隨著 LAS 同源烷基鏈（1.5 × 10?3～2.0 × 10?5mol/L）的增長而呈減小的趨勢。

2 絲狀菌

許多文獻都指出絲狀菌，如戈登氏菌（Gordonia amarae）和微絲菌（Microthrix parvicella），是誘導厭氧消化泡沫形成的主要原因[23-27]。此外，絲狀菌引發(fā)泡沫形成的同時能夠保持泡沫穩(wěn)定[10]。厭氧消化池剩余污泥中的絮狀顆粒污泥表面均出現(xiàn)絲狀菌。G. amarae和M. parvicella均是好氧菌，然而相關文獻稱二者在厭氧條件下也能存活[28]。吸附在生物泡沫上的絲狀菌由于自身疏水性，使得生物泡沫朝著水面聚集。隨著厭氧消化池水面表面活性劑的增多，絲狀菌越聚越多，導致污泥表面張力降低，從而促進泡沫的形成[4]。

Hernandez等[28]研究了中溫厭氧消化污泥中G.amarae的存活數(shù)。濃度為 0.05～0.1 gGordonia/g TSS的戈登氏菌屬（Gordoniaspp.），在實驗室規(guī)?；蚬I(yè)規(guī)模的厭氧消化池中均能產生嚴重的生物泡沫現(xiàn)象。Hernandez等[28]研究表明，雖然Gordoniaspp.是專性好氧菌，但在厭氧條件下保存 14 d，仍有60%的Gordoniaspp.存活。此外，相對于兩相消化系統(tǒng)，Gordoniaspp.在單相消化系統(tǒng)中的多樣性衰減速率更慢，其中單相消化系統(tǒng)的一階速率常數(shù)為0.02/d。此外，Mamais等[29]發(fā)現(xiàn)M. parvicella在缺氧或厭氧條件下同樣能存活。

Pagilla等[8]平行運行兩個工業(yè)規(guī)模的厭氧消化池，一個采用機械混合，另一個采用氣體混合，每隔一段時間對消化池中的泡沫進行取樣，對泡沫上的菌體進行監(jiān)測分析，經(jīng)過近300 d的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，污泥中過量的Gordoniaspp.（多達107個/g VS）顯著影響氣體混合消化池中的泡沫層。

Gordoniaspp.和M. parvicella引發(fā)活性污泥形成泡沫的同時，也能導致厭氧消化池中生物泡沫的形成。Pagilla等[8]和Westlund等[9]將這兩種絲狀菌定義為工業(yè)化規(guī)模厭氧消化池的發(fā)泡劑。關于活性污泥中泡沫成因的研究表明，除了菌體促使泡沫穩(wěn)定以外，Gordoniaspp.、M. parvicella及其它絲狀菌也可通過產生生物表面活性劑啟動泡沫[30]。目前，針對厭氧消化池中形成的泡沫，文獻僅僅對相關菌群及菌群豐度進行了研究，對其有無生物表面活性劑的產生缺乏研究。厭氧消化池中絲狀菌數(shù)量的減少并不明顯，使得這些絲狀菌在厭氧消化池中仍有可能分泌生物表面活性劑，說明活性污泥與厭氧消化池泡沫形成機理具有相同點。對擁有相似形態(tài)學特征的其它絲狀菌，就其對厭氧消化池中泡沫產生的影響進行研究，可以為確認何種絲狀菌引發(fā)泡沫形成提供理論依據(jù)。

3 溫 度

與生物泡沫形成有關的絲狀菌都有各自適宜的生長溫度[31-32]，如表1所示。諾卡氏菌（Nocardia amarae）為 23～27 ℃、松樹樣諾卡氏菌（N.pinensis）為15～31 ℃，M. parvicella的適應范圍較廣，為8～35 ℃，適合的生長環(huán)境溫度較低。當環(huán)境溫度或水溫有利于它們生長時，就可能產生泡沫。大多數(shù)諾卡氏菌屬和其它絲狀菌能夠在較寬的溫度范圍內存活[33]。這些絲狀菌可以在發(fā)泡活性污泥中分離出來，也能在不同溫度下進行實驗室培養(yǎng)。大多數(shù)絲狀菌能夠在 30～35 ℃的培養(yǎng)基中生長，意味著中溫厭氧消化池的溫度對絲狀菌的生長并無不利影響。此外，中溫厭氧消化池中形成泡沫的主要因素在于，泡沫基體內的溫度低于污泥絮體，有利于泡沫基體中細菌的增殖。此外，對于活性污泥，溫度還可通過改變系統(tǒng)中微生物群落結構，導致生物泡沫的產生。

表1 與泡沫形成有關的主要菌群及其生長溫度

Dohanyos等[34]研究表明：相比于中溫消化，高溫消化較難形成泡沫。其原因可能在于較高溫度利于降低表面張力和污泥黏度，使形成的泡沫穩(wěn)定性下降[4，35]。因此，在泡沫連續(xù)產生的情況下，高溫消化能夠有效地部分或全部消除所產生的泡沫。

此外，研究溫度與泡沫形成的關系，需要考慮溫度波動的影響。溫度波動影響厭氧消化中微生物的代謝活性，致使厭氧消化效果不佳從而引起表面活性劑積累。Chae等[36]通過豬糞厭氧消化過程研究了溫度波動的影響，表明溫度從35℃降至30℃僅對沼氣產量具有影響，并未提及產生泡沫。

4 有機負荷

在不同的負荷下，生物泡沫中的絲狀菌的種群是不同的。在高負荷條件下，Nocardia會大量增殖，產生泡沫。然而，在低溫條件下，無論負荷高低，M. parvicella在絲狀菌種群中始終為優(yōu)勢菌[29]。

相關研究表明：有機負荷過量會導致泡沫形成[23，37-38]，其原因可能在于消化池內過量的化合物不能被細菌完全降解，造成疏水性增強或表面活性劑累積，進而促進泡沫形成[20，31-32]。傳統(tǒng)中溫厭氧消化的市政污泥中可揮發(fā)性有機負荷為 1.0～7.2 kgVS/(m3·d）[16，37，39-41]。Brown 等[37]認為，有機負荷若超過 4.5 kgVS/(m3·d），在消化池中易形成泡沫。然而，尚鮮見支持上述結論的定量研究。因此，盡管許多研究認為有機負荷是泡沫形成的重要影響因素，但仍缺乏研究證實泡沫形成與有機負荷之間的確切關系。污泥特性存在差異，使得不同消化池內泡沫出現(xiàn)時，相應的有機負荷閾值也不同。

5 攪拌方式和消化池構型

攪拌使消化池中的液相與微生物充分接觸，從而有利于工藝最佳性能的實現(xiàn)[39]。攪拌的關鍵是避免液相出現(xiàn)死區(qū)，死區(qū)的出現(xiàn)會減少消化池的有效體積。Pagilla等[8]通過在相同進水基質和操作條件（如負荷、溫度）下，運行氣體混合式和機械混合式消化池，結果發(fā)現(xiàn)：氣體混合式消化池存在更多的泡沫積累。一般認為，氣體混合式消化池中液相氣泡的存在促進了表面活性劑和污泥中的疏水性物質吸附到氣泡上，為泡沫形成提供了有利條件。隨著氣泡上升至消化池液體表面，表面活性劑和疏水性物質在氣泡周圍就會形成液膜，阻止泡沫破碎，增加表面活性，形成更多的泡沫。Barber[4]指出氣體混合是形成厭氧消化泡沫的操作因素，Moen[23]將微氣泡混合系統(tǒng)視為厭氧消化泡沫形成的原因之一。此外，攪拌不足或過度同樣可以導致泡沫的形成[8，23，37]。一方面，在工業(yè)規(guī)模的厭氧消化系統(tǒng)中，攪拌不足致使泥水分離，氣液交界處表面活性物質降解不足，出現(xiàn)積累，致使表面活性增加，形成泡沫；另一方面，過度攪拌增加了液相中氣泡數(shù)量，促進了表面活性劑和疏水性物質的吸附，增加了表面活性和泡沫的數(shù)量；其中，形成的泡沫除了由于氣體過量形成的氣泡外，還包括由于攪拌過度形成的氣泡[42]。

不同的消化池構型具有不同的優(yōu)缺點。與蛋形消化池相比，圓筒形消化池具有較大的表面積，蛋形消化池具有更大的氣體儲存體積，有利于浮渣和泡沫的積累；然而，蛋形消化池液面以上有限的表面積減少了浮渣和泡沫的積累。在圓筒形消化池中觀察到攪拌不足和砂礫堆積造成消化池中出現(xiàn)死區(qū)，污泥短路，然而在蛋形消化池中這些問題較少出現(xiàn)。圓筒形消化池應用更為廣泛，其原因在于蛋形消化池基建費用較高，而且到目前為止尚無文獻報道蛋形消化池中不產生泡沫[42]。

總之，攪拌形式和消化池構型對于厭氧消化的效率具有重要的作用，攪拌過量或不足均會導致泡沫形成。因此，對于工業(yè)規(guī)模的消化池進行攪拌效率的監(jiān)測，探明泡沫形成與不恰當攪拌的關系，同時研發(fā)新構型消化池，對于控制泡沫對于消化工藝的不良影響具有重要的理論和實際意義。

6 結 語

厭氧消化池內表面活性介質的累積、污泥中絲狀菌的過度增殖、溫度波動、過高的有機負荷、欠佳的攪拌方式以及消化池構型等，均在一定程度上誘發(fā)厭氧消化池中泡沫的形成。在日常工作中，操作者可通過參數(shù)調控，諸如減少溫度波動和表面活性物質積累、保持消化池混合適度等措施，控制泡沫的形成。厭氧消化池中泡沫形成的環(huán)境因素較為復雜，各因素間的交叉作用有待于進一步研究。根據(jù)泡沫形成機理，結合工程的實際情況，考慮控制措施的經(jīng)濟性和合理性，是有效控制泡沫的關鍵。與國外相比，我國在該領域的研究尚未起步，開展該方面的研究，剖析厭氧消化泡沫的形成機制，提出有效的預防和控制措施，對污水處理廠的高效低耗運行具有重要的現(xiàn)實意義。

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