A/O法生物脫氮工藝中污泥膨脹的分析研究

陳 誠(chéng) 黃曉秋 傅少林

(江蘇華昌化工股份有限公司江蘇張家港215634)

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A/O法生物脫氮工藝中污泥膨脹的分析研究

陳 誠(chéng) 黃曉秋 傅少林

(江蘇華昌化工股份有限公司江蘇張家港215634)

A/O法生物脫氮工藝在處理含氨廢水方面得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果，但是A/O法生物脫氮工藝在實(shí)際運(yùn)行中始終伴隨著一個(gè)棘手的問(wèn)題——污泥膨脹。其主要表現(xiàn)為：污泥結(jié)構(gòu)松散，沉淀性能差；污泥沉降比SV值增大(有時(shí)達(dá)95%以上，污泥容積指數(shù)SVI達(dá)到200以上)；二次沉淀池難以固液分離，導(dǎo)致大量污泥流失，出水中懸浮物含量超標(biāo)；回流污泥濃度低，好氧池經(jīng)常伴隨著大量的泡沫產(chǎn)生，會(huì)直接影響整個(gè)生化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

污泥膨脹分為2種：一種是由于活性污泥中的絲狀菌過(guò)渡增殖引起的絲狀菌型污泥膨脹；另一種是由于高親水性黏性物質(zhì)大量積累附著在污泥上，導(dǎo)致其密度變小，引起黏性膨脹，屬于非絲狀菌型污泥膨脹。研究表明，90%以上的污泥膨脹是由絲狀菌過(guò)度增殖引起的。

1 合成氨工業(yè)廢水的主要特點(diǎn)

以煤為原料采用固定層造氣爐制半水煤氣的合成氨生產(chǎn)工藝，產(chǎn)生的工業(yè)廢水的主要特點(diǎn)：①氨氮含量高，且波動(dòng)較大；②含有硫化物，主要來(lái)源于原料氣脫硫處理過(guò)程中產(chǎn)生的殘液進(jìn)入污水系統(tǒng)；③合成氨工業(yè)廢水中有機(jī)物含量低，對(duì)A/O生物脫氮系統(tǒng)而言，表現(xiàn)為缺乏碳源；④好氧池水溫高，夏季超過(guò)40 ℃。A/O生化系統(tǒng)主要水質(zhì)指標(biāo)及好氧池相關(guān)參數(shù)變化情況見(jiàn)表1。

表1 A/O生化系統(tǒng)主要水質(zhì)指標(biāo)及好氧池相關(guān)參數(shù)變化情況

注：MLSS為混合液懸浮固體濃度。

2 污泥膨脹的主要原因

2.1 絲狀菌

絲狀菌是一大類(lèi)菌體相連而形成絲狀的微生物的統(tǒng)稱(chēng)，有學(xué)者將絲狀菌分為29個(gè)類(lèi)型、7個(gè)群，并制成了活性污泥絲狀菌微生物檢索表。不同運(yùn)行條件下污泥膨脹中優(yōu)勢(shì)絲狀菌類(lèi)型如表2所示。

表2 不同運(yùn)行條件下污泥膨脹中優(yōu)勢(shì)絲狀菌類(lèi)型

絲狀菌的功能與其結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)。長(zhǎng)絲狀形態(tài)有利于其在固相上附著生長(zhǎng)，長(zhǎng)絲狀形態(tài)比表面積大，有利于攝取低濃度底物，在底物濃度相對(duì)較低的條件下比菌膠團(tuán)增殖速度快，在底物濃度較高時(shí)則比菌膠團(tuán)繁殖速度慢。許多絲狀菌表面具有膠質(zhì)的鞘，能分泌黏液，黏液層能夠保證一定的胞外酶濃度，并減少水流對(duì)細(xì)胞的沖刷。

絲狀菌生物種類(lèi)繁多、數(shù)量大，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求低。其生理生長(zhǎng)特性表現(xiàn)為：吸附能力強(qiáng)、繁殖速率快、耐低溶解氧能力以及耐低基質(zhì)濃度的能力都很強(qiáng)。根據(jù)絲狀菌是否易被菌膠團(tuán)附著，形成污泥絮體分為結(jié)構(gòu)型絲狀菌和非結(jié)構(gòu)型絲狀菌。在正常水處理運(yùn)行工況下，具有結(jié)構(gòu)絲狀菌的絮體占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，非結(jié)構(gòu)絲狀菌因其表面含有特定的抗體不易被菌膠團(tuán)附著，彼此存在拮抗關(guān)系，因此其存在的數(shù)量很少。正常運(yùn)行情況下，菌膠團(tuán)菌的最大生長(zhǎng)速率較絲狀菌高，其生長(zhǎng)是占優(yōu)勢(shì)的。如果一旦所處的環(huán)境發(fā)生了較大的有利于絲狀菌增殖的變化，超過(guò)了活性污泥這個(gè)微生物群落自身的調(diào)節(jié)能力，就會(huì)導(dǎo)致絲狀菌過(guò)度繁殖而觸發(fā)污泥膨脹。

2.2 污泥膨脹的主要原因

一直以來(lái)，對(duì)于活性污泥膨脹的誘發(fā)機(jī)理有許多不同的理論。其中比較有影響的理論如下：

(1)比表面積假說(shuō)。該理論認(rèn)為絲狀菌的比表面積要大大超過(guò)菌膠團(tuán)微生物的比表面積。當(dāng)基質(zhì)受限制時(shí)，絲狀菌生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)，而菌膠團(tuán)微生物的生長(zhǎng)受到抑制。此假說(shuō)解釋低基質(zhì)濃度和C、P元素缺乏型的污泥膨脹比較有效。

(2)積累/再生假說(shuō)。它能對(duì)高負(fù)荷條件下發(fā)生絲狀菌污泥膨脹問(wèn)題做較為合理的解釋。

(3)Chudoba等人在1973年提出的選擇性理論。該理論以微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同種類(lèi)微生物的最大生長(zhǎng)速率和飽和常數(shù)Ks不同，分析絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)情況，從而對(duì)污泥膨脹現(xiàn)象做出合理的解釋?zhuān)壳霸摾碚撘驯蝗藗儚V泛接受。

(4)污泥膨脹饑餓假說(shuō)。Chiesa等人綜合不同研究者的結(jié)果，并根據(jù)污水中不可降解基質(zhì)和微生物衰減系數(shù)對(duì)微生物生長(zhǎng)速率的影響而提出。通過(guò)對(duì)近些年來(lái)活性污泥膨脹問(wèn)題國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的綜合分析，可以將主要的活性污泥絲狀菌膨脹的原因分為5種類(lèi)型：①基質(zhì)限制；②低溶解氧限制；③營(yíng)養(yǎng)物缺乏；④低pH沖擊；⑤高硫化物或腐化廢水因素等膨脹類(lèi)型。

3 活性污泥膨脹的防治措施

3.1 預(yù)防措施

污泥膨脹在各種類(lèi)型的活性污泥工藝中都不同程度的存在，一旦發(fā)生污泥膨脹就難以控制或需相當(dāng)長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間。一般發(fā)生只要2～3 d，而恢復(fù)正常卻要3倍泥齡以上的時(shí)間，故采取一些預(yù)防措施是很有必要的，也是應(yīng)該在實(shí)際運(yùn)行中值得重視的。在工藝負(fù)荷的選擇上，應(yīng)避開(kāi)容易引起污泥膨脹的負(fù)荷范圍；在運(yùn)行過(guò)程中，逐步調(diào)整運(yùn)行參數(shù)或運(yùn)行方式，以適應(yīng)不斷變化的水質(zhì)及水量，創(chuàng)造出一個(gè)適合菌膠團(tuán)生長(zhǎng)的環(huán)境，避免污泥膨脹的發(fā)生。尤其在污泥膨脹發(fā)生的初始階段，通過(guò)監(jiān)測(cè)污泥沉降性能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、找出問(wèn)題并提出解決方案，使問(wèn)題在初期得到解決。防止污泥膨脹的發(fā)生是解決污泥膨脹的最好辦法。絲狀菌型污泥膨脹的對(duì)策見(jiàn)表3。

3.2 活性污泥膨脹控制措施

傳統(tǒng)控制絲狀菌引起的污泥膨脹的主要手段是利用絲狀菌具有較大的比表面積值，采用藥劑(如二氯異氰尿酸或次氯酸鈉等)殺死絲狀菌， 或是投加無(wú)機(jī)混凝劑或有機(jī)混凝劑或助凝劑以增加污泥絮體的密度。但實(shí)踐證明這些方法無(wú)法徹底解決污泥膨脹問(wèn)題，往往一停止加藥，污泥膨脹就會(huì)繼續(xù)發(fā)作，并且相反地會(huì)帶來(lái)出水水質(zhì)惡化的不良后果。隨著研究的逐步深入，人們認(rèn)識(shí)到活性污泥中的菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌會(huì)形成一個(gè)共生的微生物生態(tài)體系。在這種共生的生態(tài)體系中，絲狀微生物作為污泥絮體的骨架是不可缺少的重要組成部分，對(duì)于高效、穩(wěn)定地凈化廢水起重要作用。人們逐漸從簡(jiǎn)單地殺死絲狀菌過(guò)渡到利用曝氣池中的生長(zhǎng)環(huán)境，調(diào)整菌膠團(tuán)和絲狀菌的比例，從而達(dá)到控制污泥膨脹發(fā)生的目的(即環(huán)境調(diào)控階段)。環(huán)境調(diào)控概念的運(yùn)用是人們?cè)谖勰嗯蛎浛刂萍夹g(shù)和實(shí)踐上的一大進(jìn)步。其主要出發(fā)點(diǎn)是使曝氣池中的生態(tài)環(huán)境有利于選擇性地發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，應(yīng)用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制來(lái)抑制絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)和繁殖，將絲狀菌控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，從而控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展速率。同時(shí)，利用絲狀菌特性?xún)艋鬯?，穩(wěn)定處理工藝。近年來(lái)，選擇器理論得到充分發(fā)展和應(yīng)用就是環(huán)境調(diào)控概念的具體體現(xiàn)。

表3 絲狀菌型污泥膨脹的對(duì)策

當(dāng)污泥膨脹初期沒(méi)能得到及時(shí)控制而導(dǎo)致大面積爆發(fā)時(shí)，首先要查找原因，確定污泥膨脹的類(lèi)型；如果是絲狀菌引起的污泥膨脹，需要通過(guò)對(duì)各種運(yùn)行條件的分析，確定引起絲狀菌型污泥膨脹的具體原因，然后“對(duì)癥下藥”。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)合成氨工業(yè)廢水中氨氮含量往往很高，必須采取源頭控制為原則的污染防治措施，不斷改進(jìn)化工生產(chǎn)工藝，減少氨氮含量和排放總量。原則上進(jìn)入A/O生化系統(tǒng)的氨氮質(zhì)量濃度不得超過(guò)400 mg/L，否則生化系統(tǒng)將很難正常運(yùn)行。

(2)碳源不足是合成氨工業(yè)廢水生化處理過(guò)程中出現(xiàn)污泥膨脹的重要原因之一。通?？赏ㄟ^(guò)將生活污水引入生化系統(tǒng)或直接投加甲醇來(lái)補(bǔ)充碳源。

(3)夏季，好氧池水溫超過(guò)硝化細(xì)菌最適宜的溫度范圍，易引起污泥沉降性能下降，處理效果降低。必須采取有效措施將好氧池水溫控制在35 ℃以下。通常，可采用對(duì)高溫污水預(yù)冷卻或在好氧池表面設(shè)置噴淋冷卻水，前者效果顯著。

(4)活性污泥的微生物是多種微生物的群體，作為一個(gè)微生物群落的生態(tài)系統(tǒng)，其正常的生態(tài)平衡受到各方面因素的影響，使得污泥膨脹的機(jī)理和影響因素變得相當(dāng)復(fù)雜，并且經(jīng)常與生物泡沫、污泥上浮等異?，F(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)，既要從宏觀角度考慮，又要從微觀角度考慮，在環(huán)境調(diào)控的原則下，做到對(duì)具體情況進(jìn)行具體分析。

(5)由于污泥膨脹的復(fù)雜性，在某些方面認(rèn)識(shí)還不一致，還需要人們繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步完善污泥膨脹理論，對(duì)污泥膨脹進(jìn)行系統(tǒng)、研究是十分必要的。

2016- 06- 18)