工藝控制對(duì)污泥膨脹的影響研究

周德超++劉波++姚芳++侯翔宇

摘 要：活性污泥法是當(dāng)下應(yīng)用最廣的污水生物處理工藝之一。在活性污泥工藝中，污泥膨脹是影響正常運(yùn)行的重要問題，表現(xiàn)在污泥膨脹的嚴(yán)重性、普遍性與高發(fā)生率。目前針對(duì)運(yùn)行過程中污泥膨脹的控制，主要是通過投加混凝劑或氧化劑，投加填料，改變污水進(jìn)水方式等方法，容易出現(xiàn)反復(fù)的情況，無法從根本解決問題。本論文通過對(duì)工藝運(yùn)行基礎(chǔ)參數(shù)的調(diào)控，研究各參數(shù)與活性污泥膨脹的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度、溶解氧濃度、曝氣量、有機(jī)負(fù)荷、氧化還原電位等工藝運(yùn)行基本參數(shù)與污泥膨脹情況均有一定的關(guān)聯(lián)性，這些工藝運(yùn)行參數(shù)的變化直接影響著污泥中微生物的結(jié)構(gòu)與組成，從而間接加劇或抑制污泥膨脹。上述研究有助于總結(jié)工藝運(yùn)行中可能引起污泥膨脹的因素，為實(shí)際工藝中控制污泥膨脹提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：污泥膨脹 運(yùn)行參數(shù) 微生物表征

污泥膨脹是世界性的難題。盡管各國對(duì)污泥膨脹問題作了大量的研究工作，至今仍沒有較為徹底的解決方法。添加藥物化學(xué)控制法只能作為臨時(shí)應(yīng)急用。由于污泥膨脹的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，受多種因素影響，這給人們對(duì)污泥膨脹的深入研究造成了一定的困難。近十多年來關(guān)于污泥膨脹的研究各國在理論和實(shí)用技術(shù)上取得很多成果，但目前有關(guān)污泥膨脹的理論還不完善，如表面積/容積比（A/V）假說，動(dòng)力學(xué)理論，饑餓假說理論、NO假設(shè)等僅是特定條件下解釋污泥膨脹問題[1，2]。所以，尚須進(jìn)一步了解引起污泥膨脹的因素，提出污泥膨脹控制技術(shù)。

1 、材料與方法

1.1活性污泥預(yù)培養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)所用活性污泥取自鄭州某城市污水處理廠，在一個(gè)有效容積為8L的圓柱形反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)，反應(yīng)器配備有一套簡(jiǎn)易曝氣裝置與恒溫裝置。該反應(yīng)器運(yùn)行方式為間歇式，全天曝氣共23 h，靜置1 h后排出上清液。然后向其中加入清水與提前配置的營養(yǎng)液保持反應(yīng)體積不變。培養(yǎng)過程中通過測(cè)定溶解氧濃度來調(diào)節(jié)曝氣量，使溶解氧濃度始終保持在3～6 mg/L左右。

通過每天測(cè)定污泥沉降比SV監(jiān)測(cè)活性污泥膨脹的狀況，另測(cè)定溶解氧濃度DO、電導(dǎo)率、污泥濃度MLSS，記錄運(yùn)行溫度與曝氣量，便于之后的對(duì)影響污泥膨脹相關(guān)因素的分析。同時(shí)定期取泥樣進(jìn)行鏡檢、三維熒光、高通量測(cè)序等進(jìn)一步分析。每24h排出1L泥以保持污泥的活性。待污泥情況穩(wěn)定一定時(shí)間后，從反應(yīng)器中取出原泥進(jìn)行污泥強(qiáng)化方面的實(shí)驗(yàn)。日常運(yùn)行中采用的進(jìn)水營養(yǎng)液成分如表1-1所示，該營養(yǎng)液中C：N：P=600：15：2。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行參數(shù)對(duì)污泥膨脹的影響

2.1.1 溫度

SVI即污泥體積指數(shù)，是衡量活性污泥沉降性能的指標(biāo)。良好的活性污泥SVI通常在50～120之間，SVI過高的污泥，極大可能發(fā)生了污泥膨脹。

從圖3-1中，可以看出這30天的恒溫控制可分為18℃和26℃兩個(gè)階段。在該批次的日常運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，除了溫度是變量外，曝氣量、進(jìn)水COD等都是可能會(huì)影響污泥沉降性能的因素。上圖數(shù)據(jù)顯示，污泥體積指數(shù)因相關(guān)條件的改變而上下波動(dòng)，而當(dāng)恒溫溫度從18℃提高至26℃時(shí)，污泥體積指數(shù)總體呈現(xiàn)明顯增多的態(tài)勢(shì)，這說明溫度是影響污泥體積指數(shù)的重要因素之一，隨著溫度升高，污泥體積指數(shù)增大，污泥膨脹現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

2.1.2 溶解氧濃度DO

圖3-2描述的是污泥體積指數(shù)與溶解氧濃度的關(guān)系。兩者大致呈現(xiàn)一個(gè)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。例如第5天時(shí)，反應(yīng)器中溶解氧濃度驟增，而污泥體積指數(shù)卻有小幅度的下降；第24天反應(yīng)器中溶解氧濃度的突然下降也致使污泥體積指數(shù)的驟增。這種負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)在整個(gè)運(yùn)行周期中都得到了充分的體現(xiàn)。

在溶解氧濃度較低的情況下，多數(shù)好氧細(xì)菌難以生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)絲狀菌較長(zhǎng)的菌絲和較大的表面積使其更容易在水體中奪得溶解氧，并能更快地生長(zhǎng)繁殖，逐漸取代其他菌種。一般認(rèn)為曝氣量不足容易引發(fā)污泥膨脹[3，4，5]，因此在低溶解氧的環(huán)境中，絲狀菌是優(yōu)勢(shì)菌屬[6，7]，絲狀菌的大量繁殖引起絲狀菌性污泥膨脹。圖3-2中污泥體積指數(shù)與溶解氧的關(guān)系也很好地印證了該種解釋。

2.1.3 有機(jī)負(fù)荷（Fr）

從圖3-3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷處于300、600mg（COD）/L時(shí)，污泥體積指數(shù)與同溫度階段的其他負(fù)荷情況相比都較大，而當(dāng)有機(jī)負(fù)荷處于1200、1800mg（COD）/L時(shí)，污泥體積指數(shù)相較于同溫度的低負(fù)荷階段都有明顯的降低。

當(dāng)有機(jī)負(fù)荷處于較高水平時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)底物充裕，在這種環(huán)境中絮狀菌比絲狀菌具有更強(qiáng)的吸附于存貯營養(yǎng)物質(zhì)的能力[8][9]，能夠充分利用高濃度的底物用以生長(zhǎng)繁殖，從而具有更高的生長(zhǎng)速率，抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)。反之，在長(zhǎng)時(shí)間處于低有機(jī)負(fù)荷的情況下，底物濃度較低，絮狀菌的生長(zhǎng)由于長(zhǎng)時(shí)間缺乏營養(yǎng)物質(zhì)而受到抑制，也更難以較快繁殖，而絲狀菌具有較大的比表面積，當(dāng)環(huán)境體系處于低營養(yǎng)狀態(tài)時(shí)，絲狀菌的菌絲會(huì)從菌膠團(tuán)中伸展出來以增加其攝取營養(yǎng)的表面積[10]，因而伸出絮體之外的絲狀菌比絮狀菌更容易獲取底物吸收營養(yǎng)，生長(zhǎng)速率也更高，逐漸取代絮狀菌成為活性污泥絮體中的優(yōu)勢(shì)菌種。此外，絲狀菌越多，其菌絲越長(zhǎng)，菌絲纏連形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致活性污泥難以沉降，污泥體積指數(shù)升高，引起活性污泥的絲狀菌性膨脹。

2.1.4 ORP

ORP值，即氧化還原電位，是反映水體水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。水體中，每一種物質(zhì)都有特有的氧化還原屬性，具有不同的氧化或還原能力，它們彼此相互影響，最終構(gòu)成了整個(gè)水體的宏觀氧化還原屬性。電位為正時(shí)，水體表現(xiàn)出一定的氧化性，為負(fù)時(shí)則表現(xiàn)出還原性，ORP的數(shù)值越高，其所表現(xiàn)的相應(yīng)屬性的性能越強(qiáng)。

由圖3-4可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)工藝運(yùn)行期間，水體的氧化還原電位值都處于上下波動(dòng)的狀態(tài)。在工藝運(yùn)行的前半段時(shí)間內(nèi)，污泥體積指數(shù)與ORP之間并未呈現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)性，而在第16天到第26天的運(yùn)行過程中，污泥體積指數(shù)隨著氧化還原電位的波動(dòng)而正相關(guān)變化。此外，18℃階段污泥的氧化還原電位均值為正，說明該階段的污泥體系總體表現(xiàn)出氧化性，同時(shí)26℃下的污泥的氧化還原電位均值為負(fù)，說明該階段的污泥體系總體呈還原性。與之對(duì)應(yīng)地，26℃階段的污泥體積指數(shù)普遍高于18℃階段的值，即當(dāng)污泥體系呈還原性時(shí)，污泥膨脹現(xiàn)象更為嚴(yán)重。好氧活性污泥法處理廢水的要求之一是活性污泥具有良好的氧化有機(jī)物與自身絮凝能力[11]。上述兩者的相關(guān)性很好地體現(xiàn)了這一論點(diǎn)。雖然該階段的運(yùn)行并不能說明污泥體積指數(shù)與氧化還原電位具有直接的影響關(guān)系，但兩者之間的相關(guān)性仍不容忽視。

2.2 污泥相表征

由圖3-5可以看出，此時(shí)的活性污泥呈茶褐色絮絨顆粒狀，存在大量絮狀菌，菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)明顯，顆粒飽滿均勻，泥液界面清晰。同時(shí)絮體中存在少量絲狀菌，其在菌膠團(tuán)的形成中起到骨架作用。

由圖3-6可以看出，此時(shí)的活性污泥絮體中菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)明顯，絮狀菌大大減少，污泥絮體顆粒相比初始原泥的絮絨狀顆粒更為清晰，泥液界面分明?；钚晕勰嘈躞w中存在少量絲狀菌交織連接著菌膠團(tuán)。

圖3-7反映的是運(yùn)行中期時(shí)反應(yīng)器里污泥的鏡檢情況，為了更清楚地反映出污泥微生物結(jié)構(gòu)的變化，此時(shí)放大200倍對(duì)其進(jìn)行觀察?？梢园l(fā)現(xiàn)此時(shí)活性污泥絮體的顆粒結(jié)構(gòu)相對(duì)變小而分散，數(shù)量也有所減少，絮體中絲狀菌的數(shù)量相比原始污泥和運(yùn)行初期明顯增多。與此相對(duì)應(yīng)的，運(yùn)行中期的污泥體積指數(shù)比初期也有了相應(yīng)的增加。

圖3-8顯示了運(yùn)行后期污泥絮體的鏡檢情況，可以看到后期的活性污泥中顆粒狀絮體的數(shù)量大大減少，幾乎已經(jīng)不存在，而絲狀菌的數(shù)量比之前有了更進(jìn)一步的增多，同時(shí)在污泥體系中還存在許多游離的細(xì)菌。絲狀菌連接纏繞粘附游離細(xì)菌所形成的具有致密結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)成了后期活性污泥絮體的主要構(gòu)成。此時(shí)的活性污泥的體積指數(shù)大大增加，活性污泥膨脹現(xiàn)象也更為嚴(yán)重。

3、結(jié)論

（1）通過對(duì)工藝運(yùn)行過程中的基本參數(shù)分析可知，溫度升高，水體溶解氧濃度較低，曝氣量不足，長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)，污泥體系呈較低氧化性時(shí)這幾種情況是，活性污泥膨脹的情況均會(huì)有不同程度地加劇?？梢酝ㄟ^適當(dāng)降低溫度，提高水體溶解氧濃度，向污泥體系提供充足曝氣量，并給予足夠水平的有機(jī)負(fù)荷等方法來控制活性污泥膨脹。

（2）本階段試驗(yàn)對(duì)工藝運(yùn)行中不同階段的污泥進(jìn)行鏡檢，觀察發(fā)現(xiàn)污泥絮體中絲狀菌的數(shù)量與其形成的結(jié)構(gòu)對(duì)活性污泥膨脹有較大的影響?？梢酝ㄟ^抑制絲狀菌的生長(zhǎng)繁殖來控制活性污泥膨脹。

參考文獻(xiàn)：

[1]高廷耀. 水污染控制工程[M]. 北京：高等教育出版社，2007

[2]廖嘉俊. 城市污水處理廠污泥膨脹的研究現(xiàn)狀[J]. 廣東化工， 2012， 39（10）：124-126.

作者簡(jiǎn)介：

姓名：周德超，出生年月：1987年3月7日，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：湖北省天門市凈潭鄉(xiāng)，學(xué)歷：本科，研究方向：環(huán)境工程，作者單位：南京大學(xué)，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學(xué)，單位所在地郵編：210046

第二作者：劉波，作者單位： 南京大學(xué)，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學(xué)仙林校區(qū)，單位所在地郵編： 210046

第三作者：姚芳，作者單位： 南京大學(xué)，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學(xué)仙林校區(qū)，單位所在地郵編： 210046。

第四作者：侯翔宇，作者單位： 南京大學(xué)，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學(xué)仙林校區(qū)，單位所在地郵編： 210046。