活性污泥膨脹誘因及其控制分析

段志廣

摘 要：活性污泥的絲狀菌性膨脹，是活性污泥污水處理過程中遇到的最棘手問題，將導(dǎo)致污泥沉降性能變差，廢水處理效果降低。本文研究了引起污泥膨脹的誘因微生物及其生長特性，并采取一定措施來控制污泥的膨脹現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，添加抑制劑和改變進水的C/N比例及污泥有機負荷，均能有效地控制污泥的膨脹現(xiàn)象，其中，次氯酸鈉的用量為15 ppm，C/N比例為25：1，污泥負荷為0.6 kgBOD5/（kgMISS.d）。

關(guān)鍵詞：污泥膨脹;絲狀菌;抑制劑;C/N比例;有機負荷

中圖分類號：X703 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0090-04

Abstract： Filamentous bulking of activated sludge is the most difficult problem encountered in the process of activated sludge wastewater treatment， which will lead to poor sludge sedimentation performance and reduced wastewater treatment effect. In this paper， the inducement microorganisms causing sludge bulking and their growth characteristics were studied， and some measures were taken to control sludge bulking. It was found that adding inhibitors and changing the C/N ratio of influent and sludge organic load can effectively control the sludge bulking phenomenon， in which the dosage of sodium hypochlorite is 15 ppm， the C / N ratio is 25：1， and the sludge load is 0.6 kgBOD5 / （kgMISS. d）.

Keywords： sludge bulking; filamentous bacteria; inhibitors; C/N ratio; organic load

活性污泥膨脹主要分為兩種：一種是由污泥中絲狀菌大量繁殖造成的絲狀菌膨脹;另一種是由污泥中微生物代謝產(chǎn)物粘在一起形成的黏性菌膠團膨脹。在污水處理中更常見的是由絲狀菌大量繁殖引起的污泥膨脹，90%的污泥膨脹是由活性污泥中絲狀菌的過量生長而引起的。污泥膨脹使污泥的沉降性能變差，影響整個出水水質(zhì)處理工藝，增加污泥的處理難度和處置費用，使整個處理過程難以控制。而且是活性污泥法污水處理廠運行過程中經(jīng)常遇到的最棘手的問題之一[1，2]。1993年，歐盟聯(lián)合組織攻關(guān)活性污泥膨脹問題，但始終沒有獲得徹底有效地解決方法[3，4]。目前，有關(guān)污泥絲狀菌膨脹的成因、機理及其控制途徑的研究很多[5-7]，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)造成污泥膨脹的誘因微生物多達30多種[8]，但對于造成維生素廢水絲狀菌污泥膨脹的誘因微生物及其膨脹控制辦法，目前國內(nèi)外相關(guān)研究較少。本研究對象來源于某煤化工企業(yè)污水處理廠發(fā)生絲狀菌膨脹的活性污泥，主要針對引起污泥膨脹的誘因微生物進行研究，并在此基礎(chǔ)上對其采取合理的控制措施來控制污泥的膨脹現(xiàn)象。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗中的菌種取自某煤化工企業(yè)發(fā)生膨脹的活性污泥;試驗用廢水取自該廠生產(chǎn)排放的綜合廢水。

分離富集培養(yǎng)基：葡萄糖為0.5 g，NH4Cl為0.01 g，MgSO4為0.01 g，K2HPO4為0.01 g，NaCl為0.1 g，定容至1 L，調(diào)節(jié)pH為7.5。

分離純化培養(yǎng)基：葡萄糖為5 g，牛肉膏為3 g，蛋白胨為3 g，氯化鈉為1 g，定容至1 L，調(diào)節(jié)pH為7.5。

1.2 主要儀器和分析方法

OLYMPUS BH-2;掃描隧道顯微鏡（JEOL 100CX-Ⅱ）;島津紫外掃描儀UV-2401PC;TOC測定儀TOC-5000A。

總氮測定：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 11894—1989）。

BOD5測定：稀釋與接種法GB/T 7488—1987。

CODCr測定：重鉻酸鹽法GB/T 11914—1989。

1.3 實驗方法

1.3.1 富集培養(yǎng)。采集某煤化工企業(yè)廢水處理廠發(fā)生膨脹的活性污泥5 mL，接種在100 mL的富集培養(yǎng)液中，靜置培養(yǎng)3～5 d。將漂浮于液面上的薄膜狀物質(zhì)挑取少許，鏡檢發(fā)現(xiàn)有大量的絲狀微生物時，對其進行進一步的分離純化培養(yǎng)。

1.3.2 分離及篩選。將富集培養(yǎng)液中的薄膜狀物質(zhì)挑取少許，在無菌水（加少許玻璃珠）中震蕩5 min后，在分離培養(yǎng)基上劃線，置于30 ℃條件下培養(yǎng)24～36 h，見有微絲狀菌落出現(xiàn)時，及時挑取劃線分離。經(jīng)過多次純化分離，可得到純化的絲狀菌。

1.3.3 菌株的鑒定。將已經(jīng)分離純化的菌株進行形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長特性和生理生化等方面的實驗，根據(jù)《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》進行鑒定[9]。

1.3.4 菌株系統(tǒng)發(fā)育分析。從NCBI-Blast檢索H3菌株的16S RNA序列的近緣序列，選取相似性較高的序列進行系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建;利用MGEA中的MUSCLE算法進行序列對齊，NJ法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹（默認：1 000次迭代）。

1.3.5 污泥膨脹控制措施。綜合分析該污水廠的運行情況，在實驗過程中采用添加抑制劑次氯酸鈉、H2O2以及絮凝劑聚合氯化鋁和三氯化鐵等;以及通過改變進水的C/N比例和污泥負荷的方法來控制污泥的膨脹現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 絲狀菌的富集和分離

將采集來的發(fā)生膨脹的活性污泥樣品（見圖1）經(jīng)富集培養(yǎng)后，按上述方法進行多次純化分離，得到一株絲狀微生物，命名為H3菌。

2.2 H3菌的鑒定

2.2.1 培養(yǎng)特征。在好氧培養(yǎng)時產(chǎn)生凸起、卷曲有光帶微絲的菌落;厭氧培養(yǎng)時產(chǎn)生蜘蛛狀菌落。液體搖床震蕩培養(yǎng)，可產(chǎn)生小球狀凝聚體，懸浮于液體中。

2.2.2 形態(tài)特征。H3菌為不規(guī)則桿菌，（0.5～0.8）μm×（1.0～5.0） μm，具有直徑5 μm的不規(guī)則紡錘狀末端（見圖1）;G+;沒有鞭毛和莢膜;無芽孢。

2.2.3 生化反應(yīng)特征。H3菌的生化反應(yīng)結(jié)果表明：H3菌的接觸酶、硝酸鹽還原、M.R反應(yīng)均為陽性;氧化酶、抗酸染色、明膠液化、V-P反應(yīng)、H2S形成反應(yīng)均為陰性;對糖醇、有機酸類的利用結(jié)果如表1所示。

H3菌屬于化能異養(yǎng)型菌，需要營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基;發(fā)酵代謝，從葡萄糖主要產(chǎn)生乳酸和少量的乙酸，不產(chǎn)生丙酸。

2.2.4 H3菌的生長特性。①H3菌生長的最適溫度和pH值。試驗以分離純化培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，分別改變溫度和pH值，來研究溫度和pH值對菌株生長的影響，結(jié)果見圖2和圖3。②C/N的最適比例。試驗以醋酸鈉為碳源、以NH4Cl和K2HPO4為氮源和磷源來研究H3菌C/N的宜生長比例，其結(jié)果如圖4所示。

從圖3至圖5可以看出，H3菌株適宜的生長溫度為35～37 ℃，最適pH值為7～8，最適宜生長的C/N比例為35∶1。

2.2.5 H3菌系統(tǒng)發(fā)育分析。在NCBI-中檢索H3菌株的近緣16S RNA序列，利用MGEA軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，結(jié)合前述H3菌株的培養(yǎng)特征、形態(tài)特征、生化反應(yīng)特征，以及菌株的生長特性，可判定H3菌株為芽孢桿菌屬Bacillus sp.。

2.3 污泥膨脹解決措施

試驗過程中采用該廠生產(chǎn)排放的綜合廢水，使CODcr在2 000 mg/L左右。接種該廠已經(jīng)發(fā)生膨脹的活性污泥。試驗所采用的有機玻璃反應(yīng)裝置如圖5所示。

在試驗過程中采取添加藥劑、改變碳氮比例和污泥負荷的方法來研究其對污泥沉降性能的影響。其中，所投加的藥劑均在配水槽均勻混合后再進水。該廠廢水的C/N比例為（32～38）∶1。在研究C/N比例對污泥沉降性能的影響時，通過添加葡萄糖、蔗糖或硫酸銨的方式來改變該廠廢水的C/N。試驗全部采取連續(xù)進水方式，采用的主要檢測指標為污泥的體積指數(shù)（Sludge Volume Index），其具體做法為：取均勻混合的活性污泥置于100 mL帶刻度的量筒里，經(jīng)30 min沉降后，測其1 g污泥所占的體積（mL），然后以下式計算：

混合液經(jīng)30 min沉降污泥體積（mL/L）

SVI（mL/g） =混合液污泥濃度（g/L）

2.3.1 添加藥劑對污泥沉降性能的影響。在試驗過程中，所采用的次氯酸鈉用量為15 ppm，H2O2為60 ppm，聚合氯化鋁為180 ppm，三氯化鐵為120 ppm，試驗時間為15天。試驗結(jié)果如圖6所示。

從以上試驗結(jié)果可以看出，添加藥劑能夠有效地控制污泥的膨脹問題。在抑制劑中NaClO的抑制效果最好，SVI值小于100 mL/g，鏡檢發(fā)現(xiàn)絲狀菌數(shù)量大大減少，球菌、桿菌明顯增多。NaClO和H2O2的作用機理主要是抑制微生物的生長，由于絲狀菌的比表面積大大高于菌膠團菌，因此絲狀菌首先受到毒害并抑制其生長過程，從而使菌膠團菌生長成為優(yōu)勢，污泥膨脹現(xiàn)象也隨之消失[5];同時，添加聚合氯化鋁和三氯化鐵對控制污泥的膨脹現(xiàn)象也有一定的促進作用。其主要是增加污泥絮體的比重，從而使污泥的膨脹現(xiàn)象得到緩解[10]。

2.3.2 改變C/N比例對污泥沉降性能的影響。通過對發(fā)生膨脹污泥誘因微生物的研究發(fā)現(xiàn)H3菌適宜生長的碳氮比例為35∶1，在試驗過程中通過改變碳氮比例，創(chuàng)造不利于H3菌生長的環(huán)境，使菌膠團菌的生長成為優(yōu)勢。試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)C/N比例在25∶1時，由H3菌引起的污泥膨脹現(xiàn)象基本上得到了控制。改變C/N比例對污泥沉降性能的影響如圖7所示。

2.3.3 改變污泥負荷對污泥沉降性能的影響。從該廠的廢水處理情況來看，前段經(jīng)過復(fù)雜的曝氣處理之后，到后段處理時，污泥負荷已經(jīng)很低了，而絲狀菌在低負荷下競爭營養(yǎng)物質(zhì)，又具有明顯的優(yōu)勢。從試驗結(jié)果來看，當(dāng)污泥負荷增加時，污泥膨脹現(xiàn)象就得到了緩解，當(dāng)負荷增加到0.6 BOD5/kgMLSS.d時，污泥膨脹現(xiàn)象徹底得到了控制，SVI值在100 mL/g左右。如圖8所示。

3 結(jié)論

研究得到一株引起煤化工廢水污泥膨脹的菌株，命名為H3，經(jīng)鑒定其屬于芽孢桿菌屬（Bacillus sp）。

H3菌最適宜的生長溫度為35～37 ℃，最適pH值為7～9，最適宜生長的C/N比例為35∶1。

由H3菌引起的絲狀菌性污泥膨脹，可通過添加抑制劑及改變廢水的C/N比例和污泥負荷的方法的而得到有效的控制，其中適宜的碳氮比例和污泥負荷分別25∶1、0.6 kg BOD5/（kgMlSS.d）。在抑制劑中NaClO的抑制效果最好，SVI值小于100 mL/g。

參考文獻：

[1] 高春娣，張娜，韓徽，等.碳源對膨脹污泥微生物多樣性的影響研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2021，47（2）：169-178.

[2] LIU Y Q， YUAN L L，et al.Integrated design of monitoring， analysis and maintenance for filamentous sludge bulking in wastewater treatment[J].Measurement，2020（155）：107548.

[3] LI W M， LIAO X W，et al. New insights into filamentous sludge bulking： The potential role of extracellular polymeric substances in sludge bulking in the activated sludge process [J]. Chemosphere，2020（248）：126012.

[4] 陸秋萍，李海勤，劉華，等.污泥膨脹的原因分析及調(diào)整實例[J].工業(yè)用水與廢水，2019，50（6）：43-46.

[5] SHEN Y，HUANG D W，et al.New insight into filamentous sludge bulking during wastewater treatment： Surface characteristics and thermodynamics[J].Science of The Total Environment，2020（712）：135795.

[6] CAROLINE E，SCRUGGS，CLIFFORD W.et al.Evaluation of filamentous microorganism growth factors in an industrial wastewater activated sludge system[J].Water Science and Technology，1998，37（4-5）：263-270.

[7] SAAYMAN G B，et al.The effect of chemical bulking control on biological nutrient removal in a full scale activated sludge plant[J]. Water Science and Technology，1996，34（3-4）：275-282.

[8] 沈耀良，王寶貞.廢水生物處理新技術(shù)理論與應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999：231-261.

[9] 東秀珠，蔡妙英.常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2001，2.

[10] 王凱軍.活性污泥膨脹的機理與控制[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.