關(guān)于污泥膨脹問(wèn)題的研究

王婷 袁昕蒞 劉宏 張俊蛟

摘 要 本文首先介紹了活性污泥膨脹的定義與特征。然后概括了污泥的膨脹類型及各類型對(duì)應(yīng)的特性。其次進(jìn)行了該現(xiàn)象致因的討論，分別在廢水水質(zhì)、環(huán)境條件和運(yùn)行條件三方面進(jìn)行展開(kāi)。接著以此為契機(jī)，提出了三大類的控制措施：起應(yīng)急管理作用的臨時(shí)控制措施、能從根本上抑制污泥膨脹的工藝運(yùn)行調(diào)節(jié)控制措施，以及通過(guò)生物競(jìng)爭(zhēng)手段平衡菌種共生關(guān)系的環(huán)境調(diào)控控制措施。最后簡(jiǎn)述解決該問(wèn)題的意義與對(duì)并未來(lái)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 污泥膨脹 活性污泥法 污水處理

中圖分類號(hào)：TU992.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）01-0033-03

當(dāng)今在進(jìn)行水處理中被運(yùn)用得最為廣泛的生物處理技術(shù)之一就是活性污泥法。而在該處理工藝中，出現(xiàn)最為頻繁且解決最為棘手的問(wèn)題之一便是污泥膨脹。據(jù)有關(guān)報(bào)道顯示，在美國(guó)60%，德國(guó)50%的污水廠，污泥膨脹現(xiàn)象每年都在一定程度上顯現(xiàn)。而在我國(guó)將活性污泥法作為主體工藝的大多數(shù)污水廠，也存在一定的污泥膨脹問(wèn)題。

1 污泥膨脹的定義與特征

1.1 定義

污泥膨脹存在于活性污泥好氧處理工藝中。它是出于某種原因，使得原本正常的活性污泥密度減小、體積膨脹、吸附性能減弱、沉降性能惡化，從而引起二沉池漂泥嚴(yán)重，出水水質(zhì)極劇變差，最終導(dǎo)致處理工藝系統(tǒng)運(yùn)行失敗的現(xiàn)象。

1.2 特征

污泥膨脹的特征總體來(lái)說(shuō)有三點(diǎn)：一是高SVI值。一般而言進(jìn)行判定的特征指標(biāo)是高于200mL/g的SVI值。當(dāng)SVI值處于200-300mL/g區(qū)間時(shí)，為輕微膨脹;當(dāng)SVI值處于300-500mL/g區(qū)間時(shí)，為中度膨脹;當(dāng)SVI值大于500mL/g時(shí)，為嚴(yán)重膨脹。[1]二是二沉池中污泥層高度的增加。此種現(xiàn)象又導(dǎo)致污泥層溢過(guò)二沉池堰板隨出水流入下級(jí)構(gòu)筑物中，影響出水水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。表現(xiàn)為入水流的處理效果減弱，出水流中的SS濃度及有機(jī)物含量的升高。三是回流污泥中固體濃度降低。膨脹后的污泥不易沉淀，容易隨水流的流動(dòng)而流失。這樣的特質(zhì)既會(huì)使出水水質(zhì)惡化又會(huì)導(dǎo)致回流污泥量不足，繼而影響整個(gè)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 膨脹類型及特性

污泥膨脹可分為兩大類，即絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。絲狀菌膨脹是由活性污泥中絲狀菌的過(guò)度繁殖導(dǎo)致的。當(dāng)絲狀菌菌體數(shù)量過(guò)多時(shí)，會(huì)加大各菌體因菌絲間相互接觸，通過(guò)架橋作用形成有支撐作用的框架結(jié)構(gòu)的概率，從而影響污泥的沉降效率。且絲狀菌相較于引起非絲狀菌膨脹的菌膠團(tuán)細(xì)菌而言，它的對(duì)基質(zhì)的親和力更強(qiáng)并且自身的比表面積更大，從而更利于機(jī)體吸收利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在低負(fù)荷情況下的處理污染能力更強(qiáng)。在低溶解氧低酸堿度的環(huán)境下，該菌體的耐性更強(qiáng)。而以菌膠團(tuán)細(xì)菌為主因發(fā)生于高負(fù)荷低溫條件下的膨脹被稱為非絲狀菌膨脹或粘性膨脹。此種現(xiàn)象出現(xiàn)的主因是該菌生成并積淀了大量的如葡萄糖等高粘性物質(zhì)，從而增大了污泥中結(jié)合水的比重（有甚者可高達(dá)380%），致使其壓縮性能惡化。實(shí)際工程中，絲狀菌污泥膨脹的出現(xiàn)率高達(dá)90%。

3 主要影響因素

應(yīng)當(dāng)注意的污泥膨脹的起因紛繁復(fù)雜，許多研究學(xué)者對(duì)此也各執(zhí)己見(jiàn)。活性污泥中的多種菌體才共同組成了作用菌團(tuán)，故有許多因素都會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹的存在與影響其程度。下面簡(jiǎn)要介紹以下幾個(gè)方面。

3.1 污水水質(zhì)

1.含有大量可溶性有機(jī)物、碳水化合物的污水。[2]絲狀菌對(duì)以高分子形態(tài)存在的物質(zhì)的水解能力較低但利用程度較高。故當(dāng)處于有較多可溶性有機(jī)物存在的污水環(huán)境中時(shí)，絲狀菌膨脹易由于絲狀菌的過(guò)度增殖而出現(xiàn)。此外，通常認(rèn)為當(dāng)污水中含有較多的糖類碳水化合物，特別是低分子量的烴類、糖類和有機(jī)酸類物質(zhì)時(shí)，菌膠團(tuán)表面將會(huì)被由微生物代謝而成的粘性較高的多糖類物質(zhì)籠蓋，使得污泥中結(jié)合水比重增加，致使粘性膨脹的出現(xiàn)。

2.腐敗或早期消化，硫化氫含量高的污水。一般而言若污水逗留下水管道、初沉池中時(shí)間超出標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)容易有消化反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致低分子有機(jī)酸和硫化氫物質(zhì)的大量生成積累。進(jìn)而促進(jìn)硫代謝絲狀菌的大量繁殖致使絲狀菌膨脹。

3.氮和磷含量不均衡或缺乏的污水。因絲狀菌對(duì)氮、磷等元素的吸收利用能力較強(qiáng)，故當(dāng)處于營(yíng)養(yǎng)含量有限的環(huán)境中時(shí)，絲狀菌會(huì)處于生物競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位。使得低營(yíng)養(yǎng)型微生物如貝氏硫細(xì)菌、絲硫細(xì)菌、浮游分枝球衣菌等大量增殖，污泥膨脹現(xiàn)象由此發(fā)生。且有相關(guān)研究表明，在氮、磷比例失調(diào)情況下同時(shí)存在有粘性膨脹發(fā)生的傾向。通常認(rèn)為水中BOD5：N：P=100：5：1時(shí)較為合適。

4.含有有毒物質(zhì)的污水。以鉛、鉻、鎘、鋅、銅為代表的重金屬離子等有毒物質(zhì)會(huì)毒害污泥中的菌體。這些離子可將細(xì)胞中的蛋白質(zhì)變性，從而招致酶的滅活。當(dāng)水中酚、氰、醛、硝基類物質(zhì)濃度超過(guò)活性污泥微生物的承受濃度時(shí)，也將對(duì)其產(chǎn)生一定的毒性。Novak等人得到了當(dāng)菌體出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象之后，污泥膨脹出現(xiàn)的可能性會(huì)增加的結(jié)論。[3]

3.2 環(huán)境條件

1.溫度和pH值。溫度和pH值以往而言對(duì)微生物的生命活動(dòng)與生長(zhǎng)增殖的影響都是巨大的，活性污泥微生物內(nèi)酶系統(tǒng)運(yùn)行的好壞會(huì)被它們的取值強(qiáng)烈影響，每個(gè)菌種都有其對(duì)應(yīng)的最適取值范圍。對(duì)于溫度而言，活性污泥法系統(tǒng)環(huán)境溫度為10℃-35℃為宜。I.Takacs等人表示，當(dāng)溫度較低時(shí)（10℃-15℃），有同時(shí)發(fā)生兩種污泥膨脹的可能性。而對(duì)于pH值來(lái)說(shuō)，pH值在6.5-8.5范圍時(shí)較為合適。當(dāng)pH值低于6.5時(shí)，霉菌會(huì)成為群體中的優(yōu)勢(shì)菌種，將對(duì)絮體結(jié)構(gòu)有破壞作用，污泥膨脹問(wèn)題有發(fā)生的可能性[4]。且有關(guān)觀點(diǎn)認(rèn)為在pH值低于4.5這樣的環(huán)境下，真菌將加速成長(zhǎng)，這樣的情況會(huì)嚴(yán)重惡化污泥的沉降機(jī)能從而導(dǎo)致出水水質(zhì)的降低。

2.水流流態(tài)及流量變化。對(duì)于水流流態(tài)因素而言，它的樞紐指標(biāo)是曝氣池內(nèi)基質(zhì)濃度梯度。絲狀菌對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，當(dāng)環(huán)境流態(tài)流量變化劇烈，基質(zhì)濃度梯度大，絲狀菌的生長(zhǎng)繁殖將得到促進(jìn)，易引起污泥膨脹。具體到工程中而言，完全混合式曝氣池、推流式曝氣池、間歇反應(yīng)式曝氣池發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象的容易程度是由大到小排

列的。

3.3 運(yùn)行條件

1.負(fù)荷的影響。負(fù)荷有對(duì)污泥膨脹現(xiàn)象十分復(fù)雜的影響，且大家對(duì)此一直都是眾說(shuō)紛紜。目前而言，基于不同微生物生長(zhǎng)動(dòng)力參數(shù)下的不同而提出的選擇性準(zhǔn)則已被大家廣泛接受。在低負(fù)荷這樣被限量的底物濃度條件下，絲狀菌會(huì)因在生物競(jìng)爭(zhēng)中占上風(fēng)而過(guò)度增殖招致污泥膨脹的發(fā)生。而在高負(fù)荷條件下的情況大家說(shuō)法不一，有觀點(diǎn)認(rèn)為此時(shí)是由菌膠團(tuán)細(xì)菌引起的粘性膨脹，也有觀點(diǎn)認(rèn)為此時(shí)是由曝氣池內(nèi)供氧量不夠DO濃度減少而引發(fā)的絲狀菌膨脹。

2.溶解氧的影響。水處理工程中，氧是最具影響力的生化環(huán)境控制因素之一，一般而言工藝運(yùn)行中溶解氧的濃度控制在2-4mg/L范圍內(nèi)較為合適。在低DO運(yùn)行前提下，污泥中好氧細(xì)菌的日常生殖代謝活動(dòng)會(huì)被極大地抑制，而耐受能力強(qiáng)、比表面積大、菌絲較長(zhǎng)的絲狀菌可直接利用體表攝取有機(jī)物，對(duì)氧氣的攝取也更加容易，故此時(shí)易因絲狀菌的過(guò)度增殖而招致污泥膨脹。

4 控制方法

污泥膨脹作用機(jī)理復(fù)雜且多變，在選擇控制方法時(shí)我們應(yīng)同時(shí)結(jié)合多個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇。目前來(lái)說(shuō)，對(duì)此的控制方法大體可被分為以下三類。

4.1 臨時(shí)控制措施

該措施主要是針對(duì)處理由于暫時(shí)突發(fā)的原因而引發(fā)的污泥膨脹問(wèn)題，一般是通過(guò)投加藥劑用以應(yīng)急處理。它主要被分為兩類，即活性污泥加重助沉措施和殺菌措施。

活性污泥加重助沉措施一般用于抑制粘性膨脹。它是通過(guò)增加污泥中絮體的比例來(lái)加速其下沉改善沉降機(jī)能，從而得到控制粘性膨脹發(fā)生與發(fā)展的效果。它的具體措施包括投加PAC、硫酸鐵、PAM等藥劑，亦或是如硅藻土、粘土、厭氧污泥、金屬鹽類等物質(zhì)。

殺菌法主要針對(duì)于絲狀菌膨脹。它是通過(guò)向污泥中加入對(duì)微生物無(wú)選擇性的有毒藥品來(lái)抑制或殺滅絲狀菌，從而達(dá)到抑制絲狀菌膨脹的目的。目前最普遍的方法是向回流污泥中加氯，其他常用的滅菌劑還包括次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、臭氧等。當(dāng)滅菌劑加入后，由于在比表面積這一方面而言，絲狀菌會(huì)大于菌膠團(tuán)細(xì)菌等微生物，首當(dāng)其沖受到毒害的則是絲狀菌。他的作用機(jī)理是氯破壞絲狀菌的細(xì)胞壁導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)增殖得到抑制。但對(duì)于菌膠團(tuán)細(xì)菌等微生物而言，它們受到的抑制毒害作用相較于絲狀菌來(lái)說(shuō)輕微許多，在計(jì)量允許范圍內(nèi)科學(xué)地投加滅菌劑并不會(huì)對(duì)菌膠團(tuán)細(xì)菌等的正常生長(zhǎng)繁殖造成影響。一般而言，氯投加量在2-10kgCl2/1000kg干污泥范圍內(nèi)較為合適。

臨時(shí)控制措施的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)采取投加措施后在極短的時(shí)間內(nèi)就能起到控制污泥膨脹發(fā)展的效果，能夠迅速地抑制污泥膨脹現(xiàn)象。缺點(diǎn)是它無(wú)法從根源上解決問(wèn)題，它的控制效果是表面的臨時(shí)的。當(dāng)加藥停止時(shí)，膨脹問(wèn)題極可能重現(xiàn)。而且若加藥時(shí)對(duì)量控制不當(dāng)，還有使水質(zhì)變差的可能性。

4.2 工藝運(yùn)行調(diào)節(jié)控制措施

當(dāng)我們處理由于運(yùn)轉(zhuǎn)控制欠妥而引起的膨脹問(wèn)題時(shí)可采取工藝運(yùn)行調(diào)節(jié)控制措施。例如：

（1）通過(guò)對(duì)已消化污廢水進(jìn)行預(yù)曝氣、使下水道具有一定坡度防止污廢水停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、及時(shí)刮除沉淀池底部污泥等方式來(lái)控制由于污廢水“腐化”而引起的膨脹。

（2）對(duì)于發(fā)生污泥膨脹的工業(yè)廢水而言，若它是因N、P等元素缺乏或含量不均衡而引起的，則可通過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)加含有該元素的物質(zhì)如尿素、銨鹽、商業(yè)化肥等，或以工業(yè)廢水與生活污水充分混合，將N、P含量控制在BOD5：N：P=100：5：1左右，以此解決污泥膨脹問(wèn)題。[5]

（3）對(duì)于因pH值過(guò)低而引起的膨脹，可通過(guò)嚴(yán)格把控上游工業(yè)廢水排放等措施來(lái)解決。

（4）對(duì)于負(fù)荷過(guò)低而造成的膨脹，可通過(guò)在保證處理效果達(dá)標(biāo)且DO充沛的前提下，適當(dāng)提升F/M值進(jìn)行抑制。

（5）對(duì)于負(fù)荷過(guò)高而引起的污泥膨脹，可借助射流曝氣的方式對(duì)菌體進(jìn)行切割的同時(shí)在曝氣池首端提供充足的溶解氧形成利于菌膠團(tuán)細(xì)菌增殖發(fā)育的環(huán)境，從而平衡兩類菌種含量。

（6）對(duì)于高粘性膨脹而言，可通過(guò)使回流污泥量增加來(lái)降低水中多糖類物質(zhì)的含量從而控制膨脹的發(fā)生。在條件允許的情況下，可以將菌膠團(tuán)細(xì)菌的內(nèi)源呼吸期控制在回流污泥前進(jìn)行，從而使得絮凝體更易形成菌群與攝入利用有機(jī)物，使其在與絲狀菌生存逐鹿中占領(lǐng)優(yōu)勢(shì)地位，從而同時(shí)使絲狀菌膨脹也得到抑制。

4.3 環(huán)境調(diào)控控制措施

該措施的基本切入點(diǎn)在于借助曝氣池中環(huán)境的調(diào)控變化使菌膠團(tuán)細(xì)菌的增殖發(fā)育獲得優(yōu)勢(shì)，從應(yīng)用分子生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)利用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制平衡菌膠團(tuán)喜劇和絲狀菌這兩類菌種的協(xié)調(diào)共生關(guān)系，從根本上達(dá)到控制污泥膨脹的效果。近幾年較有代表性的如生物選擇器概念、改變反應(yīng)器形式、在曝氣池首端加填料等方式。[6]

（1）生物選擇器的是指在完全混合式曝氣池之前或其前端，設(shè)置一個(gè)水力停留時(shí)間較短的區(qū)域。此區(qū)域的底物濃度即有機(jī)物負(fù)荷較高?；诖藯l件下，會(huì)使得菌膠團(tuán)細(xì)菌攝取貯存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力得到提升該菌的生長(zhǎng)繁殖速度也會(huì)得到相應(yīng)的提高，從而使其在與絲狀菌生存逐鹿中占上風(fēng)。一般來(lái)說(shuō)，生物選擇器的類型可大致分為好氧選擇器、缺氧選擇器和厭氧選擇器的三種型式。

（2）改變反應(yīng)器的形式主要是指將完全混合式曝氣池更改成推流式曝氣池，從連續(xù)進(jìn)水轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇進(jìn)水。

（3）在曝氣池頭部增添填料是為使絲狀菌增殖發(fā)育的場(chǎng)所變?yōu)樘盍?，而非污泥絮體中。從而使得菌膠團(tuán)細(xì)菌在后續(xù)的工藝中起首要作用，以此規(guī)避污泥膨脹的發(fā)生。

5 意義與展望

污泥膨脹是活性污泥處理工藝中出現(xiàn)最常見(jiàn)且頻繁的問(wèn)題之一，一旦出現(xiàn)它對(duì)出水水質(zhì)影響極大且不易控制。影響活性污泥處理工藝運(yùn)行的因素有許多，任何一種因素出現(xiàn)異常時(shí)都有導(dǎo)致污泥膨脹的發(fā)生的可能性。目前各學(xué)者關(guān)于污泥膨脹的原因仍是眾說(shuō)紛紜甚至是相反的。[7]目前，環(huán)境保護(hù)工作日趨茲事體大，政府人民對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高，解決污泥膨脹這一痛點(diǎn)問(wèn)題，保障水處理系統(tǒng)運(yùn)行的有效性就顯得多端寡要。

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（西華大學(xué)，四川 成都 610039）