污泥膨胀形成机理及控制方法研究

姜 怡 曹 蓉

（1.河北工程大学 河北 邯郸 056006；2.湖泊工程技术中心 环境基准与风险评估国家重点实验室中国环境科学研究院 中国 北京 100012）

0 前言

自20世纪产生到现在，活性污泥法作为一种有效手段广泛应用于废水处理中。此方法具有工艺成熟、处理能力高、出水水质好、处理范围宽广及处理效率高等优点。目前，我国约有60%的城市污水处理厂和大部分工业废水处理厂都采用活性污泥法。在活性污泥系统中最常见的问题是污泥膨胀，可以定义为丝状菌或原生动物过量生长导致污泥沉降慢且压缩性差[1]。膨胀的活性污泥主要表现在压缩性能差，沉降性能不良，而它的净化效果并不差[2]，但污泥膨胀导致的二沉池固液分离难，出水因污泥流失而浑浊，有时还伴随大量泡沫，对整个生化处理系统造成直接影响。因此，研究污泥膨胀的产生机理及其控制方法对于活性污泥系统具有十分重要的意义。本文就污泥膨胀形成机理及控制进行相关探讨研究。

1 活性污泥的性质及组成

活性污泥是粒径在200～1000μm的类似矾花状的不定形的絮体结构，含水率在99%以上，与水比重介于1.00～1.006之间，具有良好的凝聚沉降功能[2]。在显微镜镜下观察活性污泥，是褐色的絮状污泥，有大量的细菌、真菌、原生动物和后生动物等多种微生物群体，它们组成了一个特有的生态系统。正是这些微生物群体（主要是细菌）以污水中的有机污染物为营养源，进行代谢和繁殖，从而降低了污水中有机污染物的含量，同时通过污泥絮凝体的生物絮凝和吸附，去除污水中的呈悬浮或胶体状态的其他物质。

活性污泥组成可分为四个部分：有活性的微生物、微生物自身氧化残留物、吸附在活性污泥上不能被微生物所降解的有机物、无机悬浮固体。有活性的微生物由细菌、真菌组成，通常以菌胶团的形式存在，呈游离态的较少，且这部分的细菌不易沉降。菌胶团是由细菌分泌的多糖类物质将细菌等包覆成的黏性团块，保护细菌以抵御外界不利因素的影响。

2 污泥膨胀类型及形成机理

根据系统中占主导地位的微生物，污泥膨胀可以分为非丝状性膨胀（non-filamentous bulking）和丝状性膨胀（filamentous bulking）。

2.1 非丝状性膨胀

Durmaz等[4]发现C/N（以COD/TKN计）对EPS的产生有很大的影响，EPS生长量和EPS中的碳水化合物随着C/N增加而增加。当C/N达到43就会引起粘性膨胀。杨鹏等[5]研究了采用SBR法处理酿造工艺污水在磷充足而氮缺乏时对活性污泥膨胀的影响。结果显示在BOD/N值为100/4时污泥完全沉降，当BOD/N值为100/3时，丝状细菌数量呈现先升后降的趋势，同时黏性菌胶团过度增长，伴随粘性膨胀发生。当BOD/N值为100/2时，观察不到丝状微生物的过度生长。当BOD/N值为100/0.94时，更严重的粘性膨胀发生。

2.2 丝状性膨胀

丝状膨胀是由各种丝状细菌的过量增长形成的。丝状细菌是活性污泥中基本的种群，对有机污染物的去除是有积极意义。但当它生长过量时，容易向污泥絮体以外的空间伸展形成一个扩散开放的结构或形成不同细胞和部分絮体间的桥梁，这两种情况都会使絮体结构扩张，并阻止絮体压缩。而丝状体之间相互支撑、交错，将影响污泥的凝聚、沉降、压缩性能从而形成膨胀。对于丝状膨胀的产生，有选择性理论及扩散理论等。

丝状体微生物生长较慢，它的最大增长速率和饱和常数低于非丝状体微生物。Chudoba等[6]在1973年提出了选择性理论，该理论以微生物生长动力学为基础，根据不同种类微生物具有不同的Umax（最大生长速率）和Ks（饱和常数），分析丝状菌与絮体菌的竞争情况。丝状菌和絮体菌动力学之间的差别作为解释它们竞争的主要机制。絮体菌有高的最大增长速率且喜欢在高的基质浓度中生长。而丝状细菌的Ks较小，因此喜欢在低的基质浓度中生长。

Martins等[3]提出了扩散理论，此理论提出在絮体中的基质扩散限制是丝状细菌和絮体菌选择的更重要的因素。理论假设丝状细菌和絮体菌有相似的动力学参数。在低的基质浓度基质扩散进入絮体限制了絮体结构的生长。丝状细菌可以在相同低的速率下生长，但是由于它们的形状，它们可以比絮体结构更快速的向外扩。这样污泥膨胀就产生了。在高的基质浓度中，扩散基质并不限制基质进入絮体结构中，对于丝状细菌没什么益处，大多数细菌在絮体中生长，就不会引起膨胀。这个理论就不用引进两种有机体生长动力学参数（Umax和Ks）的差异来解释污泥膨胀。另外一种解释就是说在相同的基质浓度下，当絮体较大时，由于较高的基质扩散限制，污泥膨胀就会发生。

Francis等[7]针对以上两种理论提出了新的假设，假设丝状细菌和絮体菌受动力选择和基质扩散限制的共同影响，构造了一种模型，显示了三种不同区域的存在：膨胀区、非膨胀区、中间区域。试验结果表明在低基质浓度下，动力选择占主导地位。在高基质，相当于中间区域，丝状膨胀是由于基质扩散限制所决定的膨胀发生在絮体较大的颗粒中。模拟了不同絮体层基质浓度对膨胀的影响结果。也表明了只用动力学或扩散限制理论解释微生物竞争是不合理的。这个新理论也提供了对丝状物和絮体之间竞争的合理解释。在这个理论的基础上，可以用控制絮体大小来避免有利活性污泥膨胀环境的产生。

3 常见引发膨胀和泡沫的微生物

活性污泥丝状膨胀的致因微生物很多。Eikelboom等[8]分别从各国不同地域污水处理厂中收集约1100个样品中区分出多种微生物纯培养并分为26类。其中经常出现的是若卡氏菌属（Nocardia）、浮游球衣菌（Sphaerotilus natans）、微丝菌属（Microthrix）、发硫菌属（Thiothrix）、贝日阿托氏菌属（Beggiatoa）等。

通常，丝状微生物与来自气浮产生的气泡和絮体颗粒结合。当这个现象一直持续着就会产生稳定的生物泡沫。由确定种类的丝状微生物引起的活性污泥泡沫必须与非生物性泡沫明确区分，非生物性泡沫是由油脂，石油等导致的。

从这次实验结果来看，锡林郭勒草原牛、羊肉蛋白质含量高，分别是22.00g/100g和18.90g/100g；脂肪含量低，分别是5.67g/100g和10.73g/100g，与现代人饮食要求相符合。同时微量元素含量也丰富，Ca、P、Fe、Zn、Se含量也较高，营养成分齐全、含量丰富,不同部位营养素含量大小不同，对分割肉分等级及产品深加工有着重要的参考价值和科学依据。

4 污泥膨胀的控制

4.1 物化法控制污泥膨胀

4.1.1 投加氯气

控制污泥膨胀采用的最传统的氧化剂就是氯气。采用氯气控制污泥膨胀是由美国Jenkins等人提出的。氯会毁坏微生物的细胞壁，从而破坏细胞的新陈代谢。Süleyman övez等[10]对一制革废水处理系统投加氯气后控制了污泥膨胀和泡沫现象，恢复了出水水质。氯损坏了絮体之间的丝状连接，仅剩下疏松的丝状菌的残体，主要导致污泥膨胀和泡沫的菌Nocardia也完全从溶解物中去除，残体重新回到絮体结构中去。可以肯定的是氯气对于污泥的膨胀和泡沫是有控制作用的，但是因为Nocardia仍然在絮体中，有着再次生长的潜能，所以氯气对污泥膨胀和泡沫的控制是暂时的、表面的。

4.1.2 投加凝聚剂

目前，用于改善活性污泥沉降性能的无机凝聚剂或沉淀剂有石灰、铁盐或亚铁盐和铝盐等。凝聚剂投加到活性污泥中后，形成的絮凝物与膨胀污泥一起下沉，从而提高污泥的密度，改善污泥的沉降性能[11]。

当污泥膨胀发生时，采用上述方法能较快地降低SVI值，但是没有从根本上控制住丝状菌的繁殖。在丝状菌被氧化灭活或絮凝沉淀的同时，絮体形成菌的活性和浓度也大大降低。在控制丝状菌的同时，也带来出水水质恶化的不良效果。一旦停止加药，污泥膨胀可能又会出现。加药改变了微生物的生长环境，无疑会对污水处理厂的稳定运行产生负面影响，因此只能作为临时应急使用。

所以，物化方法一般达不到彻底治理污泥膨胀的效果，还需要进一步的研究和改进。

4.2 微生物反应器控制法

微生物反应器控制是应用生态学原理，在曝气池中形成一个适合菌胶团细菌生长的环境，选择性地增殖菌胶团细菌，使其成为活性污泥中的优势菌，以此来调控菌胶团细菌与丝状细菌之间的共生关系，抑制丝状细菌的过度繁殖，从而从根本上控制丝状污泥膨胀。

微生物反应器可以控制丝状膨胀，但是一些报导缺氧和厌氧反应器对于控制丝状膨胀不是很成功。其他研究报道缺氧和厌氧反应器可以大大改进污泥的沉降性能。Parker等[13]总结了可用的缺氧和厌氧反应器数据，比较它们的运行性能，为近一步研究提供基础。研究显示安装了微生物反应器活性污泥SVI值显著减少，污水处理厂最终出水水质改善，且用厌氧反应器的活性污泥系统比缺氧反应器好。

4.3 工艺运行控制

4.3.1 增加溶解氧

许多研究表明溶解氧低时容易发生由浮游球衣菌和硫细菌引起的污泥膨胀。Jenkins[14]曾研究发现在SND工艺中单级CTSR结构和低溶解氧环境是造成污泥膨胀的潜在因素。所以对污泥上覆的现象，可以通过增加曝气量减少进水来进行控制。

4.3.2 调整污泥负荷

曝气池的污泥负荷较高时会发生污泥膨胀，郑俊[15]在早期研究得出：活性污泥的SVI值与污泥负荷值密切相关。但实践表明，这样的结论并不是完全正确的。影响污泥的丝状膨胀的最主要原因是水质而不是污泥负荷，对于某些污水，不论污泥负荷较高或者较低都会发生污泥丝状膨胀；对另一些污水则相反。有研究[12]显示低F/M会引起污泥膨胀。

4.3.3 温度

构成活性污泥的各种细菌最适生长温度在30℃左右。菌胶团细菌如动胶菌属最适生长温度范围是28～30℃，低于10℃生长缓慢，高于45℃不生长。浮游球衣（Sphaerotilus natans）最适温度范围在25～30℃间，生长温度在15～37℃间。因此水温低于15℃一般不会引起污泥膨胀。

4.3.4 控制pH值

在活性污泥法运行中，为了使活性污泥正常发育及生长，曝气池的pH值应保持在6.5～8.0范围内。国内外研究报道，混合液的pH值低于6.0，有利于丝状菌的生长，而菌胶团的生长受到抑制。pH值降至4.5时，真菌将完全占优势，原生动物大部分消失，严重影响污泥的沉降分离和出水水质。pH值超过11，活性污泥即会破坏，处理效果明显下降。

4.3.4 工艺方法选择

完全混合式的工艺方法比传统的推流式较易发生污泥膨胀，而间歇运行的曝气池最不容易发生污泥膨胀；不设初沉池（设沉砂池）的活性污泥法，SIV值较低，不容易发生污泥膨胀；叶轮式机械曝气与鼓风曝气相比，易于发生丝状菌性膨胀；射流曝气的供氧方式可以有效地克服浮球衣细菌引起的膨胀。Jenkins[14]曾研究发现在SND工艺中单级CTSR结构会导致污泥膨胀。黄林等[16]发现在循环式曝气下的污泥沉降性比恒定速率下的污泥沉降性能好。

5 结语

污泥膨胀的产生及其控制是一个相当复杂的问题，因为影响污泥膨胀的因素太多。活性污泥对底物的降解是生物化学反应过程，形成活性污泥的微生物是多种微生物的群体，既受到污水水质条件的影响，又受到运行条件及环境的影响，如污水的种类、成分、浓度、水温、负荷、溶解氧、pH值及氮磷含量等因素都会对污泥膨胀产生影响，既可能一个因素起作用，也可能多个因素协同诱发，在不同的研究条件下也可能得出不同的结论。因此，在实际工程运行中，污泥膨胀的产生及控制需要更加深入的研究，探讨出适合不同工程单元的污泥膨胀控制方法。

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