探讨活性污泥法的生物泡沫形成及案例分析
摘 要：当环境不利于微生物的生长时，丝状菌的菌丝会从菌胶团中伸展出来以增加其摄取营养的表面积，其生长速率高于其他微生物。当春夏交变时，污泥的活性均有下降，生活污水中有大量的合成洗涤剂和油脂类得不到降解，而一些丝状菌仍然活跃，它们喜欢利用这些物质作为食物并快速增长，这使得出现丝状菌的暴发并形成泡沫。
活性污泥工艺是污水处理厂应用最广泛的生物处理方法。对于世界上大多数采用活性污泥法的污水处理厂而言，普遍存在表面泡沫问题。这使污水厂的操作、运行和控制产生了困难，也严重影响出水水质。据对欧洲污水厂的调查，有20%受到泡沫的长期影响，50%受到周期影响，采用延时曝气方式的污水厂中有87%受到泡沫影响
泡沫一般分为三种形式：
①启动泡沫。活性污泥工艺运行启动初期，由于污水中含有一些表面活性物质，易引起表面泡沫。但随着活性污泥的成熟，这些表面活性物质经生物降解，泡沫现象会逐渐消失。
②反硝化泡沫。如果污水厂进行硝化反应，则在沉淀池或曝气不足的地方会发生反硝化作用，产生氮等气泡而带动部分污泥上浮，出现泡沫现象。
③生物泡沫。由于丝状微生物的异常生长，与气泡、絮体颗粒混合而成的泡沫具有稳定、持续、较难控制的特点。生物泡沫对污水厂的运行是非常不利的：在曝气池或二沉池中出现大量丝状微生物，水面上漂浮、积聚大量泡沫；造成出水有机物浓度和悬浮固体升高；产生恶臭或不良有害气体；降低机械曝气方式的氧转移效率；可能造成后期污泥消化时产生大量表面泡沫。
1 生物泡沫的形成及影响因素
1.1 生物泡沫的形成机理
①与泡沫有关的微生物大都含有脂类物质，如M.parvicella的脂类含量达干重的35%。因此，这类微生物比水轻，易漂浮到水面。
②与泡沫有关的微生物大都呈丝状或枝状，易形成网，能捕扫微粒和气泡等，并浮到水面。被丝网包围的气泡，增加了其表面的张力，使气泡不易破碎，泡沫就更稳定。
③曝气气泡产生的气浮作用常常是泡沫形成的主要动力。颗粒利用气泡气浮，必须是形小、质轻和具有疏水性的物质。所以，当水中存在油、脂类物质和含脂微生物时，则易产生表面泡沫现象。
1.2与生物泡沫形成有关的菌属
生物泡沫的形成主要与活性污泥中微生物的生长和种类有关，但至今仍有许多现象不能简单地进行解释。世界上普遍承认的与生物泡沫有关的菌属主要有：①放线菌，包括：Nocardia amarae，革兰氏阳性，枝状菌丝；Nocardia pinesis，革兰氏阳性，松枝状；Rhodococcus sp.，革兰氏阳性，枝状菌丝。②丝状菌，包括：Microthrix parvicella，革兰氏阳性，丝状、无鞘无分枝；Eikelboom type 0675，革兰氏阳性，有鞘无分枝；Eikelboom type 0092，革兰氏阴性，无鞘无分枝。1.3 生物泡沫形成的主要因素
①污泥停留时间。由于产生泡沫的微生物普遍生长速率较低、生长周期长(见表1)，所以长污泥停留时间(SRT)都会有利于这些微生物的生长。如采用延时曝气方式就易产生泡沫现象，而且一旦泡沫形成，泡沫层的生物停留时间就独立于曝气池内的污泥停留时间，易形成稳定持久的泡沫。
表1 微生物的生长周期与生长温度
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②pH值。有报道指出：pH值从7.0下降到5.0～5.6时，能有效地减少泡沫的形成。Nocardia amarae的生长对pH值极敏感，最适宜的pH值为7.8，当pH值为5.0时，就能有效控制其生长。Microthrix parvicella最适宜pH值为7.7～8.0。
③溶解氧(DO)。Nocardia 是严格的好氧菌，在缺氧或厌氧条件下，不易生长，但也不死亡。Microthrix parvicella却能忍受缺氧状态。
④温度。与生物泡沫形成有关的菌类都有各自适宜的生长温度和最佳温度(见表1)，当环境或水温有利于它们生长时，就可能产生泡沫现象。
⑤憎水性物质。虽然原理不很清楚，但有试验说明，不溶性或憎水性物质(如油、脂类等)有利于放线菌的生长。
⑥曝气方式。据观察，不同曝气方式产生的气泡不同，微气泡或小气泡比大气泡更有利于产生生物泡沫，并且泡沫层易集中于曝气强度低的区域。
2 生物泡沫的控制方
①喷洒水。这是一种最常用的物理方法。通过喷洒水流或水珠以打碎浮在水面的气泡， 来减少泡沫。打散的污泥颗粒部分重新恢复沉降性能，但丝状细菌仍然存在于混合液中，所以，不能根本消除泡沫现象。
②投加消泡剂。可以采用具有强氧化性的杀菌剂，如氯、臭氧和过氧化物等。还有利用聚乙二醇、硅酮生产的市售药剂，以及氯化铁和铜材酸洗液的混合药剂等。药剂的作用仅仅能降低泡沫的增长，却不能消除泡沫的形成。而广泛应用的杀菌剂普遍存在负作用，因为过量或投加位置不当，会大量降低反应池中絮成菌的数量及生物总量。
③降低污泥龄。一般采用降低曝气池中污泥的停留时间，以抑制有较长生长期的放线菌的生长。有实践证明，当污泥停留时间在5～6 d时，能有效控制Nocardia菌属的生长，以避免由其产生的泡沫问题。但降低污泥龄也有许多不适用的方面：当需要硝化时，则污泥停留时间在寒冷季节至少需要6 d，这与采用此法矛盾；另外，Microthrix parvicella和一些丝状菌却不受污泥龄变化的影响。
④回流厌氧消化池上清液。已有试验表明，采用厌氧消化池上清液回流到曝气池的方法，能控制曝气池表面的气泡形成。厌氧消化池上清液的主要作用是能抑制Rhodococcus菌，但利用此法在几个污水处理厂进行实际操作时，并没有取得象实验室那样的成功。由于厌氧消化池上清液中含有高浓度好氧底物和氨氮，它们都会影响最后的出水质量，应慎重采用。
⑤投加特别微生物。有研究提出，一部分特殊菌种可以消除Nocardia菌的活力，其中包括原生动物肾形虫等。另外，增加捕食性和拮抗性的微生物，对部分泡沫细菌有控制作用。
⑥选择器。选择器是通过创造各种反应环境(氧、有机负荷或污泥浓度等)，以选择优先生长的微生物，淘汰其他微生物。有研究报道：好氧选择器能一定程度地控制M.parvicella，但对Nocardia菌属无大影响；而缺氧选择器对Nocardia菌属有控制作用，却对M.parvicella无作用。
3 实例分析
虽然各种研究和实践表明泡沫问题具有基本共同的原理，但引起泡沫现象的因素很多，控制的方法也各异(见表2)。
表2 一些污水厂的泡沫控制方法及其成功率
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从泡沫控制的结果来看，各种方法的使用都应慎重考虑，例如虽然选择器是一种方便的方法，但仍然需要有针对性。因此，首先应找出形成泡沫问题的主要原因，再提出符合实际的可行解决方法。
大关污水处理厂是杭州市的一个居住区污水处理厂，处理量为4 000m3/d ，采用合建式氧化沟。通过1995年—1999年的观察，总结出其泡沫现象的规律，主要是与气候(气温、水温和大气压力)有关。严重的泡沫现象(见图3)在温度高的夏季和寒冷的冬季都不会发生，每年都出现在春夏、秋冬换季时。即发生在气温、水温和气压交变的环境。分析1999年的统计数据，发生泡沫现象的时期为：①由水温高于气温而交变到水温低于气温时(3月下旬到4月中旬)和由水温低于气温而交变到水温高于气温时(10月下旬到11月中旬)。②气压和气温交变的时期。显然，由于生态环境的更迭，使微生物的生长、构成等发生了变化。从过去的操作运行发现，不改变其他条件，泡沫现象在经历一段时间后(10～20 d)会逐渐消失，污水处理系统自动修复。通过镜检，发现春夏交变的泡沫中主要是丝状菌的暴发，丝状菌大量生长，并伸展开来；而秋冬交变时，失去活力的丝状菌包裹在同样失去活力的菌胶团中形成上浮泡沫。其原理仍须进一步研究，一般认为，当季节(温度、气压)交变时，微生物均会受到影响，但丝状菌的适应性要比一些絮成菌强，如Microthrix parvicella的生长温度可在8～35 ℃间，而且更适宜生长在低温环境。当环境不利于微生物的生长时，丝状菌的菌丝会从菌胶团中伸展出来以增加其摄取营养的表面积，其生长速率高于其他微生物。当春夏交变时，污泥的活性均有下降，生活污水中有大量的合成洗涤剂和油脂类得不到降解，而一些丝状菌仍然活跃，它们喜欢利用这些物质作为食物并快速增长，这使得出现丝状菌的暴发并形成泡沫。秋冬交变时，主要形成的是上浮污泥(这与前者不同)，在上浮污泥和泡沫中很难发现展开的丝状菌，显微镜下可见上浮污泥中包裹有细小气泡。估计这是在环境交变时，菌胶团变得分散细小，结合曝气气泡后密度减小而产生上浮。总结出泡沫形成规律后，对采取控制措施有利，如对于春夏交变时的泡沫采用机械清理、刮除的方法。因为这些泡沫存在大量丝状菌，不宜遗留在混合液中，以免重新造成泡沫现象。另外，投加杀菌剂会有一定的控制效果，但应慎重。而对于秋冬交变时的上浮污泥和泡沫可采用高压水枪喷水来缓解，因为上浮污泥中仍然大部分为絮成菌，被打碎后可以回到混合液中。这些方法取得了一定的控制作用，但还应进一步观察和分析研究。
另外，曾在试验研究气提式循环反应器时进行了活性污泥和载体的对比试验，发现反应器内只有活性污泥时，污水处理到硝化阶段常常会发生污泥膨胀和严重的泡沫现象；在相同条件下，向反应器内投加载体(炉渣)后由气体进行提升，发现大量丝状菌固着在载体表面生长，没有出现污泥膨胀和严重的泡沫现象，虽然出水的悬浮固体(SS)有所上升，但系统的处理效果和稳定性都得到提高。因此，在一些活性污泥系统中投加移动或固定填料，使一些易产生污泥膨胀和泡沫的微生物固着生长，这既能提高处理效果，又能减少或控制泡沫的产生。
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