高负荷活性污泥膨胀控制的试验研究
1污泥膨胀现象的研究
在活性污泥膨胀早期的研究中，人们对于废水水质、运行条件和丝状菌过度生长之间的关系非常关注。对于水质的影响，不同的研究者的观点是一致的。在大量的实践中总结出如下的几种废水水质情况容易引起污泥膨胀：
(1)碳水化合物含量高的废水；
(2)陈腐或腐化的废水和含有大量H2S的废水；
(3)含有大量可溶性有机物的废水；
(4)含有有毒物质的废水；
(5)N、P含量不平衡的废水；
(6)高或低pH值废水；
(7)一些微量元素(如Fe等)缺乏的废水；
(8)完全混合曝气池内废水；
(9)与城市污水相比较，工业废水更易发生膨胀[1]。
对于运行条件对膨胀的影响，人们的认识很不一致。在实际生产的报道中负荷低会引起膨胀，负荷高也会引起膨胀；低溶解氧会引起膨胀，高溶解氧也会引起膨胀；完全混合曝气池会发生膨胀，推流式曝气池也会发生膨胀；低C∶N比(或C∶P比)引起膨胀，高C∶N比(或C∶P 比)也会引起膨胀等等[1-3]。由于很多因素会造成污泥膨胀，对膨胀的报道众说纷纭，使得人们对于污泥膨胀问题望而生畏。污泥膨胀问题是污水处理工艺中相对比较复杂的一个问题。造成这种现象的原因是多方面的，首先，引起污泥膨胀的丝状菌达30多种，所以实际活性污泥膨胀问题异常复杂。由于不同微生物生态要求不同，影响丝状菌的因素较多。另外由于在活性污泥工艺的设计上国外大都采用低负荷系统，所以研究和报道的大部分是低负荷基质限制型膨胀。国内设计规范建议的负荷范围是属于中等负荷(0.3kgBOD5/(kgMLSS·d))，在实际应用中人们总是希望系统经济，而采用高负荷，这就造成国内大部分污泥膨胀类型不同于国外。最后有时某些研究者研究的单一目的性防碍了对污泥膨胀现象的全面地观察。
2高负荷污泥膨胀的试验现象
作者在水解-好氧工艺开发的小试和中试中，曾观察到严重的污泥膨胀问题，对于控制污泥膨胀的各种措施进行了研究，如：将完全混合流态改变为推流流态，厌氧出水预曝气，添加厌氧污泥等等。这些方法被证明在某些情况下可以减缓污泥膨胀问题，但是除加填料的方法外，都不能很好地长期控制污泥膨胀的发生[4]。经过分析，这类的膨胀问题与低负荷(基质限制)膨胀是不同的。在小试和中试中负荷分别为0.65kgBOD5/(kgMLSS·d) ～0.85 kg BOD5/(kgMLSS·d)。荷兰De Man等人在处理UASB出水时，采用相对高的负荷( 0.3kgBOD5/( kgMLSS·d)～0.6kgBOD5/(kgMLSS·d))，也发生污泥膨胀。为了解决这个问题，他们在低负荷(0.12kgBOD5/(kgMLSS·d))下运行，污泥的沉降性能明显改善。虽然可以采用同样的措施控制污泥膨胀，但系统在停留时间和能耗方面没有明显的优势。
3高负荷污泥膨胀的控制
3.1负荷和溶解氧的影响
采用城市污水负荷为0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)，溶解氧浓度1.0mg/L～2.0mg/L，污泥龄为20天的完全混合曝气池(截面积1.0m2，高3.0m)。第一阶段由于丝状菌的过度增殖，SVI从280mL/g上升到800mL/g，污泥浓度下降至0.68g/L，二沉池中污泥不断流失。一般认为在溶解氧为1.0mg/L～2.0mg/L条件下运行的曝气池不会发生污泥膨胀，而试验中溶解氧浓度一直维持在这一水平，仍然发生了污泥膨胀。在第二阶段，从第16天提高溶解氧浓度至3.0mg/L～5.0mg/L(平均4mg/L)可以观察到SVI很缓慢地逐渐下降，污泥浓度不断上升，在大约25天后，污泥浓度逐渐回升到1.5g/L，这时SVI下降到300mL/g。一般污泥膨胀发生速度很快，只要2～3天，而膨胀污泥的恢复很缓慢，往往需要3倍泥龄以上的时间。在一个污泥龄的时间内，观察到污泥沉降性能的明显改善后，由于时间问题没有继续进行观察。
3.2加填料控制污泥膨胀
在生产性曝气池头部加占总池容15%软填料，与传统工艺不加填料时的SVI对比。加设软性填料系统总停留时间为4h，负荷在0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)之间。从图 2可见，在曝气池供氧充足的条件下(气水比(3.7～5)∶1)，加填料可很好地控制膨胀现象。
传统曝气池在相同条件下的运行，在后期停留时间延长1倍。负荷降低1倍，SVI仍在200mL/g ～500mL/g之间，远高于加填料系统(SVI平均在100mL/g左右)。从填料池的分析来看，填料上附着生长的微生物以硫丝菌、021N型菌丝状菌为主。填料池对有机酸的去除率高达80%，对COD去除率为50%，H2S从3.67mg/L降至0.77mg/L。从而去除了丝状菌的生长促进因素，有利于絮状菌的生长。
事实上，填料池也相当一个选择器，其将丝状菌固着于填料上在第一个池子中选择性地充分生长，但不进入活性污泥絮体之中。而絮状菌在第二个池内生长，从而避免了污泥膨胀的发生。其主要的作用是降低污水的有机负荷，菌膜的脱落是次要因素。对于有机负荷的降低，是从两方面进行，首先是对有机物的直接去除，这个作用在分设的填料池中最为明显。其次是填料上生长的微生物量，增加了系统中总的生物量，从而降低了有机负荷。加填料控制污泥膨胀的方法很简单，但缺点是增加了一定的投资，还有填料的更换问题。一般适宜小型污水处理厂使用，而大型污水处理厂一般不宜采用。
3.3池型和曝气强度对污泥膨胀的影响
对城市污水在高负荷下进行如下对比试验，负荷同为0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBO D5/(kgMLSS·d)，停留时间为4h，气、水比为(3.4～5)∶1。在试验中发现呈推流式曝气 (图3) 的SVI要比同样运转条件下的完全混合曝气池的高100左右。在试验中气、水比为3.5∶1的情况下，推流式曝气池的SVI上升到450mL/g左右，二沉池污泥面不断上升，污泥溢流，发生污泥膨胀。强制排泥后，污泥浓度不断下降。这时增加曝气量之后，虽SVI略有下降，但由于污泥浓度恢复较慢。负荷比初始值要大的多，接近1.0kgBOD5/(kgMLSS·d)，SVI最终仍在350mL/g左右。
这个试验不但说明了溶解氧(宏观)在控制污泥膨胀中的重要作用，同时说明曝气池中实际 (微观)的溶解氧浓度的不同对于膨胀的影响。在两个池子停留时间、曝气量、水质、负荷等完全一致的情况下，产生差别的原因是由于推流式曝气池首端的溶解氧浓度，在整个试验期间里一直等于零。而在完全混合曝气池中溶解氧浓度为2.0mg/L。这表明在高负荷的曝气池的运转中，推流式曝气池不利于改善污泥沉降性能。因为当污水中存在大量容易降解的物质，使得曝气池氧的利用速率加快。造成氧的供应速率低于氧的利用速率，特别是在曝气池头部更加严重。在这种情况下使氧成为限制因素，即使在曝气池其它部位溶解氧浓度为1.0mg /L～2.0mg/L仍然发生膨胀。其原因在于首端负荷过高，严重缺氧造成丝状菌从絮体中伸展出来争夺氧气，同时在后段的丝状菌由于可以从主体溶液中直接吸取营养，比絮体本身中的菌胶团菌有更高的生长速率，从而得到充分的增殖(充分伸展的丝状菌阻碍了污泥的沉降)而造成了膨胀。从试验结果来看，在曝气池头部的溶解氧保持在2.0mg/L(强化曝气或再生池) ，可以有效地控制污泥膨胀。
3.4回流污泥射流强化曝气
在以上研究和分析的基础上，在推流曝气池的首端采用回流污泥经过射流曝气器进行强化曝气，并辅以原有的中微孔曝气器，这时首端小池的溶解氧从零提高到1.6mg/L，解决了首端供氧不足的矛盾。因而，SVI值不断下降至160mL/g，这时射流携带空气量很小。通过对回流污泥单独射流和增加曝气量的试验结果的比较，可以得出如下结论：回流污泥射流对于污泥膨胀的控制作用，不是由于射流过程中对于絮体的切割，造成丝状菌长度及生态环境变化而造成的结果，而是由射流过程中高的传质效率，提供了充足的溶解氧。在曝气池首端造成了有利于菌胶团菌生长的条件，抑制了丝状菌的生长，从而控制了污泥膨胀。在首端强化曝气可采用回流污泥射流，也可采用加大首端曝气强度(供气量)。从试验结果来看，其对污泥膨胀的控制作用是十分有效的。这就为高负荷类型的污泥膨胀的控制提供了多种选择方案。
4讨论和结论
4.1广义的选择器理论
在以上的分析和研究的基础上，可对选择器的概念进行扩展。事实上，所谓选择即在一个容器中造成利于某种微生物生长的条件，从而达到使其不断增殖的目的。选择器可分为3种不同类型：
(1)选择器类型(低基质浓度型膨胀)：选择器是在完全混合池或推流曝气池前加生物选择器，在选择器内利用两类细菌不同的生长速率选择性地培养和发展菌胶团细菌，使其成为曝气池中的优势菌。
(2)间歇进水型：如SBR反应器等类型是在时间和空间上造成选择。
(3)广义的选择器(低溶解氧型膨胀)：在较高负荷下，由于菌胶团细菌具有高的摄取、贮存有机物的能力，结果没有充分氧化有机物，造成饱和现象。使得菌胶团细菌实际生长速率低于丝状菌。同时也发生了溶解氧限制，易引起污泥膨胀。因此可采用如部分填料池、再生池和强化曝气池等方法，恢复菌胶团细菌的降解能力、提高供氧能力和降低负荷来控制污泥膨胀。
4.2防止污泥膨胀的设计
在污泥膨胀的控制中，采取必要的控制手段解除污泥膨胀固然十分重要，但更为重要的是在设计阶段就防止污泥膨胀的发生。为此对不同的污水水质，采取适当的防止污泥澎胀的工艺，在负荷的选择上避免容易引起污泥膨胀的负荷范围，在运行过程中调整正确的运行参数，这都是十分重要的。即使这样由于生产、生活的发展，也会引起污水水质、水量变化而对污水厂的稳定运行发生影响。因此，在设计阶段要尽可能准备几种有效的控制污泥膨胀的备用手段，是一个设计良好的污水处理厂的必备条件。下面介绍某污水处理厂的设计考虑。其曝气池的进水为完全溶解性、有机酸含量高、易引起污泥膨胀的污水。曝气池设计污泥负荷为 0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)，为中、高负荷易引起污泥膨胀。虽然在这个设计参数下已经过小试、中试证明可以避免污泥膨胀的发生，但在设计中还是要从多方面考虑控制污泥膨胀发生的措施。曝气池为两组平行的三廊道曝气池。其中在第一廊道首部分隔出一占总池容1/6小池，在池壁上预埋固定填料的埋件。进水和回流污泥有两个可能的进入点A、B ，同时设有进气管调节阀门。以上这一系列措施，提供了控制污泥膨胀的多种运行方式，下面分别一一说明。
(1)推流式运行方式进水与回流污泥都从A点进入池子，沿廊道折返前进。
(2)为减轻首端的负荷两点进水运行方式回流污泥仍沿A点进入，进水分别沿A、B两点进入池内，以免造成首端长期缺氧的情况。
(3)强化曝气调整进气阀门造成首端曝气强度明显高于其它部位，可减缓首端缺氧的情况。
(4)再生式运行方式进水沿B点进入池内，回流污泥在小池内再生，可以克服高负荷膨胀。
(5)选择器按推流式的运行方式，首端池本身就是一个好氧选择器。事实上，对于某些情况按高负荷设计的曝气池在运行初期，往往是低负荷运行。因此，本例也是有实际意义的。
(6)其它运行方式上述各种运行方式进行组合，可以更加增加单项技术的效果。例如强化曝气和二点进水方式相组合。
以上的各种运行方式大部分在实践中证实对污泥膨胀有一定的控制作用，并且在设计中考虑，一不用增加投资、二不要增加运行费用，只要调整阀门和运行方式即可，这充分说明合理设计的重要作用。在以上方式不能很好地解决膨胀问题时，还可考虑采用以下方式，但需要增加一定的投资。
(7)加填料控制膨胀由于在首端预埋了安装填料的部件，其体积只占总体积的10%左右，增加投资有限，而对膨胀的控制是目前所有控制方法中最为有效的方法之一。
(8)根据需要首端还可加设潜水射流泵在其它的实际污水处理厂的设计中，只要选择1～2项最为有效的备用方案即可。
参考文献
1王凯军. 活性污泥膨胀机理与控制. 北京：中国环境出版社，1 993
2Antonia O Lau,Peter F. Strom and David Jenkins. The Competitive Growth of Fl ocf orming and Filamentous Bacteria: a Model for Activated Sludge Bulking. Journal W PCF,1984,56(1):24
3J Chudoba et al. Control of Activity Sludge Filamentous Bulking:Experimental Verification of a Kinetic Selection Theroy. Water Res,1985,19(2):567
4王凯军. 丝状菌型污泥膨胀的统一理论. 环境科学，1992，13(3)：76
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