摘要：預(yù)防和控制污泥膨脹一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，但目前尚未出現(xiàn)利用絲狀菌特性、針對利用絲狀菌污泥膨脹的節(jié)能理論與方法的研究。 實(shí)際的污水處理廠運(yùn)行結(jié)果表明，供氧不足引起了污泥膨脹，但并沒有導(dǎo)致污泥流失，相反出水水質(zhì)有所改善，出水COD、SS和TP的去除率得到了提高，基于此提出了低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能理論與方法。 在闡述低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的發(fā)現(xiàn)和提出的基礎(chǔ)上，對低溶解氧引發(fā)絲狀菌適度生長、絲狀菌和微膨脹在提高出水水質(zhì)的重要作用，及利用低溶解氧微膨脹來節(jié)能的機(jī)制進(jìn)行了理論分析。 并對低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能理論和方法的應(yīng)用和研究方向進(jìn)行了展望。

國內(nèi)外95% 以上的城市污水和50% 左右的工業(yè)廢水采用活性污泥法處理。 污泥膨脹是活性污泥法問世以來在運(yùn)行管理中一直困擾人們的難題之一，不僅發(fā)生率高，而且普遍存在。 如何控制和預(yù)防污泥膨脹成了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 迄今為止，國外對污泥膨脹的機(jī)制、控制與預(yù)防進(jìn)行了大量深入的研究 ，這些研究主要集中在絲狀菌的分離與鑒定上，目前已經(jīng)鑒別出了存在于不同條件下的各種優(yōu)勢絲狀菌 ，并對各種絲狀菌形態(tài)和生理特性進(jìn)行了大量研究，認(rèn)識到了絲狀菌在活性污泥絮體的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)上發(fā)揮了重要作用，提出了低溶解氧導(dǎo)致絲狀菌增殖的理論解釋 ，以及大量的關(guān)于污泥膨脹的控制與預(yù)防和數(shù)學(xué)模型的研究 。 由于活性污泥膨脹長期困擾污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)對此也投入了大量的研究，研究方向和國外的大致相同，多集中污泥膨脹的預(yù)防與控制等方面 。 但是到目前為止國內(nèi)外還尚未出現(xiàn)利用絲狀菌生理生態(tài)特性、針對利用絲狀菌污泥膨脹的節(jié)能理論與方法的報道。

本課題組在長期研究污泥膨脹控制與防治的過程中，發(fā)現(xiàn)很多污水處理廠由于供氧不足引起了污泥膨脹，但并沒有導(dǎo)致污泥流失，相反出水水質(zhì)有所改善。 并基于對污水處理廠運(yùn)行情況的實(shí)際考察，提出了低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能理論與方法 。 本研究在介紹低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的發(fā)現(xiàn)和提出的基礎(chǔ)上，對低溶解氧引發(fā)絲狀菌適度生長、絲狀菌和微膨脹在提高出水水質(zhì)的重要作用，及利用低溶解氧微膨脹來節(jié)能的機(jī)制進(jìn)行了理論分析，并對該方法的進(jìn)一步研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1、低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的發(fā)現(xiàn)

北京市某污水處理廠承擔(dān)著北京市總計86km 2流域范圍內(nèi)的污水治理，服務(wù)人口48 萬，占地24hm2 ，設(shè)計水量為20 萬m3/d。 該廠采用氧化溝工藝，污水經(jīng)格柵、沉砂池預(yù)處理，先后進(jìn)入?yún)捬踹x擇池和氧化溝進(jìn)行二級處理，氧化溝處理后的混合液經(jīng)二沉池沉淀后上清液排放。 該污水廠主要工藝參數(shù)為：污泥齡控制在16d 左右；回流比為100% ～120%；污泥濃度在4000 ～6000 mg/L； BOD 污泥負(fù)荷0103～0112 kgP(kg·d) ；水力停留時間17h 左右。 自2000年運(yùn)行以來，處理效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)很好，活性污泥沉降性能較好。 但是在2002 年冬天，曾因曝氣設(shè)備發(fā)生故障，致使曝氣池內(nèi)溶解氧濃度降低，發(fā)生了絲狀菌污泥膨脹，并持續(xù)了半年。 對發(fā)生污泥膨脹前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)和污水處理效率進(jìn)行分析，在低溶解氧條件下發(fā)生絲狀菌污泥膨脹后，處理出水水質(zhì)良好，對污染物的處理能力并沒有下降。 膨脹前后污水處理廠的運(yùn)行情況對比具體可見表1。 污泥膨脹前后的處理出水水質(zhì)變化不大，出水仍可達(dá)標(biāo)排放。 膨脹期間TP 的去除率大大提高，由原來的48.9% 提高到76.6%。 氨氮去除率降低主要是為了提高曝氣池內(nèi)的DO濃度，人為加大排泥量，降低了曝氣池內(nèi)的MLSS濃度所致。 此外，需強(qiáng)調(diào)的是絲狀菌污泥膨脹期間，二沉池出水非常清澈。

發(fā)生污泥膨脹后，除了考察出水水質(zhì)外，另一個關(guān)鍵問題在于是否會出現(xiàn)污泥流失的問題，其關(guān)系到曝氣池能否維持原有污泥濃度，能否保證處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 實(shí)際的運(yùn)行情況表明，污泥膨脹本身只是使污泥的沉降性能變差，并沒有發(fā)生污泥流失的現(xiàn)象，曝氣池內(nèi)污泥濃度維持在4000 ～6000 mg/L，SVI大多在200 mL/g左右。 膨脹期間的SV、SVI、MLSS變化情況如圖1 所示。

除此，該方法在重慶市忠縣州屏污水處理廠實(shí)際運(yùn)行中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。 該污水處理廠采用改良APO(anoxicPaerobic， 缺氧P好氧) 氧化溝工藝，為降低曝氣能耗，特意將3 臺表面曝氣機(jī)曝氣減少為2 臺表面曝氣機(jī)曝氣，曝氣池內(nèi)DO 濃度由原來的210 mg/L降低到015～018 mg/L之間，發(fā)生了絲狀菌污泥微膨脹。 但是對比發(fā)現(xiàn)，日耗電量節(jié)省了20%，總氮去除率從45% 增加到75%， 總磷、COD、BOD去除率仍然維持原來水平?；趯ι鲜鰧?shí)際污水處理廠的生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)低溶解氧引起了污泥膨脹，污泥膨脹程度輕微，沒有導(dǎo)致二沉池內(nèi)污泥流失，而且出水水質(zhì)得到了一定改善，并達(dá)到了節(jié)能效果。 在此基礎(chǔ)上提出了低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能理論與方法。

2、低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的提出

活性污泥法污水處理系統(tǒng)在低溶解氧運(yùn)行下，會導(dǎo)致絲狀菌污泥膨脹的發(fā)生。 若能保證其它運(yùn)行和環(huán)境條件正常，單純由低溶解氧引發(fā)的污泥膨脹，發(fā)生速度很慢，膨脹的程度也有限。 低溶解氧活性污泥微膨脹節(jié)能方法是調(diào)整系統(tǒng)在低氧條件下運(yùn)行，人為地促使絲狀菌適量生長，調(diào)節(jié)其余參數(shù)在正常的范圍內(nèi)，并控制絲狀菌增殖程度不影響沉淀池中的泥水分離。 由于絲狀菌延長的絲和較大的比表面積，具有較強(qiáng)的降解低濃度底物的能力，且能夠形成網(wǎng)狀污泥，更好地網(wǎng)捕水中細(xì)小的懸浮物。 與正常溶解氧控制條件下的出水相比，不僅提高了對懸浮物的去除能力、得到更清澈的出水，同時由于大大節(jié)約了供氧量，從而也達(dá)到節(jié)能的目的。低溶解氧污泥微膨脹從膨脹程度、引發(fā)因素、SVI范圍、是否節(jié)能等幾方面有別于經(jīng)常發(fā)生的較為嚴(yán)重的污泥膨脹(表2) ，其主要區(qū)別在于污泥微膨脹是由單一的低DO 引發(fā)的，膨脹程度輕微，SVI能維持在一定范圍內(nèi)(150～250 mL/g) 。 二者最大的區(qū)別在于由低溶解氧引起的污泥微膨脹意味著污水的節(jié)能處理。

3、低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的理論基礎(chǔ)

3.1 　低溶解氧下絲狀菌適度生長的理論解釋

根據(jù)Chudoba等 提出的動力選擇性理論，活性污泥中存在菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌兩類不同的微生物。 無論是絲狀菌，還是菌膠團(tuán)細(xì)菌的生長都需要氧，溶解氧是它們代謝活動過程中的基質(zhì)，當(dāng)曝氣池內(nèi)溶解氧不足時(即低溶解氧) ，溶解氧就成為微生物生長的限制性基質(zhì)。 由于絲狀菌具有較低的氧飽和常數(shù)Ks 和最大比生長速率μmax值 ，在低溶解氧濃度條件下，具有相對較高的生長速率，從而具有競爭優(yōu)勢。 另外，絲狀菌還具有比表面積大的特點(diǎn)，結(jié)合擴(kuò)散選擇理論 ，在低溶解氧條件下，絲狀菌將充分利用其生理和生態(tài)特性快速繁殖。 綜上，低溶解氧條件容易引發(fā)絲狀菌污泥膨脹。

但是，對于低溶解氧是否會引起嚴(yán)重的污泥膨脹目前沒有從理論層面進(jìn)行過深入的探討。 從本課題組前期進(jìn)行的大量試驗(yàn)和其他學(xué)者的研究報道看， 單純地靠低溶解氧不會導(dǎo)致惡性的污泥膨脹 。 目前，很多學(xué)者已建立了關(guān)于污泥膨脹的數(shù)學(xué)模型。Cenens 等 建立了基于動力學(xué)選擇的污泥膨脹數(shù)學(xué)模型，該模型指出，如果不考慮絲狀菌的骨架作用，僅僅靠絲狀菌和菌膠團(tuán)菌在底物競爭中的差異不會出現(xiàn)二者共存的現(xiàn)象。

3.2 　絲狀菌及微膨脹在提高出水水質(zhì)中的重要作用

3.2.1 　較高的COD去除率

微生物的比凈增長速率由下式(1) 確定：

μ = Y(μmax S/ Ks + S) - Kd (1)

式中，μ、μmax分別為微生物的實(shí)際和最大比生長速率(d -1 ) ， Ks 為半飽和常數(shù)，即當(dāng)μ= μmax，P2 時的底物濃度( mg/L ) ， S 為底物濃度， 包括DO 濃度(mg/L) ， Kd 為微生物的衰減系數(shù)(d-1 ) ， Y 為微生物產(chǎn)率系數(shù)(kg/kg) 。按照式(1) 可得處于穩(wěn)態(tài)條件下的最小基質(zhì)濃度( Smin) 的表達(dá)式：Smin = Kd ·Ks                  P( Yμmax - Kd ) (2)

在絲狀菌與菌膠團(tuán)菌共生的系統(tǒng)中，由于絲狀菌具有較低的Ks 和μmax ，則其Smin值較小，因而絲狀菌的存在保證獲得低濃度的出水水質(zhì)，從而保證凈化效率。

此外，根據(jù)動力學(xué)選擇理論，絲狀菌和菌膠團(tuán)菌是2 種不同類型的微生物，如圖2 所示。 當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀赟0 時，絲狀菌的比增長速率(μ1 ) 高于菌膠團(tuán)菌比增長速率(μ2 ) ，而微生物比增長速率與底物比降解速率成正比，如下式所示：

μ1 = Y1 v1 (3)

μ2 = Y2 v2 (4)

式中， v1 和v2 分別為絲狀菌和菌膠團(tuán)菌對應(yīng)的底物比降解速率， Y1 和Y2 分別是絲狀菌和菌膠團(tuán)菌的產(chǎn)率系數(shù)；將式(3) 和(4) 做比例，可以得出

v1/v2=(*μ1 Y2/μ2 Y1)，由于Y2 > Y1 ，μ1 >μ2 ，可推知v1 > v2 ，即在低濃度底物條件下，絲狀菌對應(yīng)的底物比降解速率高于菌膠團(tuán)菌對應(yīng)的底物比降解速率。

3.2.2 　較高的SS去除率

菌膠團(tuán)和絲狀菌在競爭中出現(xiàn)嚴(yán)重失衡，將會對污水處理廠的正常運(yùn)行帶來不良影響。 如果污水處理系統(tǒng)中菌膠團(tuán)占絕對優(yōu)勢而絲狀菌幾乎不存在時，會出現(xiàn)由于絲狀菌過少而缺少骨架作用導(dǎo)致的“針狀污泥”(pin2pointsludge ) ，這種污泥絮體小，雖然污泥沉降性好，但是出水的SS 和濁度會嚴(yán)重升高；如果系統(tǒng)中絲狀菌繁殖過多，雖然出水的SS 和濁度會明顯降低，但污泥的沉降性會大大降低，出現(xiàn)嚴(yán)重的污泥膨脹會導(dǎo)致二沉池內(nèi)污泥的流失，甚至整個處理系統(tǒng)將會崩潰。 而適宜數(shù)量的絲狀菌形成的污泥絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在沉淀過程中對上升水流起到過濾作用，并吸附和截流水中細(xì)小顆粒物和游離細(xì)菌，又可保持良好的沉降性能，從而產(chǎn)生清澈的出水水質(zhì)。

3.2.3 　較高的脫氮除磷效率

采用低溶解氧污泥微膨脹方法不但不會造成系統(tǒng)COD和SS 去除率的下降，反而會提高它們的去除率。 但對于脫氮除磷系統(tǒng)來說，低溶解氧運(yùn)行下系統(tǒng)的脫氮除磷效果會不會惡化更值得關(guān)注。對于脫氮系統(tǒng)，溶解氧作為氨氧化菌(AOB) 和亞硝酸氧化菌(NOB) 的反應(yīng)底物，其值的高低嚴(yán)重影響硝化速率的大小。 如果溶解氧過低，則硝化反應(yīng)速率將會變慢，會導(dǎo)致一定的水力停留時間內(nèi)硝化反應(yīng)不能完全進(jìn)行，出水氨氮濃度將會升高。 系統(tǒng)長期地在低溶解氧下運(yùn)行，可能出現(xiàn)亞硝酸氧化菌增長緩慢而逐漸從系統(tǒng)中淘洗出去。 近幾年許多研究表明，在較低的溶解氧條件下系統(tǒng)仍然能夠維持較好的硝化效果，而且容易出現(xiàn)亞硝酸氮的積累，從而實(shí)現(xiàn)短程硝化 。Hanaki 等 的研究結(jié)果表明，當(dāng)溶解氧濃度低于015 mg/L時，反應(yīng)器中氨氧化菌的氨氧化速率并未受到影響。 相反，反硝化過程應(yīng)該在嚴(yán)格的缺氧條件下進(jìn)行，如果缺氧區(qū)存在分子態(tài)氧氣，則系統(tǒng)的反硝化效果將會惡化。 對于APO 工藝，如果好氧區(qū)的溶解氧濃度過高，則硝化回流液中的溶解氧勢必會破壞系統(tǒng)首端缺氧環(huán)境，從而導(dǎo)致反硝化效果的惡化，出水的硝態(tài)氮濃度升高。 因此，要想得較好的反硝化效果，應(yīng)該控制好氧末端的溶解氧處于較低的水平。 此外，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化最重要的控制方法就是維持系統(tǒng)在較低的溶解氧條件下運(yùn)行。 大量的研究表明，維持好氧段在低解氧下運(yùn)行能實(shí)現(xiàn)較好的同步硝化反硝化，這將會提高系統(tǒng)整體的脫氮效果 。 因此采用低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法不一定會造成系統(tǒng)脫氮效果的下降。

對于生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)，控制厭氧段的厭氧條件極為重要，它直接影響到聚磷菌在此階段的生長狀況、釋磷能力及有機(jī)基質(zhì)合成PHA的能力，從而影響到其在好氧段的過量攝磷能力。 若厭氧段存在溶解氧，一方面它將作為最終電子受體而抑制厭氧菌的發(fā)酵產(chǎn)酸作用，妨礙或抑制磷的釋放；另一方面由于氧的存在而發(fā)生的好氧作用消耗了一定數(shù)量的有機(jī)基質(zhì)，不利于聚磷菌貯存足夠底物。 厭氧段的DO應(yīng)控制在0.2 mgPL以下。 為最大限度地發(fā)揮聚磷菌的吸磷作用，必須在好氧段供給足夠DO， 以滿足聚磷菌對其貯存的PHA降解時對最終電子受體DO的需求，實(shí)現(xiàn)最大限度地轉(zhuǎn)化PHA而釋放出足夠的ATP， 供其過量吸磷之需。 一般應(yīng)將此段的DO 控制在2 mg/L左右。 故較低的溶解氧對于放磷具有正面影響，而對于吸磷具有負(fù)面影響，但對于帶有回流系統(tǒng)的除磷工藝，維持好氧段在低DO下(1 mg/L左右)運(yùn)行，有利于厭氧段磷的釋放，而且不會影響好氧段的吸磷。 此外， 陳瀅等 考察了低溶解氧條件下SBR系統(tǒng)的除磷性能，在全程低氧曝氣的SBR系統(tǒng)內(nèi)聚磷菌可得到富集，并出現(xiàn)了明顯的放磷、過量吸磷現(xiàn)象。 在最佳的BOD 污泥負(fù)荷[0 126 kg/ (kg·d) ]條件下，其COD去除率為85%， 除磷效率為96%， 出水PO3-42P的濃度<1 10mg/L。 因此，采用低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法不一定會造成系統(tǒng)除磷效果的下降。 而且有研究報道采用厭氧2低氧的運(yùn)行方式，不僅能保證好氧段磷的充分吸收，而且在好氧段實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化，這進(jìn)一步節(jié)約了曝氣能耗 。

3.3 　利用低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能的原理由雙膜理論可知，在氣膜中存在氧的分壓濃度，

在液膜中存在氧的濃度梯度，它們是氧轉(zhuǎn)移的推動力。 而氧難溶于水，因此氧轉(zhuǎn)移決定性的阻力集中在液膜上，通過液膜的轉(zhuǎn)移速度是氧轉(zhuǎn)移過程的控制速度。 而氧氣在混合液中的傳遞速度由式(5) 表示： dc/dt= KLα ( cs - c) (5)

式中， KLα為氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(1/h) ， cs 和c 分別是氧的飽和濃度和液體中氧的濃度(mgPL) 。當(dāng)混合液中氧的濃度維持在較低的水平時，相對于高溶解氧比，由于具有較大的推動力，氧的轉(zhuǎn)移速率也比高溶解氧時高。 當(dāng)混合液中氧的濃度為零時，由于具有最大的推動力，對應(yīng)的氧轉(zhuǎn)移速率最大。 因此，如果采用低溶解氧污泥微膨脹方法處理污水，將會提高氧轉(zhuǎn)移速率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

4 　應(yīng)用與展望

由低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能理論和方法的發(fā)現(xiàn)、提出和理論基礎(chǔ)分析可得出，該方法是一種既節(jié)能又能改善污水處理效果(或不影響出水水質(zhì)) 的污水處理新方法，其更新了解決污泥膨脹的思想和觀念，對污泥膨脹問題的研究提出了新的挑戰(zhàn)，也符合當(dāng)前污水處理實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的需求。而污泥膨脹通常是在多種因素協(xié)同作用下引發(fā)的，單純低溶解氧濃度誘發(fā)污泥膨脹，速度很慢，程度也有限。 預(yù)防與控制污泥膨脹，應(yīng)當(dāng)主要針對低DO以外的因素引起的膨脹加以預(yù)防與控制。 例如，低有機(jī)物負(fù)荷(即污泥齡長) 、缺少N 和P、酸化廢水(低pH) 、SS 少而溶解性有機(jī)物多的污水及其他原因。 而對于低DO， 需產(chǎn)生適度的污泥微膨脹，如何與其他因素配合與協(xié)調(diào)(如負(fù)荷、曝氣池中的流態(tài)) 控制適當(dāng)?shù)腄O 濃度，這需要研究維持低溶解氧絲狀菌污泥微膨脹狀態(tài)的控制條件，溶解氧濃度的降低的限度和污水處理系統(tǒng)可承受的膨脹程度。 今后的研究應(yīng)確定有關(guān)活性污泥微膨脹節(jié)能方法具體實(shí)施的有關(guān)參數(shù)和控制策略，為該方法在污水廠實(shí)施提供可行的操作辦法。 此外，建立可靠的能及時預(yù)防和解決污泥膨脹兼穩(wěn)定維持污泥微膨脹的專家系統(tǒng)將會對該方法的推廣和應(yīng)用具有重要的意義。

5 　結(jié)論

(1) 實(shí)際的污水處理廠運(yùn)行結(jié)果表明，供氧不足引起了污泥膨脹，但并沒有導(dǎo)致污泥流失，相反出水水質(zhì)有所改善，出水COD、SS和TP 的去除率得到了提高。

(2) 單純的低溶解氧會引發(fā)絲狀菌適度生長和污泥微膨脹，借助絲狀菌比表面積大、網(wǎng)捕能力及降解低濃度基質(zhì)能力強(qiáng)的生理生態(tài)特性可提高出水水質(zhì)，更重要的是維持低溶解氧污泥微膨脹可實(shí)現(xiàn)污水節(jié)能處理的目的。

(3) 研究活性污泥微膨脹節(jié)能方法具體實(shí)施的有關(guān)參數(shù)和穩(wěn)定維持的控制策略，建立可靠的能及時預(yù)防和解決污泥膨脹兼穩(wěn)定維持污泥微膨脹的專家系統(tǒng)將是今后研究的重點(diǎn)。
 

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