絲狀菌污泥膨脹理論分析
早期控制絲狀菌污泥膨脹(簡稱污泥膨脹)的主要手段是投加藥劑殺死絲狀菌，或投加混凝劑和助凝劑以增加污泥絮體的比重［1］，但這些方法往往無法徹底解決污泥膨脹問題，相反地可能會帶來出水水質(zhì)惡化的不良后果。其后人們逐漸認識到，活性污泥中的菌膠團細菌和絲狀菌構成一個共生的微生物生態(tài)體系，在這種共生關系中，絲狀菌是不可缺少的重要微生物，對于高效、穩(wěn)定地凈化污水起著重要作用，并逐漸地從簡單殺死絲狀菌過渡到利用曝氣池中的生長環(huán)境調(diào)整絲狀菌的比例，從而達到控制污泥膨脹的發(fā)生即進入環(huán)境調(diào)控階段。環(huán)境調(diào)控概念的使用是人們在污泥膨脹控制技術和實踐上的一大進步，其主要出發(fā)點是使曝氣池中的生態(tài)環(huán)境有利于選擇性地發(fā)展菌膠團細菌，利用生物競爭機制抑制絲狀菌的過度生長和繁殖，將絲狀菌數(shù)量控制在一個合理的范圍之內(nèi)，從而控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展，同時利用絲狀菌的特性凈化污水，穩(wěn)定處理工藝。近年來選擇器理論得到充分的發(fā)展和應用就是這一概念的具體體現(xiàn)。
1 污泥膨脹理論的統(tǒng)一
活性污泥是一混合培養(yǎng)系統(tǒng)，其中至少存在著30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌。在絲狀菌與菌膠團細菌平衡生長時不會產(chǎn)生污泥膨脹問題，只有當絲狀菌生長超過菌膠團細菌時，才會出現(xiàn)污泥膨脹。絲狀菌和菌膠團細菌的生理和生化性質(zhì)差異見表1。
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通過近年來國內(nèi)外對活性污泥膨脹問題研究進展的分析和綜合，可以將引起絲狀菌污泥膨脹的原因分為5種類型，即a.基質(zhì)限制；b.DO限制；c.營養(yǎng)物缺乏；d.pH影響；e.H2S影響［2］。
1.1 廣義Monod方程
絲狀菌與菌膠團細菌競爭的數(shù)學模型遵循多種基質(zhì)限制的廣義Monod方程，即MonodMcGee方程［1］：
μ＝μmax(S1／K1+S1)(S2／K2+S2)…(Sn／Kn+Sn) (1)
式中μmax——最大生長速率，d-1
Ki——第i種基質(zhì)親和力，mg/L
Si——第i種基質(zhì)濃度
根據(jù)式(1)可知，基質(zhì)限制、DO限制和營養(yǎng)物缺乏型的污泥膨脹問題都可用廣義Monod方程來加以解釋(當?shù)獓乐厝狈r的污泥膨脹不能歸入這一理論，原因在于若缺乏氮，微生物便不能充分利用碳源合成細胞物質(zhì)，過量的碳源將被轉變?yōu)槎嗵穷惏赓A存物，這種貯存物是高度親水型化合物，易形成結合水，影響污泥的沉降性能，從而產(chǎn)生高粘性膨脹，其不屬于絲狀菌污泥膨脹范疇)。
關于pH的影響，可在動力學方程參數(shù)的基礎上，以動力學常數(shù)的乘積因子的形式進行耦合，或者單獨列出其動力學方程，從而統(tǒng)一在廣義Monod方程之下。關于H2S的影響，文獻報道引起污泥膨脹的H2S濃度很低，一般是在1～2.0 mg/L。但通過向污水中添加H2S的試驗發(fā)現(xiàn)，即使H2S濃度達到 50 mg/L也不會發(fā)生污泥膨脹。事實上，一些厭氧裝置雖然出水含有大量H2S，但是揮發(fā)性有機酸濃度很低時，好氧后處理也不發(fā)生污泥膨脹；當揮發(fā)性有機酸達到一定濃度時需引起注意，其中主要的低分子有機酸(乙酸、丙酸)易于降解，因此造成耗氧速率的增加［3］，引起氧的限制型膨脹，這是造成污泥膨脹的根本原因。而H2S的出現(xiàn)是污水厭氧發(fā)酵的一個伴隨現(xiàn)象，也可歸為DO限制型的膨脹，從而廣義的Monod動力學模型可以在一定程度上很好地統(tǒng)一污泥膨脹的理論。
1.2雙基質(zhì)Monod方程
由于城市污水中N、P和其他營養(yǎng)元素一般不缺乏，因此在一般情況下，可只考慮碳源限制和DO限制兩種情況。這樣，城市污水的絲狀菌污泥膨脹問題就簡化為兩種主要類型，即基質(zhì)限制和DO限制型。
μ＝μmax（S／KS+S）·（DO／KDO+DO）(2)
式中μmax ——最大生長速率，d-1
KS——基質(zhì)親和力，mg/L
KDO——DO親和力，mg/L
2 污泥膨脹數(shù)學模型的研究
為了簡化系統(tǒng)模型，假設：①活性污泥由兩大類微生物群組成，即絲狀菌和菌膠團菌；②微生物生長主要受到碳源和DO限制；③微生物生長的動力學可用同一基本模型來描述；
④曝氣池是完全混合式。模型所描述的系統(tǒng)如圖1所示。
其中反應器1根據(jù)不同的試驗目的，可以分別是選擇器、曝氣池等，反應器2是曝氣池。在沒有選擇器的系統(tǒng)中，回流污泥按虛線所示的途徑回流。根據(jù)以上假設及圖1中的物料平衡關系，可給出選擇器和曝氣池中基質(zhì)(碳源和DO)和微生物(菌膠團和絲狀菌)的一組方程。
選擇器中菌膠團菌：
dX11／dt=(μ1-kd1-1/θc)X11 (3)
絲狀菌：
dX21／dt＝(μ2-kd2-1/θc)X21(4)
碳源基質(zhì)：
dS11／dt=Dk(S10+rS12)-(1+r)·D1S11-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (5)
DO：
dS21／dt=-(1+r)D1S21+Kla(S2S-S21)-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (6)
曝氣池中菌膠團菌：
dX12／dt=(1+r)D2(X11-X12)+(μ1－kd1)X12 (7)
dX22／dt=(1+r)D2(X21-X22)+(μ1－kd1)X22 (8)
dS12／dt=(1+r)D2(S11-S12)-μ1X12/Y1-μ2X22/Y2(9)
dS22／dt=(1+r)D2(S21-S22)+Kla(S2S-S22)-μ1X12/Y1-μ2X22/Y2(10)
式中
狀態(tài)變量：
Xik——污泥濃度，mg/L；其中i=1或2，1表示菌膠團菌，2表示絲狀菌；k=1或2，1表示選擇器，2表示曝氣池
Sjk——基質(zhì)濃度，mg/L；其中j＝1或2，1表示碳源，2表示DO
S10——碳源基質(zhì)初始濃度，mg/L
S2S——飽和DO濃度，mg/L
操作變量：
Dk——稀釋率，d-1
r——回流比
動力學常數(shù)：
kdi——衰減常數(shù)，d-1
Yi——產(chǎn)率系數(shù)，g/g
Kla——傳質(zhì)系數(shù)，min-1；其常數(shù)見表1
μi——比生長速率
2.1進水負荷和曝氣強度的影響
從圖2可見，絲狀菌和菌膠團細菌的競爭優(yōu)勢隨進水負荷而變化。低負荷階段［＜0.4kgCOD/(kgMLSS·d)］，DO的供應充分，出現(xiàn)基質(zhì)限制的情況；高負荷階段［＞1.1kgCOD/(kgMLSS·d)］，基質(zhì)濃度比較高，出現(xiàn)DO限制的情況；而在中間負荷范圍內(nèi)，絲狀菌與菌膠團菌處于合理的比例，系統(tǒng)不發(fā)生污泥膨脹。
圖3表明，即使存在選擇器，低負荷和高負荷階段仍然會發(fā)生污泥膨脹，其限界值與沒有選擇器的系統(tǒng)不同。對于高負荷系統(tǒng)，曝氣強度大可以提高污泥膨脹發(fā)生的上限，同樣低負荷系統(tǒng)發(fā)生膨脹的下限也降低。對于中間負荷階段，如果供氧不充分，絲狀菌仍有可能大量繁殖并形成污泥膨脹。對于不同的曝氣強度，兩種微生物競爭優(yōu)勢發(fā)生轉變的限界值是不同的，這就是雙基質(zhì)動力學方程與傳統(tǒng)的單一碳源基質(zhì)限制動力學方程描述污泥膨脹現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別。試驗的結果也表明，完全混合曝氣池在不同負荷下維持穩(wěn)定的沉降性能所需要的DO濃度是不一樣的，而不是象文獻報道的維持在固定的1.0～2.0 mg/L之間［1］。
2.2進水流量和濃度變化的影響
試驗發(fā)現(xiàn)在停留時間分別為3、4、5 h時，系統(tǒng)的DO濃度分別為1.2、2.2、3.0 mg/L。圖4是流量和基質(zhì)濃度增加1.5倍時采用計算機模擬的結果。
在穩(wěn)定的流量和濃度條件下長期運行的結果是菌膠團細菌占優(yōu)勢，而流量或基質(zhì)濃度的變化會造成絲狀菌的過度生長，且絲狀菌的生長不是一簡單的可逆過程，會造成污泥沉降性能的改變。上述結果是在相對高的負荷下的模擬結果，低負荷下的結論相反。
3 結論
①通過分析，將絲狀菌污泥膨脹概括為5種類型，即：低基質(zhì)濃度、低DO、營養(yǎng)物(N、P)缺乏、H2S影響和pH引起的膨脹。采用廣義Monod方程可解釋大部分類型的污泥膨脹問題，這在一定程度上統(tǒng)一了污泥膨脹理論。由于城市污水中N、P和其他營養(yǎng)元素一般不缺乏，因此在一般情況下，只考慮碳源和DO限制兩種情況。
②在雙基質(zhì)限制下，低負荷的完全混合曝氣池不利于污泥沉淀性能的改善，但中、高負荷下的污泥膨脹則在完全混合曝氣池中有所緩解。對于中、高負荷系統(tǒng)，由于首端缺氧對污泥沉降不利，所以在推流式曝氣池需采取措施避免供氧不足；反之，推流式曝氣池有利于克服低負荷的污泥膨脹，即高負荷與低負荷是兩種類型完全相反的污泥膨脹現(xiàn)象。
③對活性污泥膨脹，既要從宏觀角度考慮，也要從微觀角度去考慮。就活性污泥工藝的運轉條件而言，負荷、基質(zhì)濃度和DO濃度的水平是宏觀條件，但曝氣池首端的實際負荷、基質(zhì)濃度和DO濃度是更為重要的因素，后者是決定污泥膨脹的微環(huán)境，種群的動態(tài)是由其微環(huán)境中的營養(yǎng)物條件所決定的。
④傳統(tǒng)的選擇器僅僅考慮低基質(zhì)濃度型污泥膨脹。選擇器是在完全混合或推流曝氣池前加一個停留時間非常短(15 min)的小池，在選擇器內(nèi)利用兩類細菌不同的生長速率選擇性地培養(yǎng)和發(fā)展菌膠團細菌，使其成為曝氣池中的優(yōu)勢菌。在以上的理論分析和研究的基礎上，可以對選擇器的概念進行擴展。廣義的選擇器可以包括低DO型污泥膨脹，可采用不同的選擇器的形式如再生池和強化曝氣池等方法，恢復菌膠團細菌的降解能力、提高供氧能力和降低負荷以控制高負荷型的污泥膨脹。
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