SBR法處理啤酒廢水DO對(duì)絲狀菌污泥膨脹的影響

趙屹坤，周 利，李凌云

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；3.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100022)

SBR法處理啤酒廢水DO對(duì)絲狀菌污泥膨脹的影響

趙屹坤1，周 利2，李凌云3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；3.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100022)

溶解氧（DO）濃度是影響絲狀菌污泥膨脹最重要的因素之一。選用具有代表性的啤酒廢水為處理對(duì)象，研究了SBR工藝中DO濃度對(duì)絲狀菌污泥膨脹的影響。結(jié)果表明：高DO濃度（4～6.5mg/L）不會(huì)導(dǎo)致絲狀菌污泥膨脹；低DO濃度能引起絲狀菌污泥膨脹，當(dāng)DO濃度降低至0.4mg/L時(shí)，SVI升高到210mL/g，會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹發(fā)生。低DO濃度下污泥膨脹發(fā)生后，在較高的DO濃度條件下運(yùn)行一定的周期數(shù)后，污泥膨脹能得到有效控制，使污泥沉降性能恢復(fù)到正常水平。

絲狀菌污泥膨脹;SBR法;啤酒廢水;DO;SVI

活性污泥法自從問(wèn)世以來(lái)，絲狀菌污泥膨脹（以下簡(jiǎn)稱(chēng)污泥膨脹）一直是困擾污水處理廠運(yùn)行管理中的難題之一。污泥發(fā)生膨脹后不僅會(huì)導(dǎo)致污泥流失、出水水質(zhì)惡化等現(xiàn)象，而且一旦發(fā)生就難以控制和恢復(fù)。近幾十年來(lái)，國(guó)外在污泥膨脹的機(jī)理與控制方面做了很多研究，取得了較大進(jìn)展[1]，尤其是在絲狀菌的分離與種類(lèi)鑒定上取得了豐碩的成果[2-3]。目前國(guó)內(nèi)有通過(guò)投加藥劑及調(diào)控影響污泥膨脹因子來(lái)控制污泥膨脹的報(bào)道[4-5]，也有學(xué)者從活性污泥結(jié)構(gòu)、生物種群及生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行了研究[6-8]。根據(jù)研究成果，能夠?qū)е挛勰嗯蛎浀囊蛩赜泻芏啵缥鬯N類(lèi)、污泥負(fù)荷、溶解氧濃度、pH值、氮磷營(yíng)養(yǎng)物等等[9]，其中曝氣池混合液中溶解氧（DO）濃度是最重要的因素之一。國(guó)內(nèi)由于溶解氧濃度不足造成的污泥膨脹現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[10-11]。國(guó)外有關(guān)DO濃度對(duì)絲狀菌污泥膨脹影響的研究報(bào)道中，得出的結(jié)論也不盡一致。Sezgin等人的研究發(fā)現(xiàn)，曝氣池混合液中DO濃度小于1.0mg/L時(shí)會(huì)引起污泥膨脹[12]；德國(guó)一研究小組則認(rèn)為，曝氣池中DO濃度小于2.0mg/L時(shí)就會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹；Benefield等人報(bào)道，高DO濃度會(huì)引起污泥膨脹[13]；Palm等人的研究結(jié)果表明，引起污泥膨脹的DO臨界值與污泥負(fù)荷有關(guān)，只要溶解氧成為限制，任何條件下都可能發(fā)生污泥膨脹[14]。

啤酒廢水是一種典型的工業(yè)廢水，其處理設(shè)施在實(shí)際運(yùn)行中常會(huì)發(fā)生污泥膨脹。本文利用SBR能夠嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件的特點(diǎn)，研究探討了SBR法處理啤酒廢水DO濃度對(duì)污泥膨脹的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)裝置及控制系統(tǒng)如圖1所示。SBR反應(yīng)器為圓柱型，有效容積為38L，底部采用微孔曝氣頭，外部纏有電熱絲并通過(guò)溫控儀控制反應(yīng)器內(nèi)為恒溫20℃，在線檢測(cè)溶解氧濃度。進(jìn)水方式為一次性加注。

圖1 SBR試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)中采用SBR工藝，可以嚴(yán)格地控制試驗(yàn)條件，例如對(duì)進(jìn)水底物濃度、起始污泥濃度、曝氣量及反應(yīng)時(shí)間的控制能做到非常精確。

在研究DO對(duì)污泥膨脹影響的試驗(yàn)中，對(duì)除DO以外的其它能夠影響污泥膨脹的因素進(jìn)行嚴(yán)格的控制，使其不能成為導(dǎo)致污泥膨脹的控制因素。為此，在本試驗(yàn)中：進(jìn)水底物濃度為1000mg/L（CODCr）；BOD:N:P = 100:5:1；pH=6.5～8.5；MLSS = 2000mg/L。

1.2 方法

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)控制曝氣量，分別將反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液的DO濃度控制在高和低兩種條件下，考察運(yùn)行過(guò)程中活性污泥的沉降性能及出水水質(zhì)的變化。當(dāng)污泥膨脹發(fā)生后，調(diào)整污泥混合液的DO濃度，考察膨脹污泥的沉降性能恢復(fù)至正常水平的可能性。

2 結(jié)果與討論

2.1 高DO濃度對(duì)污泥沉降性能的影響

好氧曝氣池內(nèi)混合液中的DO濃度一般認(rèn)為控制在2mg/L左右比較合適。為了考察高DO濃度對(duì)污泥沉降性能的影響，試驗(yàn)中控制反應(yīng)器DO濃度在4～6.5mg/L并運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在DO=4～5mg/L時(shí)，污泥體積指數(shù)（SVI）穩(wěn)定在85mL/g左右，當(dāng)DO達(dá)到6.5mg/L時(shí)，SVI值反而略有下降，并且此時(shí)的上清液比較渾濁。這表明在啤酒廢水底物降解過(guò)程中，高DO濃度并不利于絲狀菌繁殖，由于污泥中絲狀菌較少，使其絮體松散、脆弱，在較大的曝氣量下，被分裂成為細(xì)小零碎的絮體，導(dǎo)致上清液渾濁。

圖2 高DO濃度下SVI的變化情況

2.2 低DO濃度下的SVI變化規(guī)律

為了考察低DO濃度對(duì)活性污泥沉降性能的影響，在不同低DO濃度（DO=0.2～1.6mg/L）下進(jìn)行了大量試驗(yàn)，圖3是DO濃度從1.6mg/L逐漸降低時(shí)SVI的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)過(guò)程中，DO濃度低時(shí)能改變污泥沉降性能而引發(fā)污泥膨脹。在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)DO濃度降低至0.4mg/L時(shí)，SVI升高至210mL/g左右，導(dǎo)致污泥膨脹發(fā)生。在此之后，又進(jìn)一步降低DO濃度，結(jié)果污泥膨脹進(jìn)一步加劇。

圖3 不同低DO濃度時(shí)SVI的變化

由以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，反應(yīng)過(guò)程中溶解氧濃度低時(shí)能夠?qū)е挛勰嗯蛎浀陌l(fā)生。對(duì)由于反應(yīng)器混合液中溶解氧的缺乏而引起的絲狀菌污泥膨脹，可稱(chēng)之為低溶解氧污泥膨脹。低溶解氧導(dǎo)致污泥膨脹的原因是由于在低溶解氧條件下絲狀菌的過(guò)度繁殖引起的，這可以從微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)上進(jìn)行解釋。Chudoba、Chieas等人認(rèn)為[15-16]，絲狀菌具有低的最大比生長(zhǎng)速率μmax和飽和常數(shù)Ks，在碳源基質(zhì)濃度很低時(shí)具有高的生長(zhǎng)速率，而菌膠團(tuán)細(xì)菌具有較高的μmax和Ks值，當(dāng)碳源濃度較高時(shí)具有高的生長(zhǎng)速率，這個(gè)理論很好地解釋了低污泥負(fù)荷容易導(dǎo)致污泥膨脹的原因。然而，絲狀菌和菌膠團(tuán)細(xì)菌對(duì)溶解性碳源基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)律也適用于溶解氧，即在低溶解氧條件下，絲狀菌在對(duì)溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)而優(yōu)先增長(zhǎng)，從而最終導(dǎo)致污泥中絲狀菌過(guò)度繁殖而發(fā)生絲狀菌污泥膨脹。在本試驗(yàn)中，當(dāng)DO濃度降低到0.4 mg/L時(shí)，活性污泥中絲狀菌的生長(zhǎng)速率高于菌膠團(tuán)而占優(yōu)，最終導(dǎo)致污泥中絲狀菌過(guò)度繁殖而產(chǎn)生污泥膨脹。

2.3 不同SVI值下出水中COD及SS的變化

圖4是在DO為2.0mg/L的條件下，反應(yīng)器內(nèi)污泥膨脹程度不同時(shí)出水COD及SS變化情況。可以看出，當(dāng)隨著SVI值的增大，出水COD及SS值下降，這表明絲狀菌在活性污泥的構(gòu)成中起到相當(dāng)重要的作用。當(dāng)活性污泥中絲狀菌很少時(shí)，污泥絮體較小且松散，界層沉速較快，SVI值低，上清液卻渾濁。當(dāng)絲狀菌在污泥中含量較高時(shí)，形成的污泥絮體較大且密實(shí)，上清液清澈，SS值較低。另外，由于菌膠團(tuán)與絲狀菌具有不同的μmax和Ks值，使絲狀菌與菌膠團(tuán)共生系統(tǒng)具有高的凈化能力。本試驗(yàn)中，當(dāng)SVI值達(dá)到160mL/g時(shí)，出水中COD及SS值分別從117mL/g和16mL/g降低至102mL/g和10mL/g。但是，如果絲狀菌過(guò)多，會(huì)影響污泥的沉降及壓實(shí)，使污泥具有較高的SVI值。因此，在實(shí)際運(yùn)行中如何對(duì)曝氣池進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，維持絲狀菌在活性污泥中合適的比例尤為重要。

圖4 不同SVI值下出水中COD與SS的變化情況

2.4 膨脹污泥沉降性能的恢復(fù)

當(dāng)?shù)腿芙庋跷勰嗯蛎洶l(fā)生后，試驗(yàn)中大幅度提高反應(yīng)器混合液中的DO值，并穩(wěn)定運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，污泥沉降性能逐漸得以恢復(fù)。圖5為DO＝3mg/L的條件下，膨脹污泥SVI值從340mL/g逐漸降低到85mL/g左右時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，在較高的DO濃度下，兩種廢水的SVI值逐漸降低至150mL/g以下。這表明：在低溶解氧下污泥膨脹發(fā)生后，通過(guò)提高DO濃度，可以控制污泥膨脹，使污泥沉降性能逐漸恢復(fù)到正常水平。

圖5 較高DO下污泥沉降性能恢復(fù)過(guò)程中SVI的變化

3 結(jié)論

（1）在啤酒廢水底物降解過(guò)程中，高DO濃度（4～6.5mg/L）不會(huì)導(dǎo)致絲狀菌污泥膨脹，但曝氣量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致上清液濃度升高。

（2）低溶解氧濃度能導(dǎo)致絲狀菌污泥膨脹。在本試驗(yàn)條件下，溶解氧濃度降低到0.4mg/L時(shí)，SVI升高到210mL/g，導(dǎo)致污泥膨脹發(fā)生。進(jìn)一步降低溶解氧后，膨脹程度加劇。

（3）活性污泥中含有相當(dāng)量的絲狀菌，能使出水中SS和COD濃度降低。

（4）低DO濃度下污泥膨脹發(fā)生后，在較高的DO濃度條件下運(yùn)行一定的周期數(shù)后，污泥膨脹能得到有效控制，使污泥沉降性能恢復(fù)到正常水平。

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Impact of DO Concentration on Filamentous Sludge Bulking in Treatment of Brewery Wastewater by SBR Process

ZHAO Yi-kun1, ZhOU Li2, LI Ling-yun3
(1.Beijing University of Science & Technology, Beijing 100083; 2.Qingdao University of Science and Engineering, Qingdao Shandong 266033;
3.Beijing Polytechnical University, Beijing 100022, China)

The concentration of dissolved oxygen(DO) is one of the most important factors which influence filamentous sludge bulking in wastewater treatment plant. The effect of DO concentration on filamentous sludge bulking in SBR was studied by using typical brewery wastewater as influent. The results showed that high DO concentration was not a factor causing filamentous sludge bulking. When the reactors operated with high DO concentration (4～6.5mg/L), the sludge settleability was well. But the low DO concentration could cause filamentous sludge bulking. When the DO concentration reduced to 0.4mg/L, the SVI reached to 210mL/g, the sludge bulking happened. After the sludge bulking occurred under low DO concentration, and the reactors operated for several cycles under high DO concentration, the sludge bulking could be effectively controlled and settleable sludge could be recovered to the normal level.

filamentous sludge bulking; SBR process; brewery wastewater; DO; SVI

X703

A

1006-5377（2010）09-0052-04

國(guó)家自然科學(xué)基金（50778005）。