工藝控制對污泥膨脹的影響研究

周德超++劉波++姚芳++侯翔宇

摘 要：活性污泥法是當下應用最廣的污水生物處理工藝之一。在活性污泥工藝中，污泥膨脹是影響正常運行的重要問題，表現在污泥膨脹的嚴重性、普遍性與高發生率。目前針對運行過程中污泥膨脹的控制，主要是通過投加混凝劑或氧化劑，投加填料，改變污水進水方式等方法，容易出現反復的情況，無法從根本解決問題。本論文通過對工藝運行基礎參數的調控，研究各參數與活性污泥膨脹的關系。實驗結果表明，溫度、溶解氧濃度、曝氣量、有機負荷、氧化還原電位等工藝運行基本參數與污泥膨脹情況均有一定的關聯性，這些工藝運行參數的變化直接影響著污泥中微生物的結構與組成，從而間接加劇或抑制污泥膨脹。上述研究有助于總結工藝運行中可能引起污泥膨脹的因素，為實際工藝中控制污泥膨脹提供理論基礎和實驗依據。

關鍵詞：污泥膨脹 運行參數 微生物表征

污泥膨脹是世界性的難題。盡管各國對污泥膨脹問題作了大量的研究工作，至今仍沒有較為徹底的解決方法。添加藥物化學控制法只能作為臨時應急用。由于污泥膨脹的原因錯綜復雜，受多種因素影響，這給人們對污泥膨脹的深入研究造成了一定的困難。近十多年來關于污泥膨脹的研究各國在理論和實用技術上取得很多成果，但目前有關污泥膨脹的理論還不完善，如表面積/容積比（A/V）假說，動力學理論，饑餓假說理論、NO假設等僅是特定條件下解釋污泥膨脹問題[1，2]。所以，尚須進一步了解引起污泥膨脹的因素，提出污泥膨脹控制技術。

1 、材料與方法

1.1活性污泥預培養

本實驗所用活性污泥取自鄭州某城市污水處理廠，在一個有效容積為8L的圓柱形反應器中進行培養，反應器配備有一套簡易曝氣裝置與恒溫裝置。該反應器運行方式為間歇式，全天曝氣共23 h，靜置1 h后排出上清液。然后向其中加入清水與提前配置的營養液保持反應體積不變。培養過程中通過測定溶解氧濃度來調節曝氣量，使溶解氧濃度始終保持在3～6 mg/L左右。

通過每天測定污泥沉降比SV監測活性污泥膨脹的狀況，另測定溶解氧濃度DO、電導率、污泥濃度MLSS，記錄運行溫度與曝氣量，便于之后的對影響污泥膨脹相關因素的分析。同時定期取泥樣進行鏡檢、三維熒光、高通量測序等進一步分析。每24h排出1L泥以保持污泥的活性。待污泥情況穩定一定時間后，從反應器中取出原泥進行污泥強化方面的實驗。日常運行中采用的進水營養液成分如表1-1所示，該營養液中C：N：P=600：15：2。

1.2實驗裝置

2、實驗結果與討論

2.1 運行參數對污泥膨脹的影響

2.1.1 溫度

SVI即污泥體積指數，是衡量活性污泥沉降性能的指標。良好的活性污泥SVI通常在50～120之間，SVI過高的污泥，極大可能發生了污泥膨脹。

從圖3-1中，可以看出這30天的恒溫控制可分為18℃和26℃兩個階段。在該批次的日常運行實驗中，除了溫度是變量外，曝氣量、進水COD等都是可能會影響污泥沉降性能的因素。上圖數據顯示，污泥體積指數因相關條件的改變而上下波動，而當恒溫溫度從18℃提高至26℃時，污泥體積指數總體呈現明顯增多的態勢，這說明溫度是影響污泥體積指數的重要因素之一，隨著溫度升高，污泥體積指數增大，污泥膨脹現象更加嚴重。

2.1.2 溶解氧濃度DO

圖3-2描述的是污泥體積指數與溶解氧濃度的關系。兩者大致呈現一個負相關的關系。例如第5天時，反應器中溶解氧濃度驟增，而污泥體積指數卻有小幅度的下降；第24天反應器中溶解氧濃度的突然下降也致使污泥體積指數的驟增。這種負相關的變化趨勢在整個運行周期中都得到了充分的體現。

在溶解氧濃度較低的情況下，多數好氧細菌難以生長繁殖。同時絲狀菌較長的菌絲和較大的表面積使其更容易在水體中奪得溶解氧，并能更快地生長繁殖，逐漸取代其他菌種。一般認為曝氣量不足容易引發污泥膨脹[3，4，5]，因此在低溶解氧的環境中，絲狀菌是優勢菌屬[6，7]，絲狀菌的大量繁殖引起絲狀菌性污泥膨脹。圖3-2中污泥體積指數與溶解氧的關系也很好地印證了該種解釋。

2.1.3 有機負荷（Fr）

從圖3-3可以發現，當有機負荷處于300、600mg（COD）/L時，污泥體積指數與同溫度階段的其他負荷情況相比都較大，而當有機負荷處于1200、1800mg（COD）/L時，污泥體積指數相較于同溫度的低負荷階段都有明顯的降低。

當有機負荷處于較高水平時，反應器內底物充裕，在這種環境中絮狀菌比絲狀菌具有更強的吸附于存貯營養物質的能力[8][9]，能夠充分利用高濃度的底物用以生長繁殖，從而具有更高的生長速率，抑制了絲狀菌的生長。反之，在長時間處于低有機負荷的情況下，底物濃度較低，絮狀菌的生長由于長時間缺乏營養物質而受到抑制，也更難以較快繁殖，而絲狀菌具有較大的比表面積，當環境體系處于低營養狀態時，絲狀菌的菌絲會從菌膠團中伸展出來以增加其攝取營養的表面積[10]，因而伸出絮體之外的絲狀菌比絮狀菌更容易獲取底物吸收營養，生長速率也更高，逐漸取代絮狀菌成為活性污泥絮體中的優勢菌種。此外，絲狀菌越多，其菌絲越長，菌絲纏連形成網狀結構，導致活性污泥難以沉降，污泥體積指數升高，引起活性污泥的絲狀菌性膨脹。

2.1.4 ORP

ORP值，即氧化還原電位，是反映水體水質的一個重要指標。水體中，每一種物質都有特有的氧化還原屬性，具有不同的氧化或還原能力，它們彼此相互影響，最終構成了整個水體的宏觀氧化還原屬性。電位為正時，水體表現出一定的氧化性，為負時則表現出還原性，ORP的數值越高，其所表現的相應屬性的性能越強。

由圖3-4可以發現整個工藝運行期間，水體的氧化還原電位值都處于上下波動的狀態。在工藝運行的前半段時間內，污泥體積指數與ORP之間并未呈現出一定的關聯性，而在第16天到第26天的運行過程中，污泥體積指數隨著氧化還原電位的波動而正相關變化。此外，18℃階段污泥的氧化還原電位均值為正，說明該階段的污泥體系總體表現出氧化性，同時26℃下的污泥的氧化還原電位均值為負，說明該階段的污泥體系總體呈還原性。與之對應地，26℃階段的污泥體積指數普遍高于18℃階段的值，即當污泥體系呈還原性時，污泥膨脹現象更為嚴重。好氧活性污泥法處理廢水的要求之一是活性污泥具有良好的氧化有機物與自身絮凝能力[11]。上述兩者的相關性很好地體現了這一論點。雖然該階段的運行并不能說明污泥體積指數與氧化還原電位具有直接的影響關系，但兩者之間的相關性仍不容忽視。

2.2 污泥相表征

由圖3-5可以看出，此時的活性污泥呈茶褐色絮絨顆粒狀，存在大量絮狀菌，菌膠團結構明顯，顆粒飽滿均勻，泥液界面清晰。同時絮體中存在少量絲狀菌，其在菌膠團的形成中起到骨架作用。

由圖3-6可以看出，此時的活性污泥絮體中菌膠團結構明顯，絮狀菌大大減少，污泥絮體顆粒相比初始原泥的絮絨狀顆粒更為清晰，泥液界面分明。活性污泥絮體中存在少量絲狀菌交織連接著菌膠團。

圖3-7反映的是運行中期時反應器里污泥的鏡檢情況，為了更清楚地反映出污泥微生物結構的變化，此時放大200倍對其進行觀察。可以發現此時活性污泥絮體的顆粒結構相對變小而分散，數量也有所減少，絮體中絲狀菌的數量相比原始污泥和運行初期明顯增多。與此相對應的，運行中期的污泥體積指數比初期也有了相應的增加。

圖3-8顯示了運行后期污泥絮體的鏡檢情況，可以看到后期的活性污泥中顆粒狀絮體的數量大大減少，幾乎已經不存在，而絲狀菌的數量比之前有了更進一步的增多，同時在污泥體系中還存在許多游離的細菌。絲狀菌連接纏繞粘附游離細菌所形成的具有致密結構的菌膠團成了后期活性污泥絮體的主要構成。此時的活性污泥的體積指數大大增加，活性污泥膨脹現象也更為嚴重。

3、結論

（1）通過對工藝運行過程中的基本參數分析可知，溫度升高，水體溶解氧濃度較低，曝氣量不足，長期處于低負荷狀態，污泥體系呈較低氧化性時這幾種情況是，活性污泥膨脹的情況均會有不同程度地加劇。可以通過適當降低溫度，提高水體溶解氧濃度，向污泥體系提供充足曝氣量，并給予足夠水平的有機負荷等方法來控制活性污泥膨脹。

（2）本階段試驗對工藝運行中不同階段的污泥進行鏡檢，觀察發現污泥絮體中絲狀菌的數量與其形成的結構對活性污泥膨脹有較大的影響。可以通過抑制絲狀菌的生長繁殖來控制活性污泥膨脹。

參考文獻：

[1]高廷耀. 水污染控制工程[M]. 北京：高等教育出版社，2007

[2]廖嘉俊. 城市污水處理廠污泥膨脹的研究現狀[J]. 廣東化工， 2012， 39（10）：124-126.

作者簡介：

姓名：周德超，出生年月：1987年3月7日，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：湖北省天門市凈潭鄉，學歷：本科，研究方向：環境工程，作者單位：南京大學，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學，單位所在地郵編：210046

第二作者：劉波，作者單位： 南京大學，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學仙林校區，單位所在地郵編： 210046

第三作者：姚芳，作者單位： 南京大學，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學仙林校區，單位所在地郵編： 210046。

第四作者：侯翔宇，作者單位： 南京大學，單位所在地（精確到市）：江蘇省南京市南京大學仙林校區，單位所在地郵編： 210046。