關于污泥膨脹問題的研究

王婷 袁昕蒞 劉宏 張俊蛟

摘 要 本文首先介紹了活性污泥膨脹的定義與特征。然后概括了污泥的膨脹類型及各類型對應的特性。其次進行了該現象致因的討論，分別在廢水水質、環境條件和運行條件三方面進行展開。接著以此為契機，提出了三大類的控制措施：起應急管理作用的臨時控制措施、能從根本上抑制污泥膨脹的工藝運行調節控制措施，以及通過生物競爭手段平衡菌種共生關系的環境調控控制措施。最后簡述解決該問題的意義與對并未來進行了展望。

關鍵詞 污泥膨脹 活性污泥法 污水處理

中圖分類號：TU992.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0033-03

當今在進行水處理中被運用得最為廣泛的生物處理技術之一就是活性污泥法。而在該處理工藝中，出現最為頻繁且解決最為棘手的問題之一便是污泥膨脹。據有關報道顯示，在美國60%，德國50%的污水廠，污泥膨脹現象每年都在一定程度上顯現。而在我國將活性污泥法作為主體工藝的大多數污水廠，也存在一定的污泥膨脹問題。

1 污泥膨脹的定義與特征

1.1 定義

污泥膨脹存在于活性污泥好氧處理工藝中。它是出于某種原因，使得原本正常的活性污泥密度減小、體積膨脹、吸附性能減弱、沉降性能惡化，從而引起二沉池漂泥嚴重，出水水質極劇變差，最終導致處理工藝系統運行失敗的現象。

1.2 特征

污泥膨脹的特征總體來說有三點：一是高SVI值。一般而言進行判定的特征指標是高于200mL/g的SVI值。當SVI值處于200-300mL/g區間時，為輕微膨脹;當SVI值處于300-500mL/g區間時，為中度膨脹;當SVI值大于500mL/g時，為嚴重膨脹。[1]二是二沉池中污泥層高度的增加。此種現象又導致污泥層溢過二沉池堰板隨出水流入下級構筑物中，影響出水水質的風險。表現為入水流的處理效果減弱，出水流中的SS濃度及有機物含量的升高。三是回流污泥中固體濃度降低。膨脹后的污泥不易沉淀，容易隨水流的流動而流失。這樣的特質既會使出水水質惡化又會導致回流污泥量不足，繼而影響整個工藝系統的運行。

2 膨脹類型及特性

污泥膨脹可分為兩大類，即絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。絲狀菌膨脹是由活性污泥中絲狀菌的過度繁殖導致的。當絲狀菌菌體數量過多時，會加大各菌體因菌絲間相互接觸，通過架橋作用形成有支撐作用的框架結構的概率，從而影響污泥的沉降效率。且絲狀菌相較于引起非絲狀菌膨脹的菌膠團細菌而言，它的對基質的親和力更強并且自身的比表面積更大，從而更利于機體吸收利用營養物質，在低負荷情況下的處理污染能力更強。在低溶解氧低酸堿度的環境下，該菌體的耐性更強。而以菌膠團細菌為主因發生于高負荷低溫條件下的膨脹被稱為非絲狀菌膨脹或粘性膨脹。此種現象出現的主因是該菌生成并積淀了大量的如葡萄糖等高粘性物質，從而增大了污泥中結合水的比重（有甚者可高達380%），致使其壓縮性能惡化。實際工程中，絲狀菌污泥膨脹的出現率高達90%。

3 主要影響因素

應當注意的污泥膨脹的起因紛繁復雜，許多研究學者對此也各執己見。活性污泥中的多種菌體才共同組成了作用菌團，故有許多因素都會導致污泥膨脹的存在與影響其程度。下面簡要介紹以下幾個方面。

3.1 污水水質

1.含有大量可溶性有機物、碳水化合物的污水。[2]絲狀菌對以高分子形態存在的物質的水解能力較低但利用程度較高。故當處于有較多可溶性有機物存在的污水環境中時，絲狀菌膨脹易由于絲狀菌的過度增殖而出現。此外，通常認為當污水中含有較多的糖類碳水化合物，特別是低分子量的烴類、糖類和有機酸類物質時，菌膠團表面將會被由微生物代謝而成的粘性較高的多糖類物質籠蓋，使得污泥中結合水比重增加，致使粘性膨脹的出現。

2.腐敗或早期消化，硫化氫含量高的污水。一般而言若污水逗留下水管道、初沉池中時間超出標準，會容易有消化反應的發生，導致低分子有機酸和硫化氫物質的大量生成積累。進而促進硫代謝絲狀菌的大量繁殖致使絲狀菌膨脹。

3.氮和磷含量不均衡或缺乏的污水。因絲狀菌對氮、磷等元素的吸收利用能力較強，故當處于營養含量有限的環境中時，絲狀菌會處于生物競爭中的優勢地位。使得低營養型微生物如貝氏硫細菌、絲硫細菌、浮游分枝球衣菌等大量增殖，污泥膨脹現象由此發生。且有相關研究表明，在氮、磷比例失調情況下同時存在有粘性膨脹發生的傾向。通常認為水中BOD5：N：P=100：5：1時較為合適。

4.含有有毒物質的污水。以鉛、鉻、鎘、鋅、銅為代表的重金屬離子等有毒物質會毒害污泥中的菌體。這些離子可將細胞中的蛋白質變性，從而招致酶的滅活。當水中酚、氰、醛、硝基類物質濃度超過活性污泥微生物的承受濃度時，也將對其產生一定的毒性。Novak等人得到了當菌體出現“中毒”現象之后，污泥膨脹出現的可能性會增加的結論。[3]

3.2 環境條件

1.溫度和pH值。溫度和pH值以往而言對微生物的生命活動與生長增殖的影響都是巨大的，活性污泥微生物內酶系統運行的好壞會被它們的取值強烈影響，每個菌種都有其對應的最適取值范圍。對于溫度而言，活性污泥法系統環境溫度為10℃-35℃為宜。I.Takacs等人表示，當溫度較低時（10℃-15℃），有同時發生兩種污泥膨脹的可能性。而對于pH值來說，pH值在6.5-8.5范圍時較為合適。當pH值低于6.5時，霉菌會成為群體中的優勢菌種，將對絮體結構有破壞作用，污泥膨脹問題有發生的可能性[4]。且有關觀點認為在pH值低于4.5這樣的環境下，真菌將加速成長，這樣的情況會嚴重惡化污泥的沉降機能從而導致出水水質的降低。

2.水流流態及流量變化。對于水流流態因素而言，它的樞紐指標是曝氣池內基質濃度梯度。絲狀菌對環境適應性較強，當環境流態流量變化劇烈，基質濃度梯度大，絲狀菌的生長繁殖將得到促進，易引起污泥膨脹。具體到工程中而言，完全混合式曝氣池、推流式曝氣池、間歇反應式曝氣池發生污泥膨脹現象的容易程度是由大到小排

列的。

3.3 運行條件

1.負荷的影響。負荷有對污泥膨脹現象十分復雜的影響，且大家對此一直都是眾說紛紜。目前而言，基于不同微生物生長動力參數下的不同而提出的選擇性準則已被大家廣泛接受。在低負荷這樣被限量的底物濃度條件下，絲狀菌會因在生物競爭中占上風而過度增殖招致污泥膨脹的發生。而在高負荷條件下的情況大家說法不一，有觀點認為此時是由菌膠團細菌引起的粘性膨脹，也有觀點認為此時是由曝氣池內供氧量不夠DO濃度減少而引發的絲狀菌膨脹。

2.溶解氧的影響。水處理工程中，氧是最具影響力的生化環境控制因素之一，一般而言工藝運行中溶解氧的濃度控制在2-4mg/L范圍內較為合適。在低DO運行前提下，污泥中好氧細菌的日常生殖代謝活動會被極大地抑制，而耐受能力強、比表面積大、菌絲較長的絲狀菌可直接利用體表攝取有機物，對氧氣的攝取也更加容易，故此時易因絲狀菌的過度增殖而招致污泥膨脹。

4 控制方法

污泥膨脹作用機理復雜且多變，在選擇控制方法時我們應同時結合多個指標來進行選擇。目前來說，對此的控制方法大體可被分為以下三類。

4.1 臨時控制措施

該措施主要是針對處理由于暫時突發的原因而引發的污泥膨脹問題，一般是通過投加藥劑用以應急處理。它主要被分為兩類，即活性污泥加重助沉措施和殺菌措施。

活性污泥加重助沉措施一般用于抑制粘性膨脹。它是通過增加污泥中絮體的比例來加速其下沉改善沉降機能，從而得到控制粘性膨脹發生與發展的效果。它的具體措施包括投加PAC、硫酸鐵、PAM等藥劑，亦或是如硅藻土、粘土、厭氧污泥、金屬鹽類等物質。

殺菌法主要針對于絲狀菌膨脹。它是通過向污泥中加入對微生物無選擇性的有毒藥品來抑制或殺滅絲狀菌，從而達到抑制絲狀菌膨脹的目的。目前最普遍的方法是向回流污泥中加氯，其他常用的滅菌劑還包括次氯酸鈉、過氧化氫、臭氧等。當滅菌劑加入后，由于在比表面積這一方面而言，絲狀菌會大于菌膠團細菌等微生物，首當其沖受到毒害的則是絲狀菌。他的作用機理是氯破壞絲狀菌的細胞壁導致細胞生長增殖得到抑制。但對于菌膠團細菌等微生物而言，它們受到的抑制毒害作用相較于絲狀菌來說輕微許多，在計量允許范圍內科學地投加滅菌劑并不會對菌膠團細菌等的正常生長繁殖造成影響。一般而言，氯投加量在2-10kgCl2/1000kg干污泥范圍內較為合適。

臨時控制措施的優點是當采取投加措施后在極短的時間內就能起到控制污泥膨脹發展的效果，能夠迅速地抑制污泥膨脹現象。缺點是它無法從根源上解決問題，它的控制效果是表面的臨時的。當加藥停止時，膨脹問題極可能重現。而且若加藥時對量控制不當，還有使水質變差的可能性。

4.2 工藝運行調節控制措施

當我們處理由于運轉控制欠妥而引起的膨脹問題時可采取工藝運行調節控制措施。例如：

（1）通過對已消化污廢水進行預曝氣、使下水道具有一定坡度防止污廢水停留時間過長、及時刮除沉淀池底部污泥等方式來控制由于污廢水“腐化”而引起的膨脹。

（2）對于發生污泥膨脹的工業廢水而言，若它是因N、P等元素缺乏或含量不均衡而引起的，則可通過實時補加含有該元素的物質如尿素、銨鹽、商業化肥等，或以工業廢水與生活污水充分混合，將N、P含量控制在BOD5：N：P=100：5：1左右，以此解決污泥膨脹問題。[5]

（3）對于因pH值過低而引起的膨脹，可通過嚴格把控上游工業廢水排放等措施來解決。

（4）對于負荷過低而造成的膨脹，可通過在保證處理效果達標且DO充沛的前提下，適當提升F/M值進行抑制。

（5）對于負荷過高而引起的污泥膨脹，可借助射流曝氣的方式對菌體進行切割的同時在曝氣池首端提供充足的溶解氧形成利于菌膠團細菌增殖發育的環境，從而平衡兩類菌種含量。

（6）對于高粘性膨脹而言，可通過使回流污泥量增加來降低水中多糖類物質的含量從而控制膨脹的發生。在條件允許的情況下，可以將菌膠團細菌的內源呼吸期控制在回流污泥前進行，從而使得絮凝體更易形成菌群與攝入利用有機物，使其在與絲狀菌生存逐鹿中占領優勢地位，從而同時使絲狀菌膨脹也得到抑制。

4.3 環境調控控制措施

該措施的基本切入點在于借助曝氣池中環境的調控變化使菌膠團細菌的增殖發育獲得優勢，從應用分子生態學的角度出發利用生物競爭的機制平衡菌膠團喜劇和絲狀菌這兩類菌種的協調共生關系，從根本上達到控制污泥膨脹的效果。近幾年較有代表性的如生物選擇器概念、改變反應器形式、在曝氣池首端加填料等方式。[6]

（1）生物選擇器的是指在完全混合式曝氣池之前或其前端，設置一個水力停留時間較短的區域。此區域的底物濃度即有機物負荷較高。基于此條件下，會使得菌膠團細菌攝取貯存營養物質的能力得到提升該菌的生長繁殖速度也會得到相應的提高，從而使其在與絲狀菌生存逐鹿中占上風。一般來說，生物選擇器的類型可大致分為好氧選擇器、缺氧選擇器和厭氧選擇器的三種型式。

（2）改變反應器的形式主要是指將完全混合式曝氣池更改成推流式曝氣池，從連續進水轉變為間歇進水。

（3）在曝氣池頭部增添填料是為使絲狀菌增殖發育的場所變為填料，而非污泥絮體中。從而使得菌膠團細菌在后續的工藝中起首要作用，以此規避污泥膨脹的發生。

5 意義與展望

污泥膨脹是活性污泥處理工藝中出現最常見且頻繁的問題之一，一旦出現它對出水水質影響極大且不易控制。影響活性污泥處理工藝運行的因素有許多，任何一種因素出現異常時都有導致污泥膨脹的發生的可能性。目前各學者關于污泥膨脹的原因仍是眾說紛紜甚至是相反的。[7]目前，環境保護工作日趨茲事體大，政府人民對水質標準要求也不斷提高，解決污泥膨脹這一痛點問題，保障水處理系統運行的有效性就顯得多端寡要。

參考文獻：

[1] 楊寶林.活性污泥膨脹的特性研究[J].中國給水排水，1993，09（05）：32-34.

[2] 王鳳祥，龍騰銳，郭勁松.活性污泥膨脹的影響因素及調控措施研究[J].重慶建筑大學學報，2007，29（01）：117-121.

[3] 李·諾瓦克等.活性污泥膨脹機理研究進展[J].水科學與技術，1994，29（07）：301-304.

[4] 范瑾初，金兆豐主編.水質工程.第1版[M].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[5] 周利，彭永臻，黃志，高春娣，丁峰.絲狀菌污泥膨脹的影響因素與控制[J].環境科學進展，1999，07（01）：88-93.

[6] 張相忠，王淑瑩，陳瀅，劉敏，彭永臻.污泥膨脹的研究[J].哈爾濱商業大學學報：自然科學版，2002，18（04）：464-467.

[7] 曾杰，張林，安東升.廢水處理中活性污泥膨脹的控制措施[J].化工管理，2014（12）：212.

（西華大學，四川 成都 610039）