活性污泥泡沫和膨脹的原因和預警控制
摘要：本文研究了某污水處理廠發(fā)生泡沫和污泥膨脹的原因和條件，發(fā)現(xiàn)污泥膨脹和泡沫主要由微絲菌屬細菌異常增殖引起。其發(fā)生具有季節(jié)性和周期性，主要在冬春季節(jié)氣溫較低時爆發(fā)。批式試驗和連續(xù)流試驗采取工藝調(diào)整措施如縮短泥齡和提高負荷，以及投加化學藥劑如次氯酸鈉(NaCLO)、季銨鹽(AFP)、聚丙烯酰胺(PAM)和聚鋁(PAM)等，這些方法均可達到降低污泥體積指數(shù)SVI，不同程度地控制污泥膨脹和泡沫的效果。在實際應用中，縮短泥齡和投加次氯酸鈉在泡沫和污泥膨脹發(fā)生的不同階段也可以取得一定的控制效果。本文提出了控制絲狀細菌異常增殖引發(fā)泡沫和污泥膨脹的預防控制對策。
關(guān)鍵詞：微絲菌； 污水處理廠； 污泥膨脹和泡沫； 預警控制
1 前言
活性污泥泡沫和膨脹是活性污泥處理廠運行管理中經(jīng)常碰到的異常問題，它們絕大多數(shù)是由絲狀微生物異常增殖引起，由絲狀細菌引發(fā)的活性污泥泡沫和膨脹具有明顯的季節(jié)性和周期性，在寒冷季節(jié)發(fā)生較多。由微絲菌Microthrix Parvicella引發(fā)的泡沫和污泥膨脹在歐洲、澳洲等國污水處理廠最為常見，氧化溝則更容易發(fā)生[1-6]。微絲菌是一類革蘭氏陽性菌，具有長而卷曲的絲狀體和疏水性的細胞壁，喜好低溫，長鏈脂肪酸和油脂。目前，對由微絲菌引起的泡沫和膨脹缺乏有效的控制對策[7-8]。
本研究對某污水處理廠三槽式氧化溝出現(xiàn)的微絲菌泡沫和膨脹問題進行了分析研究，通過在小試試驗中采取的工藝參數(shù)調(diào)整措施如降低泥齡，以及投加化學藥劑如加氯殺滅絲狀菌，絮凝沉淀等方法進行控制研究，并在實際污水處理現(xiàn)場進行實際應用驗證。為有效預防和控制活性污泥膨脹和泡沫，本文提出活性污泥泡沫和膨脹的預警控制措施。
2 試驗材料和方法
2.1 批式試驗
采用批式試驗研究了四種不同的化學藥劑對絲狀微生物的控制效果；钚晕勰嗟幕旌弦喝∽晕鬯畯S發(fā)生泡沫的氧化溝，試驗在1 L的燒杯中進行，四種化學藥劑是有效氯10%的次氯酸鈉溶液，純度為45%的季銨鹽抗菌劑AFP(上海未來企業(yè)公司生產(chǎn))，絮凝劑聚丙烯酰胺PAM（分子量900萬）和聚鋁PAC，各藥劑的加量：次氯酸鈉為100～1250 gCL/kg MLSS，AFP為10～250 gCL/kg MLSS，PAM 2～8 mg/L，PAC 50～400 mg/L。攪拌速度120 rpm，反應停止后30min測定SV30，并鏡檢。
2.2 小試連續(xù)流試驗
在批式試驗基礎(chǔ)上，進行實驗室連續(xù)流的實驗，模型反應器進水和曝氣方式同實際氧化溝運行方式，見圖1。進水取自初沉池出水，污泥來自發(fā)生泡沫的氧化溝，在模型中進行了改變泥齡試驗和投加化學藥劑AFP和PAM試驗。試驗過程中每天測試進出水COD、NH4-N、MLSS和污泥指數(shù)，進行鏡檢，鏡檢方法見文獻7。
2.3 現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗
某污水處理廠設(shè)計處理量為15萬t/d，處理裝置分設(shè)A，B，C三組氧化溝，每組設(shè)計承擔5萬t/d的污水處理量。目前只有A溝和C溝進水工作。由于種種原因，兩條溝自運行以來都發(fā)生不同程度的污泥膨脹和泡沫。
在現(xiàn)場進行的投加次氯酸鈉和縮短泥齡試驗，均在A氧化溝進行。2003年春末進行了投加次氯酸鈉試驗，持續(xù)2周，分別在6月5日和6月13日往氧化溝中投加了兩次NaCLO，第一次投加量約為25gCL/KgMLSS，第二次投加12.5gCl/KgMLSS左右；縮短泥齡試驗從2003年12月3日開始，持續(xù)1個月，通過排泥將A溝的污泥齡從11～14天，逐步縮短到6～7天。
3 結(jié)果與討論
3.1 運行數(shù)據(jù)指標分析
從圖2可見，2003年～2004年的20個月內(nèi)，氧化溝的SVI變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，冬春季節(jié)氧化溝污泥的SVI會升高，最高可以達到350mL/g，F(xiàn)場實際觀察冬春季節(jié)氧化溝表面時常會積聚大量泡沫，有時泡沫覆蓋達到90%以上，影響到出水和運行管理。而夏秋季相對比較平穩(wěn)，污泥SVI指數(shù)通常低于150mL/g，基本上觀察不到泡沫現(xiàn)象的發(fā)生。
通過對圖2中運行數(shù)據(jù)的SVI值同溫度及負荷的分析可知，SVI的變化與溫度正好相反，即水溫低的時候，SVI值高，反之低，表明污泥膨脹與低溫有關(guān)；負荷的變化也同SVI值相反，負荷較低時，SVI值處于高水平，說明污泥膨脹與低負荷有關(guān)。鏡檢和生化反應試驗結(jié)果證實，在發(fā)生泡沫的活性污泥混合液和泡沫中，占絕對優(yōu)勢的是微絲菌。
污泥膨脹和泡沫的發(fā)生具有明顯的季節(jié)性，這和微絲菌的生理特性密切相關(guān)，它的適宜生長溫度在8℃～20℃，細胞壁呈疏水性，對長鏈脂肪酸和油脂等疏水性物質(zhì)有較強的親和性，在負荷較低時比菌膠團細菌具有競爭優(yōu)勢。絲狀細菌在低溫時附著在漂浮油脂上生長，容易造成泡沫或污泥膨脹。在夏季時當水溫高于20℃時，微絲菌M. parvicella 能產(chǎn)生蛋白水解酶，該酶可分解細胞質(zhì)壁上的蛋白質(zhì)，使得菌絲斷裂變短［9］。不同時期的微絲菌的生長形態(tài)，在冬春季節(jié)時，是長頭發(fā)絲狀的卷曲菌絲體，絲體長度可以達到600 μm，其數(shù)量遠遠多于絮體量；夏季則呈現(xiàn)短桿狀，長度只有100 μm左右，而且數(shù)量有限，顯然這種絲狀體不會對污泥沉降的性能產(chǎn)生影響。
3.2批式試驗結(jié)果
為了降低污泥中微絲菌的數(shù)量，提高污泥的沉降性能，采取向活性污泥中加入化學藥劑如殺菌劑和絮凝劑的方法。投加的化學藥劑有消毒劑次氯酸鈉，抗菌劑AFP，絮凝劑PAM及PAC。批式試驗期間，所取實際氧化溝中起泡沫的活性污泥，其SVI值在200 mL/g左右。試驗結(jié)果如下。
兩種化學藥劑對活性污泥性狀的影響分別見圖4a和4b。
圖4a中白色柱為投加AFP組，投加量如下：1為空白，2為16.7g/kgMLSS，3為33.3g/kgMLSS，4為83.3g/kgMLSS，5為167.7g/kgMLSS；有色柱為投加NaCLO組，投加量如下：1為空白，2為28gCL/kgMLSS，3為140gCL/kgMLSS，4為280gCL/kgMLSS，5為1400gCL/kgMLSS。
圖4b中白色柱為投加PAM組，投加量如下：1為空白，2為2mg/L，3為4 mg/L，4為8mg/L，5為16mg/L；有色柱為投加PAC組，投加量如下：1為空白，2為50mg/L，3為100mg/L，4為200mg/L，5為400mg/L
從圖4中可見，化學藥劑的投加可以明顯提高污泥的沉降效果，隨殺菌劑投加量增加SV30降低，加AFP的SV30變化相對平緩，氯劑量為167.7g/kgMLSS時對SVI影響較明顯，SV30比對照減少50%；投加絮凝劑PAM和PAC在2 mg/L和50 mg/L時SV30與對照組相比減少70%，隨劑量的增加，SV30略有升高。投加絮凝劑的SV30比殺菌劑的低。殺菌劑次氯酸鈉和AFP對絮體性狀的改善主要是殺滅其中的絲狀細菌，使得絲狀細菌長度變短，喪失架橋的功能，見圖5。殺菌劑對絲狀細菌的殺滅是不可恢復的，但由于殺菌劑同時也會對菌膠團細菌有殺滅作用，會影響出水的質(zhì)量[8]。而絮凝劑PAM和PAC的加入則主要是促進絮體之間的結(jié)合，使得小塊絮體凝結(jié)成大塊絮體，加快絮體的沉淀，在較短的時間里達到較好的效果，對出水不會造成影響。由于絮凝劑不能殺滅絲狀細菌，絮凝起作用的時間有限，不能從根本上解決絲狀細菌的膨脹和泡沫問題。
3.3 連續(xù)流模型試驗結(jié)果
3.3.1 運行工況參數(shù)的改變對活性污泥性狀的影響
試驗開始所取的污泥是C 氧化溝同期膨脹和產(chǎn)生泡沫的污泥，轉(zhuǎn)移到小試模型中后，通過排泥，使得平均泥齡從10天縮短為5～6天見圖6，相比較氧化溝污泥的SVI值，小試模型中污泥的SVI值持續(xù)降低，鏡檢分析，一周后模型中絲狀細菌從開始的2.8×105 個交點/g·vss降低到1.7×105 個交點/g·VSS，而C溝絲狀細菌數(shù)量變化為3.2×105 個交點/g·VSS。小試模型中SVI值降低主要是因為模型中的泥齡短于絲狀菌的世代生長周期，過短的污泥齡使系統(tǒng)中的狀絲菌在未完成世代生長的過程時就被排出系統(tǒng)之外，使系統(tǒng)中絲狀菌不斷流失，最終在氧化溝中其數(shù)量大幅降低，SVI值降低。
3.3.2 連續(xù)流小試中化學藥劑投加對活性污泥性狀的影響
試驗殺菌劑AFP和絮凝劑PAM的投加對連續(xù)流小試模型活性污泥性狀的影響，從圖7可見，投加AFP兩天后SVI值有明顯降低，SVI值從開始的220 mL/g下降到不到100 ml/g，模型表面無可見泡沫，而同期C氧化溝污泥指數(shù)基本上維持在200 mL/g以上，且出現(xiàn)了覆蓋度為20%～30%的泡沫。對微絲菌的數(shù)量開始時為8.94×105 個交點/mL，經(jīng)過連續(xù)投加AFP，5天后絲狀細菌的數(shù)量減少為1.89×105個交點/mL。說明AFP的連續(xù)投加對絲狀細菌的殺滅效果顯著。
在連續(xù)流模型中試驗中，投加絮凝劑PAM對溝中污泥的SVI有較大的改善，較大劑量的PAM投加，使得污泥形成大塊的絮體，沉淀到模型的底部，導致曝氣轉(zhuǎn)刷不能將污泥攪拌起來，影響了系統(tǒng)的正常運行，在實際操作運行中應采用低劑量的PAM投加量，如1～2 mg/L。
3.4 生產(chǎn)性試驗
3.4.1 泥齡調(diào)整試驗
由圖8可見，在12月3日泥齡調(diào)整前，氧化溝中污泥的SVI普遍高于150 ml/g，通過排泥將泥齡從11～14天逐步調(diào)整到污泥齡為6～7天后，SVI值逐漸下降，到12月18日以后，SVI值已降到150 ml/g以下。說明隨著污泥齡的縮短，活性污泥的沉降性能得到提高。從生產(chǎn)運行來看，通過調(diào)整泥齡，污泥的沉降性能變好，泡沫減少，出水懸浮物濃度降低。雖然加大排泥后系統(tǒng)中活性污泥量不斷減少，加之水溫降低，出水指標均有所升高，但是能夠達到國家排放標準，污泥齡調(diào)整前后出水水質(zhì)比較見表1。
3.4.2 次氯酸鈉投加試驗
在投加次氯酸鈉試驗前氧化溝的泡沫和污泥膨脹已經(jīng)持續(xù)了比較長的時間，單靠工藝調(diào)整效果不明顯。從圖9可見投加氯對污泥SVI的影響，第一次投加次氯酸鈉后第三天，活性污泥的SVI值從接近250 mL/g迅速降低到低于100 mL/g，泡沫明顯減少，維持了一個星期之后SVI值升高，又投加了一次次氯酸鈉，由于這次的劑量只有第一次的一半，投加劑量遠遠小于批式試驗的次氯酸鈉量，所以對絲狀細菌的殺滅影響不大，所以只維持了三天，SVI值便又開始升高，并在第四天后超過150 mL/g。本試驗表明，如果要保持較好的污泥性狀，必須加大使用劑量或提高次氯酸鈉使用頻率，在本氧化溝試驗中最好一個星期加一次。加次氯酸鈉后出水的COD有所波動，峰值時比平時偏高40%～50%，但是仍低于70mg/L（見圖10）。
4 結(jié)論
對于微絲菌引發(fā)的污泥膨脹和泡沫控制，已有的研究證明，缺氧/和厭氧選擇器沒有顯著效果[10-12]；工藝調(diào)控措施如泥齡縮短，提高負荷等，在泡沫和膨脹發(fā)生的初期是有一定的作用，但是當泡沫和膨脹發(fā)展嚴重時，效果往往不顯著；加化學藥劑的方法，往往作為一種應急的措施，在緊急的情況下可以在短時間內(nèi)控制污泥膨脹和泡沫，但是投加量過大會對活性污泥的活性產(chǎn)生較大的影響，進而影響系統(tǒng)的功能。
在我們的試驗中，采取工藝調(diào)節(jié)或投加化學藥劑的方法，可降低污泥指數(shù)SVI，抑制泡沫和污泥膨脹的發(fā)生。在實際現(xiàn)場氧化溝的實驗中，縮短泥齡在泡沫和膨脹的初期有顯著控制污泥膨脹和泡沫的效果，投加次氯酸鈉方法對發(fā)展期的泡沫和膨脹有一定的控制作用，但是劑量和使用頻率要根據(jù)需要進行調(diào)整。
在實際工程中建議根據(jù)生物泡沫和污泥膨脹發(fā)展的不同程度和時期進行預防控制，以防患于未然。對于發(fā)展初期的泡沫和膨脹，采取工藝調(diào)整措施，達到抑制絲狀細菌生長的目的，在絲狀細菌發(fā)展的中期，采取應急的投加殺菌劑和混凝劑的對策，在較嚴重的時期，采取多種方法的綜合措施來控制絲狀細菌，用盡可能小的代價來解決運行中的異常問題？傊，為有效的預防控制絲狀細菌產(chǎn)生的污泥膨脹和泡沫，有必要建立相應的預防控制措施，將其消除在萌芽狀態(tài)，以防止大規(guī)模的膨脹和泡沫的發(fā)生。
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