污泥膨脹原因分析和解決辦法
廢水生物處理是利用有關(guān)微生物的代謝過程,是對廢水中有機物進行降解或轉(zhuǎn)化的過程。微生物在降解有機物的同時其本身也得到了增殖。
污泥膨脹有兩種類型，一是由于活性污泥中大量絲狀菌的繁殖而引起的污泥絲狀菌膨脹，二是由于菌膠團細菌體內(nèi)大量累積高粘性物質(zhì)（如葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖和脫氧核糖等形成的多類糖）而引起的非絲狀菌性膨脹。
污泥絲狀菌膨脹可根據(jù)絲狀微生物對環(huán)境條件和基質(zhì)種類要求的不同而劃分為五類類型：
?。?）低基質(zhì)濃度型；
?。?）低溶解氧濃度型；
?。?）營養(yǎng)缺乏型；
?。?）高硫化物型；
?。?）pH不平衡型。在實際運行中，一般以污泥絲狀菌膨脹為主，占90%以上。
發(fā)生污泥膨脹時，主要有以下特征：
?。?）二沉池中污泥的SVI值大于200ml/g；
（2）回流污泥濃度下降；
?。?）二沉池中污泥層增高。
一、污泥膨脹相關(guān)理論
1、A/V假說：當混合液中基質(zhì)收到限制或控制時，由于比表面積大的絲狀菌獲取基質(zhì)的能力要強于菌膠團，因而菌膠團受到抑制，絲狀菌大量繁殖。
2、動力選擇性理論：以微生物生長動力學為基礎(chǔ)，根據(jù)不同種類微生物具有不同的大比生長速率和飽和常數(shù)，分析絲狀菌與菌膠團的競爭情況。
3、饑餓假說：將活性污泥中微生物分為三類，類是菌膠團細菌，第二類是具有高基質(zhì)親和力但生長緩慢的耐饑餓絲狀菌，第三類是對溶解氧有高親和力、對饑餓高度敏感的快速生長絲狀菌。
4、存儲選擇理論：在底物風度的狀態(tài)下，非絲狀菌具有貯存底物的能力，而被貯存物質(zhì)在底物匱乏時能夠被代謝產(chǎn)生能量或合成蛋白質(zhì)。但是一些絲狀菌也具有底物貯存能力，底物貯存能力不能完全用來解釋污泥膨脹機理。
5、氮氧化氮假說：CASEY提出低負荷生物脫氮除磷工藝的污泥膨脹假說，如果缺氧區(qū)的反硝化不充分，導致好氧區(qū)存在亞硝酸氮，那中間產(chǎn)物NO、N2O就會抑制菌膠團的好氧細胞色素，進而抑制其好氧情況下的基質(zhì)利用，相反一些絲狀菌只能將硝酸氮還原為亞硝酸氮，因此不會在反硝化條件下胞內(nèi)積累NO和N2O，絲狀菌就不會在好氧段被抑制，因而更具競爭優(yōu)勢。
亞硝酸與SVI有一定的正相關(guān)性。沉淀性能良好的污泥粒徑分布較廣，且以球菌為主，膨脹污泥的粒徑大都在10μm以內(nèi)，污泥較為細碎。
二、影響污泥膨脹的因子
1、溫度
低溫有利于絲狀菌生長，Daigger等人發(fā)現(xiàn)10℃容易導致絲狀菌性污泥膨脹，而污水溫度提高到22℃則不容易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。
2、pH
活性污泥微生物適宜pH范圍為6.5——8.5，pH小于6時，菌膠團活性減弱，生長受到抑制，但絲狀菌能大量繁殖，取代菌膠團成為優(yōu)勢種群，污泥的沉降性能明顯變差并發(fā)生污泥膨脹。pH值低于4.5時，真菌完全占優(yōu)勢。
3、DO
低DO是引起絲狀菌污泥膨脹的主要原因之一，若DO成為限制因子，菌膠團生長受抑制，而絲狀菌因具有巨大的比表面積，更易獲得溶解氧進行生長繁殖，在競爭中處于優(yōu)勢地位。
具有低Ks的絲狀菌在低基質(zhì)濃度下，具有比菌膠團高的比生長速率，這可以解釋基質(zhì)限制、溶解氧限制和營養(yǎng)物質(zhì)限制引起的污泥膨脹現(xiàn)象。只要溶解氧成為限制，任何負荷下都會發(fā)生污泥膨脹。污水處理中DO控制在2左右，太高太低都容易引起污泥膨脹。
4、F/M
低負荷情況下，由于絲狀菌具有巨大的比表面積，低Ks，其對碳源有較強的親和力，優(yōu)先利用碳源，造成競爭優(yōu)勢。
低F/M經(jīng)常出現(xiàn)在完全混合式曝氣池、大回流比的氧化溝（如卡魯薩爾氧化溝）、沿程分散進水曝氣池中；低負荷容易引發(fā)絲狀菌污泥膨脹，高負荷容易引發(fā)污泥粘性膨脹。負荷分布不均，好氧區(qū)一直處于低負荷運行狀態(tài)易造成絲狀菌大量增殖。
Li等人對膜生物反應器內(nèi)污泥負荷參數(shù)的影響研究表明，當F/M<0.2kg/kg.d時，容易引發(fā)污泥膨脹；Pan和Su等人將污水通過好氧選擇器進入膜生物反應器，將F/M調(diào)整到0.4kg/kgd，有效的控制了污泥膨脹；而Laitinen和Luonis等人則是利用缺氧選擇器，加強反硝化除磷作用，有效解決了污泥膨脹。
高有機負荷下，反應器內(nèi)底物充裕，在這種情況中菌膠團比絲狀菌具有更強的吸附與存貯營養(yǎng)物質(zhì)的能力，能夠充分利用高濃度的底物迅速增殖，具有較高的比生長速率，抑制了絲狀菌的生長。
但是如果DO濃度不夠，在0.5mg/L以下，菌膠團在低溶氧的條件下增殖受到抑制，而絲狀菌由于其具有更大的比表面積，即使在低溶氧的條件下也能獲得氧，其增殖速率明顯高于菌膠團，發(fā)生高負荷低DO下的污泥膨脹；低負荷下由于長時間缺少足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，菌膠團生長受到抑制，而絲狀菌具有較大的比表面積，其菌絲會從菌膠團中伸展出來以增加其攝取營養(yǎng)的表面積。
由于研究者的研究背景和研究條件不盡相同，研究結(jié)果也很不一致尤其是關(guān)于有機負荷與污泥膨脹關(guān)系的說法也比較混亂。高低有機負荷都可能引起污泥膨脹，F(xiàn)ord和Eckenfeilder等人發(fā)現(xiàn)高低負荷下都可能發(fā)生污泥膨脹，Palm等人認為根據(jù)負荷不同，在任何DO濃度條件下都可能發(fā)生膨脹，Chudoba等人認為即使對于推流式曝氣池，雖然沿吃長方向存在著高的濃度梯度，但在高負荷下也會發(fā)生污泥膨脹。
5、N、P營養(yǎng)物質(zhì)
通常認為污水中BOD5:N=100:5:1為微生物的適宜比例。
N、P含量不均衡的廢水，會引發(fā)絲狀菌與非絲狀菌膨脹，絲狀菌膨脹：有研究發(fā)現(xiàn)在缺N的情況下，由于絲狀菌具有巨大的比表面積，低Ks，其對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)有較強的親和力，優(yōu)先利用營養(yǎng)物質(zhì)，造成競爭優(yōu)勢；非絲狀菌污泥膨脹：BOD5/N為100:3時，菌膠團未能有充分的N完成代謝，于是把有機物以高親水性的多糖胞外聚合物（EPS）的形式貯存在胞外。因此要降低進水C/N比。
6、微量元素
完全混合活性污泥法會助長絲狀菌的過量生長，這可用痕量金屬缺乏癥理論分析。由于絲狀菌具有比菌膠團更大的比表面積，其在痕量金屬含量不足時比后者具有更大的對痕量金屬的吸附能力，從而抑制了菌膠團的生長。
7、有毒物質(zhì)
當有毒工業(yè)廢水進入污水廠時，活性污泥中的微生物要出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，Novak在對非絲狀菌膨脹的研究中發(fā)現(xiàn)，菌膠團吸收污水中的有毒物質(zhì)后，粘性物質(zhì)分泌減少，生理活動出現(xiàn)異常，可能引起污泥膨脹。
三、污泥膨脹解決辦法
1、應急措施：
?。?）增加絮凝劑，如投加硅藻土、粘土、厭氧污泥、金屬鹽類、混凝劑，如投加鐵鹽（氯化亞鐵5——50 mg/L）、鋁鹽（礬土10——100 mg/L）。
?。?）采用消毒氧化劑，如采用回流污泥加氯措施，投加量一般為2——10kg Cl2/1000kg干污泥，既可控制曝氣池污泥膨脹也可對二級處理出水消毒，同時使控制污泥膨脹所需要的加氯量少。
銅離子濃度在0.75mg/L時或食鹽濃度為4g/L時對抑制絲狀菌污泥膨脹效果良好。但是此法治標不治本。
2、改變工藝
?。?）設(shè)置選擇器，選擇器是曝氣池之前或前段設(shè)定的高有機負荷區(qū)（接觸區(qū)），為菌膠團細菌提供高濃度的可吸收的溶解底物，以提高其攝取和貯存能力，使其在與絲狀菌的競爭中處于優(yōu)勢。
（2）此外改變反應器形式，如將完全混合曝氣池改為推流式曝氣池，連續(xù)進水改為間歇進水。絲狀菌幾乎都不能在完全無分子氧的環(huán)境中吸收底物，這使得通過脫氮和除磷過程而利用底物的功能菌迅速增殖，所以A/O和A/A/O系統(tǒng)能有效控制絲狀菌污泥膨脹。
在A2/O工藝中，厭氧、缺氧區(qū)不利于絲狀菌增殖，如果在好氧段能旁流一部分進水提供碳源，則絲狀菌在整個系統(tǒng)中都處于不利狀況。
?。?）工藝運行調(diào)控：由于污水腐化產(chǎn)生的膨脹，可以對消化污水預曝氣，沉淀池中污泥應及時刮除；N、P缺乏的污水，可及時投加尿素、銨鹽、化肥或與生活污水混合，使BOD5:N=100:5:1左右；缺氮時可從污泥消化池往曝氣池投加高含氮污泥上清液；低溶解氧可以增加供氧，采用表面轉(zhuǎn)刷曝氣的氧化溝，欲提高DO，可通過提高出水堰的高度，以提高轉(zhuǎn)刷的吃水深度的方法，強化轉(zhuǎn)刷的曝氣能力；
低負荷導致的污泥膨脹，可以適當提高F/M；高負荷污泥膨脹，可射流曝氣剪切絲狀菌，射流高的傳質(zhì)效率提供充足的溶解氧。增加水力剪切力：通過曝氣時產(chǎn)生的強水力剪切作用使蓬松污泥自聚、密實，同時使絮團表面不穩(wěn)定的絲狀菌脫落。
（4）在完全混合曝氣池中負荷0.1——0.5 kgBOD5/(kgMLSS·d)都發(fā)生膨脹，而推流式中污泥負荷大于0.5 kgBOD5/(kgMLSS·d)才發(fā)生膨脹，而間歇式反應器內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)膨脹現(xiàn)象；變化的水力負荷造成SVI上升，具體分析為高負荷、低溶解氧刺激了絲狀菌的生長，且絲狀菌生長的不可逆性，造成污泥膨脹，特別是當有機物濃度劇增時易引起污泥膨脹；污泥有機負荷為0.5kg/kg·d，并且DO在2mg/L時，可以有效的控制絲狀菌的生長。
?。?）低負荷引起污泥膨脹的恢復：加大污泥負荷，利用在高底物濃度的環(huán)境條件下，菌膠團的貯存能力與大比生長速率均比絲狀菌的高這一特點，在反應器中創(chuàng)造出有利于菌膠團生長繁殖的生態(tài)環(huán)境，使其取代絲狀菌逐漸成為污泥中的優(yōu)勢菌種，從而使發(fā)生膨脹的污泥逐漸恢復正常。
（6）增大污泥回流量有利于提高菌膠團細菌攝取有機物的能力并且增大與絲狀菌的競爭力度，抑制絲狀菌的膨脹。絲狀菌的生長速率小于非絲狀菌，長SRT有利于絲狀菌的生長，因而增加排泥量，可以有效排除池內(nèi)過多絲狀菌。并且長泥齡情況下，發(fā)生污泥老化，老化的污泥活性不夠，競爭不過絲狀菌，會使絲狀菌在競爭中處于優(yōu)勢地位。
3、污泥膨脹自然消除的原因：污泥膨脹導致污泥的大量流失，使MLSS濃度降低，其結(jié)果是在其它條件不變時，有機負荷提高，DO上升，OUR減小，這都有利于抑制絲狀菌的增殖。
四、其他污泥膨脹原因
1、一般認為懸浮固體少而溶解性和易降解的有機物較多，特別是含低分子量的烴類、糖類和有機酸等容易發(fā)生絲狀菌膨脹，例如啤酒、食品、乳品、造紙廢水；
絲狀菌對高分子物質(zhì)的水解能力弱，較難吸收不溶性物質(zhì)，對低分子有機物可直接作為能源加以利用，有代表性的絲狀菌是球衣菌屬，它能將葡萄糖、蔗糖、乳糖等糖類物質(zhì)直接利用，當廢水中含有可溶性有機物多時，易誘發(fā)絲狀菌膨脹，而不溶性有機物作為去除對象的廢水則不易產(chǎn)生污泥膨脹。
Van等發(fā)現(xiàn)葡萄糖、乙酸鹽這些低分子可溶性有機物容易引起污泥膨脹，而大分子淀粉不易引起污泥膨脹。
2、腐化的污水，還有大量硫化氫的污水，污水在下水管和初沉池等貯存設(shè)施中，停留時間過長，發(fā)生早起消化，使pH下降，產(chǎn)生利于絲狀菌攝取的低分子溶解性有機物和硫化氫，引起硫代謝絲狀菌。但是硫化氫大部分是厭氧發(fā)酵中的副產(chǎn)物，而厭氧發(fā)酵會產(chǎn)生大量小分子有機酸，這些是污泥膨脹的主要原因。
3、一些厭氧裝置雖然出水含有大量硫化氫，但是揮發(fā)性有機酸濃度很低時也不會發(fā)生污泥膨脹，當揮發(fā)性有機酸達到一定濃度時，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，引起DO限制膨脹。
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