不同活性污泥中污泥质量浓度对沉降性的影响

彭赵旭，彭永臻，2，于振波，刘旭亮，柴同志

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090;2.北京工业大学环境与能源学院，北京100022)

活性污泥法二沉池中的污泥沉降性对于出水水质起着至关重要的作用.目前对污泥沉降过程的研究多基于Dick提出的固体通量理论展开[1-2]，该理论认为污泥的重力沉降速率由其质量浓度决定.根据这个重要假设，学者们建立了幂函数模型、指数模型和Cho模型等沉降速率模型[3-4].后两者由于分别能很好地描述污泥沉速与质量浓度的关系，以及污泥批沉降曲线，因此得到了广泛应用.一般来说，使用这些模型前需要先确定其中的参数，而污泥容积指数(SVI)由于易于测量而常被用来进行参数估计，并取得了很好的效果[5-6].但是SVI相关的测量方法很多(DSVI，USVI，SSVI)，并且受测量器具(高度，直径等)和污泥质量浓度等因素的影响非常明显[7-9].考虑到日常操作的简易性，本研究采用标准的100 mL量筒进行批沉降试验，考察不同活性污泥中质量浓度对沉降性的影响，意在摸索以SVI作参数衡量污泥沉降性的适用范围.

1 材料与方法

1.1 试验用泥

按照沉降性，活性污泥可以分为不膨胀污泥、丝状菌膨胀污泥和非丝状菌膨胀污泥3种.为了更全面的研究污泥质量浓度对沉降过程的影响，本课题组采用小试序批式间歇反应器(SBR)，通过增设前置厌氧段，低有机负荷低DO运行和加大曝气量的方法，分别培养出了以上3种典型污泥，其微生物相如图1所示.

图1 试验污泥的微生物相(100×)

1.2 试验装置和方法

本试验采用标准的体积为100mL的量筒进行批沉降试验.为了减少试验中其他因素对沉速的影响，对污泥进行如下预处理.取SBR排放的剩余污泥，过度曝气后加乙酸钠充分搅拌，确保反硝化完全，再小量曝气吹脱10 min后静沉.先测定沉后的污泥质量浓度，之后根据不同的稀释比分别取一定体积的沉后污泥加入到100 mL量筒中，其余体积用蒸馏水调至100 mL，配置不同质量浓度的泥水混合液，摇匀后进行批沉降试验.记录沉降开始后0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90 min时的污泥沉降比SVt(t代表记录的时间)，其相应的污泥容积指数记为SVIt.

1.3 检测分析项目

为了使试验结果便于实际应用，采用最简单的SVI测定方法.污泥沉降比SVt由静沉t分钟后所形成的污泥体积占原混合液体积的百分比计算得出.污泥容积指数SVIt由相应的SVt除以混合液污泥质量浓度计算得出.它表示经过t分钟静沉后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的体积.污泥微生物相用OLYPUSBX51显微镜观察.

2 结果与讨论

2.1 不膨胀污泥中质量浓度对沉降性的影响

在不膨胀污泥批沉降试验中，除去质量浓度较低的情况(1 500 mg/L)外，沉降过程始终存在着清晰的泥水分界面，且其下沉速率随着污泥质量浓度的增加而降低.Fuchs等研究发现了2种可导致清晰泥水分界面形成的机理.1)拥挤沉淀.它是在沉降过程中颗粒之间互相影响，彼此沉速不断改变.如果速率分布区间很小，清晰的泥水分界面就会形成.2)交联分离.它是絮体之间彼此交联形成了相对固定的整体结构，所有絮体都用一个速率一起沉降[10].对于不膨胀污泥来说，由于缺少相互交联的丝状菌(图1(A)所示)，因此拥挤沉淀是导致形成清晰泥水分界面的主要原因.另外，随着质量浓度增大，污泥絮体的空隙减小，沉降过程中水流过生物絮体的阻力增大，导致污泥絮体的沉速逐渐减小，反映在SVt上就是其同一时间的数值随着污泥质量浓度的增加而增加(图2所示).而当质量浓度过小时，污泥絮体彼此之间处于离散状态.由于各絮体在尺寸、密度和形状等方面的差异导致了不同的沉速，因此难以形成清晰的泥水分界面，从而对SVt的测量造成很大的误差.在低质量浓度情况下，本试验的SVt数值取自沉降污泥主体部分的最上端.另外，质量浓度低时絮体沉降速率快，污泥很快进入压缩沉淀过程，沉后体积几乎不再减小.而随着质量浓度的升高，污泥进入沉后体积不变状态所需的时间也越来越长.SVIt是指每克干污泥形成的沉淀污泥的体积，影响其数值的最大因素就是沉后污泥絮体之间的空隙.随着静沉时间的增加，空隙越来越小，不同质量浓度下的SVIt值也趋于统一.从图3可以看出，不同质量浓度下的SVI60差别已经很小，SVI90则完全相同，但是平常所使用的SVI30却存在误差.考虑到实际中操作的简易性，对不膨胀的活性污泥来说，用SVI60来作为沉降性能好坏的指标可以忽略质量浓度的影响.而SVt则对质量浓度过于敏感，不太适合用来表征污泥沉降性.

2.2 丝状菌膨胀污泥中质量浓度对沉降性的影响

由于发生膨胀的活性污泥压缩性恶化，而为了不破坏污泥絮体的结构，本试验仅通过重力沉降来浓缩原始污泥(未离心)，因此试验污泥质量浓度较低，最大也只有3 712 mg/L.与不膨胀污泥的批沉降试验相似，当质量浓度过低时(1 000 mg/L)，污泥絮体处于离散状态，沉降速率较快且没有明显的泥水分界面.与前者不同的是，当质量浓度增加时，丝状菌的存在大大增加了沉淀过程中絮体所受的阻力，导致沉降速率明显变缓，甚至降低为零.质量浓度升高时沉降过程中也出现了清晰的泥水分界面，但是其成因不是拥挤沉淀，而是丝状菌使絮体相互交联形成固定整体结构产生的交联分离作用导致的.需要指出的是，丝状菌相互交织形成的絮体网状结构在沉降过程中会对上升水流起到过滤作用，吸附和截留水中细小颗粒物，因此沉后上清液十分清澈[11].丝状菌对污泥沉降性的影响是多方面的，它不但会增大沉淀过程所受阻力，而且其交联形成的疏松多孔网状结构会降低活性污泥絮体的密度.由于活性污泥絮体的密度普遍在1.022～1.056 g/mL，而沉降过程的动力来自絮体所受重力与水的重力之差，因此絮体密度的改变会直接影响到污泥的沉降性[12].Schuler等研究发现当絮体的密度与水密度接近时，这种影响尤为显著[8].从图4可见，当质量浓度大于2 000 mg/L时，污泥絮体的沉降过程已不明显.在整个批沉降期间，SVt一直维持在90%以上，几乎不随质量浓度而改变，但是SVIt受质量浓度影响十分明显，与质量浓度成反比(图5所示).由此可见，对于质量浓度大于2 000 mg/L的丝状菌膨胀污泥来说，延长沉降时间对强化泥水分离效果甚微，通常所采用的30 min已经足够描述其沉降性能.当用SVI30为参数表征污泥沉降性时，可以设定某一质量浓度的SVI30作为标准值(比如3 000 mg/L)，其他质量浓度下的SVI30值通过反比例关系换算到该质量浓度下进行比较.进一步分析发现，采用SV30来表征丝状菌污泥沉降性更为方便.在沉降过程出现明显泥水分界面的情况下，如果通过镜检发现污泥絮体中存在大量丝状菌，且SV30大于90%，则可以判定该污泥发生了丝状菌膨胀而不用考虑测定时的污泥质量浓度.

图5 丝状菌膨胀污泥中质量浓度对SVI t的影响

2.3 非丝状菌膨胀污泥中质量浓度对沉降性的影响

丝状菌是活性污泥的骨架，絮状菌附着其上形成活性污泥絮体.两者比例合适时，污泥絮体大小适中，沉降性能良好[13].当由于某种因素刺激絮状菌过量增殖或者胞外聚合物的大量积累时，往往会导致非丝状菌膨胀的发生.由于膨胀污泥的压缩性严重恶化，用于批沉降试验的污泥质量浓度偏低，最浓的也只有1 993 mg/L.与前两种污泥的批沉降试验相似，当质量浓度过低时(1 000 mg/L)，污泥沉降速率较快.沉降的污泥絮体呈现出底部浓，顶部稀的状态，且没有明显的泥水分界面，上清液浑浊.当质量浓度增加时，污泥絮体密度不再分布不均，而是呈现出均一的果冻状形态，外表状似浮云，非常难以沉降，同时也出现了清晰的泥水分界面.由图1(C)可见，发生非丝状菌膨胀的污泥絮体依靠体表的胞外聚合物(EPS)相互黏连成一个整体，有些类似于丝状菌膨胀污泥中依靠丝状菌的相互交联，这是形成清晰泥水分界面的主要原因.另外，非丝状菌膨胀污泥絮体疏松多孔，在沉降过程中可以充分的吸附截留水中的细小颗粒物，致使沉后上清液非常清澈.从图6可见，只要不是质量浓度过稀的情况(1 000 mg/L)，非丝状菌膨胀的污泥絮体几乎没有沉降.分析其原因主要有以下两点.1)非丝状菌膨胀的污泥絮体含有大量的结合水，密度和水的密度接近，导致沉降动力不足;2)非丝状菌膨胀污泥絮体表面黏性很大，增加了泥水混合液的黏度和沉降过程中的阻力[14-15].在整个批沉降期间，SVt一直维持在接近100%的水平.由于SVIt是表征静沉t分钟后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的体积.因此在SVt保持在100%的前提下，SVIt与质量浓度成反比例关系(图6所示).与丝状菌膨胀污泥相似，对非丝状菌膨胀污泥来说，由于污泥压缩性的严重恶化，延长沉降时间并不会改善泥水分离效果.当用SVI30为参数表征污泥沉降性时，可以设定某一质量浓度的SVI30作为标准值(比如2 000 mg/L)，其他质量浓度下的SVI30值通过反比例关系换算到该质量浓度下进行比较.进一步分析发现，采用SV30来表征非丝状菌膨胀污泥沉降性更为方便.在沉降过程出现明显泥水分界面的情况下，如果通过镜检发现污泥絮体中几乎不含丝状菌，沉降的污泥外表呈果冻状，且SV30大于90%，则可以判定该污泥发生了非丝状菌膨胀.

图6 非丝状菌膨胀污泥中质量浓度对SV t和SVI t的影响

SV和SVI是表征污泥沉降性能的常见参数，描述的是沉降的结果.而沉淀的过程则可以从沉降速率和沉后上清液两方面来考察，本试验仅仅初步考察了沉后上清液的特性，对于沉降速率的描述还不够，缺少区域沉降速率(ZSV)等参数的测量.另外，本试验在配置不同污泥质量浓度的混合液时采用的是蒸馏水稀释的方法，这多少会破坏污泥絮体和水之间的初始状态，从而影响沉降过程的测定结果.若在培养污泥的SBR中直接进行1.2节中的预处理，之后让泥水混合液进行沉降，随着污泥的浓缩而取出一系列质量浓度的沉后污泥进行批沉降试验，则可以避免上述因素的影响，这些都需要今后进一步的研究.

3 结论

本文考察了不同活性污泥系统中质量浓度对沉降过程的影响，得到以下主要结论.

1)当质量浓度过稀时，无论不膨胀污泥(1 500 mg/L)还是膨胀污泥(1 000mg/L)，污泥絮体都呈离散或半离散状态，沉速较快，泥水分界面模糊不清，沉后上清液浑浊.

2)当质量浓度升高时，随着沉降过程中水流过污泥絮体的阻力增大，各种污泥的沉速都会降低.膨胀沉速降幅尤其明显，几乎降低为零.泥水分界面都十分清晰，但是成因不同.不膨胀污泥是由絮体的拥挤沉淀造成的，而膨胀污泥则是由丝状菌或EPS的交联分离作用造成的.

3)在絮体不处于离散状态的情况下，用SVt来表征污泥沉降性时，质量浓度对不膨胀污泥影响十分明显，而对丝状菌膨胀污泥和非丝状菌膨胀污泥则几乎没有影响.在整个批沉降试验中，膨胀污泥的SV一直保持在90%以上，延长沉淀时间对改善泥水分离效果作用不大.

4)在絮体不处于离散状态的情况下，用SVIt来表征污泥沉降性能时，对于不膨胀污泥，SVI60可以消除质量浓度对测定值的影响.对于膨胀污泥，需要设定一个特定质量浓度下的SVI30标准值，其他质量浓度下的SVI30按照反比例关系换算到该质量浓度下进行沉降性能比较.

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