工艺控制对污泥膨胀的影响研究

周德超++刘波++姚芳++侯翔宇

摘 要：活性污泥法是当下应用最广的污水生物处理工艺之一。在活性污泥工艺中，污泥膨胀是影响正常运行的重要问题，表现在污泥膨胀的严重性、普遍性与高发生率。目前针对运行过程中污泥膨胀的控制，主要是通过投加混凝剂或氧化剂，投加填料，改变污水进水方式等方法，容易出现反复的情况，无法从根本解决问题。本论文通过对工艺运行基础参数的调控，研究各参数与活性污泥膨胀的关系。实验结果表明，温度、溶解氧浓度、曝气量、有机负荷、氧化还原电位等工艺运行基本参数与污泥膨胀情况均有一定的关联性，这些工艺运行参数的变化直接影响着污泥中微生物的结构与组成，从而间接加剧或抑制污泥膨胀。上述研究有助于总结工艺运行中可能引起污泥膨胀的因素，为实际工艺中控制污泥膨胀提供理论基础和实验依据。

关键词：污泥膨胀 运行参数 微生物表征

污泥膨胀是世界性的难题。尽管各国对污泥膨胀问题作了大量的研究工作，至今仍没有较为彻底的解决方法。添加药物化学控制法只能作为临时应急用。由于污泥膨胀的原因错综复杂，受多种因素影响，这给人们对污泥膨胀的深入研究造成了一定的困难。近十多年来关于污泥膨胀的研究各国在理论和实用技术上取得很多成果，但目前有关污泥膨胀的理论还不完善，如表面积/容积比（A/V）假说，动力学理论，饥饿假说理论、NO假设等仅是特定条件下解释污泥膨胀问题[1，2]。所以，尚须进一步了解引起污泥膨胀的因素，提出污泥膨胀控制技术。

1 、材料与方法

1.1活性污泥预培养

本实验所用活性污泥取自郑州某城市污水处理厂，在一个有效容积为8L的圆柱形反应器中进行培养，反应器配备有一套简易曝气装置与恒温装置。该反应器运行方式为间歇式，全天曝气共23 h，静置1 h后排出上清液。然后向其中加入清水与提前配置的营养液保持反应体积不变。培养过程中通过测定溶解氧浓度来调节曝气量，使溶解氧浓度始终保持在3～6 mg/L左右。

通过每天测定污泥沉降比SV监测活性污泥膨胀的状况，另测定溶解氧浓度DO、电导率、污泥浓度MLSS，记录运行温度与曝气量，便于之后的对影响污泥膨胀相关因素的分析。同时定期取泥样进行镜检、三维荧光、高通量测序等进一步分析。每24h排出1L泥以保持污泥的活性。待污泥情况稳定一定时间后，从反应器中取出原泥进行污泥强化方面的实验。日常运行中采用的进水营养液成分如表1-1所示，该营养液中C：N：P=600：15：2。

1.2实验装置

2、实验结果与讨论

2.1 运行参数对污泥膨胀的影响

2.1.1 温度

SVI即污泥体积指数，是衡量活性污泥沉降性能的指标。良好的活性污泥SVI通常在50～120之间，SVI过高的污泥，极大可能发生了污泥膨胀。

从图3-1中，可以看出这30天的恒温控制可分为18℃和26℃两个阶段。在该批次的日常运行实验中，除了温度是变量外，曝气量、进水COD等都是可能会影响污泥沉降性能的因素。上图数据显示，污泥体积指数因相关条件的改变而上下波动，而当恒温温度从18℃提高至26℃时，污泥体积指数总体呈现明显增多的态势，这说明温度是影响污泥体积指数的重要因素之一，随着温度升高，污泥体积指数增大，污泥膨胀现象更加严重。

2.1.2 溶解氧浓度DO

图3-2描述的是污泥体积指数与溶解氧浓度的关系。两者大致呈现一个负相关的关系。例如第5天时，反应器中溶解氧浓度骤增，而污泥体积指数却有小幅度的下降；第24天反应器中溶解氧浓度的突然下降也致使污泥体积指数的骤增。这种负相关的变化趋势在整个运行周期中都得到了充分的体现。

在溶解氧浓度较低的情况下，多数好氧细菌难以生长繁殖。同时丝状菌较长的菌丝和较大的表面积使其更容易在水体中夺得溶解氧，并能更快地生长繁殖，逐渐取代其他菌种。一般认为曝气量不足容易引发污泥膨胀[3，4，5]，因此在低溶解氧的环境中，丝状菌是优势菌属[6，7]，丝状菌的大量繁殖引起丝状菌性污泥膨胀。图3-2中污泥体积指数与溶解氧的关系也很好地印证了该种解释。

2.1.3 有机负荷（Fr）

从图3-3可以发现，当有机负荷处于300、600mg（COD）/L时，污泥体积指数与同温度阶段的其他负荷情况相比都较大，而当有机负荷处于1200、1800mg（COD）/L时，污泥体积指数相较于同温度的低负荷阶段都有明显的降低。

当有机负荷处于较高水平时，反应器内底物充裕，在这种环境中絮状菌比丝状菌具有更强的吸附于存贮营养物质的能力[8][9]，能够充分利用高浓度的底物用以生长繁殖，从而具有更高的生长速率，抑制了丝状菌的生长。反之，在长时间处于低有机负荷的情况下，底物浓度较低，絮状菌的生长由于长时间缺乏营养物质而受到抑制，也更难以较快繁殖，而絲状菌具有较大的比表面积，当环境体系处于低营养状态时，丝状菌的菌丝会从菌胶团中伸展出来以增加其摄取营养的表面积[10]，因而伸出絮体之外的丝状菌比絮状菌更容易获取底物吸收营养，生长速率也更高，逐渐取代絮状菌成为活性污泥絮体中的优势菌种。此外，丝状菌越多，其菌丝越长，菌丝缠连形成网状结构，导致活性污泥难以沉降，污泥体积指数升高，引起活性污泥的丝状菌性膨胀。

2.1.4 ORP

ORP值，即氧化还原电位，是反映水体水质的一个重要指标。水体中，每一种物质都有特有的氧化还原属性，具有不同的氧化或还原能力，它们彼此相互影响，最终构成了整个水体的宏观氧化还原属性。电位为正时，水体表现出一定的氧化性，为负时则表现出还原性，ORP的数值越高，其所表现的相应属性的性能越强。

由图3-4可以发现整个工艺运行期间，水体的氧化还原电位值都处于上下波动的状态。在工艺运行的前半段时间内，污泥体积指数与ORP之间并未呈现出一定的关联性，而在第16天到第26天的运行过程中，污泥体积指数随着氧化还原电位的波动而正相关变化。此外，18℃阶段污泥的氧化还原电位均值为正，说明该阶段的污泥体系总体表现出氧化性，同时26℃下的污泥的氧化还原电位均值为负，说明该阶段的污泥体系总体呈还原性。与之对应地，26℃阶段的污泥体积指数普遍高于18℃阶段的值，即当污泥体系呈还原性时，污泥膨胀现象更为严重。好氧活性污泥法处理废水的要求之一是活性污泥具有良好的氧化有机物与自身絮凝能力[11]。上述两者的相关性很好地体现了这一论点。虽然该阶段的运行并不能说明污泥体积指数与氧化还原电位具有直接的影响关系，但两者之间的相关性仍不容忽视。

2.2 污泥相表征

由图3-5可以看出，此时的活性污泥呈茶褐色絮绒颗粒状，存在大量絮状菌，菌胶团结构明显，颗粒饱满均匀，泥液界面清晰。同时絮体中存在少量丝状菌，其在菌胶团的形成中起到骨架作用。

由图3-6可以看出，此时的活性污泥絮体中菌胶团结构明显，絮状菌大大减少，污泥絮体颗粒相比初始原泥的絮绒状颗粒更为清晰，泥液界面分明。活性污泥絮体中存在少量丝状菌交织连接着菌胶团。

图3-7反映的是运行中期时反应器里污泥的镜检情况，为了更清楚地反映出污泥微生物结构的变化，此时放大200倍对其进行观察。可以发现此时活性污泥絮体的颗粒结构相对变小而分散，数量也有所减少，絮体中丝状菌的数量相比原始污泥和运行初期明显增多。与此相对应的，运行中期的污泥体积指数比初期也有了相应的增加。

图3-8显示了运行后期污泥絮体的镜检情况，可以看到后期的活性污泥中颗粒状絮体的数量大大减少，几乎已经不存在，而丝状菌的数量比之前有了更进一步的增多，同时在污泥体系中还存在许多游离的细菌。丝状菌连接缠绕粘附游离细菌所形成的具有致密结构的菌胶团成了后期活性污泥絮体的主要构成。此时的活性污泥的体积指数大大增加，活性污泥膨胀现象也更为严重。

3、结论

（1）通过对工艺运行过程中的基本参数分析可知，温度升高，水体溶解氧浓度较低，曝气量不足，长期处于低负荷状态，污泥体系呈较低氧化性时这几种情况是，活性污泥膨胀的情况均会有不同程度地加剧。可以通过适当降低温度，提高水体溶解氧浓度，向污泥体系提供充足曝气量，并给予足够水平的有机负荷等方法来控制活性污泥膨胀。

（2）本阶段试验对工艺运行中不同阶段的污泥进行镜检，观察发现污泥絮体中丝状菌的数量与其形成的结构对活性污泥膨胀有较大的影响。可以通过抑制丝状菌的生长繁殖来控制活性污泥膨胀。

参考文献：

[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. 城市污水处理厂污泥膨胀的研究现状[J]. 广东化工， 2012， 39（10）：124-126.

作者简介：

姓名：周德超，出生年月：1987年3月7日，性別：男，民族：汉，籍贯（精确到市）：湖北省天门市净潭乡，学历：本科，研究方向：环境工程，作者单位：南京大学，单位所在地（精确到市）：江苏省南京市南京大学，单位所在地邮编：210046

第二作者：刘波，作者单位： 南京大学，单位所在地（精确到市）：江苏省南京市南京大学仙林校区，单位所在地邮编： 210046

第三作者：姚芳，作者单位： 南京大学，单位所在地（精确到市）：江苏省南京市南京大学仙林校区，单位所在地邮编： 210046。

第四作者：侯翔宇，作者单位： 南京大学，单位所在地（精确到市）：江苏省南京市南京大学仙林校区，单位所在地邮编： 210046。