活性污泥系统运行异常的快速诊断与功能修复技术研究.pdf

华东师范大学 硕士学位论文 活性污泥系统运行异常的快速诊断与功能修复技术研究 姓名：戴兴春 申请学位级别：硕士 专业：环境科学 指导教师：黄民生;谢冰 20050501 戴兴春硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 赵庆祥教授华东理工大学主席 上海市政工程 王国华高级工程师 设计研究院 史家操教授华东师范大学 徐亚同教授华东师范大学 谓 冰副教授华东师范大学 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库 进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 日期：加箩、b )日期：沙 粒敝储签锄疥锄摊：该) ( 黼 摘要 活性污泥法是污水处理行业的重要处理工艺，该工艺主要原理是强化和利用 微生物吸附，絮凝及降解功能去除污水中的污染物质，达到净化的目的。但活性 污泥法在实际操作运行过程中常遇到一些运行难题。如：微生物系统受“冲击”； 或发生污泥膨胀以及在系统表面形成大量的泡沫、浮渣等。 传统的监测方法对污泥法的运行中异常现象反应不及时，不能应对系统突发 性事件或反应系统内微生物的状态，因此本论文着重从几个生理生化指标及分予 生物学指标的分析入手，研究这些指标与活性污泥法中微生物及系统运行的关 系，了解上述各项指标侧重反应的问题，力求建立一套生物处理系统异常情况的 反应体系，并通过对这些指标的了解进而了解微生物活动的状态，从而达到对生 物处理系统全面的了解目的。 针对一些受冲击的生物处理系统，本论文实验中采用投加沸石和生物促生液 的方法进行修复，通过对投加沸石和促生液前后生物处理系统的出水水质、污泥 指标、微生物的活性以及某种特定生物体数量的分析，得出结论：沸石和促生液 对强化系统处理功能和提高系统耐受冲击有一定的作用，并且投加沸石对系统受 氨冲击的修复作用有较大帮助，而促生液对系统受高浓度有机物冲击的修复效果 显著。 对于生物处理系统中常见的污泥膨胀和表面泡沫问题，首先通过对引起膨胀 和泡沫的丝状细菌的分析与鉴定，然后根据该种丝状细菌的生长特点和习性，在 小试实验中模拟一定的条件，使之大量产生，从而了解促使该丝状菌产生的具体 工况条件，便于f l 后生产实践中避免：最后在小试中进行投加化学试剂和利用工 况调整的方法对其进行控制，为生产上出现紧急情况下的应急处理提供了有效的 方法。 最后，根据本论文的实验结果以及其他的研究资科，两家污水处理厂在生产 装雹上对其活性污泥异常现象进行修复与控制，取得了较佳的效果。 关键词：活性污泥生化指标冲击膨胀泡沫诊断控制 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si so d eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t o n p u r p o s eo fe l i m i n a t i n gw a s t ef r o mt h ew a s t e w a t e rc o m p l e t e l y , t h em a i np r o g r e s so fa c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s si st ou t i l i z ea n ds t r e n g t h e nt h ea b s o r b a b i l i t y , f l o c c u l a t i o na n de l i m i n a t i o na b i l i t yo f m i c r o o r g a n i s m i np r a c t i c a lo p e r a t i o n ，t h i sm e t h o du s u a l l ym e e ts o m ed i f f i c u l t i e ss u c ha st h e a r a c ko nm i c r o o r g a n i s m ，s l u d g ei n f l a t i o na n df o a ma n ds c u mo nt h es u r f a c eo f t h e s y s t e m t h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o dm a yn o tr e f l e c tp r o m p t l yo nt h ee m e r g e n c e o f t h es y s t e m a n dt h ec o r r e c ts i t u a t i o no f m i c r o o r g a n i s m t h e r e f o r e ，i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e ml i s t e da b o v e ， t h i sp a p e rl a i dh i g hs t r e s so nt h eb i n c h e m i c a la n dm o l e c u l a r - b i o l o g yp a r a m e t e r st os t u d yt h e i r r e l a t i o n s h i pw i t h t h em i c r o o r g a n i s mi na c t i v a t e d s l u d g ea n dw i t ht h es y s t e mo p e r a t i o n t h e r e f l e c t i o no fa l lt h ep a r a m e t e r si sa l s os t u d i e ds u b s e q u e n t l yt oe s t a b l i s har e f l e c t i o ns y s t e mf o r a b n o r m a l i t yo ft h et r e a t m e n ts y s t e m t h ef u r t h e rs t u d yo ft h ep a r a m e t e r si sa l s oi l l u s t r a t e di n r e l a t i o nt or e s e a r c ht h em i c r o o r g a n i s m a c t i v i t y t nt h i ss t u d y , z e o l i t ea n d b i n e n e g i z e ra r eu s e df o rt h er e c l a m a t i o n so f t h ei n j u r e db i o l o g i c a l t r e a t m e n ts y s t e mt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fr e s u l t so fw a s t e w a t e rq u a l i t y , s l u d g ep a r a m e t e r sa n d t h eq u a n t i t yo fs o m ed e f i n i t eb i o m a s si no u t l e ta n di n l e tw i t hz e o l i t ea n d b i n e n e g i z e r t h es t u d y i n d i c a t e s ：t h eu t i l i z a t i o no fz e o l i t ea n db i n 。e n e g i z e rc a l ls t r e n g t h e nt h ef u n c t i o no f t h e s y s t e ma n d i m p r o v et h ea b i l i t yt or e s i s tt h ea t t a c ko nt h es y s t e m ，m o r e o v e r , z e o l i t ea l s om a yh e l pr e c l a i mt h e a t t a c k e ds y s t e mb yn h 4 - n ，w h i l eb i n e n e g i z e ri so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h er e c l a m a t i o no ft h e a t t a c k e ds y s t e mb y h i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i s m s t os o m ep r o b l e mo f s l u d g ei n f l a t i o na n ds u p e r f i c i a lf o a m f i r s t l y , a n a l y z ea n di d e n t i f yt h e f i l a m e n t o u sb a c t e r i aw h i c hr e s u l ti nt h es l u d g ei n f l a t i o na n df o a m ，t h e ns i m u l a t et h eg r o w i n g s i t u a t i o no fi ti np i l o t s c a l et e s tt oe n h a n c ei t sp r o p a g a t i o nt oc o n c l u d et h ec o n c r e t et e c h n o l o g y c o n d i t i o nf o rp r a c t i c e o nc o n d i t i o no ft h e s es t u d i e s ae f f e c tm e t h o df o re m e r g e n c yi s s u p p l i e d h e r eb yt h ee x p e r i m e n to f c h e m i c a lr e a g e n t sa n d a 碣u s tt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n o v e r a l l ，o nt e r m so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h i sp a p e ra n dt h er e f e r e n c e ，t h em e t h o d s l i s t e da b o v eh a v e b e e nu s e di nt w o - w a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t t oc o n t r o la n dr e c l a i mt h e a b n o r m a l i t yo f a c t i v a t e ds l u d g e ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h es a t i s f i e de x p e c t a t i o n 2 1 1 前言 第一章概述 随着社会经济的发展和人口的剧增，水资源短缺已呈全球化趋势，我国缺水 形势尤为严峻。2 0 0 2 年中国环境状况公报指出：我国人均水资源占有量约 为2 2 3 8 6 m 3 ，相当于世界平均水平的1 4 ；而污染物排放总量随着工农业的飞速 发展逐年上升，因此加大污染物治理力度、加快环境治理设施建设和运行管理 已非常必要。 近年来。在不断的环境污染治理实践中发现，受水质水量变化和操作管理不 当的影响，已建成并运行的污水处理设施在运行过程中常常会出现不稳定甚至失 效的现象，如：污泥难以沉淀、解絮或丝状菌过量滋生，曝气池有异味或池面产 生大量泡沫和浮渣，二沉池出水混浊等。特别是石油化工废水，由于其污染物浓 度高、成分复杂且含有许多有毒有害物质等特点，常常会使处理装置受到冲击或 造成系统中活性污泥长期受抑制，从而导致出水指标不达标，严重时会影响生产 的正常进行。因此系统地分析造成这些异常问题的原因、诊断和评价活性污泥受 损程度并采取相应的工艺技术及管理措施以保证处理系统的稳定、高效运行是污 水厂的重要任务。 1 2 立题背景 1 2 1 活性污泥法的应用 活性污泥法目前是国内外工业废水和城市污水处理厂采用的最广泛的处理 工艺之一。该工艺白1 9 1 4 年在英国曼彻斯特建成污水处理试验厂以来，活性污 泥法工艺发展至今已将有一百年的历史。在近一个世纪的时间里，这一污染物净 化技术在保护生态环境及人类健康等方面发挥了巨大作用l 扪。 在活性污泥法工艺中，污水首先经初沉池处理后进入曝气池，在曝气充氧和 搅拌条件下污水中各种污染物被活性污泥吸附和分解，再经二沉池沉淀作用完成 将泥水分离。生产运行时要求每道处理工序均保持相对恒定和合适的工况条件， 以保证污染物能够被活性污泥中微生物快速、高效净化。污染物负荷率和溶解氧 含量是其中两个主要工况条件。另外，微生物在生长繁殖过程中除了需要大量的 碳源和氮源外，还需要少量的矿物质元素( 如f e 、s ) 以及微量的有机生长因子 ( 如维生素、氨基酸等) ，对于某些工业废水而言，适当补充这些物质可以促进 微生物的生长繁殖、提高它们的生理活性，同时也有利于活性污泥菌胶团细菌获 得优势生存。 1 2 2 活性污泥生物处理工艺的主要运行问题 不同的活性污泥法处理工艺的运行方式和工艺条件可能不尽相同，但是它们 对污水的净化机理都是相似的，即通过活性污泥中各种微生物的凝聚、吸附、氧 化分解作用实现污染物的去除和转化，因此活性污泥法处理系统净化效率的高低 与污泥性状、微生物种类及其活性有着直接的关系忆但在生产实际运行过程中， 常常因为进水的水质问题或操作运行控制的工况条件不当等原因，客观上改变了 活性污泥微生物的生活环境，使之在污泥系统中处于不利的竞争地位，甚至是对 微生物造成伤害，抑制其代谢活性，最终影响了污水处理系统的处理功能，导致 其异常问题的产生。 据调查，世界各国的活性污泥法污水处理系统在运行时，大多存在不同程度 的运行问题，其表现形式主要有：1 曝气池：曝气池有异味、曝气气泡量和颜色 异常、混合液翻腾混合状况不均、表面产生大量高粘性且不易破碎的泡沫、曝气 池被浮渣覆盖等；2 二沉池：沉淀池泥面过高、表面被解絮污泥覆盖、大块污泥 上浮或随出水流失、上清液混浊等；3 污泥：污泥颜色异常( 发白或发黑) 、污泥 沉降比( s v i ) 过高、菌胶团中丝状菌过量增殖、污泥活性异常等；4 ，出水：出 水飘泥、混浊，水质达不到排放标准，进出水的b c 比变化小有机物分解不充 分、p h 变化过大等等。 导致活性污泥法生物处理系统出现运行异常的原因多种多样，其中废水水质 的影响是主要的原因之一，如一些石化企业的生产废水中营养成分单一不利于活 性污泥菌胶团的形成和微生物的生长繁殖，或某种特定的污染物含量过高，客观 上形成了有利于某些微生物( 如丝状菌) 大量生长繁殖的物质及环境条件，还有 一些石化废水中有毒有害成分和难降解的大分子有机物含量过高对活性污泥微 6 生物产生短期或长期的毒害和抑制作用，以及倒罐和检修时废水中污染物浓度突 然升高也将对活性污泥法处理系统产生冲击等。另外装置的设备运行与维护状况 不佳，不能保证正常的工况条件，也会影响微生物的活性状态和装置日常处理功 能。 1 3 研究内容和研究意义 1 3 1 研究的主要内容 1 3 1 1 本论文主要研究高浓度有机污染物或高浓度n h 3 n 对活性污泥法处 理系统的影响，寻求提高系统耐受外源污泥染物冲击能力的方法，探索建立能快 速诊断系统运行状况的指标体系，以期能及时准确地判断受到冲击后污泥系统的 运行状况，并对系统受损后的快速修复作一些实验性研究。 1 3 1 2 研究活性污泥法处理系统产生表面泡沫、浮渣以及污泥膨胀的原因， 分析判断丝状微生物的种类和易使之过量增殖的工况条件，并在小试实验中摸索 相应的控制和处理方法。 1 3 2 研究意义 1 3 2 1 活性污泥系统受冲击的快速诊断与修复 污染物浓度和p h 值变化以及毒性的冲击对于污水生物处理系统特别是工 业废水生物处理系统来说往往不可避免，由此造成的生物处理系统受损也是实际 废水处理系统中经常会碰到的问题，并表钲出各种各样的异常现象。 目前国内一些学者通过对一些石油化工废水处理过程中出现问题的研究，基 本了解了各种因素对活性污泥产生影响的作用机理，但对活性污泥受冲击的评判 方法较为落后，一般也仅限于观察装置运行情况和监测系统水质指标、污泥指标 以及常规的微生物群落组成的变化，通过对这些指标的观察与监测来了解废水生 物处理系统的运行状况，了解进水或运行管理中的问题。在生产实践中，我们发 现生物处理系统受到冲击的初期，虽然污泥的性状尚未发生根本的变化，出水指 标也相对正常，但此时污泥微生物的一些生理指标，如耗氧速率、脱氢酶活性等 已经明显受到影响，其生物处理活性己明显下降。这说明在活性污泥的受损程度 7 评判工作中，采用不同的评判方法将会得到不同的评判结论。研究与实践经验表 明，传统的评判方法及标准存在较明显的局限性。因此，需要建立一套快速、准 确和行之有效的评价体系和判断方法，力求使评价指标定量化、快速化，以及时 准确地评判生物处理系统的受损程度，科学地分析其受损原因，采取针对性强且 及时的技术措施和运行管理对策，以便快速且有效地恢复活性污泥中微生物的种 群、数量和代谢活力，从而使受损生物处理系统得以恢复，这对于废水生物处理 的稳定运行和出水达标排放具有相当重要的理论意义和应用价值。 1 3 2 2 污泥膨胀、表面泡沫和浮渣产生机理与控制 城市污水厂发生污泥膨胀和生物浮渣泡沫现象是困扰污水处理厂运行和管 理的又一大难题。目前国内外对污泥膨胀现象已经有较多研究，而对生物泡沫和 浮渣问题以及生物浮沫、浮渣与污泥膨胀的相关性研究比较少。 随着我国城镇污水处理厂的的大量兴建和运行，这方面的问题也会越来越突 出。我们在上海及周边地区的调查和研究发现，不少污水处理厂都不同程度地遇 到上述问题，只是问题的严重程度不一，有些只是属于短期受进水水质变化的影 响，或是随着季节和温度的变化而受影响；但有些厂家常年受这一问题的困扰， 装置运行时有碍观瞻，甚至到了半停产状态。因此，有针对性地开展污泥膨胀和 泡沫浮渣的研究，了解它们之间的关系，弄清污泥膨胀和生物浮沫的发生机理， 及时采取有效的预防和控制措施，对于污水处理厂稳定运行、方便管理和降低运 行费用等方面有着重要的指导意义和实际应用价值。 第二章活性污泥系统异常问题国内外研究现状 对石油类与化工类废水而言，由于其进水水质、水量经常波动，尤其是各装 置排出的废水混合后集中处理时，水质成分复杂，水量波动大，常对活性污泥造成 冲击，影响废水处理厂的正常运行，并导致排放水水质恶化。因此该现象是石化类 或工业废水处理工作的通病，但目前国内外对此项研究报道相对较少。 污泥膨胀是活性污泥法废水处理系统最常见也最难解决的异常问题之一。据 统计，欧洲各国约有5 0 ，美国约有6 0 的活性污泥法城市污水处理厂每年都发 生污泥膨胀；工业废水处理厂的情况更是严重。在我国，几乎所有的城市污水及 工业废水处理厂每年都存在不同程度的丝状菌引起的污泥膨胀问题i ”。 泡沫现象也是长期困扰着活性污泥法处理系统正常运行的一大问题。据统 计，世晃上大多数活性污泥法污水处理厂，都普遍存在表面泡沫现象1 6 - 7 j 。据对 欧洲污水厂的调查，有2 0 受到泡沫的长期影响，5 0 受到周期影响，采用延时曝 气法的污水处理厂中有8 7 受到泡沫影响i s 、9 】。对澳洲污水厂的调查结果表明， 6 5 - 9 2 的污水厂有泡沫问题1 1 0 ，其中6 0 又受到污泥膨胀的影响1 ”。我国的情 况与之基本类似。据不完全统计，我国采用活性污泥法的城市污水处理厂中近 5 0 a 现过不周程度的泡沫问题，并且经常与活性污泥法异常运行状态( 如丝状 菌膨胀1 同时发生。 2 1 活性污泥系统异常问题产生的原因 2 1 1 活性污泥系统受损的原因 传统的观点认为：废水生物处理系统中，泥( 污泥微生物) ，气( 供氧) 和 水( 进水的水质和水量) 这三者之间既相互影响又相互关联。对一些工业废水而 言t 由于其来水中污染物成份复杂，难降解有机物及有毒有害成份多，水量和水 质( 包括p h 值) 变化大等原因，常常会造成系统中活性污泥负荷忽高忽低及溶 解氧量不正常，客观上破坏了微生物生存的环境，影响污泥中微生物正常的生长 与代谢作用，微生物种类也随着环境的变化而产生动态演替现象。另外低负荷条 件下微生物会分解利用其胞外贮藏物质，从而会造成污泥絮粒结构松散，体积变 小，易产生较多游离细菌和细小菌胶团而导致出水飘泥，甚至使活性污泥菌胶团 细菌死亡，菌胶团解体，出现污泥解絮现象。我们将这些现象统称为活性污泥受 损。 研究表明，造成活性污泥受损的主要原因有： a 有机污染物3 1当污水中有机物突然增多( 在一定范围内) ，微生物有足 够的食料，其生长代谢加快，絮体状微生物趋于游离生长，相互之间吸附凝聚能力 降低，导致污泥松散，沉降性能差，细碎污泥颗粒增多。另外，当有机物浓度过低时， 菌胶团细菌会消耗其表面粘性物质，也会使菌胶团解体。 b 氮氮是构成蛋白质、核酸的重要元素，适量的氮含量可促进微生物的快 速生长繁殖，污水中c n 过低则会抑制微生物的合成作用；而过高的氮含量会 造成p h 值升高，从而抑制微生物活性。另外，在厌氧反应中，过量的氨氮存在 会形成大量的n h 4 + 而抑制消化作用。 c p h 值 】4 环境中的p h 值变化能够导致微生物细胞膜表面的电荷的改变， 从而能够影响微生物对环境中的营养物质的吸收，同时p h 值的变化还可能会改 变细胞内酶的活性，降低或破坏细胞中酶的催化作用，使微生物代谢功能减弱， 甚至死亡。另外，p h 值的变化还可以改变环境中营养物质的可利用性及增强有 毒物质的毒性。一般而言，处理装置合理的p h 值应为6 9 ，当p h 值大于1 1 或 小于4 时，多数情况下活性污泥系统都会受到冲击。 d 重金属等有毒有害物质废水中重金属等有毒有害物质的含量达到一定 限度时对活性污泥微生物有较强的毒害作用，如：重金属离子可与蛋白质相结合， 使蛋白质沉淀和变性，使酶失活；酚对细胞质膜有损伤作用，进一步可使细菌体 内的蛋白质变性或沉淀，并抑制某些酶的活性；氰可强烈抑制细菌体内细胞色素 类呼吸酶等。 e 无机盐类一般而言，在无机盐类浓度小于5 9 l 时，生化装置的活性污泥 不会受到太大的影响，系统的处理效率不会降低。但当盐类的冲击负荷达到1 0 9 l 时，微生物菌体的渗透压增大，细菌严重脱水发生质壁分离从而抑制了细菌的活 性，甚至造成其死亡从而对系统造成明显的伤害，使处理效率降低，氧的利用速 率下降，污泥活性减弱i m 】。另外，在脱氮系统中若无机盐比例过高也会影响到 脱氮效果f 0 7 1 。 1 0 2 1 2 产生污泥膨胀、泡沫及浮渣的原因 产生活性污泥膨胀的主要原因是丝状菌的过量增殖，丝状菌包括丝状细菌、 放线菌和真菌，它们的比表面积较大，丝体较长，可在污泥絮体中交织成网状使 其架空，从而导致活性污泥沉降困难。从目前的研究成果来看，活性污泥膨胀的 发生主要与以下几种因素有关。 a 高负荷缺氧国外对众多污水处理厂的调查与研究发现，适宜的活性污泥 有机负荷率应介于0 2 5 o 4 5 k g c o d k g m l s sd 之间，污泥负荷率在o 6 13 k g c o d k g m l s s ，d 时易发生污泥膨胀1 18 o 主要是高负荷条件下微生物降解 有机物需要消耗大量的氧气，造成水中溶解氧相对不足，这样环境条件会抑制好 氧型菌胶团细菌的生长，而有利于丝状菌的增殖。 b 低负荷低负荷条件下供活性污泥微生物生长增殖的营养总量不足，而丝 状菌的比表面积较大，半饱和常数低，衰减速度慢，因而仍可维持较高的增长速 度，在竞争中处于优势i ”i 。 d p h 为保证活性污泥正常的生长与繁殖，曝气池混合液的p h 应为6 5 8 0 。 如p h 太低( p h i o 2 k g b o d s k g m l v s s d ) 条件下产生生物浮沫的污水厂的比例是低负荷( 9 0 ，s v i 2 0 0 m l g ，污泥中 等化学法杀丝状菌；投加颗粒 澈，流量大时污泥 丝状菌占优势，污泥膨胀 碳、粘土、消化污泥等活性污 成层外溢泥“重量剂”；提高d o ；间隙迸 水 二沉池泥面过高丝状菌未过量生长，m l s s 值过高增加排泥 微型动物死亡，污泥解絮，出水 停止进水，排泥后投加营养， 二沉池表面积累一水质恶化，c o d 、b o d 上升，o u r 有可能引进生活污水使污泥复 层解絮污泥远低于8 m g o ：g v s s h ，进水中有 壮或引进新污泥菌种 毒物浓度过高或p h 异常 污泥缺乏营养，使之体积小，结 二沉池有细小污泥 构松散，o u r o 1 ，停开一条曝 不断外漂 池温超过4 0 “ c ；翼轮转速过高使气池 絮粒破碎 二沉池上清液混o u r 2 0 m g o ：g v s s h ，污泥负荷过 浊，出水水质差高，有机物氧化不完全 减少进水流量，减少排泥 曝气池表面出现浮浮沫中见诺卡氏菌或纤发菌过 渣，似厚粥复盖于量生长，或进水中洗涤剂含量过 清除浮沫，避免浮沫继续留在 系统内循环，增加排泥 表面高 2 2 2 2 污泥异常原因的分析及解决对策 表2 7 异常现象指标表现 分析与诊断解决对策 上浮污泥黑色，s a t p 、o u r 沉淀浊出现死防止沉淀池有 角，引起局部厌 死角，排泥后清洗 沉淀池有 低，出水氨氮高 氧死角。 大块污泥 加大回流比、 上浮 上浮污泥色泽较淡，进水 o u r 3 0 m g l 化作用 化学法杀丝状菌、 s v 。 9 0 ，镜检丝状菌增多，进丝状菌引起污投加颗粒碳等“重 沉淀池泥水c n 高，s a t p 背离正常范围泥膨胀 量剂”，提高d o 、 面升高 间隙进水 m l s s 高，a t p 正常，丝状菌正 常 污泥浓度过高增加排泥 沉淀池有 停止进水将 细小污泥 进水o u r 3 0 m g l ，或t 4 0 。c或水温不适合 一条曝气池 减少进水加大回 o u r 3 5m 9 0 2 g m l s s h ，s a t p 高污泥负荷过高 流，增加污泥浓度 丝状菌繁殖过 曝气池表 浮沫中见放线菌或纤发菌 多 清除浮沫，增加排 面出现浮 进水中表面活性剂过多 进水中表面活 渣性剂过多 泥 有油及浮沫有油及浮沫 2 。2 2 3 水质指标异常原因及解决对策 表2 8 异常现象症状分析及诊断解决对策 厌氧处理中负荷过高，有机酸积累降低负荷 出水p h 值下降 好氧处理中负荷过低，氨氮硝化增加负荷 二沉池池表有一层浮泥，污泥中毒； 污泥复壮 污泥膨胀 e s s 升高 排泥不足，m l s s 过高见膨胀对策 二沉池积泥，发生反硝化或腐败增加排泥量 负荷过低，污泥凝聚性差，污泥解絮增加营养 污泥中毒 停止进水，污泥复壮 出水浑浊 后续快滤池过滤介质受污染，活性炭 饱和，负荷过高 增加反冲 有机物分解不完全降低负荷 出水色度上升污泥解絮，进水色度高改善污泥性状 s v 。上升污泥膨胀或排泥不足见膨胀对策 回流泵或翼轮堵塞，污泥膨胀或中毒；按实际情况采取相 m l s s 下降 污泥大量流失应对镱 污泥灰分高，大沉砂池、初沉池运行不佳；进水中泥改善沉砂池、初沉池 于5 0 沙过多或盐分过高 运行工况 进水过浓，负荷过高：进水中无机性 曝气池d o 低还原物质过多 减少负荷 曝气器堵塞拆卸修复 污泥中毒 污泥复壮 出水b o d 或c o d 迸水过浓 提高m l s s 进水中无机性还原物过高( s 。0 。“、h 。s 升高 增加曝气强度 等) c o b 测定受c 1 一干扰排除干扰 2 3 污泥膨胀、曝气池表面浮渣与泡沫研究 污泥膨胀问题几乎伴随着活性污泥工艺同时出现，因此国内外在这方面研究 较多，对其形成的机理了解较为清楚，对其控制方法也相对较为成熟，而对于生 物浮沫( 浮渣和泡沫) 的研究，起步比污泥膨胀要晚，起初主要认为是n o c a r d i a a m 口r 口p 或丝硫菌引起4 2 。4 ”，后来的研究揭示发生生物浮沫的丝状微生物类群较 广，除n o c a r d i aa m a r a e 外还有mp a r v i c e l l a 以及几类如e i k e l b o o m 0 0 9 2 型、 e i k e l b o o m 0 0 4 l 型等 4 4 1 。不同地区产生泡沫的微生物类群和数量有差别。通过对 美国1 1 4 座采用活性污泥法工艺的污水处理厂进行的调查发现其中生物浮沫问 题主要是由于n o c a r d i aa m a r a e 的过度生长造成的 4 5 j ；而在欧洲和澳大利亚许多 城市污水处理厂中，m p a r v i c e l l a 则是对生物浮沫中出现频率最高的微生物种类， 其次是e i k e l b o o m0 0 9 2 型、0 6 7 5 型等【4 。 2 3 1 污泥膨胀、浮渣和泡沫中丝状菌的评定方法 0 级污泥中几乎无丝状菌存在 级污泥中存在少量丝状菌； + 级存在中等数量的丝状菌，但总量尚少于菌胶团细菌； + + 级存在大量丝状细菌，总量与菌胶团细菌大致相等； + + + 级污泥絮粒以丝状细菌为骨架，数壹大于菌胶团细菌。 对丝状菌的评定目前主要采用在显微镜下目测评价法【4 7 l ，上述丝状菌数量 为o 级的活性污泥，可在二沉池迅速下沉，出水清澈，悬浮固体少；当丝状 菌数量达+ + 级以上时，它们的丝状体从絮粒中向外伸展，往往组成“剌毛球”状 的活性污泥骨架，阻碍了絮粒间的压缩，使污泥s v 值升高，导致污泥膨胀。在 生产管理中，当发现污泥中丝状菌达十级时，即应注意其数量的动态变化，若有 继续增多的趋势，必须采取适当措施予以解决。 2 3 2 污泥膨胀、浮渣和泡沫中丝状菌的控制方法 2 3 2 1 m c r t ( 细胞平均停留时间) 控制技术 由于丝状微生物普遍生长速率较低，生长周期长( n o c a r d i aa m a r a e 为4 7 天， m p a r v i c e l l a 为6 1 0 天，n o c a r d i o p i n e s i s 为1 0 2 l 天) 1 4 8 j ，可采用调节m c r t 的技 术控制丝状菌。减少m c r t 是一种控制生物浮沫的有效方法。但二级强化脱氮系 统对污泥停留时间有一定的要求，虽然缩短m c r t 能将系统中大部分生长缓慢的 丝状细菌排出系统之外，减少生物浮沫的发生与发展，但同时也将世代时间较长 的硝化细菌和反硝化细菌排除，影响生物处理系统的脱氮效果。 2 3 2 2 选择器技术 在曝气池的前端设置厌氧和好氧的选择器，可以抑制某些丝状菌的生长与繁 殖，从而降低污泥膨胀和生物泡沫的发生几率。有研究针对活性污泥法污水厂一 直存在着在连续污泥膨胀和泡沫滋生的环境下，采用相当低的m l s s 和较短的 s r t 运行条件，设置d o 为0 o 3 m g l 的缺氧选择器，结果当总氮还原率约7 5 时，缺氧选择器可以完全控制污泥发生膨胀，由m i c r o t h r i x p a r v i c e l l a 形成的生 物浮沫也得到初步控制。 2 3 2 3 提高曝气池的有机负荷率 提高曝气池中有机物的负荷率，可以使得菌胶团细菌在与丝状细菌竞争中占 优势，因此增加污泥的负荷可有效的控制污泥膨胀、泡沫和浮渣的形成。但若增 加对丝状菌能优先利用的底物( 如烷烃或者表面活性剂) ，或者可供m p a r v i c e l l a 优先利用的底物( 如脂肪和油) ，反而会促进这些丝状微生物的增殖。 2 3 2 4 避免中间厌氧区 放线菌不动细菌属在富氧环境中能够结合聚磷盐和聚一d 一羟基丁酸，而在 厌氧环境中能够短期存活，其结果是中间厌氧区可能有利于放线菌的增长而不利 于那些需要绝对好氧条件的非丝状细菌的生长繁殖。这种情况容易在氧化沟工艺 中出现，这也是氧化沟工艺容易发生生物浮沫的原因之一。 2 3 2 5 投加化学药剂 a 投加氯和氧化剂 在活性污泥中加氯以控制生物泡沫的产生的方法比较常见，表面加氯在美国 2 3 座污水处理厂已获得良好的效果，当其浓度达到l o o o 2 0 0 0 m g c l 2 l 可以在 8 2 4 小时内能有效地控制诺卡氏菌的生长繁殖。而应用加氯法消除由m p 日r v f c e 妇引起的生物浮沫则有待研究，因mp 研w 七p z 肠可以耐受_ 1 0 0 9 c 1 2 k g m l s s ，而在此剂量下，混合液中其他微生物早已经被杀灭【5 0 1 。 b 投加h 2 0 2 投加低浓度h 2 0 2 能氧化部分生物残渣和消除生物代谢过程产生的毒素，并 能改善菌胶团微生物生活的微环境，促进菌胶团微生物的生长繁殖，在污泥膨胀 9 和浮沫发生的敏感期间，预先投加低浓度的h 2 0 2 能较好地防止泡沫产生和抑制 污泥膨胀。 c 投加混凝剂 向曝气池中投加阳离子聚丙烯酰胺的方法也被证明是有效控制污泥膨胀和 生物浮沫的有效办法。美国洛杉矶市某污水厂( 1 1 1 0 4 m 3 d ) 通过向曝气池中 投d w o 5m g l 3 日离子型聚丙烯酰胺，成功消除了生物浮沫问题。投加铁盐、铝 盐等混凝剂可以通过其凝聚作用提高污泥的密实度来改善污泥的沉降性，减少生 物浮沫的发生及其危害性。但是投加混凝剂仅能短期除去曝气池表面的丝状菌， 一般2 3 周以后又会出现，不具有长效性。 d 投加消毒剂季铵盐 季铵盐( p o l y q u a t e m a r ya m m o n i u m ) 是一种用来控制丝状菌过度增殖的化学 消毒剂，可以用于杀灭多种丝状微生物。在生产性试验中，季铵盐投加剂量为 1 5 0 9 k g m l s s 时可几乎全部杀灭m p a r v i c e l l a 。在实际工程运用中，连续5 天加 入季胺盐2 0 9 k g m l s s 后，活性污泥的s v i 值从3 4 0 m l g 降至1 3 0 m l g 。镜检 发现，投加季胺盐后活性污泥絮体周围的mp a r v i c e l l a 大部分已被破坏，而且当 年冬季没有发生生物浮沫现象，这说明其有一定的时效性0 5 2 1 。 2 3 2 。6 其他控制丝状菌的方法 其他方法如修改原有反应器形式，回流厌氧消化池上清液，投加某种特殊微 生物等措施在不同程度上都可以缓解生物浮沫的问题，有的技术效率也比较高， 但是停用会出现反复或影响出水的水质的问题，很难做到标本兼治。 第三章新型污泥系统异常情况快速诊断技术研究 3 污泥系统受损的快速诊断指标 目前，国内污水生物处理系统主要应用水质指标与活性污泥指标作为污水厂 运行管理的主要控制参数。但这几种参数偏重于反映污水处理装置“质变”的结 果，具有一定的滞后性，不能快速准确地反映活性污泥系统即时的运行情况。例 如，当系统受冲击时，微生物处于受抑制状态，其活性会随之下降，但传统的监测 判定方法难以及时准确地反映出系统中活性污泥己受影响。另外，污泥浓度指标 也无法正确区分活生物体和死亡残体，因而也无法了解生化装置中起作用的微生 物的量。 而微生物生理生化指标可定量化、快速有效地监测系统的进水水质情况及活 性污泥微生物的活动状况，了解系统实时的运行状态，从而可及时发现活性污泥 法处理系统的异常情况，并可根据监测和诊断结果采取快速有效的应对措施，防 止污水处理系统受冲击或减少冲击带来的负面效应。以下几个监测技术( 指标) 是本研究尝试的新型快速诊断技术。 3 1 1 a t p ( a d e n o s i n et r i p h o s p h a t e ) 是生物体内一种特定高能磷酸化合物， 对一定时期内装置中生物总薰而言，a t p 的含量基本恒定，且它的含量与污泥的 生物活性成一定的比例的对应关系”1 。当系统受到冲击时，污泥中微生物活 性受到抑制导致其代谢活动缓慢，a t p 含量随之下降。因此通过测定污泥中a t p 含量，来比较系统在受到冲击前后活性污泥中微生物数量与活力，进而评定和判 断处理系统的运行状况。 3 1 2 脱氢酶是微生物降解有机污染物获得能量的必需酶，包括基质代谢 脱氢酶和内源呼吸脱氢酶，它参与有机物分子氧化电子得失的整个过程郾、5 6 1 。 脱氢酶活性的高低直接影响到废水处理系统中微生物对有机物质的降解速度。因 此，生物体的脱氢酶活性( d e h y d r o g e n a s e a c t i v i t yd h a ) 在很大程度上可以反 映了生物体的活性及其对基质降解、利用能力的强弱。同样，脱氢酶对外界环境 的变化也十分敏感，当外界环境发生变化时，脱氢酶首先有所反映。因此，测定 系统中活性污泥微生物的脱氢酶活性活性也有助于快速评价进水中有机物的性 质( 对活性污泥的生物毒性及其可降解性) ，以及判断系统内污泥的活性状况 进而判断系统的处理功能。 3 1 3 污泥的耗氧速率( o x y g e nu t i l i z a t io nr a t eo u r )指单位质量的活性 污泥在单位时间内的耗氧量，其数值包含两部分：基质耗氧呼吸率和内源耗氧呼 吸率。耗氧呼吸率的高低同活性污泥微生物活性及基质的生物氧化难易程度有关 1 5 7 ，也是间接反映污泥活性的一个重要指标。当微生物所处的环境变化时，微 生物降解有机物的能力立即产生波动，o u r 也会即刻有所反应。 3 1 4 可生化性通过测定耗氧速率的方法评估废水可生化性，具体做法是 先测定的污水和污泥混合液耗氧速率，再测定污泥的内源耗氧速率，两者之比即 为该污水的可生化性。该方法可改变b o d 5 测试时间长所致预见性差的缺点。可 快速了解污水中有机物的可生化程度。 3 1 5 分子生物学检测法d n a 提取方法见文献【5 i i l ，通过分析样品中d n a 分子 的种类、数量、丰度、多样性、香农威纳指数( 用于研究群落物种数及其个体各 分布均匀程度的综合指标) 【5 9 1 等基因信息来反映活性污泥中微生物群落及种群 的动态变化情况，其优点是可以不经培养直接对原始水样、泥样进行测定，因而 可以保持其生物类群的最初比例 6 0 “”，且具有快速、灵敏性和特异性强等特点。 本论文研究以上述几个指标作为衡量活性污泥微生物活性、进水性质和系统 运行处理功能正常与否的主要参数，结合传统的镜检，污泥指标和水质理化指标 对污水处理系统进行跟踪测量，通过对其正常处理状态下和受冲击后系统内活性 污泥微生物a t p 、耗氧呼吸速率、脱氢酶、和污水的可生化性观察及对d n a 的分 析研究，比较在正常状态下和冲击状态下各指标的变化，进而总结出a t p 、耗氧 呼吸速率、可生化和脱氢酶在处理系统正常适用范围，以作为系统受到冲击时能 够快速诊断的基准。 3 2 方法与材料 3 2 1 实验方法 上海金山石化水质净化厂污水处理系统采用活性污泥处理工艺，日处理 量1 4 万吨，其主要工艺流程为：初沉池_ 推流式曝气池叶二沉池_ 氧化 沟一出水。其中曝气池主要承担去除有机污染物功能，氧化沟主要用于脱 氮。由于金山石化的水质和水量变化较大，加之每年周期性的停产、检修的 排废，因此，其污水系统受冲击的频率很高。 本研究通过对该厂近一年的跟踪观察，并监测其a t p 、脱氢酶、耗氧呼吸 速率等生化指标和d n a 多态性等分子生物指标，选取其处于正常稳定的运行状态 ( 2 0 0 3 年5 月2 6 闷2 0 0 3 年6 月2 目) ，和处于受冲击状态下( 2 0 0 3 年4 月2 9 日2 0 0 3 年5 月2 3 目) 阶段，通过比较各指标的差异，考察上述各新型诊断方 法同传统评定体系的优劣。 3 2 2 水质指标 表3 1 3 2 3 分析方法 常规水质指标分析采用水和废水监测分析方法第四版62 1 ，a t p 和脱氢酶 分析见环境工程生物检验手册1 6 3 1 ，o u r 分析见废水生物处理运行管理异常 对策及美国环境保护局 s p e c i f i co x y g e n u p t a k ei nb i o s o l i d s 6 4 1 。 3 2 4 检测仪器与设备 3 2 4 1 常规的水质指标分析测试设备 3 2 4 2y s l 5 1 0 0 型溶解氧测定仪、h a c h 消解器、h a c hd r 2 0 1 0 分光光度计、恒 温振荡器。 3 3 结果与分析 3 3 1 微