（环境工程专业论文）利用丝状菌和膜分离技术处理生活污水.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 利用丝状菌和膜分离技术处理生活污水 摘要 活性污泥法是一种有效且极具发展潜力的污水处理技术，但是，不论哪 一种改进的活性污泥工艺，污泥膨胀现象一直是困扰人们的难题之一。现 在，由于膜分离技术的发展，污泥膨胀问题得到了很好地解决。 本实验的目的在于在膜生物反应器中发生丝状菌膨胀的情况下，考察在 不同条件下，反应器对c o d 、氨氮等污染物的去除效果，以及污泥膨胀的过 程和污泥的性状；并考察膜污染的影响。根据实验结果，找出不同污泥膨 胀隋况下的优化操作条件。 本实验采用一体式膜生物反应器，为有机玻璃制作的长方型容器，在反 应器底部采用穿孔管进行曝气，其正上方装有中空纤维膜组件，通过曝气一 方面使反应器中的活性污泥混合液维持一定的循环流动速度，形成对膜表 面的冲刷，以减轻活性污泥在膜表面的沉积；另一方而供给微生物分解污 水中有机物所需的氧气。原水从反应器顶部进入，在反应器内充分反应后， 在负压作用下由膜组件过滤出水。 通过实验得出主要结论如下： 1 活性污泥易在低负荷下发生膨胀现象。在本实验中，当负荷在 0 0 5 k g c o d k g m l s s d 时，发生了污泥膨胀现象。 2 在进水负荷较高( 本实验为0 4 0 k g c o d k g m l s s d ) 并且n 、p 极度缺 乏的情况下，会发生污泥膨胀。在试验过程中，膜的分离截留作用使生长 太原理t 大学硕士研究生学位论文 缓慢的硝化细菌大量滞留在反应器内，使膜生物反应器对n h 。一n 具有很高的 去除效果。 3 在进水负荷为高负荷状态( 本实验为0 4 0 k g c 0 d k g m l s s d ) 下，d o 浓度不足时，d o 往往成为菌胶团生长的限制因素，而丝状菌大量繁殖，形 成低d 0 膨胀。 4 低p h 值是引发污泥膨胀的重要原因。一般认为，反应池p h 值为6 5 8 0 时，可以得到沉降性能良好的污泥；当p h 值低于6 0 时，丝状菌就会 变为优势菌属。本实验中p h 值降低至4 0 时，发生了污泥膨胀现象。 5 丝状菌的增殖是诱发污泥膨胀的根本原因。在低负荷、营养物不平衡、 低d 0 、低p h 值条件下，丝状菌在和菌胶团的竞争中都具有优势，活性污泥 法在上述任何一个条件都会为丝状菌生长提供有利的环境使其大量增殖而 产生污泥膨胀。 6 一随着污泥膨胀的发生，丝状菌大量生长，其伸展的细丝互相交错，形 成具有网状结构的絮凝体，在污泥的沉降过程中，对上升的水流起到了过 滤的作用，吸附拦截污水中的细小颗粒和游离细菌，所以，在试验过程中， 上清液十分澄清，丝状菌对污染物的去除效率较高。在污泥丝状菌膨胀后， 系统c o d 去除率仍能保持较高水平，一方面是由于丝状菌的生物降解作用， 一方面是由于膜的固液分离作用，这说明膜对污染物质的截留作用在一定 程度上保持了系统运行的稳定性，降低了出水悬浮物浓度，提高了出水水 质。 7 随运行时间的延长，h 都呈现增加趋势，即需要较大的压差，来满足 流量的要求。一般情况下，在反应器的启动阶段膜污染较缓慢，在反应器 太原理工大学硕士研究生学位论文 的稳定运行阶段，膜污染较快。这是因为，在稳定运行阶段，丝状菌大量 生长，此结果间接反映出污泥膨胀期的膜污染程度，说明丝状菌对膜污染 有较大的影响，这一方面是丝状菌较大的比表面积造成的，另一方面与丝 状菌分泌粘液的生理生化特性有关。 关键词：污泥膨胀，膜一生物反应器，丝状菌，膜污染 太原理工大学硕士研究生学位论文 u s l n gf i l a m e n t o u sb a c t e r i aa n d m e m b r a n es e p r a t i o nt e c h n o l o g y t ot r e a t i n gd o m e s t i cw a s t e v a t e r 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 se f f e t i v ea n dp r o m i s i n gw a s t e w a t e r t r e a t i n g t e c h n o l o g y h o w e v e r ，n om a t t e rw h i c hi m p r o v e da c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ， s l u d g eb u l k i n gi so n eo ft h em a i np r o b l e m sh a r dt ob es o l v e d n o w , t h a n k st o t h ed e v e l o p m e n to fm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , s l u d g eb u l k i n gp r o b l e m h a sb e e n s a t i s f a c t o r i l yr e s o l v e d t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st oi n v e s t i g a t et h er e m o v a lr e a c t i o no ft h er e a c t o r f o rt h ec o da n dn h 3 一na n do t h e rp o l l u t a n t s ，t oi n v e s t i g a t et h ep r o c e s sa n d c h a r a c t e r so fs l u d g eb u l k i n g ，a sw e l la st h ei m p a c to fm e m b r a n ef o u l i n gu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw h e nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o ro c c u r ss l u d g eb u l k i n g b a s e d o i lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，l o o k i n gf o rt h eo p t i m i z e do p e r a t i n gc o n d i t i o n si nt h e d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e so fs l u d g eb u l k i n g t h es u b m e r g e dm e m b r a n e - b i o r e a c t o ro ft h i ss t u d yi st h el o n gr e c t a n g u l a r p l e x i g l a s sc o n t a i n e ra n du s i n gap e r f o r a t e dp i p et oa e r a t i o na tt h eb o t t o mo ft h e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e a c t o r ，w h i c hi se q u i p p e dw i t hh o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l ea b o v e t h r o u g h a e r a t i o n ，o n eh a n dt h ea c t i v a t e ds l u d g em i x t u r ei nt h em e m b r a n e b i o r e a c t o rc a n m a i n t a i nc e r t a i nc i r c u l a t i o ns p e e di no r d e rt or e d u c et h ed e p o s i t i o no ft h e a c t i v a t e ds l u d g eo nt h es u r f a c eo ft h em e m b r a n e ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a ns u p p l y t h en e e d e do x y g e ni nt h ep r o c e s so fm i c r o b i a ld e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cs e w a g e r a ww a t e re n t e r si n t ot h er e a c t o rf r o mt h et o po ft h er e a c t o ra n di se x t r a c t e d t h r o u g hm e m b r a n ef i l t r a t i o nb yt h es u c t i o na f t e rt r e a t e da d e q u a t e l y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 a c t i v a t e ds l u d g eo c c u r ss l u d g eb u l k i n ge a s i l yu n d e rl o wl o a d i nt h i s e x p e r i m e n t ，w h e nt h el o a dr e a c h s0 0 5k g c o d k g m l s s d ，s l u d g eb u l k i n g h a p p e n 2 w h e nt h es l u d g el o a di sh i g h e r ( t h i se x p e r i m e n ti s0 4 0k g c o d k g m l s s 。d ) a n dn 、p i sa ne x t r e m es h o r t a g e ，s l u d g eb u l k i n gc a nh a p p e n i nt h e t e s t i n gp r o c e s s ，t h ef u n c t i o no fm e m b r a n es e p a r a t i o ne m p l o y st h ei n t e r c e p t i o no f i l i t r i f y i n gb a c t e r i at h a tg r o w ss l o w l yi nt h el a r g en u m b e r ，s ot h a tt h em e m b r a n e b i o r e a c t o rh a sh i g hr e m o v a lr a t ef o rn h 3 一n 3 w h e nt h es l u d g el o a di s h i g h e r ( t h i se x p e r i m e n ti s 0 4 0k g c o d k g m l s s d ) a n d t h ed oc o n c e n t r a t i o ni sl o w e r , d oo f t e nb e c o m e st h er e s t r i c t i o n f a c t o rf o rt h eg r o w t ho fb a c t e r i am i c e l l e sa n df i l a m e n t o u sb a c t e r i am u l t i p l y , f o r m i n gl o w d oe x p a n s i o n 4 l o wp hi sa ni m p o r t a n tr e a s o nt h a tc a u s e ds l u d g eb u l k i n g g e n e r a l l y , w h e n v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e p h o ft h er e a c t o ri s 6 5t o8 0 ，t h es l u d g eh a sg o o ds e t t l e m e n p e r f o r m a n c e w h e nt h ep h i sb e l o w6 0 ，f i l a m e n t o u sb a c t e r i aw i l lb et u r n e di n t o a d v a n t a g e dg e n u s i nt h i se x p e r i m e n tw h e n t h ep hr e d u c et o4 0 ，s l u d g eb u l k i n g o c c u r r e d 5 f i l a m e n t o u sb a c t e r i ap r o l i f e r a t i o ni st h er o o tc a u s et h a ti n d u c e ss l u d g e b u l k i n g u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h el o wl o a d ，n u t r i e n ti m b a l a n c e s ，l o wd o ，a n d l o wp h ，f i l a m e n t o u sb a c t e r i ah a sa d v a n t a g e si nt h ec o m p e t i t i o nw i t ht h em i c e l l e ， a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sw i l lp r o v i d ef o rt h ef i l a m e n t o u sb a c t e r i af a v o u r a b l e e n v i r o n m e n ti na n yo ft h e s ec o n d i t i o n ss ot h a tf i l a m e n t o u sb a c t e r i ap r o l i f e r a t e s a r i s i n gs l u d g eb u l k i n g 6 a l o n gw i t ht h eo c c u r r e n c eo fs l u d g eb u l k i n g ，m a s s i v ef i l a m e n t o u sb a c t e r i a g r o w , e x t e n d i n gi t si n t e r w o v e nf i l a m e n t sa n dc r e a t i n gt h ef l o c c u l a t i o n at h a th a s n e t w o r ks t r u c t u r e i nt h ep r o c e s so fs l u d g es e d i m e n t a t i o n ，t h ef l o c c u l a t i o n ap l a ya f i l t e r i n gr o l ef o rt h er i s i n gw a t e r , a d s o r b i n ga n di n t e r c e p t i n gs m a l lp a r t i c l e sa n d b a c t e r i ai nt h es e w a g e ，t h e r e f o r e ，i nt h et e s t i n gp r o c e s s ，t h es u p e m a t a n tf i q u i di s c l a r i f i e d ，f i l a m e n t o u sb a c t e r i ah a se f f i c i e n tr e m o v a lr a t ef o rp o l l u t a n t s a f t e r s l u d g eb u l k i n g ，s y s t e mc o d r e m o v a lr a t es t i l lm a i n t a i n sar e l a t i v e l yh i g hl e v e l ， o nt h eo n eh a n db e c a u s eo ft h eb i o d e g r a d i n gr o l eo ff i l a m e n t o u sb a c t e r i a ，o nt h e o t h e rh a n db e c a u s eo ft h es o l i d l i q u i ds e p a r a t i o nr o l eo ft h em e m b r a n e s ot h e m e m b r a n eh a sar o l eo fp o l l u t i n gs u b s t a n c e si n t e r c e p t i o n ，t oac e r t a i ne x t e n tt h e m e m b r a n em a i n t a i n st h es t a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dr e d u c e st h es u s p e n d e ds o l i d s c o n c e n t r a t i o n ，i m p r o v e se f f l u e n tq u a l i t y v i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 w i t ht h ee x t e n s i o no fo p e r a t i o n ，hs h o w si n c r e a s i n gt r e n d ，n e e d i n gf o r g r e a t e rp r e s s u r et om e e tf l u xr e q u i r e m e n t s u n d e rn o r m a lc i r c u m s t a n c e s ，i nt h e s t a r t u pp h a s em e m b r a n ef o u l i n gi ss l o w l y , i nt h es t a b l eo p e r a t i o n a lp h a s e m e m b r a n ef o u l i n gi sf a s t e r t h i si sb e c a u s eo ft h a ti nt h es t a b l eo p e r a t i o n a lp h a s e al a r g en u m b e ro ff i l a m e n t o u sb a c t e r i ag r o w , t h er e s u l ti n d i r e c t l yr e f l e c t st h e d e g r e e o fm e m b r a n ef o u l i n gd u r i n gt h e s l u d g eb u l k i n g a n ds h o w st h a t f i l a m e n t o u sb a c t e r i a t h a th a v eg r e a t e ri n f l u e n c ef o rm e m b r a n ef o u l i n g ，w h i c hi s c a u s e db y l a r g es u r f a c ea n dt h ep h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i ct h a t s e c r e t i n g m u c u so ff i l a m e n t o u sb a c t e r i a k e yv c o r d s ：s l u d g eb u l k i n g ，m e m b r a n e b i o r e a c t o r , f i l a m e n t o u sb a c t e r i a ， m e m b r a n e f o u l i n g v i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明付丐况明 论文中出现的主要符号及其对应中文含义列于下表中，以供参阅。其它符号在论文中 的出现处均有说明。 符号对应表 t h ec o r r e s p o n d i n gm e a n i n g so ft h es i g n s 符号 中文含义 备注 b o d 五日生化需氧量 也写作b o d j 单位：m g l c o d 化学需氧量 单位：m g l d o 溶解氧 单位：m g l t 温度 单位： p hp h 值 无量纲 c 碳 单位：m g t n 氮 单位：m g l n h 。一n 氨氮 单位：m g l p 磷 单位：m g l m l s s 悬浮混合液固体浓度( 污泥浓度) 单位：m g l s v i污泥容积指数 单位：m g l 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 谁文作者签名：经萤挚 一 日期：巫旦艮 王一一一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： ：至垒壹整 日期： 遨盆生隰 嘲客6 3 太原理1 二大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 我国水环境形势 第一章概论 水是人类社会赖以生存的重要物质基础。同时也是维系地球上生态平衡、决定环境 质量状况最活跃的要素之一。随着人类活动的增加和人类社会的发展，水污染问题已经 成为制约可持续发展的一个重要因素，已经发展成为全球性的环境问题。据世界卫生组 织统计n 1 ，世界大约有1 3 2 亿入得不到清洁的饮用水，人类所患疾病8 0 是由于饮用不 清洁的水而引起。全球每天平均因饮用不清洁水致病死亡3 万人。据国家环保局发布的 2 0 0 3 年中国环境状况公报表明让1 ：我国7 大水系有6 2 受到严重污染( 类以下，其中劣 v 类占3 0 ) ，达不到基本的水质功能要求，低于i i i 类水质要求，从而丧失水体使用价值。 2 0 0 3 年，全国工业废水排放总量为2 1 2 4 亿m 3 ，占全国废水排放总量的4 6 乜3 。我国本 来就是一个缺水国，如此大的污染又破坏了珍贵的水资源，造成水生态失衡。 我国是世界上人口最多的国家，随着城市人口的骤增、乡村的城镇化和人民生活水 平的提高，人均需水量和总需水量不断增加，城市污水总排放量也随之相应逐渐增加嘲。 这一点，9 0 年代以来尤为明显。1 9 9 7 年，我国市政污水排放量为1 8 9 亿m 3 ，其中c o d 含量为6 8 4 亿吨。1 9 9 9 年，我国城市生活污水污染负荷首次超过了工业废水污染负荷， 我国水污染控制的重点已经从工业点源为主的控制，逐渐转变到以城市生活污水为主的 控制。据估计，到2 0 1 0 年，我国城市生活污水排放总量为1 0 5 0 亿m 3 ，其中村镇污水排 放量可达2 7 0 亿m 3 。然而，我国目前城市生活污水处理率尚未达到1 0 h 5 1 。根据国民 经济和社会发展2 0 1 0 年远景规划，到2 0 1 0 年，城市生活污水处理率要达到5 0 引。 按照这一要求，大量城市生活污水有待处理。因此，急需发展，研制更为经济、更为高 效或更为普遍适用的城镇生活污水处理技术。 1 1 2 污泥膨胀的研究现状 活性污泥法是目前世界上应用最广泛的二级污水处理工艺，它包括两部分：曝气池和 固液分离装置( - - 沉池) 。从曝气池流出的混合液，必须在二次沉淀池进行充分的固液分 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 离，以保证出水清澈并使沉下的活性污泥回流到曝气池，保证曝气池中有稳定而充足的 微生物量。有时污泥的沉降性能较差、比重减轻、s v i 值上升，污泥在二沉池沉降困难、 泥面上升，严重时污泥外溢、流失，这一现象称为污泥膨胀”。 正常的活性污泥沉降性能良好，其s v i 值在5 0 1 5 0 m l g 之间，当污泥膨胀时，s v i 值升高，污泥不易沉淀，在二沉池容易流失，造成回流污泥量的不足，如不及时加以控 制，就会使系统中的污泥越来越少，严重时将导致工艺无法正常运行阳1 。污泥膨胀的发 生机率极高，据德国斯图加特大学给水排水研究所对数百个活性污泥法城市污水厂调查 的结果表明，有7 0 以上的污水厂都存在不同程度的污泥膨胀问题阳】。而且发生非常普 遍，在各种类型的活性污泥工艺中都存在污泥膨胀问题，甚至连被认为最不易发生污泥 膨胀的间歇式曝气池也能发生污泥膨胀“。 大部分污水处理厂发生污泥膨胀都是由于丝状细菌的过量增殖引起的，由于丝状细 菌结构呈丝状，不易沉降，当其过量生长时，就会导致污泥沉降效率降低，引起污泥膨 胀n ”。 近二十年来，国外的研究者一直在从事这方面的研究，以寻求有效地防止和控制污 泥膨胀的措施和手段。到9 0 年代中后期，国外发表了较多的关于这方面的文章。我国 1 7 1 前城市污水厂发生污泥膨胀的现象也较多，随着我国经济和环境保护的发展，污水处 理厂的大量兴建和运行，这方面的问题会越来越突出。因此，有针对性地开展这方面的 研究，对于弄清污泥膨胀的发生机制，及时采取有效的预防和修复措施，对于污水处理 厂方便运行管理和降低运行费用有着重要的指导意义和实际应用价值。 1 1 3 膜一生物反应器的研究现状 膜生物反应器( m b r ) 的研究迄今已逾3 0 年了，它是废水生物处理技术和膜分离技术 有机结合的一项新技术，以膜技术的高效分离作用取代活性污泥法中的二次沉淀池，达 到了原来二次沉淀池无法比拟的泥水分离和污泥浓缩效果，从而可以大幅度提高生物反 应器中的混合液浓度，使泥龄增长、剩余污泥量减少、出水水质提高，特别是对悬浮固 体、病原细菌和病毒的去除效果尤为显著。 目前膜生物反应器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家，规模从6 m 3 d 至1 3 0 0 0 m 3 d 不等。 我国对她r 的研究还不到1 0 年，但进展十分迅速。1 9 9 3 年前后，许多高校与研究所 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 加入了m b r 的开发研究工作。国内对m b r 的研究大致可分为几个方面：( 1 ) 探索不同生 物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化 法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺；( 2 ) 影响处理效果与膜污染的 因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染， 提高膜组件的处理能力和运行稳定性：( 3 ) 扩大m b r 的应用范围，m b r 的研究对象从生活 污水扩展到高浓度有机废水( 食品废水、啤酒废水) 与难降解工业废水( 石化污水、印染 废水等) ，但仍以生活污水的处理为主。 国内研究者对分离式m b r 、抽吸淹没式m b r 、重力淹没式m b r 与传统生物处理工艺在 城市污水处理方面进行的比较研究表明：各种m b r 的出水水质均优于传统生物处理工艺， 经m b r 处理后的生活污水，c o d 、b o d 。和浊度都很低，大部分细菌和病毒被截留，出水 水质已达到或优于生活杂用水水质标准，可直接作为楼字中水回用、城市园林绿化及消 防等用水。由于膜的截留作用防止了硝化细菌的流失，给生物反应器内的高浓度硝化细 菌的保持创造了有利的条件，从而大大提高了硝化效率。 虽然m b r 具有污染物去除效率高、出水水质好( 可去除细菌、病毒) 、可直接回用、 污泥产量低、易于实现自动控制且操作管理方便等优点，在生活污水和工业废水处理与 回用等方面得到了应用，但还存在许多问题。主要问题是如何控制膜污染、维持膜分离 的稳定运行，实现m b r 的工业化应用。 1 2 研究内容和研究目的 本次实验是针对处理生活污水的过程中出现的丝状菌污泥膨胀现象而进行的研究， 利用膜分离技术进行固液分离，旨在研究在丝状菌大量生长的情况下经过膜分离后的出 水水质情况和膜的使用情况。 1 考察在不同污泥膨胀情况下，反应器对c o d 、氨氮等污染物的去除效果，以及污泥 膨胀的过程和污泥的性状； 2 在不同污泥丝状菌膨胀的情况下，考察膜通量、曝气强度、抽吸时问以及停抽时 间等操作因素对膜污染的影响： 3 根据实验结果的分析，优化膜生物反应器的运行工况。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 活性污泥膨胀相关理论 2 1 1 活性污泥的组成与性质 第二章相关理论 活性污泥是栖息着具有生命活力的微生物群体的絮绒状污泥，故被称为活性污泥。 当污水与其接触混合时，微生物细胞壁外粘液层吸附污水中的有机污染物，并在生物酶 的作用下进行代谢和转化，同时自身也得到生长、繁殖，最后完成无害化的目标。可见， 如何给作为活性污泥法系统中有机污染物分解转化主体的活性污泥创造一个良好的生 存环境，是保证系统正常运行的关键。 活性污泥从外观上看，似矾花的絮绒颗粒，统称生物絮凝体，静置时，它们可立即 凝聚成较大的绒粒而下沉。这种絮凝体的骨干是由于万个细菌为主结成的团粒，称为菌 胶团。菌胶团在活性污泥中有着十分重要的位置，只有在它发育正常的情况下，活性污 泥的正常功能才能发挥。而在不正常的情况下，污泥中的菌胶团消失，丝状菌大量出现， 发生丝状菌污泥膨胀；或者出现菌胶团的过量生长，菌胶团中的细菌分泌大量粘性物质 阻碍了污泥絮体的下沉和压缩，污泥的沉降性能严重恶化，发生非丝状菌膨胀n 纠。 正常的活性污泥几乎没有臭味，只是略有土壤的气味。活性污泥根据进水水质的不 同而具有不同的颜色，一般为黄褐色或黑褐色。其比重因含水率和组成而异，一般为 1 0 0 2 1 0 0 3 。活性污泥的绒粒的粒径一般在0 0 2 0 2 m m 的范围内，具有较大的比表 面积，在2 0 l o o c m 2 m l 之间。 2 1 2 活性污泥膨胀的定义及特点 目前，我国约有6 0 的城市污水处理厂和大部分工业废水处理厂采用活性污泥法生物 处理工艺。废水生物处理是通过微生物的新陈代谢作用，将废水中有机物进行降解或转 化的方法。生物处理的主要作用者是微生物，因此保持近可能多的微生物是废水生物处 理的关键。这些微生物存在于活性污泥的絮凝体中，微生物必须以密实的絮凝体形式存 在，以便与净化了的废水分离。当活性污泥的凝聚性和沉降性恶化，出水出现了混浊， 此现象被称为活性污泥膨胀n “。而污泥膨胀现象是从活性污泥问世以来在运行管理中一 直困扰人们的难题之一。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 活性污泥沉降性能的好坏，将直接关系到污水厂的处理效果。尤其随着城市污水处 理厂中工业废水量的增多，越来越多的城市污水处理厂出现污泥膨胀问题，而发生污泥 膨胀时一般表现出三个特点： l 发生率高欧洲各国约有5 0 、美国约有6 0 的城市污水处理厂每年都发生污泥膨 胀。自从污水处理厂的设计者将a r d e n 和l o c k e t t 的间歇反应池变成连续式之时起，就 一直存在污泥膨胀的问题n 劓。在荷兰4 0 5 0 的城市污水厂有膨胀问题，在处理食品工 业的废水时，污泥膨胀发生率更高，在氧化沟处理各类污水时，有5 0 氧化沟也面临着 污泥膨胀的问题n 引。德国斯图加特大学调查了3 1 5 个活性污泥处理厂，发现有4 5 的水 厂有丝状菌过度生长的情况。在1 0 8 个城市污水厂中有2 7 的污水厂的s v i 值，在一年 中有半年以上的时间高于1 5 0 m l g 。在英国调查了6 5 了污水处理厂，其中2 7 个厂的年 平均s v i 值高于2 0 0 m l g ，有3 4 个厂的出水悬浮物超标。在所有的处理厂中，有4 1 个 或者存在s v i 平均值高于2 0 0 m l g ，或者有悬浮物的严重超标或两者兼而有之。在美国 有5 0 的污水处理厂由于出水悬浮物高，使处理厂达不到出水标准，另外有3 3 的污水 厂b o d 达不到排放标准。在我国上海，几乎所有的城市污水处理厂和一些工业废水处理 厂都存在一定程度的丝状菌膨胀问题。参考世界各国对污泥膨胀的研究，可知有很多污 水处理厂遇到了这类令人烦恼的现象n 蝴。 2 普遍性在活性污泥的各种类型上，都存在污泥膨胀的问题。在法国，8 0 左右的 污水处理设施采用活性污泥法，而其中的9 0 为延时曝气工艺。尽管该工艺有许多优点， 由于污泥沉降性能的原因，限制了污水处理构筑物本身的水力容量。在完全混合式的工 艺中，这个问题就显得更为突出了，甚至连最不容易发生污泥膨胀的间歇式曝气池也发 生了这一情况。 3 处理能力下降污泥膨胀使得处理系统的处理能力下降，造成了污泥流失，出水 中悬浮物浓度超标，一旦发生了污泥膨胀，则难于控制或需要相当长的时间才能恢复n 。 在如果对污泥膨胀不完全清楚的情况下，对其进行控制的方法不得当可能适得其反，或 使整个处理系统处于瘫痪状态。 2 1 3 污泥膨胀的危害和类型 活性污泥系统能够较好的去除水中的污染物，是由两方面的因素决定的。一是水中 可溶性的及胶体状的有机物能够转化成为悬浮状微生物的一部分，二是这些微生物能够 5 太原理t 大学硕士研究生学位论文 较好地沉淀，与处理水分离。在大多数的活性污泥工艺中，所有系统的处理效率取决于 固液分离效果的好坏。当发生活性污泥膨胀时，活性污泥絮凝体的结构与正常絮凝体相 比要松散一些，s v i 值增高，污泥的结构松散，体积膨胀，含水率上升，澄清液稀少( 但 较清澈) ，颜色也有异变，不易沉淀，污泥的沉降性能恶化，造成悬浮固体的流失，这 些悬浮固体携带着由于内源呼吸作用产生的c o d ，从而出水水质恶化，不能达标。由于 污泥的沉淀和压实性能变坏，s v i 值升高，二沉池中的污泥层开始扩大。增加回流污泥 的输送速率可以在某种程度上防止污泥膨胀，但回流污泥和剩余污泥的固体浓度将降 低。因此，为了维持一定的污泥龄，就需要排除较多的剩余污泥量，这使得污泥处理段 的水力负荷增高，且回流量增大。这不仅增加了处理系统的负荷，而且最终不能较快的 将污泥从二沉池中排除，并将由于固体过负荷而失败。污泥层溢过二沉池的堰板，造成 活性污泥系统的固体流失，会导致对入流水处理的能力降低，增加出流水的s s 和c o d 浓度，这样不仅影响处理出水水质、增大污泥的处理和处置费用，甚至能导致整个工艺 过程的失败n “。 污泥膨胀总体上分为两大类：丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀n 9 1 。前者系活性污泥絮体中 的丝状菌过度繁殖导致的膨胀：后者系微生物本身生理活动异常，大量积累高粘性多糖 类物质。后者主要在污水水温较低而污泥负荷太高的情况下发生，污泥负荷高，细菌摄 取了大量营养物，但由于温度低，代谢速度较慢，就大量积累高勃性多糖类物质( 如葡 萄糖、甘露糖等) ，污泥中结合水异常增多，比重减轻，s v i 值很高，压缩性能恶化而引 起膨胀。 在实际运行中，污水处理厂发生的污泥膨胀多为丝状菌污泥膨胀。据报道，在发生 污泥膨胀的活性污泥法处理厂中，约有9 0 的污泥膨胀问题是由活性污泥中丝状菌的过 量生长而引起的乜。工业废水处理厂比城市污水处理厂容易发生膨胀。 2 1 4 污泥沉降性能指标 活性污泥工艺对溶解性和胶体有机物去除能力的高低，在很大程度上受到工艺中污 泥性能好坏的影响，评价活性污泥性能的一个重要方面就是污泥的沉降性，同时，污泥 的沉降性能也可以作为判断污泥是否发生膨胀的重要依据。在对污泥膨胀问题的早期研 究中，常用的指标有塞里奥尔特指标、唐纳森指标、哈兹尔廷指标和莫尔曼指标瞳2 1 。其 中，由德国人莫尔曼于1 9 1 4 年提出的污泥容积指数，至今仍是常用的测定指标。目前， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 评价污泥沉降性能常用指标有： l 污泥沉降比s v 是污泥沉降比。其测定方法是：取l l 反应器中曝气阶段时的混 合液于量筒中静置一段时间，一般为3 0 分钟，然后测出活性污泥所占有的体积百分数。 由于正常的活性污泥在静沉3 0 分钟后，一般接近它的最大密度，故污泥沉降比可以反 映曝气池正常运行时的污泥量，可以反映出二沉池中活性污泥的浓缩情况，用于控制剩 余污泥的排放。它还能及时反映出污泥膨胀等异常情况，便于及时查明原因，采取措施。 而且污泥沉降比的测定比较简单，并能说明一定的问题，因此它成为评定活性污泥的重 要指标之一。 2 污泥容积指数在s v 的测定过程中，由于污泥浓度不同，对测量的结果有很大 的影响。经过3 0 m i n 沉淀后的活性污泥的体积与混合液中的污泥浓度成正比关系，即随 着污泥浓度的升高而增加。将污泥浓度的影响考虑上，出现了污泥容积指数( s l u d g e v o l u m ei n d e x ) 这一参数，在曝气池出口处的混合液，在经3 0 r a i n 静沉后，每克干污泥 所形成的沉淀污泥所占有的容积。其计算公式如下式： s v i = s v xio m l s s ( m l g ) 式中，m l s s 为混合液悬浮固体浓度，即污泥浓度，g l s v i 值可表示活性污泥中菌胶团结合水率的高低，同时较好地反映出污泥的松散程度 和凝聚、沉淀性能，一般认为沉降性能良好的污泥的s v i 值在7 0 l o o m l g 左右。p l a m 认为当s v i 大于1 5 0 m g l 就可以划为污泥膨胀，而p u j o l 认为当s v i 值大于2 0 0 m l g 时， 才能称为污泥膨胀。s v i 值过低，说明污泥颗粒细小紧密无机物多，缺乏活性和吸附能 力：s v i 值过高，说明污泥难于沉降分离，即将膨胀或己经膨胀。由于测量过程中所用 容器的直径，污泥的初始浓度和搅拌等情况对s v i 的测定有影响，为了尽量减少这一影 响，人们对s v i 的测定提出了一些修正。考虑到污泥浓度对s v i 值的影响，有人建议采 用稀释的污泥容积指数( d i l u t es l u d g ev o l u m ei n d e x ) d s v i 作为标准的方法，稀释后 的污泥浓度建议为1 5 m g l 。而在英国，人们更为常用的是搅拌的污泥容积指数 ( s t i r r i n gs l u d g ev o l u m ei n d e x ) s s v i “割。但在我国，基本上采用的都是普通的s v i 。 事实上，很多工业废水处理厂，即使当s v i 值超过2 0 0 m l g 时，处理工艺仍能一直良好 的工作。如北京高碑店污水厂工业废水含量超过5 0 9 6 ，s v i 常年在2 0 0 3 0 0 m l g 之间， 也无污泥溢流现象，且处理效果良好。分析原因，在较高s v i 值的情况下，保持良好的 处理效果，可能与二沉池的固体通量有关。当二沉池竖向尺寸较大时，即使s v i 值超过 7 太原珲i = 大学硕士研究生学位论文 2 0 0 m l g ，污泥也不能够通过溢流堰而流失。 3 污泥成层沉降速度除了上述指标之外，人们根据污泥沉降曲线的特性，采用不 同阶段的数值作为评价沉降性能的指标。活性污泥的沉降过程，首先存在一个再凝聚过 程，这个过程的时间长短与沉降性能之间也有密切的关系。再凝聚过程完成后成层沉淀 开始，这一阶段的特点是污泥界面的沉降速度始终是一个常数，而这个匀速下降的速度 即为污泥成层沉降速度。在沉降6 0 m i n 左右的时间，污泥面在很长的时间内基本不变， 此时的体积称为压实体积。不同的初始污泥浓度对这个值有不同的影响。一般认为，成 层沉降速度小于1 2 m h 时即为污泥膨胀。 4 丝状菌长度活性污泥单位体积内丝状菌的长度，该指标用来表示丝状菌含量。 丝状菌过量繁殖时，一般将丝状菌长度大于1 0 4 m g 的污泥划为膨胀污泥。 在活性污泥工艺运行过程中，造成二沉池中污泥沉降性能不良的原因和种类很多， 例如污泥的分散生长，絮凝体解体，微絮凝体的形成等。表2 - i 列出了一些在活性污泥 工艺中可能的沉降性能不佳的现象和原因n 引。 综上所述，对污泥膨胀的定义较为全面的描述是：1 污泥松散，不密实，污泥指数s v i 大于1 5 0 m l g ；2 沉降性能差，区域沉降速度小于1 2 m h ；3 + 由丝状菌引起的污泥膨胀， 丝状菌总长大于1 0 4 m g 。但在实际工程中，人们更乐意直接使用污泥指数来判断。而在 本实验当中，也主要以s v 和s v i 值来作为判断污泥是否发生膨胀的依据。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 活性污泥工艺中污泥的沉降性 c h a r t2 - 1s e t t l e a b f l i yo fs l u d