（环境工程专业论文）活性污泥低氧微膨胀及短程硝化耦合节能的基础研究.pdf

摘要 “活性污泥低氧微膨胀节能技术”是由本课题组彭永臻教授首次提出的一种 既节能又保证出水水质的新技术，其更新了解决污泥膨胀问题的思想和观念，对 降低污水处理能耗和运行费用有重要意义。短程硝化技术是近年来活性污泥法节 能降耗领域研究的热点，低溶解氧是实现短程硝化的有利因素之一，探索常、低 温条件下实现和稳定维持短程硝化的方法和策略对于该技术广泛应用于工程实 践有重要意义。因此，为实现污水的高效节能处理，本课题主要进行了低氧微膨 胀和短程硝化耦合节能技术的基础研究。 首先采用小试s b r 工艺以人工配水为底物，对丝状菌与菌胶团竞争关系进 行了深入研究；在此基础上采用小试a o ( 缺氧好氧) 3 - 艺处理实际生活污水，研 究了污泥微膨胀的启动和稳定维持的方法以及微膨胀状态下污染物的去除特性。 此外，为实现污泥微膨胀和短程硝化技术的耦合，在小试s b r 工艺中通过处理 生活污水，研究了短程硝化的常温启动和低温下的稳定维持以及低溶解氧对污泥 沉降性的影响。 在采用小试s b r 工艺对丝状菌与菌胶团竞争关系的研究中，重点考察了溶 解氧、进水方式、运行方式对丝状茵和菌胶团竞争的影响。试验发现，前置缺氧 的运行方式对遏制污泥膨胀有重要作用，而全程好氧的运行方式极易导致污泥恶 性膨胀。前置缺氧运行、短时进水条件下，单纯降低溶解氧不易导致污泥膨胀； 当低氧与长时间进水因素相互协同作用时，活性污泥s v i 值会出现小幅上升， 可见延长进水时间降低了底物浓度梯度，不利于污泥沉降。而全程好氧反应器中， 不管短时进水还是长时进水，均出现了严重的污泥膨胀，s v i 一度高于5 0 0 m l g 。 采用常规镜检和染色试验，并结合f i s h 技术，对膨胀期间的优势丝状茵进行了 鉴定。发现全程好氧短时进水时优势丝状菌为0 2 1 n 型，而长时进水时优势丝状 菌为0 2 1 n 和0 0 4 1 型丝状菌。前置缺氧运行条件下，随进水时间延长， p h a f f o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ) 合成量逐减降低，除磷效率和p a o s ( p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 的相对数量呈下降趋势，可见除磷效果的强化有利于污 泥沉降性的提高。 在小试连续流a o 工艺处理实际生活污水的研究中发现，单纯降低d o 浓 度或者采取低溶解氧协同低负荷方法均可实现污泥微膨胀，但低氧协同低负荷的 方法启动膨胀后微膨胀状态难以控制，需及时将系统的污泥负荷调回正常范围。 在低溶解氧条件下，为保证们系统不仅能稳定维持污泥微膨胀状态，而且能 达到一定的氨氮去除率，不同负荷下应采用不同的d o 。在微膨胀状态下，刖o 系统的c o d 、氨氮和总氮的平均去除率分别为8 5 、7 0 和6 8 ；由于丝状菌 北京工业大学工学硕士学位论文 具有对出水悬浮物具有较强的网捕作用，微膨胀状态下出水清澈，出水浊度大多 在2 n t u 以下。a o 系统在低溶解氧下了实现较为明显的同步硝化反硝化，可去 除1 0 - - - 2 5 的氮。对低溶解氧污泥微膨胀系统中的微生物种群进行了鉴定，发 现a o 系统在低溶解氧下运行优势丝状菌主要为0 0 4 1 型及微丝菌。 如何在常低温条件下实现和稳定维持短程硝化是短程硝化节能技术应用于 实践的瓶颈，本文研究发现可首先在常温下对好氧曝气时间进行实时控制，实现 亚硝态氮的积累，同时使得a o b 成为优势种群，然后逐渐降温使a o b 适应在 低温下生长，从而维持稳定的短程硝化，亚硝化积累率始终高于9 0 。由f i s h 检测结果可知，短程硝化得到稳定维持后，a o b ( a m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i a ) 得 到了富集，而n o b ( n i t r i t e o x i d i z i n gb a c t e r i a ) 的活性则始终受到抑制，并被淘洗 出系统。降低温度和溶解氧浓度，比氨氧化速率也随之降低。但在短时进水条件 下，低d o 并没有导致污泥沉降性的明显下降，反而提高了短程硝化系统的s n d 率及总氮去除率。通过优化进水时间和溶解氧浓度，有望在今后实现污泥微膨胀 和短程硝化的耦合节能技术。 关键词污泥微膨胀；低溶解氧：丝状菌：菌胶团；短程硝化 a b s t r a c t an e w t h e o r ya n dt e c h n i q u ec a l l e d s a v i n ge n e r g yb yl i m i t e df i l a m e n t o u ss l u d g e b u l k i n g ”i sp r o p o s e df i r s t l yb yp r o p e n gy o n g z h e n , w h i c hc o u l de n s u r et h et r e a t m e n t e f e c t 髓ds a v ea e r a t i o nr a t e p a r t i a ln i t r i f i c a t i o ni sar e s e a r c hf o c u sw h i c ha i m e da t e n e r g ys a v i n g ，w h i l el o wd o i sb e n e f i c i a lt oa c h i e v i n gt h i se f f e c t a c h i e v i n ga n d m a i n t a i n i n gp a r t i a ln i t r i f i c a t i o na tn o r m a lo rl o wt e m p e r a t u r e si st h ek e y t oa p p l yt h e t e c h n o l o g y i no r d e rt ot r e a tw a s t e w a t e re f f i c i e n t l ya n ds a v i n ge n e r g ya sw e l l ，b a s i c r e s e a r c ho i lt e c h n i q u e so fe n e r g ys a v i n gb yt h ec o u p l i n go fl i m i t e df i l a m e n t o u ss l u d g e b u l k i n ga n dp a r t i a ln i t r i f i c a t i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ec o m p e t i t i o nr e l a t i o n s h i p o ft h ef l o e - f o r m e rb a c t e r i a a n dt 1 1 e f i l 锄e n t o u sb a c t e r i ai ss t u d i e du s i n gl a b s c a l es b rp r o c e s s ，w h i c hu s e da r t i f i c i a l w a s t e w a t e r o nt h i sb a s i s ，“l i m i t e df i l a m e n t o u sb u l k i n g w a s r e a c h e dt h r o u g h l a b s c a l ea op r o c e s st r e a t i n gr e a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r b e s i d e s ，o nb e h a l ft o a c c o m p l i s ht h ec o u p l i n go fl i m i t e df i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n ga n dp a r t i a ln i t r i f i c a t i o n ， p a r t i a ln i t r i f i c a t i o nw a sc a r r i e do u ti n al a b - s c a l es b ra tn o r m a lt e m p e r a t u r ea n d m a i n t a i n e df o rl o n gt i m ee v e na tl o wt e m p e r a t u r e s t h ee f f e c t ss o m ep r o c e s sf a c t o r ss u c ha sd o 、w a yo ff e e d i n ga n do p e r a t i o n m e t h o do n s l u d g eb u l k i n g i s i n v e s t i g a t e d i nt h er e s e a r c ho ft h ec o m p e t i t i o n r e l a t i o n s h i po ft h ef l o c f o r m e rb a c t e r i aa n dt h ef i l a m e n t o u sb a c t e r i a i tw a sf o u n dt h a t t h ea o ( a n o x i c o x i e ) o p e r a t i o nm e t h o dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o n t r o l l i n gs l u d g e b u l k i n g a e r o b i cf e e d i n gi se a s yt oc a u s es e r i o u sf i l a m e n t o u sb u l k i n g i t sn o te a s yt o r e a c hs l u d g eb u l k i n go n l yt h r o u g hl o wd ow i t h o u tc o o p e r a t i o no fl o n gf i l lt i m e l o n g t i m ef e e d i n gm a d es u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ng r a d i e n tl o w e r ，w h i c hh a sd i s a d v a n t a g e a f f e c tt os l u d g es e t t l e m e n t a e r o b i cf e e d i n gc a u s e ds e r i o u sf i l a m e n t o u sb u l k i n gn o m a t t e rt h ef e e d i n gt i m ei sl o n go rs h o r t t h es v ie v e ne x c e e d e d5 0 0 m l g t h e d o m i n a t e df i l a m e n t o u sb a c t e r i aw e r ei d e n t i f i e dt h r o u g hn o r m a lm i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n sc o m b i n e dw i t hf i s ht e c h n o l o g y t h ed o m i n a t e df i l a m e n t o u sb a c t e r i a u n d e rs h o r tf e e d i n gt i m ec o n d i t i o nw e r e0 21 nw h i l eu n d e rl o n gf e e d i n gt i m e c o n d i t i o nt h e yw e r e0 2 1 na n de i k e l b o o m0 0 4 1 a l o n gw i t hl o n gf i l lt i m e ，t h ea m o u n t o fp h a - s y n t h e s i sa n dt h e p e r c e n to fp a o sg o tl e s s ，s i n c e t h e nt h ee f f e c to f p h o s p h o r u sr e m o v a lg o te n h a n c e dw a sb e n e f i t e dt ot h es e t t l e m e n to fs l u d g e l i m i t e df i l a m e n t o u sb u l k i n gc o u l db ea c h i e y e di na or e a c t o rt h r o u g ho n l yl o w d oo rl o wd oc o o p e r a t i n gw i t hl o wo r g a n i cl o a d i n gr a t e w h e nu s i n gt h el a t t e r ，i t 北京工业大学工学硕士学位论文 w a sn e c e s s a r yt oc h a n g eo r g a n i cl o a d i n gr a t ei n t on o r m a lr a n g eo n c er e a c h i n gt h e s t a t eo fl i m i t e df i l a m e n t o u sb u l k i n g t oc o m p l e t es a m ea m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c y ， t h eo p t i m u md oc o n c e n t r a t i o nw a sd i f f e r e n t d u r i n gt h es t a g eo fl i m i t e df i l a m e n t o u s b u l k i n g ，c o d ，a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c i e sw e r e8 5 * , ，7 0 a n d 6 8 ，r e s p e c t i v e l y b e s i d e s ，t u r b i d i t yw a sl o w e rt h a n2n r u ，t h ee f f l u e n tw a sc l e a r a n dt h er e s u i t ss h o w e dt h a ts n dc o u i db ea t t a i n e du n d e rl o wd o b a s e do nt h em a s s b a l a n c eo fn i t r o g e n ，a b o u t15 - 2 5 n i t r o g e nc o u l db er e m o v e db ys n d t h e d o m i n a t e df i l a m e n t o u sb a c t e r i au n d e rl o wd ol i m i t e df i l a m e n t o u sb u l k i n gc o n d i t i o n w a se i k e l b o o m0 0 4 1a n dm i c h r o t r i xp a r v i c e l l a a na d v i s a b l es t a r tu ps t r a t e g yt oo p e r a t eap a r t i a ln i t r i f i c a t i o ns y s t e ma tl o w t e m p e r a t u r e sc o u l dh a v et w os t e p s ，o b t a i n i n gf i r s t l yt h es e l e c t i v ee n r i c h m e n to fa o b a sw e l l 嬲t h ew a s h o u to fn o b b yr e a l - t i m ea e r a t i o nd u r a t i o nc o n t r o lu n d e rn o r m a l t e m p e r a t u r e s ，a n dt h e nm a k i n gt h eb i o m a s ss l o w l ya d a p tt ol o wt e m p e r a t u r e s w h e n n i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t i ow a ss t e a d i l yk e p to v e r9 0 ，f i s hw a su s e dt od e t e c tt h e s l u d g ep o p u l a t i o ns t r u c t u r e ，w h i c hs h o w e dt h es i z e so ft h ea m m o n i a - o x i d i z i n g b a c t e r i a ( a o b ) a n dn i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i a ( n o b ) w a s8 - 9 a n dl o w e rt h a n 0 5 ，r e s p e c t i v e l y t h es p e c i f i ca m m o n i ao x i d a t i o nr a t ew o u l db er e d u c e d 晰t h d e c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r ea n dd o ，b u tk e e p i n gd o u n d e rl o wl e v e la n ds h o r tt i m e f e e d i n gc o n d i t i o nd i d n t c a u s eb a ds e t t l e m e n to ft h e s l u d g e ，i n v e r s e l y t h e e n h a n c e m e n to fs n de f f i c i e n c yw a se n h a n c e d i ti sh o p e f u lt oa c h i e v et e c h n i q u e so f e n e r g ys a v i n gb yt h ec o u p l i n go fl i m i t e df i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n ga n dp a r t i a l n i t r i f i c a t i o nt h r o u g ho p t i m i z a t i o no ft h ef e e d i n gt i m ea n dd o k e yw o r d sl i m i t e ds l u d g eb u l k i n g ；l o wd i s s o l v e do x y g e n ；f i l a m e n t o u sb a c t e r i a ； f l o c - f o r m e rb a c t e r i a ；p a r t i a ln i t r i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：妄聋盔刍盐窜日期：迎# ! i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 毫2 页f i 趟自导师签名： 型誓母白期： 第l 章绪论 1 1 课题背景与来源 第1 章绪论 1 1 1 课题目的和意义 确保水质合格且足量供应是我国国民经济持续稳定发展的基础。近年来，我 国水荒愈演愈烈，全国6 6 0 多个城市中，缺水城市有4 0 0 多个，其中严重缺水城市 1 1 4 个；与此同时各地水污染事件频发，大量不符合排放标准的污水排入受纳水 体，使得原本脆弱的水生态雪上加霜。水资源严重匮乏，很大程度上已成为制约 经济可持续发展的瓶颈和危及人民生活安全的重大隐患。为应对我国的水资源危 机，国家制定了更为严格的污水处理排放标准，以达到更大程度的深度处理和循 环利用。 城市污水处理是能源密集型行业之一，电费约占常规运行成本( 包括折旧费 等) 的三分之一强。污水生物处理系统中的曝气电耗占全厂总电耗的5 0 6 0 【l j 。 随着污水排放标准的提高，要达标排放，必须在脱氮除磷方面达到更高标准，势 必需要消耗更多的电能。因此在污水处理领域设法节约曝气能耗对于降低污水处 理厂运行成本和缓解我国面临的能源危机具有重要意义。 据统计，目前国内9 0 以上的城市污水和5 0 左右的工业废水都采用活性污 泥法处理，污泥膨胀普遍存在是与活性污泥法普遍应伴生的难题。污泥膨胀会造 成污泥沉降性能下降，严重时还会造成二沉池污泥流失，破坏处理系统的稳定和 平衡，甚至会造成系统崩溃，因此传统应对思路是控制乃至消除污泥膨胀。随着 对污泥膨胀机理的研究逐渐深入，一些控制手段也相继提出，如避免低溶解氧运 行，设置选择器等【2 j ，然而时至今日也没有完全有效的控制手段，污泥膨胀仍然 在世界各地的污水处理厂普遍发生。 “低氧微膨胀节能理论与方法 由本课题组彭永臻教授首次提出，将思路由 传统的控制和消除污泥膨胀转为利用污泥膨胀，认为可以通过低溶解氧引发污泥 膨胀并将其控制在一定范围内，在节约曝气能耗的同时，达到改善出水水质( 或 不影响出水水质) 的目的【3 ，4 1 。该技术是一种既节能又保证出水水质的新理论与 新技术，更新了解决污泥膨胀问题的思想和观念，对降低污水处理能耗和运行费 用有重要意义。“低氧微膨胀节能技术”利用了污泥膨胀中的丝状菌性膨胀，其 核心思想是对污水处理微生物进行种群优化，使得菌胶团与丝状菌达到稳定平衡 的共生状态，由此可见深入研究污泥膨胀机理，特别是丝状菌与菌胶团的竞争关 系，是今后运用“低氧微膨胀节能技术”的基础。 短程脱氮较之于全程脱氮在硝化阶段可节约2 5 的曝气量，在反硝化阶段可 节约4 0 的有机碳源( 以甲醇计) 【5 】，因此成为目前污水生物脱氮技术研究的热点。 短程脱氮得以实现和稳定维持的关键，是将硝化过程终止于n 0 2 - n 阶段，也即 短程硝化。利用氨氧化菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 在生理特性上的差异， 已经形成了诸多实现短程硝化的控制策略，主要包括高温、低溶解氧( d o ) 、高 游离氨抑制、及实时控制等【】。温度影响着a o b 和n o b 的生长速率，在一定范 围内提高温度，可加快酶促反应，提高污泥增长速率侈j ，温度高于2 0 c 时，a o b 的最大比增长速率高于n o b 。提高温度，不仅能提高a o b 增长速率，还能扩大 a o b 和n o b 在增长速率上的差距，利二j = a o b 成为优势硝化菌群【l0 。目前高温尚 被视为实现和稳定维持短程硝化的重要条件【1 1 1 2 j 。被应用于工程实践的短程硝化 脱氮工艺s 乩呔o n 工艺的操作温度以3 0 3 5 为宜【l0 1 。然而，如此高的温 度限制了该工艺的推广应用，将生活污水加热到较高温度势必需要消耗相当数量 的能源，对于大型污水处理厂，具体实施的难度以及增加的能耗均不容小视。因 此，探求在常低温条件下( q 5 ) 实现并稳定维持短程硝化的方法，建立相应的 控制策略，对于短程硝化脱氮工艺广泛应用于工程实践有重要意义。 针对污水生物处理在出水达标的前提下，如何实现污水的高效低能耗处理等 问题，本课题主要研究低氧微膨胀节能技术和短程硝化节能技术，力求为污水处 理行业的节能减排奠定基础。 1 1 2 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划( “8 6 3 ”计划) 探索导向类课题 ( 2 0 0 6 a a 0 6 2 3 1 9 ) “活性污泥微膨胀节能理论与方法及中试研究 ；并得到新 加坡e w i ( 环境和水行业) 项目的资助和国家自然科学基金( 5 0 7 7 8 0 0 5 ) 的资助。 1 2 污泥膨胀的研究现状 1 2 1 污泥膨胀的概念 对污泥膨胀概念有多种描述和解释【】3 15 1 ，其共同点是：当污泥膨胀发生时， 活性污泥沉降速率将会降低，活性污泥絮体压缩性能将变差。由于活性污泥絮体 不能在设计时间内完成沉降或者即使沉降至沉淀池底部，但并未压实，将会造成 从沉淀池底部回流至反应器的回流污泥浓度降低，反应器中去除污染物的微生物 浓度将随之下降，出水水质恶化，长期恶性循环下去很可能造成污泥流失，反应 系统崩溃。 活性污泥中的细菌是去除污染物的主体生物，主要由菌胶团菌与丝状茵共同 第l 章绪论 组成。s e z g i n 等人【l6 】提出，丝状菌是活性污泥絮体的骨架，菌胶团细菌等其他微 生物通过产生多糖形成凝胶基质架粘附在骨架上。因此丝状菌与活性污泥菌胶团 之间保持合适的比例，有助于维持絮体结构密实，保持污泥具有良好沉降性。当 丝状菌与菌胶团之间的比例失衡时，则会出现泥水分离问题。 根据过量增殖的微生物主体种类，将活性污泥膨胀主要分为两种类型：丝状 菌污泥膨胀( f i l a m e n t o u sb u l k i n g ) 和非丝状菌污泥膨胀( n o n f i l a m e n t o u s b u l k i n g ) t 1 7 】。 1 2 1 1 丝状菌污泥膨胀丝状茵污泥膨胀是丝状菌过量生长，造成活性污泥絮体 结构松散，污泥沉降速度变慢，污泥压缩性能变差的现象。实际运行中，9 0 以 上的污泥膨胀是由于丝状菌过量增殖引起的。 1 2 1 2 非丝状菌污泥膨胀非丝状菌膨胀【l8 】又叫做粘性膨胀( s l i m eo rv i s c o u s b u l k i n g ) ，是由于菌胶团大量积累高粘性物质或是过量增殖引起的污泥沉降性能 和压缩性能变差的现象。这种高粘性物质是多聚糖类胞外贮存物，是高度亲水型 化合物，易形成结合水，影响了污泥的沉降性能。发生非丝状菌污泥膨胀时，活 性污泥中的丝状菌数量很低甚至检测不出，在曝气池上方往往会出现大量粘性泡 沫。 影响活性污泥微生物代谢和增殖的因素主要包括进水水质、溶解氧、温度、 p h 值、以及污泥负荷等，丝状菌和茵胶团对各种因素的偏好有所不同。e i k e l b o o m 对活性污泥中的3 0 种丝状茵进行了分类和鉴定【1 9 】，这些丝状菌对致因因素的偏 好也存在差异，不同种类的丝状菌对于污泥沉降性的影响并不相同，有些种类的 丝状菌即使过量增殖，也不会对污泥沉降性产生明显影响。 1 2 2 污泥膨胀的成因 对污泥膨胀的致因因素的研究和探讨一直以来都是污泥膨胀研究领域的热 点。深刻了解导致污泥膨胀的原因是规避造成污泥膨胀的不利因素的前提，是控 制污泥膨胀的基础。虽然对于有些因素在某阈值内是否会导致污泥膨胀，会导致 何种类型的污泥膨胀，尚存在不少争议，但是经过多年的研究，大多数致因因素 对于活性污泥微生物的影响还是达成了某种程度的共识。 1 2 2 1 迸水水质因素底物类型和特性对污泥膨胀有明显影响。 ( 1 ) 有机物 一般而言，当废水中易降解可溶性有机物含量多时，易于发生污泥膨胀。这 里所说的可溶性有机物包括糖类碳水化合物和低分子可溶性有机物，前者主要包 括葡萄糖、蔗糖、乳糖等单糖或二糖，后者主要指低分子挥发性脂肪酸。 乳品生产废水、制糖废水等生产废水中含有大量糖类碳水化合物。研究表明 球衣菌属和硫细菌均能将糖类碳水化合物直接作为能源利用。当废水中含有单糖 北京工业大学工学硕士学位论文 和溶解性淀粉有利于s n a t a n s 、1 7 0 1 型、n 1 i m i c o l ai i 和1 8 51 型丝状茵的生长【l9 1 。 而且当糖类碳水化合物含量多时，茵胶团也会较容易地将其代谢并分泌出许多高 粘性多糖类物质，过多的此类物质覆盖在菌胶团微生物表面，则容易导致非丝状 菌污泥膨胀1 2 0 。 在调节池或初沉池的排水管道中，废水厌氧发酵容易产生挥发性脂肪酸如乙 酸、丙酸和丁酸，当废水中含有上述低分子挥发性脂肪酸时，有利于0 2 1 n 、0 0 4 1 、 砌f d 历r x 、0 9 1 4 、l i m i c o l ai i 和l i m i c o l a 的生长【拶j 。 当废水中含有难生物降解的底物或颗粒性有机物时，0 0 4 1 型、0 6 7 5 型和0 0 9 2 型丝状菌容易大量生长。原因可能是由于在b n r 系统中，在缺氧区上述类型有 机物代谢缓慢，得以进入好氧区，被转化为易降解可溶性有机物，促进了0 0 4 1 型等丝状菌的增殖。 总之，当进水有机物中含有大量易降解的有机物时，更适于丝状茵的生长， 当进水有机物以高分子难降解有机物为主时，由于丝状菌对其代谢能力不如菌胶 团，因此不易大量增殖。 ( 2 ) 氨和磷营养物质 活性污泥微生物的生长和代谢不仅需要大量有机物提供碳源，还需要多种营 养物质，如氮、磷等。通常认为碳、氮、磷之间应保持一定比例，以保持活性污 泥微生物的正常代谢活动，经验值为b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：i 。当比例失衡，某种组 分过多，或者某种组分缺乏时则会造成活性污泥微生物中的某类微生物过量增 殖，引发污泥膨胀。 高春娣等【2 卜2 3 】采用s b r 反应器研究了不同有机负荷下氮缺乏与污泥膨胀的 关系，结果表明当进水b o d n 为1 0 0 3 和1 0 0 2 时，均发生了非丝状菌污泥膨 胀。不同的是，在进水b o d n 为1 0 0 3 条件下s v i 值上升的初期曾出现过丝状 菌的过量生长，随后又消失。进水b o d n 为1 0 0 2 的缺氮条件下，正常有机负 荷i f ：m = 4 0 k g c o d ( k g m l s s d ) ) 时发生了非丝状菌污泥膨胀；而在低有机负荷 时，没有发生污泥膨胀。在进水b o d n 为10 0 0 9 4 的极端缺氮条件下，在正常 有机负荷时发生了严重非丝状茵污泥膨胀；在低有机负荷下s v i 上升至2 0 0 m l g 以上，也发生非丝状菌污泥膨胀，但污泥沉降性能恶化程度并不严重。并提出， 原因可能是由于低有机负荷时，污泥浓度大幅度降低，微生物分解代谢自身细胞 物质，分解出的营养物质为微生物提供了一定的氮，从而缓解了缺氮的程度。 也有研究表明【2 4 1 ，对于完全混合的反应器在b o d n 为3 5 1 的情况下就可形 成n 限制，b o d n = 6 0 i 时，s v i 超过4 0 0 m l 。此时主要是球衣细菌引发的丝 状菌污泥膨胀。在n 极端缺乏时( b o d n = 2 9 7 i ) ，无论是完全混合式反应器还是 推流式反应器都会发生严重的非丝状菌引发的粘性膨胀。原因在于过量的碳源存 在，微生物不能充分利用而转变为多聚糖类胞外贮存物，从而引起粘性膨胀。 第l 章绪论 w a g n e r 2 5 】研究发现膨胀污泥中含p 量较少，当p m l s s 3 ，s v i 增加，可 能发生膨胀，而超过这个比例后则很少发生膨胀。高春娣等人【2 6 j 的试验结果显 示，当进水中b o d p 分别为1 0 0 0 6 和1 0 0 0 3 时，会发生非丝状菌污泥膨胀。 不仅单独缺氮或缺磷与污泥沉降性能相关，n 、p 的比例对污泥沉降性能也 有影响。p n 小的活性污泥具有很大的s v i 值( 污泥容积指数) ，该值随p n 的增 加而迅速减小1 2 5 】。 氮、磷缺乏与污泥膨胀之间的关系比较复杂，首先氮、磷缺乏的类型有多种， 如缺氮富磷，富氮缺磷，氮、磷均缺乏，再加上有机负荷的高低，以及反应器流 态等众多因素的协同作用，因此由于水质的差异以及运行方式等各方面的差异存 在，关于缺乏n 、p 是否发生膨胀，膨胀类型和c 、n 、p 的合理比值的试验结 果会因试验条件而异，结论往往不具备通用性。在活性污泥法处理中，氮、磷营 养物缺乏现象并不鲜见，特别是工业废水处理中更为突出，因此值得进行更为深 入系统的研究。 ( 3 ) 硫化物、有毒物质和脂类 t h i o t h r i x ，0 2 1 n 型，b e g g i a t o a ( 贝氏硫细菌) 和0 9 4 1 型，这五类丝状菌可以 利用硫化氢为能源，将硫化氢氧化为单质硫，并将单质硫以胞内颗粒物的形式沉 积在茵体内【2 7 】。通过积硫试验，可以测定出丝状菌体内贮存的单质硫。t h i o t h r i x 和0 2 1 n 型丝状菌可以同时利用下水道内腐化废水中的溶解性好的硫化物和低分 子量的有机酸，因此在处理这些腐化废水时，这两种菌可以大量生长。附着物则 显现为下层的黑色腐化层。b e g g i a t o a 菌生长在腐化的生物膜的好氧表面，从下 层溶液中获得溶解氧，将腐化层的硫化物氧化为单质硫并贮存在其菌体内【2 引。一 废水中的有毒物质主要指过高的c o d 、某些有机物( 酚及其衍生物、醇、醛 和某些有机酸等) 、硫化物、重金属和氯化物等。有些毒性物质仅对正常菌胶团 有毒性作用，这种情况下，就会引起污泥膨胀( 如含酚和氰的废水突然加入活性 污泥中) t 2 9 】；有些则仅对与膨胀有关的丝状茵有毒性( 如氯和某些低浓度的重金 属) ，该类毒性物质可以被用来作为控制活性污泥膨胀的药剂；有些对两种微生 物都有毒性作用。 有研究表明：在厌氧条件下，m p a r v i c e l l a 可以吸收和贮存油酸等长链脂肪 酸【30 1 ，m p a r v i c e l l a 可利用细胞表面结合的脂肪酶分解脂肪内含有的油酸。还有 调查发现当进水中含有脂类时，诺卡氏茵也易大量生长。 1 2 2 2 环境因素影响引发污泥膨胀的环境因素主要有温度、p h 值、溶解氧等。 ( 1 ) 温度 活性污泥由多种微生物组成，在水温随季节变化时，适应水温变化的微生物 逐渐繁殖并不断增多。 根据有关研究和经验介绍，低温条件下o o c 1 5 ) 丝状菌污泥膨胀和非丝 北京工业大学工学硕士学位论文 状菌污泥膨胀均有可能发生。有研究认为，m p r r i c e l l a 有较低的半饱和常数s ) ， 适合的生长环境是低温( 1 2 1 5 ) 低负荷( 郢1 k g b o d 5 m l s s d ) ，国内外的实际 工程经验也同样证实了这一点【3 1 , 3 2 】。e i k e l b o o m 3 3 1 的研究发现在长m c r t ( 污泥龄) 的氧化沟中，随着季节的变换，m p a r v i c e l l a 和0 0 9 2 型丝状菌交替成为优势菌 种。当温度低于1 5 ，m p a r v i c e l l a 是优势菌种；当温度高于1 5 c ，0 0 9 2 型丝 状菌成为优势菌种。在低温下m p r r i c e l l a 的生长速度大于茵胶团的生长速度易引 发丝状菌污泥膨胀【3 2 】。低温条件下，也有可能发生非丝状菌污泥膨胀【3 4 】。如果 废水中含糖类碳水化合物有较多时，由于温度较低微生物代谢速率减缓，来不 及将有机物完全氧化消耗，而以多糖类高粘性物质储存起来，则易形成茵体外高 粘性物质覆盖和积累，将会导致污泥的高粘性膨胀。 k c h u n d a k k a d u ”】的研究结果显示，底物贮存与温度密切相关，较高温度下， p h b 的合成量较低，从而影响污泥沉降性。短污泥龄污泥沉降性与温度密切相 关，温度越高，s v i 越高。k c h u n d a k k a d u 同时认为，在高于3 0 温度条件下， 发生的污泥膨胀主要是非丝状菌污泥膨胀。 ( 2 ) p h 值 活性污泥系统运行时，为保证活性污泥微生物正常发育、生长，曝气池的 p h 值应保持在6 5 8 0 范围内。在工业废水处理过程中i 由于水质呈强酸或强 碱性，进水p h 值往往超出该范围。关于p h 值对污泥沉降性的影响，研究结论 不 2 4 , 3 6 】 有研究认为p 7 】活性污泥混合液的p h 值低于6 0 ，会出现真菌的大量生长， 菌胶团细菌的生长受到抑制。p h 值降至4 5 时，真菌将完全占优势，原生动物 大部分消失，严重影响污泥的沉降分离和出水水质。 丁峰考察了p h 对s b r 法处理啤酒和化工废水时污泥沉降性的影响【3 s 3 9 1 ，试? 验结果显示进水p h 值过高( 9 0 - 1 2 0 ) 或过低( 5 肚2 0 ) 活性污泥的活性均受到抑 制，并且出现了污泥上浮现象，但未发生明显的污泥膨胀，s v i 变化不大。 ( 3 ) 溶解氧 丝状菌是好氧菌，具有较低的氧饱和常数k 和最大比生长速率舣值，且 比表面积比菌胶团大，结合扩散选择理论，其在低溶解氧浓度条件下，具有相对 较高的生长速率，从而具有竞争优势【4 叫2 1 。因此，当曝气池中溶解氧浓度较低 时，容易发生污泥膨胀。 值得注意的是，抛开其他因素，单纯讨论溶解氧引发污泥膨胀的阂值范围实 际意义不大，事实上，溶解氧常常与污泥负荷共同影响着污泥沉降性，导致污泥 膨胀。 在低d o 条件下，1 7 0 1 型、s n a t a n s 、h h y d r o s s i s 和m p a r v i c e l l a 型丝状菌 易于生长【4 3 矧。低d o 条件下，当m c r t 在2 。1 0 天时，有利于1 7 0 1 ，s n a t a n s 第l 章绪论 和i - i h y d r o s s g s 的生长；当m c r t 较高时( 接近1 2 天) ，有利于m p a r v i c e l l a 的生 长。 p a l m t 4 5 】发现d o 浓度和f m 有很显著的相关性，f m 越高，所需的d o 浓 度越高。随着工艺负荷的增长，微生物耗氧速率加快，为保证d o 能够扩散到絮 体颗粒内部，就要提高溶液中的d o 浓度。m a r t i n s 研究发现，当溶解氧1 1m g l 。1 时，会导致丝状菌增殖( 主要包括t h i o t h r i xs p p ，t y p e0 2 1 n 和t y p e1 8 5 1 ) ， 污泥沉降性能恶化，当系统处于高负荷状态时更为严重。周利的试验结果显示在 一定低污泥负荷下，通过提高d o 浓度并不能使低d o 膨胀污泥的沉降性能得到 有效恢复m j 。 此外，低溶解氧作为致因因素，作用一次和循环作用( 以“低氧一恢复正常” 为周期循环) 效果不同。g a v a l l 47 】进行的试验表明单独一次的缺氧即使缺氧程度比 较严重，也不易立即引发膨胀，但如果多次循环作用，则易引发膨胀。同时指出， 不明原因的膨胀可能是由于致因因素循环作用造成的，这种膨胀开始时不易察 觉，s v i 的变化不明显，但长期作用之下，丝状菌会不断增殖，最后导致膨胀。 1 2 2 3 运行条件的影响引发污泥膨胀的运行条件主要有：污泥负荷、污泥龄、 进水方式及反应器类型和流态、曝气方法。由于污泥龄与污泥负荷存在一定的对 应关系：高负荷对应低污泥龄，低负荷对应高污泥龄，因此将污泥龄的影响与污 泥负荷归入一类。 ( 1 ) 污泥负荷 污泥负荷与污泥膨胀之间的关系非常复杂。单纯讨论具体的引起膨胀时的污 泥负荷的数值或是污泥负荷在何种范围之内就不会发生膨胀，不同研究者的研究 结果往往存在很大差异【4 8 , 4 9 】。因为污泥负荷常常与其他因素如温度、溶解氧等协 同作用，使得试验结果往往不具备普适性，需要具体情况具体分析。 周利1 5 0 】采用s b r 工艺考察了污泥负荷对污泥沉降性能的影响，提出在保证 溶解氧不缺乏的前提下，高负荷不会引起污泥膨胀，并且一定的高负荷能够改善 污泥的沉降性能：当负荷降低到一定程度( “临界负荷 ) 后s v i 迅速升高，污泥 发生膨胀。同时，进水底物浓度对“临界负荷 有明显的影响，其规律是相同的 低负荷条件下，进水底物浓度越高越不易发生污泥膨胀：即使发生膨胀，进水底 物浓度越高，发生污泥膨胀时的s v i m 戤( 最大污泥体积指数) 相对越低。这可以用 c h u d o b a 的动力选择理论来进行解释：对s b r 工艺来说，反应初始阶段反应器 内的底物浓度很高，反应器实际上起了选择器的作