摘要：本文對絲狀菌污泥膨脹現象進行分析和綜合，并在廣義的Monod方程的基礎上，提出了統一的污泥膨脹理論。該模型可以很好的解釋基質限制、溶解氧限制、營養物缺乏型，高、低pH和硫化氫因素引起的五種類型主要活性污泥絲狀菌膨脹。這包括了大部分的污泥膨脹現象。利用廣義的Monod方程采用雙基質限制(碳源和溶解氧)模型和系統動力學方程進行了計算機模擬研究。對負荷與溶解氧，水質和水量變化等因素對于菌膠團細菌和絲狀菌的競爭關系的影響進行了深入的研究，并在此基礎上對于不同的膨脹類型對應提出了對應的控制策略。
關鍵詞：污泥膨脹 絲狀菌 菌膠團菌 廣義Monod方程
一、污泥膨脹控制方法的演化過程
早期控制絲狀菌引起的污泥膨脹(簡稱污泥膨脹)的主要手段是利用絲狀菌具有較大的比表面積值，采用藥劑殺死絲狀菌，或是投加無機或有機混凝劑或助凝劑以增加污泥絮體的比重<1>。這些方法往往無法徹底解決污泥膨脹問題，并且相反地會帶來出水水質惡化的不良后果。人們逐漸認識到活性污泥中的菌膠團細菌和絲狀菌形成一個共生的微生物生態體系。在這種共生關系中，絲狀微生物是不可缺少的重要微生物，其在活性污泥工藝中對于高效、穩定地凈化污水起重要作用。人們逐漸的從簡單地殺死絲狀菌過渡到利用曝氣池中的生長環境，調整絲狀菌的比例，控制污泥膨脹的發生--即環境調控階段。環境調控概念的使用是人們在污泥膨脹控制技術和實踐上的一大進步。其主要出發點是使曝氣池中的生態環境，有利于選擇性地發展菌膠團細菌，應用生物競爭的機制抑制絲狀菌的過度生長和繁殖，將絲狀菌控制在一個合理的范圍之內，從而控制污泥膨脹的發生和發展。同時利用絲狀菌特性凈化污水，穩定處理工藝。近年選擇器理論得到充分發展和應用就是這一概念具體體現<2><3>。
二、統一的污泥膨脹的理論
由于活性污泥是一混合培養系統，活性污泥是菌膠團細菌與絲狀菌的共生系統，任何活性污泥系統中都存在著絲狀茵。絲狀菌也不僅僅是一種菌存在，活性污泥中存在著至少30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌，污泥膨脹的原因是復雜的。在絲狀茵與菌膠團細菌平衡生長時，不會產生膨脹問題。只有當絲狀茵生長超過菌膠團細菌時，就會出現膨脹問題。污泥膨脹是由絲狀茵和菌膠團細菌生理和生化性質不同所決定的，這兩類細菌性質的差異見表1。
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通過對近年來活性污泥膨脹問題國內外研究進展的分析和綜合，可以將主要的活性污泥絲狀菌膨脹的原因分為五種類型：即a)基質限制；b)溶解氧限制；c)營養物缺乏型高；d)高、低pH引起； e) 和硫化氫因素等膨脹類型<4>。
1. 廣義的Monod方程
絲狀菌與菌膠團細菌競爭的數學模型，其遵循多種基質限制的廣義Monod方程，即Monod-McGee方程<1>：
μ＝μmax[S1/(K1+S1)][S2/(K2+S2)]…[Sn/(Kn+Sn)] (1)
其中：μmax：最大生長速率(d-1)；Ki:第I種基質親和力(mg/l)；Si：第I種基質。
根據動力學方程(1)可知，基質限制、溶解氧限制和營養物缺乏型的膨脹問題都可用廣義Monod方程來加以解釋。值得說明的是當氮嚴重缺乏時并不能歸入這一理論。原因在于由于缺乏氮，使微生物不能充分利用碳源合成細胞物質，使得過量的碳源被轉變為多糖類胞外貯存物，這種貯存物是高度親水型化合物，從而形成結合水，影響污泥沉降性能，產生了高粘度性的膨脹，其類型不屬于絲狀菌膨脹<5>。
2. 硫化氫的等其他類型的問題
關于pH的影響，可在動力學方程的參數上，作為動力學常數的乘積因子的形式進行耦合，或者單獨列出其動力學方程，從而統一在廣義Monod方程之下。關于H2S的影響，從文獻中報道引起污泥膨脹的H2S數值很低，一般是在1～2.0mg/l<5>。筆者認為每升幾毫克硫化氫似乎不足以供發硫菌或貝氏硫細菌大量增值的能量，相反幾十到上百ppm的有機酸是值得注意的因素。我們進行了向污水中添加H2S的實驗，通過實驗發現即使H2S濃度達到 50mg/l也并不發生膨脹<6>。事實上，一些厭氧裝置運轉的較好，雖然出水含有大量H2S，但是揮發酸濃度很低時，好氧后處理也不發生膨脹。當污水處于腐敗和厭氧條件時，污水厭氧發酵的同時產生H2S和揮發酸。揮發酸主要包括乙酸、丙酸等，這些低分子易于降解，造成耗氧速率的增加<7>，從而引起氧的限制型膨脹，這是造成污泥膨脹的根本原因。而H2S的出現是污水厭氧發酵的一個伴隨現象。因此H2S的膨脹類型可歸為溶解氧限制類型的膨脹，從而廣義的Monod動力學模型可以在一定程度上很好地統一污泥膨脹的理論。
3. 雙基質的Monod方程
由于城市污水中N、P和其它營養元素一般不缺乏，因此在一般情況下，可只考慮碳源限制和DO限制兩種情況。這樣城市污水的絲狀菌膨脹問題就簡化為兩種主要類型的膨脹問題，即基質限制和溶解氧限制類型。
μ＝μmax [S/(Ks+S)][DO/KDO+DO] (2)
其中：μmax：最大生長速率(d-1)；Ks:基質親和力(mg/l)；KDO＝溶解氧親和力(mg/l)；
三、污泥膨脹數學模型的研究
1、污泥膨脹的數學模型
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為了簡化系統模型，數學模型的建立基于以下幾個假設：1)活性污泥由兩大數群微生物組成，即絲狀菌和菌膠團菌；2)微生物生長主要受到碳源和DO限制；3)微生物生長的動力學可用同一基本模型來描述；4)曝氣池是完全混合式；模型所描述的系統如圖1所示。其中反應器1根據不同的實驗目的，分別可以是選擇器、曝氣池等等，反應器2是曝氣池。在沒有選擇器的系統中，回流污泥按虛線所示的途徑回流。根據以上假設及圖1中的物料平衡關系，可給出選擇器和曝氣池中基質(碳源和DO)和微生物(菌膠團和絲狀菌)的如下一組方程：
對選擇器有如下方程成立：
對菌膠團菌： dX11/dt ＝ (μ1－kd1－1/θc) X11 (3)
對絲狀菌：dX21/dt ＝ (μ2－kd2－1/θc) X21 (4)
對碳源基質：dS11/dt ＝= Dk(S10+rS12)-(1＋r)D1S11-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (5)
對溶解氧： dS21/dt ＝ -(1＋r)D1S21 +Kla(S2S-S21) -μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (6)
對曝氣池有如下方程成立：
對菌膠團菌：dX12/dt ＝ (1＋r)D2(X11-X12)+(μ1－kd1) X12 (7)
對絲狀菌： dX22/dt ＝ (1＋r)D2(X21-X22)+(μ1－kd1) X22 (8)
對碳源基質：dX12/dt ＝ (1＋r)D2(S11-S12)-μ1X12/Y1-μ2X22/Y2 (9)
對溶解氧： dS22/dt ＝ (1＋r)D2(S21-S22)+Kla(S2s-S22) -μ1X12/Y1-μ2X22/Y2 (10)
其中： 狀態變量：Xik=污泥濃度(mg/l)；Sjk＝基質濃度(mg/l)，i＝1,2分別代表菌膠團和絲狀菌；
j＝1,2分別代表碳源和DO；S10=碳源基質初始濃度(mg/l)； S2s＝飽和溶解氧濃度(mg/l)；
操作變量：Dk＝稀釋率(d-1) k＝1,2分別代表選擇器和曝氣池； r＝回流比；
動力學常數：kdi衰減常數(d-1)；Yi＝產率系數(g/g)；Kla＝傳質系數(min-1)；其常數見表1；
μi= 比生長速率采用的雙基質模型(方程2)，i＝1,2分別代表菌膠團和絲狀菌；
2. 曝氣強度和負荷的影響
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圖2是根據方程(3-10)的計算機模擬結果。從圖2a可見絲狀菌和菌膠團細菌的競爭優勢是根據負荷而變化的。根據負荷的不同，可劃分為三個不同階段：低負荷階段(<0.4kg COD/kgMLSS.d)這時溶解氧的供應是充分的出現基質限制的情況。高負荷階段(>1.1kg COD/kgMLSS.d)由于主體溶液中的基質濃度比較高，出現溶解氧限制的情況。在這之間是中等負荷范圍，在這一范圍絲狀菌與絮狀菌處于合理的比例，系統不發生膨脹。以上結果解釋了為什么在高、低負荷下都會發生污泥膨脹的原因。
圖2b是在有選擇器條件下，不同曝氣條件下(Kla)計算機模擬結果。上述的模擬結果同樣表明即使在存在選擇器的情況下，在低負荷和高負荷范圍仍然會發生膨脹。膨脹的界限值與沒有選擇器的系統不同，對于完全混合曝氣池界上、下限下移。對于高負荷系統高的曝氣強度可以提高污泥膨脹發生的上限，但同樣較低了低負荷系統發生膨脹的下限。從圖2b可見對于中等負荷階段如果供氧不充分，絲狀菌仍有可能大量繁殖并形成膨脹。對于不同的曝氣強度，兩種微生物競爭優勢發生轉變的界限值是不同的。對于這就是雙基質動力學方程與傳統的單獨碳源基質限制動力學方程描述膨脹現象的本質區別。實驗的結果也表明，完全混合曝氣池對不同負荷下，維持穩定的沉降性能，所需要的溶解氧濃度是不一樣的。而不是象文獻報道維持在固定的1.0～2.0mg/l之間<1>。這解釋了國內外眾多研究中，對于溶解氧對污泥膨脹的影響報道十分不一致的原因。提高供氧能力的方法，一是增加供風量，二是用充氧能力強的裝置。
3. 流量和濃度變化的影響
實際的污水處理廠負荷是變化的，實驗發現在停留時間3、4和5h.下，系統的溶解氧濃度分別為1.2，2.2和3.0mg/l。圖3是流量和基質增加幅度為1.5倍采用計算機模擬結果。在穩定的流量和濃度條件下，長期運行是菌膠團細菌占優勢。流量或是基質濃度的變化會造成絲狀菌的過度生長，而絲狀菌的生長不是一簡單的可逆過程，結果會造成了污泥沉降性能的變化。值得說明的是上述結果是在相對高的負荷下的模擬結果，研究表明對低負荷結果相反。
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四、討論和結論
1) 通過分析將絲狀菌膨脹概括為5種類型，即：低基質濃度、低溶解氧、營養物(N、P)缺乏型、高H2S濃度和高、低pH引起的膨脹。采用廣義Monod方程可解釋大部分類型的膨脹問題，這在一定程度上統一了污泥膨脹理論。由于城市污水中N、P和其它營養元素一般不缺乏，因此在一般情況下，只考慮碳源限制和DO限制兩種情況；
2) 在雙基質限制下，低負荷的完全混合曝氣池不利于污泥沉淀性能的改善，而中、高負荷的膨脹則在完全混合曝氣池中有所緩解。中、高負荷系統由于首端缺氧不利污泥沉降性能，所以在推流式曝氣池需要采取措施避免供氧不足。反之，推流式曝氣池有利于克服低負荷的膨脹，即高負荷與低負荷是兩種類型完全相反的膨脹現象。
3) 對活性污泥膨脹，既要從宏觀角度考慮，又要從微觀角度考慮,而宏觀與微觀是相對的。就活性污泥工藝的運轉條件而言，負荷、基質濃度和溶解氧濃度的水平是宏觀條件。但曝氣池首端的實際的負荷、基質濃度和溶解氧濃度是更為重要的因素。后者是決定污泥膨脹的微環境，種群的動態是由其微環境中的營養物的條件所確定的；
4) 傳統的選擇器類型是僅僅考慮低基質濃度型膨脹。選擇器是在完全混合或推流曝氣池前加一個停留時間非常短(15min.)的小池，在選擇器內利用兩類細菌不同的生長速率選擇性地培養和發展菌膠團細菌，使其成為曝氣池中的優勢菌。在以上的理論分析和研究的基礎上，可以對選擇器的概念進行擴展。廣義的選擇器可以包括低溶解氧型膨脹。可采用不同的選擇器的形式，如再生池和強化曝氣池等方法，恢復菌膠團細菌的降解能力、提高供氧能力和降低負荷來控制高負荷型的污泥膨脹。
參考文獻
1) 王凱軍(1993)，活性污泥膨脹機理與控制,中國環境出版社
2) Antonia O. Lau, Peter F. Strom and David Jenkins (1984)，The Competitive Growth of Floc-forming and Filamentous Bacteria: a Model for Activated Sludge Bulking, Journal WPCF, Vol.56, No.1, pp.24
3) J. Chudoba et al(1985) Control of Activity Sludge Filamentous Bulking: Experimental Verification of a Kinetic Selection Theroy, Water Res., Vol.19,No.2, pp. 567
4) 王凱軍(1992)，絲狀菌型污泥膨脹的統一理論，環境科學，第13卷,第3期，pp.76
5) 田口 廣(1982)，活性污泥膨脹與控制對策， 孫玉修等譯 中國建筑工業出版社
6) 齊吉山(1992)，活性污泥膨脹的機理與控制，北京市環境保護研究所，碩士論文
7) 王凱軍(1992)，厭氧(水解)處理低濃度污水,中國環境出版社
作者: 王凱軍,許曉鳴
