摘要：本文研究了某污水處理廠發生泡沫和污泥膨脹的原因和條件，發現污泥膨脹和泡沫主要由微絲菌屬細菌異常增殖引起。其發生具有季節性和周期性，主要在冬春季節氣溫較低時爆發。批式試驗和連續流試驗采取工藝調整措施如縮短泥齡和提高負荷，以及投加化學藥劑如次氯酸鈉(NaCLO)、季銨鹽(AFP)、聚丙烯酰胺(PAM)和聚鋁(PAM)等，這些方法均可達到降低污泥體積指數SVI，不同程度地控制污泥膨脹和泡沫的效果。在實際應用中，縮短泥齡和投加次氯酸鈉在泡沫和污泥膨脹發生的不同階段也可以取得一定的控制效果。本文提出了控制絲狀細菌異常增殖引發泡沫和污泥膨脹的預防控制對策。
關鍵詞：微絲菌； 污水處理廠； 污泥膨脹和泡沫； 預警控制
1 前言
活性污泥泡沫和膨脹是活性污泥處理廠運行管理中經常碰到的異常問題，它們絕大多數是由絲狀微生物異常增殖引起，由絲狀細菌引發的活性污泥泡沫和膨脹具有明顯的季節性和周期性，在寒冷季節發生較多。由微絲菌Microthrix Parvicella引發的泡沫和污泥膨脹在歐洲、澳洲等國污水處理廠最為常見，氧化溝則更容易發生[1-6]。微絲菌是一類革蘭氏陽性菌，具有長而卷曲的絲狀體和疏水性的細胞壁，喜好低溫，長鏈脂肪酸和油脂。目前，對由微絲菌引起的泡沫和膨脹缺乏有效的控制對策[7-8]。
本研究對某污水處理廠三槽式氧化溝出現的微絲菌泡沫和膨脹問題進行了分析研究，通過在小試試驗中采取的工藝參數調整措施如降低泥齡，以及投加化學藥劑如加氯殺滅絲狀菌，絮凝沉淀等方法進行控制研究，并在實際污水處理現場進行實際應用驗證。為有效預防和控制活性污泥膨脹和泡沫，本文提出活性污泥泡沫和膨脹的預警控制措施。
2 試驗材料和方法
2.1 批式試驗
采用批式試驗研究了四種不同的化學藥劑對絲狀微生物的控制效果。活性污泥的混合液取自污水廠發生泡沫的氧化溝，試驗在1 L的燒杯中進行，四種化學藥劑是有效氯10%的次氯酸鈉溶液，純度為45%的季銨鹽抗菌劑AFP(上海未來企業公司生產)，絮凝劑聚丙烯酰胺PAM（分子量900萬）和聚鋁PAC，各藥劑的加量：次氯酸鈉為100～1250 gCL/kg MLSS，AFP為10～250 gCL/kg MLSS，PAM 2～8 mg/L，PAC 50～400 mg/L。攪拌速度120 rpm，反應停止后30min測定SV30，并鏡檢。
2.2 小試連續流試驗
在批式試驗基礎上，進行實驗室連續流的實驗，模型反應器進水和曝氣方式同實際氧化溝運行方式，見圖1。進水取自初沉池出水，污泥來自發生泡沫的氧化溝，在模型中進行了改變泥齡試驗和投加化學藥劑AFP和PAM試驗。試驗過程中每天測試進出水COD、NH4-N、MLSS和污泥指數，進行鏡檢，鏡檢方法見文獻7。
2.3 現場生產性試驗
某污水處理廠設計處理量為15萬t/d，處理裝置分設A，B，C三組氧化溝，每組設計承擔5萬t/d的污水處理量。目前只有A溝和C溝進水工作。由于種種原因，兩條溝自運行以來都發生不同程度的污泥膨脹和泡沫。
在現場進行的投加次氯酸鈉和縮短泥齡試驗，均在A氧化溝進行。2003年春末進行了投加次氯酸鈉試驗，持續2周，分別在6月5日和6月13日往氧化溝中投加了兩次NaCLO，第一次投加量約為25gCL/KgMLSS，第二次投加12.5gCl/KgMLSS左右；縮短泥齡試驗從2003年12月3日開始，持續1個月，通過排泥將A溝的污泥齡從11～14天，逐步縮短到6～7天。
3 結果與討論
3.1 運行數據指標分析
從圖2可見，2003年～2004年的20個月內，氧化溝的SVI變化呈現明顯的季節變化，冬春季節氧化溝污泥的SVI會升高，最高可以達到350mL/g。現場實際觀察冬春季節氧化溝表面時常會積聚大量泡沫，有時泡沫覆蓋達到90%以上，影響到出水和運行管理。而夏秋季相對比較平穩，污泥SVI指數通常低于150mL/g，基本上觀察不到泡沫現象的發生。
通過對圖2中運行數據的SVI值同溫度及負荷的分析可知，SVI的變化與溫度正好相反，即水溫低的時候，SVI值高，反之低，表明污泥膨脹與低溫有關；負荷的變化也同SVI值相反，負荷較低時，SVI值處于高水平，說明污泥膨脹與低負荷有關。鏡檢和生化反應試驗結果證實，在發生泡沫的活性污泥混合液和泡沫中，占絕對優勢的是微絲菌。
污泥膨脹和泡沫的發生具有明顯的季節性，這和微絲菌的生理特性密切相關，它的適宜生長溫度在8℃～20℃，細胞壁呈疏水性，對長鏈脂肪酸和油脂等疏水性物質有較強的親和性，在負荷較低時比菌膠團細菌具有競爭優勢。絲狀細菌在低溫時附著在漂浮油脂上生長，容易造成泡沫或污泥膨脹。在夏季時當水溫高于20℃時，微絲菌M. parvicella 能產生蛋白水解酶，該酶可分解細胞質壁上的蛋白質，使得菌絲斷裂變短［9］。不同時期的微絲菌的生長形態，在冬春季節時，是長頭發絲狀的卷曲菌絲體，絲體長度可以達到600 μm，其數量遠遠多于絮體量；夏季則呈現短桿狀，長度只有100 μm左右，而且數量有限，顯然這種絲狀體不會對污泥沉降的性能產生影響。
3.2批式試驗結果
為了降低污泥中微絲菌的數量，提高污泥的沉降性能，采取向活性污泥中加入化學藥劑如殺菌劑和絮凝劑的方法。投加的化學藥劑有消毒劑次氯酸鈉，抗菌劑AFP，絮凝劑PAM及PAC。批式試驗期間，所取實際氧化溝中起泡沫的活性污泥，其SVI值在200 mL/g左右。試驗結果如下。
兩種化學藥劑對活性污泥性狀的影響分別見圖4a和4b。
圖4a中白色柱為投加AFP組，投加量如下：1為空白，2為16.7g/kgMLSS，3為33.3g/kgMLSS，4為83.3g/kgMLSS，5為167.7g/kgMLSS；有色柱為投加NaCLO組，投加量如下：1為空白，2為28gCL/kgMLSS，3為140gCL/kgMLSS，4為280gCL/kgMLSS，5為1400gCL/kgMLSS。
圖4b中白色柱為投加PAM組，投加量如下：1為空白，2為2mg/L，3為4 mg/L，4為8mg/L，5為16mg/L；有色柱為投加PAC組，投加量如下：1為空白，2為50mg/L，3為100mg/L，4為200mg/L，5為400mg/L
從圖4中可見，化學藥劑的投加可以明顯提高污泥的沉降效果，隨殺菌劑投加量增加SV30降低，加AFP的SV30變化相對平緩，氯劑量為167.7g/kgMLSS時對SVI影響較明顯，SV30比對照減少50%；投加絮凝劑PAM和PAC在2 mg/L和50 mg/L時SV30與對照組相比減少70%，隨劑量的增加，SV30略有升高。投加絮凝劑的SV30比殺菌劑的低。殺菌劑次氯酸鈉和AFP對絮體性狀的改善主要是殺滅其中的絲狀細菌，使得絲狀細菌長度變短，喪失架橋的功能，見圖5。殺菌劑對絲狀細菌的殺滅是不可恢復的，但由于殺菌劑同時也會對菌膠團細菌有殺滅作用，會影響出水的質量[8]。而絮凝劑PAM和PAC的加入則主要是促進絮體之間的結合，使得小塊絮體凝結成大塊絮體，加快絮體的沉淀，在較短的時間里達到較好的效果，對出水不會造成影響。由于絮凝劑不能殺滅絲狀細菌，絮凝起作用的時間有限，不能從根本上解決絲狀細菌的膨脹和泡沫問題。
3.3 連續流模型試驗結果
3.3.1 運行工況參數的改變對活性污泥性狀的影響
試驗開始所取的污泥是C 氧化溝同期膨脹和產生泡沫的污泥，轉移到小試模型中后，通過排泥，使得平均泥齡從10天縮短為5～6天見圖6，相比較氧化溝污泥的SVI值，小試模型中污泥的SVI值持續降低，鏡檢分析，一周后模型中絲狀細菌從開始的2.8×105 個交點/g·vss降低到1.7×105 個交點/g·VSS，而C溝絲狀細菌數量變化為3.2×105 個交點/g·VSS。小試模型中SVI值降低主要是因為模型中的泥齡短于絲狀菌的世代生長周期，過短的污泥齡使系統中的狀絲菌在未完成世代生長的過程時就被排出系統之外，使系統中絲狀菌不斷流失，最終在氧化溝中其數量大幅降低，SVI值降低。
3.3.2 連續流小試中化學藥劑投加對活性污泥性狀的影響
試驗殺菌劑AFP和絮凝劑PAM的投加對連續流小試模型活性污泥性狀的影響，從圖7可見，投加AFP兩天后SVI值有明顯降低，SVI值從開始的220 mL/g下降到不到100 ml/g，模型表面無可見泡沫，而同期C氧化溝污泥指數基本上維持在200 mL/g以上，且出現了覆蓋度為20%～30%的泡沫。對微絲菌的數量開始時為8.94×105 個交點/mL，經過連續投加AFP，5天后絲狀細菌的數量減少為1.89×105個交點/mL。說明AFP的連續投加對絲狀細菌的殺滅效果顯著。
在連續流模型中試驗中，投加絮凝劑PAM對溝中污泥的SVI有較大的改善，較大劑量的PAM投加，使得污泥形成大塊的絮體，沉淀到模型的底部，導致曝氣轉刷不能將污泥攪拌起來，影響了系統的正常運行，在實際操作運行中應采用低劑量的PAM投加量，如1～2 mg/L。
3.4 生產性試驗
3.4.1 泥齡調整試驗
由圖8可見，在12月3日泥齡調整前，氧化溝中污泥的SVI普遍高于150 ml/g，通過排泥將泥齡從11～14天逐步調整到污泥齡為6～7天后，SVI值逐漸下降，到12月18日以后，SVI值已降到150 ml/g以下。說明隨著污泥齡的縮短，活性污泥的沉降性能得到提高。從生產運行來看，通過調整泥齡，污泥的沉降性能變好，泡沫減少，出水懸浮物濃度降低。雖然加大排泥后系統中活性污泥量不斷減少，加之水溫降低，出水指標均有所升高，但是能夠達到國家排放標準，污泥齡調整前后出水水質比較見表1。
3.4.2 次氯酸鈉投加試驗
在投加次氯酸鈉試驗前氧化溝的泡沫和污泥膨脹已經持續了比較長的時間，單靠工藝調整效果不明顯。從圖9可見投加氯對污泥SVI的影響，第一次投加次氯酸鈉后第三天，活性污泥的SVI值從接近250 mL/g迅速降低到低于100 mL/g，泡沫明顯減少，維持了一個星期之后SVI值升高，又投加了一次次氯酸鈉，由于這次的劑量只有第一次的一半，投加劑量遠遠小于批式試驗的次氯酸鈉量，所以對絲狀細菌的殺滅影響不大，所以只維持了三天，SVI值便又開始升高，并在第四天后超過150 mL/g。本試驗表明，如果要保持較好的污泥性狀，必須加大使用劑量或提高次氯酸鈉使用頻率，在本氧化溝試驗中最好一個星期加一次。加次氯酸鈉后出水的COD有所波動，峰值時比平時偏高40%～50%，但是仍低于70mg/L（見圖10）。
4 結論
對于微絲菌引發的污泥膨脹和泡沫控制，已有的研究證明，缺氧/和厭氧選擇器沒有顯著效果[10-12]；工藝調控措施如泥齡縮短，提高負荷等，在泡沫和膨脹發生的初期是有一定的作用，但是當泡沫和膨脹發展嚴重時，效果往往不顯著；加化學藥劑的方法，往往作為一種應急的措施，在緊急的情況下可以在短時間內控制污泥膨脹和泡沫，但是投加量過大會對活性污泥的活性產生較大的影響，進而影響系統的功能。
在我們的試驗中，采取工藝調節或投加化學藥劑的方法，可降低污泥指數SVI，抑制泡沫和污泥膨脹的發生。在實際現場氧化溝的實驗中，縮短泥齡在泡沫和膨脹的初期有顯著控制污泥膨脹和泡沫的效果，投加次氯酸鈉方法對發展期的泡沫和膨脹有一定的控制作用，但是劑量和使用頻率要根據需要進行調整。
在實際工程中建議根據生物泡沫和污泥膨脹發展的不同程度和時期進行預防控制，以防患于未然。對于發展初期的泡沫和膨脹，采取工藝調整措施，達到抑制絲狀細菌生長的目的，在絲狀細菌發展的中期，采取應急的投加殺菌劑和混凝劑的對策，在較嚴重的時期，采取多種方法的綜合措施來控制絲狀細菌，用盡可能小的代價來解決運行中的異常問題。總之，為有效的預防控制絲狀細菌產生的污泥膨脹和泡沫，有必要建立相應的預防控制措施，將其消除在萌芽狀態，以防止大規模的膨脹和泡沫的發生。來源：中國水污染治理網 作者: 謝冰，徐亞同，戴興春，陸家，王國華
