絲狀細(xì)菌導(dǎo)致氧化溝污泥膨脹和生物泡沫的控制試驗(yàn)及應(yīng)用研究

1、·基金項(xiàng)目：上海市科委、上海市環(huán)保局資助項(xiàng)目（02JG05030）絲狀細(xì)菌導(dǎo)致氧化溝污泥膨脹和生物泡沫的控制試驗(yàn)及應(yīng)用研究Study and Control on Sludge Bulking and Biological Foams Caused by Filamentous Bacteria in Oxidation Ditch 戴興春1謝冰1徐亞同1黃民生1張玉梅2田澤輝2（1.華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系2.唐山市北郊污水處理廠） 摘要：污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象是眾多泥法污水廠常見的運(yùn)行難題。通過對(duì)唐山污水廠氧化溝中膨脹污泥和泡沫中的微生物種類進(jìn)行了分類鑒定；然后進(jìn)行小試研究，探索投

2、加次氯酸鈉和縮短泥齡來控制污泥膨脹和生物泡沫的技術(shù)辦法；最后將試驗(yàn)研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。結(jié)果表明，投加10mgCl/g.MLSS的NaClO和縮短泥齡到8d均能有效地解決因微絲菌的過度增殖造成的污泥膨脹和生物泡沫問題。關(guān)鍵詞：污泥膨脹泡沫微絲菌NaClO泥齡調(diào)節(jié) 控制Abstract: Sludge bulking and biological foams of activated sludge process are theusual operation problems for most wastewater treatment plants. Firstly, the microor

3、ganism species resulting in sludge bulking and foams in Tangshan Municipal Sewage Treatment Plant hadbeen identified as Microthrix parvicell. Secondly, the study found that input of NaClO(10mgCl/g.MLSS) and shortening sludge retention time from 15 d to 8 d could both control sludge bulking and biolo

4、gical foaming effectively in experimental as well as actual application studies. Key Word:Bulking Foam M. parvicella NaClO SRT Regulation Control對(duì)活性污泥法的污水處理廠而言，表面泡沫和污泥膨脹現(xiàn)象是普遍存在的問題12。據(jù)對(duì)歐洲污水廠的調(diào)查，有20%長(zhǎng)期受其影響，50%受到周期影響；對(duì)澳洲的調(diào)查后發(fā)現(xiàn)： 65%的污水廠有泡沫問題3，其中60%同時(shí)受到污泥膨脹的影響4。我國(guó)的情況與之基本類似，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用泥法的城市污水處理廠近50%出現(xiàn)過不同程度的

5、泡沫問題，并且經(jīng)常與污泥膨脹同時(shí)發(fā)生5，6。本論文以唐山北郊污水處理廠（三槽式氧化溝）為對(duì)象，研究該廠污泥膨脹和泡沫問題的產(chǎn)生原因并探索控制方法。1.材料與方法1.1.污水廠及試驗(yàn)裝置本研究分別在小試裝置和生產(chǎn)系統(tǒng)開展試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用研究。唐山市北郊污水廠采用三槽式氧化溝工藝處理城市污水，設(shè)計(jì)處理能力15×104T/d，分設(shè)A、B、C三座氧化溝。2001年6月運(yùn)行調(diào)試后的近1年內(nèi)運(yùn)行正常，但自2002年9月開始，氧化溝表面時(shí)常積聚大量泡沫，之后出現(xiàn)活性污泥膨脹，且泡沫和膨脹問題周期性爆發(fā)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行。小試裝置為三槽式氧化溝模型（圖1），每槽尺寸為L(zhǎng)1.5m×B0.22m

6、×H0.1m，各槽設(shè)四組轉(zhuǎn)刷曝氣，中間分隔，分隔兩側(cè)裝各裝導(dǎo)流板一塊（合計(jì)6塊），各槽按進(jìn)水、曝氣、靜沉、出水、閑置交替進(jìn)行，每天三個(gè)周期，每周期8 h（進(jìn)水2 h、曝氣4 h、靜沉1 h、出水0.5 h、閑置0.5 h），出水和排泥在槽兩側(cè)。進(jìn)水采用計(jì)量泵連續(xù)均勻進(jìn)水。圖1 小試裝置模型圖 Figure 1Schematic diagram of pilot-scaleexperimental system2.2染色方法格蘭氏染色法及納氏染色法72.3污泥及水質(zhì)理化指標(biāo)分析按照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法8進(jìn)行2.4污泥鏡檢儀器尼康SMZ645/660變焦顯微鏡3.結(jié)果與討論3.1污泥和泡

7、沫鏡檢及絲狀細(xì)菌鑒定2003年11月下旬，唐山污水處理廠氧化溝中污泥膨脹和泡沫嚴(yán)重，11月22日取氧化溝中活性污泥和池面泡沫進(jìn)行涂片、染色，鏡檢結(jié)果如圖2。污泥中微絲菌 泡沫中微絲菌 M. parvicell in sludge M. parvicell in foam圖2唐山污水廠氧化溝污泥和泡沫鏡檢結(jié)果（×600）Figure2 Microthrix parvicella found in oxidation ditches of Tangshan Municipal Sewage Plant根據(jù)Eikelboom絲狀菌檢索分類法分析認(rèn)為，引起唐山污水處理廠污泥膨脹的絲狀細(xì)菌為微

8、絲菌（Microthrix parvicell）。這類絲狀細(xì)菌易在低負(fù)荷條件下大量滋生910，可在835下生存，嗜低溫，最適溫度為15左右11；菌體含脂量高，喜好在富含油類和脂類的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖12。這些特點(diǎn)與唐山污水廠氧化溝冬季容易爆發(fā)污泥膨脹和生物泡沫的現(xiàn)象吻合。3.2污泥膨脹控制試驗(yàn)研究3.2.1NaClO控制污泥膨脹和絲狀細(xì)菌滋生試驗(yàn)在8 h內(nèi)向氧化溝試驗(yàn)裝置中連續(xù)投加NaClO溶液，每批試驗(yàn)有效氯含量分別為0（空白對(duì)照）、10、50、100、500mgCl/gMLSS，邊投藥邊混合；每批試驗(yàn)加藥后關(guān)閉進(jìn)出水，運(yùn)行2 h，取樣分析。結(jié)果如圖3、4所示。（1）NaClO控制污泥膨脹的劑量

9、效應(yīng)關(guān)系圖3不同NaClO劑量下SVI的變化Figure 3 SVI of oxidation ditches for pilot-scale study under different NaClO dosages在有效氯含量為10100mgCl/gMLSS范圍內(nèi)，NaClO對(duì)控制試驗(yàn)裝置中污泥膨脹均有一定的應(yīng)用效果，SVI值由179.9mL/g.MLSS降低到152mL/g.MLSS左右。當(dāng)NaClO投加劑量達(dá)到500mgCl/gMLSS時(shí)，污泥的SVI巨降到83mL/g.MLSS。原因是絲狀菌的比表面積遠(yuǎn)大于菌膠團(tuán)菌，因此NaClO可優(yōu)先殺滅絲狀菌13，從而提高污泥沉降性能。（2）NaCl

10、O對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)和絲狀細(xì)菌形態(tài)的影響10mgCl/g.MLSS 50mgCl/g.MLSS 100mgCl/g.MLSS 500mgCL/g.MLSS圖4 投加NaClO后污泥絮體結(jié)構(gòu)和絲狀細(xì)菌形態(tài)的變化（×600）Figure 4 Structures of sludge and configurations of filament bacteria in oxidation ditches for pilot-scale study under different NaClO dosages鏡檢結(jié)果表明：當(dāng)NaClO投加劑量達(dá)到10mgCl/g.MLSS后，污泥中絲狀細(xì)菌的菌絲出

11、現(xiàn)一定程度的變形和扭曲，原生動(dòng)物的活力有一定程度的減弱，但污泥的絮體結(jié)構(gòu)仍能保持基本完整；當(dāng)NaClO投加劑量達(dá)到100mg/g.MLSS后，污泥中絲狀細(xì)菌的菌絲開始出現(xiàn)明顯的斷裂和收縮，絮體開始松散乃至解體，原生動(dòng)物大量死亡，污泥發(fā)白，氧化溝裝置水面出現(xiàn)浮渣，整個(gè)處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)迅速惡化。因此，氧化溝中適宜的NaClO投加劑量為1020mgCl/g.MLSS，該劑量范圍內(nèi)能夠有效控制污泥中絲狀細(xì)菌的過度滋生同時(shí)又不至于造成污泥結(jié)構(gòu)和功能的明顯損傷。本研究結(jié)果與其他研究報(bào)道有較好的一致性1415。在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，于2004年4月22日4月29日期間每天向發(fā)生污泥膨脹的氧化溝試驗(yàn)裝置中連續(xù)投

12、加NaClO溶液（劑量為10mgCl/g.MLSS），試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5NaClO劑量為10mg/g.MLSS時(shí)SVI的變化Figure 5 Time courses of SVI in oxidation ditches for pilot-scale study under 10mgCl/g NaClO dosage由圖5可見：10mgCl/g.MLSS 的NaClO溶液投加5天（4月27日）后，氧化溝試驗(yàn)裝置中污泥的SVI值即明顯下降，平均值約為95 mL/g，且停止加藥后約1個(gè)月內(nèi)（4月30日5月22日）污泥的SVI值仍能維持在110 mL/g.MLSS左右；而空白對(duì)照組的污泥一

13、直處于膨脹狀態(tài)（其同期SVI平均為212 mL/g.MLSS）。本試驗(yàn)結(jié)果表明：投加10mgCl/g.MLSS 的NaClO溶液能夠較好地控制絲狀細(xì)菌引起的污泥膨脹。3.2.2調(diào)整泥齡控制污泥膨脹試驗(yàn)圖6縮短泥齡對(duì)SVI的影響Figure6 Time courses of SVI in oxidation ditches for pilot-scale study under 8 day SRT泥齡與污泥中絲狀菌生長(zhǎng)繁殖及污泥膨脹有關(guān)16。微絲菌（M.parvicell）世代周期較長(zhǎng)，約10d15d2，因此縮短泥齡可有效控制其在氧化溝內(nèi)的大量滋生。2004年12月4日開始將氧化溝試驗(yàn)裝置的泥齡

14、由15 d縮短為8 d。如圖6所示，經(jīng)20 d左右的運(yùn)行后，試驗(yàn)組SVI值降至平均約100mL/g.MLSS，而對(duì)照組仍處于膨脹狀態(tài)（SVI平均為178 mL/g.MLSS）。3.3污泥膨脹及生物泡沫控制生產(chǎn)應(yīng)用研究在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合唐山污水處理廠的實(shí)際情況，在污泥膨脹和泡沫現(xiàn)象較嚴(yán)重時(shí)對(duì)氧化溝生產(chǎn)系統(tǒng)開展污泥膨脹及生物泡沫控制應(yīng)用研究，措施分別為投加10mgCl/g.MLSS 的NaClO溶液（持續(xù)投加1周）和調(diào)整污泥齡（8 d）。結(jié)果及分析如下：3.3.1 NaClO控制污泥膨脹和生物泡沫的生產(chǎn)應(yīng)用2005年3月10日至3月17日每天分別向發(fā)生嚴(yán)重污泥膨脹和生物泡沫的氧化溝（A溝和C

15、溝）中分別投加NaClO溶液（劑量為10mgCl/g.MLSS）。（1）SVI的變化圖7投加NaClO后氧化溝SVI的變化Figure7 SVI Changes of oxidation ditches in Tangshan Municipal Sewage Plant with 10mgCl/g NaClO dosage圖7可見，連續(xù)投加NaClO溶液一周后，氧化溝的污泥膨脹問題得到了有效的控制，A溝和C溝SVI值從投加前平均240mL/g.MLSS降至投加后平均100mL/g.MLSS左右，并且在停止投藥后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)SVI值維持在正常值范圍內(nèi)。（2）泡沫變化圖8投加NaClO前后氧

16、化溝表觀變化加藥前(before input)加藥后(after input)Figure8 Quantity and size of foams in oxidation ditch before and after NaClO addition in Tangshan Municipal Sewage Plant由圖8可見：投加NaClO后，氧化溝表面泡沫急驟減少，個(gè)體排布由密集變松散，顏色變淺（由土黃變灰白）?，F(xiàn)場(chǎng)手感結(jié)果表明加藥后泡沫黏性明顯降低，且泡沫變得較易破碎，生物泡沫的快速、成片聚集的問題得到有效控制，殘留的泡沫也易通過水槍等設(shè)備沖散、清除。3.3.2調(diào)整泥齡控制污泥膨脹的生產(chǎn)

17、應(yīng)用2005年11底，污水廠當(dāng)?shù)貧鉁伢E降，氧化溝C溝污泥膨脹嚴(yán)重。因此，從12月5日開始加大排泥量，將泥齡縮短為8 d并測(cè)定MLSS和SVI。圖9 調(diào)整泥齡對(duì)MLSS和SVI的影響Figure9 Time courses of SVI of oxidation ditches under 8 day SRT in Tangshan Municipal Sewage Plant縮短泥齡后，C氧化溝污泥濃度從平均4000 mg/L逐漸降至平均2800mg/L左右，SVI值從調(diào)整前180mL/g.MLSS（平均）下降至92 mL/g.MLSS（平均），但出水中氨氮濃度有所增加，由調(diào)整前9.

18、47mg/L上升至14.18mg/L（一個(gè)月平均值），短泥齡、低溫條件下硝化細(xì)菌生物量減少、活性下降是主要原因16。4.結(jié)論4.1微絲菌的過量增殖是造成唐山污水廠氧化溝系統(tǒng)污泥膨脹和生物泡沫的主要原因，污水水質(zhì)和季節(jié)影響氧化溝中微絲菌增殖速度。4.2試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用研究結(jié)果均表明NaClO對(duì)氧化溝中微絲菌的過度滋生具有較好的控制作用，適宜的投加劑量為10mgCl/g.MLSS。將泥齡由15d縮短到8d后可有效解決因微絲菌引發(fā)的污泥膨脹和生物泡沫問題，但氧化溝的硝化功能有一定下降。參考文獻(xiàn)：1.J Warrer. Stable foam and sludge bulking: the larges

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25、氮NO3N和BOD5的比值； 曝氣池進(jìn)水中易降解BOD5占的比例； 泥齡ts； 曝氣池中的懸浮固體濃度X； 污水溫度。 圖1為前置反硝化系統(tǒng)流程。 1 計(jì)算NDN/BOD5和VDN/VT NDN表示需經(jīng)反硝化去除的氮，它與進(jìn)水的BOD5之比決定了反硝化區(qū)體積VDN占總體積VT的大小。 由氮平衡計(jì)算NDN/BOD5： NDN=TKNi-Noe-Nme-Ns 式中 TKNi進(jìn)水總凱氏氮，mg/L Noe出水中有機(jī)氮，一般取12mg/L Nme出水中無機(jī)氮之和，包括氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，是排放控制值。按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)控制在18mg/L以下，則設(shè)計(jì)時(shí)取0.67×1812mg/L Ns剩余污泥

26、排出的氮，等于進(jìn)水BOD5的0.05倍，mg/L 由此可計(jì)算NDN/BOD5之值，然后從表1查得VDN/VT。 表1 晴天和一般情況下反硝化設(shè)計(jì)參考值 反硝化 前置 周步 VDN/VT 反硝化能力，以kgNDN/kgBOD5計(jì)，（t=10） 0.20 0.70 0.05 0.30 0.10 0.08 0.40 0.12 0.11 0.50 0.14 0.14 2 泥齡 泥齡ts是活性污泥在曝氣池中的平均停留時(shí)間，即 ts=曝氣池中的活性污泥量/每天從曝氣池系統(tǒng)排出的剩余污泥量 tS（X×VT）/（QS×XRQ×XE） 式中 tS泥齡，d X曝氣池中的活性污泥濃度，

27、即MLSS，kg/m3 VT曝氣池總體積，m3 QS每天排出的剩余污泥體積，m3/d XR剩余污泥濃度，kg/m3 Q設(shè)計(jì)污水流量，m3/d XE二沉池出水的懸浮固體濃度，kg/m3 根據(jù)要求達(dá)到的處理程度和污水處理廠的規(guī)模，從表2選取應(yīng)保證的最小泥齡。 表2 處理程度及處理廠規(guī)模和最小泥齡的關(guān)系 處理程度 污水處理廠規(guī)模 2萬人口當(dāng)量 10萬人口當(dāng)量 無硝化的污水處理 5 4 有硝化的污水處理（設(shè)計(jì)溫度10） 10 8 硝化/反硝化的污水處理（設(shè)計(jì)溫度10） VDN/VT=0.2 12 10 =0.3 13 11 =0.4 15 13 =0.5 18 16 硝化/反硝化和污泥穩(wěn)定穩(wěn)定的污水處

28、理 25 不推薦 注 12時(shí)達(dá)到穩(wěn)定硝化需按10設(shè)計(jì) 3 剩余污泥量 污泥比產(chǎn)率 YYBOD5YP 式中 Y污泥產(chǎn)率，kg干固體/kgBOD5 YBOD5剩余污泥產(chǎn)率，kg干固體/kgBOD5 YP同步沉淀的化學(xué)污泥產(chǎn)率(當(dāng)未投加化學(xué)混凝劑除磷時(shí)無此項(xiàng))，kg干固體/kgBOD5 剩余污泥產(chǎn)率YBOD5與泥齡、進(jìn)水SS和BOD5的比例、溫度等有關(guān)，約為0.521.22 kg干固體/kgBOD5，可從表3中選取。 表3 YBOD5與泥齡、進(jìn)水SS和BOD5的比例之關(guān)系 SSi/（BOD5）i 泥齡（d） 4 6 8 10 15 25 0.4 0.74 0.70 0.67 0.64 0.59 0.

29、52 0.6 0.86 0.82 0.79 0.76 0.71 0.64 0.8 0.98 0.94 0.91 0.88 0.83 0.76 1.0 1.10 1.06 1.03 1.00 0.95 0.88 1.2 1.22 1.18 1.15 1.12 1.07 1.00 4 計(jì)算曝氣池體積 首先計(jì)算曝氣池的污泥負(fù)荷N，即 Nl/(tS×Y) 式中 N曝氣池的污泥負(fù)荷，kgBOD5/(kg干固體d) 再根據(jù)表4選定曝氣池中的活性污泥濃度X。 表4 曝氣池中活性污泥濃度的推薦值 處理程度 活性污泥濃度X（kg/m3） 有初沉池 無初沉池 無硝化 2.5-3.5 3.5-4.5 硝化

30、和反硝化 2.5-3.5 3.5-4.5 帶污泥穩(wěn)定 - 4.0-5.0 除磷（加混凝劑同步沉淀） 3.5-4.5 4.0-5.0 應(yīng)特別注意，必須校驗(yàn)二沉池能否使曝氣池中的活性污泥濃度達(dá)到所選取的X值。 所以，曝氣池的體積為： VT(BOD5)i×Q/(N×X) VTVDNVN 5 回流比 內(nèi)循環(huán)回流比R1QR1/Q，外循環(huán)回流比R2QR2/Q ，總回流比RR1R2。 在前置反硝化工藝中，硝酸鹽氮通過內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)回流進(jìn)入反硝化區(qū)。只要回流的硝酸鹽氮不超過表1中的反硝化能力，則可能達(dá)到的最大反硝化程度取決于回流比R。因此，可根據(jù)反硝化率EDN計(jì)算所需的最小回流比。 EDN

31、NDN/(NDNNne) 所需的最小回流比 R1/(1EDN)1 式中 EDN反硝化率 Nne出水硝酸鹽氮，mg/L 一般在前置反硝化工藝中，回流比取2.0。若希望進(jìn)一步提高反硝化率，可繼續(xù)提高回流比。但必須注意，最大回流比為4.0，且回流比較高時(shí)存在著將過多的溶解氧帶入反硝化區(qū)的危險(xiǎn)。為了減少循環(huán)回流中的溶解氧，可在曝氣池末端設(shè)置隔離區(qū)域，減少該區(qū)中的曝氣量。 前置反硝化工藝中的反硝化區(qū)應(yīng)采用隔墻與好氧硝化區(qū)分開，并在反硝化區(qū)中設(shè)置攪拌裝置。 回流量還可根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)反硝化區(qū)Nne值進(jìn)行調(diào)節(jié)。 6 供氧量 生物脫氮工藝中，分解碳化合物(BOD5)的需氧率OVC和氧化氮化合物的需氧率OVN必須分開計(jì)算。然后根據(jù)飽和溶解氧等的影響，由這兩部分之和計(jì)算供氧率(氧負(fù)荷)OB 。 分解碳化合物的需氧率OVC可從表5查得。 表5 分解碳化合物的需氧率OVc kgO2/kgBOD5 溫度（） 泥齡（d） 4 6 8 10 15 25 10