活性污泥污水處理工藝中泡沫的形成與控制研究

1、活性污泥污水處理工藝中泡沫的形成與控制研究作者：王丹虎 2006-03-05 摘要：活性污泥曝氣池中嚴重的泡沫現(xiàn)象是一種常見問題，主要是由于Nocardioform actinomycetes和Microthrix parvicella菌屬的異樣生長造成的。微生物細胞表面的疏水性(CSH)、污泥停留時間(SRT)、pH值、溶解氧(DO)等是絲狀菌生長的重要因素?？刂婆菽姆椒ㄖ饕袊姙⑺?、投加化學藥劑、降低細胞平均停留時間、調節(jié)污水pH值、增設生物選擇器、采用連續(xù)填料反應器等。 關鍵詞：活性污泥工藝；泡沫；Nocardioform actinomycetes；Microthrix parvic

2、ella；形成和控制 0 引言目前，世界范圍內大多數(shù)城市污水處理廠采用活性污泥法處理工藝。普遍存在的問題之一就是曝氣池表面常常會產生嚴重的泡沫，大量的泡沫使曝氣池表面被覆蓋,若從池中溢出會引起外部設備及外部池壁的污染,嚴重影響了周圍的環(huán)境，給污水處理廠的運行和管理帶來了困難，同時也使出水水質惡化。根據對國內外污水處理廠的調查，大多數(shù)都不同程度地受到泡沫問題的影響，特別是采用延時曝氣工藝的污水廠更是如此。1 泡沫的形成活性污泥工藝中，泡沫的形成一般有以下幾種形式，主要包括工藝運行初始時期形成泡沫、反硝化作用起泡、表面活性劑起泡以及生物泡沫等1。生物泡沫粘度大，呈黃褐色，具有穩(wěn)定、持續(xù)、較難控制的

3、特點。1.1 工藝運行初期形成泡沫曝氣池開始運轉時，特定表面活性劑對有機物的部分降解作用形成泡沫，并使泡沫迅速增長。這些泡沫一般呈白色且質輕，當活性污泥達到成熟時消失。1.2 反硝化作用起泡由于在二沉池或曝氣不足的地方會發(fā)生反硝化作用，使微小的氮氣氣泡釋放出來，從而使污泥的密度減小，有利于其上浮，產生泡沫現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在二次沉淀池中表現(xiàn)明顯，且產生的懸浮泡沫通常不穩(wěn)定。1.3表面活性劑起泡污水中的表面活性劑和淀粉、蛋白質、油脂等表面活性物質在分子結構上都表現(xiàn)為含有極性非極性基團即所謂雙親分子，在曝氣的條件下，非極性基團一端伸入氣泡內，而極性基團選擇地被親水物質所吸附，這樣親水性物質的表面被轉化

4、成疏水性物質而粘附在氣泡水膜上，隨氣泡一起上浮至水面。各種懸浮物質若混入表面活性劑等產生的泡中，這些物質單獨存在并不能發(fā)泡,但是可使泡沫穩(wěn)定。如造紙工業(yè)中的微細紙漿，食品工業(yè)中的纖維質等。另外，如氯化鈉、硫酸鈉、硫酸鋁等鹽類的水溶液,單獨存在幾乎不產生泡沫,但也有助于泡沫的穩(wěn)定，使泡沫難以消失，如圖1、2、3所示2。          圖1 純水中的氣泡             圖2 水

5、中混入表面         圖3 水中混入表面活性劑活性劑的氣泡                和懸浮物質的氣泡        Figure 1. A foam in      Figure 2. A foam in water with  

6、;   Figure 3. A foam in water with surfacepure water surface active agents active agents and suspended substances 1.4生物泡沫目前，普遍認為生物泡沫形成的主要原因是：在各種因素影響下，造成絲狀菌和放線菌等微生物的異樣生長，絲狀菌的比生長速率高于了菌膠團細菌，又由于絲狀菌的比表面積較大，因此，絲狀菌在取得污水中BOD5物質和氧化BOD5物質所需要的氧氣方面都比菌膠團細菌有利得多，結果曝氣池中絲狀菌成為優(yōu)勢菌種而大量增值，導致生物泡沫的產生。再加上這些微

7、生物大都呈絲狀或枝狀,易形成網,能捕掃微粒和氣泡等,并浮到水面。被絲網包圍的氣泡,增加了其表面的張力,使氣泡不易破碎,泡沫更加穩(wěn)定。另外，曝氣氣泡產生的氣浮作用是泡沫形成的主要動力因素。研究發(fā)現(xiàn)，與生物泡沫有關的菌屬主要有Nocardioform actinomycetes(放線菌)和Microthrix parvicella(絲狀菌)等，如圖4所示，前者多出現(xiàn)于夏季，后者多出現(xiàn)于冬季3。Linda L.Blackall等通過測定Microthrix parvicella等絲狀菌的16S rDNA序列，對引起生物泡沫的主要絲狀菌進行了分離鑒定和分類4，如表1所示。 Microthrix par

8、vicella是生成生物泡沫的最重要菌種，其16S rDNA序列信息證實Microthrix parvicell也是一種放線菌，通過電子顯微鏡觀察，其細胞壁上有革蘭氏陽性細菌所具有的典型表面，呈單一均質層；Eikelboom Type0092、Eikelboom Type0411 和Eikelboom Type1863絲狀菌革蘭氏染色均呈陰性，16S rDNA序列信息表明三者都屬于Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides；Eikelboom Type0803是一種類Proteobacteria，Williams and Unz認為根據形態(tài)學準則很難區(qū)別Microthr

9、ix parvicell和Eikelboom Type0803，但序列信息表明事實上二者沒有任何關系，Eikelboom Type0803與上述各絲狀菌都不太相似。D.B.Oerther 等利用低（聚）核苷酸探測技術、雜交培植和抗體著色等方法，對生物泡沫中Gordonia spp.等絲狀微生物進行了定量分析。結果表明，Gordonia spp.等菌體的活性和數(shù)量水平的增加與整體微生物群落的活性及數(shù)量水平有關，在形成生物泡沫過程中，Gordonia spp.等絲狀微生物自身的物理性質可能比細胞的代謝活性所起的作用要大5。 圖4Nocardia amarae和Microthrix par

10、vicella6Figure 4. Nocardia amarae and Microthrix parvicella6研究表明，絲狀菌等微生物細胞表面的疏水性或憎水性（cell surface hydrophobicity, CSH）是形成生物泡沫并使之穩(wěn)定的重要原因。Helen Stratton（1998）等從生物泡沫中分離出nocardiform及Rhodococcus rhodochrous等菌種，對細胞表面霉菌酸成分(mycolic acid content)，表1 與泡沫形成有關的主要菌屬Table 1. Main bacteria involved in foams formin

11、g 序號菌種名稱革蘭氏性種屬和形態(tài)1Nocardia amaraeG+放線菌(actinomycete)，枝狀菌絲2Nocardia pinesisG+放線菌,松枝狀3Rhodococcus sp.G+放線菌,枝狀菌絲4Microthrix parvicellaG+絲狀菌(filament)，無鞘無分枝，絲狀5Eikelboom Type0092G-F-C-B門，絲狀菌6Eikelboom Type0411G-F-C-B門，絲狀菌7Eikelboom Type1863G-F-C-B門,類Proteobacteria,絲狀菌8Eikelboom Type0803G-F-C-B門,類Proteob

12、acteria,絲狀菌注：F-C-B門表示Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides phylum.以及細胞表面疏水性(CSH)與形成穩(wěn)定生物泡沫能力之間的關系進行了研究，結果表明：霉酸菌成分并不是形成CSH的唯一原因，CSH也不是生成生物泡沫并使之穩(wěn)定的唯一因素。CSH隨著微生物的培養(yǎng)周期，以及其它條件，如生長溫度、碳源等的變化而改變；Rhodococcus rhodochrous中霉酸菌成分也會隨著培養(yǎng)周期、溫度以及碳源等條件的變化而發(fā)生改變；nocardiform細胞表面的霉酸菌成分對其CSH的影響不大7。D.Mamais(1998)等認為，長鏈脂肪酸（慢速生物降

13、解COD）和低溫環(huán)境是脫氮活性污泥系統(tǒng)中Microthrix parvicella生長的主要原因，絮凝體形成菌去除易生物降解COD的過程也不會影響Microthrix parvicella的生長，長鏈脂肪酸被去除的量（吸附去除）與Microthrix parvicella的生長量成反比關系8；污泥停留時間(SRT)、pH值也會影響生物泡沫的產生。長污泥停留時間有利于Microthrix parvicella等絲狀菌微生物的生長，這也是延時曝氣工藝更容易引起生物泡沫的原因。另外，溶解氧(DO)以及曝氣方式等也是生成泡沫的重要影響因素。如表2所示。表2 與優(yōu)勢絲狀菌相關的條件9Table 2. C

14、onditions being related to predominant filamentous bacteria產生條件絲狀菌種類低DOMicrothrix parvicella, S. Natans, 1701低F/MMicrothrix parvicella,0041,0092完全混合式生物反應器H. Hydrossis, Nocardia spp., 021N, 1851,1701腐敗性廢水/硫化物Beggiatoa, Thiothrix spp., 0914營養(yǎng)不足S. Natans, Thiothrix spp., 021N; 可能有H. Hydrossis,0041低pH值f

15、ungal bacteria2 泡沫的控制根據泡沫形成的機理及其影響因素，可采用物理化學和生物的方法對泡沫進行控制。控制泡沫特別是生物泡沫的實質并非消除Microthrix parvicella等細菌的產生，主要途徑就是在曝氣系統(tǒng)中建立一個不適宜絲狀菌異常生長的環(huán)境，抑制其在活性污泥中的過度增殖，使絲狀菌與絮凝體形成菌保持平衡的比例生長。2.1 物化方法控制泡沫噴灑水噴灑的水流或水珠能打碎浮在水面的氣泡,以減少泡沫。但不能根本消除泡沫現(xiàn)象，是一種最常用最簡便的物理方法。投加化學藥劑 陽離子聚丙烯酰胺(acrylamidebased cationic polymer)是一種常用的消泡劑，工程實例

16、中，把陽離子聚丙烯酰胺投加于二沉池進水管中，其既有抑制Nocardioform actinomycetes生長的作用，又有通過回流污泥進入曝氣池消除污水中表面活性劑及表面活性物質極性非極性特點的作用。由于上述兩點的存在，新的穩(wěn)定泡沫難于大量生成，而在水面上的泡沫層由于水面紊動，泡沫受剪力作用不斷破碎，表面泡沫水膜由于水分不斷蒸發(fā),泡沫不斷破碎,泡沫層也逐漸消失10。低濃度的H2O2也是一種較常用的泡沫消除劑，在活性污泥中投加當投加低濃度H2O2時,其濃度不足以殺死菌膠團表面伸出的絲狀菌，只能氧化部分生物殘渣和消除代謝過程產生的毒素，凈化菌膠團細菌生長的環(huán)境，促進了菌膠團細菌優(yōu)勢生長, 使菌膠團

17、菌和絲狀菌的生長達到了新的平衡，從而達到控制生物泡沫的目的，而出水水質并未惡化。H2O2應投加于回流污泥中，投加濃度為2025mg H2O2/(kg·MLSS)11。 Yongwoo Hwang等通過污水廠觀察、實驗室試驗以及現(xiàn)場應用，發(fā)現(xiàn)污水中的泡沫是典型的季節(jié)性出現(xiàn)的，代謝和動力學的調節(jié)并不能很成功的抑制Microthrix parvicella的過度生長和泡沫的產生，經過與氯、陽離子聚丙烯酰胺兩種化學藥劑相比較，發(fā)現(xiàn)除絲狀菌聚季銨堿(quaternary ammoniumbased antifilament polymer, AFP)是一種最有效的物理化學方法來抑制Microt

18、hrix parvicella的過度增殖，能有效的控制泡沫，并未給出水水質帶來變化12。另外，如氯、臭氧、聚乙二醇以及氯化鐵和銅材酸洗液的混合藥劑等均具有較強的氧化性，也可當作消泡劑使用。2.2 生物方法控制泡沫降低細胞平均停留時間降低細胞平均停留時間是很有效的控制泡沫的方法，實質即利用絲狀菌平均世代時間較長于絮凝體形成菌的特點，抑制絲狀菌的過度增殖，細胞平均停留時間越短，絲狀菌越少，泡沫也越少。調節(jié)污水pH值研究表明，最適宜Nocardia amarae生長的pH值為7.8,最適宜Microthrix parvicella生長的pH值為7.78.0，當pH值從7.0降為5.05.6時，能有效

19、控制這些微生物的過度生長，減少泡沫的形成13。降低曝氣的空氣輸入率降低了曝氣的空氣輸入率，一是能降低曝氣池中氣提強度，減緩了絲狀菌的上浮速度；二是能降低曝氣池中的溶解氧濃度，Nocardia amarae是嚴格的好氧菌,在缺氧或厭氧條件下,不易生長,但Microthrix parvicella卻能忍受缺氧狀態(tài)。再者，降低曝氣池的空氣輸入量也相應的降低了微氣泡的生成量，即減少絲狀菌和放線菌機體上浮的載體，從而延緩泡沫的形成?；亓鲄捬跸厣锨逡涸囼灡砻?，厭氧消化池上清液能抑制Rhodococcus rhodochrous菌屬的生長，采用厭氧消化池上清液回流到曝氣池的方法，也能控制曝氣池表面泡沫的

20、形成。但由于厭氧消化池上清液中含有高濃度好氧底物和氨氮，它們都會影響出水水質，因此應慎用。增設生物選擇器  生物選擇器有好氧選擇器和缺氧選擇器兩種，其目的就是使進入曝氣池的污水先于回流污泥在其中充分混合，通過調節(jié)F/M、DO等因素，選擇性的發(fā)展絮凝體形成菌，抑制絲狀菌等的過度增殖。在設計選擇器時，選擇器需要分格設置，一般多采用46格；盡量提高選擇器第一格的F/M值，形成F/M梯度；還要控制選擇器的水力停留時間，一般為1015分鐘。另有研究表明：好氧選擇器能一定程度地控制Microthrix parvicella，但對Nocardia 菌屬無大影響；而缺氧選擇器對Nocardia菌屬有

21、控制作用，卻對Microthrix parvicella無太大作用14。采用連續(xù)填料反應器D.Mamais(1998)等也認為，沒有證據表明厭氧和缺氧選擇器能夠絕對成功的控制Microthrix parvicella的擴散和增殖，連續(xù)流和序批實驗表明，控制Microthrix parvicella 生長的最佳方式就是采用連續(xù)填料流反應器，理由有二：一是利用絮凝體形成菌的高吸附能力能夠大量去除慢速生物降解COD；二是能避免膠體物質水解后可溶產物的擴散8。3 現(xiàn)場實例北京首都機場污水處理廠采用合建式缺氧好氧活性污泥工藝（A/O）。污水廠的污水主要來源于航空工作區(qū)、生活區(qū)、賓館以及周邊生活小區(qū)，處理

22、能力為20000m3/d,其工藝流程如圖3所示。2004年2月14日至2月17日期間，曝氣池表面出現(xiàn)了嚴重的泡沫，開始采取了向曝氣池表面噴灑清水的措施，但消泡效果不理想。2月18日，采取了降低曝氣的空氣輸入強度的措施，并向二沉池的進水管中投加了約25L(0.5mg/L)的陽離子聚丙烯酰胺溶液，連續(xù)投加7天，每天觀察并記錄了泡沫覆蓋曝氣池的百分率，如圖4所示。開始投加時泡沫覆蓋率已經達到90左右，2月20日泡沫覆蓋率下降至70，到2月24日覆蓋率下降至12，隨后穩(wěn)定在10以下。圖4 曝氣池泡沫覆蓋率隨投加陽離子聚丙烯酰胺的時間變化關系Figure 4. Variation relationshi

23、p between bestrewing rate of foams in aeration pool and adding time of acrylamidebased cationic polymer 4 結語活性污泥工藝中泡沫產生的條件和機理尚有爭議，但目前的研究認為，主要是由于Nocardia和Microthrix parvicella菌屬的異樣生長，其比生長速率高于菌膠團絮凝體形成菌的比生長速率造成的，Nocardia和Microthrix parvicella菌屬有疏水性極強的細胞表面，遷移并停留在氣泡表面，因而使氣泡穩(wěn)定。發(fā)泡現(xiàn)象也與氣水界面的疏水性有機化合物的濃度有

24、關。泡沫的控制主要有物化和生化的方法，通過加入化學藥劑來改變細菌細胞表面的化學性質仍是一種控制泡沫產生的常用方法，而廣泛應用的殺菌劑普遍存在負作用,因為過量或投加位置不當,會大量降低反應池中絮凝體形成菌的數(shù)量及生物總量?？傊壳俺Ｓ玫耐都踊瘜W藥劑方法只是一種應急措施而非根本解決途徑，因此，還應通過更深入更實際的生物方法的研究，來尋找一種更合理有效、更經濟適用的方法控制Nocardia和Microthrix parvicella菌屬的生長和泡沫的形成，保證活性污泥工藝的正常和高效運行。參考文獻1 Warrer J. Activated sludge bulking and foaming co

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