高負荷活性汙泥膨脹控製的試驗研究

在活性汙泥膨脹早期的研究中，人們(men) 對於(yu) 廢水水質、運行條件和絲(si) 狀菌過度生長之間的關(guan) 係非常關(guan) 注。對於(yu) 水質的影響，不同的研究者的觀點是一致的。在大量的實踐中總結出如下的幾種廢水水質情況容易引起汙泥膨脹：

(1)碳水化合物含量高的廢水；

(2)陳腐或腐化的廢水和含有大量H2S的廢水；

(3)含有大量可溶性有機物的廢水；

(4)含有有毒物質的廢水；

(5)N、P含量不平衡的廢水；

(6)高或低pH值廢水；

(7)一些微量元素(如Fe等)缺乏的廢水；

(8)*混合曝氣池內(nei) 廢水；

(9)與(yu) 城市汙水相比較，工業(ye) 廢水更易發生膨脹[1]。

對於(yu) 運行條件對膨脹的影響，人們(men) 的認識很不一致。在實際生產(chan) 的報道中負荷低會(hui) 引起膨脹，負荷高也會(hui) 引起膨脹；低溶解氧會(hui) 引起膨脹，高溶解氧也會(hui) 引起膨脹；*混合曝氣池會(hui) 發生膨脹，推流式曝氣池也會(hui) 發生膨脹；低C∶N比(或C∶P比)引起膨脹，高C∶N比(或C∶P 比)也會(hui) 引起膨脹等等[1-3]。由於(yu) 很多因素會(hui) 造成汙泥膨脹，對膨脹的報道眾(zhong) 說紛紜，使得人們(men) 對於(yu) 汙泥膨脹問題望而生畏。汙泥膨脹問題是汙水處理工藝中相對比較複雜的一個(ge) 問題。造成這種現象的原因是多方麵的，首先，引起汙泥膨脹的絲(si) 狀菌達30多種，所以實際活性汙泥膨脹問題異常複雜。由於(yu) 不同微生物生態要求不同，影響絲(si) 狀菌的因素較多。另外由於(yu) 在活性汙泥工藝的設計上國外大都采用低負荷係統，所以研究和報道的大部分是低負荷基質限製型膨脹。設計規範建議的負荷範圍是屬於(yu) 中等負荷(0.3kgBOD5/(kgMLSS·d))，在實際應用中人們(men) 總是希望係統經濟，而采用高負荷，這就造成大部分汙泥膨脹類型不同於(yu) 國外。後有時某些研究者研究的單一目的性防礙了對汙泥膨脹現象的全麵地觀察。

2高負荷汙泥膨脹的試驗現象

作者在水解-好氧工藝開發的小試和中試中，曾觀察到嚴(yan) 重的汙泥膨脹問題，對於(yu) 控製汙泥膨脹的各種措施進行了研究，如：將*混合流態改變為(wei) 推流流態，厭氧出水預曝氣，添加厭氧汙泥等等。這些方法被證明在某些情況下可以減緩汙泥膨脹問題，但是除加填料的方法外，都不能很好地長期控製汙泥膨脹的發生[4]。經過分析，這類的膨脹問題與(yu) 低負荷(基質限製)膨脹是不同的。在小試和中試中負荷分別為(wei) 0.65kgBOD5/(kgMLSS·d) ～0.85 kg BOD5/(kgMLSS·d)。荷蘭(lan) De Man等人在處理UASB出水時，采用相對高的負荷( 0.3kgBOD5/( kgMLSS·d)～0.6kgBOD5/(kgMLSS·d))，也發生汙泥膨脹。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，他們(men) 在低負荷(0.12kgBOD5/(kgMLSS·d))下運行，汙泥的沉降性能明顯改善。雖然可以采用同樣的措施控製汙泥膨脹，但係統在停留時間和能耗方麵沒有明顯的優(you) 勢。

3高負荷汙泥膨脹的控製 

3.1負荷和溶解氧的影響

采用城市汙水負荷為(wei) 0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)，溶解氧濃度1.0mg/L～2.0mg/L，汙泥齡為(wei) 20天的*混合曝氣池(截麵積1.0m2，高3.0m)。*階段由於(yu) 絲(si) 狀菌的過度增殖，SVI從(cong) 280mL/g上升到800mL/g，汙泥濃度下降至0.68g/L，二沉池中汙泥不斷流失。一般認為(wei) 在溶解氧為(wei) 1.0mg/L～2.0mg/L條件下運行的曝氣池不會(hui) 發生汙泥膨脹，而試驗中溶解氧濃度一直維持在這一水平，仍然發生了汙泥膨脹。在第二階段，從(cong) 第16天提高溶解氧濃度至3.0mg/L～5.0mg/L(平均4mg/L)可以觀察到SVI很緩慢地逐漸下降，汙泥濃度不斷上升，在大約25天後，汙泥濃度逐漸回升到1.5g/L，這時SVI下降到300mL/g。一般汙泥膨脹發生速度很快，隻要2～3天，而膨脹汙泥的恢複很緩慢，往往需要3倍泥齡以上的時間。在一個(ge) 汙泥齡的時間內(nei) ，觀察到汙泥沉降性能的明顯改善後，由於(yu) 時間問題沒有繼續進行觀察。 

3.2加填料控製汙泥膨脹

在生產(chan) 性曝氣池頭部加占總池容15%軟填料，與(yu) 傳(chuan) 統工藝不加填料時的SVI對比。加設軟性填料係統總停留時間為(wei) 4h，負荷在0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)之間。從(cong) 圖 2可見，在曝氣池供氧充足的條件下(氣水比(3.7～5)∶1)，加填料可很好地控製膨脹現象。

傳(chuan) 統曝氣池在相同條件下的運行，在後期停留時間延長1倍。負荷降低1倍，SVI仍在200mL/g ～500mL/g之間，遠高於(yu) 加填料係統(SVI平均在100mL/g左右)。從(cong) 填料池的分析來看，填料上附著生長的微生物以硫絲(si) 菌、021N型菌絲(si) 狀菌為(wei) 主。填料池對有機酸的去除率高達80%，對COD去除率為(wei) 50%，H2S從(cong) 3.67mg/L降至0.77mg/L。從(cong) 而去除了絲(si) 狀菌的生長促進因素，有利於(yu) 絮狀菌的生長。

事實上，填料池也相當一個(ge) 選擇器，其將絲(si) 狀菌固著於(yu) 填料上在*個(ge) 池子中選擇性地充分生長，但不進入活性汙泥絮體(ti) 之中。而絮狀菌在第二個(ge) 池內(nei) 生長，從(cong) 而避免了汙泥膨脹的發生。其主要的作用是降低汙水的有機負荷，菌膜的脫落是次要因素。對於(yu) 有機負荷的降低，是從(cong) 兩(liang) 方麵進行，首先是對有機物的直接去除，這個(ge) 作用在分設的填料池中為(wei) 明顯。其次是填料上生長的微生物量，增加了係統中總的生物量，從(cong) 而降低了有機負荷。加填料控製汙泥膨脹的方法很簡單，但缺點是增加了一定的投資，還有填料的更換問題。一般適宜小型汙水處理廠使用，而大型汙水處理廠一般不宜采用。

3.3池型和曝氣強度對汙泥膨脹的影響

對城市汙水在高負荷下進行如下對比試驗，負荷同為(wei) 0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBO D5/(kgMLSS·d)，停留時間為(wei) 4h，氣、水比為(wei) (3.4～5)∶1。在試驗中發現呈推流式曝氣 (圖3) 的SVI要比同樣運轉條件下的*混合曝氣池的高100左右。在試驗中氣、水比為(wei) 3.5∶1的情況下，推流式曝氣池的SVI上升到450mL/g左右，二沉池汙泥麵不斷上升，汙泥溢流，發生汙泥膨脹。強製排泥後，汙泥濃度不斷下降。這時增加曝氣量之後，雖SVI略有下降，但由於(yu) 汙泥濃度恢複較慢。負荷比初始值要大的多，接近1.0kgBOD5/(kgMLSS·d)，SVI終仍在350mL/g左右。 


這個(ge) 試驗不但說明了溶解氧(宏觀)在控製汙泥膨脹中的重要作用，同時說明曝氣池中實際 (微觀)的溶解氧濃度的不同對於(yu) 膨脹的影響。在兩(liang) 個(ge) 池子停留時間、曝氣量、水質、負荷等*一致的情況下，產(chan) 生差別的原因是由於(yu) 推流式曝氣池首端的溶解氧濃度，在整個(ge) 試驗期間裏一直等於(yu) 零。而在*混合曝氣池中溶解氧濃度為(wei) 2.0mg/L。這表明在高負荷的曝氣池的運轉中，推流式曝氣池不利於(yu) 改善汙泥沉降性能。因為(wei) 當汙水中存在大量容易降解的物質，使得曝氣池氧的利用速率加快。造成氧的供應速率低於(yu) 氧的利用速率，特別是在曝氣池頭部更加嚴(yan) 重。在這種情況下使氧成為(wei) 限製因素，即使在曝氣池其它部位溶解氧濃度為(wei) 1.0mg /L～2.0mg/L仍然發生膨脹。其原因在於(yu) 首端負荷過高，嚴(yan) 重缺氧造成絲(si) 狀菌從(cong) 絮體(ti) 中伸展出來爭(zheng) 奪氧氣，同時在後段的絲(si) 狀菌由於(yu) 可以從(cong) 主體(ti) 溶液中直接吸取營養(yang) ，比絮體(ti) 本身中的菌膠團菌有更高的生長速率，從(cong) 而得到充分的增殖(充分伸展的絲(si) 狀菌阻礙了汙泥的沉降)而造成了膨脹。從(cong) 試驗結果來看，在曝氣池頭部的溶解氧保持在2.0mg/L(強化曝氣或再生池) ，可以有效地控製汙泥膨脹。

3.4回流汙泥射流強化曝氣

在以上研究和分析的基礎上，在推流曝氣池的首端采用回流汙泥經過射流曝氣器進行強化曝氣，並輔以原有的中微孔曝氣器，這時首端小池的溶解氧從(cong) 零提高到1.6mg/L，解決(jue) 了首端供氧不足的矛盾。因而，SVI值不斷下降至160mL/g，這時射流攜帶空氣量很小。通過對回流汙泥單獨射流和增加曝氣量的試驗結果的比較，可以得出如下結論：回流汙泥射流對於(yu) 汙泥膨脹的控製作用，不是由於(yu) 射流過程中對於(yu) 絮體(ti) 的切割，造成絲(si) 狀菌長度及生態環境變化而造成的結果，而是由射流過程中高的傳(chuan) 質效率，提供了充足的溶解氧。在曝氣池首端造成了有利於(yu) 菌膠團菌生長的條件，抑製了絲(si) 狀菌的生長，從(cong) 而控製了汙泥膨脹。在首端強化曝氣可采用回流汙泥射流，也可采用加大首端曝氣強度(供氣量)。從(cong) 試驗結果來看，其對汙泥膨脹的控製作用是十分有效的。這就為(wei) 高負荷類型的汙泥膨脹的控製提供了多種選擇方案。 

4討論和結論 

4.1廣義(yi) 的選擇器理論

在以上的分析和研究的基礎上，可對選擇器的概念進行擴展。事實上，所謂選擇即在一個(ge) 容器中造成利於(yu) 某種微生物生長的條件，從(cong) 而達到使其不斷增殖的目的。選擇器可分為(wei) 3種不同類型：

(1)選擇器類型(低基質濃度型膨脹)：選擇器是在*混合池或推流曝氣池前加生物選擇器，在選擇器內(nei) 利用兩(liang) 類細菌不同的生長速率選擇性地培養(yang) 和發展菌膠團細菌，使其成為(wei) 曝氣池中的優(you) 勢菌。

(2)間歇進水型：如SBR反應器等類型是在時間和空間上造成選擇。

(3)廣義(yi) 的選擇器(低溶解氧型膨脹)：在較高負荷下，由於(yu) 菌膠團細菌具有高的攝取、貯存有機物的能力，結果沒有充分氧化有機物，造成飽和現象。使得菌膠團細菌實際生長速率低於(yu) 絲(si) 狀菌。同時也發生了溶解氧限製，易引起汙泥膨脹。因此可采用如部分填料池、再生池和強化曝氣池等方法，恢複菌膠團細菌的降解能力、提高供氧能力和降低負荷來控製汙泥膨脹。

4.2防止汙泥膨脹的設計

在汙泥膨脹的控製中，采取必要的控製手段解除汙泥膨脹固然十分重要，但更為(wei) 重要的是在設計階段就防止汙泥膨脹的發生。為(wei) 此對不同的汙水水質，采取適當的防止汙泥澎脹的工藝，在負荷的選擇上避免容易引起汙泥膨脹的負荷範圍，在運行過程中調整正確的運行參數，這都是十分重要的。即使這樣由於(yu) 生產(chan) 、生活的發展，也會(hui) 引起汙水水質、水量變化而對汙水廠的穩定運行發生影響。因此，在設計階段要盡可能準備幾種有效的控製汙泥膨脹的備用手段，是一個(ge) 設計良好的汙水處理廠的*條件。下麵介紹某汙水處理廠的設計考慮。其曝氣池的進水為(wei) *溶解性、有機酸含量高、易引起汙泥膨脹的汙水。曝氣池設計汙泥負荷為(wei)  0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)，為(wei) 中、高負荷易引起汙泥膨脹。雖然在這個(ge) 設計參數下已經過小試、中試證明可以避免汙泥膨脹的發生，但在設計中還是要從(cong) 多方麵考慮控製汙泥膨脹發生的措施。曝氣池為(wei) 兩(liang) 組平行的三廊道曝氣池。其中在*廊道首部分隔出一占總池容1/6小池，在池壁上預埋固定填料的埋件。進水和回流汙泥有兩(liang) 個(ge) 可能的進入點A、B ，同時設有進氣管調節閥門。以上這一係列措施，提供了控製汙泥膨脹的多種運行方式，下麵分別一一說明。

(1)推流式運行方式進水與(yu) 回流汙泥都從(cong) A點進入池子，沿廊道折返前進。

(2)為(wei) 減輕首端的負荷兩(liang) 點進水運行方式回流汙泥仍沿A點進入，進水分別沿A、B兩(liang) 點進入池內(nei) ，以免造成首端長期缺氧的情況。

(3)強化曝氣調整進氣閥門造成首端曝氣強度明顯高於(yu) 其它部位，可減緩首端缺氧的情況。

(4)再生式運行方式進水沿B點進入池內(nei) ，回流汙泥在小池內(nei) 再生，可以克服高負荷膨脹。

(5)選擇器按推流式的運行方式，首端池本身就是一個(ge) 好氧選擇器。事實上，對於(yu) 某些情況按高負荷設計的曝氣池在運行初期，往往是低負荷運行。因此，本例也是有實際意義(yi) 的。

(6)其它運行方式上述各種運行方式進行組合，可以更加增加單項技術的效果。例如強化曝氣和二點進水方式相組合。

以上的各種運行方式大部分在實踐中證實對汙泥膨脹有一定的控製作用，並且在設計中考慮，一不用增加投資、二不要增加運行費用，隻要調整閥門和運行方式即可，這充分說明合理設計的重要作用。在以上方式不能很好地解決(jue) 膨脹問題時，還可考慮采用以下方式，但需要增加一定的投資。

(7)加填料控製膨脹由於(yu) 在首端預埋了安裝填料的部件，其體(ti) 積隻占總體(ti) 積的10%左右，增加投資有限，而對膨脹的控製是目前所有控製方法中為(wei) 有效的方法。

(8)根據需要首端還可加設潛水射流泵在其它的實際汙水處理廠的設計中，隻要選擇1～2項為(wei) 有效的備用方案即可。