活性汙泥絲狀菌膨脹控製的理論研究

本文對絲(si) 狀菌汙泥膨脹現象進行分析和綜合，並在廣義(yi) 的Monod方程的基礎上，提出了統一的汙泥膨脹理論。該模型可以很好的解釋基質限製、溶解氧限製、營養(yang) 物缺乏型，高、低pH和硫化氫因素引起的五種類型主要活性汙泥絲(si) 狀菌膨脹。這包括了大部分的汙泥膨脹現象。利用廣義(yi) 的Monod方程采用雙基質限製(碳源和溶解氧)模型和係統動力學方程進行了計算機模擬研究。對負荷與(yu) 溶解氧，水質和水量變化等因素對於(yu) 菌膠團細菌和絲(si) 狀菌的競爭(zheng) 關(guan) 係的影響進行了深入的研究，並在此基礎上對於(yu) 不同的膨脹類型對應提出了對應的控製策略。

關(guan) 鍵詞：汙泥膨脹 絲(si) 狀菌 菌膠團菌 廣義(yi) Monod方程

一、汙泥膨脹控製方法的演化過程

早期控製絲(si) 狀菌引起的汙泥膨脹(簡稱汙泥膨脹)的主要手段是利用絲(si) 狀菌具有較大的比表麵積值，采用藥劑殺死絲(si) 狀菌，或是投加無機或有機混凝劑或助凝劑以增加汙泥絮體(ti) 的比重<1>。這些方法往往無法*解決(jue) 汙泥膨脹問題，並且相反地會(hui) 帶來出水水質惡化的不良後果。人們(men) 逐漸認識到活性汙泥中的菌膠團細菌和絲(si) 狀菌形成一個(ge) 共生的微生物生態體(ti) 係。在這種共生關(guan) 係中，絲(si) 狀微生物是*的重要微生物，其在活性汙泥工藝中對於(yu) 、穩定地淨化汙水起重要作用。人們(men) 逐漸的從(cong) 簡單地殺死絲(si) 狀菌過渡到利用曝氣池中的生長環境，調整絲(si) 狀菌的比例，控製汙泥膨脹的發生--即環境調控階段。環境調控概念的使用是人們(men) 在汙泥膨脹控製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，有利於(yu) 選擇性地發展菌膠團細菌，應用生物競爭(zheng) 的機製抑製絲(si) 狀菌的過度生長和繁殖，將絲(si) 狀菌控製在一個(ge) 合理的範圍之內(nei) ，從(cong) 而控製汙泥膨脹的發生和發展。同時利用絲(si) 狀菌特性淨化汙水，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(ti) 體(ti) 現<2><3>。

二、統一的汙泥膨脹的理論

由於(yu) 活性汙泥是一混合培養(yang) 係統，活性汙泥是菌膠團細菌與(yu) 絲(si) 狀菌的共生係統，任何活性汙泥係統中都存在著絲(si) 狀茵。絲(si) 狀菌也不僅(jin) 僅(jin) 是一種菌存在，活性汙泥中存在著至少30種可能引起汙泥膨脹的絲(si) 狀菌，汙泥膨脹的原因是複雜的。在絲(si) 狀茵與(yu) 菌膠團細菌平衡生長時，不會(hui) 產(chan) 生膨脹問題。隻有當絲(si) 狀茵生長超過菌膠團細菌時，就會(hui) 出現膨脹問題。汙泥膨脹是由絲(si) 狀茵和菌膠團細菌生理和生化性質不同所決(jue) 定的，這兩(liang) 類細菌性質的差異見表1。 

通過對近年來活性汙泥膨脹問題外研究進展的分析和綜合，可以將主要的活性汙泥絲(si) 狀菌膨脹的原因分為(wei) 五種類型：即a)基質限製；b)溶解氧限製；c)營養(yang) 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(yi) 的Monod方程
絲(si) 狀菌與(yu) 菌膠團細菌競爭(zheng) 的數學模型，其遵循多種基質限製的廣義(yi) Monod方程，即Monod-McGee方程<1>：

　 μ＝μmax[S1/(K1+S1)][S2/(K2+S2)]…[Sn/(Kn+Sn)]  (1)

其中：μmax：大生長速率(d-1)；Ki:第I種基質親(qin) 和力(mg/l)；Si：第I種基質。

根據動力學方程(1)可知，基質限製、溶解氧限製和營養(yang) 物缺乏型的膨脹問題都可用廣義(yi) Monod方程來加以解釋。值得說明的是當氮嚴(yan) 重缺乏時並不能歸入這一理論。原因在於(yu) 由於(yu) 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(wei) 多糖類胞外貯存物，這種貯存物是高度親(qin) 水型化合物，從(cong) 而形成結合水，影響汙泥沉降性能，產(chan) 生了高粘度性的膨脹，其類型不屬於(yu) 絲(si) 狀菌膨脹<5>。（通過增加進水，稀釋進水濃度，利用水力衝(chong) 刷和投加氮源、增加曝氣時間等方式解決(jue) ）

2. 硫化氫的等其他類型的問題

關(guan) 於(yu) pH的影響，可在動力學方程的參數上，作為(wei) 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(cong) 而統一在廣義(yi) Monod方程之下。關(guan) 於(yu) H2S的影響，從(cong) 文獻中報道引起汙泥膨脹的H2S數值很低，一般是在1～2.0mg/l<5>。筆者認為(wei) 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(men) 進行了向汙水中添加H2S的實驗，通過實驗發現即使H2S濃度達到 50mg/l也並不發生膨脹<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，好氧後處理也不發生膨脹。當汙水處於(yu) 腐bai和厭氧條件時，汙水厭氧發酵的同時產(chan) 生H2S和揮發酸。揮發酸主要包括乙酸、丙酸等，這些低分子易於(yu) 降解，造成耗氧速率的增加<7>，從(cong) 而引起氧的限製型膨脹，這是造成汙泥膨脹的根本原因。而H2S的出現是汙水厭氧發酵的一個(ge) 伴隨現象。因此H2S的膨脹類型可歸為(wei) 溶解氧限製類型的膨脹，從(cong) 而廣義(yi) 的Monod動力學模型可以在一定程度上很好地統一汙泥膨脹的理論。

3. 雙基質的Monod方程

由於(yu) 城市汙水中N、P和其它營養(yang) 元素一般不缺乏，因此在一般情況下，可隻考慮碳源限製和DO限製兩(liang) 種情況。這樣城市汙水的絲(si) 狀菌膨脹問題就簡化為(wei) 兩(liang) 種主要類型的膨脹問題，即基質限製和溶解氧限製類型。

　 μ＝μmax [S/(Ks+S)][DO/KDO+DO]   (2)

其中：μmax：大生長速率(d-1)；Ks:基質親(qin) 和力(mg/l)；KDO＝溶解氧親(qin) 和力(mg/l)；

三、汙泥膨脹數學模型的研究

1、汙泥膨脹的數學模型

為(wei) 了簡化係統模型，數學模型的建立基於(yu) 以下幾個(ge) 假設：1)活性汙泥由兩(liang) 大數群微生物組成，即絲(si) 狀菌和菌膠團菌；2)微生物生長主要受到碳源和DO限製；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*混合式；模型所描述的係統如圖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。在沒有選擇器的係統中，回流汙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(guan) 係，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(si) 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(si) 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(si) 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=汙泥濃度(mg/l)；Sjk＝基質濃度(mg/l)，i＝1,2分別代表菌膠團和絲(si) 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(chan) 率係數(g/g)；Kla＝傳(chuan) 質係數(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(si) 狀菌；

2. 曝氣強度和負荷的影響

圖2是根據方程(3-10)的計算機模擬結果。從(cong) 圖2a可見絲(si) 狀菌和菌膠團細菌的競爭(zheng) 優(you) 勢是根據負荷而變化的。根據負荷的不同，可劃分為(wei) 三個(ge) 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製的情況。高負荷階段(>1.1kg COD/kgMLSS.d)由於(yu) 主體(ti) 溶液中的基質濃度比較高，出現溶解氧限製的情況。在這之間是中等負荷範圍，在這一範圍絲(si) 狀菌與(yu) 絮狀菌處於(yu) 合理的比例，係統不發生膨脹。以上結果解釋了為(wei) 什麽(me) 在高、低負荷下都會(hui) 發生汙泥膨脹的原因。

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，在低負荷和高負荷範圍仍然會(hui) 發生膨脹。膨脹的界限值與(yu) 沒有選擇器的係統不同，對於(yu) *混合曝氣池界上、下限下移。對於(yu) 高負荷係統高的曝氣強度可以提高汙泥膨脹發生的上限，但同樣較低了低負荷係統發生膨脹的下限。從(cong) 圖2b可見對於(yu) 中等負荷階段如果供氧不充分，絲(si) 狀菌仍有可能大量繁殖並形成膨脹。對於(yu) 不同的曝氣強度，兩(liang) 種微生物競爭(zheng) 優(you) 勢發生轉變的界限值是不同的。對於(yu) 這就是雙基質動力學方程與(yu) 傳(chuan) 統的單獨碳源基質限製動力學方程描述膨脹現象的本質區別。實驗的結果也表明，*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>。這解釋了外眾(zhong) 多研究中，對於(yu) 溶解氧對汙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

實際的汙水處理廠負荷是變化的，實驗發現在停留時間3、4和5h.下，係統的溶解氧濃度分別為(wei) 1.2，2.2和3.0mg/l。圖3是流量和基質增加幅度為(wei) 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(you) 勢。流量或是基質濃度的變化會(hui) 造成絲(si) 狀菌的過度生長，而絲(si) 狀菌的生長不是一簡單的可逆過程，結果會(hui) 造成了汙泥沉降性能的變化。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。

四、討論和結論

1) 通過分析將絲(si) 狀菌膨脹概括為(wei) 5種類型，即：低基質濃度、低溶解氧、營養(yang) 物(N、P)缺乏型、**2S濃度和高、低pH引起的膨脹。采用廣義(yi) 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汙泥膨脹理論。由於(yu) 城市汙水中N、P和其它營養(yang) 元素一般不缺乏，因此在一般情況下，隻考慮碳源限製和DO限製兩(liang) 種情況；

2) 在雙基質限製下，低負荷的*混合曝氣池不利於(yu) 汙泥沉澱性能的改善，而中、高負荷的膨脹則在*混合曝氣池中有所緩解。中、高負荷係統由於(yu) 首端缺氧不利汙泥沉降性能，所以在推流式曝氣池需要采取措施避免供氧不足。反之，推流式曝氣池有利於(yu) 克服低負荷的膨脹，即高負荷與(yu) 低負荷是兩(liang) 種類型*相反的膨脹現象。

3) 對活性汙泥膨脹，既要從(cong) 宏觀角度考慮，又要從(cong) 微觀角度考慮,而宏觀與(yu) 微觀是相對的。就活性汙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(wei) 重要的因素。後者是決(jue) 定汙泥膨脹的微環境，種群的動態是由其微環境中的營養(yang) 物的條件所確定的；

4) 傳(chuan) 統的選擇器類型是僅(jin) 僅(jin) 考慮低基質濃度型膨脹。選擇器是在*混合或推流曝氣池前加一個(ge) 停留時間非常短(15min.)的小池，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。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(yi) 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高負荷型的汙泥膨脹。