1 污泥膨脹和生物泡沫的形成及特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)生污泥膨脹的活性污泥法處理廠中，約有90%的污泥膨脹問題是由于活性污泥中絲狀菌過量生長(zhǎng)引起的。Sezgin等將絲狀菌膨脹定義為“宏觀結(jié)構(gòu)的失敗，從某種意義上來說，有太大的宏觀結(jié)構(gòu)”，即絲狀菌是構(gòu)成活性污泥絮體的骨架，能夠保持污泥良好的絮體結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)絲狀菌數(shù)量太多時(shí)，就會(huì)影響污泥的沉降性能和壓縮性能。關(guān)于污泥膨脹嚴(yán)重程度的判定指標(biāo)主要有以下幾個(gè)：(1)由絲狀菌引起的污泥膨脹，絲狀菌總長(zhǎng)大于104 m/L;(2)根據(jù)活性污泥中絲狀菌數(shù)量的多少進(jìn)行分級(jí)(如表1所示);(3)污泥體積指數(shù)(SVI)大于150 mL/g。

生物泡沫常常是在污泥膨脹發(fā)生后出現(xiàn)的，由于絲狀菌的異常生長(zhǎng)，其與氣泡、絮狀顆?；旌隙傻呐菽哂蟹€(wěn)定、持續(xù)、較難控制的特點(diǎn)。實(shí)際工程中生物泡沫的嚴(yán)重程度除了根據(jù)SVI和絲狀菌特性進(jìn)行判定外，還可以利用泡沫發(fā)泡指數(shù)(FSI)進(jìn)行評(píng)估。

隨著城市污水廠進(jìn)水中工業(yè)廢水量的增加，越來越多的城市污水廠也出現(xiàn)了污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象，而污泥膨脹和生物泡沫一般具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1)發(fā)生率較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲各國(guó)和美國(guó)每年分別約有50%和60%的城市污水處理廠會(huì)發(fā)生污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。法國(guó)的調(diào)查顯示，6 013座污水處理廠中有20%受到泡沫問題的長(zhǎng)期影響。在我國(guó)，大部分城市污水處理廠和一些工業(yè)廢水處理廠也存在污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。

(2)普遍性。污泥膨脹和生物泡沫存在于各種類型的活性污泥處理工藝中，在完全混合式工藝中，這些問題尤其突出，而且連最不易發(fā)生污泥膨脹和生物泡沫的間歇曝氣池也可能發(fā)生這種情況。

(3)處理難度高。污泥膨脹和生物泡沫會(huì)使工藝的處理能力下降，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使得污泥流失，出水懸浮物增高，大大影響工藝效果，并且其控制或恢復(fù)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

2 活性污泥膨脹中的常見微生物

2.1 污泥膨脹中主要優(yōu)勢(shì)微型動(dòng)物

微型動(dòng)物在實(shí)際污水處理中常被作為反映系統(tǒng)處理性能的指示生物，這主要是因?yàn)槲⑿蛣?dòng)物本身在污水生物處理系統(tǒng)中占有重要地位，其對(duì)周圍環(huán)境變化的敏感性較高，且其檢測(cè)方法較為簡(jiǎn)便。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)微型動(dòng)物與污泥沉降性能的相關(guān)性進(jìn)行研究，認(rèn)為漫游蟲屬(Litonotus)、斜葉蟲屬(Loxophyllum)的一些種類數(shù)量與污泥沉降性能存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。陳小剛等采用缺氧–好氧膜生物反應(yīng)器(A/O-MBR)組合工藝對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的生物種群結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行期間，污泥絮體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律為緊密–疏松–緊密–出現(xiàn)膨脹，絲狀菌數(shù)量級(jí)別隨絮體結(jié)構(gòu)變化逐漸增加到“++級(jí)”，微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)群落也隨之變化，即游動(dòng)型纖毛蟲——輪蟲——鐘蟲——累枝蟲，其中當(dāng)鐘蟲和累枝蟲成為優(yōu)勢(shì)群落時(shí)，污泥絮體處于緊密狀態(tài)，隨后出現(xiàn)污泥膨脹。劉娟等對(duì)絲狀菌污泥膨脹狀態(tài)下的原生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)污泥膨脹狀態(tài)下匍匐型纖毛蟲及有殼類肉足蟲優(yōu)勢(shì)明顯，其典型的原生動(dòng)物為斜管蟲(Chiloclonella)、小輪毛蟲(Trochiliaminuta)和匣殼蟲(Centropyxis)。

2.2 污泥膨脹和發(fā)泡菌群

污泥膨脹和生物泡沫的產(chǎn)生主要與活性污泥中微生物的種類以及生長(zhǎng)情況有關(guān)。有大量研究表明，當(dāng)進(jìn)水含硫化物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏時(shí)，會(huì)引起硫絲菌和貝氏硫絲菌的過度繁殖，而含溶解性碳水化合物高的廢水會(huì)引起浮游球衣細(xì)菌的過度增殖，這些都會(huì)引發(fā)污泥膨脹?；钚晕勰嘀蟹种岱啪€菌(Mycolata)過度繁殖也會(huì)造成污泥膨脹和生物泡沫，因?yàn)榉种岱啪€菌的細(xì)胞壁中含有長(zhǎng)鏈枝狀的分枝菌酸，造成細(xì)胞表面呈疏水性，而細(xì)胞疏水性正是形成絲狀菌污泥膨脹和生物泡沫的必要條件。另外也有報(bào)道認(rèn)為，微絲菌(Microthrix parvicella)的大量增殖也會(huì)引起污泥膨脹和生物泡沫，因?yàn)槲⒔z菌在生長(zhǎng)繁殖過程中可利用長(zhǎng)鏈脂肪酸作為碳源和能源，多余的長(zhǎng)鏈脂肪酸被富集、儲(chǔ)存在體內(nèi)，這由油脂組成大液珠可以達(dá)到細(xì)胞干重的35%，使得活性污泥比重進(jìn)一步降低，更易漂浮到水面形成浮沫。絲狀菌并不是一種特殊的微生物，而是具有絲狀或枝狀特性的微生物的統(tǒng)稱。從本質(zhì)上來說，絲狀菌是具有疏水表面層的，與油類的特性相似。它可以附著疏水性底物上，并通過食用它們作為食物來源而生長(zhǎng)。Eikelboom通過對(duì)數(shù)百個(gè)污水處理廠的數(shù)千個(gè)污泥樣品進(jìn)行了觀察和研究，將所觀察的絲狀菌區(qū)分為26大類，分類依據(jù)包括：(1)是否存在衣鞘和粘液;(2)是否滑行運(yùn)動(dòng);(3)真分支或假分支;(4)革蘭氏染色和奈氏染色反應(yīng)的特征;(5)絲狀體的長(zhǎng)短、性質(zhì)和形狀;(6)細(xì)胞直徑、長(zhǎng)短和形狀;(7)有無胞含體(PHB，多聚磷酸鹽和硫粒等)等。根據(jù)以上七個(gè)方面的特性分為7個(gè)群，如表2所示。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外膨脹污泥中出現(xiàn)的絲狀微生物，盡管在不同地區(qū)和不同的工藝運(yùn)行條件下出現(xiàn)的絲狀菌會(huì)有所差異，但最頻繁出現(xiàn)的絲狀菌有以下種類：微絲菌、0961型菌、軟發(fā)菌、0092型菌、0041型菌/0675型菌、Nocardioform actinomycetes、Nostocoida limicola、021N型菌/發(fā)硫菌、浮游球衣菌/1701型菌等。

3 污泥膨脹和泡沫的控制方法

3.1 降低細(xì)胞平均停留時(shí)間

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外較為常見的發(fā)泡微生物平均世代時(shí)間較長(zhǎng)，降低細(xì)胞平均停留時(shí)間(MCRT)可以有效控制污泥膨脹和發(fā)泡現(xiàn)象。Noutsopoulos等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MCRT為8~10 d時(shí)，可以有效抑制微絲菌的生長(zhǎng)。也有文獻(xiàn)報(bào)道，控制MCRT在9 d以內(nèi)，可以將曝氣池中的諾卡菌(Nocardia)消除。但這種控制方法在實(shí)際污水廠中很難實(shí)現(xiàn)，曝氣池中的硝化菌平均世代時(shí)間較長(zhǎng)，與采用此方法相矛盾。

3.2 調(diào)節(jié)曝氣池溶解氧量

曝氣池長(zhǎng)時(shí)間處于低溶解氧狀態(tài)常常會(huì)引起絲狀菌污泥膨脹，這種污泥膨脹的控制措施是提高溶解氧量，這就需要提高曝氣系統(tǒng)的供氧能力和降低有機(jī)負(fù)荷。Palm等研究發(fā)現(xiàn)，DO濃度與系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷成函數(shù)關(guān)系，一般當(dāng)有機(jī)負(fù)荷約為0.5 kg COD/(kg MLSS?d)，并且DO質(zhì)量濃度在2.0 mg/L時(shí)可以有效控制絲狀菌的生長(zhǎng)。高春娣等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A/O工藝長(zhǎng)期處于0.5 mg/L的低溶解氧狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生以軟發(fā)菌(H. hydrossis)為優(yōu)勢(shì)菌的絲狀菌膨脹，SVI一直保持在300 mL/g以上;將DO的質(zhì)量濃度提高到2.0 mg/L，同時(shí)有機(jī)負(fù)荷降低到0.37 kg COD/(kg MLSS?d),能夠有效控制污泥膨脹，SVI下降到150 mL/g。通過合理調(diào)節(jié)DO和有機(jī)負(fù)荷來防止低溶解氧引起的絲狀菌污泥膨脹，是污泥膨脹控制最直接、經(jīng)濟(jì)和有效的方法。

3.3 曝氣池添加前置生物選擇器

生物選擇器是通過提供各種較為適宜的生存環(huán)境(溶解氧、pH或污泥濃度等)來選擇優(yōu)勢(shì)微生物的裝置。生物選擇器主要分為好氧生物選擇器、厭氧生物選擇器及缺氧生物選擇器三種。好氧生物選擇器是根據(jù)擴(kuò)散選擇理論，在曝氣池前端或首段設(shè)置高負(fù)荷區(qū)域，通過負(fù)荷的變化來抑制低負(fù)荷條件下的絲狀菌過度繁殖;而厭氧和缺氧生物選擇器主要利用微生物代謝機(jī)制的不同來抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，預(yù)防污泥膨脹的發(fā)生。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，生物選擇器能永久性地控制由以下絲狀菌導(dǎo)致的污泥膨脹：021N型菌、發(fā)硫菌、S. Natans、1701型菌、N. limicola、軟發(fā)菌等。Bitton發(fā)現(xiàn)好氧生物選擇器在泥齡5 d時(shí)可以有效抑制諾卡菌的生長(zhǎng)，而Ayers等發(fā)現(xiàn)厭氧生物選擇器是控制微絲菌生長(zhǎng)最有效的長(zhǎng)期解決方法。另外有研究報(bào)道，缺氧生物選擇器對(duì)諾卡菌有控制作用，對(duì)微絲菌則無明顯作用。

好氧生物選擇器對(duì)污泥膨脹控制效果的好壞，取決于對(duì)接觸時(shí)間和曝氣量的設(shè)計(jì)。接觸時(shí)間太短或太長(zhǎng)都會(huì)引起后續(xù)生物處理工藝中絲狀菌的生長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)中一般取5~30 min。另外，曝氣量過小會(huì)刺激菌膠團(tuán)分泌過多的胞外聚合物(EPS)而引發(fā)非絲狀菌膨脹;若過大，不僅造成能量的浪費(fèi)，且對(duì)污泥絮體的形成造成負(fù)面影響。一般好氧生物選擇器的曝氣量設(shè)計(jì)采用15%~30%的溶解性COD去除率進(jìn)行計(jì)算。缺氧生物選擇器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是易生物降解COD(RBCOD)與NO3ˉ-N的比值和接觸時(shí)間。RBCOD/NO3ˉ-N過小時(shí)，反硝化進(jìn)行不徹底，引起絲狀菌膨脹;比值過大時(shí)，會(huì)因NOxˉ-N的完全反硝化而出現(xiàn)厭氧狀態(tài)。缺氧生物反應(yīng)器的底物貯存能力會(huì)因未知原因降低，導(dǎo)致溶解性有機(jī)底物大量進(jìn)入后續(xù)曝氣池，引發(fā)絲狀菌生長(zhǎng)，這些都是目前需要解決的關(guān)鍵問題。厭氧生物選擇器在實(shí)際工程中也得到了廣泛應(yīng)用，且控制效果比較明顯。但當(dāng)進(jìn)水中含有硫化物時(shí)，常會(huì)引起絲狀硫氧化菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致厭氧選擇器中污泥沉降性能的下降。

3.4 投加化學(xué)藥劑

通過向反應(yīng)器投加特定的化學(xué)藥劑(Cl2、O3、H2O2等)可以殺死廢水中的絲狀菌，從而消除污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。有研究表明，投加10 mg Cl/g MLSS的NaClO能有效解決微絲菌過度增殖造成的污泥膨脹和生物泡沫問題。黃程蘭等研究發(fā)現(xiàn)，氯化鈣溶于水后會(huì)分解產(chǎn)生氯離子，氯離子在水中具有滅菌消毒作用，可以殺死部分絲狀菌，抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)菌膠團(tuán)的形成，對(duì)解決污泥膨脹有很好的效果。Guo等發(fā)現(xiàn)由低底物濃度梯度引起的耐氯021N型絲狀菌，在NaClO劑量高達(dá)80 mg Cl/g SS的情況下仍能夠維持細(xì)胞的完整性;但加入30 mg/g SS的溴化十六烷基三甲基銨(CTAB)可滲透該耐氯菌的細(xì)胞壁，從而將其選擇性殺死，顯著提升污泥沉降性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，投加化學(xué)藥劑仍存在一些問題，如藥劑投加量大導(dǎo)致剩余污泥量大大增加，滅菌劑對(duì)絲狀菌不具有選擇性而抑制其他菌群的活性導(dǎo)致出水水質(zhì)變差，以及藥效短暫而極大增加了運(yùn)行成本等。因此研發(fā)投加量少、見效快、無復(fù)發(fā)作用，以及能夠選擇性殺死絲狀菌的新型化學(xué)藥劑是今后主要的研究方向。

3.5 投加特定微生物

目前，通過投加特定微生物來控制污泥膨脹和生物泡沫仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際污水處理廠中尚未廣泛采用。有研究提出，采用輪蟲可殺死大量的絲狀菌，提高污泥沉降性能，從而控制污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象。Inamori等發(fā)現(xiàn)有兩種具有胞咽囊的纖毛蟲能夠吞食021N型菌和浮游球衣細(xì)菌這兩類絲狀菌，對(duì)由這兩類絲狀菌引起的污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象有很好的處理效果。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，某些特定的噬菌體能夠?qū)Σ糠职l(fā)泡細(xì)菌起控制作用，如名為GTE2、GTE5、GTE7、TPA2的噬菌體所具有的特征及其基因組序列對(duì)穩(wěn)定污水處理廠中的污泥膨脹和生物泡沫有很大幫助。雖然這些噬菌體的控制機(jī)理尚不明確，但是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上的各種研究表明，噬菌體對(duì)絲狀菌的控制是有效的。將噬菌體引入實(shí)際工程應(yīng)用中來減少絲狀菌的數(shù)量，是一種安全有效且環(huán)境友好的方法。

3.6 其他控制方法

除了上述方法之外，向泡沫噴灑水、加強(qiáng)上部攪拌、對(duì)發(fā)泡污泥進(jìn)行連續(xù)選擇性浮選以及減少水量的沖擊負(fù)荷等方法都能對(duì)污泥膨脹和生物泡沫起一定作用，在運(yùn)用時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況加以選擇。

3.7 厭氧消化泡沫的控制

厭氧消化泡沫普遍存在于厭氧消化池中，其主要發(fā)泡成因有以下三點(diǎn)：(1)由于有機(jī)負(fù)荷過高導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸(VFA)特別是乙酸的積累所致;(2)污泥中含有大量的表面活性劑;(3)污泥中含有大量的絲狀菌，如戈登氏菌(Gordonia amarae)和微絲菌。針對(duì)厭氧消化泡沫的控制措施有以下幾種：降低細(xì)胞平均停留時(shí)間、降低有機(jī)負(fù)荷、加強(qiáng)機(jī)械攪拌、投加化學(xué)藥劑(如聚合鋁鹽)、熱水解技術(shù)以及對(duì)污泥進(jìn)行超聲預(yù)處理等。

3.7.1 熱水解技術(shù)

熱水解技術(shù)是一種有效的污泥預(yù)處理技術(shù)，可以改善剩余污泥和濃縮污泥的脫水性能，也是一種十分有效和經(jīng)濟(jì)可行的厭氧泡沫控制措施。Barjenbruch等研究發(fā)現(xiàn)，熱水解技術(shù)(在121 ℃下加熱60 min)相比機(jī)械攪拌和酶法預(yù)處理技術(shù)具有較好的發(fā)泡控制性能。有研究表明，坎比工藝的熱水解預(yù)處理技術(shù)對(duì)厭氧泡沫的控制具有顯著效果。Alfaro等研究發(fā)現(xiàn)，熱水解技術(shù)(在170 ℃下蒸汽加熱15 min)能夠急劇降低以微絲菌為優(yōu)勢(shì)菌群的絲狀菌豐度(泡沫指數(shù)由從5級(jí)降到2級(jí))。熱水解技術(shù)相對(duì)于幾種被廣泛接受的生物泡沫控制策略具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是其操作壓力和溫度控制仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化改善。

3.7.2 超聲預(yù)處理技術(shù)

超聲預(yù)處理技術(shù)可以破壞污泥絮體的細(xì)胞及結(jié)構(gòu)，提高細(xì)胞的可生化性，而且可以使絲狀菌菌絲斷裂，降低絲狀菌豐度。Khanal等研究發(fā)現(xiàn)，僅僅超聲處理2 min，絲狀菌的結(jié)構(gòu)完整性被顯著破壞，細(xì)菌細(xì)胞沒有明顯的破壞，經(jīng)過超聲30 min，絲狀菌細(xì)胞壁完全解體。有研究報(bào)道，對(duì)污泥進(jìn)行超聲預(yù)處理可以有效減少中溫沼氣池的生物泡沫。Alfaro等研究發(fā)現(xiàn)，采用運(yùn)行能耗為66.7 kWh/m3的超聲波處理污泥，厭氧消化池中的絲狀菌數(shù)量大大減少，絲狀菌豐度從“+++級(jí)”降到“±級(jí)”。盡管超聲預(yù)處理技術(shù)對(duì)絲狀菌的控制有顯著效果，但是相對(duì)于熱水解技術(shù)來說，該技術(shù)的能源消耗較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中超聲預(yù)處理技術(shù)的能耗問題是一個(gè)需要著重考慮的方面。

4 結(jié)論與建議

(1)在污水處理廠運(yùn)行過程中，針對(duì)曝氣池、二沉池等易發(fā)生污泥膨脹和生物泡沫現(xiàn)象的生物處理工藝，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)SVI、生物相等指標(biāo)的檢測(cè)，并制定一套完整的污泥膨脹和生物泡沫的預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，時(shí)刻注意工藝運(yùn)行狀況，防止污泥膨脹和生物泡沫的發(fā)生。

(2)由于引起污泥膨脹和生物泡沫的絲狀菌種類繁多，因此在采取相應(yīng)的控制措施時(shí)應(yīng)從微生物入手，采用先進(jìn)的現(xiàn)代生物檢測(cè)技術(shù)確定絲狀菌種類，明確污泥膨脹和生物泡沫產(chǎn)生的原因，為后續(xù)制定控制方案提供依據(jù)。

(3)對(duì)于已經(jīng)發(fā)生污泥膨脹或生物泡沫并已明確其主要優(yōu)勢(shì)絲狀菌種類的生物處理工藝，首先應(yīng)根據(jù)絲狀菌的特性采取工藝調(diào)控措施，如降低污泥齡、調(diào)節(jié)曝氣池溶解氧量、增設(shè)生物選擇器等。若上述措施沒有對(duì)污泥膨脹或生物泡沫起到很好的控制效果，可以通過投加化學(xué)藥劑或特定微生物進(jìn)行控制。

來源:凈水技術(shù)  作者:李宗仁，張新穎等 

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