1污泥膨脹現象的研究
在活性污泥膨脹早期的研究中，人們對于廢水水質、運行條件和絲狀菌過度生長之間的關系非常關注。對于水質的影響，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污泥膨脹：
(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)完全混合曝氣池內廢水；
(9)與城市污水相比較，工業廢水更易發生膨脹[1]。
對于運行條件對膨脹的影響，人們的認識很不一致。在實際生產的報道中負荷低會引起膨脹，負荷高也會引起膨脹；低溶解氧會引起膨脹，高溶解氧也會引起膨脹；完全混合曝氣池會發生膨脹，推流式曝氣池也會發生膨脹；低C∶N比(或C∶P比)引起膨脹，高C∶N比(或C∶P 比)也會引起膨脹等等[1-3]。由于很多因素會造成污泥膨脹，對膨脹的報道眾說紛紜，使得人們對于污泥膨脹問題望而生畏。污泥膨脹問題是污水處理工藝中相對比較復雜的一個問題。造成這種現象的原因是多方面的，首先，引起污泥膨脹的絲狀菌達30多種，所以實際活性污泥膨脹問題異常復雜。由于不同微生物生態要求不同，影響絲狀菌的因素較多。另外由于在活性污泥工藝的設計上國外大都采用低負荷系統，所以研究和報道的大部分是低負荷基質限制型膨脹。國內設計規范建議的負荷范圍是屬于中等負荷(0.3kgBOD5/(kgMLSS·d))，在實際應用中人們總是希望系統經濟，而采用高負荷，這就造成國內大部分污泥膨脹類型不同于國外。最后有時某些研究者研究的單一目的性防礙了對污泥膨脹現象的全面地觀察。
2高負荷污泥膨脹的試驗現象
作者在水解-好氧工藝開發的小試和中試中，曾觀察到嚴重的污泥膨脹問題，對于控制污泥膨脹的各種措施進行了研究，如：將完全混合流態改變為推流流態，厭氧出水預曝氣，添加厭氧污泥等等。這些方法被證明在某些情況下可以減緩污泥膨脹問題，但是除加填料的方法外，都不能很好地長期控制污泥膨脹的發生[4]。經過分析，這類的膨脹問題與低負荷(基質限制)膨脹是不同的。在小試和中試中負荷分別為0.65kgBOD5/(kgMLSS·d) ～0.85 kg BOD5/(kgMLSS·d)。荷蘭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))，也發生污泥膨脹。為了解決這個問題，他們在低負荷(0.12kgBOD5/(kgMLSS·d))下運行，污泥的沉降性能明顯改善。雖然可以采用同樣的措施控制污泥膨脹，但系統在停留時間和能耗方面沒有明顯的優勢。
3高負荷污泥膨脹的控制
3.1負荷和溶解氧的影響
采用城市污水負荷為0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)，溶解氧濃度1.0mg/L～2.0mg/L，污泥齡為20天的完全混合曝氣池(截面積1.0m2，高3.0m)。第一階段由于絲狀菌的過度增殖，SVI從280mL/g上升到800mL/g，污泥濃度下降至0.68g/L，二沉池中污泥不斷流失。一般認為在溶解氧為1.0mg/L～2.0mg/L條件下運行的曝氣池不會發生污泥膨脹，而試驗中溶解氧濃度一直維持在這一水平，仍然發生了污泥膨脹。在第二階段，從第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，污泥濃度不斷上升，在大約25天后，污泥濃度逐漸回升到1.5g/L，這時SVI下降到300mL/g。一般污泥膨脹發生速度很快，只要2～3天，而膨脹污泥的恢復很緩慢，往往需要3倍泥齡以上的時間。在一個污泥齡的時間內，觀察到污泥沉降性能的明顯改善后，由于時間問題沒有繼續進行觀察。
3.2加填料控制污泥膨脹
在生產性曝氣池頭部加占總池容15%軟填料，與傳統工藝不加填料時的SVI對比。加設軟性填料系統總停留時間為4h，負荷在0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)之間。從圖 2可見，在曝氣池供氧充足的條件下(氣水比(3.7～5)∶1)，加填料可很好地控制膨脹現象。
傳統曝氣池在相同條件下的運行，在后期停留時間延長1倍。負荷降低1倍，SVI仍在200mL/g ～500mL/g之間，遠高于加填料系統(SVI平均在100mL/g左右)。從填料池的分析來看，填料上附著生長的微生物以硫絲菌、021N型菌絲狀菌為主。填料池對有機酸的去除率高達80%，對COD去除率為50%，H2S從3.67mg/L降至0.77mg/L。從而去除了絲狀菌的生長促進因素，有利于絮狀菌的生長。
事實上，填料池也相當一個選擇器，其將絲狀菌固著于填料上在第一個池子中選擇性地充分生長，但不進入活性污泥絮體之中。而絮狀菌在第二個池內生長，從而避免了污泥膨脹的發生。其主要的作用是降低污水的有機負荷，菌膜的脫落是次要因素。對于有機負荷的降低，是從兩方面進行，首先是對有機物的直接去除，這個作用在分設的填料池中最為明顯。其次是填料上生長的微生物量，增加了系統中總的生物量，從而降低了有機負荷。加填料控制污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。一般適宜小型污水處理廠使用，而大型污水處理廠一般不宜采用。
3.3池型和曝氣強度對污泥膨脹的影響
對城市污水在高負荷下進行如下對比試驗，負荷同為0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBO D5/(kgMLSS·d)，停留時間為4h，氣、水比為(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完全混合曝氣池的高100左右。在試驗中氣、水比為3.5∶1的情況下，推流式曝氣池的SVI上升到450mL/g左右，二沉池污泥面不斷上升，污泥溢流，發生污泥膨脹。強制排泥后，污泥濃度不斷下降。這時增加曝氣量之后，雖SVI略有下降，但由于污泥濃度恢復較慢。負荷比初始值要大的多，接近1.0kgBOD5/(kgMLSS·d)，SVI最終仍在350mL/g左右。
這個試驗不但說明了溶解氧(宏觀)在控制污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于膨脹的影響。在兩個池子停留時間、曝氣量、水質、負荷等完全一致的情況下，產生差別的原因是由于推流式曝氣池首端的溶解氧濃度，在整個試驗期間里一直等于零。而在完全混合曝氣池中溶解氧濃度為2.0mg/L。這表明在高負荷的曝氣池的運轉中，推流式曝氣池不利于改善污泥沉降性能。因為當污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于氧的利用速率，特別是在曝氣池頭部更加嚴重。在這種情況下使氧成為限制因素，即使在曝氣池其它部位溶解氧濃度為1.0mg /L～2.0mg/L仍然發生膨脹。其原因在于首端負荷過高，嚴重缺氧造成絲狀菌從絮體中伸展出來爭奪氧氣，同時在后段的絲狀菌由于可以從主體溶液中直接吸取營養，比絮體本身中的菌膠團菌有更高的生長速率，從而得到充分的增殖(充分伸展的絲狀菌阻礙了污泥的沉降)而造成了膨脹。從試驗結果來看，在曝氣池頭部的溶解氧保持在2.0mg/L(強化曝氣或再生池) ，可以有效地控制污泥膨脹。
3.4回流污泥射流強化曝氣
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污泥經過射流曝氣器進行強化曝氣，并輔以原有的中微孔曝氣器，這時首端小池的溶解氧從零提高到1.6mg/L，解決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。通過對回流污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：回流污泥射流對于污泥膨脹的控制作用，不是由于射流過程中對于絮體的切割，造成絲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質效率，提供了充足的溶解氧。在曝氣池首端造成了有利于菌膠團菌生長的條件，抑制了絲狀菌的生長，從而控制了污泥膨脹。在首端強化曝氣可采用回流污泥射流，也可采用加大首端曝氣強度(供氣量)。從試驗結果來看，其對污泥膨脹的控制作用是十分有效的。這就為高負荷類型的污泥膨脹的控制提供了多種選擇方案。
4討論和結論
4.1廣義的選擇器理論
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，所謂選擇即在一個容器中造成利于某種微生物生長的條件，從而達到使其不斷增殖的目的。選擇器可分為3種不同類型：
(1)選擇器類型(低基質濃度型膨脹)：選擇器是在完全混合池或推流曝氣池前加生物選擇器，在選擇器內利用兩類細菌不同的生長速率選擇性地培養和發展菌膠團細菌，使其成為曝氣池中的優勢菌。
(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)廣義的選擇器(低溶解氧型膨脹)：在較高負荷下，由于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于絲狀菌。同時也發生了溶解氧限制，易引起污泥膨脹。因此可采用如部分填料池、再生池和強化曝氣池等方法，恢復菌膠團細菌的降解能力、提高供氧能力和降低負荷來控制污泥膨脹。
4.2防止污泥膨脹的設計
在污泥膨脹的控制中，采取必要的控制手段解除污泥膨脹固然十分重要，但更為重要的是在設計階段就防止污泥膨脹的發生。為此對不同的污水水質，采取適當的防止污泥澎脹的工藝，在負荷的選擇上避免容易引起污泥膨脹的負荷范圍，在運行過程中調整正確的運行參數，這都是十分重要的。即使這樣由于生產、生活的發展，也會引起污水水質、水量變化而對污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制污泥膨脹的備用手段，是一個設計良好的污水處理廠的必備條件。下面介紹某污水處理廠的設計考慮。其曝氣池的進水為完全溶解性、有機酸含量高、易引起污泥膨脹的污水。曝氣池設計污泥負荷為 0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)，為中、高負荷易引起污泥膨脹。雖然在這個設計參數下已經過小試、中試證明可以避免污泥膨脹的發生，但在設計中還是要從多方面考慮控制污泥膨脹發生的措施。曝氣池為兩組平行的三廊道曝氣池。其中在第一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。進水和回流污泥有兩個可能的進入點A、B ，同時設有進氣管調節閥門。以上這一系列措施，提供了控制污泥膨脹的多種運行方式，下面分別一一說明。
(1)推流式運行方式進水與回流污泥都從A點進入池子，沿廊道折返前進。
(2)為減輕首端的負荷兩點進水運行方式回流污泥仍沿A點進入，進水分別沿A、B兩點進入池內，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于其它部位，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，回流污泥在小池內再生，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好氧選擇器。事實上，對于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污泥膨脹有一定的控制作用，并且在設計中考慮，一不用增加投資、二不要增加運行費用，只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)加填料控制膨脹由于在首端預埋了安裝填料的部件，其體積只占總體積的10%左右，增加投資有限，而對膨脹的控制是目前所有控制方法中最為有效的方法之一。
(8)根據需要首端還可加設潛水射流泵在其它的實際污水處理廠的設計中，只要選擇1～2項最為有效的備用方案即可。
參考文獻
1王凱軍. 活性污泥膨脹機理與控制. 北京：中國環境出版社，1 993
2Antonia O Lau,Peter F. Strom and David Jenkins. The Competitive Growth of Fl ocf orming and Filamentous Bacteria: a Model for Activated Sludge Bulking. Journal W PCF,1984,56(1):24
3J Chudoba et al. Control of Activity Sludge Filamentous Bulking:Experimental Verification of a Kinetic Selection Theroy. Water Res,1985,19(2):567
4王凱軍. 絲狀菌型污泥膨脹的統一理論. 環境科學，1992，13(3)：76 來源：谷騰水網
