活性污泥絲狀菌膨脹控制的理論研究

摘要：本文對絲狀菌污泥膨脹現象進(jìn)行分析和綜合，并在廣義的Monod方程的基礎上，提出了統一的污泥膨脹理論。該模型可以很好的解釋基質(zhì)限制、溶解氧限制、營(yíng)養物缺乏型，高、低pH和硫化氫因素引起的五種類(lèi)型主要活性污泥絲狀菌膨脹。這包括了大部分的污泥膨脹現象。利用廣義的Monod方程采用雙基質(zhì)限制(碳源和溶解氧)模型和系統動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了計算機模擬研究。對負荷與溶解氧，水質(zhì)和水量變化等因素對于菌膠團細菌和絲狀菌的競爭關(guān)系的影響進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎上對于不同的膨脹類(lèi)型對應提出了對應的控制策略。

關(guān)鍵詞：污泥膨脹 絲狀菌 菌膠團菌 廣義Monod方程

一、污泥膨脹控制方法的演化過(guò)程

早期控制絲狀菌引起的污泥膨脹(簡(jiǎn)稱(chēng)污泥膨脹)的主要手段是利用絲狀菌具有較大的比表面積值，采用藥劑殺死絲狀菌，或是投加無(wú)機或有機混凝劑或助凝劑以增加污泥絮體的比重<1>。這些方法往往無(wú)法徹底解決污泥膨脹問(wèn)題，并且相反地會(huì )帶來(lái)出水水質(zhì)惡化的不良后果。人們逐漸認識到活性污泥中的菌膠團細菌和絲狀菌形成一個(gè)共生的微生物生態(tài)體系。在這種共生關(guān)系中，絲狀微生物是不可缺少的重要微生物，其在活性污泥工藝中對于高效、穩定地凈化污水起重要作用。人們逐漸的從簡(jiǎn)單地殺死絲狀菌過(guò)渡到利用曝氣池中的生長(cháng)環(huán)境，調整絲狀菌的比例，控制污泥膨脹的發(fā)生--即環(huán)境調控階段。環(huán)境調控概念的使用是人們在污泥膨脹控制技術(shù)和實(shí)踐上的一大進(jìn)步。其主要出發(fā)點(diǎn)是使曝氣池中的生態(tài)環(huán)境，有利于選擇性地發(fā)展菌膠團細菌，應用生物競爭的機制抑制絲狀菌的過(guò)度生長(cháng)和繁殖，將絲狀菌控制在一個(gè)合理的范圍之內，從而控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展。同時(shí)利用絲狀菌特性?xún)艋�污水，穩定處理工藝。近年選擇器理論得到充分發(fā)展和應用就是這一概念具體體現<2><3>。

二、統一的污泥膨脹的理論

由于活性污泥是一混合培養系統，活性污泥是菌膠團細菌與絲狀菌的共生系統，任何活性污泥系統中都存在著(zhù)絲狀茵。絲狀菌也不僅僅是一種菌存在，活性污泥中存在著(zhù)至少30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌，污泥膨脹的原因是復雜的。在絲狀茵與菌膠團細菌平衡生長(cháng)時(shí)，不會(huì )產(chǎn)生膨脹問(wèn)題。只有當絲狀茵生長(cháng)超過(guò)菌膠團細菌時(shí)，就會(huì )出現膨脹問(wèn)題。污泥膨脹是由絲狀茵和菌膠團細菌生理和生化性質(zhì)不同所決定的，這兩類(lèi)細菌性質(zhì)的差異見(jiàn)表1。 

通過(guò)對近年來(lái)活性污泥膨脹問(wèn)題國內外研究進(jìn)展的分析和綜合，可以將主要的活性污泥絲狀菌膨脹的原因分為五種類(lèi)型：即a)基質(zhì)限制；b)溶解氧限制；c)營(yíng)養物缺乏型高；d)高、低pH引起； e) 和硫化氫因素等膨脹類(lèi)型<4>。

1. 廣義的Monod方程
絲狀菌與菌膠團細菌競爭的數學(xué)模型，其遵循多種基質(zhì)限制的廣義Monod方程，即Monod-McGee方程<1>：

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

其中：μmax：最大生長(cháng)速率(d-1)；Ki:第I種基質(zhì)親和力(mg/l)；Si：第I種基質(zhì)。

根據動(dòng)力學(xué)方程(1)可知，基質(zhì)限制、溶解氧限制和營(yíng)養物缺乏型的膨脹問(wèn)題都可用廣義Monod方程來(lái)加以解釋。值得說(shuō)明的是當氮嚴重缺乏時(shí)并不能歸入這一理論。原因在于由于缺乏氮，使微生物不能充分利用碳源合成細胞物質(zhì)，使得過(guò)量的碳源被轉變?yōu)槎嗵穷?lèi)胞外貯存物，這種貯存物是高度親水型化合物，從而形成結合水，影響污泥沉降性能，產(chǎn)生了高粘度性的膨脹，其類(lèi)型不屬于絲狀菌膨脹<5>。

2. 硫化氫的等其他類(lèi)型的問(wèn)題

關(guān)于pH的影響，可在動(dòng)力學(xué)方程的參數上，作為動(dòng)力學(xué)常數的乘積因子的形式進(jìn)行耦合，或者單獨列出其動(dòng)力學(xué)方程，從而統一在廣義Monod方程之下。關(guān)于H2S的影響，從文獻中報道引起污泥膨脹的H2S數值很低，一般是在1～2.0mg/l<5>。筆者認為每升幾毫克硫化氫似乎不足以供發(fā)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。我們進(jìn)行了向污水中添加H2S的實(shí)驗，通過(guò)實(shí)驗發(fā)現即使H2S濃度達到 50mg/l也并不發(fā)生膨脹<6>。事實(shí)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(fā)酸濃度很低時(shí)，好氧后處理也不發(fā)生膨脹。當污水處于腐敗和厭氧條件時(shí)，污水厭氧發(fā)酵的同時(shí)產(chǎn)生H2S和揮發(fā)酸。揮發(fā)酸主要包括乙酸、丙酸等，這些低分子易于降解，造成耗氧速率的增加<7>，從而引起氧的限制型膨脹，這是造成污泥膨脹的根本原因。而H2S的出現是污水厭氧發(fā)酵的一個(gè)伴隨現象。因此H2S的膨脹類(lèi)型可歸為溶解氧限制類(lèi)型的膨脹，從而廣義的Monod動(dòng)力學(xué)模型可以在一定程度上很好地統一污泥膨脹的理論。

3. 雙基質(zhì)的Monod方程

由于城市污水中N、P和其它營(yíng)養元素一般不缺乏，因此在一般情況下，可只考慮碳源限制和DO限制兩種情況。這樣城市污水的絲狀菌膨脹問(wèn)題就簡(jiǎn)化為兩種主要類(lèi)型的膨脹問(wèn)題，即基質(zhì)限制和溶解氧限制類(lèi)型。

　 μ＝μmax [S/(Ks+S)][DO/KDO+DO]   (2)

其中：μmax：最大生長(cháng)速率(d-1)；Ks:基質(zhì)親和力(mg/l)；KDO＝溶解氧親和力(mg/l)；

三、污泥膨脹數學(xué)模型的研究

1、污泥膨脹的數學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化系統模型，數學(xué)模型的建立基于以下幾個(gè)假設：1)活性污泥由兩大數群微生物組成，即絲狀菌和菌膠團菌；2)微生物生長(cháng)主要受到碳源和DO限制；3)微生物生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)可用同一基本模型來(lái)描述；4)曝氣池是完全混合式；模型所描述的系統如圖1所示。其中反應器1根據不同的實(shí)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(méi)有選擇器的系統中，回流污泥按虛線(xiàn)所示的途徑回流。根據以上假設及圖1中的物料平衡關(guān)系，可給出選擇器和曝氣池中基質(zhì)(碳源和DO)和微生物(菌膠團和絲狀菌)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)

對絲狀菌：dX21/dt ＝ (μ2－kd2－1/θc) X21　 (4)

對碳源基質(zhì)：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)

對絲狀菌：　dX22/dt ＝ (1＋r)D2(X21-X22)+(μ1－kd1) X22 (8)

對碳源基質(zhì)：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(tài)變量：Xik=污泥濃度(mg/l)；Sjk＝基質(zhì)濃度(mg/l)，i＝1,2分別代表菌膠團和絲狀菌；

j＝1,2分別代表碳源和DO；S10=碳源基質(zhì)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(dòng)力學(xué)常數：kdi衰減常數(d-1)；Yi＝產(chǎn)率系數(g/g)；Kla＝傳質(zhì)系數(min-1)；其常數見(jiàn)表1；

μi= 比生長(cháng)速率采用的雙基質(zhì)模型(方程2)，i＝1,2分別代表菌膠團和絲狀菌；

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。從圖2a可見(jiàn)絲狀菌和菌膠團細菌的競爭優(yōu)勢是根據負荷而變化的。根據負荷的不同，可劃分為三個(gè)不同階段：低負荷階段(<0.4kg COD/kgMLSS.d)這時(shí)溶解氧的供應是充分的出現基質(zhì)限制的情況。高負荷階段(>1.1kg COD/kgMLSS.d)由于主體溶液中的基質(zhì)濃度比較高，出現溶解氧限制的情況。在這之間是中等負荷范圍，在這一范圍絲狀菌與絮狀菌處于合理的比例，系統不發(fā)生膨脹。以上結果解釋了為什么在高、低負荷下都會(huì )發(fā)生污泥膨脹的原因。

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，在低負荷和高負荷范圍仍然會(huì )發(fā)生膨脹。膨脹的界限值與沒(méi)有選擇器的系統不同，對于完全混合曝氣池界上、下限下移。對于高負荷系統高的曝氣強度可以提高污泥膨脹發(fā)生的上限，但同樣較低了低負荷系統發(fā)生膨脹的下限。從圖2b可見(jiàn)對于中等負荷階段如果供氧不充分，絲狀菌仍有可能大量繁殖并形成膨脹。對于不同的曝氣強度，兩種微生物競爭優(yōu)勢發(fā)生轉變的界限值是不同的。對于這就是雙基質(zhì)動(dòng)力學(xué)方程與傳統的單獨碳源基質(zhì)限制動(dòng)力學(xué)方程描述膨脹現象的本質(zhì)區別。實(shí)驗的結果也表明，完全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>。這解釋了國內外眾多研究中，對于溶解氧對污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(fēng)量，二是用充氧能力強的裝置。

3. 流量和濃度變化的影響

實(shí)際的污水處理廠(chǎng)負荷是變化的，實(shí)驗發(fā)現在停留時(shí)間3、4和5h.下，系統的溶解氧濃度分別為1.2，2.2和3.0mg/l。圖3是流量和基質(zhì)增加幅度為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(cháng)期運行是菌膠團細菌占優(yōu)勢。流量或是基質(zhì)濃度的變化會(huì )造成絲狀菌的過(guò)度生長(cháng)，而絲狀菌的生長(cháng)不是一簡(jiǎn)單的可逆過(guò)程，結果會(huì )造成了污泥沉降性能的變化。值得說(shuō)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(guò)分析將絲狀菌膨脹概括為5種類(lèi)型，即：低基質(zhì)濃度、低溶解氧、營(yíng)養物(N、P)缺乏型、高H2S濃度和高、低pH引起的膨脹。采用廣義Monod方程可解釋大部分類(lèi)型的膨脹問(wèn)題，這在一定程度上統一了污泥膨脹理論。由于城市污水中N、P和其它營(yíng)養元素一般不缺乏，因此在一般情況下，只考慮碳源限制和DO限制兩種情況；

2) 在雙基質(zhì)限制下，低負荷的完全混合曝氣池不利于污泥沉淀性能的改善，而中、高負荷的膨脹則在完全混合曝氣池中有所緩解。中、高負荷系統由于首端缺氧不利污泥沉降性能，所以在推流式曝氣池需要采取措施避免供氧不足。反之，推流式曝氣池有利于克服低負荷的膨脹，即高負荷與低負荷是兩種類(lèi)型完全相反的膨脹現象。

3) 對活性污泥膨脹，既要從宏觀(guān)角度考慮，又要從微觀(guān)角度考慮,而宏觀(guān)與微觀(guān)是相對的。就活性污泥工藝的運轉條件而言，負荷、基質(zhì)濃度和溶解氧濃度的水平是宏觀(guān)條件。但曝氣池首端的實(shí)際的負荷、基質(zhì)濃度和溶解氧濃度是更為重要的因素。后者是決定污泥膨脹的微環(huán)境，種群的動(dòng)態(tài)是由其微環(huán)境中的營(yíng)養物的條件所確定的；

4) 傳統的選擇器類(lèi)型是僅僅考慮低基質(zhì)濃度型膨脹。選擇器是在完全混合或推流曝氣池前加一個(gè)停留時(shí)間非常短(15min.)的小池，在選擇器內利用兩類(lèi)細菌不同的生長(cháng)速率選擇性地培養和發(fā)展菌膠團細菌，使其成為曝氣池中的優(yōu)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(jìn)行擴展。廣義的選擇器可以包括低溶解氧型膨脹�？刹捎貌煌�的選擇器的形式，如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(lái)控制高負荷型的污泥膨脹。

參考文獻
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7) 王凱軍(1992)，厭氧(水解)處理低濃度污水,中國環(huán)境出版社 
作者: 王凱軍,許曉鳴