高負荷活性污泥膨脹控制的試驗研究
中國污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2009-10-28 10:42:50
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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(zhì)、運行條件和絲狀菌過(guò)度生長(cháng)之間的關(guān)系非常關(guān)注。對于水質(zhì)的影響，不同的研究者的觀(guān)點(diǎn)是一致的。在大量的實(shí)踐中總結出如下的幾種廢水水質(zhì)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(zhì)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(yè)廢水更易發(fā)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(shí)際生產(chǎn)的報道中負荷低會(huì )引起膨脹，負荷高也會(huì )引起膨脹；低溶解氧會(huì )引起膨脹，高溶解氧也會(huì )引起膨脹；完全混合曝氣池會(huì )發(fā)生膨脹，推流式曝氣池也會(huì )發(fā)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(huì )引起膨脹等等[1-3]。由于很多因素會(huì )造成污泥膨脹，對膨脹的報道眾說(shuō)紛紜，使得人們對于污泥膨脹問(wèn)題望而生畏。污泥膨脹問(wèn)題是污水處理工藝中相對比較復雜的一個(gè)問(wèn)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(shí)際活性污泥膨脹問(wèn)題異常復雜。由于不同微生物生態(tài)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(zhì)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(shí)際應用中人們總是希望系統經(jīng)濟，而采用高負荷，這就造成國內大部分污泥膨脹類(lèi)型不同于國外。最后有時(shí)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(guān)察。
2高負荷污泥膨脹的試驗現象
作者在水解-好氧工藝開(kāi)發(fā)的小試和中試中，曾觀(guān)察到嚴重的污泥膨脹問(wèn)題，對于控制污泥膨脹的各種措施進(jìn)行了研究，如：將完全混合流態(tài)改變?yōu)橥屏髁鲬B(tài)，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(wèn)題，但是除加填料的方法外，都不能很好地長(cháng)期控制污泥膨脹的發(fā)生[4]。經(jīng)過(guò)分析，這類(lèi)的膨脹問(wèn)題與低負荷(基質(zhì)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(shí)，采用相對高的負荷( 0.3kgBOD5/( kgMLSS·d)～0.6kgBOD5/(kgMLSS·d))，也發(fā)生污泥膨脹。為了解決這個(gè)問(wèn)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(shí)間和能耗方面沒(méi)有明顯的優(yōu)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(guò)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(huì )發(fā)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(fā)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(guān)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(shí)SVI下降到300mL/g。一般污泥膨脹發(fā)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(shí)間。在一個(gè)污泥齡的時(shí)間內，觀(guān)察到污泥沉降性能的明顯改善后，由于時(shí)間問(wèn)題沒(méi)有繼續進(jìn)行觀(guān)察。
3.2加填料控制污泥膨脹
在生產(chǎn)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(shí)的SVI對比。加設軟性填料系統總停留時(shí)間為4h，負荷在0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBOD5/(kgMLSS·d)之間。從圖 2可見(jiàn)，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(shí)間延長(cháng)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(lái)看，填料上附著(zhù)生長(cháng)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(cháng)促進(jìn)因素，有利于絮狀菌的生長(cháng)。
事實(shí)上，填料池也相當一個(gè)選擇器，其將絲狀菌固著(zhù)于填料上在第一個(gè)池子中選擇性地充分生長(cháng)，但不進(jìn)入活性污泥絮體之中。而絮狀菌在第二個(gè)池內生長(cháng)，從而避免了污泥膨脹的發(fā)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(jìn)行，首先是對有機物的直接去除，這個(gè)作用在分設的填料池中最為明顯。其次是填料上生長(cháng)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(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是增加了一定的投資，還有填料的更換問(wèn)題。一般適宜小型污水處理廠(chǎng)使用，而大型污水處理廠(chǎng)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(jìn)行如下對比試驗，負荷同為0.4kgBOD5/(kgMLSS·d)～0.8kgBO D5/(kgMLSS·d)，停留時(shí)間為4h，氣、水比為(3.4～5)∶1。在試驗中發(fā)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(fā)生污泥膨脹。強制排泥后，污泥濃度不斷下降。這時(shí)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(gè)試驗不但說(shuō)明了溶解氧(宏觀(guān))在控制污泥膨脹中的重要作用，同時(shí)說(shuō)明曝氣池中實(shí)際 (微觀(guān))的溶解氧濃度的不同對于膨脹的影響。在兩個(gè)池子停留時(shí)間、曝氣量、水質(zhì)、負荷等完全一致的情況下，產(chǎn)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(gè)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(zhì)，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(fā)生膨脹。其原因在于首端負荷過(guò)高，嚴重缺氧造成絲狀菌從絮體中伸展出來(lái)爭奪氧氣，同時(shí)在后段的絲狀菌由于可以從主體溶液中直接吸取營(yíng)養，比絮體本身中的菌膠團菌有更高的生長(cháng)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(lái)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(jīng)過(guò)射流曝氣器進(jìn)行強化曝氣，并輔以原有的中微孔曝氣器，這時(shí)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(shí)射流攜帶空氣量很小。通過(guò)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(guò)程中對于絮體的切割，造成絲狀菌長(cháng)度及生態(tài)環(huán)境變化而造成的結果，而是由射流過(guò)程中高的傳質(zhì)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(cháng)的條件，抑制了絲狀菌的生長(cháng)，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(lái)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(lèi)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(jìn)行擴展。事實(shí)上，所謂選擇即在一個(gè)容器中造成利于某種微生物生長(cháng)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(lèi)型：
(1)選擇器類(lèi)型(低基質(zhì)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(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。
(2)間歇進(jìn)水型：如SBR反應器等類(lèi)型是在時(shí)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(méi)有充分氧化有機物，造成飽和現象。使得菌膠團細菌實(shí)際生長(cháng)速率低于絲狀菌。同時(shí)也發(fā)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(lái)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(fā)生。為此對不同的污水水質(zhì)，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(guò)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(chǎn)、生活的發(fā)展，也會(huì )引起污水水質(zhì)、水量變化而對污水廠(chǎng)的穩定運行發(fā)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(gè)設計良好的污水處理廠(chǎng)的必備條件。下面介紹某污水處理廠(chǎng)的設計考慮。其曝氣池的進(jìn)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(gè)設計參數下已經(jīng)過(guò)小試、中試證明可以避免污泥膨脹的發(fā)生，但在設計中還是要從多方面考慮控制污泥膨脹發(fā)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(jìn)水和回流污泥有兩個(gè)可能的進(jìn)入點(diǎn)A、B ，同時(shí)設有進(jìn)氣管調節閥門(mén)。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(shuō)明。
(1)推流式運行方式進(jìn)水與回流污泥都從A點(diǎn)進(jìn)入池子，沿廊道折返前進(jìn)。
(2)為減輕首端的負荷兩點(diǎn)進(jìn)水運行方式回流污泥仍沿A點(diǎn)進(jìn)入，進(jìn)水分別沿A、B兩點(diǎn)進(jìn)入池內，以免造成首端長(cháng)期缺氧的情況。
(3)強化曝氣調整進(jìn)氣閥門(mén)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(jìn)水沿B點(diǎn)進(jìn)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(gè)好氧選擇器。事實(shí)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(shí)際意義的。
(6)其它運行方式上述各種運行方式進(jìn)行組合，可以更加增加單項技術(shù)的效果。例如強化曝氣和二點(diǎn)進(jìn)水方式相組合。
以上的各種運行方式大部分在實(shí)踐中證實(shí)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(mén)和運行方式即可，這充分說(shuō)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(wèn)題時(shí)，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(shí)際污水處理廠(chǎng)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
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