生物选择器控制污泥膨胀的机理及其设计

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简介： 从生物选择器的机理入手，分析了常规工艺中污泥膨胀的控制途径及选择器的设计要点。
关键字：污泥膨胀生物选择器控制途径设计

1　生物选择器的工作机理
1.1动力学选择性机理
　　污泥中活性微生物的增长都符合Monod方程：
　　　　　　　(1／X)•(dX／dt)=μ=μmax[S/(KS+S)]
　　式中：X——生物体浓度，mg/L
　　　　?S——生长限制性基质浓度，mg/L
　　　　　μ——微生物比增长速率，d-1
　　　　?KS——饱和常数，其值为μ=μmax/2时的基质浓度，mg/L
　　　　　μmax——在饱和浓度中微生物的最大比增长速率，d-1
　　大多数丝状菌的KS和μmax值比菌胶团细菌低。按照Monod方程具有低KS和μmax值的丝状菌在低基质浓度条件下具有高的增长速率，而具有较高KS和μmax值的菌胶团细菌在高基质浓度条件下才占优势。
　　在基质浓度高时菌胶团的基质利用速率要高于丝状菌，故可以利用基质推动力选择性的培养菌胶团细菌而限制丝状菌的增长。根据这一原理可以在曝气池前设生物选择器，通过选择器对微生物进行选择性培养以防止污泥膨胀的发生。根据生物选择器中曝气与否可将其分为好氧、缺氧、厌氧选择器。具体方法是在曝气池首端划出一格或几格设置高负荷接触区，将全部污水引入第一个间格并使整个系统中不存在浓度梯度(进行搅拌使污泥和污水充分混合接触)。在好氧选择器内需对污水进行曝气充氧，而缺氧、厌氧选择器只搅拌不曝气。
　　好氧选择器防止污泥膨胀的机理是提供一个氧源和食料充足的高负荷区，让菌胶团细菌率先抢占有机物而不给丝状菌过度繁殖的机会。
　　缺氧选择器和厌氧选择器的构造完全一样，其功能取决于活性污泥的泥龄。当泥龄较长时会发生较完全的硝化，选择器内会含有很多硝酸盐，此时为缺氧选择器；当泥龄较短时选择器内既无溶解氧又无硝酸盐，此时为厌氧选择器。缺氧选择器控制污泥膨胀的主要原理是绝大部分菌胶团细菌能够利用选择器内硝酸盐中的化合态氧作氧源进行生长繁殖，而丝状菌没有此功能，因而其在选择器内受到抑制，大大降低了污泥膨胀的可能性。厌氧选择器控制污泥膨胀的主要原理是绝大部分种类的丝状菌都是好氧的，在厌氧状态下将受到抑制，而绝大部分的菌胶团细菌为兼性菌，在厌氧条件下将进行厌氧代谢，继续增殖。但应注意厌氧选择器的设置会增大产生丝硫菌污泥膨胀的可能性(菌胶团细菌的厌氧代谢产生的硫化氢为丝状菌的繁殖提供条件)，故厌氧选择器的水力停留时间不宜过长。
1.2　生物吸附机理
　　菌胶团细菌对溶解性有机物的吸附能力远高于丝状菌。在生物选择器中基质浓度很高，所以菌胶团细菌能够吸附较多的底物积累在细胞内，在进入曝气池后可利用这部分底物继续生长繁殖。?
2　常规工艺中控制污泥膨胀的途径
2.1完全混合活性污泥法
　　完全混合曝气池内基质浓度较低，丝状菌可以获得较高的增长速率，故该法易发生污泥膨胀。这时可将曝气池分成多格且以推流的方式运行或增设一个分格设置的小型预曝气池作为生物选择器。当废水进入选择器后，由于废水中的有机物浓度较高使选择器中的F/M值较大而不适宜丝状菌的生长，菌胶团微生物则快速吸附废水中的大部分可溶性有机物，在有足够的停留时间和溶解氧的条件下进行生物代谢而不断地得到增殖，丝状菌却因缺乏足够的有机营养而受到抑制，这样就会减少丝状菌引起的污泥膨胀。
　　选择器与完全混合活性污泥法相组合的工艺在欧美一些国家的工业废水和中小流量的城市污水处理厂中有较广泛的应用。实际运行结果表明，选择器工艺控制污泥膨胀的效果非常明显。据报道［1］，美国的VOSA污水处理厂的完全混合式曝气池在冬季经常发生丝状菌引起的污泥膨胀的问题(SVI值高达400mL/g)，但通过在曝气池前设置一个水力停留时间为15min的选择器后便完全抑制了丝状菌的生长，使污泥的SVI值降至100mL/g以下 。?
　　间歇进水、排水的SBR反应器就其本身而言是属于完全混合型的，但由于在反应过程中反应器不进水，因而其内部存在一个污染物的基质浓度梯度(即F/M梯度)，只不过这种梯度是按时间变化的，其底物的浓度变化相当于普通曝气池的分格数为无限多，从而可以起到抑制丝状菌膨胀的作用，故无需设置选择器。
　　对于连续进水的SBR系统(如ICEAS和CASS工艺)，由于池中污水完全混合而不存在基质推动力，故需在进水端设置一个预反应区或生物选择器。
2.3　AB工艺
　　AB工艺中的A段实际上相当于一个良好的选择器，其对污泥膨胀的控制表现在：一方面A段的水力停留时间为15～20min，因此世代期较长的丝状菌难以在此生存；另一方面A段中的有机负荷通常较高［≥2kgBOD5/(kgMLSS•d)］，因而可有效地抑制丝状菌的增长。与选择器的不同之处在于A段的优势微生物种群是由不断适应原污水而形成的，回流污泥的吸附活性不是通过较彻底的代谢作用而是借助于接种微生物的高吸附能力来实现的。
　　但应指出，当负荷较高时由于菌胶团细菌摄取、贮存有机物的能力高而不能充分氧化有机物，使得菌胶团细菌实际增长速率低于丝状菌，同时造成溶解氧相对不足。这时也易引起污泥膨胀，可分别采用增加再生池、填料池和强化曝气池等方法来控制污泥膨胀［2］。
　　对于A/O和A2/O工艺可通过在好氧段前设置缺氧段和厌氧段以及污泥回流系统，使混合菌群交替处于缺氧和好氧状态及使有机物浓度发生周期性变化，这既控制了污泥的膨胀又改善了污泥的沉降性能。而交替工作式氧化沟和UNITANK工艺等连续进水的系统则通过时间或空间的分割形成的“选择器”亦可达到控制污泥膨胀的目的。?
3　选择器的设计要点
　　在进行选择器的设计时应注意以下几点：
　　①选择器需分格设计
　　当水力停留时间相同时，选择器的分格数越多则对丝状菌生长的抑制效果就越好，但分格过多将给施工和运行管理带来不便，一般的选择器分格数为4～6格。
　　②尽量提高选择器第一格中的F/M值
　　研究证明，选择器中第一格的微生物组成和特性对抑制丝状菌的生长有重要影响。若第一格中的F/M值很大便能有效地抑制丝状菌的生长，并保证后续曝气池中污泥良好的沉降性能。
　　③选择器的水力停留时间
　　污水在选择器中的停留时间以回流污泥能吸收80%～90%的可溶性有机基质为宜。若停留时间过短则可溶性有机物在选择器中被菌胶团微生物吸收的较少，从而不能有效地抑制丝状菌的生长；若停留时间过长则会造成选择器中微生物活性梯度的增大，同时也增加了运行费用。对城市污水或与其水质相似的工业废水而言，污水在选择器中的水力停留时间一般为5～30min(通常为20 min左右)。
　　④增加曝气池的水力停留时间
　　由于选择器主要是利用活性污泥中菌胶团对可溶性有机物的吸附作用来抑制丝状菌的生长，因而为使回流到选择器中的活性污泥具有较高的对有机基质的吸附活性(根据积累/再生理论)，就必须要求活性污泥在曝气池中将吸收进入细胞体内的有机物充分代谢，即要求有足够的曝气时间。曝气时间较长能使回流污泥处于饥饿状态，活性污泥进入选择器后便能很快地吸附污水中的有机基质，从而选择性地使菌胶团微生物成为曝气池中的优势菌而得到优势生长。在处理城市污水和与其水质相近的工业废水时，完全混合曝气池的曝气时间一般为5～6h(废水的浓度较高时则应适当延长曝气时间)。?
4　结语
　　污泥膨胀的机理和影响因素是相当复杂的，并且经常与生物泡沫、污泥上浮等异常现象同时出现，因此应根据具体情况采用适当的控制技术。低负荷是选择器工艺系统发挥控制污泥膨胀作用并保证较高有机物去除效率的前提，所以在我国、欧洲等以低负荷设计为主的城市污水处理厂中采用生物选择器法是控制污泥膨胀的一种有效途径。
参考文献：
［1］沈耀良，王宝贞.废水生物处理新技术理论与应用［M］.北京：中国环境科学出版社，1999.
［2］王凯军.高负荷活性污泥膨胀控制的试验研究［J］.给水排水，1999，25(11):30-33.