探討活性污泥法的生物泡沫形成及案例分析
摘 要：當(dāng)環(huán)境不利于微生物的生長(zhǎng)時(shí)，絲狀菌的菌絲會(huì)從菌膠團(tuán)中伸展出來(lái)以增加其攝取營(yíng)養(yǎng)的表面積，其生長(zhǎng)速率高于其他微生物。當(dāng)春夏交變時(shí)，污泥的活性均有下降，生活污水中有大量的合成洗滌劑和油脂類得不到降解，而一些絲狀菌仍然活躍，它們喜歡利用這些物質(zhì)作為食物并快速增長(zhǎng)，這使得出現(xiàn)絲狀菌的暴發(fā)并形成泡沫。
活性污泥工藝是污水處理廠應(yīng)用最廣泛的生物處理方法。對(duì)于世界上大多數(shù)采用活性污泥法的污水處理廠而言，普遍存在表面泡沫問(wèn)題。這使污水廠的操作、運(yùn)行和控制產(chǎn)生了困難，也嚴(yán)重影響出水水質(zhì)。據(jù)對(duì)歐洲污水廠的調(diào)查，有20%受到泡沫的長(zhǎng)期影響，50%受到周期影響，采用延時(shí)曝氣方式的污水廠中有87%受到泡沫影響
泡沫一般分為三種形式：
①啟動(dòng)泡沫；钚晕勰喙に囘\(yùn)行啟動(dòng)初期，由于污水中含有一些表面活性物質(zhì)，易引起表面泡沫。但隨著活性污泥的成熟，這些表面活性物質(zhì)經(jīng)生物降解，泡沫現(xiàn)象會(huì)逐漸消失。
②反硝化泡沫。如果污水廠進(jìn)行硝化反應(yīng)，則在沉淀池或曝氣不足的地方會(huì)發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生氮等氣泡而帶動(dòng)部分污泥上浮，出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象。
③生物泡沫。由于絲狀微生物的異常生長(zhǎng)，與氣泡、絮體顆粒混合而成的泡沫具有穩(wěn)定、持續(xù)、較難控制的特點(diǎn)。生物泡沫對(duì)污水廠的運(yùn)行是非常不利的：在曝氣池或二沉池中出現(xiàn)大量絲狀微生物，水面上漂浮、積聚大量泡沫；造成出水有機(jī)物濃度和懸浮固體升高；產(chǎn)生惡臭或不良有害氣體；降低機(jī)械曝氣方式的氧轉(zhuǎn)移效率；可能造成后期污泥消化時(shí)產(chǎn)生大量表面泡沫。
1 生物泡沫的形成及影響因素
1.1 生物泡沫的形成機(jī)理
①與泡沫有關(guān)的微生物大都含有脂類物質(zhì)，如M.parvicella的脂類含量達(dá)干重的35%。因此，這類微生物比水輕，易漂浮到水面。
②與泡沫有關(guān)的微生物大都呈絲狀或枝狀，易形成網(wǎng)，能捕掃微粒和氣泡等，并浮到水面。被絲網(wǎng)包圍的氣泡，增加了其表面的張力，使氣泡不易破碎，泡沫就更穩(wěn)定。
③曝氣氣泡產(chǎn)生的氣浮作用常常是泡沫形成的主要?jiǎng)恿。顆粒利用氣泡氣浮，必須是形小、質(zhì)輕和具有疏水性的物質(zhì)。所以，當(dāng)水中存在油、脂類物質(zhì)和含脂微生物時(shí)，則易產(chǎn)生表面泡沫現(xiàn)象。
1.2與生物泡沫形成有關(guān)的菌屬
生物泡沫的形成主要與活性污泥中微生物的生長(zhǎng)和種類有關(guān)，但至今仍有許多現(xiàn)象不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行解釋。世界上普遍承認(rèn)的與生物泡沫有關(guān)的菌屬主要有：①放線菌，包括：Nocardia amarae，革蘭氏陽(yáng)性，枝狀菌絲；Nocardia pinesis，革蘭氏陽(yáng)性，松枝狀；Rhodococcus sp.，革蘭氏陽(yáng)性，枝狀菌絲。②絲狀菌，包括：Microthrix parvicella，革蘭氏陽(yáng)性，絲狀、無(wú)鞘無(wú)分枝；Eikelboom type 0675，革蘭氏陽(yáng)性，有鞘無(wú)分枝；Eikelboom type 0092，革蘭氏陰性，無(wú)鞘無(wú)分枝。1.3 生物泡沫形成的主要因素
①污泥停留時(shí)間。由于產(chǎn)生泡沫的微生物普遍生長(zhǎng)速率較低、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)(見(jiàn)表1)，所以長(zhǎng)污泥停留時(shí)間(SRT)都會(huì)有利于這些微生物的生長(zhǎng)。如采用延時(shí)曝氣方式就易產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象，而且一旦泡沫形成，泡沫層的生物停留時(shí)間就獨(dú)立于曝氣池內(nèi)的污泥停留時(shí)間，易形成穩(wěn)定持久的泡沫。
表1 微生物的生長(zhǎng)周期與生長(zhǎng)溫度
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②pH值。有報(bào)道指出：pH值從7.0下降到5.0～5.6時(shí)，能有效地減少泡沫的形成。Nocardia amarae的生長(zhǎng)對(duì)pH值極敏感，最適宜的pH值為7.8，當(dāng)pH值為5.0時(shí)，就能有效控制其生長(zhǎng)。Microthrix parvicella最適宜pH值為7.7～8.0。
③溶解氧(DO)。Nocardia 是嚴(yán)格的好氧菌，在缺氧或厭氧條件下，不易生長(zhǎng)，但也不死亡。Microthrix parvicella卻能忍受缺氧狀態(tài)。
④溫度。與生物泡沫形成有關(guān)的菌類都有各自適宜的生長(zhǎng)溫度和最佳溫度(見(jiàn)表1)，當(dāng)環(huán)境或水溫有利于它們生長(zhǎng)時(shí)，就可能產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象。
⑤憎水性物質(zhì)。雖然原理不很清楚，但有試驗(yàn)說(shuō)明，不溶性或憎水性物質(zhì)(如油、脂類等)有利于放線菌的生長(zhǎng)。
⑥曝氣方式。據(jù)觀察，不同曝氣方式產(chǎn)生的氣泡不同，微氣泡或小氣泡比大氣泡更有利于產(chǎn)生生物泡沫，并且泡沫層易集中于曝氣強(qiáng)度低的區(qū)域。
2 生物泡沫的控制方
①噴灑水。這是一種最常用的物理方法。通過(guò)噴灑水流或水珠以打碎浮在水面的氣泡， 來(lái)減少泡沫。打散的污泥顆粒部分重新恢復(fù)沉降性能，但絲狀細(xì)菌仍然存在于混合液中，所以，不能根本消除泡沫現(xiàn)象。
②投加消泡劑？梢圆捎镁哂袕(qiáng)氧化性的殺菌劑，如氯、臭氧和過(guò)氧化物等。還有利用聚乙二醇、硅酮生產(chǎn)的市售藥劑，以及氯化鐵和銅材酸洗液的混合藥劑等。藥劑的作用僅僅能降低泡沫的增長(zhǎng)，卻不能消除泡沫的形成。而廣泛應(yīng)用的殺菌劑普遍存在負(fù)作用，因?yàn)檫^(guò)量或投加位置不當(dāng)，會(huì)大量降低反應(yīng)池中絮成菌的數(shù)量及生物總量。
③降低污泥齡。一般采用降低曝氣池中污泥的停留時(shí)間，以抑制有較長(zhǎng)生長(zhǎng)期的放線菌的生長(zhǎng)。有實(shí)踐證明，當(dāng)污泥停留時(shí)間在5～6 d時(shí)，能有效控制Nocardia菌屬的生長(zhǎng)，以避免由其產(chǎn)生的泡沫問(wèn)題。但降低污泥齡也有許多不適用的方面：當(dāng)需要硝化時(shí)，則污泥停留時(shí)間在寒冷季節(jié)至少需要6 d，這與采用此法矛盾；另外，Microthrix parvicella和一些絲狀菌卻不受污泥齡變化的影響。
④回流厭氧消化池上清液。已有試驗(yàn)表明，采用厭氧消化池上清液回流到曝氣池的方法，能控制曝氣池表面的氣泡形成。厭氧消化池上清液的主要作用是能抑制Rhodococcus菌，但利用此法在幾個(gè)污水處理廠進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，并沒(méi)有取得象實(shí)驗(yàn)室那樣的成功。由于厭氧消化池上清液中含有高濃度好氧底物和氨氮，它們都會(huì)影響最后的出水質(zhì)量，應(yīng)慎重采用。
⑤投加特別微生物。有研究提出，一部分特殊菌種可以消除Nocardia菌的活力，其中包括原生動(dòng)物腎形蟲等。另外，增加捕食性和拮抗性的微生物，對(duì)部分泡沫細(xì)菌有控制作用。
⑥選擇器。選擇器是通過(guò)創(chuàng)造各種反應(yīng)環(huán)境(氧、有機(jī)負(fù)荷或污泥濃度等)，以選擇優(yōu)先生長(zhǎng)的微生物，淘汰其他微生物。有研究報(bào)道：好氧選擇器能一定程度地控制M.parvicella，但對(duì)Nocardia菌屬無(wú)大影響；而缺氧選擇器對(duì)Nocardia菌屬有控制作用，卻對(duì)M.parvicella無(wú)作用。
3 實(shí)例分析
雖然各種研究和實(shí)踐表明泡沫問(wèn)題具有基本共同的原理，但引起泡沫現(xiàn)象的因素很多，控制的方法也各異(見(jiàn)表2)。
表2 一些污水廠的泡沫控制方法及其成功率
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從泡沫控制的結(jié)果來(lái)看，各種方法的使用都應(yīng)慎重考慮，例如雖然選擇器是一種方便的方法，但仍然需要有針對(duì)性。因此，首先應(yīng)找出形成泡沫問(wèn)題的主要原因，再提出符合實(shí)際的可行解決方法。
大關(guān)污水處理廠是杭州市的一個(gè)居住區(qū)污水處理廠，處理量為4 000m3/d ，采用合建式氧化溝。通過(guò)1995年—1999年的觀察，總結(jié)出其泡沫現(xiàn)象的規(guī)律，主要是與氣候(氣溫、水溫和大氣壓力)有關(guān)。嚴(yán)重的泡沫現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)在溫度高的夏季和寒冷的冬季都不會(huì)發(fā)生，每年都出現(xiàn)在春夏、秋冬換季時(shí)。即發(fā)生在氣溫、水溫和氣壓交變的環(huán)境。分析1999年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)生泡沫現(xiàn)象的時(shí)期為：①由水溫高于氣溫而交變到水溫低于氣溫時(shí)(3月下旬到4月中旬)和由水溫低于氣溫而交變到水溫高于氣溫時(shí)(10月下旬到11月中旬)。②氣壓和氣溫交變的時(shí)期。顯然，由于生態(tài)環(huán)境的更迭，使微生物的生長(zhǎng)、構(gòu)成等發(fā)生了變化。從過(guò)去的操作運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，不改變其他條件，泡沫現(xiàn)象在經(jīng)歷一段時(shí)間后(10～20 d)會(huì)逐漸消失，污水處理系統(tǒng)自動(dòng)修復(fù)。通過(guò)鏡檢，發(fā)現(xiàn)春夏交變的泡沫中主要是絲狀菌的暴發(fā)，絲狀菌大量生長(zhǎng)，并伸展開來(lái)；而秋冬交變時(shí)，失去活力的絲狀菌包裹在同樣失去活力的菌膠團(tuán)中形成上浮泡沫。其原理仍須進(jìn)一步研究，一般認(rèn)為，當(dāng)季節(jié)(溫度、氣壓)交變時(shí)，微生物均會(huì)受到影響，但絲狀菌的適應(yīng)性要比一些絮成菌強(qiáng)，如Microthrix parvicella的生長(zhǎng)溫度可在8～35 ℃間，而且更適宜生長(zhǎng)在低溫環(huán)境。當(dāng)環(huán)境不利于微生物的生長(zhǎng)時(shí)，絲狀菌的菌絲會(huì)從菌膠團(tuán)中伸展出來(lái)以增加其攝取營(yíng)養(yǎng)的表面積，其生長(zhǎng)速率高于其他微生物。當(dāng)春夏交變時(shí)，污泥的活性均有下降，生活污水中有大量的合成洗滌劑和油脂類得不到降解，而一些絲狀菌仍然活躍，它們喜歡利用這些物質(zhì)作為食物并快速增長(zhǎng)，這使得出現(xiàn)絲狀菌的暴發(fā)并形成泡沫。秋冬交變時(shí)，主要形成的是上浮污泥(這與前者不同)，在上浮污泥和泡沫中很難發(fā)現(xiàn)展開的絲狀菌，顯微鏡下可見(jiàn)上浮污泥中包裹有細(xì)小氣泡。估計(jì)這是在環(huán)境交變時(shí)，菌膠團(tuán)變得分散細(xì)小，結(jié)合曝氣氣泡后密度減小而產(chǎn)生上浮？偨Y(jié)出泡沫形成規(guī)律后，對(duì)采取控制措施有利，如對(duì)于春夏交變時(shí)的泡沫采用機(jī)械清理、刮除的方法。因?yàn)檫@些泡沫存在大量絲狀菌，不宜遺留在混合液中，以免重新造成泡沫現(xiàn)象。另外，投加殺菌劑會(huì)有一定的控制效果，但應(yīng)慎重。而對(duì)于秋冬交變時(shí)的上浮污泥和泡沫可采用高壓水槍噴水來(lái)緩解，因?yàn)樯细∥勰嘀腥匀淮蟛糠譃樾醭删，被打碎后可以回到混合液中。這些方法取得了一定的控制作用，但還應(yīng)進(jìn)一步觀察和分析研究。
另外，曾在試驗(yàn)研究氣提式循環(huán)反應(yīng)器時(shí)進(jìn)行了活性污泥和載體的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)只有活性污泥時(shí)，污水處理到硝化階段常常會(huì)發(fā)生污泥膨脹和嚴(yán)重的泡沫現(xiàn)象；在相同條件下，向反應(yīng)器內(nèi)投加載體(爐渣)后由氣體進(jìn)行提升，發(fā)現(xiàn)大量絲狀菌固著在載體表面生長(zhǎng)，沒(méi)有出現(xiàn)污泥膨脹和嚴(yán)重的泡沫現(xiàn)象，雖然出水的懸浮固體(SS)有所上升，但系統(tǒng)的處理效果和穩(wěn)定性都得到提高。因此，在一些活性污泥系統(tǒng)中投加移動(dòng)或固定填料，使一些易產(chǎn)生污泥膨脹和泡沫的微生物固著生長(zhǎng)，這既能提高處理效果，又能減少或控制泡沫的產(chǎn)生。
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