生物選擇器控制污泥膨脹的機理及其設計

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簡介： 從生物選擇器的機理入手，分析了常規(guī)工藝中污泥膨脹的控制途徑及選擇器的設計要點。
關鍵字：污泥膨脹生物選擇器控制途徑設計

1　生物選擇器的工作機理
1.1動力學選擇性機理
　　污泥中活性微生物的增長都符合Monod方程：
　　　　　　　(1／X)•(dX／dt)=μ=μmax[S/(KS+S)]
　　式中：X——生物體濃度，mg/L
　　　　?S——生長限制性基質濃度，mg/L
　　　　　μ——微生物比增長速率，d-1
　　　　?KS——飽和常數，其值為μ=μmax/2時的基質濃度，mg/L
　　　　　μmax——在飽和濃度中微生物的最大比增長速率，d-1
　　大多數絲狀菌的KS和μmax值比菌膠團細菌低。按照Monod方程具有低KS和μmax值的絲狀菌在低基質濃度條件下具有高的增長速率，而具有較高KS和μmax值的菌膠團細菌在高基質濃度條件下才占優(yōu)勢。
　　在基質濃度高時菌膠團的基質利用速率要高于絲狀菌，故可以利用基質推動力選擇性的培養(yǎng)菌膠團細菌而限制絲狀菌的增長。根據這一原理可以在曝氣池前設生物選擇器，通過選擇器對微生物進行選擇性培養(yǎng)以防止污泥膨脹的發(fā)生。根據生物選擇器中曝氣與否可將其分為好氧、缺氧、厭氧選擇器。具體方法是在曝氣池首端劃出一格或幾格設置高負荷接觸區(qū)，將全部污水引入第一個間格并使整個系統(tǒng)中不存在濃度梯度(進行攪拌使污泥和污水充分混合接觸)。在好氧選擇器內需對污水進行曝氣充氧，而缺氧、厭氧選擇器只攪拌不曝氣。
　　好氧選擇器防止污泥膨脹的機理是提供一個氧源和食料充足的高負荷區(qū)，讓菌膠團細菌率先搶占有機物而不給絲狀菌過度繁殖的機會。
　　缺氧選擇器和厭氧選擇器的構造完全一樣，其功能取決于活性污泥的泥齡。當泥齡較長時會發(fā)生較完全的硝化，選擇器內會含有很多硝酸鹽，此時為缺氧選擇器；當泥齡較短時選擇器內既無溶解氧又無硝酸鹽，此時為厭氧選擇器。缺氧選擇器控制污泥膨脹的主要原理是絕大部分菌膠團細菌能夠利用選擇器內硝酸鹽中的化合態(tài)氧作氧源進行生長繁殖，而絲狀菌沒有此功能，因而其在選擇器內受到抑制，大大降低了污泥膨脹的可能性。厭氧選擇器控制污泥膨脹的主要原理是絕大部分種類的絲狀菌都是好氧的，在厭氧狀態(tài)下將受到抑制，而絕大部分的菌膠團細菌為兼性菌，在厭氧條件下將進行厭氧代謝，繼續(xù)增殖。但應注意厭氧選擇器的設置會增大產生絲硫菌污泥膨脹的可能性(菌膠團細菌的厭氧代謝產生的硫化氫為絲狀菌的繁殖提供條件)，故厭氧選擇器的水力停留時間不宜過長。
1.2　生物吸附機理
　　菌膠團細菌對溶解性有機物的吸附能力遠高于絲狀菌。在生物選擇器中基質濃度很高，所以菌膠團細菌能夠吸附較多的底物積累在細胞內，在進入曝氣池后可利用這部分底物繼續(xù)生長繁殖。?
2　常規(guī)工藝中控制污泥膨脹的途徑
2.1完全混合活性污泥法
　　完全混合曝氣池內基質濃度較低，絲狀菌可以獲得較高的增長速率，故該法易發(fā)生污泥膨脹。這時可將曝氣池分成多格且以推流的方式運行或增設一個分格設置的小型預曝氣池作為生物選擇器。當廢水進入選擇器后，由于廢水中的有機物濃度較高使選擇器中的F/M值較大而不適宜絲狀菌的生長，菌膠團微生物則快速吸附廢水中的大部分可溶性有機物，在有足夠的停留時間和溶解氧的條件下進行生物代謝而不斷地得到增殖，絲狀菌卻因缺乏足夠的有機營養(yǎng)而受到抑制，這樣就會減少絲狀菌引起的污泥膨脹。
　　選擇器與完全混合活性污泥法相組合的工藝在歐美一些國家的工業(yè)廢水和中小流量的城市污水處理廠中有較廣泛的應用。實際運行結果表明，選擇器工藝控制污泥膨脹的效果非常明顯。據報道［1］，美國的VOSA污水處理廠的完全混合式曝氣池在冬季經常發(fā)生絲狀菌引起的污泥膨脹的問題(SVI值高達400mL/g)，但通過在曝氣池前設置一個水力停留時間為15min的選擇器后便完全抑制了絲狀菌的生長，使污泥的SVI值降至100mL/g以下 。?
　　間歇進水、排水的SBR反應器就其本身而言是屬于完全混合型的，但由于在反應過程中反應器不進水，因而其內部存在一個污染物的基質濃度梯度(即F/M梯度)，只不過這種梯度是按時間變化的，其底物的濃度變化相當于普通曝氣池的分格數為無限多，從而可以起到抑制絲狀菌膨脹的作用，故無需設置選擇器。
　　對于連續(xù)進水的SBR系統(tǒng)(如ICEAS和CASS工藝)，由于池中污水完全混合而不存在基質推動力，故需在進水端設置一個預反應區(qū)或生物選擇器。
2.3　AB工藝
　　AB工藝中的A段實際上相當于一個良好的選擇器，其對污泥膨脹的控制表現在：一方面A段的水力停留時間為15～20min，因此世代期較長的絲狀菌難以在此生存；另一方面A段中的有機負荷通常較高［≥2kgBOD5/(kgMLSS•d)］，因而可有效地抑制絲狀菌的增長。與選擇器的不同之處在于A段的優(yōu)勢微生物種群是由不斷適應原污水而形成的，回流污泥的吸附活性不是通過較徹底的代謝作用而是借助于接種微生物的高吸附能力來實現的。
　　但應指出，當負荷較高時由于菌膠團細菌攝取、貯存有機物的能力高而不能充分氧化有機物，使得菌膠團細菌實際增長速率低于絲狀菌，同時造成溶解氧相對不足。這時也易引起污泥膨脹，可分別采用增加再生池、填料池和強化曝氣池等方法來控制污泥膨脹［2］。
　　對于A/O和A2/O工藝可通過在好氧段前設置缺氧段和厭氧段以及污泥回流系統(tǒng)，使混合菌群交替處于缺氧和好氧狀態(tài)及使有機物濃度發(fā)生周期性變化，這既控制了污泥的膨脹又改善了污泥的沉降性能。而交替工作式氧化溝和UNITANK工藝等連續(xù)進水的系統(tǒng)則通過時間或空間的分割形成的“選擇器”亦可達到控制污泥膨脹的目的。?
3　選擇器的設計要點
　　在進行選擇器的設計時應注意以下幾點：
　?、龠x擇器需分格設計
　　當水力停留時間相同時，選擇器的分格數越多則對絲狀菌生長的抑制效果就越好，但分格過多將給施工和運行管理帶來不便，一般的選擇器分格數為4～6格。
　?、诒M量提高選擇器第一格中的F/M值
　　研究證明，選擇器中第一格的微生物組成和特性對抑制絲狀菌的生長有重要影響。若第一格中的F/M值很大便能有效地抑制絲狀菌的生長，并保證后續(xù)曝氣池中污泥良好的沉降性能。
　　③選擇器的水力停留時間
　　污水在選擇器中的停留時間以回流污泥能吸收80%～90%的可溶性有機基質為宜。若停留時間過短則可溶性有機物在選擇器中被菌膠團微生物吸收的較少，從而不能有效地抑制絲狀菌的生長；若停留時間過長則會造成選擇器中微生物活性梯度的增大，同時也增加了運行費用。對城市污水或與其水質相似的工業(yè)廢水而言，污水在選擇器中的水力停留時間一般為5～30min(通常為20 min左右)。
　?、茉黾悠貧獬氐乃νＡ魰r間
　　由于選擇器主要是利用活性污泥中菌膠團對可溶性有機物的吸附作用來抑制絲狀菌的生長，因而為使回流到選擇器中的活性污泥具有較高的對有機基質的吸附活性(根據積累/再生理論)，就必須要求活性污泥在曝氣池中將吸收進入細胞體內的有機物充分代謝，即要求有足夠的曝氣時間。曝氣時間較長能使回流污泥處于饑餓狀態(tài)，活性污泥進入選擇器后便能很快地吸附污水中的有機基質，從而選擇性地使菌膠團微生物成為曝氣池中的優(yōu)勢菌而得到優(yōu)勢生長。在處理城市污水和與其水質相近的工業(yè)廢水時，完全混合曝氣池的曝氣時間一般為5～6h(廢水的濃度較高時則應適當延長曝氣時間)。?
4　結語
　　污泥膨脹的機理和影響因素是相當復雜的，并且經常與生物泡沫、污泥上浮等異常現象同時出現，因此應根據具體情況采用適當的控制技術。低負荷是選擇器工藝系統(tǒng)發(fā)揮控制污泥膨脹作用并保證較高有機物去除效率的前提，所以在我國、歐洲等以低負荷設計為主的城市污水處理廠中采用生物選擇器法是控制污泥膨脹的一種有效途徑。
參考文獻：
［1］沈耀良，王寶貞.廢水生物處理新技術理論與應用［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，1999.
［2］王凱軍.高負荷活性污泥膨脹控制的試驗研究［J］.給水排水，1999，25(11):30-33.