活性污泥絲狀菌膨脹控制的理論研究
本文對(duì)絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象進(jìn)行分析和綜合，并在廣義的Monod方程的基礎(chǔ)上，提出了統(tǒng)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(yǎng)物缺乏型，高、低pH和硫化氫因素引起的五種類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(xiàn)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(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究。對(duì)負(fù)荷與溶解氧，水質(zhì)和水量變化等因素對(duì)于菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)于不同的膨脹類型對(duì)應(yīng)提出了對(duì)應(yīng)的控制策略。
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(jī)或有機(jī)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(rèn)識(shí)到活性污泥中的菌膠團(tuán)細(xì)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(duì)于高效、穩(wěn)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(zhǎng)環(huán)境，調(diào)整絲狀菌的比例，控制污泥膨脹的發(fā)生--即環(huán)境調(diào)控階段。環(huán)境調(diào)控概念的使用是人們?cè)谖勰嗯蛎浛刂萍夹g(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(tuán)細(xì)菌，應(yīng)用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制抑制絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)和繁殖，將絲狀菌控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，從而控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展。同時(shí)利用絲狀菌特性凈化污水，穩(wěn)定處理工藝。近年選擇器理論得到充分發(fā)展和應(yīng)用就是這一概念具體體現(xiàn)。
二、統(tǒng)一的污泥膨脹的理論
由于活性污泥是一混合培養(yǎng)系統(tǒng)，活性污泥是菌膠團(tuán)細(xì)菌與絲狀菌的共生系統(tǒng)，任何活性污泥系統(tǒng)中都存在著絲狀茵。絲狀菌也不僅僅是一種菌存在，活性污泥中存在著至少30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌，污泥膨脹的原因是復(fù)雜的。在絲狀茵與菌膠團(tuán)細(xì)菌平衡生長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生膨脹問(wèn)題。只有當(dāng)絲狀茵生長(zhǎng)超過(guò)菌膠團(tuán)細(xì)菌時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)膨脹問(wèn)題。污泥膨脹是由絲狀茵和菌膠團(tuán)細(xì)菌生理和生化性質(zhì)不同所決定的，這兩類細(xì)菌性質(zhì)的差異見表1。
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通過(guò)對(duì)近年來(lái)活性污泥膨脹問(wèn)題國(guó)內(nèi)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型：即a)基質(zhì)限制；b)溶解氧限制；c)營(yíng)養(yǎng)物缺乏型高；d)高、低pH引起；e)和硫化氫因素等膨脹類型。
1.廣義的Monod方程
絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)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)]
其中：μmax：最大生長(zhǎng)速率(d-1)；Ki:第I種基質(zhì)親和力(mg/l)；Si：第I種基質(zhì)。
2.硫化氫的等其他類型的問(wèn)題
關(guān)于pH的影響，可在動(dòng)力學(xué)方程的參數(shù)上，作為動(dòng)力學(xué)常數(shù)的乘積因子的形式進(jìn)行耦合，或者單獨(dú)列出其動(dòng)力學(xué)方程，從而統(tǒng)一在廣義Monod方程之下。關(guān)于H2S的影響，從文獻(xiàn)中報(bào)道引起污泥膨脹的H2S數(shù)值很低，一般是在1～2.0mg/l<5>。筆者認(rèn)為每升幾毫克硫化氫似乎不足以供發(fā)硫菌或貝氏硫細(xì)菌大量增值的能量，相反幾十到上百ppm的有機(jī)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(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使H2S濃度達(dá)到50mg/l也并不發(fā)生膨脹<6>。事實(shí)上，一些厭氧裝置運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)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(xiàn)是污水厭氧發(fā)酵的一個(gè)伴隨現(xiàn)象。因此H2S的膨脹類型可歸為溶解氧限制類型的膨脹，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(tǒng)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(yǎng)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)化為兩種主要類型的膨脹問(wèn)題，即基質(zhì)限制和溶解氧限制類型。
μ＝μmax[S/(Ks+S)][DO/KDO+DO](2)
其中：μmax：最大生長(zhǎng)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(shù)學(xué)模型的研究
1、污泥膨脹的數(shù)學(xué)模型
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為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，數(shù)學(xué)模型的建立基于以下幾個(gè)假設(shè)：1)活性污泥由兩大數(shù)群微生物組成，即絲狀菌和菌膠團(tuán)菌；2)微生物生長(zhǎng)主要受到碳源和DO限制；3)微生物生長(zhǎng)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(tǒng)如圖1所示。其中反應(yīng)器1根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康，分別可以是選擇器、曝氣池等等，反應(yīng)器2是曝氣池。在沒(méi)有選擇器的系統(tǒng)中，回流污泥按虛線所示的途徑回流。根據(jù)以上假設(shè)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(tuán)和絲狀菌)的如下一組方程：
對(duì)選擇器有如下方程成立：
對(duì)菌膠團(tuán)菌： dX11/dt＝(μ1－kd1－1/θc)X11 (3)
對(duì)絲狀菌：dX21/dt＝(μ2－kd2－1/θc)X21 (4)
對(duì)碳源基質(zhì)：dS11/dt＝=Dk(S10+rS12)-(1＋r)D1S11-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (5)
對(duì)溶解氧： dS21/dt＝-(1＋r)D1S21+Kla(S2S-S21)-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (6)
對(duì)曝氣池有如下方程成立：
對(duì)菌膠團(tuán)菌：dX12/dt＝(1＋r)D2(X11-X12)+(μ1－kd1)X12(7)
對(duì)絲狀菌： dX22/dt＝(1＋r)D2(X21-X22)+(μ1－kd1)X22(8)
對(duì)碳源基質(zhì)：dX12/dt＝(1＋r)D2(S11-S12)-μ1X12/Y1-μ2X22/Y2 (9)
對(duì)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(tuán)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(shù)：kdi衰減常數(shù)(d-1)；Yi＝產(chǎn)率系數(shù)(g/g)；Kla＝傳質(zhì)系數(shù)(min-1)；其常數(shù)見表1；
μi=比生長(zhǎng)速率采用的雙基質(zhì)模型(方程2)，i＝1,2分別代表菌膠團(tuán)和絲狀菌；
2.曝氣強(qiáng)度和負(fù)荷的影響
絲狀菌和菌膠團(tuán)細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是根據(jù)負(fù)荷而變化的。根據(jù)負(fù)荷的不同，可劃分為三個(gè)不同階段：低負(fù)荷階段(<0.4kgCOD/kgMLSS.d)這時(shí)溶解氧的供應(yīng)是充分的出現(xiàn)基質(zhì)限制的情況。高負(fù)荷階段(>1.1kgCOD/kgMLSS.d)由于主體溶液中的基質(zhì)濃度比較高，出現(xiàn)溶解氧限制的情況。在這之間是中等負(fù)荷范圍，在這一范圍絲狀菌與絮狀菌處于合理的比例，系統(tǒng)不發(fā)生膨脹。以上結(jié)果解釋了為什么在高、低負(fù)荷下都會(huì)發(fā)生污泥膨脹的原因。
即使在存在選擇器的情況下，在低負(fù)荷和高負(fù)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(tǒng)不同，對(duì)于完全混合曝氣池界上、下限下移。對(duì)于高負(fù)荷系統(tǒng)高的曝氣強(qiáng)度可以提高污泥膨脹發(fā)生的上限，但同樣較低了低負(fù)荷系統(tǒng)發(fā)生膨脹的下限。從圖2b可見對(duì)于中等負(fù)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(duì)于不同的曝氣強(qiáng)度，兩種微生物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)變的界限值是不同的。對(duì)于這就是雙基質(zhì)動(dòng)力學(xué)方程與傳統(tǒng)的單獨(dú)碳源基質(zhì)限制動(dòng)力學(xué)方程描述膨脹現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明，完全混合曝氣池對(duì)不同負(fù)荷下，維持穩(wěn)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(xiàn)報(bào)道維持在固定的1.0～2.0mg/l之間<1>。這解釋了國(guó)內(nèi)外眾多研究中，對(duì)于溶解氧對(duì)污泥膨脹的影響報(bào)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(qiáng)的裝置。
3.流量和濃度變化的影響
實(shí)際的污水處理廠負(fù)荷是變化的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在停留時(shí)間3、4和5h.下，系統(tǒng)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(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。在穩(wěn)定的流量和濃度條件下，長(zhǎng)期運(yùn)行是菌膠團(tuán)細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)，而絲狀菌的生長(zhǎng)不是一簡(jiǎn)單的可逆過(guò)程，結(jié)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(jié)果是在相對(duì)高的負(fù)荷下的模擬結(jié)果，研究表明對(duì)低負(fù)荷結(jié)果相反。
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四、討論和結(jié)論
1)通過(guò)分析將絲狀菌膨脹概括為5種類型，即：低基質(zhì)濃度、低溶解氧、營(yíng)養(yǎng)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型的膨脹問(wèn)題，這在一定程度上統(tǒng)一了污泥膨脹理論。由于城市污水中N、P和其它營(yíng)養(yǎng)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(fù)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(fù)荷的膨脹則在完全混合曝氣池中有所緩解。中、高負(fù)荷系統(tǒng)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(fù)荷的膨脹，即高負(fù)荷與低負(fù)荷是兩種類型完全相反的膨脹現(xiàn)象。
3)對(duì)活性污泥膨脹，既要從宏觀角度考慮，又要從微觀角度考慮,而宏觀與微觀是相對(duì)的。就活性污泥工藝的運(yùn)轉(zhuǎn)條件而言，負(fù)荷、基質(zhì)濃度和溶解氧濃度的水平是宏觀條件。但曝氣池首端的實(shí)際的負(fù)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(yǎng)物的條件所確定的；
4)傳統(tǒng)的選擇器類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(nèi)利用兩類細(xì)菌不同的生長(zhǎng)速率選擇性地培養(yǎng)和發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，使其成為曝氣池中的優(yōu)勢(shì)菌。在以上的理論分析和研究的基礎(chǔ)上，可以對(duì)選擇器的概念進(jìn)行擴(kuò)展。廣義的選擇器可以包括低溶解氧型膨脹？刹捎貌煌倪x擇器的形式，如再生池和強(qiáng)化曝氣池等方法，恢復(fù)菌膠團(tuán)細(xì)菌的降解能力、提高供氧能力和降低負(fù)荷來(lái)控制高負(fù)荷型的污泥膨脹。
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