生物選擇器控制污泥膨脹的機(jī)理及其設(shè)計(jì)

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簡(jiǎn)介： 從生物選擇器的機(jī)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(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵字：污泥膨脹生物選擇器控制途徑設(shè)計(jì)

1　生物選擇器的工作機(jī)理
1.1動(dòng)力學(xué)選擇性機(jī)理
　　污泥中活性微生物的增長(zhǎng)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(zhǎng)限制性基質(zhì)濃度，mg/L
　　　　　μ——微生物比增長(zhǎng)速率，d-1
　　　　?KS——飽和常數(shù)，其值為μ=μmax/2時(shí)的基質(zhì)濃度，mg/L
　　　　　μmax——在飽和濃度中微生物的最大比增長(zhǎng)速率，d-1
　　大多數(shù)絲狀菌的KS和μmax值比菌膠團(tuán)細(xì)菌低。按照Monod方程具有低KS和μmax值的絲狀菌在低基質(zhì)濃度條件下具有高的增長(zhǎng)速率，而具有較高KS和μmax值的菌膠團(tuán)細(xì)菌在高基質(zhì)濃度條件下才占優(yōu)勢(shì)。
　　在基質(zhì)濃度高時(shí)菌膠團(tuán)的基質(zhì)利用速率要高于絲狀菌，故可以利用基質(zhì)推動(dòng)力選擇性的培養(yǎng)菌膠團(tuán)細(xì)菌而限制絲狀菌的增長(zhǎng)。根據(jù)這一原理可以在曝氣池前設(shè)生物選擇器，通過(guò)選擇器對(duì)微生物進(jìn)行選擇性培養(yǎng)以防止污泥膨脹的發(fā)生。根據(jù)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(shè)置高負(fù)荷接觸區(qū)，將全部污水引入第一個(gè)間格并使整個(gè)系統(tǒng)中不存在濃度梯度(進(jìn)行攪拌使污泥和污水充分混合接觸)。在好氧選擇器內(nèi)需對(duì)污水進(jìn)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(jī)理是提供一個(gè)氧源和食料充足的高負(fù)荷區(qū)，讓菌膠團(tuán)細(xì)菌率先搶占有機(jī)物而不給絲狀菌過(guò)度繁殖的機(jī)會(huì)。
　　缺氧選擇器和厭氧選擇器的構(gòu)造完全一樣，其功能取決于活性污泥的泥齡。當(dāng)泥齡較長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生較完全的硝化，選擇器內(nèi)會(huì)含有很多硝酸鹽，此時(shí)為缺氧選擇器；當(dāng)泥齡較短時(shí)選擇器內(nèi)既無(wú)溶解氧又無(wú)硝酸鹽，此時(shí)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(tuán)細(xì)菌能夠利用選擇器內(nèi)硝酸鹽中的化合態(tài)氧作氧源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，而絲狀菌沒(méi)有此功能，因而其在選擇器內(nèi)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(tuán)細(xì)菌為兼性菌，在厭氧條件下將進(jìn)行厭氧代謝，繼續(xù)增殖。但應(yīng)注意厭氧選擇器的設(shè)置會(huì)增大產(chǎn)生絲硫菌污泥膨脹的可能性(菌膠團(tuán)細(xì)菌的厭氧代謝產(chǎn)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(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。
1.2　生物吸附機(jī)理
　　菌膠團(tuán)細(xì)菌對(duì)溶解性有機(jī)物的吸附能力遠(yuǎn)高于絲狀菌。在生物選擇器中基質(zhì)濃度很高，所以菌膠團(tuán)細(xì)菌能夠吸附較多的底物積累在細(xì)胞內(nèi)，在進(jìn)入曝氣池后可利用這部分底物繼續(xù)生長(zhǎng)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(nèi)基質(zhì)濃度較低，絲狀菌可以獲得較高的增長(zhǎng)速率，故該法易發(fā)生污泥膨脹。這時(shí)可將曝氣池分成多格且以推流的方式運(yùn)行或增設(shè)一個(gè)分格設(shè)置的小型預(yù)曝氣池作為生物選擇器。當(dāng)廢水進(jìn)入選擇器后，由于廢水中的有機(jī)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(zhǎng)，菌膠團(tuán)微生物則快速吸附廢水中的大部分可溶性有機(jī)物，在有足夠的停留時(shí)間和溶解氧的條件下進(jìn)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(jī)營(yíng)養(yǎng)而受到抑制，這樣就會(huì)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(guó)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(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，選擇器工藝控制污泥膨脹的效果非常明顯。據(jù)報(bào)道［1］，美國(guó)的VOSA污水處理廠的完全混合式曝氣池在冬季經(jīng)常發(fā)生絲狀菌引起的污泥膨脹的問(wèn)題(SVI值高達(dá)400mL/g)，但通過(guò)在曝氣池前設(shè)置一個(gè)水力停留時(shí)間為15min的選擇器后便完全抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)，使污泥的SVI值降至100mL/g以下 。?
　　間歇進(jìn)水、排水的SBR反應(yīng)器就其本身而言是屬于完全混合型的，但由于在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)器不進(jìn)水，因而其內(nèi)部存在一個(gè)污染物的基質(zhì)濃度梯度(即F/M梯度)，只不過(guò)這種梯度是按時(shí)間變化的，其底物的濃度變化相當(dāng)于普通曝氣池的分格數(shù)為無(wú)限多，從而可以起到抑制絲狀菌膨脹的作用，故無(wú)需設(shè)置選擇器。
　　對(duì)于連續(xù)進(jìn)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(zhì)推動(dòng)力，故需在進(jìn)水端設(shè)置一個(gè)預(yù)反應(yīng)區(qū)或生物選擇器。
2.3　AB工藝
　　AB工藝中的A段實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)良好的選擇器，其對(duì)污泥膨脹的控制表現(xiàn)在：一方面A段的水力停留時(shí)間為15～20min，因此世代期較長(zhǎng)的絲狀菌難以在此生存；另一方面A段中的有機(jī)負(fù)荷通常較高［≥2kgBOD5/(kgMLSS•d)］，因而可有效地抑制絲狀菌的增長(zhǎng)。與選擇器的不同之處在于A段的優(yōu)勢(shì)微生物種群是由不斷適應(yīng)原污水而形成的，回流污泥的吸附活性不是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　但應(yīng)指出，當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)由于菌膠團(tuán)細(xì)菌攝取、貯存有機(jī)物的能力高而不能充分氧化有機(jī)物，使得菌膠團(tuán)細(xì)菌實(shí)際增長(zhǎng)速率低于絲狀菌，同時(shí)造成溶解氧相對(duì)不足。這時(shí)也易引起污泥膨脹，可分別采用增加再生池、填料池和強(qiáng)化曝氣池等方法來(lái)控制污泥膨脹［2］。
　　對(duì)于A/O和A2/O工藝可通過(guò)在好氧段前設(shè)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(jī)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(jìn)水的系統(tǒng)則通過(guò)時(shí)間或空間的分割形成的“選擇器”亦可達(dá)到控制污泥膨脹的目的。?
3　選擇器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　在進(jìn)行選擇器的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
　?、龠x擇器需分格設(shè)計(jì)
　　當(dāng)水力停留時(shí)間相同時(shí)，選擇器的分格數(shù)越多則對(duì)絲狀菌生長(zhǎng)的抑制效果就越好，但分格過(guò)多將給施工和運(yùn)行管理帶來(lái)不便，一般的選擇器分格數(shù)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(duì)抑制絲狀菌的生長(zhǎng)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(zhǎng)，并保證后續(xù)曝氣池中污泥良好的沉降性能。
　?、圻x擇器的水力停留時(shí)間
　　污水在選擇器中的停留時(shí)間以回流污泥能吸收80%～90%的可溶性有機(jī)基質(zhì)為宜。若停留時(shí)間過(guò)短則可溶性有機(jī)物在選擇器中被菌膠團(tuán)微生物吸收的較少，從而不能有效地抑制絲狀菌的生長(zhǎng)；若停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)造成選擇器中微生物活性梯度的增大，同時(shí)也增加了運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)城市污水或與其水質(zhì)相似的工業(yè)廢水而言，污水在選擇器中的水力停留時(shí)間一般為5～30min(通常為20 min左右)。
　?、茉黾悠貧獬氐乃νＡ魰r(shí)間
　　由于選擇器主要是利用活性污泥中菌膠團(tuán)對(duì)可溶性有機(jī)物的吸附作用來(lái)抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，因而為使回流到選擇器中的活性污泥具有較高的對(duì)有機(jī)基質(zhì)的吸附活性(根據(jù)積累/再生理論)，就必須要求活性污泥在曝氣池中將吸收進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)的有機(jī)物充分代謝，即要求有足夠的曝氣時(shí)間。曝氣時(shí)間較長(zhǎng)能使回流污泥處于饑餓狀態(tài)，活性污泥進(jìn)入選擇器后便能很快地吸附污水中的有機(jī)基質(zhì)，從而選擇性地使菌膠團(tuán)微生物成為曝氣池中的優(yōu)勢(shì)菌而得到優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。在處理城市污水和與其水質(zhì)相近的工業(yè)廢水時(shí)，完全混合曝氣池的曝氣時(shí)間一般為5～6h(廢水的濃度較高時(shí)則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)曝氣時(shí)間)。?
4　結(jié)語(yǔ)
　　污泥膨脹的機(jī)理和影響因素是相當(dāng)復(fù)雜的，并且經(jīng)常與生物泡沫、污泥上浮等異?，F(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)，因此應(yīng)根據(jù)具體情況采用適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)。低負(fù)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(jī)物去除效率的前提，所以在我國(guó)、歐洲等以低負(fù)荷設(shè)計(jì)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(xiàn)：
［1］沈耀良，王寶貞.廢水生物處理新技術(shù)理論與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1999.
［2］王凱軍.高負(fù)荷活性污泥膨脹控制的試驗(yàn)研究［J］.給水排水，1999，25(11):30-33.