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污泥膨脹(sludgebulking)指污泥結構極度鬆散,體積增大、上浮,難於沉降分離影響出水水質的現象。基本上目前各種類型的活性污泥工藝都會發生污泥膨脹。污泥膨脹不但發生率高,發生普遍,而且一旦發生難以控制,通常都需要很長的時間來調整。

1 污泥膨脹 -特徵

污泥膨脹特徵
污泥結構鬆散,質量變輕,沉澱壓縮性能差;SV值增大,有時達到90%,SVI達到300以上;大量污泥流失,出水渾濁;二次沉澱難以固液分離,迴流污泥濃度低,有時還伴隨大量的泡沫的產生,無法維持生化處理的正常工作。污泥膨脹是生化處理系統較為嚴重的異常現象之一,它直接影響出水水質,並危害整個生化系統的運作。

污泥膨脹的發生率是相當高的,在歐洲近50%的城市污水廠每年都會有不同程度的污泥膨脹發生,在中國的發生率也非常高。基本上目前各種類型的活性污泥工藝都會發生污泥膨脹。污泥膨脹不但發生率高,發生普遍,而且一旦發生難以控制,通常都需要很長的時間來調整。針對污泥膨脹,各方面的理論很多,但並不完全一致,甚至有很多相互矛盾,這給水處理工作者造成很大的麻煩。

2 污泥膨脹 -原因

污泥膨脹污泥膨脹
污泥膨脹分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。

非絲狀菌膨脹主要發生在廢水水溫較低而污泥負荷太高的時候,此時細菌吸附了大量有機物,來不及代謝,在胞外積貯大量高粘性的多糖物質,使得表面附著物大量增加,很難沉澱壓縮。而當氮嚴重缺乏時,也有可產生膨脹現象。因為若缺氮,微生物便於工作不能充分利用碳源合成細胞物質,過量的碳源將被轉彎為多糖類胞外貯存物,這種貯存物是高度親水型化合物,易形成結合水,從而影響污泥的沉降性能,產生高粘性的污泥膨脹。非絲狀菌污泥膨脹發生時其生化處理效能仍較高,出水也還比較清澈,污泥鏡檢也看不到絲狀菌。非絲狀菌膨脹發生情況較少,且危害並不十分嚴重。

污泥膨脹污泥膨脹

絲狀菌膨脹在日常實際工作中較為常見,成因也十分複雜。影響絲狀菌污泥膨脹的因素有很多,首先應該認識到的是活性污泥是一個混合培養系統,其中至少存在著30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌。而絲狀菌在與活性膠團系統共生的關係中是不可缺少的一類重要微生物。它的存在對凈化污水起著很好的作用。它對保持污泥的絮體結構,保持生化處理的凈化效率,及在沉澱中起著對懸浮物的過濾作用等都有很重要的意義。事實也證明在絲狀菌與菌膠團細菌平衡時是不會產生污泥膨脹,只有當絲狀菌生長超過菌膠團細菌時,才會出現污泥膨脹現象。

3 污泥膨脹 -影響

污泥膨脹實驗圖
1、污泥負荷對污泥膨脹的影響

一般認為活性污泥中的微生物的增長都是符合Monod方程的:

式中X----生物體濃度,mg/L;

S----生長限制性基質濃度,mg/L;

μ----生長限制性基質濃度,mg/L;

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

大多數的絲狀菌的KS和μmax值比菌膠團的低,所以,按照以上Monond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值的菌膠團在高基質濃度條件下才佔優勢。同樣認為低負荷對於絲狀菌生長有利的理論還有表面積/容積比(A/V)假說。這裡的表面積和容積,是指活性污泥中微生物的表面積與體積。該假說認為伸展於絮凝體之外的絲狀菌的比表面積(A/V)要大大超過菌膠團細菌的比表面積。當微生物處於受基質限制和控制的狀態時,比表面積大的絲狀菌在取得底物方面要比菌膠團有利,結果在曝氣池內絲狀菌就變成了優勢菌。

低負荷易導致污泥膨脹這一觀點無論是在實際運行中還是在理論上都有了較為成熟的解釋。但在中國,通常生化反應的負荷設計都是較高的,的大量污泥膨脹卻是在高負荷條件下發生的。事實上,在高負荷條件下的污泥膨脹往往是由於供氧不足、曝氣池內DO濃度降低引起的。

污泥膨脹實驗圖
2、溶解氧濃度對污泥膨脹的影響

微生物對有機物的降解過程實質上就是對氧的利用過程。溶解氧在活性污泥法的運行中是一個重要的控制參數,曝氣池中DO濃度的高低直接影響著有機物的去除效率和活性污泥的生長。低DO濃度一直被認為是引起絲狀菌污泥膨脹的主要因素之一。絲狀菌由於具有較大的比表面積和較低的氧飽和常數,在低DO濃度下比絮狀菌增殖得快,從而導致絲狀菌污泥膨脹。根據各方面的研究反應,DO對於污泥膨脹影響的的臨界值並不確定。DO濃度的要求是與污泥負荷息息相關的,負荷越高,則對應的臨界值就越大。這一值的確定與工藝選擇、池型及進水類型都有著密切關係,必須根據實際情況結合實驗才可以得出。

3、其它方面對污泥膨脹的影響

(1)污水種類

污水種類對污泥膨脹有著明顯的影響。通常來說,那些含有易生物降解和溶解的有機成份,特別是低分子量的烴類、糖類和有機酸類等類型基質的污水易引起污泥膨脹,例如釀酒、乳品、石化和造紙廢水等。

(2)營養成分的不均衡

當污水中N、P不足時,易引起污泥膨脹的發生。N、P的合適比例為BOD5:N:P=100:5:1。很多研究表明許多絲狀菌對營養物質N、P有著較強的親和力,這可能就是缺乏營養物質導致污泥膨脹的原因。

(3)pH值與溫度

一般認為pH偏低易引起絲狀菌的大量繁殖。而溫度的對絲狀菌的影響也是很普遍的。例如,冬天Microthixparvicella在絲狀菌群中佔優勢,而溫暖季節時Nocardiaform,0041型或Nostocoidalimnicda較易大量繁殖。

另外污水在進水處理系統前的早期厭氧消化產生的有機酸和硫化氫也可能導致污泥膨脹的發生。硫磺菌的的貝氏硫菌、硫絲菌等能從硫化氫氧化中獲取能量。而這麼細菌以非常長的絲狀性增殖,有時能長達1厘米,從而導致污泥膨脹的發生。

4 污泥膨脹 -解決辦法

污泥膨脹污泥膨脹
第一類:應急措施

適用於臨時應急,主要方法是投加藥物增強污泥沉降性能或是直接殺死絲狀菌。投加鐵鹽鋁鹽等混凝劑可以直接提高污泥的壓密性保證沉澱出水。另外,投加一些化學藥劑,如氯氣,加在迴流污泥中也可以達到消除污泥膨脹現象。投加過氧化氫和臭氧也可以起到破壞絲狀菌的效果。

採用這種方法一般能較快降低SVI值,但這些方法並沒有從根本上控制絲狀菌的繁殖,一旦停止加藥,污泥膨脹現象可以又會捲土重來。而且投藥有可能破壞生化系統的微生物生長環境,導致處理效果降低,所以,這種辦法只能做為臨時應急時用。

第二類:改善生化環境

污水廠發生污泥膨脹的時候,一般無法從工藝流程、池型和曝氣方式的改變來解決,只能在正在運行的流程基礎上通過改變生化池內的微生物生長環境來抑制或消除絲狀菌的過度繁殖。在不同的工藝和水質的情況下,很難有一個放之四海而皆準的解決方案。但生化工藝常遇見的幾種應該注意的問題必須加以注意。

污水性質的控制

首先應該檢查和調整pH值,當pH值低於5以下時,不僅對污泥膨脹會有利,而且對正常的生化反應也會有一定的危害,所以當pH值偏低時應及時調整。另外在北方寒冷地區一定應注意冬季時的水溫,若水溫偏低應加熱,因為低溫也會導致污泥膨脹的發生。採用鼓風曝氣能有效的在冬季較高的水溫。

當污水中營養成份不足或失衡時,應補充投加。N、P含量應控制在BOD:N:P=100:5:1左右。

若污水處理生化系統前已有消化現象的發生,產生的低分子有機酸將有利於絲狀菌的生長,這時可以對廢水在調節池內預曝氣來加以改善。一般採用空氣擴散器向3-5米有效水深的調節池曝氣,供氣量可以控制在0.5-1.0m3/廢水米3·小時。它能使調節池的廢水保持新鮮,並有效防止由於厭氧所會帶來的臭氣。

保持池內足夠的溶解氧對於高負荷的生化系統特別重要,3)一般至少應控制DO>2毫克/L。

沉澱池內的污泥應及時排出或迴流。

防止其發生厭氧現象。若發生厭氧現象,產生的各種氣體吸附在污泥上,也會使污泥上浮,沉降性能變差。而且發生厭氧的污泥迴流也會引髮絲狀菌的大量繁殖。這種情況時除排泥和清除沉澱池內的死角,並縮短污泥在池內的停留時間外。還應提高曝氣池DO值。使出入沉澱池的水保持較的溶解氧。或者在污泥迴流進入生化池前曝氣再生。

5 污泥膨脹 -工藝

污泥膨脹工藝
國內對活性污泥工藝的設計通常採用中等負荷(0.3KgBOD5/(kgMLSS·d)),而在實際中人們從經濟角度考慮總是採用較高的負荷,所以高負荷下的污泥膨脹在中國具體較為廣泛的意義。在高負荷情況下,最常見的是DO不足,所以先採取提高氣水比,強化曝氣,在推流式曝氣池內首端採用射流曝氣等方式,觀察一段時間,找出問題的所在。

如果在以上措施採取后一段時間情況仍無好轉,則可考慮在曝氣池頭部加設軟填料。這一部份對於有機酸去除率很高,從而去除絲狀菌的生長促進因素,幫助絮狀菌生長。這個方法比較有效,但造價較高,且對以後的維修管理造成不便。或者在曝氣池前設置一個水力停留時間約為15min的選擇器,一般能很有效的抑制絲狀菌的生長。

對於間歇式進水的SBR工藝來說,反應器本身是完全混合式的,而且在時間上其污染物的基質就存在濃度梯度,所以無需再另設選擇器。通常間歇式SBR工藝產生污泥膨脹的原因是,污泥濃度過高,而進水有機物濃度偏低或水量偏小而導致污泥負荷偏低。對於這種情況,降低排出比,提高基質初始濃度,並對SBR強制排泥,一般就能夠對污泥膨脹現象進行有效的控制。而對於連續進水的SBR如ICEAS和CASS等工藝如果發生污泥膨脹的話,就有必要在進水端設置一個預反應區或生物反應器了。

低負荷活性污泥工藝

低負荷活性污泥工藝曝氣池內基質濃度較低,絲狀菌容易獲得較高的增長效率,所以是最容易產生污泥膨脹。除了在水質和曝氣上想辦法外,最根本和有效的是將曝氣池分成多格且以推流方式運行,或增設一個分格設置的小型預曝氣池作為生物選擇器,在這個選擇器內採用高污泥負荷,吸附部分有機物並消除有機酸。這個辦法不但有助於抑制污泥膨脹,並能有效的改善生化處理效果。在曝氣池內增加填料的方法也同樣在低負荷完全混合工藝中適用。

對於A/O和A2/O工藝可通過在在好氧段前設置缺氧段和厭氧段以及污泥迴流系統,使混合菌群交替處於缺氧和好氧狀態,並使有機物濃度發生周期性變化,這既控制了污泥膨脹又改善了污泥的沉降性能。而交替工作式氧化溝和unitank工藝等連續進水的系統因為其本身在時間和空間上就有了實際上的「選擇器」,所以對污泥膨脹有著效強的控制能力。如果這兩種工藝發生污泥膨脹,則可通過調整曝氣控制溶氧量和控制迴流污泥量來調節池內的污泥負荷及DO,通過一段時間的改善,一般能夠控制住污泥膨脹現象。

污泥膨脹由於絲狀菌的種類繁多,且生長適宜的環境也不盡相同。在不同工藝不同水質的情況下,微生物的生長環境非常微妙,這就要求發生污泥膨脹時,需要水處理工作者根據實際情況作大量切實的實驗和分析,大膽實踐,才能解決污泥膨脹問題。

絲狀菌是生長處理微生物中不可缺少的一部份。污泥膨脹現象在於絲狀菌的過度生長,消除污泥膨脹的根本在於使絲狀菌與活性污泥菌膠團平衡生長;完全混合式較推流式更產生污泥膨脹,低污泥負荷較高污泥負荷易易產生污泥膨脹;進水水質在水溫、pH、營養成份及是否有處理前的消化反應等方面是處理污泥膨脹應該首先考察的問題;高負荷下的污泥膨脹一般在於溶氧不足;低負荷下的污泥膨脹採用生物選擇器是行之有效的辦法。由於絲狀菌的多樣性,關於污泥膨脹的理論解釋和實際報道仍有很多不盡一致,大膽實踐不斷總結並和同行廣泛交流,才能更快找到行之有效地解決方法。

6 污泥膨脹 -控制

污泥膨脹污泥膨脹
絮凝法

膨脹活性污泥的密度一般比水小,作為應急處理措施,可考慮投加混凝劑,以改善其沉降性能。我們初步選擇了常用的高分子混凝劑——陽離子型聚丙烯醯胺和無機混凝劑——硫酸亞鐵進行對比試驗。

聚丙烯醯胺投加量與污泥沉降性能的關係

在處理水量為50L/h的小試裝置中投加陽離子型聚丙烯醯胺,使其濃度分別達到10、20、30、40、50和60mg/L,污泥的SV值變化。

聚丙烯醯胺的投加對於污泥的沉降性能的改善有一定的效果,且存在一個最佳投加量,但是,效果不是很理想。該中水回用系統採用新型淹沒式複合膜生物反應器,曝氣量大、水力攪拌強烈,聚集起來的絮體顆粒容易遭到破壞,從而導致混凝效果不理想;當投加量高於最佳投加量時,絮凝體除中和膠體的負電荷以外,過多的正電荷又使膠體離子帶上正電荷而重新穩定。

硫酸亞鐵投加量與污泥沉降性能的關係

處理水量為50L/h的小試裝置中投加硫酸亞鐵溶液,使其質量濃度在10至180mg/L之間變化,污泥的SV值變化;投藥前後菌膠團狀態。

投加硫酸亞鐵溶液后污泥沉降性能得到明顯改善,SV值下降了約百分之十五。但是超過60mg/L后污泥沉降性能沒有進一步的改善,所以確定實際運行時硫酸亞鐵的投加量為60mg/L。按照市售硫酸亞鐵的價格估算,在投加應急混凝劑期間,每噸污水的處理成本增加約0.05元。

在投加硫酸亞鐵(60mg/L)前後,測量混合液PH值從7.63降至7.07,對污泥活性的負面影響很小。

陽離子型聚丙烯醯胺的投加效果受水力條件等因素的限制不是十分理想,同時其單體有毒性、難降解,存在二次污染問題,經濟效益較投加硫酸亞鐵差。

硫酸亞鐵價格便宜、使用簡單,對膜及污泥沒有負面影響,其對污泥密度的影響是有效的,但其不能從根本上解決營養比例失調的問題,所以只能作為應急控制措施。

營養鹽調整法

在污泥膨脹問題的研究中,對污泥膨脹的恢復與控制是一個十分重要的環節。在該中水回用工程的運行過程中發現,投加硫酸亞鐵后,沉降性能一度改善的活性污泥在原有有機負荷條件下如停止投加,繼續進行處理,則活性污泥的沉降性能就會逐漸惡化,三日後恢復到投加前的狀態。所以需要尋找一種在活性污泥膨脹後行之有效的恢復控制方法。

其他控制方法

在污泥粘性膨脹最嚴重的情況下(用容器裝一些污泥,無論用什麼方法污泥始終粘附在容器的表面),可考慮適當排掉一些膨脹的污泥,再重新取一些新泥,以減少多糖類物質對污泥的覆蓋;同時增加水力停留時間,使沒有被完全氧化的有機物有足夠的時間被消耗掉。

由於原水中洗滌劑含量很高,加之曝氣強度較大,經常出現白色、粘稠的泡沫,並且越積越多,當污泥發生膨脹時,危害較大。2002年12月29日夜,由於泡沫積累成為高達一米多高的泡沫山,致使污泥大量流失。經過這次事故以後,我們除投加消泡劑以外,採取了水力消泡的方法。在反應池上方安裝噴頭,用MBR反應器的出水對反應池上部進行噴淋,以控制膨脹污泥和泡沫對反應器的危害,並已取得良好的效果。

7 污泥膨脹 -相關詞條

污泥處理工藝
設備技術防止

8 污泥膨脹 -參考資料

1.http://www.chinaep.net/feishui_shili/index-6.htm

2.http://www.archren.com/archly/geipaishuishuichuli/2007-02-27/19716.html

3.http://www.archren.com/archly/geipaishuishuichuli/

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