摘要：本文研究了某污水处理厂发生泡沫和污泥膨胀的原因和条件，发现污泥膨胀和泡沫主要由微丝菌属细菌异常增殖引起。其发生具有季节性和周期性，主要在冬春季节气温较低时爆发。批式试验和连续流试验采取工艺调整措施如缩短泥龄和提高负荷，以及投加化学药剂如次氯酸钠(naclo)、季铵盐(afp)、聚丙烯酰胺(pam)和聚铝(pam)等，这些方法均可达到降低污泥体积指数svi，不同程度地控制污泥膨胀和泡沫的效果。在实际应用中，缩短泥龄和投加次氯酸钠在泡沫和污泥膨胀发生的不同阶段也可以取得一定的控制效果。本文提出了控制丝状细菌异常增殖引发泡沫和污泥膨胀的预防控制对策。
关键词：微丝菌； 污水处理厂； 污泥膨胀和泡沫； 预警控制
1 前言
活性污泥泡沫和膨胀是活性污泥处理厂运行管理中经常碰到的异常问题，它们绝大多数是由丝状微生物异常增殖引起，由丝状细菌引发的活性污泥泡沫和膨胀具有明显的季节性和周期性，在寒冷季节发生较多。由微丝菌microthrix parvicella引发的泡沫和污泥膨胀在欧洲、澳洲等国污水处理厂最为常见，氧化沟则更容易发生[1-6]。微丝菌是一类革兰氏阳性菌，具有长而卷曲的丝状体和疏水性的细胞壁，喜好低温，长链脂肪酸和油脂。目前，对由微丝菌引起的泡沫和膨胀缺乏有效的控制对策[7-8]。
本研究对某污水处理厂三槽式氧化沟出现的微丝菌泡沫和膨胀问题进行了分析研究，通过在小试试验中采取的工艺参数调整措施如降低泥龄，以及投加化学药剂如加氯杀灭丝状菌，絮凝沉淀等方法进行控制研究，并在实际污水处理现场进行实际应用验证。为有效预防和控制活性污泥膨胀和泡沫，本文提出活性污泥泡沫和膨胀的预警控制措施。
2 试验材料和方法
2.1 批式试验
采用批式试验研究了四种不同的化学药剂对丝状微生物的控制效果。活性污泥的混合液取自污水厂发生泡沫的氧化沟，试验在1 l的烧杯中进行，四种化学药剂是有效氯10%的次氯酸钠溶液，纯度为45%的季铵盐抗菌剂afp(上海未来企业公司生产)，絮凝剂聚丙烯酰胺pam（分子量900万）和聚铝pac，各药剂的加量：次氯酸钠为100～1250 gcl/kg mlss，afp为10～250 gcl/kg mlss，pam 2～8 mg/l，pac 50～400 mg/l。搅拌速度120 rpm，反应停止后30min测定sv30，并镜检。
2.2 小试连续流试验
在批式试验基础上，进行实验室连续流的实验，模型反应器进水和曝气方式同实际氧化沟运行方式，见图1。进水取自初沉池出水，污泥来自发生泡沫的氧化沟，在模型中进行了改变泥龄试验和投加化学药剂afp和pam试验。试验过程中每天测试进出水cod、nh4-n、mlss和污泥指数，进行镜检，镜检方法见文献7。
2.3 现场生产性试验
某污水处理厂设计处理量为15万t/d，处理装置分设a，b，c三组氧化沟，每组设计承担5万t/d的污水处理量。目前只有a沟和c沟进水工作。由于种种原因，两条沟自运行以来都发生不同程度的污泥膨胀和泡沫。
在现场进行的投加次氯酸钠和缩短泥龄试验，均在a氧化沟进行。2003年春末进行了投加次氯酸钠试验，持续2周，分别在6月5日和6月13日往氧化沟中投加了两次naclo，第一次投加量约为25gcl/kgmlss，第二次投加12.5gcl/kgmlss左右；缩短泥龄试验从2003年12月3日开始，持续1个月，通过排泥将a沟的污泥龄从11～14天，逐步缩短到6～7天。
3 结果与讨论
3.1 运行数据指标分析
从图2可见，2003年～2004年的20个月内，氧化沟的svi变化呈现明显的季节变化，冬春季节氧化沟污泥的svi会升高，最高可以达到350ml/g。现场实际观察冬春季节氧化沟表面时常会积聚大量泡沫，有时泡沫覆盖达到90%以上，影响到出水和运行管理。而夏秋季相对比较平稳，污泥svi指数通常低于150ml/g，基本上观察不到泡沫现象的发生。
通过对图2中运行数据的svi值同温度及负荷的分析可知，svi的变化与温度正好相反，即水温低的时候，svi值高，反之低，表明污泥膨胀与低温有关；负荷的变化也同svi值相反，负荷较低时，svi值处于高水平，说明污泥膨胀与低负荷有关。镜检和生化反应试验结果证实，在发生泡沫的活性污泥混合液和泡沫中，占绝对优势的是微丝菌。
污泥膨胀和泡沫的发生具有明显的季节性，这和微丝菌的生理特性密切相关，它的适宜生长温度在8℃～20℃，细胞壁呈疏水性，对长链脂肪酸和油脂等疏水性物质有较强的亲和性，在负荷较低时比菌胶团细菌具有竞争优势。丝状细菌在低温时附着在漂浮油脂上生长，容易造成泡沫或污泥膨胀。在夏季时当水温高于20℃时，微丝菌m. parvicella 能产生蛋白水解酶，该酶可分解细胞质壁上的蛋白质，使得菌丝断裂变短［9］。不同时期的微丝菌的生长形态，在冬春季节时，是长头发丝状的卷曲菌丝体，丝体长度可以达到600 μm，其数量远远多于絮体量；夏季则呈现短杆状，长度只有100 μm左右，而且数量有限，显然这种丝状体不会对污泥沉降的性能产生影响。
3.2批式试验结果
为了降低污泥中微丝菌的数量，提高污泥的沉降性能，采取向活性污泥中加入化学药剂如杀菌剂和絮凝剂的方法。投加的化学药剂有消毒剂次氯酸钠，抗菌剂afp，絮凝剂pam及pac。批式试验期间，所取实际氧化沟中起泡沫的活性污泥，其svi值在200 ml/g左右。试验结果如下。
两种化学药剂对活性污泥性状的影响分别见图4a和4b。
图4a中白色柱为投加afp组，投加量如下：1为空白，2为16.7g/kgmlss，3为33.3g/kgmlss，4为83.3g/kgmlss，5为167.7g/kgmlss；有色柱为投加naclo组，投加量如下：1为空白，2为28gcl/kgmlss，3为140gcl/kgmlss，4为280gcl/kgmlss，5为1400gcl/kgmlss。
图4b中白色柱为投加pam组，投加量如下：1为空白，2为2mg/l，3为4 mg/l，4为8mg/l，5为16mg/l；有色柱为投加pac组，投加量如下：1为空白，2为50mg/l，3为100mg/l，4为200mg/l，5为400mg/l
从图4中可见，化学药剂的投加可以明显提高污泥的沉降效果，随杀菌剂投加量增加sv30降低，加afp的sv30变化相对平缓，氯剂量为167.7g/kgmlss时对svi影响较明显，sv30比对照减少50%；投加絮凝剂pam和pac在2 mg/l和50 mg/l时sv30与对照组相比减少70%，随剂量的增加，sv30略有升高。投加絮凝剂的sv30比杀菌剂的低。杀菌剂次氯酸钠和afp对絮体性状的改善主要是杀灭其中的丝状细菌，使得丝状细菌长度变短，丧失架桥的功能，见图5。杀菌剂对丝状细菌的杀灭是不可恢复的，但由于杀菌剂同时也会对菌胶团细菌有杀灭作用，会影响出水的质量[8]。而絮凝剂pam和pac的加入则主要是促进絮体之间的结合，使得小块絮体凝结成大块絮体，加快絮体的沉淀，在较短的时间里达到较好的效果，对出水不会造成影响。由于絮凝剂不能杀灭丝状细菌，絮凝起作用的时间有限，不能从根本上解决丝状细菌的膨胀和泡沫问题。
3.3 连续流模型试验结果
3.3.1 运行工况参数的改变对活性污泥性状的影响
试验开始所取的污泥是c 氧化沟同期膨胀和产生泡沫的污泥，转移到小试模型中后，通过排泥，使得平均泥龄从10天缩短为5～6天见图6，相比较氧化沟污泥的svi值，小试模型中污泥的svi值持续降低，镜检分析，一周后模型中丝状细菌从开始的2.8×105 个交点/g·vss降低到1.7×105 个交点/g·vss，而c沟丝状细菌数量变化为3.2×105 个交点/g·vss。小试模型中svi值降低主要是因为模型中的泥龄短于丝状菌的世代生长周期，过短的污泥龄使系统中的状丝菌在未完成世代生长的过程时就被排出系统之外，使系统中丝状菌不断流失，最终在氧化沟中其数量大幅降低，svi值降低。
3.3.2 连续流小试中化学药剂投加对活性污泥性状的影响
试验杀菌剂afp和絮凝剂pam的投加对连续流小试模型活性污泥性状的影响，从图7可见，投加afp两天后svi值有明显降低，svi值从开始的220 ml/g下降到不到100 ml/g，模型表面无可见泡沫，而同期c氧化沟污泥指数基本上维持在200 ml/g以上，且出现了覆盖度为20%～30%的泡沫。对微丝菌的数量开始时为8.94×105 个交点/ml，经过连续投加afp，5天后丝状细菌的数量减少为1.89×105个交点/ml。说明afp的连续投加对丝状细菌的杀灭效果显著。
在连续流模型中试验中，投加絮凝剂pam对沟中污泥的svi有较大的改善，较大剂量的pam投加，使得污泥形成大块的絮体，沉淀到模型的底部，导致曝气转刷不能将污泥搅拌起来，影响了系统的正常运行，在实际操作运行中应采用低剂量的pam投加量，如1～2 mg/l。
3.4 生产性试验
3.4.1 泥龄调整试验
由图8可见，在12月3日泥龄调整前，氧化沟中污泥的svi普遍高于150 ml/g，通过排泥将泥龄从11～14天逐步调整到污泥龄为6～7天后，svi值逐渐下降，到12月18日以后，svi值已降到150 ml/g以下。说明随着污泥龄的缩短，活性污泥的沉降性能得到提高。从生产运行来看，通过调整泥龄，污泥的沉降性能变好，泡沫减少，出水悬浮物浓度降低。虽然加大排泥后系统中活性污泥量不断减少，加之水温降低，出水指标均有所升高，但是能够达到国家排放标准，污泥龄调整前后出水水质比较见表1。
3.4.2 次氯酸钠投加试验
在投加次氯酸钠试验前氧化沟的泡沫和污泥膨胀已经持续了比较长的时间，单靠工艺调整效果不明显。从图9可见投加氯对污泥svi的影响，第一次投加次氯酸钠后第三天，活性污泥的svi值从接近250 ml/g迅速降低到低于100 ml/g，泡沫明显减少，维持了一个星期之后svi值升高，又投加了一次次氯酸钠，由于这次的剂量只有第一次的一半，投加剂量远远小于批式试验的次氯酸钠量，所以对丝状细菌的杀灭影响不大，所以只维持了三天，svi值便又开始升高，并在第四天后超过150 ml/g。本试验表明，如果要保持较好的污泥性状，必须加大使用剂量或提高次氯酸钠使用频率，在本氧化沟试验中最好一个星期加一次。加次氯酸钠后出水的cod有所波动，峰值时比平时偏高40%～50%，但是仍低于70mg/l（见图10）。
4 结论
对于微丝菌引发的污泥膨胀和泡沫控制，已有的研究证明，缺氧/和厌氧选择器没有显著效果[10-12]；工艺调控措施如泥龄缩短，提高负荷等，在泡沫和膨胀发生的初期是有一定的作用，但是当泡沫和膨胀发展严重时，效果往往不显著；加化学药剂的方法，往往作为一种应急的措施，在紧急的情况下可以在短时间内控制污泥膨胀和泡沫，但是投加量过大会对活性污泥的活性产生较大的影响，进而影响系统的功能。
在我们的试验中，采取工艺调节或投加化学药剂的方法，可降低污泥指数svi，抑制泡沫和污泥膨胀的发生。在实际现场氧化沟的实验中，缩短泥龄在泡沫和膨胀的初期有显著控制污泥膨胀和泡沫的效果，投加次氯酸钠方法对发展期的泡沫和膨胀有一定的控制作用，但是剂量和使用频率要根据需要进行调整。
在实际工程中建议根据生物泡沫和污泥膨胀发展的不同程度和时期进行预防控制，以防患于未然。对于发展初期的泡沫和膨胀，采取工艺调整措施，达到抑制丝状细菌生长的目的，在丝状细菌发展的中期，采取应急的投加杀菌剂和混凝剂的对策，在较严重的时期，采取多种方法的综合措施来控制丝状细菌，用尽可能小的代价来解决运行中的异常问题。总之，为有效的预防控制丝状细菌产生的污泥膨胀和泡沫，有必要建立相应的预防控制措施，将其消除在萌芽状态，以防止大规模的膨胀和泡沫的发生。