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絲狀菌污泥膨脹理論分析
簡介: 對絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象進行了綜合分析,并在廣義Monod方程的基礎上基本統(tǒng)一了污泥膨脹理論和建立了相關的數(shù)學模型。該模型可以很好地解釋由基質(zhì)限制、DO限制、營養(yǎng)物缺乏、pH和H2S等因素引起的絲狀菌污泥膨脹。利用廣義Monod方程采用雙基質(zhì)限制(碳源和溶解氧)模型和系統(tǒng)動力學方程進行了計算機模擬研究,對有機負荷、DO、水質(zhì)和水量變化等因素對菌膠團細菌和絲狀菌的競爭影響進行了深入的探討,并在此基礎上針對不同的污泥膨脹類型提出了相應的控制策略。
關鍵字:絲狀菌污泥膨脹 廣義Monod方程 絲狀菌 環(huán)境調(diào)控
早期控制絲狀菌污泥膨脹(簡稱污泥膨脹)的主要手段是投加藥劑殺死絲狀菌,或投加混凝劑和助凝劑以增加污泥絮體的比重[1],但這些方法往往無法徹底解決污泥膨脹問題,相反地可能會帶來出水水質(zhì)惡化的不良后果。其后人們逐漸認識到,活性污泥中的菌膠團細菌和絲狀菌構(gòu)成一個共生的微生物生態(tài)體系,在這種共生關系中,絲狀菌是不可缺少的重要微生物,對于高效、穩(wěn)定地凈化污水起著重要作用,并逐漸地從簡單殺死絲狀菌過渡到利用曝氣池中的生長環(huán)境調(diào)整絲狀菌的比例,從而達到控制污泥膨脹的發(fā)生即進入環(huán)境調(diào)控階段。環(huán)境調(diào)控概念的使用是人們在污泥膨脹控制技術和實踐上的一大進步,其主要出發(fā)點是使曝氣池中的生態(tài)環(huán)境有利于選擇性地發(fā)展菌膠團細菌,利用生物競爭機制抑制絲狀菌的過度生長和繁殖,將絲狀菌數(shù)量控制在一個合理的范圍之內(nèi),從而控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展,同時利用絲狀菌的特性凈化污水,穩(wěn)定處理工藝。近年來選擇器理論得到充分的發(fā)展和應用就是這一概念的具體體現(xiàn)。
1 污泥膨脹理論的統(tǒng)一
活性污泥是一混合培養(yǎng)系統(tǒng),其中至少存在著30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌。在絲狀菌與菌膠團細菌平衡生長時不會產(chǎn)生污泥膨脹問題,只有當絲狀菌生長超過菌膠團細菌時,才會出現(xiàn)污泥膨脹。絲狀菌和菌膠團細菌的生理和生化性質(zhì)差異見表1。
通過近年來國內(nèi)外對活性污泥膨脹問題研究進展的分析和綜合,可以將引起絲狀菌污泥膨脹的原因分為5種類型,即a.基質(zhì)限制;b.DO限制;c.營養(yǎng)物缺乏;d.pH影響;e.H2S影響[2]。
1.1 廣義Monod方程
絲狀菌與菌膠團細菌競爭的數(shù)學模型遵循多種基質(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) (1)
式中μmax——最大生長速率,d-1
Ki——第i種基質(zhì)親和力,mg/L
Si——第i種基質(zhì)濃度
根據(jù)式(1)可知,基質(zhì)限制、DO限制和營養(yǎng)物缺乏型的污泥膨脹問題都可用廣義Monod方程來加以解釋(當?shù)獓乐厝狈r的污泥膨脹不能歸入這一理論,原因在于若缺乏氮,微生物便不能充分利用碳源合成細胞物質(zhì),過量的碳源將被轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵穷惏赓A存物,這種貯存物是高度親水型化合物,易形成結(jié)合水,影響污泥的沉降性能,從而產(chǎn)生高粘性膨脹,其不屬于絲狀菌污泥膨脹范疇)。
關于pH的影響,可在動力學方程參數(shù)的基礎上,以動力學常數(shù)的乘積因子的形式進行耦合,或者單獨列出其動力學方程,從而統(tǒng)一在廣義Monod方程之下。關于H2S的影響,文獻報道引起污泥膨脹的H2S濃度很低,一般是在1~2.0 mg/L。但通過向污水中添加H2S的試驗發(fā)現(xiàn),即使H2S濃度達到 50 mg/L也不會發(fā)生污泥膨脹。事實上,一些厭氧裝置雖然出水含有大量H2S,但是揮發(fā)性有機酸濃度很低時,好氧后處理也不發(fā)生污泥膨脹;當揮發(fā)性有機酸達到一定濃度時需引起注意,其中主要的低分子有機酸(乙酸、丙酸)易于降解,因此造成耗氧速率的增加[3],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)酵的一個伴隨現(xiàn)象,也可歸為DO限制型的膨脹,從而廣義的Monod動力學模型可以在一定程度上很好地統(tǒng)一污泥膨脹的理論。
1.2雙基質(zhì)Monod方程
由于城市污水中N、P和其他營養(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,城市污水的絲狀菌污泥膨脹問題就簡化為兩種主要類型,即基質(zhì)限制和DO限制型。
μ=μmax(S/KS+S)·(DO/KDO+DO) (2)
式中μmax ——最大生長速率,d-1
KS——基質(zhì)親和力,mg/L
KDO——DO親和力,mg/L
2 污泥膨脹數(shù)學模型的研究
為了簡化系統(tǒng)模型,假設:①活性污泥由兩大類微生物群組成,即絲狀菌和菌膠團菌;②微生物生長主要受到碳源和DO限制;③微生物生長的動力學可用同一基本模型來描述;④曝氣池是完全混合式。模型所描述的系統(tǒng)如圖1所示。
其中反應器1根據(jù)不同的試驗目的,可以分別是選擇器、曝氣池等,反應器2是曝氣池。在沒有選擇器的系統(tǒng)中,回流污泥按虛線所示的途徑回流。根據(jù)以上假設及圖1中的物料平衡關系,可給出選擇器和曝氣池中基質(zhì)(碳源和DO)和微生物(菌膠團和絲狀菌)的一組方程。
選擇器中菌膠團菌:
dX11/dt=(μ1-kd1-1/θc)X11 (3)
絲狀菌:
dX21/dt=(μ2-kd2-1/θc)X21 (4)
碳源基質(zhì):
dS11/dt=Dk(S10+rS12)-(1+r)·D1S11-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (5)
DO:
dS21/dt=-(1+r)D1S21+Kla(S2S-S21)-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2 (6)
曝氣池中菌膠團菌:
dX12/dt=(1+r)D2(X11-X12)+(μ1-kd1)X12 (7)
絲狀菌:
dX22/dt=(1+r)D2(X21-X22)+(μ1-kd1)X22 (8)
碳源基質(zhì):
dS12/dt=(1+r)D2(S11-S12)-μ1X12/Y1-μ2X22/Y2 (9)
DO:
dS22/dt=(1+r)D2(S21-S22)+Kla(S2S-S22)-μ1X12/Y1-μ2X22/Y2 (10)
式中 狀態(tài)變量:
Xik——污泥濃度,mg/L;其中i=1或2,1表示菌膠團菌,2表示絲狀菌;k=1或2,1表示選擇器,2表示曝氣池
Sjk——基質(zhì)濃度,mg/L;其中j=1或2,1表示碳源,2表示DO
S10——碳源基質(zhì)初始濃度,mg/L
S2S——飽和DO濃度,mg/L
操作變量:
Dk——稀釋率,d-1
r——回流比
動力學常數(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——比生長速率
2.1進水負荷和曝氣強度的影響
圖2是方程10的計算機模擬結(jié)果。
從圖2可見,絲狀菌和菌膠團細菌的競爭優(yōu)勢隨進水負荷而變化。低負荷階段[<0.4kgCOD/(kgMLSS·d)],DO的供應充分,出現(xiàn)基質(zhì)限制的情況;高負荷階段[>1.1kgCOD/(kgMLSS·d)],基質(zhì)濃度比較高,出現(xiàn)DO限制的情況;而在中間負荷范圍內(nèi),絲狀菌與菌膠團菌處于合理的比例,系統(tǒng)不發(fā)生污泥膨脹。
圖3 是在不同曝氣條件下(Kla)的計算機模擬結(jié)果。
圖3表明,即使存在選擇器,低負荷和高負荷階段仍然會發(fā)生污泥膨脹,其限界值與沒有選擇器的系統(tǒng)不同。對于高負荷系統(tǒng),曝氣強度大可以提高污泥膨脹發(fā)生的上限,同樣低負荷系統(tǒng)發(fā)生膨脹的下限也降低。對于中間負荷階段,如果供氧不充分,絲狀菌仍有可能大量繁殖并形成污泥膨脹。對于不同的曝氣強度,兩種微生物競爭優(yōu)勢發(fā)生轉(zhuǎn)變的限界值是不同的,這就是雙基質(zhì)動力學方程與傳統(tǒng)的單一碳源基質(zhì)限制動力學方程描述污泥膨脹現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別。試驗的結(jié)果也表明,完全混合曝氣池在不同負荷下維持穩(wěn)定的沉降性能所需要的DO濃度是不一樣的,而不是象文獻報道的維持在固定的1.0~2.0 mg/L之間[1]。
2.2進水流量和濃度變化的影響
試驗發(fā)現(xiàn)在停留時間分別為3、4、5 h時,系統(tǒng)的DO濃度分別為1.2、2.2、3.0 mg/L。圖4是流量和基質(zhì)濃度增加1.5倍時采用計算機模擬的結(jié)果。
在穩(wěn)定的流量和濃度條件下長期運行的結(jié)果是菌膠團細菌占優(yōu)勢,而流量或基質(zhì)濃度的變化會造成絲狀菌的過度生長,且絲狀菌的生長不是一簡單的可逆過程,會造成污泥沉降性能的改變。上述結(jié)果是在相對高的負荷下的模擬結(jié)果,低負荷下的結(jié)論相反。
3 結(jié)論
?、偻ㄟ^分析,將絲狀菌污泥膨脹概括為5種類型,即:低基質(zhì)濃度、低DO、營養(yǎng)物(N、P)缺乏、H2S影響和pH引起的膨脹。采用廣義Monod方程可解釋大部分類型的污泥膨脹問題,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和其他營養(yǎng)元素一般不缺乏,因此在一般情況下,只考慮碳源和DO限制兩種情況。
?、谠陔p基質(zhì)限制下,低負荷的完全混合曝氣池不利于污泥沉淀性能的改善,但中、高負荷下的污泥膨脹則在完全混合曝氣池中有所緩解。對于中、高負荷系統(tǒng),由于首端缺氧對污泥沉降不利,所以在推流式曝氣池需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荷的污泥膨脹,即高負荷與低負荷是兩種類型完全相反的污泥膨脹現(xiàn)象。
?、蹖钚晕勰嗯蛎?,既要從宏觀角度考慮,也要從微觀角度去考慮。就活性污泥工藝的運轉(zhuǎn)條件而言,負荷、基質(zhì)濃度和DO濃度的水平是宏觀條件,但曝氣池首端的實際負荷、基質(zhì)濃度和DO濃度是更為重要的因素,后者是決定污泥膨脹的微環(huán)境,種群的動態(tài)是由其微環(huán)境中的營養(yǎng)物條件所決定的。
?、軅鹘y(tǒng)的選擇器僅僅考慮低基質(zhì)濃度型污泥膨脹。選擇器是在完全混合或推流曝氣池前加一個停留時間非常短(15 min)的小池,在選擇器內(nèi)利用兩類細菌不同的生長速率選擇性地培養(yǎng)和發(fā)展菌膠團細菌,使其成為曝氣池中的優(yōu)勢菌。在以上的理論分析和研究的基礎上,可以對選擇器的概念進行擴展。廣義的選擇器可以包括低DO型污泥膨脹,可采用不同的選擇器的形式如再生池和強化曝氣池等方法,恢復菌膠團細菌的降解能力、提高供氧能力和降低負荷以控制高負荷型的污泥膨脹。
參考文獻:
[1]王凱軍.活性污泥膨脹機理與控制[M].中國環(huán)境出版社,1993.
[2]王凱軍.絲狀菌型污泥膨脹的統(tǒng)一理論[J].環(huán)境科學,1992,13(3):76.
[3]王凱軍.厭氧(水解)處理低濃度污水[J].北京:中國環(huán)境出版社,1992.
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