絲狀菌污泥膨脹理論分析

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簡介： 對絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象進(jìn)行了綜合分析，并在廣義Monod方程的基礎(chǔ)上基本統(tǒng)一了污泥膨脹理論和建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)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(xué)方程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究，對有機(jī)負(fù)荷、DO、水質(zhì)和水量變化等因素對菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌的競爭影響進(jìn)行了深入的探討，并在此基礎(chǔ)上針對不同的污泥膨脹類型提出了相應(yīng)的控制策略。
關(guān)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(rèn)識到，活性污泥中的菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌構(gòu)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(dá)到控制污泥膨脹的發(fā)生即進(jìn)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(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，利用生物競爭機(jī)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(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(yīng)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(tuán)細(xì)菌平衡生長時(shí)不會產(chǎn)生污泥膨脹問題，只有當(dāng)絲狀菌生長超過菌膠團(tuán)細(xì)菌時(shí)，才會出現(xiàn)污泥膨脹。絲狀菌和菌膠團(tuán)細(xì)菌的生理和生化性質(zhì)差異見表1。

表1　絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌的差異［1］性質(zhì)菌膠團(tuán)菌參考值絲狀菌參考值最大生長速率(μmax)高4.4 d^-1低3.0 d^-1基質(zhì)親合力(KS)低64 mg/L高40 mg/LDO親合力(K_DO)低0.1 mg/L高0.027 mg/L內(nèi)源代謝率(Kd)高0.012 d^-1低0.010 d^-1產(chǎn)率系數(shù)(Y)高0.153 g/g低0.139 g/g積累能力(A)高　低　耐饑餓能力及貯存能力高　非常低　

　　通過近年來國內(nèi)外對活性污泥膨脹問題研究進(jìn)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(tuán)細(xì)菌競爭的數(shù)學(xué)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)…(S_n／K_n+S_n)　　　　　　　(1)
　　式中μmax——最大生長速率，d-1
　　　　　K_i——第i種基質(zhì)親和力，mg/L
　　　　　S_i——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(dāng)?shù)獓?yán)重缺乏時(shí)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(xì)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(guān)于pH的影響，可在動力學(xué)方程參數(shù)的基礎(chǔ)上，以動力學(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，文獻(xiàn)報(bào)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使H2S濃度達(dá)到 50 mg/L也不會發(fā)生污泥膨脹。事實(shí)上，一些厭氧裝置雖然出水含有大量H2S，但是揮發(fā)性有機(jī)酸濃度很低時(shí)，好氧后處理也不發(fā)生污泥膨脹；當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)酸達(dá)到一定濃度時(shí)需引起注意，其中主要的低分子有機(jī)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(gè)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(xué)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＝μ_max（S／K_S+S）·（DO／K_DO+DO）　　　　　　(2)
　　式中μ_max ——最大生長速率，d-1
　　　　　K_S——基質(zhì)親和力，mg/L
　　　　　K_DO——DO親和力，mg/L

2　污泥膨脹數(shù)學(xué)模型的研究

　　為了簡化系統(tǒng)模型，假設(shè)：①活性污泥由兩大類微生物群組成，即絲狀菌和菌膠團(tuán)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(xué)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(yīng)器1根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，可以分別是選擇器、曝氣池等，反應(yīng)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(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)的一組方程。
　　選擇器中菌膠團(tuán)菌：
　　　　dX₁₁／d_t=(μ₁-k_d1-1/θ_c)X₁₁　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)
　　絲狀菌：
　　　　dX₂₁／dt＝(μ₂-k_d2-1/θ_c)X₂₁(4)
　　碳源基質(zhì)：
　　　　dS₁₁／d_t=D_k(S₁₀+rS₁₂)-(1+r)·D₁S₁₁-μ₁X₁₁/Y₁-μ₂X₂₁/Y2　　　　　(5)
　　DO：
　　　　dS₂₁／d_t=-(1+r)D₁S₂₁+K_la(S_2S-S₂₁)-μ₁X₁₁/Y₁-μ₂X₂₁/Y₂　　　　　(6)
　　曝氣池中菌膠團(tuán)菌：
　　　　dX₁₂／d_t=(1+r)D₂(X₁₁-X₁₂)+(μ₁－k_d1)X₁₂　　　　　　　　　　　(7)
　　絲狀菌：
　　　　dX₂₂／dt=(1+r)D₂(X₂₁-X₂₂)+(μ₁－k_d1)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：
　　X_ik——污泥濃度，mg/L；其中i=1或2，1表示菌膠團(tuán)菌，2表示絲狀菌；k=1或2，1表示選擇器，2表示曝氣池
　　S_jk——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
　　S_2S——飽和DO濃度，mg/L
操作變量：
　　Dk——稀釋率，d-1
　　　r——回流比
動力學(xué)常數(shù)：
　　k_di——衰減常數(shù)，d-1
　　Y_i——產(chǎn)率系數(shù)，g/g
　　K_la——傳質(zhì)系數(shù)，min-1；其常數(shù)見表1
　　μi——比生長速率
2.1進(jìn)水負(fù)荷和曝氣強(qiáng)度的影響
　　圖2是方程10的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。

　　從圖2可見，絲狀菌和菌膠團(tuán)細(xì)菌的競爭優(yōu)勢隨進(jìn)水負(fù)荷而變化。低負(fù)荷階段［＜0.4kgCOD/(kgMLSS·d)］，DO的供應(yīng)充分，出現(xiàn)基質(zhì)限制的情況；高負(fù)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(fù)荷范圍內(nèi)，絲狀菌與菌膠團(tuán)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(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。
　　圖3表明，即使存在選擇器，低負(fù)荷和高負(fù)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(fù)荷系統(tǒng)，曝氣強(qiáng)度大可以提高污泥膨脹發(fā)生的上限，同樣低負(fù)荷系統(tǒng)發(fā)生膨脹的下限也降低。對于中間負(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污泥膨脹。對于不同的曝氣強(qiáng)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(xué)方程與傳統(tǒng)的單一碳源基質(zhì)限制動力學(xué)方程描述污泥膨脹現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別。試驗(yàn)的結(jié)果也表明，完全混合曝氣池在不同負(fù)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(xiàn)報(bào)道的維持在固定的1.0～2.0 mg/L之間［1］。

2.2進(jìn)水流量和濃度變化的影響
　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在停留時(shí)間分別為3、4、5 h時(shí)，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(shí)采用計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。

　　在穩(wěn)定的流量和濃度條件下長期運(yùn)行的結(jié)果是菌膠團(tuán)細(xì)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(fù)荷下的模擬結(jié)果，低負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)荷的污泥膨脹，即高負(fù)荷與低負(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)條件而言，負(fù)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(shí)際負(fù)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(gè)停留時(shí)間非常短(15 min)的小池，在選擇器內(nèi)利用兩類細(xì)菌不同的生長速率選擇性地培養(yǎng)和發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，使其成為曝氣池中的優(yōu)勢菌。在以上的理論分析和研究的基礎(chǔ)上，可以對選擇器的概念進(jìn)行擴(kuò)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(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)荷以控制高負(fù)荷型的污泥膨脹。

參考文獻(xiàn)：
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［2］王凱軍.絲狀菌型污泥膨脹的統(tǒng)一理論［J］.環(huán)境科學(xué)，1992，13(3)：76.
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