活性污泥膨胀的原因及控制方法

活性污泥膨胀的原因及控制方法
邹源
摘要：控制活性污泥膨胀是活性污泥法工艺良好运行的关键技术之一。

本文从进水水质和反应器环境两方面分析了可能诱发活性污泥膨胀的多种因素，着重介绍了由丝状菌引起污泥膨胀的控制方法，供相关工程技术人员参考。

关键词：活性污泥；膨胀；原因；控制方法
活性污泥法自1914年提出以来，已广泛应用于生活污水和工业废水的处理中。

其反应器的形式也不断发展，是一个仍处于不断变革中的水处理工艺装备。

活性污泥法的关键技术是活性污泥沉降性能的好坏，它直接影响了出水水质，而污泥膨胀是恶化处理水质的重要原因。

污泥膨胀的发生具有普遍性，据报道美国60%、德国约50%的污水处理厂存在着污泥膨胀现象，Madoni[1]等人调查了意大利167家活性污泥法水处理厂，其中的81家存在着污泥膨胀问题。

我国绝大部分的活性污泥法水处理厂，也不同程度地存在着污泥膨胀问题。

1 污泥膨胀的概念及测定指标
1.1 污泥膨胀的概念
活性污泥是活性污泥处理系统在运行过程中出现的异常情况之一，其表观现象是活性污泥絮凝体的结构与正常絮凝体相比要松散一些，体积膨胀，含水率上升，不利于污泥底物对污水中营养物质的吸收降解，并且影响后续工序的沉淀效果。

一般从以下三个方面定义污泥膨胀：沉降性能差，区域沉降速
度小；污泥松散，不密实，污泥指数较大；由丝状菌引起的污泥膨胀中，丝状菌总长度大于1×104m/g。

1.2 污泥膨胀的理论
Chudoba在1973年提出了选择性理论，该理论以微生物生长动力学为基础，根据不同种类微生物的最大生长速率μmax及其饱和常数Ks值的不同，分析丝状菌与菌胶团细菌的竞争情况。

该理论认为活性污泥中存在A、B两种类型微生物种群，丝状菌属于A型;具有低的 Ks和μmax值，在低基质浓度时具有高的生长速率并占优势；而菌胶团细菌属于B 型，具有较高的Ks和μmax值，在高的基质浓度条件下生长速率大并占优势。

1980年Plam又对理论加以扩展，认为该理论对溶解氧也成立，即DO与碳源基质一样，其浓度的高低影响着两种类型细菌的生长速率及其优势地位。

选择性理论能从微生物生长动力学基础上对污泥膨胀现象给予了合理的解释，已被人们广泛接受并成为污泥膨胀研究领域中主要理论。

在该理论的指导下，已成功地开发出了选择性反应器工艺来控制污泥膨胀。

另外，关于污泥膨胀理论还有A/V假说、饥饿假说和积累－再生假说等。

1.3 测定指标
在污泥膨胀问题的早期研究中[2]，常用的指标有塞里奥尔特（Theriault）指标、唐纳森（Donaldson）指标、哈兹尔廷（Haseltine）指标和莫尔曼（83*0-9.4）指标。

其中，由德国人莫尔曼于1914年提出的污泥容积指数，至今仍是常用的测定指标。

目前，评价污泥沉降性能常用指标有：污泥沉降比：取活性污泥反应器中的混合液静置30 min后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分比。

正常的活性污泥静置沉淀30 min后，一般可接近其最大密度，反映出二沉池中活性污泥的浓缩情况。

污泥容积指数：曝气池出口处的混合液，在经过30 min静沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积。

可表示活性污泥中菌胶团结合水率的高低。

污泥成层沉降速度：混合液静置一段时间后，形成清晰的泥水分界线，此后进入成层沉淀阶段，分界线匀速下降的速度即为污泥成层沉降速度。

丝状菌长度：活性污泥单位体积内丝状菌的长度，该指标用来表示丝状菌含量。

2 污泥膨胀的类型
污泥膨胀分丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀两类。

其中90%是由丝状菌引起的，只有10%左右是由非丝状菌引起的。

活性污泥系统中的生物处于动态平衡之中，理想的絮凝体沉淀性能好，丝状菌和絮体形成菌（菌胶团细菌）之间相互竞争，相互依存，絮体中存在的丝状菌有利于保护絮体已经形成的结构并能增加其强度。

但是在污泥膨胀诱因的诱发下，丝状菌在和胶团菌的竞争中占优，大量的丝状菌伸出絮凝体，破坏其稳定性。

可辨识的污泥膨胀絮体有两种类型：第一类是长丝状菌从絮体中伸出，此类丝状菌将各个絮体连接，形成丝状菌和絮体网；第二类具有更开放的结构，细菌沿丝状菌凝聚，形成细长的絮体。

为了解释丝状菌污泥膨胀的现象，不少学者提出了自己的假设，有：表面积/容积（A/V）假说——当微生物处于基质限制和控制时，
比表面积大的丝状菌获取底物的能力要强于菌胶团微生物，因而丝状菌占优势，菌胶团受到抑制，导致污泥的沉降性能下降；Chudoba 于1985年提出的积累/再生（AC/RG）假说——在高负荷条件下菌胶团微生物累积有机基质的能力强，而丝状菌较差。

但此时微生物处于溶解氧限制和控制下，由于丝状菌需要氧较少，完成积累、再生的循环较快，因此生长较快，形成污泥膨胀；Chudoba等人于20世纪70年代提出的选择性假说和Chiesa等人提出的饥饿假说理论；我国也有学者用广义的莫诺方程来解释污泥膨胀问题。

对于非丝状菌膨胀的研究较少，一般认为非丝状菌膨胀是由于絮凝体生理活动的异常而发生的。

一种是由于进水中含有大量的溶解性有机物，使污泥负荷太高，而进水中又缺乏足够的 N、P或溶解氧不足，细菌很快把大量有机物吸入体内，又不能及时代谢分解，向外分泌过多的糖类物质，这类物质中所含的羟基具有很强的亲水性，可以使活性污泥结合水率高达400%，呈粘性的凝胶状；另一种是由于进水中含有较多的有毒物质，导致细菌中毒不能分泌出足够的粘性物质，难以形成絮体，或即使形成絮体，但结构松散，沉降性能不好。

3 污泥膨胀的原因
3.1 丝状菌污泥膨胀的原因
3.1.1 进水水质
（1）原水中营养物质含量不足。

活性污泥法处理污（废）水的过程，就是污泥中的微生物种群不断地吸收、利用水中污染物，在自身增殖的同时，将污染物加以降解的过程。

随反应的进行需要多种营
养物质保证其正常的新陈代谢活动，并维持生物的动态平衡和活动。

若微生物的食物不足，会使低营养型微生物丝硫细菌、贝氏硫细菌过度繁殖，在与菌胶团细菌的竞争中占优。

（2）原水中碳水化合物和可溶性物质含量高。

丝状菌与其它菌种相比有其自身的一些特点，它对高分子物质的水解能力弱，较难吸收不溶性物质。

所以，当废水中含有较多量的可溶性有机物时，有利于底物中丝状菌的繁殖。

此外，废水中含过多量的糖类碳水化合物时，诸如球衣菌属的丝状菌能直接将葡萄糖、乳糖等糖类物质作为能源加以吸收利用，同时分泌出高粘性物质覆盖在菌胶团细菌表面，从而大大提高了污泥的水结合率。

（3）硫化物含量高。

正常的活性污泥中硫代谢丝状菌含量不多，若污水中硫化物含量偏高（这种情况多存在于工业废水中），容易引起诸如硫化菌、021N型菌、贝氏硫化菌等硫代谢丝状菌的过量增殖，致使引发污泥膨胀。

（4）进水波动。

进水波动是指进入活性污泥反应器的原水在流量以及有机物浓度、种类方面的改变。

如果曝气池中有机物浓度突然增加，就会因微生物呼吸迅速致使溶解氧含量降低，此时丝状菌在争夺氧中占优，大量繁殖，引起污泥膨胀。

3.1.2 反应器环境
（1）温度。

反应器底物中每种细菌都有自己的最适宜生长温度，在最适宜生长温度下，其繁殖旺盛，竞争力强。

如果温度较低，污水中微生物代谢速度较慢，会积贮起大量高粘性的多糖类物质，使活性
污泥的表面附着水大大增加，SVI值增高，从而可能会引起污泥膨胀。

温度对丝状菌的影响也是很普遍的，Knoop[5]等人通过观察Parvicella细菌在5℃、12℃和20℃下的生长情况，认为低温有利于丝状菌的生长。

Daigger［6］等人的研究同样表明，丝状菌膨胀对温度具有敏感性，在其它条件等同的情况下，10℃时产生严重的污泥膨胀现象；将反应器温度提高到22℃，不再产生污泥膨胀。

这也是大多数活性污泥在冬季时会产生污泥膨胀或者污泥膨胀更加严重的原因之一。

（2）溶解氧。

溶解氧作为构成活性污泥混合液三要素（气、水、泥）之一，是许多生物降解反应的必要条件。

菌胶团细菌和浮游球衣菌等丝状菌对溶解氧需要量差别比较大，菌胶团细菌是好氧菌，而绝大多数丝状菌是适应性强的微好氧菌。

因此，若溶解氧含量不足，菌胶团菌的生长受到抑制，而丝状菌仍能正常利用有机物，在竞争中占优。

Palm[7]等人通过研究找到了对应F/M值下的“安全溶解氧浓度值”。

Scruggs[8]等人也提出了0041型、1851型和1836型等细菌的生长所适宜的溶解氧浓度。

（3）pH值。

pH值较低，会导致丝状真菌的繁殖而引起污泥膨胀。

活性污泥微生物最适宜的pH值范围是6.5~8.5；pH值低于6.5时利于真菌生长繁殖；pH值低至4.5时，真菌将完全占优，活性污泥絮体遭到破坏，所处理的水质恶化[9]。

Hu和Storm[10]也通过对不同pH值（分别取4、5、6和7）的研究，认为pH≤5时真菌易于繁殖。

（4）BOD－污泥负荷。

BOD污泥负荷是设计活性污泥反应池和控
制其运行的重要指标。

莱斯佩兰西（Lesperance）用活性污泥处理一般的城市生活污水时，总结了污泥负荷与SVI值的关系（如图1）；Pipes调查了32个活性污泥处理厂，发现污泥负荷在0.25~0.45 kgBOD/kgMLSS?d范围时沉降性能好，超出这个范围会导致SVI值升高；Chao和Keinath认为负荷在0.6~0.13 kgBOD/kgMLSS?d时易发生污泥膨胀。

此外，泥龄过长，有机物浓度梯度小等也会引起此类污泥膨胀。

图1 BOD负荷与SVI的关系
3.2 非丝状菌污泥膨胀的原因
由于非丝状菌膨胀在污泥膨胀中所占的比例很小，国内外有关这方面的研究报道较少，笔者将知道的几种诱因概述如下：
3.2.1 进水中含有毒物质
Novak[11]在对非丝状菌膨胀的观察研究中发现，当活性污泥中的菌胶团细菌“吃”进有毒物质后，粘性物质分泌量减少，生理活动出现异常，可能引起污泥膨胀。

3.2.2 营养物质缺乏或不平衡
进水中营养物质缺乏或不平衡，除引发丝状菌膨胀外，还会导致
非丝状菌污泥膨胀。

高春娣等人以SBR法处理啤酒废水（COD 6000 mg/L）为研究对象，分析了P、N缺乏引起的非丝状菌污泥膨胀问题，认为当进水TD充足，BOD5/P为100/0.6和100/0.3时发生高含水率粘性菌胶团菌过量生长引起了污泥膨胀，BOD5/P为100/0.4时，混合液中出现大量高含水量的细胞外聚物，发生严重的非丝状菌污泥膨胀；当进水TP充足，BOD5/P为100/3和100/2时，均发生高含水率的粘性菌胶团菌过量生长引起了非丝状菌污泥膨胀，BOD5/P为100/0.94时，发生严重的非丝状菌污泥膨胀。

4 丝状菌引起污泥膨胀的控制方法
4.1 投加药剂法控制污泥膨胀
污泥膨胀的早期控制方法主要是靠外加药剂（如消毒剂）直接杀死丝状菌或投加无机或有机混凝剂增加污泥絮体的密度来改善污泥絮体的沉降性能。

目前此类方法仍运用于某些污水处理厂。

4.1.1 投加氧化剂
（1）投加Cl2或漂白粉。

控制污泥膨胀采用的传统氧化剂是Cl2。

Jenkins等人的研究表明，具有氧化能力的Cl2、HOCl和次氯酸根渗入细胞后，能破坏菌体内的酶系统，导致细胞死亡。

绝大程度上说的丝状菌都可通过加氯气加以控制。

一般投加在回流污泥中，加氯点的Cl2、浓度应控制在小于35 mg/L，加氯量最适宜控制在10~20 mg/L •d，投加量过大反而会杀死菌胶团菌，造成絮体解体。

当SVI值逐渐降低、膨胀不断缓解时，应逐渐减少投药量。

（2）投加H2O2。

双氧水在控制污泥丝状菌膨胀中的应用也相当
广泛。

Keller[13]等人的研究发现，控制丝状菌的最少投量是0.1 g/kg•d（H2O2/MLSS）时，将会破坏脱磷作用，投加一段时间后（大概10天）脱磷作用会慢慢恢复。

H2O2的毒性对脱氮作用只有少量的影响，在检测中没有发现氨、氮和硝酸盐氮有明显变化。

（3）投加O3。

投加臭氧也可以控制丝状菌引起的污泥膨胀，臭氧还能有效地改善硝化作用和提高难降解有机物的去除率，臭氧的投加量在4 g/kg•d（H2O2/MLSS）左右，一般投加在好氧区。

4.1.2 投加凝聚剂
投加合成的有机聚合物、铁盐、铝盐等混凝剂均可以通过其凝聚作用来提高污泥的压密性增加污泥的比重；投加高岭土、碳酸钙、氢氧化钙等也可以通过提高污泥的压密性来改善污泥的沉降性能。

实践证明，不设初沉池的污水厂，其SVI值都比较低，所以设有初沉池的污水厂发生污泥膨胀时，将部分污水直接送到曝气池也是一种控制污泥膨胀的方法。

当污泥膨胀发生时，采用上述方法能较快地降低SVI值，但是没有从根本上控制住丝状菌的繁殖。

一旦停止加药，污泥膨胀可能又会出现。

加药改变了微生物的生长环境，无疑会对污水处理厂的稳定运行产生负面影响，因此只能作为临时应急只用。

4.2 改善环境法控制污泥膨胀
通过对污泥膨胀机理不断深入的研究和对丝状菌作用的进一步了解，对于污泥膨胀的控制方法也随之由简单的投药等方法发展到应用生态学的原理调节处理工艺运行条件及反应器环境条件，通过协调菌胶
团菌微生物与丝状菌共生关系，从根本上消除污泥的丝状菌膨胀问题。

4.2.1 增设生物选择器
早在上世纪70年代人们就发现，当曝气池中混合液呈推流状态并形成一个明显的底物浓度梯度时，不易发生污泥膨胀。

生物选择器的设计原理就是使曝气池中的生态环境有利于选择性地发展菌胶团细菌，应用生物竞争的机制控制丝状菌的过度增殖，从而控制污泥膨胀。

我们可在曝气池之前设一个小池，局部地提高F/M值，或把曝气池前端设置成高负荷接触区，选择性地培养菌胶团细菌，使其成为优势菌种。

选择器可分为好氧、缺氧和厌氧三种类型。

好氧选择器的工作原理是利用菌胶团细菌能在高负荷底物浓度中迅速繁殖并贮存这些底物，而此时丝状菌的增长速率并不能明显地提高。

高负荷接触之后的曝气反应中，菌胶团细菌利用贮存的底物大量繁殖生长，丝状菌因食物缺乏而使其生长收到抑制。

缺氧选择器的工作原理是大部分菌胶团细菌能够利用硝酸盐中的化合态氧作氧源生长繁殖。

而丝状菌此功能较弱，所以生长受到抑制。

J.Wanner等人通过对厌氧选择器的实验分析证实，菌胶团细菌由于放磷反应而获取的能量得以能在厌氧条件下利用有机物进行繁殖并贮存，后续的曝气反应中基质浓度底，使丝状菌受到抑制，从而阻止了污泥膨胀的发生。

4.2.2 采用SBR工艺
从SBR法的反应阶段其底物浓度的变化可以看出，SBR法不易发
生污泥膨胀。

如果把普通活性污泥法中混合液的流态用“离散度”表示，那么它在完全混合时为无穷大，在理想推流时为零。

SBR法反应阶段的底物浓度变化相当于普通污泥曝气池分格数为无穷多时的情况（因为普通污泥处理法曝气池分格数越多越接近推流式）。

这就有利于菌胶团细菌在竞争中处于优势。

此外，SBR法的优点还有：进水和反应开始阶段的反应器处于厌氧状态，有利于抑制丝状菌的过量生长； SBR法的污泥龄短，比增值速率较小的丝状菌不能很好地繁殖；可以省去初沉池相对减少废水中溶解性底物的比例，同时增加了总悬浮固体量。

由此可见，SBR本身就是一个很好地防止污泥膨胀的选择器。

4.2.3 回流污泥再生法
此法主要应用在脱氮除磷工艺中，将二沉池排出的回流污泥排入一单独设置的曝气池内进行曝气，将微生物体内贮存物质氧化，从而使菌胶团细菌具有最大吸附和贮存能力，使污泥得到充分再生并恢复活性，所以可以在与丝状菌的竞争中获得优势，抑制丝状菌的过量繁殖。

5 非丝状菌引起污泥膨胀的控制方法
非丝状菌膨胀又称高粘度膨胀，在国内的研究报道很少。

营养物缺乏是导致污泥膨胀的一个重要因素。

高春娣[14]等人的研究表明投加充足的氮源和磷源，并适当提高污泥负荷可以控制污泥膨胀的发生。

如果是由痕量金属的缺乏造成的，可以通过补充污水中的痕量金属的量来消除污泥膨胀。

此外，投加酶也可以控制污泥膨胀的发生。

据美国BIOCOPE公司[15]报道：利用他们开发的酶溶液，不但能有效控制污泥膨胀的发生及减少污泥的产量，还可以降低常规处理的溶解氧需求。

6 结语
随着实践的日益深入，人们对污泥膨胀这一问题的研究不断加深，并不断地有新的研究成果发表，但就污泥膨胀的原因这一问题，没有统一绝对的答案。

许多研究者通过实验得出的结论不相一致甚至相反。

在工程实际中，引发污泥膨胀的诱因不可能是单一的，只有分析其产生的主要原因，才能找到解决问题的关键办法。