活性污泥处理工艺中的污泥管理.docx
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活性污泥处理工艺中的污泥管理
活性污泥膨胀、上浮原因及控制措施
一、活性污泥系统中曝气机的速度控制
1、曝气过程被控对象模型及处理
曝气机速度与溶解氧（DO）浓度之关系：
溶解氧（DO）的形成是非线性的，瞬间完成的；而氧的转移是无源的，可用双膜理论来解释（见图1）。
1.1 曝气机
垂直提升式E型叶轮表面曝气机的充氧量、叶轮直径与线速度的关系有如下公式：
Qcm=0.37v0.28·D1.88·K
（1）
式中 Qcm——标准条件下的充氧量，kg/h
v——速度，m/s
D——叶轮直径，m
K——池型系数（对方型池，K=0.64）
1.2氧的转移
氧气转移速率取决于下列各因素：
气相中氧分压梯度；液相中氧的浓度梯度；气液相间的接触时间和接触面积；水温；污水的性质以及水流的紊流程度等。
当混合液中氧的浓度为零时，由于具有最大的推动力，因此氧的转移率最大。
在一定条件下，氧的转移速率应等于活性污泥微生物的需氧速率：
dC/dt=Kla（Cs-C）
（2）
式中 C——液相中溶解氧浓度,mg/L
Cs——界面处的溶解氧浓度，mg/L
Kla——氧总转移系数，L/h
1.3溶解氧（DO）检测
常用的DO连续测定方法是隔膜电极法。
其隔膜采用聚四氟乙烯纤维、聚乙烯等组成，用铂、金作正电极，铝、铅作负电极，电解液用氯化钾等溶液。
当把这种电极浸入测定水中，连通电流测定回路，则产生电流，其电流大小与水中通过隔膜的DO浓度成比例。
根据DO仪的测定原理及电化学方程式分析有：
DOnt=DOst+rcm/α=（１－e-et） （3）
式中 DOnt——t时刻DO的实测量值，mg/L
DOst——t时刻水样中实际DO浓度，mg/L
rcm——实际OUR值，mg/（L·min）
α——DO仪氧电极响应速度的参数，min-1，在高浓度时α=9.2min-1
可见，DO检测是非线性，具有滞后特性。
综上所述，可构成曝气机速度控制系统方框图，见图2。
2、曝气机转速的模糊控制
模糊控制运用模糊逻辑进行直觉推理。
它不需要对象的精确数学模型，适合于高度非线性、扰动因素大、纯滞后、时变特性等对象的自动控制。
实践表明，与传统的DDC和PID调节器相比，模糊控制器（FLC）有更快的响应和更小的超调，对被控系统参数的变化不敏感，能克服线性的影响。
在此基础上发展的专家模糊控制器（EFC）（见图3），把人的经验知识和求解控制问题的启发式规则、手续进行模型化，强调知识的多层次及分类的需要。
EFC在保持FLC优点的同时，丰富了适用于FLC的知识结构及内容，使其更具灵活性。
对于曝气机转速来说，其任务是将进水水质水量变化引起的DO改变尽快地控制在允许的范围之内，且需有一定的鲁棒性以适应废水处理过程因素变化的需要。
因此，曝气机转速EFC应具备这样的控制思想：
DO浓度偏离较大时，采取较大的控制量输出（转速变化较高），以体现纠偏迅速；DO浓度偏离较小时，采取较慎微的控制量输出，以减小过调并提高对e和è的分辩率，提高调节精度。
其模糊查询表如下：
若 |c1en|>A 则粗调
（1）
|c1en|>B>|c1en-1| 则中调
（2）
|c1en|>C>|c1en-1| 则细调 （3）
微调 （4）
上表中，优先级依次递减。
其中A＞B＞C为经验值，en为当前采样DO浓度偏离量，en-1为前一次采样偏离量。
为便于实际应用，减少EFC的参数，对上述规则进一步简化。
2.1调节策略识别规则
IF|c1en|>6CTHEN L=1 （粗调）
IF|c1en|>3C>|c1en-1| L=3 （中调）
IF|c1en|>C>|c1en-1| L=2 （细调）
L1=1 （微调）
上式中，优先级一次递减。
2.2控制规则和查询表
IFEandECTHENL（调节变量）
IFLandUTHENY
其中E、EC、L、U、Y分别为DO浓度偏离量、偏离变化量、调节变量、调节策略、控制器输出的模糊量。
输出值Y经过逆量化后转化成实际输出量作为曝气机转速给定，通过曝气机，改变充氧量，实施对废水处理系统中DO浓度的控制。
二、活性污泥污水处理工艺中泡沫的形成与控制
活性污泥曝气池中严重的泡沫现象是一种常见问题，主要是由于Nocardioformactinomycetes和Microthrixparvicella菌属的异样生长，其比生长速率高于菌胶团絮凝体形成菌的比生长速率造成的。
Nocardioformactinomycetes和Microthrixparvicella菌属有疏水性极强的细胞表面，迁移并停留在气泡表面，因而使气泡稳定。
微生物细胞表面的疏水性（CSH）、污泥停留时间（SRT）、pH值、溶解氧（DO）等是丝状菌生长的重要因素。
因此，发泡现象也与气–水界面的疏水性有机化合物的浓度有关
控制泡沫的方法主要有喷洒水、投加化学药剂、降低细胞平均停留时间、调节污水pH值、增设生物选择器、采用连续填料反应器等。
1、泡沫的形成
活性污泥工艺中，泡沫的形成一般有以下几种形式，主要包括工艺运行初始时期形成泡沫、反硝化作用起泡、表面活性剂起泡以及生物泡沫等。
生物泡沫粘度大，呈黄褐色，具有稳定、持续、较难控制的特点。
1.1工艺运行初期形成泡沫
曝气池开始运转时，特定表面活性剂对有机物的部分降解作用形成泡沫，并使泡沫迅速增长。
这些泡沫一般呈白色且质轻，当活性污泥达到成熟时消失。
1.2反硝化作用起泡
由于在二沉池或曝气不足的地方会发生反硝化作用，使微小的氮气气泡释放出来，从而使污泥的密度减小，有利于其上浮，产生泡沫现象。
这种现象在二次沉淀池中表现明显，且产生的悬浮泡沫通常不稳定。
1.3表面活性剂起泡
污水中的表面活性剂和淀粉、蛋白质、油脂等表面活性物质在分子结构上都表现为含有极性－非极性基团即所谓双亲分子，在曝气的条件下，非极性基团一端伸入气泡内，而极性基团选择地被亲水物质所吸附，这样亲水性物质的表面被转化成疏水性物质而粘附在气泡水膜上，随气泡一起上浮至水面。
各种悬浮物质若混入表面活性剂等产生的泡中，这些物质单独存在并不能发泡,但是可使泡沫稳定。
如造纸工业中的微细纸浆，食品工业中的纤维质等。
另外，如氯化钠、硫酸钠、硫酸铝等盐类的水溶液,单独存在几乎不产生泡沫,但也有助于泡沫的稳定，使泡沫难以消失，如图1、2、3所示。
图1纯水中的气泡 图2水中混入表面悬浮物 图3水中混入表面活性剂
1.4 生物泡沫
目前，普遍认为生物泡沫形成的主要原因是：
在各种因素影响下，造成丝状菌和放线菌等微生物的异样生长，丝状菌的比生长速率高于了菌胶团细菌，又由于丝状菌的比表面积较大，因此，丝状菌在取得污水中BOD5物质和氧化BOD5物质所需要的氧气方面都比菌胶团细菌有利得多，结果曝气池中丝状菌成为优势菌种而大量增值，导致生物泡沫的产生。
再加上这些微生物大都呈丝状或枝状，易形成网，能捕扫微粒和气泡等，并浮到水面。
被丝网包围的气泡，增加了其表面的张力，使气泡不易破碎，泡沫更加稳定。
另外，曝气气泡产生的气浮作用是泡沫形成的主要动力因素。
与生物泡沫有关的菌属主要有Nocardioformactinomycetes（放线菌）和Microthrixparvicella（丝状菌）等，如图4所示，前者多出现于夏季，后者多出现于冬季。
LindaL.Blackall等通过测定Microthrixparvicella等丝状菌的16SrDNA序列，对引起生物泡沫的主要丝状菌进行了分离鉴定和分类，如表1所示。
Microthrixparvicella是生成生物泡沫的最重要菌种，其16SrDNA序列信息证实Microthrixparvicell也是一种放线菌，通过电子显微镜观察，其细胞壁上有革兰氏阳性细菌所具有的典型表面，呈单一均质层；EikelboomType0092、EikelboomType0411和EikelboomType1863丝状菌革兰氏染色均呈阴性，16SrDNA序列信息表明三者都属于Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides；EikelboomType0803是一种β类Proteobacteria，WilliamsandUnz认为根据形态学准则很难区别Microthrixparvicell和EikelboomType0803，但序列信息表明事实上二者没有任何关系，EikelboomType0803与上述各丝状菌都不太相似。
D.B.Oerther等利用低（聚）核苷酸探测技术、杂交培植和抗体着色等方法，对生物泡沫中Gordoniaspp.等丝状微生物进行了定量分析。
结果表明，Gordoniaspp.等菌体的活性和数量水平的增加与整体微生物群落的活性及数量水平有关，在形成生物泡沫过程中，Gordoniaspp.等丝状微生物自身的物理性质可能比细胞的代谢活性所起的作用要大。
图4 Nocardiaamarae和Microthrixparvicella
丝状菌等微生物细胞表面的疏水性或憎水性（cellsurfacehydrophobicity,CSH）是形成生物泡沫并使之稳定的重要原因。
HelenStratton（1998）等从生物泡沫中分离出nocardiform及Rhodococcusrhodochrous等菌种，对细胞表面霉菌酸成分（mycolicacidcontent），
表1与泡沫形成有关的主要菌属
序号
菌种名称
革兰氏性
种属和形态
1
Nocardiaamarae
G+
放线菌（actinomycete），枝状菌丝
2
Nocardiapinesis
G+
放线菌,松枝状
3
Rhodococcussp.
G+
放线菌,枝状菌丝
4
Microthrixparvicella
G+
丝状菌（filament），无鞘无分枝，丝状
5
EikelboomType0092
G-
F-C-B门，丝状菌
6
EikelboomType0411
G-
F-C-B门，丝状菌
7
EikelboomType1863
G-
F-C-B门,
类Proteobacteria,丝状菌
8
EikelboomType0803
G-
F-C-B门,
类Proteobacteria,丝状菌
注：
F-C-B门表示Flexibacter-Cytophaga-Bacteroidesphylum.
以及细胞表面疏水性（CSH）与形成稳定生物泡沫能力之间的关系进行了研究，结果表明：
霉酸菌成分并不是形成CSH的唯一原因，CSH也不是生成生物泡沫并使之稳定的唯一因素。
CSH随着微生物的培养周期，以及其它条件，如生长温度、碳源等的变化而改变；Rhodococcusrhodochrous中霉酸菌成分也会随着培养周期、温度以及碳源等条件的变化而发生改变；nocardiform细胞表面的霉酸菌成分对其CSH的影响不大。
D.Mamais（1998）等认为，长链脂肪酸（慢速生物降解COD）和低温环境是脱氮活性污泥系统中Microthrixparvicella生长的主要原因，絮凝体形成菌去除易生物降解COD的过程也不会影响Microthrixparvicella的生长，长链脂肪酸被去除的量（吸附去除）与Microthrixparvicella的生长量成反比关系；污泥停留时间（SRT）、pH值也会影响生物泡沫的产生。
长污泥停留时间有利于Microthrixparvicella等丝状菌微生物的生长，这也是延时曝气工艺更容易引起生物泡沫的原因。
另外，溶解氧（DO）以及曝气方式等也是生成泡沫的重要影响因素。
如表2所示。
表2与优势丝状菌相关的条件
产生条件
丝状菌种类
低DO
Microthrixparvicella,S.Natans,1701
低F/M
Microthrixparvicella,0041,0092
完全混合式生物反应器
H.Hydrossis,Nocardiaspp.,021N,1851,1701
腐败性废水/硫化物
Beggiatoa,Thiothrixspp.,0914
营养不足
S.Natans,Thiothrixspp.,021N;可能有H.Hydrossis,0041
低pH值
fungalbacteria
2、泡沫的控制
根据泡沫形成的机理及其影响因素，可采用物理化学和生物的方法对泡沫进行控制。
控制泡沫特别是生物泡沫的实质并非消除Microthrixparvicella等细菌的产生，主要途径就是在曝气系统中建立一个不适宜丝状菌异常生长的环境，抑制其在活性污泥中的过度增殖，使丝状菌与絮凝体形成菌保持平衡的比例生长。
2.1物化方法控制泡沫
①喷洒水。
喷洒的水流或水珠能打碎浮在水面的气泡,以减少泡沫。
但不能根本消除泡沫现象，是一种最常用最简便的物理方法。
②投加化学药剂。
阳离子聚丙烯酰胺（acrylamidebasedcationicpolymer）是一种常用的消泡剂，把阳离子聚丙烯酰胺投加于二沉池进水管中，其既有抑制Nocardioformactinomycetes生长的作用，又有通过回流污泥进入曝气池消除污水中表面活性剂及表面活性物质极性－非极性特点的作用。
由于上述两点的存在，新的稳定泡沫难于大量生成，而在水面上的泡沫层由于水面紊动，泡沫受剪力作用不断破碎，表面泡沫水膜由于水分不断蒸发,泡沫不断破碎,泡沫层也逐渐消失。
低浓度的H2O2也是一种较常用的泡沫消除剂，在活性污泥中投加当投加低浓度H2O2时,其浓度不足以杀死菌胶团表面伸出的丝状菌，只能氧化部分生物残渣和消除代谢过程产生的毒素，净化菌胶团细菌生长的环境，促进了菌胶团细菌优势生长,使菌胶团菌和丝状菌的生长达到了新的平衡，从而达到控制生物泡沫的目的，而出水水质并未恶化。
H2O2应投加于回流污泥中，投加浓度为20～25mgH2O2/（kg·MLSS）。
污水中的泡沫是典型的季节性出现的，代谢和动力学的调节并不能很成功的抑制Microthrixparvicella的过度生长和泡沫的产生，经过与氯、阳离子聚丙烯酰胺两种化学药剂相比较，发现除丝状菌聚季铵碱（quaternaryammoniumbasedantifilamentpolymer,AFP）是一种最有效的物理化学方法来抑制Microthrixparvicella的过度增殖，能有效的控制泡沫，并未给出水水质带来变化。
另外，如氯、臭氧、聚乙二醇以及氯化铁和铜材酸洗液的混合药剂等均具有较强的氧化性，也可当作消泡剂使用。
2.2生物方法控制泡沫
①降低细胞平均停留时间是很有效的控制泡沫的方法，实质即利用丝状菌平均世代时间较长于絮凝体形成菌的特点，抑制丝状菌的过度增殖，细胞平均停留时间越短，丝状菌越少，泡沫也越少。
②最适宜Nocardiaamarae生长的pH值为7.8,最适宜Microthrixparvicella生长的pH值为7.7～8.0，当pH值从7.0降为5.0～5.6时，能有效控制这些微生物的过度生长，减少泡沫的形成。
③降低了曝气的空气输入率，一是能降低曝气池中气提强度，减缓了丝状菌的上浮速度；二是能降低曝气池中的溶解氧浓度，Nocardiaamarae是严格的好氧菌,在缺氧或厌氧条件下,不易生长,但 Microthrixparvicella却能忍受缺氧状态。
再者，降低曝气池的空气输入量也相应的降低了微气泡的生成量，即减少丝状菌和放线菌机体上浮的载体，从而延缓泡沫的形成。
④厌氧消化池上清液能抑制Rhodococcusrhodochrous菌属的生长，采用厌氧消化池上清液回流到曝气池的方法，也能控制曝气池表面泡沫的形成。
但由于厌氧消化池上清液中含有高浓度好氧底物和氨氮，它们都会影响出水水质，因此应慎用。
⑤生物选择器有好氧选择器和缺氧选择器两种，其目的就是使进入曝气池的污水先于回流污泥在其中充分混合，通过调节F/M、DO等因素，选择性的发展絮凝体形成菌，抑制丝状菌等的过度增殖。
在设计选择器时，选择器需要分格设置，一般多采用4～6格；尽量提高选择器第一格的F/M值，形成F/M梯度；还要控制选择器的水力停留时间，一般为10～15分钟。
好氧选择器能一定程度地控制Microthrixparvicella，但对Nocardia菌属无大影响；而缺氧选择器对Nocardia菌属有控制作用，却对Microthrixparvicella无太大作用。
⑥没有证据表明厌氧和缺氧选择器能够绝对成功的控制Microthrixparvicella的扩散和增殖，连续流和序批实验表明，控制Microthrixparvicella生长的最佳方式就是采用连续填料流反应器，理由有二：
一是利用絮凝体形成菌的高吸附能力能够大量去除慢速生物降解COD；二是能避免胶体物质水解后可溶产物的扩散。
三、活性污泥絮体中的丝状菌结构分析
丝状微生物是一大类菌体相连而形成丝状的微生物的统称,其中包括丝状细菌、丝状真菌、丝状藻类等。
荷兰学者Eikelboom将丝状微生物分为29个类型、7个群，并制成了活性污泥丝状微生物检索表。
丝状微生物的功能与结构形态密切相关，长丝状形态有利于其在固相上附着生长，保持一定的细胞密度，防止单个细胞状态时被微型动物吞食；细丝状形态的比表面积大，有利于摄取低浓度底物，在底物浓度相对较低的条件下比胶团菌增殖速度快，在底物浓度较高时则比胶团菌增殖速度慢。
许多丝状微生物表面具有胶质的鞘，能分泌粘液，粘液层能够保证一定的胞外酶浓度，并减少水流对细胞的冲刷，其中还含有特定的抗体，以防止其他生物附着。
丝状微生物种类繁多，对生长环境要求低。
其本身生理生长特性很特别：
增殖速率快、吸附能力强、耐供氧不足能力以及在低基质浓度条件下的生活能力都很强，因此在废水生物处理生态系统中存活的种类多，数量大。
如何使丝状微生物相互聚集，使之在废水处理中达到较好的泥水分离效果，如何确定丝状微生物同其他微生物的相互作用，以及不同丝状微生物的最适需氧量等，都是需要进一步研究的问题。
丝状微生物鉴定采用Eikelboom法，镜检观察以下八项特征：
①是否存在衣鞘；②滑行运动；③真、假分枝；④丝状体长度、形状、性质；⑤细胞直径、长度、性质；⑥革兰氏染色反应；⑦纳氏染色反应；⑧有无胞含体（聚-β-羟基丁酸PHB、硫粒、多聚磷酸盐等）。
染色采用石炭酸复红染色法、革兰氏染色法、纳氏染色法和积硫试验法。
通过目微尺测定污泥絮体直径，记录各种大小、形状和结构的絮体数量，归纳污泥絮体的主要类型及特征。
通过大量观察，寻找丝状微生物种类、浓度与污泥絮体大小、形状、结构的关系。
1、絮体结构形态类型
通过大量的观察发现，活性污泥在正常运行和膨胀时呈现不同的结构形态和种类。
正常运行时活性污泥结构形态可分为四类，Ⅰ型：
致密、细小，看不到丝状菌为骨架的污泥；Ⅱ型：
有明显丝状骨架、呈长条形的污泥；Ⅲ型：
厚实、具有网状结构的巨型污泥；Ⅳ型：
有孔洞结构的巨型污泥。
污泥膨胀时其结构形态可分为两类，Ⅴ型：
结构丝状菌大量生长、伸长，絮体结构松散；Ⅵ型：
非结构丝状菌大量生长，不形成絮体。
Ⅰ型污泥在污水厂正常运行的曝气池中所占比例较低，而在二沉池上清液中比例较高，因此它是从良好结构的污泥上脱落下来的，在二沉池随出水流失。
正常运行时长条形污泥、网状污泥和孔洞污泥（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型）占很高比例。
根据絮体伸出的部分丝状菌，可以判断这些具有良好结构的污泥是以丝状菌为骨架，胶团菌附着于其上而形成的。
它们是去除有机物的主要部分。
在混合液中可见到其他丝状微生物游离于菌胶团之外，见不到附着生长物，三种样本见到的菌种有：
球衣菌、发硫菌、0803型、0581型、硬发菌、链球菌等，但数量都十分少。
在不曝气仍保持进水流量，发生了结构丝状菌大量增殖的现象，污泥结构呈松散状（Ⅴ型），SVI达到142mL/g干污泥；恢复曝气，按正常方式运行一段时间后，污泥结构恢复正常，SVI回落至90mL/g干污泥。
而活性污泥小试过程中多次出现污泥膨胀，泥水分离困难（Ⅵ型），SVI高达500mL/g干污泥以上，调节运行方式仍不能控制，镜检发现球衣菌、发硫菌大量增殖，最终通过投加漂白粉杀生剂再经逐步培养才恢复正常。
2、微生物鉴定结果
根据Eikelboom法对作为污泥良好结构骨架的丝状菌进行鉴定，发现各处取样污泥的结构丝状菌特征一致：
丝状体直径1.5～2μm，丝体长200μm左右，不运动，略弯，在絮体内扭曲，细胞呈柱状，长0.5～4μm，直径0.7～1.0μm，有鞘，横隔明显，常见分枝，有大量附着生长物，无硫粒，革兰氏染色阴性，纳氏染色可见兰灰色颗粒，呈阳性。
Eikelboom1701的特征是：
链状圆柱形细胞，被鞘紧裹，丝体长100～200μm，偶尔超过200μm，虽然丝体正常时稍弯，但可有很强的盘绕性，细胞长2.5～3.5μm，直径0.5～0.9μm，有鞘，有时可见PHB黑色小颗粒，横隔和缩缢明显，偶有假分枝，常有大量附着生长物，无硫粒，革兰氏染色阴性，纳氏染色阳性。
3、絮体形成过程
许多絮体可以同时具有Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型污泥的多种特征，在絮体中心部分为孔洞结构，向四周伸展的长条形污泥相互搭接形成网状结构，最外侧则可见新伸出的骨架丝状菌。
从这种污泥的形态可以推断其形成过程为：
结构丝状菌交织生长，胶团菌附着其上形成新生污泥，新生污泥逐渐成熟形成条状、网状污泥，在氧和营养物充足等条件下，网状污泥的胶团菌增粗，网孔逐渐变小形成孔洞状，最后孔洞被填实，而结构丝状菌的伸出为胶团菌提供了新的附着面，包裹形成新的条状污泥，条状污泥相互交织又形成新的网状污泥，重复上述过程，形成更大的污泥絮体。
一些污泥能见到成节的形态，大的孔洞结构污泥之间由细的条状污泥连接，有的由丝状微生物连接，这种污泥的形成可能是絮体成长到一定成熟度后，由于内部供氧不足，促进了包埋于其中的结构丝状菌的生长，将絮体撑开导致结构松散形成节状。
还有极少量的污泥，可以见到极粗大的丝状骨架，上面附着胶团菌，经多次对比鉴定，这些丝状骨架为死亡累枝虫的杆，由于结构松散，这类污泥易于在二沉池发生漂浮，因此保持原生动物稳定的生长条件可以有效地减少二沉池的污泥上浮。
4、丝状微生物与微生态群落的关系
胶团菌与结构丝状菌之间相互依存，丝状微生物形成了絮体骨架，为絮体形成较大颗粒同时保持一定的松散度提供了必要条件。
而胶团菌的附着使絮体具有一定的沉降性而不易被出水带走，并且由于胶团菌的包附使得结构丝状菌获得更加稳定、良好的生态条件，所以这两大类微生物在活性污泥中形成了特殊的共生体。
根据生态学的观点，环境因子对微生物个体的影响首先是影响某些敏感生物，然后通过微生物之间的相互作用逐步传递，最终当影响超过一定限度时引起结构上的波动。
正是因为生态系统中生物种类多，并按一定结构组成了微生态群落，环境压力在逐级传递过程中受到消减，所以生态系统具备了一定抗冲击负荷的能力。
与纯培养相比，生态系统能通过优势种群的变化维持良好的结构，而纯培养只需轻微刺激就会引起强烈反应，直接破
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