生物選擇器與污泥膨脹控制

胡 睿

自從1914年Aldern和Lockett發明推流式活性污泥處理方法,其成為城市污水處理主流工藝。傳統活性污泥由推流式經歷了漸減曝氣,吸附再生,完全混合型,序批式等多種變形。活性污泥早期形式為簡單充放式和活塞流池子,20世紀50年代出現完全混合活性污泥,二十世紀六七十年代活性污泥運行裝置是以連續式完全混合為主,污泥膨脹大量發生,膨脹導致泥水難以分離使處理不達標,甚至系統崩潰,嚴重困擾著活性污泥工藝。1973年Chuduoba提出選擇性理論后,轉向了對傳統活塞流反應器和間歇式反應器形式研究,提出了選擇器活性污泥工藝,70年代初出現了第一個污泥膨脹研究熱點[1-4];20世紀80年代脫氮除磷工藝引入,掀起了活性污泥膨脹研究又一高潮[4-6]。

1 污泥膨脹控制方法

早期污泥膨脹控制方法主要是通過投加硅藻土、黏土、厭氧污泥、金屬鹽類、混凝劑和加氯等無選擇性對微生物有毒害作用的化學藥劑來實現,無法徹底解決污泥膨脹問題。環境調控使曝氣池中生態環境選擇性發展菌膠團細菌,應用生物競爭機制抑制絲狀菌過度繁殖[7]。

1.1 常規污泥膨脹控制方法

1)污泥再生法:Chuduoba將回流污泥在單獨設置曝氣池內曝氣,使具有最大吸附和貯存能力的菌膠團細菌,氧化體內貯存物獲得能量迅速增殖,克服膨脹。工藝流程為接觸池和再生池,美國和原蘇聯污水工藝采用高負荷運行方式,設置再生工藝,很少有污泥膨脹現象發生。2)投加填料控制法:接觸氧化法利用絲狀菌在填料上附著生長,避免污泥膨脹,填料池相當于一個選擇器,將絲狀菌固著于填料上在第一個池子中選擇性生長,不進入活性污泥絮體中。絮狀菌在第二個池內生長,作用是降低有機負荷。填料上的微生物量增加了系統中總生物量,有機負荷降低。3)射流曝氣和其他機械方式:研究認為射流對污泥絮體剪切破碎作用不利于絲狀菌,特別是球衣細菌,采用機械快速攪拌回流污泥可控制膨脹;但射流器中被吸入的空氣和主體流量同時被強烈剪切粉碎,減少了污泥絮體尺寸,大大增加了空氣和基質接觸界面,加速了基質向細胞內傳遞,提高了微生物代謝速率,DO處于超飽和狀態,減緩了供氧限制,加快了污泥活性限制。4)微生物生態學控制:利用原生動物對絲狀菌捕食來控制污泥膨脹,日本蘇口健和橋本禮在曝氣池中觀察到纖毛蟲類增加,絲狀菌急劇減少,SVI值降低。

1.2 生物選擇器控制

1.2.1 生物選擇器原理

1973年Chuduoba等提出了動力學選擇性準則,理論是基于不同種屬微生物 Monod方程中Ks和μmax參數不相同,且對于不同基質,其生長速率常數也不同[1]。按照Chuduoba理論,具有低Ks和μmax值微生物,在混合培養曝氣池中,當基質濃度很低時具有高生長速率占優勢,在高基質濃度下恰好相反(見圖 1)。Chuduoba選擇理論統一了絲狀菌膨脹理論,開發了選擇器控制污泥膨脹的新途徑。

生物選擇器就是應用生物競爭機制抑制絲狀菌過度增殖,做法是在完全混合或推流曝氣池前加一個停留時間比曝氣池小得多的池,在生物選擇器內,起始主體溶液中基質濃度很高,局部提高F/M,菌膠團細菌迅速增殖。

1.2.2 各類型生物選擇器

1)好氧選擇器。本質是具有推流特點的曝氣池,起始F/M很高,菌膠團細菌迅速攝取,轉化并貯存大部分可溶性有機物,奪取絲狀菌營養,后續曝氣池中,絲狀菌營養缺乏受抑制,好氧選擇器設計關鍵是尺寸,選擇器過大,起始F/M不高,造成首端基質濃度適合絲狀菌生長;過小,則對基質吸收利用不夠,使沒有降解基質泄漏進入后續曝氣池,利于絲狀菌生長。選擇器停留時間一般在5 min～30 min[8]。

2)缺氧選擇器。1931年Goudey發現,在曝氣池首端設置缺氧選擇器,與其說是控制污泥膨脹,不如說是起脫氮作用。WilliamL.Martin對Beloit.Landis等5個污水廠缺氧選擇器運行效果分析中認為缺氧區F/M負荷,好氧池SRT是主要影響參數,當F/M 為 0.7 kg BOD5/(kg MLSS?d)～ 1.2 kg BOD5/(kg MLSS?d),SRT在8 d～12 d時可控制膨脹,溫度升高,可適當縮短 SRT,提高F/M,并提出用缺氧選擇器中固體停留時間作為控制參數調整系統。吳凡松等認為進水中可溶性COD較多時,缺氧池中F/M為1.2 kg BOD5/(kg MLSS?d)～ 1.7 kg BOD5/(kg MLSS?d)較合適[9]。

缺氧選擇器多用于帶有硝化的系統,除了與好氧選擇器一樣保持高濃度梯度外,菌膠團細菌在缺氧條件下有比絲狀菌高兩個數量級的基質利用率和硝酸鹽還原率,說明缺氧選擇器對絲狀菌抑制是由于菌膠團細菌可以利用硝酸鹽中化合態氧降解有機物,絲狀菌缺乏這種能力且在后續曝氣池中缺乏營養生長受到抑制。足夠的硝酸鹽是缺氧選擇器的必要條件;其次是停留時間選擇,停留時間過長,缺氧段缺乏硝酸鹽無法控制絲狀菌。絲狀菌與菌膠團參數比較見表1。

表1 絲狀菌與菌膠團菌動力學參數比較[10]

缺氧選擇器用于污泥膨脹控制,同時具備動力學和代謝兩種選擇機制。此外,A/O和A2/O,UCT等脫氮除磷對工藝中的缺氧池以脫氮為目的。而缺氧選擇器是控制絲狀菌膨脹,停留時間相對短;浮游球衣菌、諾卡氏等絲狀菌屬也具有脫氮功能,硝酸鹽還原菌是否為絮凝菌有待研究。

3)厭氧選擇器。活性污泥厭氧池運轉可以追溯到1952年A.B.Dvidson對釀造工業廢水處理,試驗表明采用厭氧—好氧交替操作可很好控制污泥膨脹,但未得到重視,直至1974年Heide和Pasveer在氧化溝里采用了厭氧—好氧操作以及后來發展的Barnard流程,Phoredox流程及1980年出現的A2/O流程之后才進一步認識了活性污泥厭氧—缺氧—好氧運轉在控制污泥膨脹上的重要意義。Spector在1975年發現,當負荷在0.2 kg BOD5/(kg MLSS?d),進水中BOD/TN＞4～5的A/O工藝可有效控制污泥膨脹。

B.Chamber認為,厭氧處理后,聚磷菌釋磷,后續好氧段污泥吸磷量增大,污泥含磷量較高,P/C比值上升,SVI值降低,聚磷菌在厭氧過程中能迅速吸收COD轉化為PHAs,好氧時PHAs分解獲得能量,厭氧下絲狀菌生長,具有較低的多聚磷酸鹽釋放速率。1987年J.Wanner也發現021N型菌和球衣細菌在厭氧條件下,由于較低的磷酸鹽釋速率被抑制生長,控制了污泥膨脹。厭氧區目的重在釋磷,要求VFAs過剩,與進水水質中可溶性有機物量有關。水解時間長,則厭氧區容積大,可降解基質含量高時,HRT為1.5 d,VFAs占污水中等比例時,HRT取0.5 d～1.5 d,難降解成分含量高時,HRT取2.5 d～3 d,厭氧選擇器用于污泥膨脹控制容積小。

2 結語

在污泥膨脹這一污水生物處理遇到的問題起源,發展背景下,分析生物選擇器提出的歷史情況,基礎理論,應用狀況來顯現其在污泥膨脹控制方面的地位。而污泥膨脹的微生物動力學機理復雜,加上絲狀菌種類繁多,生理特性各異,有待于深入研究。

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