污泥膨脹和生物泡沫的形成機理和控制方法

李宗仁，張新穎，林琳琳，張莉敏，杜朝丹，陳美香

(1.福州大學環境與資源學院，福建福州 350108；2.福建海峽環保集團股份有限公司，福建福州 350014)

1 污泥膨脹和生物泡沫的形成及特點

據統計，在發生污泥膨脹的活性污泥法處理廠中，約有90%的污泥膨脹問題是由于活性污泥中絲狀菌過量生長引起的[1]。Sezgin等[2]將絲狀菌膨脹定義為“宏觀結構的失敗，從某種意義上來說，有太大的宏觀結構”，即絲狀菌是構成活性污泥絮體的骨架，能夠保持污泥良好的絮體結構，但是當絲狀菌數量太多時，就會影響污泥的沉降性能和壓縮性能。關于污泥膨脹嚴重程度的判定指標主要有以下幾個：(1)由絲狀菌引起的污泥膨脹，絲狀菌總長大于104m/L；(2)根據活性污泥中絲狀菌數量的多少進行分級(表1)；(3)污泥體積指數(SVI)大于150 mL/g。

生物泡沫常常是在污泥膨脹發生后出現的，由于絲狀菌的異常生長，其與氣泡、絮狀顆粒混合而成的泡沫具有穩定、持續、較難控制的特點[5]。實際工程中生物泡沫的嚴重程度除了根據SVI和絲狀菌特性進行判定外，還可以利用泡沫發泡指數(FSI)[6]進行評估。

表1 活性污泥中絲狀菌的數量級別[3-4]Tab.1 Quantitative Level of Filamentous Bacteria in Activated Sludge[3-4]

隨著城市污水廠進水中工業廢水量的增加，越來越多的城市污水廠也出現了污泥膨脹和生物泡沫現象，而污泥膨脹和生物泡沫一般具有以下三個特點。

(1)發生率較高。據統計，歐洲各國和美國每年分別約有50%和60%的城市污水處理廠會發生污泥膨脹和生物泡沫現象[7]。法國的調查顯示，6 013座污水處理廠中有20%受到泡沫問題的長期影響[8]。在我國，大部分城市污水處理廠和一些工業廢水處理廠也存在污泥膨脹和生物泡沫現象。

(2)普遍性。污泥膨脹和生物泡沫存在于各種類型的活性污泥處理工藝中，在完全混合式工藝中，這些問題尤其突出，而且連最不易發生污泥膨脹和生物泡沫的間歇曝氣池也可能發生這種情況[7]。

(3)處理難度高。污泥膨脹和生物泡沫會使工藝的處理能力下降，情況嚴重時，會使污泥流失，出水懸浮物增高，大大影響工藝效果，并且其控制或恢復需要相當長的時間[9]。

2 活性污泥膨脹中的常見微生物

2.1 污泥膨脹中主要優勢微型動物

微型動物在實際污水處理中常被作為反映系統處理性能的指示生物，這主要是因為微型動物本身在污水生物處理系統中占有重要地位，其對周圍環境變化的敏感性較高，且其檢測方法較為簡便[10]。目前，國內外學者主要對微型動物與污泥沉降性能的相關性進行研究，認為漫游蟲屬(Litonotus)、斜葉蟲屬(Loxophyllum)的一些種類數量與污泥沉降性能存在負相關關系[11-13]。陳小剛等[14]采用缺氧-好氧膜生物反應器(AO-MBR)組合工藝對系統運行過程中的生物種群結構變化進行研究，發現系統運行期間，污泥絮體結構變化規律為緊密—疏松—緊密—出現膨脹，絲狀菌數量級別隨絮體結構變化逐漸增加到“++級”，微型動物優勢群落也隨之變化，即游動型纖毛蟲—輪蟲—鐘蟲—累枝蟲，其中當鐘蟲和累枝蟲成為優勢群落時，污泥絮體處于緊密狀態，隨后出現污泥膨脹。劉娟等[15]對絲狀菌污泥膨脹狀態下的原生動物群落結構進行分析，發現污泥膨脹狀態下匍匐型纖毛蟲及有殼類肉足蟲優勢明顯，其典型的原生動物為斜管蟲(Chiloclonella)、小輪毛蟲(Trochiliaminuta)和匣殼蟲(Centropyxis)。

2.2 污泥膨脹和發泡菌群

污泥膨脹和生物泡沫的產生主要與活性污泥中微生物的種類以及生長情況有關。大量研究表明，當進水含硫化物或營養物質缺乏時，會引起硫絲菌和貝氏硫絲菌的過度繁殖，而含溶解性碳水化合物高的廢水會引起浮游球衣細菌的過度增殖，這些都會引發污泥膨脹[3]。活性污泥中分枝菌酸放線菌(Mycolata)過度繁殖也會造成污泥膨脹和生物泡沫[16]，因為分枝菌酸放線菌的細胞壁中含有長鏈枝狀的分枝菌酸，造成細胞表面呈疏水性，而細胞疏水性正是形成絲狀菌污泥膨脹和生物泡沫的必要條件。另外也有報道認為，微絲菌(Microthrixparvicella)的大量增殖也會引起污泥膨脹和生物泡沫[17]，因為微絲菌在生長繁殖過程中可利用長鏈脂肪酸作為碳源和能源，多余的長鏈脂肪酸被富集、儲存在體內，這是由于油脂組成大液珠可以達到細胞干重的35%，使得活性污泥比重進一步降低，更易漂浮到水面形成浮沫[18]。絲狀菌并不是一種特殊的微生物，而是具有絲狀或枝狀特性微生物的統稱。從本質上來說，絲狀菌是具有疏水表面層的，與油類的特性相似。它可以附著在疏水性底物上，并將它們作為食物來源而生長[19]。

Eikelboom[4]對數百個污水處理廠的數千個污泥樣品進行了觀察和研究，將所觀察的絲狀菌區分為26大類，分類依據包括：(1)是否存在衣鞘和黏液；(2)是否滑行運動；(3)真分支或假分支；(4)革蘭氏染色和奈氏染色反應的特征；(5)絲狀體的長短、性質和形狀；(6)細胞直徑、長短和形狀；(7)有無胞含體(PHB、多聚磷酸鹽和硫粒等)等。根據以上7個方面的特性分為7個群[4,20]，如表2所示。

表2 絲狀菌菌群和對應的代表性細菌[4,20]Tab.2 Filamentous Bacteria Colonies and Representative Bacterium[4,20]

總結國內外膨脹污泥中出現的絲狀微生物，盡管在不同地區和不同的工藝運行條件下出現的絲狀菌會有所差異，但最頻繁出現的絲狀菌有以下幾種[21]：微絲菌、0961型菌、軟發菌、0092型菌、0041型菌/0675型菌、Nocardioformactinomycetes、Nostocoidalimicola、021N型菌/發硫菌、浮游球衣菌/1701型菌等。

3 污泥膨脹和泡沫的控制方法

3.1 降低細胞平均停留時間

據統計，國內外較為常見的發泡微生物平均世代時間較長，降低細胞平均停留時間(MCRT)可以有效控制污泥膨脹和發泡現象。Noutsopoulos等[22]發現，當MCRT為8～10 d時，可以有效抑制微絲菌的生長。有文獻報道，控制MCRT在9 d以內，可以將曝氣池中的諾卡菌(Nocardia)消除[23]。但這種控制方法在實際污水廠中很難實現，曝氣池中的硝化菌平均世代時間較長，與采用此方法相矛盾。

3.2 調節曝氣池溶解氧量

曝氣池長時間處于低溶解氧狀態常常會引起絲狀菌污泥膨脹，這種污泥膨脹的控制措施是提高溶解氧量，這就需要提高曝氣系統的供氧能力并降低有機負荷[24]。Palm等[25]研究發現，DO濃度與系統有機負荷成函數關系，一般當有機負荷約為0.5 kg COD/(kg MLSS·d)，且DO質量濃度在2.0 mg/L時，可以有效控制絲狀菌的生長。高春娣等[26]研究發現，當AO工藝長期處于0.5 mg/L的低溶解氧狀態時，會發生以軟發菌(H.hydrossis)為優勢菌的絲狀菌膨脹，SVI一直保持在300 mL/g以上；將DO的質量濃度提高到2.0 mg/L，同時有機負荷降低到0.37 kg COD/(kg MLSS·d),能夠有效控制污泥膨脹，SVI下降到150 mL/g。通過合理調節DO和有機負荷來防止低溶解氧引起的絲狀菌污泥膨脹，是污泥膨脹控制最直接、經濟和有效的方法。

3.3 曝氣池添加前置生物選擇器

生物選擇器是通過提供各種較為適宜的生存環境(溶解氧、pH或污泥濃度等)來選擇優勢微生物的裝置。生物選擇器主要分為好氧生物選擇器、厭氧生物選擇器及缺氧生物選擇器三種。好氧生物選擇器是根據擴散選擇理論，在曝氣池前端或首段設置高負荷區域，通過負荷的變化來抑制低負荷條件下的絲狀菌過度繁殖；而厭氧和缺氧生物選擇器主要利用微生物代謝機制的不同來抑制絲狀菌的生長，預防污泥膨脹的發生[27]。大量的試驗數據證明，生物選擇器能永久性地控制由以下絲狀菌導致的污泥膨脹[28]：021N型菌、發硫菌、S.Natans、1701型菌、N.limicola、軟發菌等。Bitton[29]發現好氧生物選擇器在泥齡5 d時可以有效抑制諾卡菌的生長，而Ayers等[30]發現厭氧生物選擇器是控制微絲菌生長最有效的長期解決方法。另外有研究報道，缺氧生物選擇器對諾卡菌有控制作用，對微絲菌則無明顯作用[31]。

3.4 投加化學藥劑

通過向反應器投加特定的化學藥劑(Cl2、O3、H2O2等)可以殺死廢水中的絲狀菌，從而消除污泥膨脹和生物泡沫現象。有研究表明，投加10 mg Cl/(g MLSS)的NaClO能有效解決微絲菌過度增殖造成的污泥膨脹和生物泡沫問題[33]。黃程蘭等[34]研究發現，氯化鈣溶于水后會分解產生氯離子，氯離子在水中具有滅菌消毒作用，可以殺死部分絲狀菌，抑制絲狀菌的生長，促進菌膠團的形成，對解決污泥膨脹有很好的效果。Guo等[35]發現由低底物濃度梯度引起的耐氯021N型絲狀菌，在NaClO劑量高達80 mg Cl/(g SS)的情況下仍能夠維持細胞的完整性；但加入30 mg/(g SS)的溴化十六烷基三甲基銨(CTAB)可滲透該耐氯菌的細胞壁，從而將其選擇性殺死，顯著提升污泥沉降性能。在實際工程應用中，投加化學藥劑仍存在一些問題，如藥劑投加量大導致剩余污泥量大大增加，滅菌劑對絲狀菌不具有選擇性而抑制其他菌群的活性，導致出水水質變差，以及藥效短暫而極大增加了運行成本等。因此研發投加量少、見效快、無復發作用，以及能夠選擇性殺死絲狀菌的新型化學藥劑是今后主要的研究方向。

3.5 投加特定微生物

目前，通過投加特定微生物來控制污泥膨脹和生物泡沫仍處于實驗室階段，在實際污水處理廠中尚未廣泛采用。有研究提出，采用輪蟲可殺死大量的絲狀菌，提高污泥沉降性能，從而控制污泥膨脹和生物泡沫現象[36-38]。Inamori等[39]發現有兩種具有胞咽囊的纖毛蟲能夠吞食021N型菌和浮游球衣細菌這兩類絲狀菌，對由這兩類絲狀菌引起的污泥膨脹和生物泡沫現象有很好的處理效果。另外，研究發現，某些特定的噬菌體能夠對部分發泡細菌起控制作用，如名為GTE2、GTE5、GTE7、TPA2的噬菌體所具有的特征及其基因組序列對穩定污水處理廠中的污泥膨脹和生物泡沫有很大幫助[40]。雖然這些噬菌體的控制機理尚不明確，但是在實驗室規模上的各種研究表明，噬菌體對絲狀菌的控制是有效的。將噬菌體引入實際工程中來減少絲狀菌的數量，是一種安全有效且環境友好的方法。

3.6 其他控制方法

除了上述方法之外，向泡沫噴灑水、加強上部攪拌、對發泡污泥進行連續選擇性浮選以及減少水量的沖擊負荷等方法都能對污泥膨脹和生物泡沫起一定作用，在運用時應根據現場的實際情況加以選擇。

3.7 厭氧消化泡沫的控制

厭氧消化泡沫普遍存在于厭氧消化池中，其主要發泡成因有以下三點[41]：(1)由于有機負荷過高導致揮發性脂肪酸(VFA)特別是乙酸的積累；(2)污泥中含有大量的表面活性劑；(3)污泥中含有大量的絲狀菌，如戈登氏菌(Gordoniaamarae)和微絲菌。針對厭氧消化泡沫的控制措施有以下幾種：降低細胞平均停留時間、降低有機負荷、加強機械攪拌、投加化學藥劑(如聚合鋁鹽)、熱水解技術以及對污泥進行超聲預處理等。

3.7.1 熱水解技術

熱水解技術是一種有效的污泥預處理技術，可以改善剩余污泥和濃縮污泥的脫水性能，也是一種十分有效和經濟可行的厭氧泡沫控制措施。Barjenbruch等[42]研究發現，熱水解技術(在121 ℃下加熱60 min)相比機械攪拌和酶法預處理技術具有較好的發泡控制性能。研究表明[43]，坎比工藝的熱水解預處理技術對厭氧泡沫的控制具有顯著效果。Alfaro等[44]研究發現，熱水解技術(在170 ℃下蒸汽加熱15 min)能夠急劇降低以微絲菌為優勢菌群的絲狀菌豐度(泡沫指數由從5級降到2級)。熱水解技術相對于幾種被廣泛接受的生物泡沫控制策略具有明顯優勢，但是其操作壓力和溫度控制仍需要進一步的優化改善[40]。

3.7.2 超聲預處理技術

超聲預處理技術可以破壞污泥絮體的細胞及結構，提高細胞的可生化性，而且可以使絲狀菌菌絲斷裂，降低絲狀菌豐度。Khanal等[45]研究發現，僅僅超聲處理2 min，絲狀菌的結構完整性就被顯著破壞，細菌細胞沒有明顯的破壞，超聲30 min，絲狀菌細胞壁則完全解體。有研究報道[46]，對污泥進行超聲預處理可以有效減少中溫沼氣池的生物泡沫。Alfaro等[44]研究發現，采用運行能耗為66.7 kW·h/m3的超聲波處理污泥，厭氧消化池中的絲狀菌數量大大減少，絲狀菌豐度從“+++級”降到“±級”。盡管超聲預處理技術對絲狀菌的控制有顯著效果，但是相對于熱水解技術來說，該技術的能源消耗較大，運行費用較高，因此在實際工程應用中超聲預處理技術的能耗問題需要著重考慮。

4 結論與建議

(1)在污水處理廠運行過程中，針對曝氣池、二沉池等易發生污泥膨脹和生物泡沫現象的生物處理工藝，應加強對SVI、生物相等指標的檢測，并制定一套完整的污泥膨脹和生物泡沫的預警監測系統，時刻注意工藝運行狀況，防止污泥膨脹和生物泡沫的發生。

(2)引起污泥膨脹和生物泡沫的絲狀菌種類繁多，因此在采取相應的控制措施時應從微生物入手，采用先進的現代生物檢測技術確定絲狀菌種類，明確污泥膨脹和生物泡沫產生的原因，為后續制定控制方案提供依據。

(3)對于已經發生污泥膨脹或生物泡沫，并已明確其主要優勢絲狀菌種類的生物處理工藝，首先應根據絲狀菌的特性采取工藝調控措施，如降低污泥齡、調節曝氣池溶解氧量、增設生物選擇器等。若上述措施沒有對污泥膨脹或生物泡沫起到很好的控制效果，可以通過投加化學藥劑或特定微生物進行控制。

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