生物选择器与污泥膨胀控制

胡 睿

自从1914年Aldern和Lockett发明推流式活性污泥处理方法,其成为城市污水处理主流工艺。传统活性污泥由推流式经历了渐减曝气,吸附再生,完全混合型,序批式等多种变形。活性污泥早期形式为简单充放式和活塞流池子,20世纪50年代出现完全混合活性污泥,二十世纪六七十年代活性污泥运行装置是以连续式完全混合为主,污泥膨胀大量发生,膨胀导致泥水难以分离使处理不达标,甚至系统崩溃,严重困扰着活性污泥工艺。1973年Chuduoba提出选择性理论后,转向了对传统活塞流反应器和间歇式反应器形式研究,提出了选择器活性污泥工艺,70年代初出现了第一个污泥膨胀研究热点[1-4];20世纪80年代脱氮除磷工艺引入,掀起了活性污泥膨胀研究又一高潮[4-6]。

1 污泥膨胀控制方法

早期污泥膨胀控制方法主要是通过投加硅藻土、黏土、厌氧污泥、金属盐类、混凝剂和加氯等无选择性对微生物有毒害作用的化学药剂来实现,无法彻底解决污泥膨胀问题。环境调控使曝气池中生态环境选择性发展菌胶团细菌,应用生物竞争机制抑制丝状菌过度繁殖[7]。

1.1 常规污泥膨胀控制方法

1)污泥再生法:Chuduoba将回流污泥在单独设置曝气池内曝气,使具有最大吸附和贮存能力的菌胶团细菌,氧化体内贮存物获得能量迅速增殖,克服膨胀。工艺流程为接触池和再生池,美国和原苏联污水工艺采用高负荷运行方式,设置再生工艺,很少有污泥膨胀现象发生。2)投加填料控制法:接触氧化法利用丝状菌在填料上附着生长,避免污泥膨胀,填料池相当于一个选择器,将丝状菌固着于填料上在第一个池子中选择性生长,不进入活性污泥絮体中。絮状菌在第二个池内生长,作用是降低有机负荷。填料上的微生物量增加了系统中总生物量,有机负荷降低。3)射流曝气和其他机械方式:研究认为射流对污泥絮体剪切破碎作用不利于丝状菌,特别是球衣细菌,采用机械快速搅拌回流污泥可控制膨胀;但射流器中被吸入的空气和主体流量同时被强烈剪切粉碎,减少了污泥絮体尺寸,大大增加了空气和基质接触界面,加速了基质向细胞内传递,提高了微生物代谢速率,DO处于超饱和状态,减缓了供氧限制,加快了污泥活性限制。4)微生物生态学控制:利用原生动物对丝状菌捕食来控制污泥膨胀,日本苏口健和桥本礼在曝气池中观察到纤毛虫类增加,丝状菌急剧减少,SVI值降低。

1.2 生物选择器控制

1.2.1 生物选择器原理

1973年Chuduoba等提出了动力学选择性准则,理论是基于不同种属微生物 Monod方程中Ks和μmax参数不相同,且对于不同基质,其生长速率常数也不同[1]。按照Chuduoba理论,具有低Ks和μmax值微生物,在混合培养曝气池中,当基质浓度很低时具有高生长速率占优势,在高基质浓度下恰好相反(见图 1)。Chuduoba选择理论统一了丝状菌膨胀理论,开发了选择器控制污泥膨胀的新途径。

生物选择器就是应用生物竞争机制抑制丝状菌过度增殖,做法是在完全混合或推流曝气池前加一个停留时间比曝气池小得多的池,在生物选择器内,起始主体溶液中基质浓度很高,局部提高F/M,菌胶团细菌迅速增殖。

1.2.2 各类型生物选择器

1)好氧选择器。本质是具有推流特点的曝气池,起始F/M很高,菌胶团细菌迅速摄取,转化并贮存大部分可溶性有机物,夺取丝状菌营养,后续曝气池中,丝状菌营养缺乏受抑制,好氧选择器设计关键是尺寸,选择器过大,起始F/M不高,造成首端基质浓度适合丝状菌生长;过小,则对基质吸收利用不够,使没有降解基质泄漏进入后续曝气池,利于丝状菌生长。选择器停留时间一般在5 min～30 min[8]。

2)缺氧选择器。1931年Goudey发现,在曝气池首端设置缺氧选择器,与其说是控制污泥膨胀,不如说是起脱氮作用。WilliamL.Martin对Beloit.Landis等5个污水厂缺氧选择器运行效果分析中认为缺氧区F/M负荷,好氧池SRT是主要影响参数,当F/M 为 0.7 kg BOD5/(kg MLSS◦d)～ 1.2 kg BOD5/(kg MLSS◦d),SRT在8 d～12 d时可控制膨胀,温度升高,可适当缩短 SRT,提高F/M,并提出用缺氧选择器中固体停留时间作为控制参数调整系统。吴凡松等认为进水中可溶性COD较多时,缺氧池中F/M为1.2 kg BOD5/(kg MLSS◦d)～ 1.7 kg BOD5/(kg MLSS◦d)较合适[9]。

缺氧选择器多用于带有硝化的系统,除了与好氧选择器一样保持高浓度梯度外,菌胶团细菌在缺氧条件下有比丝状菌高两个数量级的基质利用率和硝酸盐还原率,说明缺氧选择器对丝状菌抑制是由于菌胶团细菌可以利用硝酸盐中化合态氧降解有机物,丝状菌缺乏这种能力且在后续曝气池中缺乏营养生长受到抑制。足够的硝酸盐是缺氧选择器的必要条件;其次是停留时间选择,停留时间过长,缺氧段缺乏硝酸盐无法控制丝状菌。丝状菌与菌胶团参数比较见表1。

表1 丝状菌与菌胶团菌动力学参数比较[10]

缺氧选择器用于污泥膨胀控制,同时具备动力学和代谢两种选择机制。此外,A/O和A2/O,UCT等脱氮除磷对工艺中的缺氧池以脱氮为目的。而缺氧选择器是控制丝状菌膨胀,停留时间相对短;浮游球衣菌、诺卡氏等丝状菌属也具有脱氮功能,硝酸盐还原菌是否为絮凝菌有待研究。

3)厌氧选择器。活性污泥厌氧池运转可以追溯到1952年A.B.Dvidson对酿造工业废水处理,试验表明采用厌氧—好氧交替操作可很好控制污泥膨胀,但未得到重视,直至1974年Heide和Pasveer在氧化沟里采用了厌氧—好氧操作以及后来发展的Barnard流程,Phoredox流程及1980年出现的A2/O流程之后才进一步认识了活性污泥厌氧—缺氧—好氧运转在控制污泥膨胀上的重要意义。Spector在1975年发现,当负荷在0.2 kg BOD5/(kg MLSS◦d),进水中BOD/TN＞4～5的A/O工艺可有效控制污泥膨胀。

B.Chamber认为,厌氧处理后,聚磷菌释磷,后续好氧段污泥吸磷量增大,污泥含磷量较高,P/C比值上升,SVI值降低,聚磷菌在厌氧过程中能迅速吸收COD转化为PHAs,好氧时PHAs分解获得能量,厌氧下丝状菌生长,具有较低的多聚磷酸盐释放速率。1987年J.Wanner也发现021N型菌和球衣细菌在厌氧条件下,由于较低的磷酸盐释速率被抑制生长,控制了污泥膨胀。厌氧区目的重在释磷,要求VFAs过剩,与进水水质中可溶性有机物量有关。水解时间长,则厌氧区容积大,可降解基质含量高时,HRT为1.5 d,VFAs占污水中等比例时,HRT取0.5 d～1.5 d,难降解成分含量高时,HRT取2.5 d～3 d,厌氧选择器用于污泥膨胀控制容积小。

2 结语

在污泥膨胀这一污水生物处理遇到的问题起源,发展背景下,分析生物选择器提出的历史情况,基础理论,应用状况来显现其在污泥膨胀控制方面的地位。而污泥膨胀的微生物动力学机理复杂,加上丝状菌种类繁多,生理特性各异,有待于深入研究。

[1] Chuduoba J,Blaha J,Madera V.Control of activated sludge filamentous bulking-ⅢEffect of sludge loading[J].Water Research,1974,8(3):18-19.

[2] Palm J C,Jenkins D,Parker D S.Relationship between organic loading,dissolved oxygen concentration and sludge settlebility in the completed mixed activated sludge process[J].Journal WPCF,1979,52(10):34.

[3] Sezgin M,Jenkins D,Parker D S.A unified theory of filamentous activated sludge bulking[J].Journal WPCF,1978,50(90):362-368.

[4] Kjaer Andreasen,Lars Sigvarden.Experiments with sludge settleability in different process alternatives for nutrient removal[J].Wat Sci Tech,1996,33(12):137-146.

[5] Takashi Mino.Survey of filamentous microorganismsin activated sludge process in Bangkok,Tailand[J].Wat Sci Tech,1995,31(9):193-202.

[6] Jaapj,vamder Waarde,Bert Geurkink,et al.Detection of filamentous and nitrifying bacteria in activated sludge with 16s rRNA probes[J].Wat Sci Tech,1998,37(4):475-479.

[7] 王凯军.高负荷活性污泥膨胀控制的试验研究[J].给水排水,1999,25(11):30-33.

[8] 李彩斌,李 京.生物选择器的作用机理和设计方法[J].中国给水排水,2003,19(4):69-70.

[9] 吴凡松.生物选择器与脱氮除磷[J].给水排水,2003(12):34-35.

[10] Jshao Y,David Jenkins.The use of anoxic selectors for the controlof low F/M activated sludge bulking[J].Water Research,1989(21):45-46.