曝气池结构及曝气方式对泡沫去除的探析



曝气池结构及曝气方式对泡沫去除的探析

蓝君1，任庆凯1,2，艾胜书1,2，边德军1,2

(1.长春工程学院水利与环境工程学院； 2.吉林省城市污水处理重点实验室，长春 130012)

摘要：以长春某污水处理厂的曝气沉砂池出水作为试验原水对两个反应器进行处理效能对比的试验研究。初期调试发现：传统推流反应器出现泡沫堆积，微压内循环反应器未出现泡沫堆积的现象。对比两反应器的结构及曝气方式特点，初步分析微压反应器内大气泡的集中释放破裂后产生冲击力对泡沫有消除作用。就此提出改造曝气池内部结构及曝气方式可作为去除泡沫的新途径。

关键词：微压反应器；曝气池结构；曝气方式；泡沫；去除

0引言

以长春某城市污水处理厂的曝气沉砂池出水作为试验原水对微压内循环多生物相反应器[1](以下简称“微压反应器”)及传统推流反应器进行处理效能对比的试验研究。在反应器有效容积、原水水质、进水量及曝气量相同的情况下，初期调试发现：传统推流反应器出现泡沫堆积，严重时可覆盖表面的80%，微压反应器未出现泡沫堆积的现象。初步分析由于微压反应器结构及曝气方式有利于消除泡沫。微压反应器属于新型垂向循环流反应装置，反应器顶部大部分封闭，只留小空间的气体释放区，底部单侧微孔曝气设备是唯一的动力驱动，混合液在反应器内部循环流动，提高了容积利用率和氧利用率，同时在反应器内形成3个不同的氧分区，在同一时间实现污水中有机物、氮、磷的去除。微压反应器示意图如图1所示。

针对曝气池出现泡沫的问题，国内外研究人员已从泡沫的产生、特征、危害及常规去除方法等方面展开相应研究并取得一定成果，为解决污水处理厂曝气池泡沫问题提供了可靠理论依据。

图1　微压反应器示意图

1泡沫分类及产生

1.1化学泡沫

化学泡沫通常呈现亮白色，主要诱因是城市污水里的阴离子表面活性剂[2]。它们在曝气池中与氧气充分接触，通过气浮作用汇聚池面，形成质轻易飞且容易破碎的泡沫。杨云龙等[3]研究表明，当污水中阴离子表面活性剂质量浓度达到7 mg/L以上，曝气池易出现化学泡沫。

1.2生物泡沫

生物泡沫呈深褐色，黏性大，稳定性好[2]。1974年，Pitt[4]等用显微镜观察污水厂曝气池混合液夹杂的泡沫，发现泡沫内含有大量的丝状菌，并将它们定义为诺卡氏菌(Nocardia amarae)。研究人员初步认定生物泡沫诱因是诺卡氏菌群异常生长所致。1994年，Klatte等把诺卡氏菌重新定义为戈登式菌(Gordonia amarae)。Gordonia菌若大量存在于活性污泥系统中，会导致曝气池表面出现稠密的，稳定的棕色泡沫[5]。因为戈登式氏菌比水的相对密度小，菌丝本身就自带少量气泡，而且分枝较密，曝气过程中它与气泡充分融合形成一张“菌网”，类似于混凝沉淀中的网捕原理。这张网依靠气浮作用由下至上运动，最多可挟带曝气池中30%的固体，最终汇聚在池体表面形成泡沫层。同时，考虑固、液、气三相的相互联系，戈登式菌丝附着在固体颗粒表面形成稳定的絮体颗粒。这些絮体颗粒具有黏附力，借助气泡升至池面。戈登式菌的疏水性长丝还会垄起空间水层，形成一个个密实的“坝体”，阻止液膜排水变薄，增加泡沫的表面弹力，从而形成难以去除的生物泡沫。

2泡沫的危害

2.1化学泡沫的危害

化学泡沫的危害：1)活性污泥工艺调试初期，大量的化学泡沫会带走接种污泥，延长调试时间。2)化学泡沫质轻易积累，时常会在池体表面堆积到1～2m高，夏季受到风吹，随处飘散，影响厂区环境质量。

2.2生物泡沫的危害

生物泡沫的危害：1)出现频率高。1992年，Pitt等[4]实际调查美国采用活性污泥法工艺的污水处理厂，其中有一半以上出现过生物泡沫。2002年，Reyes等[6]的对伊利诺斯州各污水厂的调查报告表明，曝气池堆积生物泡沫仍是常见的运行问题。2)生物泡沫随着气泡上升会夹杂大量的活性污泥覆盖在曝气池的表面，阻碍了气液两相交换，降低氧传质效率。3)大量的泡沫随着混合液流出，在二沉池表面形成浮渣层，影响刮泥机的运转。4)夏季泡沫溢出，覆盖在设备和管道上，长时间会腐蚀设备，影响其使用寿命。在北方冬季，由于低温的影响，生物泡沫会结冰，加大清理难度，同时造成一系列的安全问题。

3泡沫的去除方法

3.1物理去除方法

物理去除方法通常在曝气池上端布置高压喷水管线，利用高压水流的冲击力打碎堆积在池面的泡沫[7]。此方法原理简单，操作方便，属于临时性消泡措施。

3.2化学去除方法

化学去除方法常见的有阳离子聚丙烯酰胺法、消泡剂法、低浓度过氧化氢法。美国某11万m3/d 的污水处理厂投加 0.5 mg/L的阳离子聚丙烯酰胺成功消褪曝气池中泡沫[8]。李海港等[9]投加30 mg/L的消泡剂能迅速消除石化废水活性污泥处理工艺的生物泡沫。该试验表明，预先投加机硅消泡剂，能有效控制泡沫的产生且不影响污泥活性和出水水质。陈红英等[10]在活性污泥系统投加低质量浓度的过氧化氢来控制生物泡沫且去除效果显著。

3.3生物去除方法

生物泡沫中的戈登式菌虽是严格的好养微生物，但在厌氧或缺氧条件下仍少量存在。它们难以充分代谢唯一碳源(脂肪酸)而处于劣势生长。在曝气池前端增设厌氧生物选择器，预先使进入曝气池的污水和回流污泥在选择器中混合均匀，并停留一段时间，保持高污泥负荷的运行状态，可使戈登式菌的活性减弱，达到去除生物泡沫的目的。Jolis1等[11]在控制厌氧生物选择器污泥停留时间(SRT)一定的条件下，对比不同水力停留时间(HRT)对生物泡沫的去除效果时发现：在SRT<1.7 d、HRT>55 min的运行参数下，曝气池泡沫覆盖率由50%降至23%，泡沫稳定时间由142s降至58s，能有效缓解生物泡沫的产生。

随着分子生物学的快速的发展，利用现代分子生物检测技术能够较准确地确定发泡微生物的种类，探明其生长规律及对产生泡沫的关联作用。Wagner等[12]成功地利用16SrDNA序列检测技术确定南非豪登省污水处理厂发泡微生物的基因序列。通过和其他丝状菌的基因序列比对，找出其特有的碱基对，再利用人工诱变或其他分子生物技术使其不具备发泡机能。2012年，Fryer等提出泡沫浮渣指数(FSI)[13]的概念，它是一种基于多元化线性方程原理定量整合泡沫电位、泡沫覆盖率、泡沫稳定性和泡沫微生物数量等不同特征值的影响权重从而量化泡沫风险的参数，通过它可对泡沫进行更精准地判别。

目前，通过改变曝气池结构及曝气方式去除泡沫的实例未见报道。结合上述去除方法的特点，改变曝气池结构及曝气方式可归属物理去除方法。初步分析：传统推流反应器顶部没有盖板且曝气管布设均匀，形成的小气泡在表面不易破裂，未能产生气冲力打碎泡沫，所以泡沫能够在表面稳定堆积。微压反应器由于半密封顶板和偏心式曝气使其内部形成垂向的循环流态，小气泡从微孔曝气管溢出沿着反应器的壁板运动，在顶板下方融合形成大气泡。大气泡随着混合液运动到反应器出口处集中释放，气泡呈脉冲式涌出液面，破裂产生的冲击力会打碎泡沫，导致出口不能形成稳定的泡沫层。这种利用气冲去除泡沫的方法与高压水喷射去除泡沫的原理相同，都是借助外力来破坏泡沫表面膜层使其去除。但二者又有不同之处，前者依靠曝气产生的气冲打碎泡沫，不受时间、地点因素的限制，不需添加额外的处理设备，连续性高且去除泡沫效果好；后者依靠高压水流的冲击打碎泡沫，需要安装高压喷水管线，其去除效果受季节因素影响较大。例如，冬季需要对高压水管采取外保温措施，防止管道中水流结冻等。

4结语

当前，国内外研究人员已对曝气池中泡沫产生的条件和机理展开了深入研究并取得了一定成果，但由于发泡微生物的特殊性，还难以完全掌握其生长代谢规律及对泡沫产生的影响程度，因此不能从根本上预防和去除泡沫[14]。对比上述几种去除方法：1)高压水喷射是一种临时消泡措施，可去除化学泡沫，但对生物泡沫作用较小。2)投加阳离子聚丙烯酰胺等化学药剂，必然会增加采购药品，贮存药品，雇佣人员投加等环节，无形中加大人力、物力的投入，不利污水厂的综合经济效益。在大多数情况下，投加单一化学药剂不能完全降低活性污泥系统中的戈登式菌群活性。只有通过多种化学法的组合，才能有效控制泡沫微生物的数量低于“产生泡沫”的阈值，从而消除生物泡沫。3)增设厌氧生物选择器的目的是为了在活性污泥系统中建立一个长久抑制戈登式菌生长的环境，降低其对底物的吸收利用率，使菌体活性减弱，消除泡沫。该方法需要长时间的调试期，短期去除效果不如化学法。

改变曝气池结构及曝气方式作为一种去除泡沫的新途径，不受时间、地点因素的限制，不需增添额外的处理设备或化学药剂，在保证良好污水处理效果的同时还可消除泡沫。未来，将从以下两方面展开深入研究：1)探明微压反应器对化学泡沫、生物泡沫的去除效果；2)探究微压反应器气泡破裂产生冲击力的大小对泡沫去除的影响。

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The study on aeration tank structure and the influence of aeration mode to form remove

LAN Jun, et al.

(SchoolofWaterConservancy&EnvironmentEngineering,

ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：The arated grit chamber out of a Sewage treatment plant in Changchun has been taken as the experimental water to make comparative study on the treatment efficiency on two reactors. In initial commissioning, the traditional push-flow reactor appears foam accumulation while the micro-pressure reactor appears no foam accumulation. During primary analysis, the reason is that the eliminating effect on the foam from the impact force with the concentrated release and rupture of the large bubbles in the micro-pressure reactor in terms of the comparative of structural characteristics of the two reactors. Thus, the reform to internal structure and aeration mode is proposed as a new method to remove the foam.

Key words：micro-pressure reactor; aeration tank structure; aeration mode; foam; removal

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0054-03

中图分类号：X52

通讯作者：任庆凯

作者简介：主要研究方向污水处理。

基金项目：吉林省科技发展计划项目(20130101037JC，20122112)

收稿日期：2015-09-26

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.014