A2O-BAF反硝化除磷工艺丝状菌膨胀的发生及控制

吕冬梅，彭永臻，赵伟华，王淑莹 （北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124）

A2O-BAF反硝化除磷工艺丝状菌膨胀的发生及控制

吕冬梅，彭永臻*，赵伟华，王淑莹 （北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124）

为了有效控制A2O-BAF反硝化除磷工艺处理实际生活污水时产生的丝状菌污泥膨胀，研究了有机负荷和冬季突然降温对丝状菌污泥膨胀的影响.结果表明：当有机负荷低于0.30kgCOD/（kgMLSS·d）时，系统中存在轻度的丝状菌污泥膨胀现象；当有机负荷高于0.55kgCOD/（kgMLSS·d）时，容易引发严重的丝状菌污泥膨胀，调节有机负荷可使丝状菌污泥膨胀得到有效控制.冬季突然降温也会导致污泥膨胀的发生，恢复温度后，污泥沉降性能恢复正常，丝状菌污泥膨胀亦得到有效控制.

A2O-BAF工艺；反硝化除磷；有机负荷；丝状菌膨胀；降温

A2O-BAF反硝化除磷工艺，结合活性污泥法和生物膜法于一体，A2O段采用活性污泥法，完成反硝化除磷作用，BAF段采用生物膜法，完成硝化作用，具有抗冲击负荷、节省能耗、脱氮除磷效率高等优点［1-4］.从理论上讲，A2O-BAF反硝化除磷工艺不易发生污泥膨胀问题，而且由于除磷作用，污泥沉降性能较好［5-6］.然而，笔者在实验室以A2O-BAF反硝化除磷工艺处理实际生活污水时，A2O活性污泥法段发生了丝状菌污泥膨胀现象.由于BAF是顺序连接在二沉池之后，活性污泥的无法正常沉淀，致使部分活性污泥流入BAF中，破坏生物膜，影响BAF的硝化作用，从而无法为反硝化除磷提供电子受体硝态氮，导致除磷作用的恶化，最终会使整个系统处理效能崩溃［7-8］.由此可见，活性污泥对于整个A2O-BAF系统起着至关重要的作用，活性污泥能否在A2O中发挥正常作用，直接关系到BAF能否为A2O提供足够的电子受体，因此，控制A2O中活性污泥发生的丝状菌污泥膨胀现象，恢复活性污泥的沉降性能，是改善BAF硝化性能及整个系统脱氮除磷效率的关键.

已有研究表明，有机负荷是影响污泥膨胀非常关键的因素之一，且影响因素非常复杂，与其他因素可能存在协同作用［9-13］.冬季温度降低也是可能诱发污泥膨胀的另一关键因素，低温会影响微生物活性，导致微生物的代谢能力减弱［14］.然而，对于有机负荷及温度对反硝化除磷系统污泥沉降性能影响及影响机制的研究则少有报道，因此，本文从有机负荷和温度两大关键因素着手，主要研究了A2O-BAF反硝化除磷工艺活性污泥法段有机负荷和冬季降温对丝状菌污泥膨胀的影响，并提出了对应的控制措施.

1 试验材料和方法

1.1 试验装置

图1 A2O-BAF工艺流程示意Fig.1 Schematic diagram of A2O-BAF process

A2O-BAF反硝化除磷工艺，工艺流程见图1.A2O反应器由有机玻璃制成，共分为9个格室，V厌：V缺：V好=2：6：1，每个格室的有效容积为3.3L，主要完成反硝化除磷反应.BAF反应器材质亦为有机玻璃，直径0.1m，高1.8m，内部填充塑料填料，填充比为45%，微生物以生物膜的形式生长于填料上，主要完成硝化反应，BAF出水一部分回流至A2O缺氧区首端，另一部分直接排放.

1.2 试验用水及水质

试验用水取自北京某高校教工住宅小区化粪池生活污水，该污水中ρ（COD）/ρ（）的比值约为3.0～4.5，属于低C/N比生活污水，pH值在7.2～7.4之间，试验期间，具体水质指标见表1.

表1 实际生活污水水质Table 1 Characteristics of actual domestic wastewater

1.3 试验方法

试验通过控制投加乙酸钠的量改变有机负荷，本试验选择3种不同的有机负荷，分别为0.30，0.45，0.55kgCOD/（kgMLSS.d）.根据A2O的工艺特点，反应器内的有机负荷NCOD按式（1）计算：

式中：NCOD为A2O反应器内的有机负荷，kgCOD/（kgMLSS.d），以计；Q为A2O反应器进水流量，m3/d；S0为A2O反应器进水的COD值，mg/L；X1为A2O反应器厌氧格内的平均活性污泥浓度，mg/L；V1为厌氧格的容积，m3；X2为A2O反应器缺氧格内的平均活性污泥浓度，mg/L；V2为缺氧格的容积，m3；X3为A2O反应器好氧格内的平均活性污泥浓度，mg/L；V3为好氧格的容积，m3.试验期间，将有机负荷作为唯一变量，其他外界因素（如温度、pH值等）保持一致，将A2O反应器内污泥浓度（MLSS）控制在2000mg/L左右，厌氧、缺氧格DO控制在0.5mg/L以下，好氧格DO控制在3～4mg/L，整个A2O-BAF系统温度控制在（26±1）℃，在每个有机负荷条件下反应器都运行20d，污泥的沉降性能用SVI表示，每天测定污泥的沉降性能SVI，通过显微镜对污泥絮体进行观察，最后对不同有机负荷条件下的试验结果进行分析与讨论.

1.4 试验分析项目与检测方法

2 结果与讨论

2.1 不同有机负荷引起的丝状菌污泥膨胀

不同有机负荷运行条件下的SVI值在系统分别运行一段时间后出现明显变化，试验结果如图2所示.当有机负荷在0.45kgCOD/（kgMLSS·d）条件下运行时，SVI值稳定维持在100mL/g左右，污泥的沉降性能良好，没有发生膨胀现象.显微镜观察污泥絮体内的微生物，如图3b所示，可以发现，基本没有丝状菌存在.当有机负荷降低到0.30kgCOD/（kgMLSS·d）条件下运行时，反应初期，污泥的沉降性能基本不变，SVI始终保持在150mL/g下，当系统运行到第7d时，SVI值开始呈现上升趋势，增加到200mL/g左右，显微镜观察污泥絮体内的微生物，出现了少量的丝状菌，如图3a所示，这说明系统在低有机负荷条件下运行时，污泥的沉降性能受到了一定的影响，引发了轻度的丝状菌污泥膨胀.当有机负荷升高到0.55kgCOD/（kgMLSS·d）条件下运行时，污泥的沉降性能发生了较大的变化，从第5d开始，SVI值急剧增加，到第14d时，SVI值达到350mL/g，污泥大量流失，回流污泥浓度过低（＜2000mg/L），活性污泥在二沉池中不能正常沉淀下来，显微镜观察污泥絮体内的微生物，出现了大量的丝状菌，如图3c所示，这说明系统在高有机负荷条件下运行时，污泥的沉降性能受到了很大的影响，引发了恶性的丝状菌污泥膨胀.

分析产生上述现象的原因如下：在A2O系统中，聚磷菌在厌氧段摄取有机物完成磷酸盐的释放过程，在缺氧、好氧段氧化体内储存的PHA过量吸收水中的磷酸盐同时合成自身细胞物质增殖.当系统中有机负荷较低时，微生物的食物减少，导致部分微生物进入衰亡期，数量开始减少，原因是所需营养物质不足以维持自身生存，然而，丝状菌在低基质条件下，由于其菌丝可以伸展，获取较大表面积，更易吸收营养物质，使生长速率高于菌胶团.又因进水有机负荷较低，厌氧段聚磷菌利用大部分有机物，到好氧段可利用的有机物很少，所以丝状菌不会大量生长，活性污泥发生轻度丝状菌膨胀现象，SVI值在200mL/g左右.当系统中有机负荷较高时，虽然聚磷菌在厌氧区利用大部分有机物，然而经过缺氧区反硝化除磷脱氮后，依然会有部分剩余的有机物流入好氧区，由于丝状菌对于DO的亲和力和竞争力都高于聚磷菌等菌胶团微生物，较其他微生物具有生长优势，竞争能力强，其增殖速率远比菌胶团要高，于是迅速获取好氧区的有机物，快速生长，活性污泥发生严重的丝状菌膨胀现象，SVI值达到400mL/g左右，污泥沉降性能严重恶化.

图2 不同有机负荷下A2O内SVI的变化Fig.2 The evolution of SVI throughout the periods of the research at different sludge loads in A2O

图3 不同有机负荷条件下的污泥镜检图Fig.3 Microscope pictures of activated sludge at different sludge loadings

2.2 不同有机负荷引起的丝状菌污泥膨胀的控制策略

图4 不同有机负荷引起丝状菌膨胀的恢复过程Fig.4 The evolution of SVI during the periods of the bulking sludge controlled

目前，国内外对于丝状菌污泥膨胀控制方法的研究，主要集中在两大类：一类是依靠物理、化学方法，通过投加混凝剂、絮凝剂等物质增加污泥的密实度来改善污泥的沉降性能［15］.有研究表明：向曝气池中投加FeCl2或滑石粉可以改善污泥的沉降性能，控制丝状菌污泥膨胀，使SVI值迅速降低逐渐趋于稳定［16］.然而，这类方法不能从根本上控制污泥膨胀，如果停止投加药剂，出现污泥膨胀反复的可能性很大，实际工程中，加入这些物质势必带来一定的额外费用，而且可能会影响污水的处理效果.另一类是从污泥膨胀发生的本因出发，研究微生物的生长机理，调控微生物的生长环境有效控制丝状菌的大量生长.可以通过调整运行工况、改变反应器的有机负荷或采用生物选择器等方法，控制丝状菌污泥膨胀，恢复污泥的沉降性能［17］.这类方法是从污泥膨胀的起因出发，调控适合菌胶团细菌的生长环境，抑制丝状菌的过度繁殖，不仅不会对污水处理系统产生负面影响，而且能有效根治丝状菌污泥膨胀，在工程实践中具有很大的应用价值.

图5 丝状菌污泥膨胀得到控制后的污泥镜检图Fig.5 Microscope pictures of activated sludge when sludge filamentous bulking was controlled

本试验研究将有机负荷作为单一限制因素，所以采取调节系统有机负荷的方法，控制丝状菌污泥膨胀，恢复污泥的沉降性能.由低有机负荷引起的轻度丝状菌污泥膨胀，将有机负荷升高并维持在0.45kgCOD/（kgMLSS·d）左右，反应器连续运行20d，每天测定SVI值，显微镜观察污泥絮体内微生物，标记为1#试验；由高有机负荷引起的恶性丝状菌污泥膨胀，将有机负荷降低并维持0.45kgCOD/（kgMLSS·d）左右，反应器连续运行30d，每天测定SVI值，显微镜观察污泥絮体内微生物，标记为2#试验.两组试验期间，都将A2O反应器的污泥浓度MLSS控制在2000mg/L左右，其他条件（DO、温度等）维持适宜且稳定，排除外界条件干扰.

研究结果表明，由图4可知，1#试验随着运行天数的增加，SVI值逐渐降低，运行到第9d时，SVI值降到150mL/g以下，污泥的沉降性能得到改善，最后系统SVI值稳定在120mL/g左右，结合镜检发现，丝状菌减少，如图5a所示，由低有机负荷引起的轻度丝状菌污泥膨胀得到有效控制.2#试验，在有机负荷降低后，SVI值逐渐降低，当运行到第16d时，SVI值降低到150mL/g以下，最后SVI值稳定在130mL/g左右，结合镜检发现，丝状菌大量减少，如图5b所示，由高有机负荷引起的恶性丝状菌污泥膨胀亦得到有效控制，污泥沉降性能恢复正常.

2.3 冬季突然降温引起的丝状菌污泥膨胀及控制

A2O-BAF反硝化除磷系统之前一直在温度为（26±1）℃条件下运行，系统脱氮除磷效率高，污泥沉降性能好，A2O反应器SVI值一直维持在110mL/g左右，且由于A2O-BAF反硝化除磷工艺自身的特点，除磷污泥颗粒较大，污泥沉降性能较好，不存在污泥膨胀.然而，北方到达冬季时，室内温度骤然下降，反应器的进水温度突然降低到（12±1）℃左右.从图6可以看出，在冬季突然降温后，系统内的SVI值短短几天从110mL/g左右升高到 300mL/g 左右，且发现污泥在二沉池中不能正常沉淀下来，污泥沉降性能恶化，显微镜观察污泥絮体内的微生物，发现有大量丝状菌存在，这说明，冬季突然降温导致了A2O-BAF反硝化除磷系统内丝状菌污泥膨胀的发生.

目前，对于冬季突然降温引起的丝状菌污泥膨胀研究较少，有些污水处理厂为防止冬季降温引发污泥膨胀，通过投加药剂或采用生物选择器等方法来控制污泥膨胀.由于本研究是在实验室条件下进行，所以，采取添加加热装置来升高反应器内水温的方法，以便有效控制丝状菌污泥膨胀.具体方法过程为：首先在原水水箱底部添加两个加热棒，运行一段时间后，发现污泥膨胀现象没有得到很好控制，且继续恶化.分析原因：虽然在原水水箱添加加热棒，原水水箱中及反应器中温度有所提升，但是原水水箱每天进一次生活污水，相当于在原水水箱温度刚刚得到提升且稳定后，给刚刚稳定的水温突然降低的冲击，每天都进行一次温度骤减的变化，即验证了温度突然降低对活性污泥沉降性能的影响，引发了丝状菌污泥膨胀.然后通过在A2O反应器中平均距离添加3个加热棒，保证原水进入A2O反应器与泥水混合液混合后，水温并不受原水水箱中温度变化的影响.这时调节加热棒温度，发现当反应器内水温在12～18℃时，污泥的沉降性能并没有得到改善，当反应器内水温＞18℃时，运行一段时间后，发现丝状菌数量减少，污泥沉降性能变好，可见18℃为系统活性污泥发生丝状菌膨胀的临界点，因此采用加热装置，保证活性污泥正常的温度范围，可有效控制活性污泥的丝状菌膨胀.

从图6中可知，升高温度后，反应器内的SVI值逐渐降低，运行到第17d时，SVI值降到150mL/g以下，最后稳定在120mL/g左右，污泥沉降性能恢复正常，丝状菌污泥膨胀得到有效控制.分析原因可能是，当冬季突然温度降低后，反应器内微生物的活性降低，聚磷菌的代谢能力减弱，使得在厌氧段部分有机物不能被充分利用，后进入好氧段，丝状菌快速利用易降解有机物，大量繁殖，生长速率高于其他菌胶团微生物，导致丝状菌污泥膨胀，污泥沉降性能变差.在恢复温度后，聚磷菌等微生物的活性逐渐恢复，代谢能力逐渐增强，将进水有机物绝大部分在厌氧段充分利用，慢慢的丝状菌由于缺乏营养物质，渐渐衰亡，被其他菌胶团微生物取代，污泥的沉降性能变好，丝状菌污泥膨胀得到控制.由此可见，采用加热装置升高反应器中水温是控制冬季活性污泥丝状菌膨胀的有效方式，在节能降耗的基础上，优化加温方法，对于防止及治理污水处理厂的冬季污泥膨胀具有非常大的实际工程应用价值.

图6 温度对污泥沉降性能的影响Fig.6 The effect of the temperature on sludge settling property

3 结论

3.1 A2O-BAF反硝化除磷工艺处理实际生活污水，当有机负荷高于0.55kgCOD/（kgMLSS·d）时，容易引发恶性丝状菌污泥膨胀；当有机负荷低于0.30kgCOD/（kgMLSS·d）时，系统会发生轻度丝状菌污泥膨胀，从而影响系统的污水处理效果.

3.2 冬季突然降温，导致微生物活性降低，代谢速率减慢，丝状菌生长速率高于菌胶团生长速率，可引发丝状菌污泥膨胀.

3.3 本试验采取调节有机负荷和恢复温度的方法，有效的解决了丝状菌污泥膨胀问题.

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Occurrence and control of filamentous bulking in A2O-BAF denitrifying phosphorus removal process.

LÜ Dong-mei， PENG Yong-zhen*， ZHAO Wei-hua， WANG Shu-ying （Engineering Research Center of Beijing， Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：3026～3031

In order to effectively control the sludge filamentous bulking in A2O-BAF denitrifying phosphorus removal process when treating domestic wastewater， the effects of sludge load and temperature on sludge filamentous bulking were investigated. The results had shown that the problem of slight sludge filamentous bulking existed when the sludge load was less than 0.30kgCOD/（kgMLSS·d）. Serious sludge filamentous bulking got easily happened when the sludge load was higher than 0.55kgCOD/（kgMLSS·d）， and sludge filamentous bulking was controlled effectively by changing sludge load. The sludge filamentous bulking also occurred when the temperature was decreased in winter， but the settling ability of activated sludge got recovered after increasing the temperature to original level， and the sludge filamentous bulking was also controlled effectively.

A2O-BAF process；denitrifying phosphorus removal；sludge load；filamentous bulking；temperature

X703.1

A

1000-6923（2015）10-3026-06

吕冬梅（1989-），女，河北省廊坊人，北京工业大学硕士研究生，主要从事污水生物处理理论与应用研究.

2015-03-27

国家“863”项目（2012AA063406）；北京市教委资助项目

* 责任作者， 教授， pyz@bjut.edu.cn