污泥膨胀和生物泡沫的形成机理和控制方法

李宗仁，张新颖，林琳琳，张莉敏，杜朝丹，陈美香

(1.福州大学环境与资源学院，福建福州 350108；2.福建海峡环保集团股份有限公司，福建福州 350014)

1 污泥膨胀和生物泡沫的形成及特点

据统计，在发生污泥膨胀的活性污泥法处理厂中，约有90%的污泥膨胀问题是由于活性污泥中丝状菌过量生长引起的[1]。Sezgin等[2]将丝状菌膨胀定义为“宏观结构的失败，从某种意义上来说，有太大的宏观结构”，即丝状菌是构成活性污泥絮体的骨架，能够保持污泥良好的絮体结构，但是当丝状菌数量太多时，就会影响污泥的沉降性能和压缩性能。关于污泥膨胀严重程度的判定指标主要有以下几个：(1)由丝状菌引起的污泥膨胀，丝状菌总长大于104m/L；(2)根据活性污泥中丝状菌数量的多少进行分级(表1)；(3)污泥体积指数(SVI)大于150 mL/g。

生物泡沫常常是在污泥膨胀发生后出现的，由于丝状菌的异常生长，其与气泡、絮状颗粒混合而成的泡沫具有稳定、持续、较难控制的特点[5]。实际工程中生物泡沫的严重程度除了根据SVI和丝状菌特性进行判定外，还可以利用泡沫发泡指数(FSI)[6]进行评估。

表1 活性污泥中丝状菌的数量级别[3-4]Tab.1 Quantitative Level of Filamentous Bacteria in Activated Sludge[3-4]

随着城市污水厂进水中工业废水量的增加，越来越多的城市污水厂也出现了污泥膨胀和生物泡沫现象，而污泥膨胀和生物泡沫一般具有以下三个特点。

(1)发生率较高。据统计，欧洲各国和美国每年分别约有50%和60%的城市污水处理厂会发生污泥膨胀和生物泡沫现象[7]。法国的调查显示，6 013座污水处理厂中有20%受到泡沫问题的长期影响[8]。在我国，大部分城市污水处理厂和一些工业废水处理厂也存在污泥膨胀和生物泡沫现象。

(2)普遍性。污泥膨胀和生物泡沫存在于各种类型的活性污泥处理工艺中，在完全混合式工艺中，这些问题尤其突出，而且连最不易发生污泥膨胀和生物泡沫的间歇曝气池也可能发生这种情况[7]。

(3)处理难度高。污泥膨胀和生物泡沫会使工艺的处理能力下降，情况严重时，会使污泥流失，出水悬浮物增高，大大影响工艺效果，并且其控制或恢复需要相当长的时间[9]。

2 活性污泥膨胀中的常见微生物

2.1 污泥膨胀中主要优势微型动物

微型动物在实际污水处理中常被作为反映系统处理性能的指示生物，这主要是因为微型动物本身在污水生物处理系统中占有重要地位，其对周围环境变化的敏感性较高，且其检测方法较为简便[10]。目前，国内外学者主要对微型动物与污泥沉降性能的相关性进行研究，认为漫游虫属(Litonotus)、斜叶虫属(Loxophyllum)的一些种类数量与污泥沉降性能存在负相关关系[11-13]。陈小刚等[14]采用缺氧-好氧膜生物反应器(AO-MBR)组合工艺对系统运行过程中的生物种群结构变化进行研究，发现系统运行期间，污泥絮体结构变化规律为紧密—疏松—紧密—出现膨胀，丝状菌数量级别随絮体结构变化逐渐增加到“++级”，微型动物优势群落也随之变化，即游动型纤毛虫—轮虫—钟虫—累枝虫，其中当钟虫和累枝虫成为优势群落时，污泥絮体处于紧密状态，随后出现污泥膨胀。刘娟等[15]对丝状菌污泥膨胀状态下的原生动物群落结构进行分析，发现污泥膨胀状态下匍匐型纤毛虫及有壳类肉足虫优势明显，其典型的原生动物为斜管虫(Chiloclonella)、小轮毛虫(Trochiliaminuta)和匣壳虫(Centropyxis)。

2.2 污泥膨胀和发泡菌群

污泥膨胀和生物泡沫的产生主要与活性污泥中微生物的种类以及生长情况有关。大量研究表明，当进水含硫化物或营养物质缺乏时，会引起硫丝菌和贝氏硫丝菌的过度繁殖，而含溶解性碳水化合物高的废水会引起浮游球衣细菌的过度增殖，这些都会引发污泥膨胀[3]。活性污泥中分枝菌酸放线菌(Mycolata)过度繁殖也会造成污泥膨胀和生物泡沫[16]，因为分枝菌酸放线菌的细胞壁中含有长链枝状的分枝菌酸，造成细胞表面呈疏水性，而细胞疏水性正是形成丝状菌污泥膨胀和生物泡沫的必要条件。另外也有报道认为，微丝菌(Microthrixparvicella)的大量增殖也会引起污泥膨胀和生物泡沫[17]，因为微丝菌在生长繁殖过程中可利用长链脂肪酸作为碳源和能源，多余的长链脂肪酸被富集、储存在体内，这是由于油脂组成大液珠可以达到细胞干重的35%，使得活性污泥比重进一步降低，更易漂浮到水面形成浮沫[18]。丝状菌并不是一种特殊的微生物，而是具有丝状或枝状特性微生物的统称。从本质上来说，丝状菌是具有疏水表面层的，与油类的特性相似。它可以附着在疏水性底物上，并将它们作为食物来源而生长[19]。

Eikelboom[4]对数百个污水处理厂的数千个污泥样品进行了观察和研究，将所观察的丝状菌区分为26大类，分类依据包括：(1)是否存在衣鞘和黏液；(2)是否滑行运动；(3)真分支或假分支；(4)革兰氏染色和奈氏染色反应的特征；(5)丝状体的长短、性质和形状；(6)细胞直径、长短和形状；(7)有无胞含体(PHB、多聚磷酸盐和硫粒等)等。根据以上7个方面的特性分为7个群[4,20]，如表2所示。

表2 丝状菌菌群和对应的代表性细菌[4,20]Tab.2 Filamentous Bacteria Colonies and Representative Bacterium[4,20]

总结国内外膨胀污泥中出现的丝状微生物，尽管在不同地区和不同的工艺运行条件下出现的丝状菌会有所差异，但最频繁出现的丝状菌有以下几种[21]：微丝菌、0961型菌、软发菌、0092型菌、0041型菌/0675型菌、Nocardioformactinomycetes、Nostocoidalimicola、021N型菌/发硫菌、浮游球衣菌/1701型菌等。

3 污泥膨胀和泡沫的控制方法

3.1 降低细胞平均停留时间

据统计，国内外较为常见的发泡微生物平均世代时间较长，降低细胞平均停留时间(MCRT)可以有效控制污泥膨胀和发泡现象。Noutsopoulos等[22]发现，当MCRT为8～10 d时，可以有效抑制微丝菌的生长。有文献报道，控制MCRT在9 d以内，可以将曝气池中的诺卡菌(Nocardia)消除[23]。但这种控制方法在实际污水厂中很难实现，曝气池中的硝化菌平均世代时间较长，与采用此方法相矛盾。

3.2 调节曝气池溶解氧量

曝气池长时间处于低溶解氧状态常常会引起丝状菌污泥膨胀，这种污泥膨胀的控制措施是提高溶解氧量，这就需要提高曝气系统的供氧能力并降低有机负荷[24]。Palm等[25]研究发现，DO浓度与系统有机负荷成函数关系，一般当有机负荷约为0.5 kg COD/(kg MLSS·d)，且DO质量浓度在2.0 mg/L时，可以有效控制丝状菌的生长。高春娣等[26]研究发现，当AO工艺长期处于0.5 mg/L的低溶解氧状态时，会发生以软发菌(H.hydrossis)为优势菌的丝状菌膨胀，SVI一直保持在300 mL/g以上；将DO的质量浓度提高到2.0 mg/L，同时有机负荷降低到0.37 kg COD/(kg MLSS·d),能够有效控制污泥膨胀，SVI下降到150 mL/g。通过合理调节DO和有机负荷来防止低溶解氧引起的丝状菌污泥膨胀，是污泥膨胀控制最直接、经济和有效的方法。

3.3 曝气池添加前置生物选择器

生物选择器是通过提供各种较为适宜的生存环境(溶解氧、pH或污泥浓度等)来选择优势微生物的装置。生物选择器主要分为好氧生物选择器、厌氧生物选择器及缺氧生物选择器三种。好氧生物选择器是根据扩散选择理论，在曝气池前端或首段设置高负荷区域，通过负荷的变化来抑制低负荷条件下的丝状菌过度繁殖；而厌氧和缺氧生物选择器主要利用微生物代谢机制的不同来抑制丝状菌的生长，预防污泥膨胀的发生[27]。大量的试验数据证明，生物选择器能永久性地控制由以下丝状菌导致的污泥膨胀[28]：021N型菌、发硫菌、S.Natans、1701型菌、N.limicola、软发菌等。Bitton[29]发现好氧生物选择器在泥龄5 d时可以有效抑制诺卡菌的生长，而Ayers等[30]发现厌氧生物选择器是控制微丝菌生长最有效的长期解决方法。另外有研究报道，缺氧生物选择器对诺卡菌有控制作用，对微丝菌则无明显作用[31]。

3.4 投加化学药剂

通过向反应器投加特定的化学药剂(Cl2、O3、H2O2等)可以杀死废水中的丝状菌，从而消除污泥膨胀和生物泡沫现象。有研究表明，投加10 mg Cl/(g MLSS)的NaClO能有效解决微丝菌过度增殖造成的污泥膨胀和生物泡沫问题[33]。黄程兰等[34]研究发现，氯化钙溶于水后会分解产生氯离子，氯离子在水中具有灭菌消毒作用，可以杀死部分丝状菌，抑制丝状菌的生长，促进菌胶团的形成，对解决污泥膨胀有很好的效果。Guo等[35]发现由低底物浓度梯度引起的耐氯021N型丝状菌，在NaClO剂量高达80 mg Cl/(g SS)的情况下仍能够维持细胞的完整性；但加入30 mg/(g SS)的溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)可渗透该耐氯菌的细胞壁，从而将其选择性杀死，显著提升污泥沉降性能。在实际工程应用中，投加化学药剂仍存在一些问题，如药剂投加量大导致剩余污泥量大大增加，灭菌剂对丝状菌不具有选择性而抑制其他菌群的活性，导致出水水质变差，以及药效短暂而极大增加了运行成本等。因此研发投加量少、见效快、无复发作用，以及能够选择性杀死丝状菌的新型化学药剂是今后主要的研究方向。

3.5 投加特定微生物

目前，通过投加特定微生物来控制污泥膨胀和生物泡沫仍处于实验室阶段，在实际污水处理厂中尚未广泛采用。有研究提出，采用轮虫可杀死大量的丝状菌，提高污泥沉降性能，从而控制污泥膨胀和生物泡沫现象[36-38]。Inamori等[39]发现有两种具有胞咽囊的纤毛虫能够吞食021N型菌和浮游球衣细菌这两类丝状菌，对由这两类丝状菌引起的污泥膨胀和生物泡沫现象有很好的处理效果。另外，研究发现，某些特定的噬菌体能够对部分发泡细菌起控制作用，如名为GTE2、GTE5、GTE7、TPA2的噬菌体所具有的特征及其基因组序列对稳定污水处理厂中的污泥膨胀和生物泡沫有很大帮助[40]。虽然这些噬菌体的控制机理尚不明确，但是在实验室规模上的各种研究表明，噬菌体对丝状菌的控制是有效的。将噬菌体引入实际工程中来减少丝状菌的数量，是一种安全有效且环境友好的方法。

3.6 其他控制方法

除了上述方法之外，向泡沫喷洒水、加强上部搅拌、对发泡污泥进行连续选择性浮选以及减少水量的冲击负荷等方法都能对污泥膨胀和生物泡沫起一定作用，在运用时应根据现场的实际情况加以选择。

3.7 厌氧消化泡沫的控制

厌氧消化泡沫普遍存在于厌氧消化池中，其主要发泡成因有以下三点[41]：(1)由于有机负荷过高导致挥发性脂肪酸(VFA)特别是乙酸的积累；(2)污泥中含有大量的表面活性剂；(3)污泥中含有大量的丝状菌，如戈登氏菌(Gordoniaamarae)和微丝菌。针对厌氧消化泡沫的控制措施有以下几种：降低细胞平均停留时间、降低有机负荷、加强机械搅拌、投加化学药剂(如聚合铝盐)、热水解技术以及对污泥进行超声预处理等。

3.7.1 热水解技术

热水解技术是一种有效的污泥预处理技术，可以改善剩余污泥和浓缩污泥的脱水性能，也是一种十分有效和经济可行的厌氧泡沫控制措施。Barjenbruch等[42]研究发现，热水解技术(在121 ℃下加热60 min)相比机械搅拌和酶法预处理技术具有较好的发泡控制性能。研究表明[43]，坎比工艺的热水解预处理技术对厌氧泡沫的控制具有显著效果。Alfaro等[44]研究发现，热水解技术(在170 ℃下蒸汽加热15 min)能够急剧降低以微丝菌为优势菌群的丝状菌丰度(泡沫指数由从5级降到2级)。热水解技术相对于几种被广泛接受的生物泡沫控制策略具有明显优势，但是其操作压力和温度控制仍需要进一步的优化改善[40]。

3.7.2 超声预处理技术

超声预处理技术可以破坏污泥絮体的细胞及结构，提高细胞的可生化性，而且可以使丝状菌菌丝断裂，降低丝状菌丰度。Khanal等[45]研究发现，仅仅超声处理2 min，丝状菌的结构完整性就被显著破坏，细菌细胞没有明显的破坏，超声30 min，丝状菌细胞壁则完全解体。有研究报道[46]，对污泥进行超声预处理可以有效减少中温沼气池的生物泡沫。Alfaro等[44]研究发现，采用运行能耗为66.7 kW·h/m3的超声波处理污泥，厌氧消化池中的丝状菌数量大大减少，丝状菌丰度从“+++级”降到“±级”。尽管超声预处理技术对丝状菌的控制有显著效果，但是相对于热水解技术来说，该技术的能源消耗较大，运行费用较高，因此在实际工程应用中超声预处理技术的能耗问题需要着重考虑。

4 结论与建议

(1)在污水处理厂运行过程中，针对曝气池、二沉池等易发生污泥膨胀和生物泡沫现象的生物处理工艺，应加强对SVI、生物相等指标的检测，并制定一套完整的污泥膨胀和生物泡沫的预警监测系统，时刻注意工艺运行状况，防止污泥膨胀和生物泡沫的发生。

(2)引起污泥膨胀和生物泡沫的丝状菌种类繁多，因此在采取相应的控制措施时应从微生物入手，采用先进的现代生物检测技术确定丝状菌种类，明确污泥膨胀和生物泡沫产生的原因，为后续制定控制方案提供依据。

(3)对于已经发生污泥膨胀或生物泡沫，并已明确其主要优势丝状菌种类的生物处理工艺，首先应根据丝状菌的特性采取工艺调控措施，如降低污泥龄、调节曝气池溶解氧量、增设生物选择器等。若上述措施没有对污泥膨胀或生物泡沫起到很好的控制效果，可以通过投加化学药剂或特定微生物进行控制。

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