廢水生物處理是利用有關(guān)微生物的代謝過(guò)程,是對(duì)廢水中有機(jī)物進(jìn)行降解或轉(zhuǎn)化的過(guò)程。微生物在降解有機(jī)物的同時(shí)其本身也得到了增殖。
污泥膨脹有兩種類(lèi)型，一是由于活性污泥中大量絲狀菌的繁殖而引起的污泥絲狀菌膨脹，二是由于菌膠團(tuán)細(xì)菌體內(nèi)大量累積高粘性物質(zhì)（如葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖和脫氧核糖等形成的多類(lèi)糖）而引起的非絲狀菌性膨脹。
污泥絲狀菌膨脹可根據(jù)絲狀微生物對(duì)環(huán)境條件和基質(zhì)種類(lèi)要求的不同而劃分為五類(lèi)類(lèi)型：
（1）低基質(zhì)濃度型；
（2）低溶解氧濃度型；
（3）營(yíng)養(yǎng)缺乏型；
（4）高硫化物型；
（5）pH不平衡型。在實(shí)際運(yùn)行中，一般以污泥絲狀菌膨脹為主，占90%以上。
發(fā)生污泥膨脹時(shí)，主要有以下特征：
（1）二沉池中污泥的SVI值大于200ml/g；
（2）回流污泥濃度下降；
（3）二沉池中污泥層增高。
一、污泥膨脹相關(guān)理論
1、A/V假說(shuō)：當(dāng)混合液中基質(zhì)收到限制或控制時(shí)，由于比表面積大的絲狀菌獲取基質(zhì)的能力要強(qiáng)于菌膠團(tuán)，因而菌膠團(tuán)受到抑制，絲狀菌大量繁殖。
2、動(dòng)力選擇性理論：以微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同種類(lèi)微生物具有不同的比生長(zhǎng)速率和飽和常數(shù)，分析絲狀菌與菌膠團(tuán)的競(jìng)爭(zhēng)情況。
3、饑餓假說(shuō)：將活性污泥中微生物分為三類(lèi)，類(lèi)是菌膠團(tuán)細(xì)菌，第二類(lèi)是具有高基質(zhì)親和力但生長(zhǎng)緩慢的耐饑餓絲狀菌，第三類(lèi)是對(duì)溶解氧有高親和力、對(duì)饑餓高度敏感的快速生長(zhǎng)絲狀菌。
4、存儲(chǔ)選擇理論：在底物風(fēng)度的狀態(tài)下，非絲狀菌具有貯存底物的能力，而被貯存物質(zhì)在底物匱乏時(shí)能夠被代謝產(chǎn)生能量或合成蛋白質(zhì)。但是一些絲狀菌也具有底物貯存能力，底物貯存能力不能用來(lái)解釋污泥膨脹機(jī)理。
5、氮氧化氮假說(shuō)：CASEY提出低負(fù)荷生物脫氮除磷工藝的污泥膨脹假說(shuō)，如果缺氧區(qū)的反硝化不充分，導(dǎo)致好氧區(qū)存在亞硝酸氮，那中間產(chǎn)物NO、N2O就會(huì)抑制菌膠團(tuán)的好氧細(xì)胞色素，進(jìn)而抑制其好氧情況下的基質(zhì)利用，相反一些絲狀菌只能將硝酸氮還原為亞硝酸氮，因此不會(huì)在反硝化條件下胞內(nèi)積累NO和N2O，絲狀菌就不會(huì)在好氧段被抑制，因而更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
亞硝酸與SVI有一定的正相關(guān)性。沉淀性能良好的污泥粒徑分布較廣，且以球菌為主，膨脹污泥的粒徑大都在10μm以?xún)?nèi)，污泥較為細(xì)碎。
二、影響污泥膨脹的因子
1、溫度
低溫有利于絲狀菌生長(zhǎng)，Daigger等人發(fā)現(xiàn)10℃容易導(dǎo)致絲狀菌性污泥膨脹，而污水溫度提高到22℃則不容易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。
2、pH
活性污泥微生物適宜pH范圍為6.5～8.5，pH小于6時(shí)，菌膠團(tuán)活性減弱，生長(zhǎng)受到抑制，但絲狀菌能大量繁殖，取代菌膠團(tuán)成為優(yōu)勢(shì)種群，污泥的沉降性能明顯變差并發(fā)生污泥膨脹。pH值低于4.5時(shí)，真菌占優(yōu)勢(shì)。
3、DO
低DO是引起絲狀菌污泥膨脹的主要原因之一，若DO成為限制因子，菌膠團(tuán)生長(zhǎng)受抑制，而絲狀菌因具有巨大的比表面積，更易獲得溶解氧進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位。
具有低Ks的絲狀菌在低基質(zhì)濃度下，具有比菌膠團(tuán)高的比生長(zhǎng)速率，這可以解釋基質(zhì)限制、溶解氧限制和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)限制引起的污泥膨脹現(xiàn)象。只要溶解氧成為限制，任何負(fù)荷下都會(huì)發(fā)生污泥膨脹。污水處理中DO控制在2左右，太高太低都容易引起污泥膨脹。
4、F/M
低負(fù)荷情況下，由于絲狀菌具有巨大的比表面積，低Ks，其對(duì)碳源有較強(qiáng)的親和力，優(yōu)先利用碳源，造成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
低F/M經(jīng)常出現(xiàn)在混合式曝氣池、大回流比的氧化溝（如卡魯薩爾氧化溝）、沿程分散進(jìn)水曝氣池中；低負(fù)荷容易引發(fā)絲狀菌污泥膨脹，高負(fù)荷容易引發(fā)污泥粘性膨脹。負(fù)荷分布不均，好氧區(qū)一直處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)易造成絲狀菌大量增殖。
對(duì)膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥負(fù)荷參數(shù)的影響研究表明，當(dāng)F/M<0.2kg/kg.d時(shí)，容易引發(fā)污泥膨脹；將污水通過(guò)好氧選擇器進(jìn)入膜生物反應(yīng)器，將F/M調(diào)整到0.4kg/kgd，有效的控制了污泥膨脹；利用缺氧選擇器，加強(qiáng)反硝化除磷作用，有效解決了污泥膨脹。
高有機(jī)負(fù)荷下，反應(yīng)器內(nèi)底物充裕，在這種情況中菌膠團(tuán)比絲狀菌具有更強(qiáng)的吸附與存貯營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力，能夠充分利用高濃度的底物迅速增殖，具有較高的比生長(zhǎng)速率，抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)。
但是如果DO濃度不夠，在0.5mg/L以下，菌膠團(tuán)在低溶氧的條件下增殖受到抑制，而絲狀菌由于其具有更大的比表面積，即使在低溶氧的條件下也能獲得氧，其增殖速率明顯高于菌膠團(tuán)，發(fā)生高負(fù)荷低DO下的污泥膨脹；低負(fù)荷下由于長(zhǎng)時(shí)間缺少足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，菌膠團(tuán)生長(zhǎng)受到抑制，而絲狀菌具有較大的比表面積，其菌絲會(huì)從菌膠團(tuán)中伸展出來(lái)以增加其攝取營(yíng)養(yǎng)的表面積。
由于研究者的研究背景和研究條件不盡相同，研究結(jié)果也很不一致尤其是關(guān)于有機(jī)負(fù)荷與污泥膨脹關(guān)系的說(shuō)法也比較混亂。高低有機(jī)負(fù)荷都可能引起污泥膨脹，發(fā)現(xiàn)高低負(fù)荷下都可能發(fā)生污泥膨脹，根據(jù)負(fù)荷不同，在任何DO濃度條件下都可能發(fā)生膨脹，對(duì)于推流式曝氣池，雖然沿吃長(zhǎng)方向存在著高的濃度梯度，但在高負(fù)荷下也會(huì)發(fā)生污泥膨脹。
5、N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)
通常認(rèn)為污水中BOD5:N=100:5:1為微生物的適宜比例。
N、P含量不均衡的廢水，會(huì)引發(fā)絲狀菌與非絲狀菌膨脹，絲狀菌膨脹：有研究發(fā)現(xiàn)在缺N的情況下，由于絲狀菌具有巨大的比表面積，低Ks，其對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有較強(qiáng)的親和力，優(yōu)先利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，造成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；非絲狀菌污泥膨脹：BOD5/N為100:3時(shí)，菌膠團(tuán)未能有充分的N完成代謝，于是把有機(jī)物以高親水性的多糖胞外聚合物（EPS）的形式貯存在胞外。因此要降低進(jìn)水C/N比。
6、微量元素
混合活性污泥法會(huì)助長(zhǎng)絲狀菌的過(guò)量生長(zhǎng)，這可用痕量金屬缺乏癥理論分析。由于絲狀菌具有比菌膠團(tuán)更大的比表面積，其在痕量金屬含量不足時(shí)比后者具有更大的對(duì)痕量金屬的吸附能力，從而抑制了菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)。
7、有毒物質(zhì)
當(dāng)有毒工業(yè)廢水進(jìn)入污水廠時(shí)，活性污泥中的微生物要出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，對(duì)非絲狀菌膨脹的研究中發(fā)現(xiàn)，菌膠團(tuán)吸收污水中的有毒物質(zhì)后，粘性物質(zhì)分泌減少，生理活動(dòng)出現(xiàn)異常，可能引起污泥膨脹。
三、污泥膨脹解決辦法
1、應(yīng)急措施：
（1）增加絮凝劑，如投加硅藻土、粘土、厭氧污泥、金屬鹽類(lèi)、混凝劑，如投加鐵鹽（氯化亞鐵5~50 mg/L）、鋁鹽（礬土10~100 mg/L）。
（2）采用消毒氧化劑，如采用回流污泥加氯措施，投加量一般為2~10kg Cl2/1000kg干污泥，既可控制曝氣池污泥膨脹也可對(duì)二級(jí)處理出水消毒，同時(shí)使控制污泥膨脹所需要的加氯量最少。
銅離子濃度在0.75mg/L時(shí)或食鹽濃度為4g/L時(shí)對(duì)抑制絲狀菌污泥膨脹效果良好。但是此法治標(biāo)不治本。
2、改變工藝
（1）設(shè)置選擇器，選擇器是曝氣池之前或前段設(shè)定的高有機(jī)負(fù)荷區(qū)（接觸區(qū)），為菌膠團(tuán)細(xì)菌提供高濃度的可吸收的溶解底物，以提高其攝取和貯存能力，使其在與絲狀菌的競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)。
（2）此外改變反應(yīng)器形式，如將混合曝氣池改為推流式曝氣池，連續(xù)進(jìn)水改為間歇進(jìn)水。絲狀菌幾乎都不能在無(wú)分子氧的環(huán)境中吸收底物，這使得通過(guò)脫氮和除磷過(guò)程而利用底物的功能菌迅速增殖，所以A/O和A/A/O系統(tǒng)能有效控制絲狀菌污泥膨脹。在A2/O工藝中，厭氧、缺氧區(qū)不利于絲狀菌增殖，如果在好氧段能旁流一部分進(jìn)水提供碳源，則絲狀菌在整個(gè)系統(tǒng)中都處于不利狀況。
（3）工藝運(yùn)行調(diào)控：由于污水腐化產(chǎn)生的膨脹，可以對(duì)消化污水預(yù)曝氣，沉淀池中污泥應(yīng)及時(shí)刮除；N、P缺乏的污水，可及時(shí)投加尿素、銨鹽、化肥或與生活污水混合，使BOD5:N=100:5:1左右；缺氮時(shí)可從污泥消化池往曝氣池投加高含氮污泥上清液；低溶解氧可以增加供氧，采用表面轉(zhuǎn)刷曝氣的氧化溝，欲提高DO，可通過(guò)提高出水堰的高度，以提高轉(zhuǎn)刷的吃水深度的方法，強(qiáng)化轉(zhuǎn)刷的曝氣能力；
低負(fù)荷導(dǎo)致的污泥膨脹，可以適當(dāng)提高F/M；高負(fù)荷污泥膨脹，可射流曝氣剪切絲狀菌，射流高的傳質(zhì)效率提供充足的溶解氧。增加水力剪切力：通過(guò)曝氣時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)水力剪切作用使蓬松污泥自聚、密實(shí)，同時(shí)使絮團(tuán)表面不穩(wěn)定的絲狀菌脫落。
（4）在混合曝氣池中負(fù)荷0.1~0.5 kgBOD5/(kgMLSS·d)都發(fā)生膨脹，而推流式中污泥負(fù)荷大于0.5 kgBOD5/(kgMLSS·d)才發(fā)生膨脹，而間歇式反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)膨脹現(xiàn)象；變化的水力負(fù)荷造成SVI上升，具體分析為高負(fù)荷、低溶解氧刺激了絲狀菌的生長(zhǎng)，且絲狀菌生長(zhǎng)的不可逆性，造成污泥膨脹，特別是當(dāng)有機(jī)物濃度劇增時(shí)極易引起污泥膨脹；污泥有機(jī)負(fù)荷為0.5kg/kg·d，并且DO在2mg/L時(shí)，可以有效的控制絲狀菌的生長(zhǎng)。
（5）低負(fù)荷引起污泥膨脹的恢復(fù)：加大污泥負(fù)荷，利用在高底物濃度的環(huán)境條件下，菌膠團(tuán)的貯存能力與比生長(zhǎng)速率均比絲狀菌的高這一特點(diǎn)，在反應(yīng)器中創(chuàng)造出有利于菌膠團(tuán)生長(zhǎng)繁殖的生態(tài)環(huán)境，使其取代絲狀菌逐漸成為污泥中的優(yōu)勢(shì)菌種，從而使發(fā)生膨脹的污泥逐漸恢復(fù)正常。
（6）增大污泥回流量有利于提高菌膠團(tuán)細(xì)菌攝取有機(jī)物的能力并且增大與絲狀菌的競(jìng)爭(zhēng)力度，抑制絲狀菌的膨脹。絲狀菌的生長(zhǎng)速率小于非絲狀菌，長(zhǎng)SRT有利于絲狀菌的生長(zhǎng)，因而增加排泥量，可以有效排除池內(nèi)過(guò)多絲狀菌。并且長(zhǎng)泥齡情況下，發(fā)生污泥老化，老化的污泥活性不夠，競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)絲狀菌，會(huì)使絲狀菌在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位。
3、污泥膨脹自然消除的原因：污泥膨脹導(dǎo)致污泥的大量流失，使MLSS濃度降低，其結(jié)果是在其它條件不變時(shí)，有機(jī)負(fù)荷提高，DO上升，OUR減小，這都有利于抑制絲狀菌的增殖。
四、其他污泥膨脹原因
1、一般認(rèn)為懸浮固體少而溶解性和易降解的有機(jī)物較多，特別是含低分子量的烴類(lèi)、糖類(lèi)和有機(jī)酸等容易發(fā)生絲狀菌膨脹，例如啤酒、食品、乳品、造紙廢水；絲狀菌對(duì)高分子物質(zhì)的水解能力弱，較難吸收不溶性物質(zhì)，對(duì)低分子有機(jī)物可直接作為能源加以利用，代表性的絲狀菌是球衣菌屬，它能將葡萄糖、蔗糖、乳糖等糖類(lèi)物質(zhì)直接利用，當(dāng)廢水中含有可溶性有機(jī)物多時(shí)，易誘發(fā)絲狀菌膨脹，而不溶性有機(jī)物作為去除對(duì)象的廢水則不易產(chǎn)生污泥膨脹。
葡萄糖、乙酸鹽這些低分子可溶性有機(jī)物容易引起污泥膨脹，而大分子淀粉不易引起污泥膨脹。
2、腐化的污水，還有大量硫化氫的污水，污水在下水管和初沉池等貯存設(shè)施中，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)生早起消化，使pH下降，產(chǎn)生利于絲狀菌攝取的低分子溶解性有機(jī)物和硫化氫，引起硫代謝絲狀菌。但是硫化氫大部分是厭氧發(fā)酵中的副產(chǎn)物，而厭氧發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生大量小分子有機(jī)酸，這些是污泥膨脹的主要原因。
3、一些厭氧裝置雖然出水含有大量硫化氫，但是揮發(fā)性有機(jī)酸濃度很低時(shí)也不會(huì)發(fā)生污泥膨脹，當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)酸達(dá)到一定濃度時(shí)，其中主要的低分子有機(jī)酸（乙酸、丙酸）易于降解，因此造成耗氧速率的增加，引起DO限制膨脹。
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