王凱軍　 許曉鳴
北京水環(huán)境技術(shù)與設(shè)備研究中心

　　摘要：本文對(duì)絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象進(jìn)行分析和綜合，并在廣義的Monod方程的基礎(chǔ)上，提出了統(tǒng)一的污泥膨脹理論。該模型可以很好的解釋基質(zhì)限制、溶解氧限制、營(yíng)養(yǎng)物缺乏型，高、低pH和硫化氫因素引起的五種類型主要活性污泥絲狀菌膨脹。這包括了大部分的污泥膨脹現(xiàn)象。利用廣義的Monod方程采用雙基質(zhì)限制(碳源和溶解氧)模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究。對(duì)負(fù)荷與溶解氧，水質(zhì)和水量變化等因素對(duì)于菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)于不同的膨脹類型對(duì)應(yīng)提出了對(duì)應(yīng)的控制策略。
　　關(guān)鍵詞：污泥膨脹，絲狀菌，菌膠團(tuán)菌，廣義Monod方程

The Theory and Study for Filamentous Bacteria Caused Sludge Bulking Problems

Wang Kaijun，Xu Xiaoming

Beijing Research Center of Water Environmental Technology & Equipment

　　Abstract:In this paper, the analysis and summarize of filamentous bacteria caused sludge bulking phenomena have been conducted. Based on generalized Monod model, an unified theory for sludge bulking has been proposed. It has been found that generalized Monod model can well explain the substrate limiting, dissolved oxygen limiting, nutrients and trace elements deficiency, high and low pH and high sulfide concentration caused sludge bulking problems. These are included most kinds of sludge bulking phenomena. Based on the Monod model for carbon and dissolved oxygen limiting, system kinetic equations are formulated, the computer simulation has conducted according to above models. The effects of loading rate, dissolved oxygen, variation of flow rate and concentration etc. factors on the competition relationship floc-forming bacteria and filamentous bacteria have been studied intensively. According to the results of computer simulation, the different strategies for sludge bulking have proposed.
　　Key Word：Sludge bulking，filamentous bacteria，floc-forming bacteria, Monod model

一、污泥膨脹控制方法的演化過程

　　早期控制絲狀菌引起的污泥膨脹(簡(jiǎn)稱污泥膨脹)的主要手段是利用絲狀菌具有較大的比表面積值，采用藥劑殺死絲狀菌，或是投加無機(jī)或有機(jī)混凝劑或助凝劑以增加污泥絮體的比重^<1>。這些方法往往無法徹底解決污泥膨脹問題，并且相反地會(huì)帶來出水水質(zhì)惡化的不良后果。人們逐漸認(rèn)識(shí)到活性污泥中的菌膠團(tuán)細(xì)菌和絲狀菌形成一個(gè)共生的微生物生態(tài)體系。在這種共生關(guān)系中，絲狀微生物是不可缺少的重要微生物，其在活性污泥工藝中對(duì)于高效、穩(wěn)定地凈化污水起重要作用。人們逐漸的從簡(jiǎn)單地殺死絲狀菌過渡到利用曝氣池中的生長(zhǎng)環(huán)境，調(diào)整絲狀菌的比例，控制污泥膨脹的發(fā)生--即環(huán)境調(diào)控階段。環(huán)境調(diào)控概念的使用是人們?cè)谖勰嗯蛎浛刂萍夹g(shù)和實(shí)踐上的一大進(jìn)步。其主要出發(fā)點(diǎn)是使曝氣池中的生態(tài)環(huán)境，有利于選擇性地發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，應(yīng)用生物競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制抑制絲狀菌的過度生長(zhǎng)和繁殖，將絲狀菌控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，從而控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展。同時(shí)利用絲狀菌特性凈化污水，穩(wěn)定處理工藝。近年選擇器理論得到充分發(fā)展和應(yīng)用就是這一概念具體體現(xiàn)^<2><3>。

二、統(tǒng)一的污泥膨脹的理論

　　由于活性污泥是一混合培養(yǎng)系統(tǒng)，活性污泥是菌膠團(tuán)細(xì)菌與絲狀菌的共生系統(tǒng)，任何活性污泥系統(tǒng)中都存在著絲狀茵。絲狀菌也不僅僅是一種菌存在，活性污泥中存在著至少30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌，污泥膨脹的原因是復(fù)雜的。在絲狀茵與菌膠團(tuán)細(xì)菌平衡生長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生膨脹問題。只有當(dāng)絲狀茵生長(zhǎng)超過菌膠團(tuán)細(xì)菌時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)膨脹問題。污泥膨脹是由絲狀茵和菌膠團(tuán)細(xì)菌生理和生化性質(zhì)不同所決定的，這兩類細(xì)菌性質(zhì)的差異見表1。

表1 　　絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌性質(zhì)對(duì)比表^<1> 序號(hào) 性　　 質(zhì) 菌膠團(tuán)菌 參考值 絲狀菌 參考值 1 最大生長(zhǎng)率(μ_max) 高 4.4d^-1 低 3.0 d^-1 2 基質(zhì)親合力(K_s) 低 64mg/l 高 40 mg/l 3 DO親合力(K_DO) 低 0.1 mg/l 高 0.027 mg/l 4 內(nèi)源代謝率(K_d) 高 0.012 d^-1 低 0.010 d^-1 5 產(chǎn)率系數(shù)(Y) 高 0.153g/g 低 0.139 g/g 6 積累能力(A) 高 低 7 耐饑餓能力及貯存能力 高 非常低

　　通過對(duì)近年來活性污泥膨脹問題國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的分析和綜合，可以將主要的活性污泥絲狀菌膨脹的原因分為五種類型：即a)基質(zhì)限制；b)溶解氧限制；c)營(yíng)養(yǎng)物缺乏型高；d)高、低pH引起； e) 和硫化氫因素等膨脹類型^<4>。
　　1. 廣義的Monod方程
　　絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)學(xué)模型，其遵循多種基質(zhì)限制的廣義Monod方程，即Monod-McGee方程^<1>：

　　　 μ＝μ_max[S₁/(K₁+S₁)][S₂/(K₂+S₂)]…[S_n/(K_n+S_n)]　　　　　　　　　　　　 　　 (1)

　　其中：μ_max：最大生長(zhǎng)速率(d^-1)；K_i:第I種基質(zhì)親和力(mg/l)；S_i：第I種基質(zhì)。

　　根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程(1)可知，基質(zhì)限制、溶解氧限制和營(yíng)養(yǎng)物缺乏型的膨脹問題都可用廣義Monod方程來加以解釋。值得說明的是當(dāng)?shù)獓?yán)重缺乏時(shí)并不能歸入這一理論。原因在于由于缺乏氮，使微生物不能充分利用碳源合成細(xì)胞物質(zhì)，使得過量的碳源被轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵穷惏赓A存物，這種貯存物是高度親水型化合物，從而形成結(jié)合水，影響污泥沉降性能，產(chǎn)生了高粘度性的膨脹，其類型不屬于絲狀菌膨脹^<5>。
　　2. 硫化氫的等其他類型的問題
　　關(guān)于pH的影響，可在動(dòng)力學(xué)方程的參數(shù)上，作為動(dòng)力學(xué)常數(shù)的乘積因子的形式進(jìn)行耦合，或者單獨(dú)列出其動(dòng)力學(xué)方程，從而統(tǒng)一在廣義Monod方程之下。關(guān)于H₂S的影響，從文獻(xiàn)中報(bào)道引起污泥膨脹的H₂S數(shù)值很低，一般是在1～2.0mg/l^<5>。筆者認(rèn)為每升幾毫克硫化氫似乎不足以供發(fā)硫菌或貝氏硫細(xì)菌大量增值的能量，相反幾十到上百ppm的有機(jī)酸是值得注意的因素。我們進(jìn)行了向污水中添加H₂S的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使H₂S濃度達(dá)到 50mg/l也并不發(fā)生膨脹^<6>。事實(shí)上，一些厭氧裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的較好，雖然出水含有大量H₂S，但是揮發(fā)酸濃度很低時(shí)，好氧后處理也不發(fā)生膨脹。當(dāng)污水處于腐敗和厭氧條件時(shí)，污水厭氧發(fā)酵的同時(shí)產(chǎn)生H₂S和揮發(fā)酸。揮發(fā)酸主要包括乙酸、丙酸等，這些低分子易于降解，造成耗氧速率的增加^<7>，從而引起氧的限制型膨脹，這是造成污泥膨脹的根本原因。而H₂S的出現(xiàn)是污水厭氧發(fā)酵的一個(gè)伴隨現(xiàn)象。因此H₂S的膨脹類型可歸為溶解氧限制類型的膨脹，從而廣義的Monod動(dòng)力學(xué)模型可以在一定程度上很好地統(tǒng)一污泥膨脹的理論。
　　3. 雙基質(zhì)的Monod方程
　　由于城市污水中N、P和其它營(yíng)養(yǎng)元素一般不缺乏，因此在一般情況下，可只考慮碳源限制和DO限制兩種情況。這樣城市污水的絲狀菌膨脹問題就簡(jiǎn)化為兩種主要類型的膨脹問題，即基質(zhì)限制和溶解氧限制類型。

　　　 μ＝μ_{max [S/(Ks+S)][DO/KDO+DO]} 　　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　其中：μ_max：最大生長(zhǎng)速率(d^-1)；K_s:基質(zhì)親和力(mg/l)；K_DO＝溶解氧親和力(mg/l)；

三、污泥膨脹數(shù)學(xué)模型的研究

1、污泥膨脹的數(shù)學(xué)模型

　　為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，數(shù)學(xué)模型的建立基于以下幾個(gè)假設(shè)：1)活性污泥由兩大數(shù)群微生物組成，即絲狀菌和菌膠團(tuán)菌；2)微生物生長(zhǎng)主要受到碳源和DO限制；3)微生物生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)可用同一基本模型來描述；4)曝氣池是完全混合式；模型所描述的系統(tǒng)如圖1所示。其中反應(yīng)器1根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，分別可以是選擇器、曝氣池等等，反應(yīng)器2是曝氣池。在沒有選擇器的系統(tǒng)中，回流污泥按虛線所示的途徑回流。根據(jù)以上假設(shè)及圖1中的物料平衡關(guān)系，可給出選擇器和曝氣池中基質(zhì)(碳源和DO)和微生物(菌膠團(tuán)和絲狀菌)的如下一組方程：
　 對(duì)選擇器有如下方程成立：
　　對(duì)菌膠團(tuán)菌：　dX₁₁/dt ＝ (μ₁－k_d1－1/θ_c) X₁₁　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)

　　對(duì)絲狀菌：　　　　dX₂₁/dt ＝ (μ₂－k_d2－1/θ_c) X₂₁　　　　　　　　　　　　　　　　　 (4)

　　對(duì)碳源基質(zhì)：　　　　dS₁₁/dt ＝₌ D_k(S₁₀+rS₁₂)-(1＋r)D₁S₁₁-μ₁X₁₁/Y₁-μ₂X₂₁/Y₂　　　　　 (5)

　　對(duì)溶解氧：　　　　　 _{dS21/dt ＝} -(1＋r)D₁S₂₁ +K_la(S_2S-S₂₁) -μ₁X₁₁/Y₁-μ₂X₂₁/Y₂　　　 (6)

　　對(duì)曝氣池有如下方程成立：

　　對(duì)菌膠團(tuán)菌：　　　　　　dX₁₂/dt ＝ (1＋r)D₂(X₁₁-X₁₂)+(μ₁－k_d1) X₁₂　　　　　　　　　　 (7)

　　對(duì)絲狀菌：　　　　　dX₂₂/dt ＝ (1＋r)D₂(X₂₁-X₂₂)+(μ₁－k_d1) X₂₂　　　　　　　　　　　　 (8)

　　對(duì)碳源基質(zhì)：　　　　　　dX₁₂/dt ＝ (1＋r)D₂(S₁₁-S₁₂)-μ₁X₁₂/Y₁-μ₂X₂₂/Y₂　　　　　　　 (9)

　　對(duì)溶解氧：　　　　　dS₂₂/dt ＝ (1＋r)D₂(S₂₁-S₂₂)+K_la(S_2s-S₂₂) -μ₁X₁₂/Y₁-μ₂X₂₂/Y₂　　 (10)

　　其中： 狀態(tài)變量：X_ik=污泥濃度(mg/l)；S_jk＝基質(zhì)濃度(mg/l)，i＝1,2分別代表菌膠團(tuán)和絲狀菌；

　　j＝1,2分別代表碳源和DO；S₁₀=碳源基質(zhì)初始濃度(mg/l)； S_2s＝飽和溶解氧濃度(mg/l)；

　　操作變量：D_k＝稀釋率(d^-1) k＝1,2分別代表選擇器和曝氣池；　　 r＝回流比；

　　動(dòng)力學(xué)常數(shù)：k_di衰減常數(shù)(d^-1)；Y_i＝產(chǎn)率系數(shù)(g/g)；K_la＝傳質(zhì)系數(shù)(min^-1)；其常數(shù)見表1；

　　μ_i= 比生長(zhǎng)速率采用的雙基質(zhì)模型(方程2)，i＝1,2分別代表菌膠團(tuán)和絲狀菌；

2. 曝氣強(qiáng)度和負(fù)荷的影響

　　圖2是根據(jù)方程(3-10)的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。從圖2a可見絲狀菌和菌膠團(tuán)細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是根據(jù)負(fù)荷而變化的。根據(jù)負(fù)荷的不同，可劃分為三個(gè)不同階段：低負(fù)荷階段(<0.4kg COD/kgMLSS.d)這時(shí)溶解氧的供應(yīng)是充分的出現(xiàn)基質(zhì)限制的情況。高負(fù)荷階段(>1.1kg COD/kgMLSS.d)由于主體溶液中的基質(zhì)濃度比較高，出現(xiàn)溶解氧限制的情況。在這之間是中等負(fù)荷范圍，在這一范圍絲狀菌與絮狀菌處于合理的比例，系統(tǒng)不發(fā)生膨脹。以上結(jié)果解釋了為什么在高、低負(fù)荷下都會(huì)發(fā)生污泥膨脹的原因。
　　圖2b是在有選擇器條件下，不同曝氣條件下(Kla)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。上述的模擬結(jié)果同樣表明即使在存在選擇器的情況下，在低負(fù)荷和高負(fù)荷范圍仍然會(huì)發(fā)生膨脹。膨脹的界限值與沒有選擇器的系統(tǒng)不同，對(duì)于完全混合曝氣池界上、下限下移。對(duì)于高負(fù)荷系統(tǒng)高的曝氣強(qiáng)度可以提高污泥膨脹發(fā)生的上限，但同樣較低了低負(fù)荷系統(tǒng)發(fā)生膨脹的下限。從圖2b可見對(duì)于中等負(fù)荷階段如果供氧不充分，絲狀菌仍有可能大量繁殖并形成膨脹。對(duì)于不同的曝氣強(qiáng)度，兩種微生物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)變的界限值是不同的。對(duì)于這就是雙基質(zhì)動(dòng)力學(xué)方程與傳統(tǒng)的單獨(dú)碳源基質(zhì)限制動(dòng)力學(xué)方程描述膨脹現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明，完全混合曝氣池對(duì)不同負(fù)荷下，維持穩(wěn)定的沉降性能，所需要的溶解氧濃度是不一樣的。而不是象文獻(xiàn)報(bào)道維持在固定的1.0～2.0mg/l之間<1>。這解釋了國(guó)內(nèi)外眾多研究中，對(duì)于溶解氧對(duì)污泥膨脹的影響報(bào)道十分不一致的原因。提高供氧能力的方法，一是增加供風(fēng)量，二是用充氧能力強(qiáng)的裝置。

3. 流量和濃度變化的影響

　　實(shí)際的污水處理廠負(fù)荷是變化的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在停留時(shí)間3、4和5h.下，系統(tǒng)的溶解氧濃度分別為1.2，2.2和3.0mg/l。圖3是流量和基質(zhì)增加幅度為1.5倍采用計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。在穩(wěn)定的流量和濃度條件下，長(zhǎng)期運(yùn)行是菌膠團(tuán)細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。流量或是基質(zhì)濃度的變化會(huì)造成絲狀菌的過度生長(zhǎng)，而絲狀菌的生長(zhǎng)不是一簡(jiǎn)單的可逆過程，結(jié)果會(huì)造成了污泥沉降性能的變化。值得說明的是上述結(jié)果是在相對(duì)高的負(fù)荷下的模擬結(jié)果，研究表明對(duì)低負(fù)荷結(jié)果相反。

四、討論和結(jié)論

　　1) 通過分析將絲狀菌膨脹概括為5種類型，即：低基質(zhì)濃度、低溶解氧、營(yíng)養(yǎng)物(N、P)缺乏型、高H₂S濃度和高、低pH引起的膨脹。采用廣義Monod方程可解釋大部分類型的膨脹問題，這在一定程度上統(tǒng)一了污泥膨脹理論。由于城市污水中N、P和其它營(yíng)養(yǎng)元素一般不缺乏，因此在一般情況下，只考慮碳源限制和DO限制兩種情況；
　　2) 在雙基質(zhì)限制下，低負(fù)荷的完全混合曝氣池不利于污泥沉淀性能的改善，而中、高負(fù)荷的膨脹則在完全混合曝氣池中有所緩解。中、高負(fù)荷系統(tǒng)由于首端缺氧不利污泥沉降性能，所以在推流式曝氣池需要采取措施避免供氧不足。反之，推流式曝氣池有利于克服低負(fù)荷的膨脹，即高負(fù)荷與低負(fù)荷是兩種類型完全相反的膨脹現(xiàn)象。
　　3) 對(duì)活性污泥膨脹，既要從宏觀角度考慮，又要從微觀角度考慮,而宏觀與微觀是相對(duì)的。就活性污泥工藝的運(yùn)轉(zhuǎn)條件而言，負(fù)荷、基質(zhì)濃度和溶解氧濃度的水平是宏觀條件。但曝氣池首端的實(shí)際的負(fù)荷、基質(zhì)濃度和溶解氧濃度是更為重要的因素。后者是決定污泥膨脹的微環(huán)境，種群的動(dòng)態(tài)是由其微環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物的條件所確定的；
　　4) 傳統(tǒng)的選擇器類型是僅僅考慮低基質(zhì)濃度型膨脹。選擇器是在完全混合或推流曝氣池前加一個(gè)停留時(shí)間非常短(15min.)的小池，在選擇器內(nèi)利用兩類細(xì)菌不同的生長(zhǎng)速率選擇性地培養(yǎng)和發(fā)展菌膠團(tuán)細(xì)菌，使其成為曝氣池中的優(yōu)勢(shì)菌。在以上的理論分析和研究的基礎(chǔ)上，可以對(duì)選擇器的概念進(jìn)行擴(kuò)展。廣義的選擇器可以包括低溶解氧型膨脹。可采用不同的選擇器的形式，如再生池和強(qiáng)化曝氣池等方法，恢復(fù)菌膠團(tuán)細(xì)菌的降解能力、提高供氧能力和降低負(fù)荷來控制高負(fù)荷型的污泥膨脹。

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