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污泥膨胀及控制进展综述
污泥膨胀及控制进展综述
姓名:
令沛鑫学号:
2010013234班级:
环科101
【摘要】:
活性污泥工艺自提出以来经过不断的改进和完善,现已发展成为应用最为广泛的污水生物处理工艺。
活性污泥在沉淀池中完成有效的泥水分离至关重要,否则,泥、水混合必然产生恶化的出水,使回流污泥浓度逐渐降低,继而影响反应器中污泥总量,最终导致工艺失效。
在实际运行中,二沉池中泥、水分离失败的情况时有发生,究其原因污泥膨胀常常是罪魁祸首。
几十年来,研究人员对此做了大量的研究与调查,但到目前为止,就连引起丝状细菌增殖的最基本原因也没能给出一个非常完善的解释,就更不用说提出行之有效的控制措施。
如今,污泥膨胀现象在全球范围内普遍存在,已成为制约活性污泥工艺发展的重大难题之一。
【关键词】:
污泥膨胀膨胀成因丝状细菌控制措施
【前言】:
活性污泥膨胀的概念:
污泥膨胀是指活性污泥的沉降性、凝聚性变差,其主要体现在:
污泥结构松散,质量变轻,沉淀压缩性差;污泥流失,出水浑浊;二次沉淀难以固液分离,回流污泥浓度变低,还常伴有大量泡沫产生。
活性污泥工艺自提出以来经过不断的改进和完善,现已发展成为应用最为广泛的污水生物处理工艺。
活性污泥在沉淀池中完成有效的泥水分离至关重要,否则,泥、水混合必然产生恶化的出水,使回流污泥浓度逐渐降低,继而影响反应器中污泥总量,最终导致工艺失效。
在实际运行中,二沉池中泥、水分离失败的情况时有发生,究其原因污泥膨胀常常是罪魁祸首。
几十年来,研究人员对此做了大量的研究与调查,但到目前为止,就连引起丝状细菌增殖的最基本原因也没能给出一个非常完善的解释,就更不用说提出行之有效的控制措施。
如今,污泥膨胀现象在全球范围内普遍存在,已成为制约活性污泥工艺发展的重大难题之一。
[12]
【正文】:
1.污泥膨胀的形成机理和研究进展
1.1污泥膨胀,由丝状细菌的过分增殖引起,是活性污泥工艺中的常见问题。
一旦发生污泥膨胀现象,将直接导致污泥沉降性能下降,使系统处理效果恶化。
污泥膨胀又是一个非常复杂、难于控制修复的问题,涉及到微生物的生理学、形态学、反应动力学。
以及物质扩散理论等方面的问题。
[1]
污泥膨胀主要分为两类,即丝状菌污泥膨胀和非丝状菌污泥膨胀,大约95%的污泥膨胀与丝状菌的过量增殖有关,非丝状菌膨胀一般是由结合水含量高的胞外多聚物引起的高粘度膨胀。
污泥膨胀多为丝状菌类型,其指的是丝状细菌由于过度增殖,使菌胶团发生生长抑制,随之丝状菌伸出污泥絮体外部,使絮体分散,难以凝聚,导致污泥沉降比以及污泥指数(SVI)增高[3]。
研究证明,污泥膨胀现象的产生,只有在丝状菌生长超过了菌胶团细菌的情况下,二者达到平衡时,不会发生污泥膨胀。
1.2污泥膨胀的界定
通常以污泥沉降比SV30、污泥体积指数SVI和污泥浓度MLSS(混合液悬浮物浓度)三项指标可判断污泥性能。
正常情况下,SV30为15%—30%,SVI为50—150mL/g,MLSS为2500—3500mg/L,且常用污泥指数(SVI)表示活性污泥的沉淀能力,且认为认为SVI值大于150mL/g标志污泥膨胀发生[4]。
SVI值一般在70—100的范围,若SVI值过低,则表明泥粒微小,无机成分含量较高,活性低,不会发生污泥膨胀;而高SVI值,则表明污泥沉降性差,并已经有产生污泥膨胀现象的可能。
[5]
1.3根据当前研究情况看,活性污泥膨胀主要影响因素为以下几方面:
污泥膨胀有两种类型,一是由于活性污泥中大量丝状菌的繁殖而引起的污泥丝状菌膨胀,二是由于菌胶团细菌体内大量累积高粘性物质,或有毒物质侵害,而引起的非丝状菌性膨胀。
[2]
1.3.1污泥膨胀第一类:
丝状菌膨胀存在的条件及原因[4]
丝状菌膨胀主要是由于丝状菌的繁殖引起,显微镜观察膨胀的活性污泥,有丝状生物增殖,这些丝状生物互相缠在一起,妨碍污泥浓缩,SVI值通常上升到300以上。
[8]丝状菌在下列情况下最宜繁殖生长,容易导致污泥膨胀。
1.3.1.1偏酸环境,偏酸易于丝状菌生长繁殖,偏碱对丝状菌不利,一般曝气池内控值,
1.3.1.2供氧不足,丝状菌在有氧和无氧状态都能繁殖,在溶解氧不足的状态下,菌胶团被削弱,而丝状菌就形成优势,竞争能力强,所以曝气池中要有足够的溶解氧。
1.3.1.3水温偏高.丝状菌适于水温高的条件,所以夏季易发生污泥膨胀,但是水温不易控制,不过只要保证其他条件相应,水温高的单一因素也不会发生污泥膨胀。
1.3.1.4碳氮比失调.碳多氮少情况下菌胶团竞争不过丝状菌,这是因为当含氮量低时,丝状菌比菌胶团更易于利用碳的缘故。
因此,曝气池中要保证氮源。
[8]
1.3.2污泥膨胀第二类非丝状菌膨胀的存在的条件及原因.
非丝状菌膨胀系由于菌胶团细菌生理活动异常导致活性污泥沉降性能的恶化这类污泥膨胀又可分为二种,一种是由于进水含有大量的溶解性有机物,使污泥负荷太高,而进水中又缺乏足够的氮、磷等营养物质,或者混合液内溶解氧不足此时细菌会向体外分泌出过量的多聚糖类物质这些物质由于分子式中含有很多氢氧基而具有较强的亲水性使菌胶团的结合很松散,活性污泥在二沉池内无法进行有效的泥水分离;另一种非丝状菌膨胀是进水中含有较多的毒性物质,导致活性污泥中毒,使细菌不能分泌出足够量的粘性物质基础,形不成絮体,从而也无法在二沉池进行泥水分离,最终导致污泥解体。
[7]
2.污泥膨胀研究进展
随着污泥膨胀现象在全球范围内的不断发生,人们对污泥膨胀的研究也进一步深入。
一方面,寄希望于不断发展的生物技术,继续从生物学方面去认识和研究丝状细菌的形态特征、生理特征。
另一方面,随着计算机科学的发展和活性污泥模型的引入,研究人员又希望通过数学模型对工艺流程进行模拟,优化出最佳运行参数,取得最佳运行工况。
2.1.1生物学研究方面的进展
如上所述,Martins等[13]根据扩散选择理论和动力学选择理论以及实验中的新发现,对细菌丝状形态的形成机理作了总结并进一步作了阐述。
他们认为,絮状颗粒中的底物浓度梯度是某些细菌形成丝状形态的根本原因。
首先,底物在絮状颗粒中有一个扩散过程,由于受到扩散阻力的影响形成了以一个微观底物浓度梯度,从颗粒表面到内部底物浓度依次降低;另外在低底物浓度环境下,只有丝状的形态特征(即单向生长性)能使生物体快速容易地伸展到絮状颗粒外表面,处在一个底物浓度相对高的环境下并尽可能地扩大与底物的接触面积,从而实现了较高的底物吸收速率;最后,在以上两方面的作用下,絮状颗粒中那些能够形成丝状形态结构的细菌(被称为丝状细菌)在同其他微生物的生存竞争中获得了优势,实现了增殖生长因而导致了污泥膨胀。
[5]而在高底物浓度下,此时可以看作存在一个较高的由混合液到絮状颗粒的宏观底物浓度梯度,从而有效地克服了底物在絮状颗粒扩散过程中的阻力,即在絮状颗粒内不再存有显著的微观底物浓度梯度,因而就没有了形成丝状细菌形态的基础。
3.污泥膨胀的控制修复措施
从根本上来说,污泥膨胀的控制措施有2种:
基于丝状细菌生理以预防为目的的特殊措施和以修复补救为目的的常规措施。
对于常规措施,主要有加氯氧化、臭氧氧化以及加过氧化氢氧化等方法。
其原理为使位于絮状污泥颗粒外表的丝状细菌与这些氧化物发生反应从而抑制其生长增殖。
常规方法只是以修复补救为目的的措施,并不能从根本上消除污泥膨胀。
[1]而与之相对的特殊措施是,以预防为目的的方法,其目标是营造出适于污泥颗粒生成细菌生存却又抑制丝状细菌增殖的系统环境。
所以特殊措施是根本的可持续的控制措施,应对此进行深入的研究并优先采用。
到目前为止,特殊措施尚未实现以细菌的生理学和动力学原理为基础。
尽管如此,根据以上所述污泥膨胀形成机理(主要是扩散选择理论),[11]研究人员认为,首先应使易降解底物在高浓度条件下被微生物吸收降解,可以通过在工艺的起始端设置具有推流式水力特征的区域实现。
与易降解底物的降解相似的是氧的扩散吸收,反应区域溶解氧的浓度较低同样会导致污泥膨胀,因而在推流区的充分曝气也是必不可少的。
随着研究的深入人们提出了选择器概念:
选择器从定义上说可以认为是生物反应器最初的一段,具有较高的宏观底物浓度梯度以及较低的扩散系数;也可以是从主体生物反应器分离出来的一段小型反应器,位于主反应器的前端接收新鲜污水和回流污泥,具有较高的易降解底物降解速率且易降解底物在此区域基本上被完全去除。
在这样一个具有选择器的系统中,微生物要分别经历高生长速率和低生长速率2个阶段。
[9]在高生长速率阶段(底物丰富阶段也即选择器阶段),微生物充分吸收有机物质并在胞内将其转化为PHB等物质贮存起来;而在低生长速率阶段(底物匮乏阶段也即完全混合阶段),微生物体内的PHB等贮存物质通常被代谢利用,获得生存所必需的碳源和能量,并使贮存能力得到复原。
选择器被提出之后,在全球范围内迅速得到了推广应用,目前已成为控制污泥膨胀的主要方法措施。
尽管如此,仍时常有关于污泥膨胀发生的报道,这可能是由于选择器设计不够完善,也可能是由于系统暂时反应条件的改变,此外,也不排除某些因素影响了非丝状细菌导致了其与丝状细菌竞争的失败,总之到目前为止,尚不能对此做出明确的解释。
[6]以下对主要的选择器类型及其潜在的缺陷作简要描述。
3.1好氧选择器
最初污水处理的主要任务只是去除有机碳源物质,系统去除负荷高、去除速率快、泥龄短。
在此情况下,引起污泥膨胀的丝状细菌主要是021N型和1701型。
[10]近年来氨氮等营养物也被要求有效的去除,为达到污水处理厂升级改造、增加生物营养物去除能力的目的,泥龄被延长到10d以上,以确保系统内有足够的硝化细菌数量。
好氧选择器,通常设计为小型的曝气混合区或非曝气接触区,根据大量的实验研究能够有效地预防控制因021N型、发硫菌属和浮游球衣菌等丝状细菌引起的污泥膨胀,但对于微丝菌的控制效果并不理想[14,17]。
对于好氧选择器的设计,接触时间是一个关键的设计参数,其污泥沉降性的影响是非线性的,当接触时间不足时溶解性底物不能在选择器内被完全降解去除从而进入主曝气池,这必然引起丝状细菌的增值;当接触时间稍微过长时,选择器内底物浓度降低且宏观底物浓度梯度变小,形成典型的完全混合式反应水力特性,这也将引起污泥膨胀的发生。
不合理的设计往往是造成选择器作用失败的原因之一。
实际工程中常常选择长渠状的推流式系统(长宽比大于10B1)[15]或静态进水的SBR系统[9]。
另外,选择器中曝气充氧也是十分重要的,选择器的需氧量却大约为15%~30%溶解性COD,因而一定要保证足够的曝气量。
3.2非曝气选择器
随着生物营养物去除工艺(BNR)被引入废水处理领域,长泥龄、底物水解、基质贮存、缺氧好氧环境的交替以及同时硝化、反硝化过程中低溶解氧浓度等因素,又不同程度地引起了污泥膨胀问题[11]。
而在不同反应条件交替的环境下,代谢作用在生物种群的选择过程中扮演着重要的角色。
大量的实验发现,厌氧或缺氧环境能够抑制021N型和浮游球衣菌等丝状细菌的生长,且这种抑制作用无论是在高底物梯度还是在低底物梯度条件下都有着良好的效果[16]。
因而,人们又引入了非曝气选择器,分别有缺氧选择器和厌氧选择器2种形式。
与好氧选择器一样,易降解底物应在缺氧选择器或厌氧选择器内被完全降解去除,以防止其进入随后的好氧阶段引起丝状细菌增殖。
非曝气选择器内会因回流液携带或液体表面补充而存有微量的氧,所以在运行过程中应严格控制运行条件,否则,会导致污泥沉降性能的恶化[12]。
此外,厌氧选择器内也不应有NO-3存在。
非曝气选择器在实际使用中仍推荐推流式系统,以保证系统不仅有代谢选择能力,同时还具有较高的宏观底物浓度梯度。
3.2.1缺氧选择器
缺氧选择器的设计标准基于入流污水中易生物降解底物(RBCOD)与NO-3-N的比,但在推流式选择器中相当一部分的易生物降解底物被转化成了生物体细胞内的贮存物质,因而RBCOD/NO-3-N比要相对高于完全混合式系统的比值(约7~9mg/mg)[14]。
但在实际运行中,由于系统处在一个动态变化的环境,且有时在二沉池内也发生一定程度的反硝化反应,所以很难准确地控制这一比值。
因而在缺氧反应器内会有低NO3浓度的情况,而暂时的厌氧状态也可能出现。
但由于在推流式缺氧选择器中,相当一部分的易降解底物被聚磷菌(PAOs)或聚糖原菌(GAOs)等异养微生物贮存[12],所以低NO-浓度或暂时厌氧状态不一定会对污泥的沉降性能造成伤害。
尽管如此,若缺氧池的贮存能力因某些未知的因素降低,使得易降解底物未被完全去除而部分进入随后的曝气池,则污泥膨胀将不可避免地发生。
因而目前还需要进一步的研究,以求得决定厌氧反应器内各种生物竞争结果的关键因素。
3.2.2厌氧选择器
厌氧选择器的设计,要以微生物对RBCOD的吸收速率和磷释放速率的比值为基础,以实现磷有效去除的同时保证无RBCOD进入曝气池。
在绝对厌氧条件下,脂肪酸(VFAs)等简单底物大部分被微生物吸收贮存。
这些微生物主要有2大类,分别为PAOs和GAOs,它们在相似的生存环境下都能将底物转化为PHB贮存起来。
但是,它们吸收转化底物的能量来源却是不同的,PAOs是通过聚磷酸盐的水解,而GAOs则是通过糖原的分解。
这样一来,微生物代谢途径的多样性使得厌氧选择器具有了非常高的有机物去除能力。
[12]而且到目前为止,虽然PAOs和GAOs种类繁多,但尚未发现有丝状细菌也具有这样的代谢特性。
于是就取得了这样的效果,厌氧反应器中RBCOD被PAOs和GAOs吸收贮存,当进入好氧反应器后其他细菌就逐渐因缺乏底物而在竞争中处于劣势,这样就抑制了丝状细菌的生长增殖。
因而,厌氧阶段去除的底物越多,即意味着好氧阶段底物越少,污泥的沉降性能就越好。
此外,由于污泥含有大量的PAOs或GAOs,形成了密度较大的污泥颗粒进一步提高了其沉降性能。
目前已有报道证实,厌氧选择器能够预防和控制包括由微丝菌等引起的大多数污泥膨胀的发生[5]。
但厌氧选择器也不是万能的,当入水中含有硫化合物时就不可以使用,否则,会在厌氧环境下生成硫的还原产物,从而引起丝状硫氧化细菌的增殖。
随着缺氧和厌氧选择器的引入使用,或许我们会认为由于非丝状细菌在选择过程中具有优势,污泥膨胀已经得到了完全的控制。
但事实并非如此,BNR系统中优势丝状细菌出现了变化[10],污泥膨胀现象仍旧不断发生。
因此,人们也对缺氧和厌氧选择器控制污泥膨胀的能力产生了疑问。
Albertson[7]指出,在BNR系统中发生污泥膨胀的主要原因是厌氧、缺氧和好氧3个阶段都采用了完全混合式反应器。
他认为,通过合理的分级,保持反应器内足够的宏观底物浓度梯度,污泥膨胀是完全可以控制的。
而最近在荷兰的研究发现,在实际运行的BNR系统中利用严格控制的厌氧、缺氧推流式选择器,能够取得沉降性能良好的污泥(SVI值一般低于100mL/g)[5]。
所以目前普遍认为,既具有代谢选择作用又能实现高宏观底物浓度梯度的分段推流式缺氧或厌氧选择器足以有效地控制污泥膨胀。
基于这一概念,新型的BNR工艺流程)))BCFSm被设计出来并应用于荷兰很多新建污水处理厂或已存污水处理厂的升级改造[7]。
然而,也有一些研究指出,分段推流式选择器并不能控制污泥膨胀[8]。
从以上讨论中可以看出,对污泥膨胀控制措施需要进一步的深入研究。
另外还应看到,污泥膨胀的形成在有时候是一个长期的过程,某些微不足道的因素经过一段时间的积累就可能导致整个系统的恶化失效。
4.亟待解决的问题
对于普遍发生的污泥膨胀现象,这既是一个工程问题又涉及到了微生物的相关知识。
所以污泥膨胀控制需要各个学科各个领域内的知识交叉结合,需要细菌生理和形态、扩散、底物动力学和贮存、颗粒底物水解和作用、细菌鉴定和量化分析等知识的积累增加。
4.1污泥颗粒结构
丝状细菌是否真的构成了活性污泥颗粒的结构骨架?
对絮状污泥颗粒的结构还需要更多的研究,要借助于先进的微观技术和分子生物技术。
4.2细菌的鉴定及其生理学特征
首先,是否在动态的BNR系统中典型丝状细菌的代谢过程保持不变?
目前已知某些丝状细菌在厌氧或缺氧状态下能贮存底物,那么,是否同时它们也能保持生长?
某些微生物不能通过纯种培养获得,这种情况下就需要使用原位技术。
最近,通过FISH技术和微传感器结合使用,实现了同时对细菌群落和其代谢活动进行分析[11],这样通过此方法也就能对丝状细菌在絮状颗粒中的生长进行研究。
4.3颗粒底物的作用
是否颗粒状底物也会引起污泥膨胀?
若是如此,那么又是哪些颗粒底物呢?
颗粒底物其主要组分是SBCOD,在污水总COD中占有很大的比重,但到目前为止,关于颗粒底物对污泥膨胀影响作用的研究还很少。
根据某些研究人员的假设,由于水解产物没有扩散到絮状颗粒外部而是在其内部被快速吸收,所以有利于颗粒生成细菌的生长增殖[14]。
但是,像脂类等复杂底物的吸附、水解、吸收以及贮藏机理目前仍不十分清楚,所以对这些机理进行深层次的研究是必需的。
4.4聚合物贮存
絮状污泥颗粒生成细菌和丝状细菌在底物贮存机理方面是否有所不同呢?
贮存的聚合物质在活性污泥系统特别是类似于选择器的系统中有着重要作用,但关于高度动态系统中聚合物贮存量同污泥膨胀关系的研究报道很少,而对于贮存物在控制污泥膨胀过程中的具体作用也没有被解释清楚。
4.5选择器
对于选择器,目前仅仅是能够减少污泥膨胀的预防性工程措施,还需要更广泛的研究以制定出急需的设计标准和运行参数。
在今后的研究中,要制定出以选择器工作原理为基础的设计指导方针,从而得出有效可靠的工艺运行方案。
对选择器的效用也要进行比较研究,分别弄清好氧、、缺氧和厌氧选择器在怎样的环境下效果最好。
4.6污泥膨胀的控制和监视
怎样保持选择器的高效可靠呢?
实际工程中,多数选择器的运行状态以及巨大作用没有得到足够的关心和重视,因而其运行参数的严格控制是必须的。
比如,厌氧选择器中要杜绝存有微量氧和NO-3,而在缺氧选择器中微量的氧也是不允许的。
丝状细菌的监测系统是否可行有效呢?
通过分子生物技术和自动监测分析方法,对丝状细菌进行监测和定量分析,就可以根据微生物种属的变化推断出即将发生的污泥膨胀现象,从而采取预防性的预防控制措施。
但在实际中,如何合理有效地改变工艺运行从而体现出预防性措施的作用存在着很大的难度。
4.7数学模型
是否能做出一个控制污泥膨胀的通用模型呢?
在污泥膨胀的研究中,关键是弄清在底物浓度梯度为控制条件的微环境下细菌的形态学和生理学以及相互关系。
这就需要建立一个污泥颗粒模型,模拟丝状细菌的单向生长和污泥颗粒的动态结构,[12]从而对活性污泥不同的沉降性能进行分析。
总之,把不断更新的知识和理论统一到一个通用的活性污泥模型,是挑战也是任务。
5.总结:
通过以上分析讨论,对于污泥膨胀成因、控制等方面的研究进展有了一个全面的认识,主要论点总结如下:
(1)需要有预处理阶段用以消除脂类等复杂底物,选用推流式的选择器以保持整个系统具有强大的宏观底物浓度梯度;保证推流式的厌氧、缺氧和好氧阶段设计合理正确,杜绝厌氧段有氧和NO3存在,杜绝缺氧段有NO-3存在;保证系统连续曝气,保证好氧阶段DO值>1.5mgO2/L,氨氮浓度要控制在1mgN/L。
(5)确定了污泥结构、细菌形态和鉴定、颗粒底物作用和聚合物贮存等一系列亟待解决的研究问题。
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