探討活性污泥法的生物泡沫形成及案例分析
摘 要：當環境不利于微生物的生長時，絲狀菌的菌絲會從菌膠團中伸展出來以增加其攝取營養的表面積，其生長速率高于其他微生物。當春夏交變時，污泥的活性均有下降，生活污水中有大量的合成洗滌劑和油脂類得不到降解，而一些絲狀菌仍然活躍，它們喜歡利用這些物質作為食物并快速增長，這使得出現絲狀菌的暴發并形成泡沫。
活性污泥工藝是污水處理廠應用最廣泛的生物處理方法。對于世界上大多數采用活性污泥法的污水處理廠而言，普遍存在表面泡沫問題。這使污水廠的操作、運行和控制產生了困難，也嚴重影響出水水質。據對歐洲污水廠的調查，有20%受到泡沫的長期影響，50%受到周期影響，采用延時曝氣方式的污水廠中有87%受到泡沫影響
泡沫一般分為三種形式：
①啟動泡沫。活性污泥工藝運行啟動初期，由于污水中含有一些表面活性物質，易引起表面泡沫。但隨著活性污泥的成熟，這些表面活性物質經生物降解，泡沫現象會逐漸消失。
②反硝化泡沫。如果污水廠進行硝化反應，則在沉淀池或曝氣不足的地方會發生反硝化作用，產生氮等氣泡而帶動部分污泥上浮，出現泡沫現象。
③生物泡沫。由于絲狀微生物的異常生長，與氣泡、絮體顆粒混合而成的泡沫具有穩定、持續、較難控制的特點。生物泡沫對污水廠的運行是非常不利的：在曝氣池或二沉池中出現大量絲狀微生物，水面上漂浮、積聚大量泡沫；造成出水有機物濃度和懸浮固體升高；產生惡臭或不良有害氣體；降低機械曝氣方式的氧轉移效率；可能造成后期污泥消化時產生大量表面泡沫。
1 生物泡沫的形成及影響因素
1.1 生物泡沫的形成機理
①與泡沫有關的微生物大都含有脂類物質，如M.parvicella的脂類含量達干重的35%。因此，這類微生物比水輕，易漂浮到水面。
②與泡沫有關的微生物大都呈絲狀或枝狀，易形成網，能捕掃微粒和氣泡等，并浮到水面。被絲網包圍的氣泡，增加了其表面的張力，使氣泡不易破碎，泡沫就更穩定。
③曝氣氣泡產生的氣浮作用常常是泡沫形成的主要動力。顆粒利用氣泡氣浮，必須是形小、質輕和具有疏水性的物質。所以，當水中存在油、脂類物質和含脂微生物時，則易產生表面泡沫現象。
1.2與生物泡沫形成有關的菌屬
生物泡沫的形成主要與活性污泥中微生物的生長和種類有關，但至今仍有許多現象不能簡單地進行解釋。世界上普遍承認的與生物泡沫有關的菌屬主要有：①放線菌，包括：Nocardia amarae，革蘭氏陽性，枝狀菌絲；Nocardia pinesis，革蘭氏陽性，松枝狀；Rhodococcus sp.，革蘭氏陽性，枝狀菌絲。②絲狀菌，包括：Microthrix parvicella，革蘭氏陽性，絲狀、無鞘無分枝；Eikelboom type 0675，革蘭氏陽性，有鞘無分枝；Eikelboom type 0092，革蘭氏陰性，無鞘無分枝。1.3 生物泡沫形成的主要因素
①污泥停留時間。由于產生泡沫的微生物普遍生長速率較低、生長周期長(見表1)，所以長污泥停留時間(SRT)都會有利于這些微生物的生長。如采用延時曝氣方式就易產生泡沫現象，而且一旦泡沫形成，泡沫層的生物停留時間就獨立于曝氣池內的污泥停留時間，易形成穩定持久的泡沫。
表1 微生物的生長周期與生長溫度
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②pH值。有報道指出：pH值從7.0下降到5.0～5.6時，能有效地減少泡沫的形成。Nocardia amarae的生長對pH值極敏感，最適宜的pH值為7.8，當pH值為5.0時，就能有效控制其生長。Microthrix parvicella最適宜pH值為7.7～8.0。
③溶解氧(DO)。Nocardia 是嚴格的好氧菌，在缺氧或厭氧條件下，不易生長，但也不死亡。Microthrix parvicella卻能忍受缺氧狀態。
④溫度。與生物泡沫形成有關的菌類都有各自適宜的生長溫度和最佳溫度(見表1)，當環境或水溫有利于它們生長時，就可能產生泡沫現象。
⑤憎水性物質。雖然原理不很清楚，但有試驗說明，不溶性或憎水性物質(如油、脂類等)有利于放線菌的生長。
⑥曝氣方式。據觀察，不同曝氣方式產生的氣泡不同，微氣泡或小氣泡比大氣泡更有利于產生生物泡沫，并且泡沫層易集中于曝氣強度低的區域。
2 生物泡沫的控制方
①噴灑水。這是一種最常用的物理方法。通過噴灑水流或水珠以打碎浮在水面的氣泡， 來減少泡沫。打散的污泥顆粒部分重新恢復沉降性能，但絲狀細菌仍然存在于混合液中，所以，不能根本消除泡沫現象。
②投加消泡劑。可以采用具有強氧化性的殺菌劑，如氯、臭氧和過氧化物等。還有利用聚乙二醇、硅酮生產的市售藥劑，以及氯化鐵和銅材酸洗液的混合藥劑等。藥劑的作用僅僅能降低泡沫的增長，卻不能消除泡沫的形成。而廣泛應用的殺菌劑普遍存在負作用，因為過量或投加位置不當，會大量降低反應池中絮成菌的數量及生物總量。
③降低污泥齡。一般采用降低曝氣池中污泥的停留時間，以抑制有較長生長期的放線菌的生長。有實踐證明，當污泥停留時間在5～6 d時，能有效控制Nocardia菌屬的生長，以避免由其產生的泡沫問題。但降低污泥齡也有許多不適用的方面：當需要硝化時，則污泥停留時間在寒冷季節至少需要6 d，這與采用此法矛盾；另外，Microthrix parvicella和一些絲狀菌卻不受污泥齡變化的影響。
④回流厭氧消化池上清液。已有試驗表明，采用厭氧消化池上清液回流到曝氣池的方法，能控制曝氣池表面的氣泡形成。厭氧消化池上清液的主要作用是能抑制Rhodococcus菌，但利用此法在幾個污水處理廠進行實際操作時，并沒有取得象實驗室那樣的成功。由于厭氧消化池上清液中含有高濃度好氧底物和氨氮，它們都會影響最后的出水質量，應慎重采用。
⑤投加特別微生物。有研究提出，一部分特殊菌種可以消除Nocardia菌的活力，其中包括原生動物腎形蟲等。另外，增加捕食性和拮抗性的微生物，對部分泡沫細菌有控制作用。
⑥選擇器。選擇器是通過創造各種反應環境(氧、有機負荷或污泥濃度等)，以選擇優先生長的微生物，淘汰其他微生物。有研究報道：好氧選擇器能一定程度地控制M.parvicella，但對Nocardia菌屬無大影響；而缺氧選擇器對Nocardia菌屬有控制作用，卻對M.parvicella無作用。
3 實例分析
雖然各種研究和實踐表明泡沫問題具有基本共同的原理，但引起泡沫現象的因素很多，控制的方法也各異(見表2)。
表2 一些污水廠的泡沫控制方法及其成功率
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從泡沫控制的結果來看，各種方法的使用都應慎重考慮，例如雖然選擇器是一種方便的方法，但仍然需要有針對性。因此，首先應找出形成泡沫問題的主要原因，再提出符合實際的可行解決方法。
大關污水處理廠是杭州市的一個居住區污水處理廠，處理量為4 000m3/d ，采用合建式氧化溝。通過1995年—1999年的觀察，總結出其泡沫現象的規律，主要是與氣候(氣溫、水溫和大氣壓力)有關。嚴重的泡沫現象(見圖3)在溫度高的夏季和寒冷的冬季都不會發生，每年都出現在春夏、秋冬換季時。即發生在氣溫、水溫和氣壓交變的環境。分析1999年的統計數據，發生泡沫現象的時期為：①由水溫高于氣溫而交變到水溫低于氣溫時(3月下旬到4月中旬)和由水溫低于氣溫而交變到水溫高于氣溫時(10月下旬到11月中旬)。②氣壓和氣溫交變的時期。顯然，由于生態環境的更迭，使微生物的生長、構成等發生了變化。從過去的操作運行發現，不改變其他條件，泡沫現象在經歷一段時間后(10～20 d)會逐漸消失，污水處理系統自動修復。通過鏡檢，發現春夏交變的泡沫中主要是絲狀菌的暴發，絲狀菌大量生長，并伸展開來；而秋冬交變時，失去活力的絲狀菌包裹在同樣失去活力的菌膠團中形成上浮泡沫。其原理仍須進一步研究，一般認為，當季節(溫度、氣壓)交變時，微生物均會受到影響，但絲狀菌的適應性要比一些絮成菌強，如Microthrix parvicella的生長溫度可在8～35 ℃間，而且更適宜生長在低溫環境。當環境不利于微生物的生長時，絲狀菌的菌絲會從菌膠團中伸展出來以增加其攝取營養的表面積，其生長速率高于其他微生物。當春夏交變時，污泥的活性均有下降，生活污水中有大量的合成洗滌劑和油脂類得不到降解，而一些絲狀菌仍然活躍，它們喜歡利用這些物質作為食物并快速增長，這使得出現絲狀菌的暴發并形成泡沫。秋冬交變時，主要形成的是上浮污泥(這與前者不同)，在上浮污泥和泡沫中很難發現展開的絲狀菌，顯微鏡下可見上浮污泥中包裹有細小氣泡。估計這是在環境交變時，菌膠團變得分散細小，結合曝氣氣泡后密度減小而產生上浮。總結出泡沫形成規律后，對采取控制措施有利，如對于春夏交變時的泡沫采用機械清理、刮除的方法。因為這些泡沫存在大量絲狀菌，不宜遺留在混合液中，以免重新造成泡沫現象。另外，投加殺菌劑會有一定的控制效果，但應慎重。而對于秋冬交變時的上浮污泥和泡沫可采用高壓水槍噴水來緩解，因為上浮污泥中仍然大部分為絮成菌，被打碎后可以回到混合液中。這些方法取得了一定的控制作用，但還應進一步觀察和分析研究。
另外，曾在試驗研究氣提式循環反應器時進行了活性污泥和載體的對比試驗，發現反應器內只有活性污泥時，污水處理到硝化階段常常會發生污泥膨脹和嚴重的泡沫現象；在相同條件下，向反應器內投加載體(爐渣)后由氣體進行提升，發現大量絲狀菌固著在載體表面生長，沒有出現污泥膨脹和嚴重的泡沫現象，雖然出水的懸浮固體(SS)有所上升，但系統的處理效果和穩定性都得到提高。因此，在一些活性污泥系統中投加移動或固定填料，使一些易產生污泥膨脹和泡沫的微生物固著生長，這既能提高處理效果，又能減少或控制泡沫的產生。
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