低溶解氧污泥微膨脹節能理論與方法
摘要：預防和控制污泥膨脹一直是國內外研究的熱點和難點，但目前尚未出現利用絲狀菌特性、針對利用絲狀菌污泥膨脹的節能理論與方法的研究。 實際的污水處理廠運行結果表明，供氧不足引起了污泥膨脹，但并沒有導致污泥流失，相反出水水質有所改善，出水COD、SS和TP的去除率得到了提高，基于此提出了低溶解氧污泥微膨脹節能理論與方法。 在闡述低溶解氧污泥微膨脹節能方法的發現和提出的基礎上，對低溶解氧引發絲狀菌適度生長、絲狀菌和微膨脹在提高出水水質的重要作用，及利用低溶解氧微膨脹來節能的機制進行了理論分析。 并對低溶解氧污泥微膨脹節能理論和方法的應用和研究方向進行了展望。
國內外95% 以上的城市污水和50% 左右的工業廢水采用活性污泥法處理。 污泥膨脹是活性污泥法問世以來在運行管理中一直困擾人們的難題之一，不僅發生率高，而且普遍存在。 如何控制和預防污泥膨脹成了國內外研究的熱點和難點。 迄今為止，國外對污泥膨脹的機制、控制與預防進行了大量深入的研究 ，這些研究主要集中在絲狀菌的分離與鑒定上，目前已經鑒別出了存在于不同條件下的各種優勢絲狀菌 ，并對各種絲狀菌形態和生理特性進行了大量研究，認識到了絲狀菌在活性污泥絮體的組成、結構和形態上發揮了重要作用，提出了低溶解氧導致絲狀菌增殖的理論解釋 ，以及大量的關于污泥膨脹的控制與預防和數學模型的研究 。 由于活性污泥膨脹長期困擾污水處理廠的穩定運行，國內對此也投入了大量的研究，研究方向和國外的大致相同，多集中污泥膨脹的預防與控制等方面 。 但是到目前為止國內外還尚未出現利用絲狀菌生理生態特性、針對利用絲狀菌污泥膨脹的節能理論與方法的報道。
本課題組在長期研究污泥膨脹控制與防治的過程中，發現很多污水處理廠由于供氧不足引起了污泥膨脹，但并沒有導致污泥流失，相反出水水質有所改善。 并基于對污水處理廠運行情況的實際考察，提出了低溶解氧污泥微膨脹節能理論與方法 。 本研究在介紹低溶解氧污泥微膨脹節能方法的發現和提出的基礎上，對低溶解氧引發絲狀菌適度生長、絲狀菌和微膨脹在提高出水水質的重要作用，及利用低溶解氧微膨脹來節能的機制進行了理論分析，并對該方法的進一步研究和應用進行了展望。
1、低溶解氧污泥微膨脹節能方法的發現
北京市某污水處理廠承擔著北京市總計86km 2流域范圍內的污水治理，服務人口48 萬，占地24hm2 ，設計水量為20 萬m3/d。 該廠采用氧化溝工藝，污水經格柵、沉砂池預處理，先后進入厭氧選擇池和氧化溝進行二級處理，氧化溝處理后的混合液經二沉池沉淀后上清液排放。 該污水廠主要工藝參數為：污泥齡控制在16d 左右；回流比為100% ～120%；污泥濃度在4000 ～6000 mg/L； BOD 污泥負荷0103～0112 kgP(kg·d) ；水力停留時間17h 左右。 自2000年運行以來，處理效果穩定，出水水質很好，活性污泥沉降性能較好。 但是在2002 年冬天，曾因曝氣設備發生故障，致使曝氣池內溶解氧濃度降低，發生了絲狀菌污泥膨脹，并持續了半年。 對發生污泥膨脹前后的運行數據和污水處理效率進行分析，在低溶解氧條件下發生絲狀菌污泥膨脹后，處理出水水質良好，對污染物的處理能力并沒有下降。 膨脹前后污水處理廠的運行情況對比具體可見表1。 污泥膨脹前后的處理出水水質變化不大，出水仍可達標排放。 膨脹期間TP 的去除率大大提高，由原來的48.9% 提高到76.6%。 氨氮去除率降低主要是為了提高曝氣池內的DO濃度，人為加大排泥量，降低了曝氣池內的MLSS濃度所致。 此外，需強調的是絲狀菌污泥膨脹期間，二沉池出水非常清澈。
發生污泥膨脹后，除了考察出水水質外，另一個關鍵問題在于是否會出現污泥流失的問題，其關系到曝氣池能否維持原有污泥濃度，能否保證處理系統穩定運行。 實際的運行情況表明，污泥膨脹本身只是使污泥的沉降性能變差，并沒有發生污泥流失的現象，曝氣池內污泥濃度維持在4000 ～6000 mg/L，SVI大多在200 mL/g左右。 膨脹期間的SV、SVI、MLSS變化情況如圖1 所示。
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除此，該方法在重慶市忠縣州屏污水處理廠實際運行中得到了進一步的驗證。 該污水處理廠采用改良APO(anoxicPaerobic， 缺氧P好氧) 氧化溝工藝，為降低曝氣能耗，特意將3 臺表面曝氣機曝氣減少為2 臺表面曝氣機曝氣，曝氣池內DO 濃度由原來的210 mg/L降低到015～018 mg/L之間，發生了絲狀菌污泥微膨脹。 但是對比發現，日耗電量節省了20%，總氮去除率從45% 增加到75%， 總磷、COD、BOD去除率仍然維持原來水平。基于對上述實際污水處理廠的生產實踐，發現低溶解氧引起了污泥膨脹，污泥膨脹程度輕微，沒有導致二沉池內污泥流失，而且出水水質得到了一定改善，并達到了節能效果。 在此基礎上提出了低溶解氧污泥微膨脹節能理論與方法。
2、低溶解氧污泥微膨脹節能方法的提出
活性污泥法污水處理系統在低溶解氧運行下，會導致絲狀菌污泥膨脹的發生。 若能保證其它運行和環境條件正常，單純由低溶解氧引發的污泥膨脹，發生速度很慢，膨脹的程度也有限。 低溶解氧活性污泥微膨脹節能方法是調整系統在低氧條件下運行，人為地促使絲狀菌適量生長，調節其余參數在正常的范圍內，并控制絲狀菌增殖程度不影響沉淀池中的泥水分離。 由于絲狀菌延長的絲和較大的比表面積，具有較強的降解低濃度底物的能力，且能夠形成網狀污泥，更好地網捕水中細小的懸浮物。 與正常溶解氧控制條件下的出水相比，不僅提高了對懸浮物的去除能力、得到更清澈的出水，同時由于大大節約了供氧量，從而也達到節能的目的。低溶解氧污泥微膨脹從膨脹程度、引發因素、SVI范圍、是否節能等幾方面有別于經常發生的較為嚴重的污泥膨脹(表2) ，其主要區別在于污泥微膨脹是由單一的低DO 引發的，膨脹程度輕微，SVI能維持在一定范圍內(150～250 mL/g) 。 二者最大的區別在于由低溶解氧引起的污泥微膨脹意味著污水的節能處理。
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3、低溶解氧污泥微膨脹節能方法的理論基礎
3.1 低溶解氧下絲狀菌適度生長的理論解釋
根據Chudoba等 提出的動力選擇性理論，活性污泥中存在菌膠團細菌和絲狀菌兩類不同的微生物。 無論是絲狀菌，還是菌膠團細菌的生長都需要氧，溶解氧是它們代謝活動過程中的基質，當曝氣池內溶解氧不足時(即低溶解氧) ，溶解氧就成為微生物生長的限制性基質。 由于絲狀菌具有較低的氧飽和常數Ks 和最大比生長速率μmax值 ，在低溶解氧濃度條件下，具有相對較高的生長速率，從而具有競爭優勢。 另外，絲狀菌還具有比表面積大的特點，結合擴散選擇理論 ，在低溶解氧條件下，絲狀菌將充分利用其生理和生態特性快速繁殖。 綜上，低溶解氧條件容易引發絲狀菌污泥膨脹。
但是，對于低溶解氧是否會引起嚴重的污泥膨脹目前沒有從理論層面進行過深入的探討。 從本課題組前期進行的大量試驗和其他學者的研究報道看， 單純地靠低溶解氧不會導致惡性的污泥膨脹 。 目前，很多學者已建立了關于污泥膨脹的數學模型。Cenens 等 建立了基于動力學選擇的污泥膨脹數學模型，該模型指出，如果不考慮絲狀菌的骨架作用，僅僅靠絲狀菌和菌膠團菌在底物競爭中的差異不會出現二者共存的現象。
3.2 絲狀菌及微膨脹在提高出水水質中的重要作用
3.2.1 較高的COD去除率
微生物的比凈增長速率由下式(1) 確定：
μ = Y(μmax S/ Ks + S) - Kd (1)
式中，μ、μmax分別為微生物的實際和最大比生長速率(d -1 ) ， Ks 為半飽和常數，即當μ= μmax，P2 時的底物濃度( mg/L ) ， S 為底物濃度， 包括DO 濃度(mg/L) ， Kd 為微生物的衰減系數(d-1 ) ， Y 為微生物產率系數(kg/kg) 。按照式(1) 可得處于穩態條件下的最小基質濃度( Smin) 的表達式：Smin = Kd ·Ks P( Yμmax - Kd ) (2)
在絲狀菌與菌膠團菌共生的系統中，由于絲狀菌具有較低的Ks 和μmax ，則其Smin值較小，因而絲狀菌的存在保證獲得低濃度的出水水質，從而保證凈化效率。
此外，根據動力學選擇理論，絲狀菌和菌膠團菌是2 種不同類型的微生物，如圖2 所示。 當底物濃度低于S0 時，絲狀菌的比增長速率(μ1 ) 高于菌膠團菌比增長速率(μ2 ) ，而微生物比增長速率與底物比降解速率成正比，如下式所示：
μ1 = Y1 v1 (3)
μ2 = Y2 v2 (4)
式中， v1 和v2 分別為絲狀菌和菌膠團菌對應的底物比降解速率， Y1 和Y2 分別是絲狀菌和菌膠團菌的產率系數；將式(3) 和(4) 做比例，可以得出
v1/v2=(*μ1 Y2/μ2 Y1)，由于Y2 > Y1 ，μ1 >μ2 ，可推知v1 > v2 ，即在低濃度底物條件下，絲狀菌對應的底物比降解速率高于菌膠團菌對應的底物比降解速率。
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3.2.2 較高的SS去除率
菌膠團和絲狀菌在競爭中出現嚴重失衡，將會對污水處理廠的正常運行帶來不良影響。 如果污水處理系統中菌膠團占絕對優勢而絲狀菌幾乎不存在時，會出現由于絲狀菌過少而缺少骨架作用導致的“針狀污泥”(pin2pointsludge ) ，這種污泥絮體小，雖然污泥沉降性好，但是出水的SS 和濁度會嚴重升高；如果系統中絲狀菌繁殖過多，雖然出水的SS 和濁度會明顯降低，但污泥的沉降性會大大降低，出現嚴重的污泥膨脹會導致二沉池內污泥的流失，甚至整個處理系統將會崩潰。 而適宜數量的絲狀菌形成的污泥絮體網狀結構在沉淀過程中對上升水流起到過濾作用，并吸附和截流水中細小顆粒物和游離細菌，又可保持良好的沉降性能，從而產生清澈的出水水質。
3.2.3 較高的脫氮除磷效率
采用低溶解氧污泥微膨脹方法不但不會造成系統COD和SS 去除率的下降，反而會提高它們的去除率。 但對于脫氮除磷系統來說，低溶解氧運行下系統的脫氮除磷效果會不會惡化更值得關注。對于脫氮系統，溶解氧作為氨氧化菌(AOB) 和亞硝酸氧化菌(NOB) 的反應底物，其值的高低嚴重影響硝化速率的大小。 如果溶解氧過低，則硝化反應速率將會變慢，會導致一定的水力停留時間內硝化反應不能完全進行，出水氨氮濃度將會升高。 系統長期地在低溶解氧下運行，可能出現亞硝酸氧化菌增長緩慢而逐漸從系統中淘洗出去。 近幾年許多研究表明，在較低的溶解氧條件下系統仍然能夠維持較好的硝化效果，而且容易出現亞硝酸氮的積累，從而實現短程硝化 。Hanaki 等 的研究結果表明，當溶解氧濃度低于015 mg/L時，反應器中氨氧化菌的氨氧化速率并未受到影響。 相反，反硝化過程應該在嚴格的缺氧條件下進行，如果缺氧區存在分子態氧氣，則系統的反硝化效果將會惡化。 對于APO 工藝，如果好氧區的溶解氧濃度過高，則硝化回流液中的溶解氧勢必會破壞系統首端缺氧環境，從而導致反硝化效果的惡化，出水的硝態氮濃度升高。 因此，要想得較好的反硝化效果，應該控制好氧末端的溶解氧處于較低的水平。 此外，實現同步硝化反硝化最重要的控制方法就是維持系統在較低的溶解氧條件下運行。 大量的研究表明，維持好氧段在低解氧下運行能實現較好的同步硝化反硝化，這將會提高系統整體的脫氮效果 。 因此采用低溶解氧污泥微膨脹節能方法不一定會造成系統脫氮效果的下降。
對于生物強化除磷系統，控制厭氧段的厭氧條件極為重要，它直接影響到聚磷菌在此階段的生長狀況、釋磷能力及有機基質合成PHA的能力，從而影響到其在好氧段的過量攝磷能力。 若厭氧段存在溶解氧，一方面它將作為最終電子受體而抑制厭氧菌的發酵產酸作用，妨礙或抑制磷的釋放；另一方面由于氧的存在而發生的好氧作用消耗了一定數量的有機基質，不利于聚磷菌貯存足夠底物。 厭氧段的DO應控制在0.2 mgPL以下。 為最大限度地發揮聚磷菌的吸磷作用，必須在好氧段供給足夠DO， 以滿足聚磷菌對其貯存的PHA降解時對最終電子受體DO的需求，實現最大限度地轉化PHA而釋放出足夠的ATP， 供其過量吸磷之需。 一般應將此段的DO 控制在2 mg/L左右。 故較低的溶解氧對于放磷具有正面影響，而對于吸磷具有負面影響，但對于帶有回流系統的除磷工藝，維持好氧段在低DO下(1 mg/L左右)運行，有利于厭氧段磷的釋放，而且不會影響好氧段的吸磷。 此外， 陳瀅等 考察了低溶解氧條件下SBR系統的除磷性能，在全程低氧曝氣的SBR系統內聚磷菌可得到富集，并出現了明顯的放磷、過量吸磷現象。 在最佳的BOD 污泥負荷[0 126 kg/ (kg·d) ]條件下，其COD去除率為85%， 除磷效率為96%， 出水PO3-42P的濃度<1 10mg/L。 因此，采用低溶解氧污泥微膨脹節能方法不一定會造成系統除磷效果的下降。 而且有研究報道采用厭氧2低氧的運行方式，不僅能保證好氧段磷的充分吸收，而且在好氧段實現了同步硝化反硝化，這進一步節約了曝氣能耗 。
3.3 利用低溶解氧污泥微膨脹節能的原理由雙膜理論可知，在氣膜中存在氧的分壓濃度，
在液膜中存在氧的濃度梯度，它們是氧轉移的推動力。 而氧難溶于水，因此氧轉移決定性的阻力集中在液膜上，通過液膜的轉移速度是氧轉移過程的控制速度。 而氧氣在混合液中的傳遞速度由式(5) 表示： dc/dt= KLα ( cs - c) (5)
式中， KLα為氧總轉移系數(1/h) ， cs 和c 分別是氧的飽和濃度和液體中氧的濃度(mgPL) 。當混合液中氧的濃度維持在較低的水平時，相對于高溶解氧比，由于具有較大的推動力，氧的轉移速率也比高溶解氧時高。 當混合液中氧的濃度為零時，由于具有最大的推動力，對應的氧轉移速率最大。 因此，如果采用低溶解氧污泥微膨脹方法處理污水，將會提高氧轉移速率，從而達到節能的效果。
4 應用與展望
由低溶解氧污泥微膨脹節能理論和方法的發現、提出和理論基礎分析可得出，該方法是一種既節能又能改善污水處理效果(或不影響出水水質) 的污水處理新方法，其更新了解決污泥膨脹的思想和觀念，對污泥膨脹問題的研究提出了新的挑戰，也符合當前污水處理實現節能降耗的需求。而污泥膨脹通常是在多種因素協同作用下引發的，單純低溶解氧濃度誘發污泥膨脹，速度很慢，程度也有限。 預防與控制污泥膨脹，應當主要針對低DO以外的因素引起的膨脹加以預防與控制。 例如，低有機物負荷(即污泥齡長) 、缺少N 和P、酸化廢水(低pH) 、SS 少而溶解性有機物多的污水及其他原因。 而對于低DO， 需產生適度的污泥微膨脹，如何與其他因素配合與協調(如負荷、曝氣池中的流態) 控制適當的DO 濃度，這需要研究維持低溶解氧絲狀菌污泥微膨脹狀態的控制條件，溶解氧濃度的降低的限度和污水處理系統可承受的膨脹程度。 今后的研究應確定有關活性污泥微膨脹節能方法具體實施的有關參數和控制策略，為該方法在污水廠實施提供可行的操作辦法。 此外，建立可靠的能及時預防和解決污泥膨脹兼穩定維持污泥微膨脹的專家系統將會對該方法的推廣和應用具有重要的意義。
5 結論
(1) 實際的污水處理廠運行結果表明，供氧不足引起了污泥膨脹，但并沒有導致污泥流失，相反出水水質有所改善，出水COD、SS和TP 的去除率得到了提高。
(2) 單純的低溶解氧會引發絲狀菌適度生長和污泥微膨脹，借助絲狀菌比表面積大、網捕能力及降解低濃度基質能力強的生理生態特性可提高出水水質，更重要的是維持低溶解氧污泥微膨脹可實現污水節能處理的目的。
(3) 研究活性污泥微膨脹節能方法具體實施的有關參數和穩定維持的控制策略，建立可靠的能及時預防和解決污泥膨脹兼穩定維持污泥微膨脹的專家系統將是今后研究的重點。
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