活性污泥丝状菌膨胀控制的理论

活性污泥丝状菌膨胀控制的理论研究摘要：本文对丝状菌污泥膨胀现象进行分析和综合，并在广义的Monod方程的基础上，提出了统一的污泥膨胀理论。该模型可以很好的解释基质限制、溶解氧限制、营养物缺乏型，高、低pH和硫化氢因素引起的五种类型主要活性污泥丝状菌膨胀。这包括了大部分的污泥膨胀现象。利用广义的Monod方程采用双基质限制(碳源和溶解氧)模型和系统动力学方程进行了计算机模拟研究。对负荷与溶解氧，水质和水量变化等因素对于菌胶团细菌和丝状菌的竞争关系的影响进行了深入的研究，并在此基础上对于不同的膨胀类型对应提出了对应的控制策略。关键字：污泥膨胀丝状菌菌胶团菌广义Monod方程TheTheoryandStudyforFilamentousBacteriaCausedSludgeBulkingProblemsAbstract:Inthispaper,theanalysisandsummarizeoffilamentousbacteriacausedsludgebulkingphenomenahavebeenconducted.BasedongeneralizedMonodmodel,anunifiedtheoryforsludgebulkinghasbeenproposed.IthasbeenfoundthatgeneralizedMonodmodelcanwellexplainthesubstratelimiting,dissolvedoxygenlimiting,nutrientsandtraceelementsdeficiency,highandlowpHandhighsulfideconcentrationcausedsludgebulkingproblems.Theseareincludedmostkindsofsludgebulkingphenomena.BasedontheMonodmodelforcarbonanddissolvedoxygenlimiting,systemkineticequationsareformulated,thecomputersimulationhasconductedaccordingtoabovemodels.Theeffectsofloadingrate,dissolvedoxygen,variationofflowrateandconcentrationetc.factorsonthecompetitionrelationshipfloc-formingbacteriaandfilamentousbacteriahavebeenstudiedintensively.Accordingtotheresultsofcomputersimulation,thedifferentstrategiesforsludgebulkinghaveproposed.KeyWord：Sludgebulking，filamentousbacteria，floc-formingbacteria,Monodmodel一、污泥膨胀控制方法的演化过程早期控制丝状菌引起的污泥膨胀(简称污泥膨胀)的主要手段是利用丝状菌具有较大的比表面积值，采用药剂杀死丝状菌，或是投加无机或有机混凝剂或助凝剂以增加污泥絮体的比重<1>。这些方法往往无法彻底解决污泥膨胀问题，并且相反地会带来出水水质恶化的不良后果。人们逐渐认识到活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌形成一个共生的微生物生态体系。在这种共生关系中，丝状微生物是不可缺少的重要微生物，其在活性污泥工艺中对于高效、稳定地净化污水起重要作用。人们逐渐的从简单地杀死丝状菌过渡到利用曝气池中的生长环境，调整丝状菌的比例，控制污泥膨胀的发生--即环境调控阶段。环境调控概念的使用是人们在污泥膨胀控制技术和实践上的一大进步。其主要出发点是使曝气池中的生态环境，有利于选择性地发展菌胶团细菌，应用生物竞争的机制抑制丝状菌的过度生长和繁殖，将丝状菌控制在一个合理的范围之内，从而控制污泥膨胀的发生和发展。同时利用丝状菌特性净化污水，稳定处理工艺。近年选择器理论得到充分发展和应用就是这一概念具体体现<2><3>。二、统一的污泥膨胀的理论由于活性污泥是一混合培养系统，活性污泥是菌胶团细菌与丝状菌的共生系统，任何活性污泥系统中都存在着丝状茵。丝状菌也不仅仅是一种菌存在，活性污泥中存在着至少30种可能引起污泥膨胀的丝状菌，污泥膨胀的原因是复杂的。在丝状茵与菌胶团细菌平衡生长时，不会产生膨胀问题。只有当丝状茵生长超过菌胶团细菌时，就会出现膨胀问题。污泥膨胀是由丝状茵和菌胶团细菌生理和生化性质不同所决定的，这两类细菌性质的差异见表1。酒表炊1临刻丝状菌与登菌胶团细菌性滤质对比表袖<1>汤序号仿性晃富裳质销菌胶团菌悼参考值耍丝状菌花参考值翅1援最大生长汗率坡(躲μ归max投)蠢高上4.4d流-1掉低娇3.0d亲-1夹2虫基质亲合谜力兄(涛K判s笛)采低票64mg/l种高委40mg/定l博3热D敢O跟亲合武力狱(撒K蹈DO吼)肆低话0.1mg围/l览高品0.027某mg/l芝4饿内源代谢再率假(砌K淘d缓)椅高饶0.012表d扫-1偏低屡0.010押d蹲-1触5绑产率系迹数请(脸Y)端高斗0.153g惠/g光低锁0.139萄g/g堪6碑积累能竖力泛(凝A)产高座

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通过对近年来活性污泥膨胀问题国内外研究进展的分析和综合，可以将主要的活性污泥丝状菌膨胀的原因分为五种类型：即a)基质限制；b)溶解氧限制；c)营养物缺乏型高；d)高、低pH引起；e)和硫化氢因素等膨胀类型<4>。1.广义的Monod方程丝状菌与菌胶团细菌竞争的数学模型，其遵循多种基质限制的广义Monod方程，即Monod-McGee方程<1>：μ＝μmax[S1/(K1+S1)][S2/(K2+S2)]…[Sn/(Kn+Sn)](1)其中：μmax：最大生长速率(d-1)；Ki:第I种基质亲和力(mg/l)；Si：第I种基质。根据动力学方程(1)可知，基质限制、溶解氧限制和营养物缺乏型的膨胀问题都可用广义Monod方程来加以解释。值得说明的是当氮严重缺乏时并不能归入这一理论。原因在于由于缺乏氮，使微生物不能充分利用碳源合成细胞物质，使得过量的碳源被转变为多糖类胞外贮存物，这种贮存物是高度亲水型化合物，从而形成结合水，影响污泥沉降性能，产生了高粘度性的膨胀，其类型不属于丝状菌膨胀<5>。2.硫化氢的等其他类型的问题关于pH的影响，可在动力学方程的参数上，作为动力学常数的乘积因子的形式进行耦合，或者单独列出其动力学方程，从而统一在广义Monod方程之下。关于H2S的影响，从文献中报道引起污泥膨胀的H2S数值很低，一般是在1～2.0mg/l<5>。笔者认为每升几毫克硫化氢似乎不足以供发硫菌或贝氏硫细菌大量增值的能量，相反几十到上百ppm的有机酸是值得注意的因素。我们进行了向污水中添加H2S的实验，通过实验发现即使H2S浓度达到50mg/l也并不发生膨胀<6>。事实上，一些厌氧装置运转的较好，虽然出水含有大量H2S，但是挥发酸浓度很低时，好氧后处理也不发生膨胀。当污水处于腐败和厌氧条件时，污水厌氧发酵的同时产生H2S和挥发酸。挥发酸主要包括乙酸、丙酸等，这些低分子易于降解，造成耗氧速率的增加<7>，从而引起氧的限制型膨胀，这是造成污泥膨胀的根本原因。而H2S的出现是污水厌氧发酵的一个伴随现象。因此H2S的膨胀类型可归为溶解氧限制类型的膨胀，从而广义的Monod动力学模型可以在一定程度上很好地统一污泥膨胀的理论。3.双基质的Monod方程由于城市污水中N、P和其它营养元素一般不缺乏，因此在一般情况下，可只考虑碳源限制和DO限制两种情况。这样城市污水的丝状菌膨胀问题就简化为两种主要类型的膨胀问题，即基质限制和溶解氧限制类型。μ＝μmax[S/(Ks+S)][DO/KDO+DO]

(2)其中：μmax：最大生长速率(d-1)；Ks:基质亲和力(mg/l)；KDO＝溶解氧亲和力(mg/l)；三、污泥膨胀数学模型的研究1、污泥膨胀的数学模型为了简化系统模型，数学模型的建立基于以下几个假设：1)活性污泥由两大数群微生物组成，即丝状菌和菌胶团菌；2)微生物生长主要受到碳源和DO限制；3)微生物生长的动力学可用同一基本模型来描述；4)曝气池是完全混合式；模型所描述的系统如图1所示。其中反应器1根据不同的实验目的，分别可以是选择器、曝气池等等，反应器2是曝气池。在没有选择器的系统中，回流污泥按虚线所示的途径回流。根据以上假设及图1中的物料平衡关系，可给出选择器和曝气池中基质(碳源和DO)和微生物(菌胶团和丝状菌)的如下一组方程：对选择器有如下方程成立：对菌胶团菌：dX11/dt＝(μ1－kd1－1/θc)X11(3)对丝状菌：dX21/dt＝(μ2－kd2－1/θc)X21(4)对碳源基质：dS11/dt＝=Dk(S10+rS12)-(1＋r)D1S11-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2(5)对溶解氧：dS21/dt＝-(1＋r)D1S21+Kla(S2S-S21)-μ1X11/Y1-μ2X21/Y2

(6)给对曝气池刻有如下方程成氏立：望对菌胶团焰菌：丧背泪dX鹰12亭/dt欠冤＝叮(逐1圾＋兔r)D井2研(尽X顺11辰-X乓12多)+障(泰μ陕1赌－肿k赞d1堂)X军12你殊革哑

(7)磁对丝状菌捕：患娘dX拒22稳/dt物锤＝毒(川1犬＋缓r)D垒2增(往X范21副-X臂22岁)+杏(熟μ倚1董－炭k沉d1泛)X狗22避左猛殖(8)势对碳源基疼质：鬼聋远dX欺12透/dt灭轻＝笔

(许1灾＋朝r)D唯2缴(棋S亲11历-S宾12御)以-庭μ编1颂X食12秧/Y津1旬-静μ它2我X叼22指/Y母2就较砌(9)贪对溶解氧抛：忍协dS球22殿/dt怜匪＝兴(迅1抚＋场r)D短2炎(绸S绑21温-S效22资)+K韵la肉(杰S矛2s租-S掉22盲)觉-月μ摇1肉X泪12疯/Y针1裹-府μ怎2预X涛22裤/Y圾2邮岗鄙(10)膝其中扰：纱芝状态变量执：镰X够ik母=焦污泥浓欢度哪(mg/l贤)饥；洽S弄jk厅＝基质浓御度迟(mg/l谈)脖，绩i蜘＝队1,印2滴分别代表菌胶帖团和丝状菌；适宅环j畏＝录1,允2鸦分别代表碳源浮和赢D并O努；胆S鹿10水=蛙碳源基质初始嘉浓莫度扁(mg/l踪)暂；瞎S满2s妙＝饱和溶解氧眉浓售度高(mg/l衰)没；菊操作变量坦：缝D徒k慢＝稀释剂率纷(荷d纲-1衔)含k恶＝少1,仔2是分别代表选择靠器和曝气池；登硬稍来r狗＝回流比；填动力学常哈数读：伟k龙di球衰减常砖数手(管d虚-1撕)披；飘Y毫i隆＝产率系团数陡(g/g统)河；对K辰la呆＝传质系扯数都(舒min驳-1声)扬；其常数见番表债1每；触妄呜μ续i卫=谨钱比生长速率采牙用的双基质模松型循(庭方涝程烛2徒)容，糠i徒＝而1,蜓2鉴分别代表菌胶泪团和丝状菌；盈2.渗蹦曝气强度和负踩荷的影响止妹图却2衣是根据方船程凑(3-10康)泉的计算机模拟霞结果。从西图存2啄a器可见丝状菌和浸菌胶团细菌的悉竞争优势是根辟据负荷而变化美的。根据负荷任的不同，可划鞋分为三个不同禽阶段：低负荷赔阶档段财(<0.4k攻gCOD/壮kgMLSS啄.d崖)灾这时溶解氧的驴供应是充分的薪出现基质限制柄的情况。高负愁荷阶俊段舱(>1.1k斑gCOD/寇kgMLSS燥.d至)窜由于主体溶液望中的基质浓度渐比较高，出现蹲溶解氧限制的舒情况。在这之蚀间是中等负荷悔范围，在这一辽范围丝状菌与做絮状菌处于合杨理的比例，系劲统不发生膨胀许。以上结果解始释了为什么在温高、低负荷下慎都会发生污泥减膨胀的原因。艳践图亦2抄b拖是在有选择器绞条件下，不同点曝气条件虹下竿(Kla锅)瓶计算机模拟结敞果。上述的模奥拟结果同菜样表明即使在腥存在选择器的牙情况下，在低匆负荷和高负荷震范围仍然会发警生膨胀。膨胀肆的界限值与没姥有选择器的系知统不同，对于径完全混合曝气细池界上、下限组下移。对于高贷负荷系统高的邻曝气强度可以齐提高污泥膨胀搜发生的上限，锐但同样较低了葬低负荷系统发饥生膨胀的下限难。从拍图责2浴b椒可见对于中等另负荷阶段如果瓜供氧不充分，渴丝状菌仍有可栗能大量繁殖并词形成膨胀。对咏于不同的曝气她强度，两种微撒生物竞争优势丘发生转变的界铅限值是不同的蹈。对于这就是性双基质动力学业方程与传统的灌单独碳源基质纪限制动力学方竭程描述膨胀现耻象的本质区别文。实验的结果罪也表明，完全草混合曝气池对箱不同负荷下，迟维持稳定的沉怕降性能，所需府要的溶解氧浓心度是不一样的欺。而不是象文塘献报道维持在口固定辱的锤1.限0绢～际2.0mg/议l印之休间魄<1驾>钱。这解释了国围内外众多研究曾中，对于溶解备氧对污泥膨胀减的影响报道十撇分不一致的原袜因。提高供氧两能力的方法，神一是增加供风请量，二是用充棍氧能力强的装萌置。质3.习芦流量和浓度变寨化的影响文实际的污邻水处理厂负荷终是变化的，实怀验发现在停留箩时育间师3耗、仅4翠和等5h纵.梁下，系统的溶睛解氧浓度分别菊为搜1.艘2压，崭2.支2正和棍3.0mg/疑l殊。概图既3就是流量和基质骤增加幅度耀为鞠1.辩5结倍采用计算机税模拟结果。在瞧稳定的流量和拉浓度条件下，惕长期运行是菌喊胶团细菌占优浙势。流量或是必基质浓度的变不化会造成丝状只菌的过度生长值，而丝状菌的捧生长不是一简雄单的可逆过程蜡，结果会造成军了污泥沉降性还能的变化。值伯得说明的是上挡述结果是在相熔对高的负荷下久的模拟结果，养研究表明对低义负荷结果相反罩。柏扔四、讨论和结眨论歪樱而1)溪挥通过分析将丝晃状菌膨胀概括趋为践5豆种类型，即：绕低基质浓度、炮低溶解氧、营穴养雨物鸡(眉N尺、突P丝)发缺乏型、拆高朝H帖2稀S厉浓度和高、槽低怀p宅H索引起的膨胀。妄采用广睬义满Mono纳d急方程可解释大唱部分类型的膨柴胀问题，这在互一定程度上统悼一了污泥膨胀学理论。由于城森市污水狗中请N寒、失P究和其它营养元孩素一括般不缺乏，因氏此在一般情况六下，只考虑碳框源限制饱和坏D鼓O骄限制两种情况夫；霜心缴2)稠武在双基质限制芦下，低负荷的蹦完全混合曝气线池不利于污泥脊沉淀性能的改势善，而中、高摸负荷的膨胀则叶在完全混合曝退气池中有所缓忽解。中、高负鸣荷系统由于首在端缺氧不利污巷泥沉降性能，谎所以在推流式颠曝气池需要采娘取措施避免供奔氧不足。反之款，推流式曝气询池有利于克服晴低负荷的膨胀踏，即高负荷与佛低负荷是两种疮类型完全相反决的膨胀现象。卫奥尽3)惧周对活性污泥膨予胀，既要从宏务观角度考虑，踩又要从微观角血度考奸虑合,谋而宏观与微观巧是相对的。就巾活性污泥工艺啊的运转条件而胆言，负荷、基叫质浓度和溶解胆氧浓度的水平跃是宏观条件。匪但曝气池首端杨的实际的负荷晒、基质浓度和坛溶解氧浓度是泪更为重要的因恩素。后者是决蔬定污泥膨胀的由微环境，种群央的动态是由其亡微环境中的营吃养物的条件所号确定的；咬缴尺4)毒步传统的选择器曾类型是仅仅考漫虑低基质浓度哥型膨胀。选择秃器是在完全混墨合或推流曝气轿池前加一个停凑留时间非常宾短任(15min哲.徐)妹的小池，在选缓择器内利用两驻类细菌不同的谱生长速率选择牛性地培养和发渗展菌胶团细菌泉，使其成为曝还气池中的优势胡菌。在以上的丑理论分析和研五究的基础上，探可以对选择器邀的概念进行扩抹展。广义的选尺择器可以包括费低溶解氧型膨塑胀。可采用不蒙同的选择