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    活性污泥法中泡沫問題的產生與控制技術

    中國污水處理工程網 時間:2010-6-29 10:41:28

    污水處理技術 | 匯聚全球環保力量,降低企業治污成本

    摘 要:對國內外活性污泥法中產生泡沫的危害、機理及影響因素的研究結果表明:諾卡氏菌群(Nocardia amarae,Nocardia pinensis),微絲菌(Microthrix parvicella),放線菌(Actinomycetes)的過量增殖是泡沫產生的主要原因。它與溫度、pH值、F/M值及底物種類,工藝運行條件密切相關;結合活性污泥動力學、污泥膨脹理論和工程實踐,綜合控制泡沫的技術措施有:控制MCRT與選擇器技術、SFW技術、分類選擇器技術和噴灑各種藥劑等。
     

    關鍵詞:活性污泥法 泡沫控制 細胞平均停留時間(MCRT) 選擇器

    0 引言

    采用活性污泥法處理污水過程中,在反應器(曝氣池)與沉淀池內出現的泡沫問題很早就引起人們的關注[1~3]。多年的研究表明:泡沫的產生不僅直接與起沫微生物的類群相關,而且與廢水性質(pH、溫度、BOD等)、活性污泥狀況(MLSS、SVI)、工藝運行條件(如細胞平均停留時間,反應器構型,機械應力,DO,F/M)等有關,產生機理非常復雜。本文在大量查閱中外文獻基礎上對泡沫產生的普遍性、危害性,特別是其產生的機理和影響因素分別進行了探討,并給出了較成功的泡沫控制技術措施。

    1 泡沫產生的普遍性和危害性  

    據1988年對澳大利亞采用活性污泥法的污水處理廠調查后發現:在維多利亞、新南威爾士地區65%的污水廠有泡沫問題[4];在昆士蘭地區92%的污水廠受到泡沫的嚴重影響,這其中60%又受到污泥膨脹的影響[5];美國的108家采用活性污泥法的污水廠中,56%的污水廠受泡沫困擾[6];法國約62%的污水廠產生泡沫;香港5個污水廠有2個由于不良運行產生了泡沫[7];據不完全統計,在我國采用活性污泥法的城市污水處理廠近50%出現過不同程度的泡沫問題,特別在南方地區,還經常與活性污泥法異常運行狀態(如絲狀菌膨脹,粘性物質積聚成浮渣等)同時發生[8]! ∨菽话憔哂姓硿,它會使大量固體陷入曝氣池的漂浮泡沫層,并產生漂浮層的翻轉,降低曝氣池的充氧效率(特別是機械曝氣情況);在純氧密封活性污泥系統,泡沫會進入氧壓機引起火災;當流入沉淀池時,在沉淀池擋板下會增加出水懸浮固體引起出水水質惡化;泡沫積累還能產生腐敗,且在寒冷天氣會結冰,影響正常運行;含有泡沫的剩余污泥在厭氧消化中引起嚴重的起泡現象,損壞厭氧污泥處理工藝。

    2 活性污泥性狀及泡沫產生機理

     2.1 泡沫的微生物類群組成  

    根據澳大利亞維多利亞、新南威爾士及昆士蘭地區活性污泥污水廠產生的泡沫問題進行的調查,結果發現,Microthrix parvicella(微絲菌),Nocardia amarae,Nocardia pinensis(諾卡氏菌群)是最常見的泡沫微生物,其次是0092型,0914型,0041型;而美國[9]和香港[10]起泡微生物由多到少的出現頻率為Nocardia pinensis,Nocardia amarae,Microthrix parvicella。以上表明,不同地區產生泡沫的微生物類群和數量有差別,但幾乎所有地區的泡沫中都檢出了占優勢的Nocardia菌群;同時還報道[1],在南非、美國、德國、日本膨脹的污泥中發現Nocardia菌群分別占優勢絲狀菌出現頻率的第6、1、14、5位?梢,Nocardia菌群是活性污泥異常運行(膨脹,泡沫)時常出現的微生物。

     2.2 泡沫組成微生物性質及其形成機理  

    在活性污泥中經常能觀察到的Nocardia菌群是有分支的,直徑為0.5μm、革蘭氏陽性、產生棕色粘性泡沫的絲狀微生物,與其它絲狀菌相比,它們雖不直接引起污泥膨脹,但在它們的菌絲中存有氣泡,易上浮成泡沫,在反應器或沉淀池表面積存。當混合液中Nocardia≥106 intersections/gVSS時,有害的泡沫就會出現[11]! ⊙芯勘砻,對含有Nocardia菌群的混合液曝氣,75%~90%以上Nocardia絲狀菌會上浮形成泡沫,其在泡沫中的濃度極高,要比在混合液中多10~50倍! ∨菽械奈⑸镄枰狹CRT較長,N.amarae在完全混合活性污泥中是一個弱競爭者,在缺氧狀態下(存在NO-2或NO-3)不生長,N.amarae脫作用只能從NO-3和NO-2中進行,且其速度要比許多絮凝體形成細菌低。在嚴格的厭氧條件下不能生長,也不能吸收含碳物質。

     2.3 影響泡沫形成因素
     
    2.3.1 溫度  


    據研究[6],混合液溫度從13℃升至20℃,在給定MCRT下能提高Nocardia菌群數量;從20℃升到25℃之間,其影響不顯著;在低溫下的泡沫主要由Rhodococcus(紅微菌屬)引起,N.pinensis則生長于相對窄的溫度區間,并且許多生長于40℃或更高的熱污水或周圍空氣高溫的環境中產生泡沫[12]。而對于引起污泥膨脹和泡沫的其它放線菌,從10升至20℃,其生長速率加快1/2倍;低溫及無論有無選擇器的完全混合系統有利于M.parvicella的生長[13]。
     
    2.3.2 pH值  

    通過對單一底物的研究認為,Nocardia與Rhodococcus菌種的最佳pH值為7.0~8.5;空氣曝氣活性污泥混合液最優pH為7.0,氧氣曝氣的為6.5(因為混合液接觸的氣相含有較高的CO2)。也有人指出,pH值降低(如硝化作用)不利于Nocardia菌的生長,能引起泡沫的明顯減少。

    2.3.3 F/M值與底物種類  

    通過對絲狀菌的研究表明:在較高的F/M下一般可控制絲狀菌引起的污泥膨脹,但Nocardia菌所占的數量上升約6%,幾乎在絲狀菌中占絕對優勢,并且泡沫也迅速出現;其它放線菌在(微環境中)高底物濃度(如為液相中的100倍以上)下也會大量增殖(亦即μmax增長規律和高的Ks值),產生泡沫。這樣高的底物濃度可能存在于如下微環境中: 、僭谖勰嘈躞w與水之間的界面上,其上吸附了進水的有機負荷并予以蓄積; 、谠谖勰嘈躞w中存在死的細胞,它能使其它種細菌進行腐生增殖; 、墼诓蝗苄缘牡孜锱c水之間的界面上,如同跟水中的疏水物質那樣; 、茉谒c氣的界面上(表面和氣泡),在其上底物可通過表面活性物質而積累! 〈送,底物的種類與泡沫的產生也有許多相關關系。經過對香港Vitro污水廠產生泡沫的調查發現:分支絲狀菌N.amarae是主要泡沫微生物,且脂肪酸是其唯一碳源,它的存在能增加N.amarae的增長[7]! 「嗨朴贜ocardia菌的放線菌不同,M.Parvicella絲狀菌具有很高的比營養需求量,這種微生物喜歡長鏈脂肪酸如油酸做為其碳源。因此,在含有高負荷脂、油和皂類的情況下,有優先繁殖M.Parvicella菌的危險[13];特定不生物降解或僅緩慢生物降解的表面劑濃度和疏水性底物會導致放線菌Actinomycetes的過量增殖[14]! 》请x子表面活性劑廣泛應用于工業、商業、日常生活等領域,如美國的城市排水中其濃度為1~20mg/L,美國研究者對Igepa1C-620和Neodo125-7兩種表面活性劑的研究結果表明,緩慢可生物降解的表面活性劑能顯著增加含Nocardia菌群污泥中的泡沫。且泡沫呈典型的褐色,包含和吸收較高的懸浮固體(SS),并增加了混合液高度。其他人也證實,表面活性劑,類脂化合物,幾種疏水難降解顆粒底物能引起放線菌的增殖,導致反應器和沉淀池表層產生泡沫浮渣。

    2.3.4 運行條件  

    觀察發現,離心循環產生的機械應力損壞密實的活性污泥絮狀體,從破損的細胞中釋放出來的表面活性蛋白質、類脂化合物(有限長鏈脂肪酸)的增多,能導致放線菌、微絲菌的增殖,產生過量泡沫[2];在瑞典的大斯德哥爾摩(Great Stockholm)地區的3個污水廠出現了嚴重的厭氧消化泡沫,顯微鏡觀察的結果是泡沫污泥表現出網狀絲狀菌M.Parvicella結構,形態上長的圈狀絲狀菌因厭氧條件變成了短和細的絲狀菌[15]。

    3 泡沫控制技術

    3.1 控制MCRT與選擇器技術  

    根據組成,泡沫微生物性質和成泡機理,使采用調節MCRT和選擇器相結合的技術控制泡沫成為可能。首先,對Nocardia的控制方面,根據N.amarae菌群在完全混合活性污泥中是一個弱競爭者,且反硝化很慢的特點,提出在適當的MCRT值時,用好氧選擇器可有效控制Nocardia泡沫[16];減少MCRT是一種成功的控制泡沫方法[17];也有人研究報道,可通過降低MCRT去除N.amarae泡沫,他們對一個采用活性污泥法的污水廠采用MCRT<6d,同時回流活性污泥加氯成功地控制了Nocardia泡沫。在文獻[9]中的研究結果是:從MCRT由1.5d到15d范圍內,MCRT升高,Nocardia菌群普遍升高,并且MCRT=2d,能有效控制Nocardia菌泡沫;MCRT=5d,用好氧選擇器控制Nocardia菌泡沫有效;MCRT=10d,用好氧選擇器控制Nocardia菌泡沫無效;MCRT=12d,用缺氧選擇器可控制硝化污泥中的Nocardia菌泡沫! ×硗,MCRT的采用還與溫度(氣候)及試驗規模等因素有關,他們的試驗結果見表1,由表1可見,不論是小試或生產性試驗規模,溫度升高,采用的MCRT值降低。
                                                                                                     

                                                表1 控制Nocardia泡沫時MCRT與溫度關系

    試驗規模

    小試

    小試

    生產性試驗(夏季)

    生產性試驗(冬季)

    溫度/℃

    16 

    24 

    22 

    18 

    MCRT/d

    2.2

    1.6

    1.8

    2.2

    在美國,根據Nocardia菌產生泡沫的具體情況,采用不同MCRT控制泡沫的污水廠數目統計結果見圖1。

                                              圖1 美國控制Nocardia泡沫時采用不同MCRT值的污水廠數目統計(部分)

    同時,以上泡沫控制技術還可與控制污泥膨脹等活性污泥異常運行情況相結合,綜合調節活性污泥運行工藝。如針對Phonenix活性污泥污水廠一直存在著在連續的膨脹污泥環境下,相當低的MLSS和SRT較短的情況下運行狀況,采用DO為0~0.3mg/L的缺氧選擇器,結果:當總還原約75%時,曝氣的缺氧選擇器可以對污泥的膨脹全部控制;Nocardia泡沫可以初步控制,在泡沫表面直接噴灑高濃度的氯(2 000~3 000mg/L)很容易消除泡沫[18]! 

    在類脂化合物、疏水難降解的顆粒底物以及機械應力、接種等條件時易引起放線菌的污泥膨脹和泡沫上浮。一些人認為,任一MCRT下的放線菌及0092型均能引起低負荷膨脹和上;而另一些人則證實,低的MCRT(<6d)、用缺氧選擇器成功地抑制了放線菌的上浮和低負荷膨脹與泡沫上;還有人的研究結果是,用缺氧選擇器或厭氧選擇器不能有效控制M.Parvicella的生長[13];也有人用好氧選擇器在低的固體停留時間(SRT)和缺氧選擇器在任何SRT條件下都可以控制放線菌的過量增長[19]。

    3.2 選擇性泡沫浮選或淘汰(SFW)  

    SFW法是將載有Nocardia等起沫微生物泡沫溢流至系統外以得以去除。用帶有自由液面的40L曝氣池和設擋板的二沉池進行試驗的結果是[20]:20d后,Nocardia絲狀菌達到11×106 intersections/gVSS;以后15d內,其值在9×106~11×106之間波動,去除二沉池擋渣板23d后,Nocardia菌數量降至1×106~2.5×106之間,重裝消泡裝置72d后,Nocardia數量又增加到6×106。他們認為,這主要是由于延長了MCRT,使之高于混合液中其它微生物的原因。后者在亞特蘭大Utoy Greet的WPCP污水廠研究表明,使用增加曝氣量,控制MCRT,以從混合液中去除起泡微生物,允許載有Nocardia的泡沫從曝氣池中溢流到相鄰池子里去除,得到很好的泡沫去除效果[21]。1987年在南非通過選擇性浮選,泡沫(浮渣)形成微生物可在24h內大量從活性污泥中去除掉[22]。泡沫去除后,生物相中的絲狀菌明顯減少,而去除的泡沫中幾乎都是絲狀菌,大于95%的泡沫微生物能在最初的約4h內去除;去除速度不取決于Nocardia泡沫微生物種類,但依賴于初始泡沫中的微生物濃度。在一些文獻中報告的其它經驗也肯定了這種措施是成功的。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。

    3.3 其它方法  

    添加化學藥劑(如Cl2,H2O2,O3,聚合Al鹽等)和上部攪拌[15]也是控制泡沫的常用方法。有報道,通過在曝氣池中添加O3(2~6mg/L)成功地抑制了Nocardia菌不正常增殖產生的泡沫。并且還發現[23]:污泥沉降性能好轉了,在去除COD,TOC,SS,PO3-4。璓,TN方面無不同,硝化作用增強了,出水水質變好! ∠虺霈F嚴重Nocardia泡沫的terminal污水廠反應器中投加陽離子聚合物,3d后泡沫根除,其機理是:投加的陽離子聚合物與廢水表面存在的穩定泡沫的接觸作用和聚合物絮凝使Nocardia絲狀菌分散進入活性污泥絮體中[24]! 〔捎萌コ韺优菽姆诸愡x擇器,可減少Nocardia的含量;向選擇器中添加可降解的非離子表面活性劑可進一步降低混合液中的Nocardia水平。

    4 結論  

    活性污泥工藝中產生泡沫的機理和影響因素是復雜的,并且經常與污泥膨脹等異常情況同時出現[25~26]。因此,應該根據具體情況采用相應不同的控制技術。美國部分活性污泥污水廠控制Nocardia泡沫的策略及其成功率[6]如表2所示。有趣的是,其中58家污水廠直接用水噴灑泡沫,收到了很高的成功率(88%),當然,若停止噴灑水,泡沫又會重新出現。
                                                      表2 美國活性污泥污水廠控制泡沫的策略及成功率(部分)

    泡沫控制策略

    策略使用污水廠數目

    成功率/%

    降低MCRT

    44

    73

    投加氯氣

    48

    58

    用水噴灑

    58

    88

    用消泡劑

    35

    20

    降低曝氣時間

    5

    60

    綜合上述,控制活性污泥法中產生的泡沫問題,應根據活性污泥運行理論,結合工程實踐全面分析其產生的機理,并考慮控制措施的經濟性、技術性、可行性等因素來采用相應措施(一種或多種),才能經濟、合理、徹底地解決活性污泥工藝中的泡沫問題。

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