活性污泥污水處理工藝中泡沫的形成與控制研究

1、    活性污泥污水處理工藝中泡沫的形成與控制研究            作者：王丹虎時(shí)間：2007-11-24 19:38:00                     摘要：活性污泥曝氣池中嚴(yán)重的泡沫現(xiàn)象是一種常見(jiàn)問(wèn)題，主要是由于Noc

2、ardioform actinomycetes和Microthrix parvicella菌屬的異樣生長(zhǎng)造成的。微生物細(xì)胞表面的疏水性(CSH)、污泥停留時(shí)間(SRT)、pH值、溶解氧(DO)等是絲狀菌生長(zhǎng)的重要因素?？刂婆菽姆椒ㄖ饕袊姙⑺⑼都踊瘜W(xué)藥劑、降低細(xì)胞平均停留時(shí)間、調(diào)節(jié)污水pH值、增設(shè)生物選擇器、采用連續(xù)填料反應(yīng)器等。 關(guān)鍵詞：活性污泥工藝 泡沫 Nocardioform actinomycetes；Microthrix parvicella 形成和控制  0 引言目前，世界范圍內(nèi)大多數(shù)城市污水處理廠采用活性污泥法處理工藝。普遍存在的問(wèn)題之一就是曝氣池表面常常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)

3、重的泡沫，大量的泡沫使曝氣池表面被覆蓋,若從池中溢出會(huì)引起外部設(shè)備及外部池壁的污染,嚴(yán)重影響了周圍的環(huán)境，給污水處理廠的運(yùn)行和管理帶來(lái)了困難，同時(shí)也使出水水質(zhì)惡化。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外污水處理廠的調(diào)查，大多數(shù)都不同程度地受到泡沫問(wèn)題的影響，特別是采用延時(shí)曝氣工藝的污水廠更是如此。1 泡沫的形成活性污泥工藝中，泡沫的形成一般有以下幾種形式，主要包括工藝運(yùn)行初始時(shí)期形成泡沫、反硝化作用起泡、表面活性劑起泡以及生物泡沫等1。生物泡沫粘度大，呈黃褐色，具有穩(wěn)定、持續(xù)、較難控制的特點(diǎn)。1.1 工藝運(yùn)行初期形成泡沫曝氣池開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，特定表面活性劑對(duì)有機(jī)物的部分降解作用形成泡沫，并使泡沫迅速增長(zhǎng)。這些泡沫一般呈白色

4、且質(zhì)輕，當(dāng)活性污泥達(dá)到成熟時(shí)消失。1.2 反硝化作用起泡由于在二沉池或曝氣不足的地方會(huì)發(fā)生反硝化作用，使微小的氮?dú)鈿馀葆尫懦鰜?lái)，從而使污泥的密度減小，有利于其上浮，產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在二次沉淀池中表現(xiàn)明顯，且產(chǎn)生的懸浮泡沫通常不穩(wěn)定。1.3表面活性劑起泡污水中的表面活性劑和淀粉、蛋白質(zhì)、油脂等表面活性物質(zhì)在分子結(jié)構(gòu)上都表現(xiàn)為含有極性非極性基團(tuán)即所謂雙親分子，在曝氣的條件下，非極性基團(tuán)一端伸入氣泡內(nèi)，而極性基團(tuán)選擇地被親水物質(zhì)所吸附，這樣親水性物質(zhì)的表面被轉(zhuǎn)化成疏水性物質(zhì)而粘附在氣泡水膜上，隨氣泡一起上浮至水面。各種懸浮物質(zhì)若混入表面活性劑等產(chǎn)生的泡中，這些物質(zhì)單獨(dú)存在并不能發(fā)泡,但是可使泡

5、沫穩(wěn)定。如造紙工業(yè)中的微細(xì)紙漿，食品工業(yè)中的纖維質(zhì)等。另外，如氯化鈉、硫酸鈉、硫酸鋁等鹽類的水溶液,單獨(dú)存在幾乎不產(chǎn)生泡沫,但也有助于泡沫的穩(wěn)定，使泡沫難以消失，如圖1、2、3所示2。          圖1 純水中的氣泡             圖2 水中混入表面         圖3 水中混入表面活性劑活

6、性劑的氣泡                和懸浮物質(zhì)的氣泡        Figure 1. A foam in      Figure 2. A foam in water with     Figure 3. A foam in water with surfacepure water

7、 surface active agents active agents and suspended substances 1.4生物泡沫目前，普遍認(rèn)為生物泡沫形成的主要原因是：在各種因素影響下，造成絲狀菌和放線菌等微生物的異樣生長(zhǎng)，絲狀菌的比生長(zhǎng)速率高于了菌膠團(tuán)細(xì)菌，又由于絲狀菌的比表面積較大，因此，絲狀菌在取得污水中BOD5物質(zhì)和氧化BOD5物質(zhì)所需要的氧氣方面都比菌膠團(tuán)細(xì)菌有利得多，結(jié)果曝氣池中絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌種而大量增值，導(dǎo)致生物泡沫的產(chǎn)生。再加上這些微生物大都呈絲狀或枝狀,易形成網(wǎng),能捕掃微粒和氣泡等,并浮到水面。被絲網(wǎng)包圍的氣泡,增加了其表面的張力,使氣泡不易破碎,泡沫更加穩(wěn)定。另

8、外，曝氣氣泡產(chǎn)生的氣浮作用是泡沫形成的主要?jiǎng)恿σ蛩?。研究發(fā)現(xiàn)，與生物泡沫有關(guān)的菌屬主要有Nocardioform actinomycetes(放線菌)和Microthrix parvicella(絲狀菌)等，如圖4所示，前者多出現(xiàn)于夏季，后者多出現(xiàn)于冬季3。Linda L.Blackall等通過(guò)測(cè)定Microthrix parvicella等絲狀菌的16S rDNA序列，對(duì)引起生物泡沫的主要絲狀菌進(jìn)行了分離鑒定和分類4，如表1所示。 Microthrix parvicella是生成生物泡沫的最重要菌種，其16S rDNA序列信息證實(shí)Microthrix parvicell也是一種放線菌，通過(guò)電

9、子顯微鏡觀察，其細(xì)胞壁上有革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌所具有的典型表面，呈單一均質(zhì)層；Eikelboom Type0092、Eikelboom Type0411 和Eikelboom Type1863絲狀菌革蘭氏染色均呈陰性，16S rDNA序列信息表明三者都屬于Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides；Eikelboom Type0803是一種類Proteobacteria，Williams and Unz認(rèn)為根據(jù)形態(tài)學(xué)準(zhǔn)則很難區(qū)別Microthrix parvicell和Eikelboom Type0803，但序列信息表明事實(shí)上二者沒(méi)有任何關(guān)系，Eikelboom Type08

10、03與上述各絲狀菌都不太相似。5。 圖4 Nocardia amarae和Microthrix parvicella6Figure 4. Nocardia amarae and Microthrix parvicella6研究表明，絲狀菌等微生物細(xì)胞表面的疏水性或憎水性（cell surface hydrophobicity, CSH）是形成生物泡沫并使之穩(wěn)定的重要原因。Helen Stratton（1998）等從生物泡沫中分離出nocardiform及Rhodococcus rhodochrous等菌種，對(duì)細(xì)胞表面霉菌酸成分(mycolic acid content)，表1 與泡沫

11、形成有關(guān)的主要菌屬Table 1. Main bacteria involved in foams forming 序號(hào) 菌種名稱 革蘭氏性 種屬和形態(tài) 1 Nocardia amarae G+ 放線菌(actinomycete)，枝狀菌絲 2 Nocardia pinesis G+ 放線菌,松枝狀 3 Rhodococcus sp. G+ 放線菌,枝狀菌絲 4 Microthrix parvicella G+ 絲狀菌(filament)，無(wú)鞘無(wú)分枝，絲狀 5 Eikelboom Type0092 G- F-C-B門，絲狀菌 6 Eikelboom Type0411 G- F-C-B門，絲狀菌

12、 7 Eikelboom Type1863 G- F-C-B門,類Proteobacteria,絲狀菌 8 Eikelboom Type0803 G- F-C-B門,類Proteobacteria,絲狀菌注：F-C-B門表示Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides phylum.以及細(xì)胞表面疏水性(CSH)與形成穩(wěn)定生物泡沫能力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：霉酸菌成分并不是形成CSH的唯一原因，CSH也不是生成生物泡沫并使之穩(wěn)定的唯一因素。CSH隨著微生物的培養(yǎng)周期，以及其它條件，如生長(zhǎng)溫度、碳源等的變化而改變；Rhodococcus rhodochrous中霉酸菌

13、成分也會(huì)隨著培養(yǎng)周期、溫度以及碳源等條件的變化而發(fā)生改變；nocardiform細(xì)胞表面的霉酸菌成分對(duì)其CSH的影響不大7。D.Mamais(1998)等認(rèn)為，長(zhǎng)鏈脂肪酸（慢速生物降解COD）和低溫環(huán)境是脫氮活性污泥系統(tǒng)中Microthrix parvicella生長(zhǎng)的主要原因，絮凝體形成菌去除易生物降解COD的過(guò)程也不會(huì)影響Microthrix parvicella的生長(zhǎng)，長(zhǎng)鏈脂肪酸被去除的量（吸附去除）與Microthrix parvicella的生長(zhǎng)量成反比關(guān)系8；污泥停留時(shí)間(SRT)、pH值也會(huì)影響生物泡沫的產(chǎn)生。長(zhǎng)污泥停留時(shí)間有利于Microthrix parvicella等絲狀菌

14、微生物的生長(zhǎng)，這也是延時(shí)曝氣工藝更容易引起生物泡沫的原因。另外，溶解氧(DO)以及曝氣方式等也是生成泡沫的重要影響因素。如表2所示。表2 與優(yōu)勢(shì)絲狀菌相關(guān)的條件9Table 2. Conditions being related to predominant filamentous bacteria 產(chǎn)生條件 絲狀菌種類 低DO Microthrix parvicella, S. Natans, 1701 低F/M Microthrix parvicella,0041,0092 完全混合式生物反應(yīng)器 H. Hydrossis, Nocardia spp., 021N, 1851,1701 腐敗

15、性廢水/硫化物 Beggiatoa, Thiothrix spp., 0914 營(yíng)養(yǎng)不足 S. Natans, Thiothrix spp., 021N; 可能有H. Hydrossis,0041 低pH值 fungal bacteria    2 泡沫的控制 根據(jù)泡沫形成的機(jī)理及其影響因素，可采用物理化學(xué)和生物的方法對(duì)泡沫進(jìn)行控制?？刂婆菽貏e是生物泡沫的實(shí)質(zhì)并非消除Microthrix parvicella等細(xì)菌的產(chǎn)生，主要途徑就是在曝氣系統(tǒng)中建立一個(gè)不適宜絲狀菌異常生長(zhǎng)的環(huán)境，抑制其在活性污泥中的過(guò)度增殖，使絲狀菌與絮凝體形成菌保持平衡的比例生長(zhǎng)。

16、2.1 物化方法控制泡沫 噴灑水噴灑的水流或水珠能打碎浮在水面的氣泡,以減少泡沫。但不能根本消除泡沫現(xiàn)象，是一種最常用最簡(jiǎn)便的物理方法。 投加化學(xué)藥劑 陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(acrylamidebased cationic polymer)是一種常用的消泡劑，工程實(shí)例中，把陽(yáng)離子聚丙烯酰胺投加于二沉池進(jìn)水管中，其既有抑制Nocardioform actinomycetes生長(zhǎng)的作用，又有通過(guò)回流污泥進(jìn)入曝氣池消除污水中表面活性劑及表面活性物質(zhì)極性非極性特點(diǎn)的作用。由于上述兩點(diǎn)的存在，新的穩(wěn)定泡沫難于大量生成，而在水面上的泡沫層由于水面紊動(dòng)，泡沫受剪力作用不斷破碎，表面泡沫水膜由于水分不斷蒸發(fā),泡沫

17、不斷破碎,泡沫層也逐漸消失10。低濃度的H2O2也是一種較常用的泡沫消除劑，在活性污泥中投加當(dāng)投加低濃度H2O2時(shí),其濃度不足以殺死菌膠團(tuán)表面伸出的絲狀菌，只能氧化部分生物殘?jiān)拖x過(guò)程產(chǎn)生的毒素，凈化菌膠團(tuán)細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境，促進(jìn)了菌膠團(tuán)細(xì)菌優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng), 使菌膠團(tuán)菌和絲狀菌的生長(zhǎng)達(dá)到了新的平衡，從而達(dá)到控制生物泡沫的目的，而出水水質(zhì)并未惡化。H2O2應(yīng)投加于回流污泥中，投加濃度為2025mg H2O2/(kg·MLSS)11。 Yongwoo Hwang等通過(guò)污水廠觀察、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)污水中的泡沫是典型的季節(jié)性出現(xiàn)的，代謝和動(dòng)力學(xué)的調(diào)節(jié)并不能很成功的抑制Microthr

18、ix parvicella的過(guò)度生長(zhǎng)和泡沫的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)與氯、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺兩種化學(xué)藥劑相比較，發(fā)現(xiàn)除絲狀菌聚季銨堿(quaternary ammoniumbased antifilament polymer, AFP)是一種最有效的物理化學(xué)方法來(lái)抑制Microthrix parvicella的過(guò)度增殖，能有效的控制泡沫，并未給出水水質(zhì)帶來(lái)變化12。另外，如氯、臭氧、聚乙二醇以及氯化鐵和銅材酸洗液的混合藥劑等均具有較強(qiáng)的氧化性，也可當(dāng)作消泡劑使用。2.2 生物方法控制泡沫 降低細(xì)胞平均停留時(shí)間降低細(xì)胞平均停留時(shí)間是很有效的控制泡沫的方法，實(shí)質(zhì)即利用絲狀菌平均世代時(shí)間較長(zhǎng)于絮凝體形成菌的特點(diǎn)，抑

19、制絲狀菌的過(guò)度增殖，細(xì)胞平均停留時(shí)間越短，絲狀菌越少，泡沫也越少。 調(diào)節(jié)污水pH值13。 降低曝氣的空氣輸入率降低了曝氣的空氣輸入率，一是能降低曝氣池中氣提強(qiáng)度，減緩了絲狀菌的上浮速度；二是能降低曝氣池中的溶解氧濃度，Nocardia amarae是嚴(yán)格的好氧菌,在缺氧或厭氧條件下,不易生長(zhǎng),但 Microthrix parvicella卻能忍受缺氧狀態(tài)。再者，降低曝氣池的空氣輸入量也相應(yīng)的降低了微氣泡的生成量，即減少絲狀菌和放線菌機(jī)體上浮的載體，從而延緩泡沫的形成。 回流厭氧消化池上清液試驗(yàn)表明，厭氧消化池上清液能抑制Rhodococcus rhodochrous菌屬的生長(zhǎng)，采用厭氧消化池上

20、清液回流到曝氣池的方法，也能控制曝氣池表面泡沫的形成。但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(huì)影響出水水質(zhì)，因此應(yīng)慎用。 增設(shè)生物選擇器  生物選擇器有好氧選擇器和缺氧選擇器兩種，其目的就是使進(jìn)入曝氣池的污水先于回流污泥在其中充分混合，通過(guò)調(diào)節(jié)F/M、DO等因素，選擇性的發(fā)展絮凝體形成菌，抑制絲狀菌等的過(guò)度增殖。在設(shè)計(jì)選擇器時(shí)，選擇器需要分格設(shè)置，一般多采用46格；盡量提高選擇器第一格的F/M值，形成F/M梯度；還要控制選擇器的水力停留時(shí)間，一般為1015分鐘。另有研究表明：好氧選擇器能一定程度地控制Microthrix parvicella，但對(duì)Nocardia

21、菌屬無(wú)大影響；而缺氧選擇器對(duì)Nocardia菌屬有控制作用，卻對(duì)Microthrix parvicella無(wú)太大作用14。 采用連續(xù)填料反應(yīng)器D.Mamais(1998)等也認(rèn)為，沒(méi)有證據(jù)表明厭氧和缺氧選擇器能夠絕對(duì)成功的控制Microthrix parvicella的擴(kuò)散和增殖，連續(xù)流和序批實(shí)驗(yàn)表明，控制Microthrix parvicella 生長(zhǎng)的最佳方式就是采用連續(xù)填料流反應(yīng)器，理由有二：一是利用絮凝體形成菌的高吸附能力能夠大量去除慢速生物降解COD；二是能避免膠體物質(zhì)水解后可溶產(chǎn)物的擴(kuò)散8。3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例北京首都機(jī)場(chǎng)污水處理廠采用合建式缺氧好氧活性污泥工藝（A/O）。污水廠的污水主要

22、來(lái)源于航空工作區(qū)、生活區(qū)、賓館以及周邊生活小區(qū)，處理能力為20000m3/d,其工藝流程如圖3所示。2004年2月14日至2月17日期間，曝氣池表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的泡沫，開(kāi)始采取了向曝氣池 表面噴灑清水的措施，但消泡效果不理想。2月18日，采取了降低曝氣的空氣輸入強(qiáng)度的措施，并向二沉池的進(jìn)水管中投加了約25L(0.5mg/L)的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺溶液，連續(xù)投加7天，每天觀察并記錄了泡沫覆蓋曝氣池的百分率，如圖4所示。開(kāi)始投加時(shí)泡沫覆蓋率已經(jīng)達(dá)到90左右，2月20日泡沫覆蓋率下降至70，到2月24日覆蓋率下降至12，隨后穩(wěn)定在10以下。圖4 曝氣池泡沫覆蓋率隨投加陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的時(shí)間變化關(guān)系Figu

23、re 4. Variation relationship between bestrewing rate of foams in aeration pool and adding time of acrylamidebased cationic polymer 4 結(jié)語(yǔ)活性污泥工藝中泡沫產(chǎn)生的條件和機(jī)理尚有爭(zhēng)議，但目前的研究認(rèn)為，主要是由于Nocardia和Microthrix parvicella菌屬的異樣生長(zhǎng)，其比生長(zhǎng)速率高于菌膠團(tuán)絮凝體形成菌的比生長(zhǎng)速率造成的，Nocardia和Microthrix parvicella菌屬有疏水性極強(qiáng)的細(xì)胞表面，遷移并停留在氣泡表面，因而使氣

24、泡穩(wěn)定。發(fā)泡現(xiàn)象也與氣水界面的疏水性有機(jī)化合物的濃度有關(guān)。泡沫的控制主要有物化和生化的方法，通過(guò)加入化學(xué)藥劑來(lái)改變細(xì)菌細(xì)胞表面的化學(xué)性質(zhì)仍是一種控制泡沫產(chǎn)生的常用方法，而廣泛應(yīng)用的殺菌劑普遍存在負(fù)作用,因?yàn)檫^(guò)量或投加位置不當(dāng),會(huì)大量降低反應(yīng)池中絮凝體形成菌的數(shù)量及生物總量?？傊?，目前常用的投加化學(xué)藥劑方法只是一種應(yīng)急措施而非根本解決途徑，因此，還應(yīng)通過(guò)更深入更實(shí)際的生物方法的研究，來(lái)尋找一種更合理有效、更經(jīng)濟(jì)適用的方法控制Nocardia和Microthrix parvicella菌屬的生長(zhǎng)和泡沫的形成，保證活性污泥工藝的正常和高效運(yùn)行。6 Soddell. J. A, et al. Microbiology of foaming in activated sludge plants J. J. App. Bacteriol, 1990, 69: 145-176.7 Helen Stration, et al. Activated sludge foaming: what causes hydrophobicity and can it be