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 2006-03-05 摘要：活性污泥曝氣池中嚴(yán)重的泡沫現(xiàn)象是一種常見問題，主要是由于Nocardioform 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。控制泡沫的方法主要有噴灑水、投加化學(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 parvic

2、ella；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。普遍存在的問題之一就是曝氣池表面常常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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

3、特點(diǎn)。1.1 工藝運(yùn)行初期形成泡沫曝氣池開始運(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?，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

4、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

5、中混入表面         圖3 水中混入表面活性劑活性劑的氣泡                和懸浮物質(zhì)的氣泡        Figure 1. A foam in      Figure 2. A foam in water with  

6、;   Figure 3. A foam in water with surfacepure water 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

7、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 par

8、vicella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，通過電子顯微鏡觀察，其細(xì)胞壁上有革蘭氏陽性細(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Microthr

9、ix parvicell和Eikelboom Type0803，但序列信息表明事實(shí)上二者沒有任何關(guān)系，Eikelboom Type0803與上述各絲狀菌都不太相似。D.B.Oerther 等利用低（聚）核苷酸探測(cè)技術(shù)、雜交培植和抗體著色等方法，對(duì)生物泡沫中Gordonia spp.等絲狀微生物進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明，Gordonia spp.等菌體的活性和數(shù)量水平的增加與整體微生物群落的活性及數(shù)量水平有關(guān)，在形成生物泡沫過程中，Gordonia spp.等絲狀微生物自身的物理性質(zhì)可能比細(xì)胞的代謝活性所起的作用要大5。 圖4Nocardia amarae和Microthrix par

10、vicella6Figure 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 與泡沫形成有關(guān)的主要菌屬Table 1. Main bacteria involved in foams formin

11、g 序號(hào)菌種名稱革蘭氏性種屬和形態(tài)1Nocardia amaraeG+放線菌(actinomycete)，枝狀菌絲2Nocardia pinesisG+放線菌,松枝狀3Rhodococcus sp.G+放線菌,枝狀菌絲4Microthrix parvicellaG+絲狀菌(filament)，無鞘無分枝，絲狀5Eikelboom Type0092G-F-C-B門，絲狀菌6Eikelboom Type0411G-F-C-B門，絲狀菌7Eikelboom Type1863G-F-C-B門,類Proteobacteria,絲狀菌8Eikelboom Type0803G-F-C-B門,類Proteob

12、acteria,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

13、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. C

14、onditions being related to predominant filamentous bacteria產(chǎn)生條件絲狀菌種類低DOMicrothrix parvicella, S. Natans, 1701低F/MMicrothrix parvicella,0041,0092完全混合式生物反應(yīng)器H. Hydrossis, Nocardia spp., 021N, 1851,1701腐敗性廢水/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f

15、ungal bacteria2 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度增殖，使絲狀菌與絮凝體形成菌保持平衡的比例生長(zhǎng)。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 陽離子聚丙烯酰胺(acrylamidebased cationic polymer)是一種常用的消泡劑，工程實(shí)例

16、中，把陽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)

17、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Microthrix parvicella的過度生長(zhǎng)和泡沫的產(chǎn)生，經(jīng)過與氯、陽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)方法來抑制Microt

18、hrix parvicella的過度增殖，能有效的控制泡沫，并未給出水水質(zhì)帶來變化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)，抑制絲狀菌的過度增殖，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值研究表明，最適宜Nocardia amarae生長(zhǎng)的pH值為7.8,最適宜Microthrix parvicella生長(zhǎng)的pH值為7.78.0，當(dāng)pH值從7.0降為5.05.6時(shí)，能有效

19、控制這些微生物的過度生長(zhǎng)，減少泡沫的形成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)，采用厭氧消化池上清液回流到曝氣池的方法，也能控制曝氣池表面泡沫的

20、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 菌屬無大影響；而缺氧選擇器對(duì)Nocardia菌屬有

21、控制作用，卻對(duì)Microthrix parvicella無太大作用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）。污水廠的污水主要來源于航空工作區(qū)、生活區(qū)、賓館以及周邊生活小區(qū)，處理

22、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離子聚丙烯酰胺的時(shí)間變化關(guān)系Figure 4. Variation relationshi

23、p between bestrewing rate of foams in aeration pool and adding time of acrylamidebased cationic polymer 4 結(jié)語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

24、關(guān)。泡沫的控制主要有物化和生化的方法，通過加入化學(xué)藥劑來改變細(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^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壳俺Ｓ玫耐都踊瘜W(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)通過更深入更實(shí)際的生物方法的研究，來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。參考文獻(xiàn)1 Warrer J. Activated sludge bulking and foaming co

25、ntrol M. Technomic publishing Co. Inc. Lancaster, 1994.2 楚廣詣,等. 淺談污水處理中的泡沫問題J.山東環(huán)境，1998,4:29.3 P. Madoni, et al. Testing the control of filamentous microorganisms responsible for foaming in a full-scale activated sludge plant running with initial aerobic or anoxic contact zones J. Bioresource Techno

26、logy, 1997, 60: 43-49.4 Linda L. Blackall, et al. Towards understanding the taxonomy of some of the filamentous bacteria causing bulking and foaming in activated sludge plants J. Wat. Sci. Tech, 1996, 34(5-6): 137-144.5 D.B.Oerther,et al. Quantifying filamentous microorganisms in activated sludge before, during, and after an incident of foaming by oligonucleotide probe hybridizations and antibody staining J. Wat. Res, 2001, 35(14): 3325-3336.6 Soddell. J. A, et al. Microbiology of foaming in activated sludge plants J. J. App. Bacteriol, 1990, 69: 145-176.7 Helen Strati