污泥膨胀及其控制
活性污泥膨胀问题在实际污水处理工程中经常遇到。人们对其成因也作了相当多的研究。在早期的研究中人们对废水水质、运行条件和丝状菌过度生长之间的关系非常关注。对于水质的影响，大多数研究者认为常常水质及负荷的变化也会导致污泥膨胀。
笔者曾在山东某污水处理厂参与调试运行，对其调试运行过程中出现的污泥膨胀问题作了必要的分析，并提出了相应的控制对策
1、工程概况
该污水处理厂采用侧沟式一体化氧化沟工艺，其工艺流程如图1：
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工程一期设计规模25000m3/d，分两组，每组12500m3/d。考虑到除磷的要求，在氧化沟前段置厌氧段。设计总停留时间16h，氧化沟有效容积8500m3，有效水深4.1m，沟宽10.5m。设计污泥浓度MLSS=4000mg/L，污泥负荷F/M=0.046kgBOD5/（kgMLVSS.d）。主要设备包括：曝气转盘ZP-9-1400，每组4台，功率37kW；7.5kW水下推动器每组3台，设置在主沟；2.2kW水下搅拌器1台于厌氧区。设计采用厌氧、好氧两区共壁合建，使整体结构紧凑，又有较好的能量分区。设计进出水水质如下：
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2、调试启动情况
该厂自2003年3月12日开始调试运行。前期投加大量粪便污水，并投加活性污泥接种，效果较显著。到3月20日出现少量活性污泥絮体，一周后MLSS达1083mg/L，SV30增至10%，进水BOD5负荷在0.22~0.39之间。28日，由于进水水量由原先1/4、1/2流量增加至设计流量以及BOD5大幅变化，使得进水负荷高达1.02 kgBOD5/（kgMLSS.d），随后几天负荷也居高不下，31日SV30猛增至86%（当地工业废水未加控制进入）。观察污泥细碎、松散、蜂窝状小而少。镜检发现丝状菌丰度为d级，钟虫数量500~1200个/ml，活动性差。侧沟出现云浪状污泥上浮，并随水流走，跑泥严重。经诊断为非丝状菌污泥膨胀。
3、原因分析
3.1、进水水质冲击负荷
该污水处理厂实际进水水质与设计值有较大的偏差。由于当时设计考虑的是处理城市生活污水，而实际进水中工业废水占了相当大的比例，使进水水质相当复杂。表2为调试运行期间实际进水水质情况。
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由上表可看出实际进水BOD5及CODcr的均值在设计值的3倍以上，这使得有机物消解去除显得尤为重要。而实际中，BOD5及CODcr变幅波动相当大，造成了极大的水质冲击负荷。图2为进水BOD5和CODcr变化情况。 在调试过程初期系统受到了极大的冲击负荷。下图为3月24日~3月31日进水F/M及相应的SV30变化情况。从图5可以看出，在26日以前系统以中等负荷0.3~0.5kgBOD5/（kgMLSS.d）运行，SV30呈稳定增长趋势，27日增至20％。28日，F/M猛增至1.02，SV30于29日攀升至80%以上（图7），SVI至573.3mL/g，并一直居高不下（图8），呈现严重的污泥膨胀。
3.2、营养物
已有研究表明，进水中含有大量的溶解性有机物，使F/M太高，而进水中缺乏足够 的N、P等营养元素，或混合液中的DO不足时，细菌很快把大量有机物吸入体内，由于缺乏N、P或由于DO不足，又不能在体内进行正常的分解代谢，细菌就向体内分泌过量的多糖类物质，这些物质由于含有氢氧基而具有较强的亲水性，使活性污泥结合水高达400%，呈粘性的凝胶状，产生高粘性污泥膨胀。
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考察出现污泥膨胀的前一段时间污水营养比BOD5：N：P=663.7：62：4.56=100：9.34：0.69，可见污水中N不缺少，而P含量甚少。污水中缺少足够的P来合成微生物细胞，生长受到限制，进水中大量的BOD5物质难以转化从而生成多糖类物质引发高粘性膨胀。镜检发现，发生膨胀时期表壳虫500个/L，楯纤虫60个/L，钟虫180个/L，活动性一般（4月28日）。可见此时生物相中以游泳型纤毛虫为主，而固着型纤毛虫很少。尽管进水BOD5充足，但是由于缺少P而没有转化为细胞物质。
3.3污泥浓度
活性污泥中粘性物质的生成与积累受污泥浓度（MLSS）和BOD5负荷的控制。当BOD5负荷量一定时，在低MLSS浓度时生成的粘性物质多；而当MLSS一定时，在BOD5负荷高时产生的粘性物质多。即活性污泥产生和积累粘性物质而引发高粘性污泥膨胀的条件是：低MLSS浓度和高BOD5负荷。实际调试运行中正是由于培菌初期MLSS浓度低以及进水负荷高引发了高粘性污泥膨胀。下图为调试期间MLSS增长情况。5月20日开始排泥，排泥初期排泥量较小，后逐渐加大到200m3/d，23日MLSS降到2900mg/L。
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图7 MLSS浓度变化
3.4、DO影响
在系统运行过程中，曾对DO进行密切监控。由于进水BOD5浓度高，尤其是夜间进水CODcr可高达3000~5000mg/L，故使系统DO长期处于不稳定状态。DO控制测点选取位置见图7。1#处为最高点测点，DO在1.0~2.5之间变化，2#为最低点测点，DO大部分时间在0.5mg/L以下。另外在每个转盘的前后都布置DO测点，以控制每一曝气段的DO水平。一般认为低的DO浓度是引起污泥膨胀的主要原因之一，然而该系统在高负荷低DO条件下并未出现丝状菌膨胀（镜检发现丝状菌始终丰度始终在c~d级之间）。也有研究表明，低的DO浓度并不是引起丝状菌膨胀的充分和必要条件。该厂出现的污泥膨胀实系高负荷F/M冲击，营养物缺乏所致，而并非低DO浓度。另外由于氧化沟前段设置厌氧段，设计是为除磷而设。实际上起着厌氧选择器的作用。按厌氧选择器分析认为：绝大部分种类的丝状菌（球衣菌）都是绝对好氧的，在绝对厌氧条件下将受到抑制，而绝大部分的菌胶团细菌为兼性菌，在厌氧状态下将进行厌氧代谢，继续增殖，故而能有效的抑制丝状菌污泥膨胀，实际观察也证实了这一点。
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3.5、污泥耗氧速率SOUR
检测污泥耗氧速率可以有效诊断污泥膨胀是否系中毒所致。污泥中毒可能是系统进水水质突然变化，某些物质如重金属、无机、有机物浓度远超过微生物所能承受的极限，活性污泥难以适应新的环境条件，其生长繁殖受到抑制，生物群体大量死亡，导致活性污泥活性降低，发生膨胀，影响出水水质。当侧沟出现大量云浪状污泥翻滚上浮时，曾对污泥耗氧速率进行检测，检测结果绘制成耗氧速率曲线图（见图8）。SOUR1、SOUR2分别为正常和发生膨胀时的污泥耗氧速率，膨胀后SOUR低于正常时的SOUR。然而分析污染源水质情况，工业废水中并未含有有毒重金属离子和有机物。实际上，微生物在代谢过程中受到了高浓度的有机废水的冲击。实践表明，进水BOD5负荷过高对微生物的新陈代谢有一定的抑制作用，这在一定程度上也增加了非丝状菌引起的污泥膨胀的严重性。
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图8 污泥耗氧速率比较
3.6、设备情况
污水处理厂最主要的设备是曝气设备。该厂选用的是奥贝尔氧化沟专利设备曝气转盘，该厂采用曝气转盘进行运行调试时出现了以下异常的现象。最明显的是主沟污泥有点发黑，表面溶解氧有时高达4.0mg/l，而其充氧量单组42片转碟仅50kgO2/h，显然充氧量不够。其次是主沟内混合液沿深度方向污泥浓度相差较大。表面污泥浓度与约深3.5m污泥浓度差最高达600~700mg/l，混合液混合程度不好。对于氧化沟这种特殊的活性污泥法而言，混合作用比充氧作用更为重要。而一旦混合不均匀，沟内污泥沉积较严重，污水与泥就不能很好的接触，不仅影响污水的处理效果，更为严重的是时间一长，还会因DO不足，使积泥出现更为严重的污泥膨胀问题。
4、解决途径
4.1、降低进水负荷
进水负荷高是该厂发生污泥膨胀的直接原因。进水流量Q、进水BOD5浓度、及污泥浓度MLSS都对F/M产生影响。在调试初期，进水BOD5及MLSS不是人为能够直接控制的，工艺人员只能通过调节进水水量来调节进水的BOD5负荷。在调试初期，流量一度升至最大流量。发生膨胀后，流量则根据每天的F/M严格控制在1/5～2/5Q设之间，使系统负荷在中等负荷之间运行。在MLSS达到一定数量后再逐渐增大水量，并继续降低负荷至0.1～0.2之间。另外发现上午测得污泥沉降比往往高于下午SV30值，上午8：30取样所测CODcr值高于下午14：00所测CODcr值。可见夜间来水水质相当复杂，对系统造成很大的的冲击负荷。所以对夜间来水进行了严格控制。
4.2、DO控制
由于进水负荷高，使得氧化沟内DO难以提升。调试过程中，在控制进水负荷F/M，减少进水量的同时，时刻注意DO浓度的变化。增开曝气转盘，并辅以短时间的闷曝，间隙进水，使DO浓度有效控制在2.0mg/L左右。在发生膨胀前，氧化沟DO一度降低至1.0mg/L左右。镜检发现钟虫头部产生头顶气泡，且钟虫数量少，仅120个/L（4月29日）。但是通过减少进水量，降低进水负荷后，氧化沟内DO很快上升，最高点（图7中1＃位置）平均在2.5～3.5mg/L之间。最低点（图7中2＃位置）也在0.5～1.5mg/L之间。
4.3、排泥控制
在活性污泥培养初期产生了严重的污泥膨胀后，不宜直接采用排泥来降低SV30，因为此时MLSS浓度仅1000～1200mg/L。实际上在前期发生污泥膨胀后，即对系统进行了有效的F/M及DO控制，膨胀未继续恶化，侧沟云浪状污泥上浮也很快消失。但SV30一直居高不下，造成膨胀的隐患。这是由于已经膨胀了的污泥积累在氧化沟内，未得到有效的排除，所以一直影响着氧化沟内污泥的性能。一般污泥膨胀发生速度很快，只要2～3天，而膨胀污泥的恢复很缓慢，往往需要3倍泥龄以上的时间。通过排泥，将氧化沟内积累的大量沉降性能极差污泥及时排走，实践证明这是一种有效降低SV30，改善污泥沉降性能的方法。图11和图12是排泥后（4月20日开始排泥）SV30和SVI的变化情况。可见，排泥后污泥的沉降性能以及污泥指数都得到了很大的改善。
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5、小结
1、高粘性污泥膨胀的成因是：细菌不能分解代谢过量的有机物而分泌过量含大量亲水基团的多糖类物质，从而使泥水不能进行有效的分离。
2、引起污泥高粘性膨胀的原因有许多方面，本文结合实际工程，从进水BOD5负荷、水质冲击负荷、营养物、DO、污泥耗氧速率等几方面，对高粘性污泥膨胀的成因进行了系统的分析。低MLSS浓度和高BOD5负荷条件容易引发活性污泥高粘性污泥膨胀。
3、根据分析的膨胀原因，采取控制进水量降低进水负荷，控制曝气（DO）使氧化沟内DO充分，并适当排泥等措施，使污泥膨胀能得到很好的控制，污泥恢复正常。
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