SBR法处理啤酒废水DO对丝状菌污泥膨胀的影响
摘 要: 溶解氧（DO）浓度是影响丝状菌污泥膨胀最重要的因素之一。选用具有代表性的啤酒废水为处理对象，研究了SBR工艺中DO浓度对丝状菌污泥膨胀的影响。结果表明：高DO浓度（4～6.5mg/L）不会导致丝状菌污泥膨胀；低DO浓度能引起丝状菌污泥膨胀，当DO浓度降低至.4mg/L时，SVI升高到210mL/g，会导致污泥膨胀发生。低DO浓度下污泥膨胀发生后，在较高的DO浓度条件下运行一定的周期数后，污泥膨胀能得到有效控制，使污泥沉降性能恢复到正常水平。
关键词:丝状菌污泥膨胀;SBR法;啤酒废水;DO;SVI
活性污泥法自从问世以来，丝状菌污泥膨胀（以下简称污泥膨胀）一直是困扰污水处理厂运行管理中的难题之一。污泥发生膨胀后不仅会导致污泥流失、出水水质恶化等现象，而且一旦发生就难以控制和恢复。近几十年来，国外在污泥膨胀的机理与控制方面做了很多研究，取得了较大进展[1]，尤其是在丝状菌的分离与种类鉴定上取得了丰硕的成果[2-3]。目前国内有通过投加药剂及调控影响污泥膨胀因子来控制污泥膨胀的报道[4-5]，也有学者从活性污泥结构、生物种群及生物反应动力学等方面进行了研究[6-8]。根据研究成果，能够导致污泥膨胀的因素有很多，如污水种类、污泥负荷、溶解氧浓度、pH值、氮磷营养物等等[9]，其中曝气池混合液中溶解氧（DO）浓度是最重要的因素之一。国内由于溶解氧浓度不足造成的污泥膨胀现象时有发生[10-11]。国外有关DO浓度对丝状菌污泥膨胀影响的研究报道中，得出的结论也不尽一致。Sezgin等人的研究发现，曝气池混合液中DO浓度小于1.0mg/L时会引起污泥膨胀[12]；德国一研究小组则认为，曝气池中DO浓度小于2.0mg/L时就会导致污泥膨胀；Benefield等人报道，高DO浓度会引起污泥膨胀[13]；Palm等人的研究结果表明，引起污泥膨胀的DO临界值与污泥负荷有关，只要溶解氧成为限制，任何条件下都可能发生污泥膨胀[14]。
啤酒废水是一种典型的工业废水，其处理设施在实际运行中常会发生污泥膨胀。本文利用SBR能够严格控制试验条件的特点，研究探讨了SBR法处理啤酒废水DO浓度对污泥膨胀的影响规律。
1 材料与方法
1.1 材料
试验装置及控制系统如图1 所示。SBR反应器为圆柱型， 有效容积为38L，底部采用微孔曝气头， 外部缠有电热丝并通过温控仪控制反应器内为恒温20℃，在线检测溶解氧浓度。进水方式为一次性加注。
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试验中采用SBR工艺，可以严格地控制试验条件，例如对进水底物浓度、起始污泥浓度、曝气量及反应时间的控制能做到非常精确。
在研究DO对污泥膨胀影响的试验中，对除DO以外的其它能够影响污泥膨胀的因素进行严格的控制，使其不能成为导致污泥膨胀的控制因素。为此，在本试验中：进水底物浓度为1000mg/L（CODCr）；BOD:N:P = 100:5:1；pH=6.5～8.5；MLSS = 2000mg/L。
1.2 方法
试验过程中，通过控制曝气量，分别将反应器内污泥混合液的DO浓度控制在高和低两种条件下，考察运行过程中活性污泥的沉降性能及出水水质的变化。当污泥膨胀发生后，调整污泥混合液的DO浓度，考察膨胀污泥的沉降性能恢复至正常水平的可能性。
2 结果与讨论
2.1 高DO浓度对污泥沉降性能的影响好氧曝气池内混合液中的DO浓度一般认为控制在2mg/L左右比较合适。为了考察高DO浓度对污泥沉降性能的影响，试验中控制反应器DO浓度在4～6.5mg/L并运行相当长的时间，试验结果如图2所示。从图2中可以看出，在DO=4～5mg/L时，污泥体积指数（SVI）稳定在85mL/g左右，当DO达到6.5mg/L时，SVI值反而略有下降，并且此时的上清液比较浑浊。这表明在啤酒废水底物降解过程中，高DO浓度并不利于丝状菌繁殖，由于污泥中丝状菌较少，使其絮体松散、脆弱，在较大的曝气量下，被分裂成为细小零碎的絮体，导致上清液浑浊。
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2.2 低DO浓度下的SVI变化规律
为了考察低DO浓度对活性污泥沉降性能的影响，在不同低DO浓度（DO=0.2～1.6mg/L）下进行了大量试验，图3是DO浓度从1.6mg/L逐渐降低时SVI的变化情况。试验结果表明，反应过程中，DO浓度低时能改变污泥沉降性能而引发污泥膨胀。在本试验条件下，当DO浓度降低至0.4mg/L时，SVI升高至210mL/g左右，导致污泥膨胀发生。在此之后，又进一步降低DO浓度，结果污泥膨胀进一步加剧。
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由以上的试验结果可以看出，反应过程中溶解氧浓度低时能够导致污泥膨胀的发生。对由于反应器混合液中溶解氧的缺乏而引起的丝状菌污泥膨胀，可称之为低溶解氧污泥膨胀。低溶解氧导致污泥膨胀的原因是由于在低溶解氧条件下丝状菌的过度繁殖引起的，这可以从微生物生长动力学上进行解释。Chudoba、Chieas等人认为[15-16]，丝状菌具有低的最大比生长速率µmax和饱和常数Ks，在碳源基质浓度很低时具有高的生长速率，而菌胶团细菌具有较高的µmax和Ks值，当碳源浓度较高时具有高的生长速率，这个理论很好地解释了低污泥负荷容易导致污泥膨胀的原因。然而，丝状菌和菌胶团细菌对溶解性碳源基质的竞争规律也适用于溶解氧，即在低溶解氧条件下，丝状菌在对溶解氧的竞争中获得优势而优先增长，从而最终导致污泥中丝状菌过度繁殖而发生丝状菌污泥膨胀。在本试验中，当DO浓度降低到0.4 mg/L时，活性污泥中丝状菌的生长速率高于菌胶团而占优，最终导致污泥中丝状菌过度繁殖而产生污泥膨胀。
2.3 不同SVI值下出水中COD及SS的变化
图4是在DO为2.0mg/L的条件下，反应器内污泥膨胀程度不同时出水COD及SS变化情况。可以看出，当随着SVI值的增大，出水COD及SS值下降，这表明丝状菌在活性污泥的构成中起到相当重要的作用。当活性污泥中丝状菌很少时，污泥絮体较小且松散，界层沉速较快，SVI值低，上清液却浑浊。当丝状菌在污泥中含量较高时，形成的污泥絮体较大且密实，上清液清澈，SS值较低。另外，由于菌胶团与丝状菌具有不同的µmax和Ks值，使丝状菌与菌胶团共生系统具有高的净化能力。本试验中，当SVI值达到160mL/g时，出水中COD及SS值分别从117mL/g和16mL/g降低至102mL/g和10mL/g。但是，如果丝状菌过多，会影响污泥的沉降及压实，使污泥具有较高的SVI值。因此，在实际运行中如何对曝气池进行环境调控，维持丝状菌在活性污泥中合适的比例尤为重要。
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2.4 膨胀污泥沉降性能的恢复
当低溶解氧污泥膨胀发生后，试验中大幅度提高反应器混合液中的DO值，并稳定运行相当长时间，污泥沉降性能逐渐得以恢复。图5为DO＝3mg/L的条件下，膨胀污泥SVI值从40mL/g逐渐降低到85mL/g左右时的试验结果。可以看出，在较高的DO浓度下，两种废水的SVI值逐渐降低至150mL/g以下。这表明：在低溶解氧下污泥膨胀发生后，通过提高DO浓度，可以控制污泥膨胀，使污泥沉降性能逐渐恢复到正常水平。
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3 结论
（1）在啤酒废水底物降解过程中，高DO浓度（4～6.5mg/L）不会导致丝状菌污泥膨胀，但曝气量过高会导致上清液浓度升高。
（2）低溶解氧浓度能导致丝状菌污泥膨胀。在本试验条件下，溶解氧浓度降低到0.4mg/L时，SVI升高到210mL/g，导致污泥膨胀发生。进一步降低溶解氧后，膨胀程度加剧。
（3）活性污泥中含有相当量的丝状菌，能使出水中SS和COD浓度降低。
（4）低DO浓度下污泥膨胀发生后，在较高的DO浓度条件下运行一定的周期数后，污泥膨胀能得到有效控制，使污泥沉降性能恢复到正常水平。
参考文献：
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