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1、活性污泥丝状菌膨胀控制的理论研究摘要本文对丝状菌污泥膨胀现象进行分析和综合，并在广义的Monod方程的基础上，提出了统一的污泥膨胀理论。该模型可以很好的解释基质限制、溶解氧限制、营养物缺乏型，高、低pH和硫化氢因素引起的五种类型主要活性污泥丝状菌膨胀。这包括了大部分的污泥膨胀现象。利用广义的Monod方程采用双基质限制(碳源和溶解氧)模型和系统动力学方程进行了计算机模拟研究。对负荷与溶解氧，水质和水量变化等因素对于菌胶团细菌和丝状菌的竞争关系的影响进行了深入的研究，并在此基础上对于不同的膨胀类型对应提出了对应的控制策略。关键词污泥膨胀 丝状菌 菌胶团菌 广义Monod方程The Theory
2、and Study for Filamentous Bacteria Caused Sludge Bulking ProblemsAbstract:In this paper, the analysis and summarize of filamentous bacteria caused sludge bulking phenomena have been conducted. Based on generalized Monod model, an unified theory for sludge bulking has been proposed. It has been found
3、 that generalized Monod model can well explain the substrate limiting, dissolved oxygen limiting, nutrients and trace elements deficiency, high and low pH and high sulfide concentration caused sludge bulking problems. These are included most kinds of sludge bulking phenomena. Based on the Monod mode
4、l for carbon and dissolved oxygen limiting, system kinetic equations are formulated, the computer simulation has conducted according to above models. The effects of loading rate, dissolved oxygen, variation of flow rate and concentration etc. factors on the competition relationship floc-forming bact
5、eria and filamentous bacteria have been studied intensively. According to the results of computer simulation, the different strategies for sludge bulking have proposed.Key Word：Sludge bulking，filamentous bacteria，floc-forming bacteria, Monod model一、污泥膨胀控制方法的演化过程早期控制丝状菌引起的污泥膨胀(简称污泥膨胀)的主要手段是利用丝状菌具有较大的
6、比表面积值，采用药剂杀死丝状菌，或是投加无机或有机混凝剂或助凝剂以增加污泥絮体的比重1。这些方法往往无法彻底解决污泥膨胀问题，并且相反地会带来出水水质恶化的不良后果。人们逐渐认识到活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌形成一个共生的微生物生态体系。在这种共生关系中，丝状微生物是不可缺少的重要微生物，其在活性污泥工艺中对于高效、稳定地净化污水起重要作用。人们逐渐的从简单地杀死丝状菌过渡到利用曝气池中的生长环境，调整丝状菌的比例，控制污泥膨胀的发生-即环境调控阶段。环境调控概念的使用是人们在污泥膨胀控制技术和实践上的一大进步。其主要出发点是使曝气池中的生态环境，有利于选择性地发展菌胶团细菌，应用生物竞争的
7、机制抑制丝状菌的过度生长和繁殖，将丝状菌控制在一个合理的范围之内，从而控制污泥膨胀的发生和发展。同时利用丝状菌特性净化污水，稳定处理工艺。近年选择器理论得到充分发展和应用就是这一概念具体体现23。二、统一的污泥膨胀的理论由于活性污泥是一混合培养系统，活性污泥是菌胶团细菌与丝状菌的共生系统，任何活性污泥系统中都存在着丝状茵。丝状菌也不仅仅是一种菌存在，活性污泥中存在着至少30种可能引起污泥膨胀的丝状菌，污泥膨胀的原因是复杂的。在丝状茵与菌胶团细菌平衡生长时，不会产生膨胀问题。只有当丝状茵生长超过菌胶团细菌时，就会出现膨胀问题。污泥膨胀是由丝状茵和菌胶团细菌生理和生化性质不同所决定的，这两类细菌性
8、质的差异见表1。表1 丝状菌与菌胶团细菌性质对比表1序号性质菌胶团菌参考值丝状菌参考值1最大生长率(max)高低 d-12基质亲合力(Ks)低64mg/l高40 mg/l3DO亲合力(KDO)低 mg/l高 mg/l4内源代谢率(Kd)高 d-1低 d-15产率系数(Y)高/g低 g/g6积累能力(A)高 低 7耐饥饿能力及贮存能力高 非常低通过对近年来活性污泥膨胀问题国内外研究进展的分析和综合，可以将主要的活性污泥丝状菌膨胀的原因分为五种类型：即a)基质限制；b)溶解氧限制；c)营养物缺乏型高；d)高、低pH引起； e) 和硫化氢因素等膨胀类型4。1. 广义的Monod方程丝状菌与菌胶团细菌
9、竞争的数学模型，其遵循多种基质限制的广义Monod方程，即Monod-McGee方程1maxS1/(K1+S1)S2/(K2+S2)Sn/(Kn+Sn)(1)其中：max：最大生长速率(d-1)；Ki:第I种基质亲和力(mg/l)；Si：第I种基质。根据动力学方程(1)可知，基质限制、溶解氧限制和营养物缺乏型的膨胀问题都可用广义Monod方程来加以解释。值得说明的是当氮严重缺乏时并不能归入这一理论。原因在于由于缺乏氮，使微生物不能充分利用碳源合成细胞物质，使得过量的碳源被转变为多糖类胞外贮存物，这种贮存物是高度亲水型化合物，从而形成结合水，影响污泥沉降性能，产生了高粘度性的膨胀，其类型不属于丝
10、状菌膨胀5。2. 硫化氢的等其他类型的问题关于pH的影响，可在动力学方程的参数上，作为动力学常数的乘积因子的形式进行耦合，或者单独列出其动力学方程，从而统一在广义Monod方程之下。关于H2S的影响，从文献中报道引起污泥膨胀的H2S数值很低，一般是在1/l5。笔者认为每升几毫克硫化氢似乎不足以供发硫菌或贝氏硫细菌大量增值的能量，相反几十到上百ppm的有机酸是值得注意的因素。我们进行了向污水中添加H2S的实验，通过实验发现即使H2S浓度达到 50mg/l也并不发生膨胀6。事实上，一些厌氧装置运转的较好，虽然出水含有大量H2S，但是挥发酸浓度很低时，好氧后处理也不发生膨胀。当污水处于腐败和厌氧条件
11、时，污水厌氧发酵的同时产生H2S和挥发酸。挥发酸主要包括乙酸、丙酸等，这些低分子易于降解，造成耗氧速率的增加7，从而引起氧的限制型膨胀，这是造成污泥膨胀的根本原因。而H2S的出现是污水厌氧发酵的一个伴随现象。因此H2S的膨胀类型可归为溶解氧限制类型的膨胀，从而广义的Monod动力学模型可以在一定程度上很好地统一污泥膨胀的理论。3. 双基质的Monod方程由于城市污水中N、P和其它营养元素一般不缺乏，因此在一般情况下，可只考虑碳源限制和DO限制两种情况。这样城市污水的丝状菌膨胀问题就简化为两种主要类型的膨胀问题，即基质限制和溶解氧限制类型。max S/(Ks+S)DO/KDO+DO (2)其中：
12、max：最大生长速率(d-1)；Ks:基质亲和力(mg/l)；KDO溶解氧亲和力(mg/l)；三、污泥膨胀数学模型的研究1、污泥膨胀的数学模型为了简化系统模型，数学模型的建立基于以下几个假设：1)活性污泥由两大数群微生物组成，即丝状菌和菌胶团菌；2)微生物生长主要受到碳源和DO限制；3)微生物生长的动力学可用同一基本模型来描述；4)曝气池是完全混合式；模型所描述的系统如图1所示。其中反应器1根据不同的实验目的，分别可以是选择器、曝气池等等，反应器2是曝气池。在没有选择器的系统中，回流污泥按虚线所示的途径回流。根据以上假设及图1中的物料平衡关系，可给出选择器和曝气池中基质(碳源和DO)和微生物(
13、菌胶团和丝状菌)的如下一组方程：对选择器有如下方程成立：对菌胶团菌：dX11/dt (1kd11/c) X11(3)对丝状菌：dX21/dt (2kd21/c) X21(4)对碳源基质：dS11/dt = Dk(S10+rS12)-(1r)D1S11-1X11/Y1-2X21/Y2(5)对溶解氧：dS21/dt -(1r)D1S21 +Kla(S2S-S21) -1X11/Y1-2X21/Y2(6)对曝气池有如下方程成立对菌胶团菌：dX12/dt (1r)D2(X11-X12)+(1kd1) X12(7)对丝状菌：dX22/dt (1r)D2(X21-X22)+(1kd1) X22(8)对碳源
14、基质：dX12/dt (1r)D2(S11-S12)-1X12/Y1-2X22/Y2(9)对溶解氧：dS22/dt (1r)D2(S21-S22)+Kla(S2s-S22) -1X12/Y1-2X22/Y2(10)其中： 状态变量：Xik=污泥浓度(mg/l)；Sjk基质浓度(mg/l)，i1,2分别代表菌胶团和丝状菌；j1,2分别代表碳源和DO；S10=碳源基质初始浓度(mg/l)； S2s饱和溶解氧浓度(mg/l)；操作变量：Dk稀释率(d-1) k1,2分别代表选择器和曝气池；r回流比；动力学常数：kdi衰减常数(d-1)；Yi产率系数(g/g)；Kla传质系数(min-1)；其常数见表
15、1；i= 比生长速率采用的双基质模型(方程2)，i1,2分别代表菌胶团和丝状菌；2. 曝气强度和负荷的影响图2是根据方程(3-10)的计算机模拟结果。从图2a可见丝状菌和菌胶团细菌的竞争优势是根据负荷而变化的。根据负荷的不同，可划分为三个不同阶段：低负荷阶段( COD/)这时溶解氧的供应是充分的出现基质限制的情况。高负荷阶段( COD/)由于主体溶液中的基质浓度比较高，出现溶解氧限制的情况。在这之间是中等负荷范围，在这一范围丝状菌与絮状菌处于合理的比例，系统不发生膨胀。以上结果解释了为什么在高、低负荷下都会发生污泥膨胀的原因。图2b是在有选择器条件下，不同曝气条件下(Kla)计算机模拟结果。上述的模拟结果同样表明即使在存在选择器的情况下，在低负荷和高负荷范围仍然会发生膨胀。膨胀的界限值与没有选择器的系统不同，对于完全混合曝气池界上、下限下移。对于高负荷系统高的曝气强度可以提高污泥膨胀发生的上限，但同样较低了低负荷系统发生膨胀的下限。从图2b可见对于中等负荷阶段如果供氧不充分，丝状菌仍有可能大量繁殖并形成膨胀。对于不同的曝气强度，两种微生物竞争优势发生转变的界限值是不同的。对于这就是双基质动力学方程与传统的单独碳源基质限制动力学方程
