污泥膨脹及其控制
活性污泥膨脹問題在實際污水處理工程中經常遇到。人們對其成因也作了相當多的研究。在早期的研究中人們對廢水水質、運行條件和絲狀菌過度生長之間的關系非常關注。對于水質的影響，大多數研究者認為常常水質及負荷的變化也會導致污泥膨脹。
筆者曾在山東某污水處理廠參與調試運行，對其調試運行過程中出現的污泥膨脹問題作了必要的分析，并提出了相應的控制對策
1、工程概況
該污水處理廠采用側溝式一體化氧化溝工藝，其工藝流程如圖1：
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工程一期設計規模25000m3/d，分兩組，每組12500m3/d。考慮到除磷的要求，在氧化溝前段置厭氧段。設計總停留時間16h，氧化溝有效容積8500m3，有效水深4.1m，溝寬10.5m。設計污泥濃度MLSS=4000mg/L，污泥負荷F/M=0.046kgBOD5/（kgMLVSS.d）。主要設備包括：曝氣轉盤ZP-9-1400，每組4臺，功率37kW；7.5kW水下推動器每組3臺，設置在主溝；2.2kW水下攪拌器1臺于厭氧區。設計采用厭氧、好氧兩區共壁合建，使整體結構緊湊，又有較好的能量分區。設計進出水水質如下：
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2、調試啟動情況
該廠自2003年3月12日開始調試運行。前期投加大量糞便污水，并投加活性污泥接種，效果較顯著。到3月20日出現少量活性污泥絮體，一周后MLSS達1083mg/L，SV30增至10%，進水BOD5負荷在0.22~0.39之間。28日，由于進水水量由原先1/4、1/2流量增加至設計流量以及BOD5大幅變化，使得進水負荷高達1.02 kgBOD5/（kgMLSS.d），隨后幾天負荷也居高不下，31日SV30猛增至86%（當地工業廢水未加控制進入）。觀察污泥細碎、松散、蜂窩狀小而少。鏡檢發現絲狀菌豐度為d級，鐘蟲數量500~1200個/ml，活動性差。側溝出現云浪狀污泥上浮，并隨水流走，跑泥嚴重。經診斷為非絲狀菌污泥膨脹。
3、原因分析
3.1、進水水質沖擊負荷
該污水處理廠實際進水水質與設計值有較大的偏差。由于當時設計考慮的是處理城市生活污水，而實際進水中工業廢水占了相當大的比例，使進水水質相當復雜。表2為調試運行期間實際進水水質情況。
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由上表可看出實際進水BOD5及CODcr的均值在設計值的3倍以上，這使得有機物消解去除顯得尤為重要。而實際中，BOD5及CODcr變幅波動相當大，造成了極大的水質沖擊負荷。圖2為進水BOD5和CODcr變化情況。 在調試過程初期系統受到了極大的沖擊負荷。下圖為3月24日~3月31日進水F/M及相應的SV30變化情況。從圖5可以看出，在26日以前系統以中等負荷0.3~0.5kgBOD5/（kgMLSS.d）運行，SV30呈穩定增長趨勢，27日增至20％。28日，F/M猛增至1.02，SV30于29日攀升至80%以上（圖7），SVI至573.3mL/g，并一直居高不下（圖8），呈現嚴重的污泥膨脹。
3.2、營養物
已有研究表明，進水中含有大量的溶解性有機物，使F/M太高，而進水中缺乏足夠 的N、P等營養元素，或混合液中的DO不足時，細菌很快把大量有機物吸入體內，由于缺乏N、P或由于DO不足，又不能在體內進行正常的分解代謝，細菌就向體內分泌過量的多糖類物質，這些物質由于含有氫氧基而具有較強的親水性，使活性污泥結合水高達400%，呈粘性的凝膠狀，產生高粘性污泥膨脹。
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考察出現污泥膨脹的前一段時間污水營養比BOD5：N：P=663.7：62：4.56=100：9.34：0.69，可見污水中N不缺少，而P含量甚少。污水中缺少足夠的P來合成微生物細胞，生長受到限制，進水中大量的BOD5物質難以轉化從而生成多糖類物質引發高粘性膨脹。鏡檢發現，發生膨脹時期表殼蟲500個/L，楯纖蟲60個/L，鐘蟲180個/L，活動性一般（4月28日）。可見此時生物相中以游泳型纖毛蟲為主，而固著型纖毛蟲很少。盡管進水BOD5充足，但是由于缺少P而沒有轉化為細胞物質。
3.3污泥濃度
活性污泥中粘性物質的生成與積累受污泥濃度（MLSS）和BOD5負荷的控制。當BOD5負荷量一定時，在低MLSS濃度時生成的粘性物質多；而當MLSS一定時，在BOD5負荷高時產生的粘性物質多。即活性污泥產生和積累粘性物質而引發高粘性污泥膨脹的條件是：低MLSS濃度和高BOD5負荷。實際調試運行中正是由于培菌初期MLSS濃度低以及進水負荷高引發了高粘性污泥膨脹。下圖為調試期間MLSS增長情況。5月20日開始排泥，排泥初期排泥量較小，后逐漸加大到200m3/d，23日MLSS降到2900mg/L。
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圖7 MLSS濃度變化
3.4、DO影響
在系統運行過程中，曾對DO進行密切監控。由于進水BOD5濃度高，尤其是夜間進水CODcr可高達3000~5000mg/L，故使系統DO長期處于不穩定狀態。DO控制測點選取位置見圖7。1#處為最高點測點，DO在1.0~2.5之間變化，2#為最低點測點，DO大部分時間在0.5mg/L以下。另外在每個轉盤的前后都布置DO測點，以控制每一曝氣段的DO水平。一般認為低的DO濃度是引起污泥膨脹的主要原因之一，然而該系統在高負荷低DO條件下并未出現絲狀菌膨脹（鏡檢發現絲狀菌始終豐度始終在c~d級之間）。也有研究表明，低的DO濃度并不是引起絲狀菌膨脹的充分和必要條件。該廠出現的污泥膨脹實系高負荷F/M沖擊，營養物缺乏所致，而并非低DO濃度。另外由于氧化溝前段設置厭氧段，設計是為除磷而設。實際上起著厭氧選擇器的作用。按厭氧選擇器分析認為：絕大部分種類的絲狀菌（球衣菌）都是絕對好氧的，在絕對厭氧條件下將受到抑制，而絕大部分的菌膠團細菌為兼性菌，在厭氧狀態下將進行厭氧代謝，繼續增殖，故而能有效的抑制絲狀菌污泥膨脹，實際觀察也證實了這一點。
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3.5、污泥耗氧速率SOUR
檢測污泥耗氧速率可以有效診斷污泥膨脹是否系中毒所致。污泥中毒可能是系統進水水質突然變化，某些物質如重金屬、無機、有機物濃度遠超過微生物所能承受的極限，活性污泥難以適應新的環境條件，其生長繁殖受到抑制，生物群體大量死亡，導致活性污泥活性降低，發生膨脹，影響出水水質。當側溝出現大量云浪狀污泥翻滾上浮時，曾對污泥耗氧速率進行檢測，檢測結果繪制成耗氧速率曲線圖（見圖8）。SOUR1、SOUR2分別為正常和發生膨脹時的污泥耗氧速率，膨脹后SOUR低于正常時的SOUR。然而分析污染源水質情況，工業廢水中并未含有有毒重金屬離子和有機物。實際上，微生物在代謝過程中受到了高濃度的有機廢水的沖擊。實踐表明，進水BOD5負荷過高對微生物的新陳代謝有一定的抑制作用，這在一定程度上也增加了非絲狀菌引起的污泥膨脹的嚴重性。
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圖8 污泥耗氧速率比較
3.6、設備情況
污水處理廠最主要的設備是曝氣設備。該廠選用的是奧貝爾氧化溝專利設備曝氣轉盤，該廠采用曝氣轉盤進行運行調試時出現了以下異常的現象。最明顯的是主溝污泥有點發黑，表面溶解氧有時高達4.0mg/l，而其充氧量單組42片轉碟僅50kgO2/h，顯然充氧量不夠。其次是主溝內混合液沿深度方向污泥濃度相差較大。表面污泥濃度與約深3.5m污泥濃度差最高達600~700mg/l，混合液混合程度不好。對于氧化溝這種特殊的活性污泥法而言，混合作用比充氧作用更為重要。而一旦混合不均勻，溝內污泥沉積較嚴重，污水與泥就不能很好的接觸，不僅影響污水的處理效果，更為嚴重的是時間一長，還會因DO不足，使積泥出現更為嚴重的污泥膨脹問題。
4、解決途徑
4.1、降低進水負荷
進水負荷高是該廠發生污泥膨脹的直接原因。進水流量Q、進水BOD5濃度、及污泥濃度MLSS都對F/M產生影響。在調試初期，進水BOD5及MLSS不是人為能夠直接控制的，工藝人員只能通過調節進水水量來調節進水的BOD5負荷。在調試初期，流量一度升至最大流量。發生膨脹后，流量則根據每天的F/M嚴格控制在1/5～2/5Q設之間，使系統負荷在中等負荷之間運行。在MLSS達到一定數量后再逐漸增大水量，并繼續降低負荷至0.1～0.2之間。另外發現上午測得污泥沉降比往往高于下午SV30值，上午8：30取樣所測CODcr值高于下午14：00所測CODcr值。可見夜間來水水質相當復雜，對系統造成很大的的沖擊負荷。所以對夜間來水進行了嚴格控制。
4.2、DO控制
由于進水負荷高，使得氧化溝內DO難以提升。調試過程中，在控制進水負荷F/M，減少進水量的同時，時刻注意DO濃度的變化。增開曝氣轉盤，并輔以短時間的悶曝，間隙進水，使DO濃度有效控制在2.0mg/L左右。在發生膨脹前，氧化溝DO一度降低至1.0mg/L左右。鏡檢發現鐘蟲頭部產生頭頂氣泡，且鐘蟲數量少，僅120個/L（4月29日）。但是通過減少進水量，降低進水負荷后，氧化溝內DO很快上升，最高點（圖7中1＃位置）平均在2.5～3.5mg/L之間。最低點（圖7中2＃位置）也在0.5～1.5mg/L之間。
4.3、排泥控制
在活性污泥培養初期產生了嚴重的污泥膨脹后，不宜直接采用排泥來降低SV30，因為此時MLSS濃度僅1000～1200mg/L。實際上在前期發生污泥膨脹后，即對系統進行了有效的F/M及DO控制，膨脹未繼續惡化，側溝云浪狀污泥上浮也很快消失。但SV30一直居高不下，造成膨脹的隱患。這是由于已經膨脹了的污泥積累在氧化溝內，未得到有效的排除，所以一直影響著氧化溝內污泥的性能。一般污泥膨脹發生速度很快，只要2～3天，而膨脹污泥的恢復很緩慢，往往需要3倍泥齡以上的時間。通過排泥，將氧化溝內積累的大量沉降性能極差污泥及時排走，實踐證明這是一種有效降低SV30，改善污泥沉降性能的方法。圖11和圖12是排泥后（4月20日開始排泥）SV30和SVI的變化情況。可見，排泥后污泥的沉降性能以及污泥指數都得到了很大的改善。
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5、小結
1、高粘性污泥膨脹的成因是：細菌不能分解代謝過量的有機物而分泌過量含大量親水基團的多糖類物質，從而使泥水不能進行有效的分離。
2、引起污泥高粘性膨脹的原因有許多方面，本文結合實際工程，從進水BOD5負荷、水質沖擊負荷、營養物、DO、污泥耗氧速率等幾方面，對高粘性污泥膨脹的成因進行了系統的分析。低MLSS濃度和高BOD5負荷條件容易引發活性污泥高粘性污泥膨脹。
3、根據分析的膨脹原因，采取控制進水量降低進水負荷，控制曝氣（DO）使氧化溝內DO充分，并適當排泥等措施，使污泥膨脹能得到很好的控制，污泥恢復正常。
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