第1章 活性污泥
目前全世界广泛使用的污水处理活性污泥工艺.是英国EdwArdArden与WilliAmT Lockettf于1914年发明的.并首次使用 “活性污泥 ”这个术语.用其指代从曝气的污水中沉淀.再回流到处理工艺中的生物固体[1].活性污泥是悬浮的絮状微生物.这些微生物主要包括细菌、真菌、原生动物和轮虫.微生物干重的95%或更高是有机物.活性污泥中的微生物的70% ~90%是有机物.这些有机组分通常用经验公式C5H7O2NP02表达.也有一些文献中表达为C5H9O25NP02和C60H87O22N12P.无机物包括钾、钠、锰、硫、钙、铁和其他微量元素.
活性污泥中微生物的数量受污水的构成、微生物生长的速度、电子受体、pH、水温、沉降、絮凝、絮体的性能等因素的影响.
11 悬浮生长的活性污泥的形状、结构和构成
不同的工艺条件下.污泥的形状存在区别.对于悬浮生长的活性污泥.处理厂运行正常状况下.活性污泥的污泥絮粒大.边缘清晰.结构紧密.呈封闭状.具有良好的吸附和沉降性能.絮粒以菌胶团细菌为骨架.穿插生长一些丝状菌.丝状菌数量远少于菌胶团细菌.微型动物以固着类纤毛虫为主.如钟虫、盖纤虫、累枝虫等.还可见到檐纤虫在絮粒上爬动.偶尔可看到少量的游动纤毛虫等.轮虫生长活跃.污水处理厂运行出现异常情况时.污泥出现絮体结构松散.絮粒变小.观察到大量的游动型纤毛虫类 (豆形虫属、肾形虫属、草履虫属、波多虫属、滴虫属等 )生物、肉足类生物 (变形虫属和简便虫属等 )急剧增加的生物相.出现这种生物相时.污泥沉降性差.影响泥水分离[2].絮体污泥结构形态大致可分为四类.Ⅰ型:致密、细小.看不到丝状菌为骨架的污泥. Ⅱ型:有明显丝状骨架、呈长条形的污泥. Ⅲ型:厚实、具有网状结构的巨型污泥. Ⅳ型:有孔洞结构的巨型污泥.许多絮体可以同时具有 Ⅱ型、 Ⅲ型、 Ⅳ型污泥的多种特征.在絮体中心部分为孔洞结构.向四周伸展的长条形污泥相互搭接形成网状结构.最外侧则可见新伸出的骨架丝状菌[3].从污泥的形态可以判断其形成过程为 :结构丝状菌交织生长.菌胶团附着其上形成新生污泥.新生污泥逐渐成熟形成条状、网状污泥.在氧和营养物充足的条件下.网状污泥的菌胶团增粗.网孔逐渐变小形成孔洞状.最后孔洞被填实.而伸出的结构丝状菌为菌胶团提供了新的附着面.包裹形成新的条状污泥.条状污泥相互交织又形成新的网状污泥.重复上述过程.形成更大的污泥絮体.具有良好结构的活性污泥絮体以结构丝状菌为骨架.菌胶团附着于其上.结构丝状菌喜好缺氧状态.在菌胶团的附着下.不断生长伸长.形成条状和网状污泥.没有丝状菌为骨架的絮体颗粒很小.
活性污泥絮体通常呈现出高度不规则形状.从单个细菌(1 ~3μm)到大于1000μm的聚集体.粒径分布具有统计规律.活性污泥絮体粒径分布整体服从幂指数定律模型或Rosin ̄RAmmler模型.大于10μm的絮体粒子粒径分布服从对数 ̄正态模型[4].
采用分子生物学技术和方法.证实了活性污泥中主要的细菌菌群包括变形菌门中的β ̄.α ̄.γ ̄变形菌纲 (β ̄.α ̄. γ ̄ProteobActeriA)、拟杆菌门(BActemidetes)等[5].具体的菌属有假单胞菌属、菌胶团、无色 (杆)菌属、产黄菌属、诺卡菌属、分枝杆菌属.以及两种硝化细菌 (亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属).此外还有各种丝状菌.包括球衣菌属、贝日阿托氏菌属、发硫菌属、地丝菌属等.这些细菌除具有生物氧化的作用外.在细菌表面吸附性能、形成生物絮体上发挥
作用[4].
12 活性污泥絮体形成的机理
通过对活性污泥絮凝体形成机理进行广泛深入的研究.发现活性污泥生物絮体是一种复杂的生物聚合体.包括细菌、有机物和无机物.针对的研究对象不同.形成了不同的理论.具体有DLVO理论、疏水作用力理论和胞外聚合物架桥理论等.
12 1 DLVO理论
DLVO理论最早是由Derjguin、LAndAn、Venwey、Overbeek四人于20世纪40年代初提出并发展的[6.7].比较完善地解释了胶体溶液稳定性.以溶胶粒子之间的范德华吸引力和静电排斥力为理论基础.而这两种作用力的大小又取决于溶液的电解质浓度、粒子的表面性质、带电性等.通过测定ZetA电位、接触角、显微成像等方法.可以定量描述体系的稳定性.
经典DLVO理论认为范德华吸附项与静电排斥项在不同的作用距离下表现出不同的作用位能.当粒子逐渐接近时.首先是排斥位能起作用.如果粒子能克服排斥位能进一步靠拢.范德华吸引位能逐渐起到作用.粒子越接近.排斥位能的影响越显著.两者的不断平衡得到总的DLVO位能曲线.DLVO位能曲线上的最高点.称为斥力势垒.只有粒子的动能越过这一势垒才能发生聚沉.因此势垒的高低表征着体系稳定性的高低.另外.在一些体系的位能曲线上还会出现两个最低位能穴.若粒子动能较大.越过势垒.就进入第一最低位能点.体系产生聚沉.如果粒子动能不足以越过势垒.粒子经过碰撞落入第二最低位能点.粒子间就处于一种动态的平衡.外界条件稍有变化.体系粒子又会相互分离.因此.在第一最低位能点的粒子能形成紧密、稳定的沉淀.而第二最低位能点下所形成的体系是疏松、不牢固的[8].
12 2 疏水性作用理论
疏水性作用是指两疏水表面之间的吸引力.考兹曼(KAuzmAnn)于1959年指出为了减少暴露在水中的非极性表面积.任何两个在水中的非极性表面积将倾向于结合在一起.两疏水表面之间的作用力不能简单地用范德华力解释.疏水作用对于活性污泥絮体絮凝沉淀过程起重要作用.污泥沉降性能和絮体疏水性成正比关系[9].疏水细菌优先黏附在絮体上.活性污泥絮体可以吸附水溶性的有机物质.在活性污泥系统中可以观测到疏水性细胞存在.且受细胞生理学特性及溶解氧浓度的影响等[10].
12 3 胞外聚合物架桥理论
McKinney (1956)首次提出胞外多糖是诱导污泥絮凝的原因[11].Tenney(1965)、Busch (1968)提出胞外高分子聚合物 “架桥 ”的絮凝模型[12.13].根据这种理论.细菌在内源呼吸期所产生的胞外长链高分子聚合物在细胞之间起联结作用.使细胞聚集到一起而沉降.这种模型与LAMer和HeAly于1963年提出的无机颗粒絮凝沉降相类似[14].Li和GAnzArczyk于1990年在活性污泥内部.观察到
大量的EPA[15].
胞外聚合物(extrAcellulArpolymericsubstAnces.EPS)在微生物表面一般由结合型EPS (boundEPS)和溶解型EPS (solubleEPS)组成.结合型EPS在细胞外的分布呈现为具有流变性的双层结构.内层具有一定外形.与细胞表面结合较紧密.相对稳定地附着于细胞壁外.称为紧密结合EPS.外层则是比内层疏松、可向周围环境扩散、无明显边缘的黏液层.该层为松散结合EPS[16].EPS覆盖在微生物的表面.可以通过与二价离子之间的静电作用和桥接作用使微生物结合在一起.同时EPS中聚合物链的纠缠对微生物之间的吸附作用同样做出了巨大的贡献.另外.EPS也是决定微生物聚集体表面性质的关键物质.EPS的成分及数量必然影响着微生物聚集体的传质表面特性、絮凝性、沉降性能及脱水性能等.松散结合EPS对活性污泥絮凝性能影响很大.其含量和出水悬浮物(SS)浓度及污泥体积指数(SVI)呈正相关[17].但Liu等认为[18].LBEPS (LoosdyboundEPS.结合态EPS外层 )的增加降低了污泥的ZetA电位.因此推测LBEPS有利于活性污泥的絮凝.
12 4 丝状菌骨架理论
丝状菌骨架理论模型分为微观结构的模型和宏观结构的模型.微观结构定义为微生物黏附、聚集和絮凝的过程.没有微生物的彼此黏结.聚集成大的微生物聚集体.就无法形成活性污泥.这是活性污泥絮体形成的基础.宏观结构定义为丝状菌是絮体的骨架.为絮体的形成提供骨架结构性支撑.保证絮体的强度和完成性.UrbAin等[19]提出所有的活性污泥系统都有丝状菌.丝状菌与污泥沉淀性能没有必然联系.
12 5 藻酸盐理论
藻酸盐凝胶理论认为藻酸盐凝胶形成了絮体的骨架[20.21].藻酸盐是多糖高分子聚合物.由两种单体组成.1.4 ̄链接 ̄L ̄酸和D ̄甘露糖醛酸[5].这种独特的多糖结构.在有钙离子存在时形成藻酸盐凝胶.这种凝胶具有典型的蛋壳型结构.在活性污泥中确定能够产生藻酸盐的细菌有固氮菌属和绿脓假单胞菌属.这个理论被认为从属于单价离子架桥理论和高分子架桥理论.
13 活性污泥系统污泥膨胀
目前关于污泥膨胀还没有统一的概念.不同的学者有不同的见解.张自杰等认为 “当污泥变质时.污泥不易沉淀.SVI值增大.污泥的结构松散和体积膨胀.含水率上升.澄清液稀少 (但较清澈).颜色也有异变.这就是 “污泥膨胀”[22].Eikelboom和Buijsen将污泥膨胀定义为由于丝状菌或者菌胶团细菌的过量生长而使污泥沉降速率变慢.压缩性能变差[23].张相忠和王淑莹的定义为 “一般认为当活性污泥沉降性变差、污泥松散、不密实、SVI大于150mLg-1或区域沉降速率小于12mh-1(MLSS=3500mgL-1 )时即为污泥膨胀.丝状菌过量繁殖时.一般将丝状菌长度大于104mg-1的污泥划为膨胀污泥[24]”.NovAk认为污泥膨胀是一种活性污泥沉降速率缓慢、污泥絮体压缩性能恶化的状态.上述定义虽不尽相同.各有侧重.但都强调了污泥絮凝性能变差、沉降速率缓慢.在正常沉淀时间内不能顺利实现泥水分离的事实.这是污泥膨胀的基本特点.这点对于无论何种类型的污泥膨胀都是适用的.
活性污泥絮体是由菌胶团和丝状菌组成的.丝状菌作为污泥絮体的骨架.菌胶团依附在骨架上生长.同时也可能有某些原生动物附着其上.菌胶团和丝状菌在数量上保持动态平衡.才能保证活性污泥的污染物降解能力和絮凝沉降性能.这两种不同形态的微生物异常生长或异常代谢时就可能引起不同类型的污泥膨胀.基于此.活性污泥膨胀可以大致分为两种类型 :丝状菌污泥膨胀(filAmentousbulking)和黏性污泥膨胀(viscousbulking).
丝状菌污泥膨胀是由于污泥絮体中丝状菌在一些因素诱导下过度增殖.菌胶团和丝状菌之间数量上维持的平衡关系被打破.大量的丝状菌伸出污泥絮体表面之外.甚至独立于菌胶团生长.污泥结构松散.难以絮凝.导致污泥沉降性能恶化.SV和SVI值升高.活性污泥和处理后出水难分离.PlAm等指出当污泥絮体中丝状菌的含量大于1%~20%时.就能引起丝状菌污泥膨胀[25].Eikelboom和RichArd等调查认为污水中至少存在30种的丝状菌.而且这些丝状菌中有的并不引起污泥膨胀.同时不同进水水质的污水处理厂出现的丝状菌不相同[26.27].一般地.微丝菌 (MicrothrixpArvicellA)、Eikelboom021N型菌、0041型菌、1701型菌、链丝菌属 (Streptothrix)、球衣菌属 (SphAerotilus )等是引起丝状菌污泥膨胀的主要菌属[28].丝状菌污泥膨胀发生十分普遍.一般占污泥膨胀的90%以上.因此一般所说的污泥膨胀指的就是丝状菌污泥膨胀.目前大多数的研究工作都集中在对丝状菌污泥膨胀的研究上.对其成因、机理、预防控制以及利用的研究报道较多.初步获得了一系列研究成果.
黏性污泥膨胀不存在丝状菌或者菌胶团的过量增殖.而是菌胶团在一些外在因素的刺激下生理代谢过程出现异常.大量分泌高黏性、亲水性的多糖类物质 (如葡萄糖、甘露糖等 )[29].这些高亲水性物质蓄积在污泥絮体表面.与水形成一种状态稳定的胶体.污泥结合水高达400%.污泥体积膨胀.密度减小.压缩性能恶化.沉降速率缓慢.SVI值升高.发生黏性污泥膨胀的系统有的仅有少量的短丝状菌.有时甚至使用DGGE (denAturinggrAdientgelelectrophoresis.变性梯度胶体电泳 )的方法也检测不出丝状菌.因此也称非丝状菌污泥膨胀(non ̄filAmentousbulking)或菌胶团污泥膨胀(zoogloeAbulking)[30].黏性污泥膨胀发生相对较少.发生次数一般占污泥膨胀总数的10%以下.
自从Arden和Lockett在1914年提出了活性污泥消减污水中的污染物工艺以来.以活性污泥为核心的污水处理技术遍布全世界.但是污泥膨胀始终没有得到有效的控制.研究开发能够抑制污泥膨胀的技术已经成为活性污泥系统进一步普及应用的核心问题.本书将在后面的章节中介绍有效抑制污泥膨胀的技术措施.
参考文献
[1]ArdernE.LockettWT ExperimentsontheoxidAtionofsewAgewithouttheAidoffilters JournAloftheSocietyofChemicAlIndustry.1914.33 (10):523 ̄539
[2]李艳华.马学军 城镇生活污水处理厂活性污泥性状与微生物关系浅析 河北环境科学
(增刊).2011:124 ̄126
[3]ShengGP.YuHQ ChemicAl ̄equilibrium ̄bAsedmodelfordescribingthestrengthofsludge:TAkinghydrogen ̄producingsludgeAsAnexAmple EnvironmentAlScience&Technology.2006.40 (4):1280 ̄1285
[4] 肖慧慧.倪晋仁 城镇污水处理厂活性污泥细菌群落结构特征分析 应用基础与工程科学学报.2013.21 (3):522 ̄530
[5]WAgnerM.LoyA BActeriAlcommunitycompositionAndfunctioninsewAgetreAtmentsystems CurrentOpinioninBiotechnology.2002.13 (3):218 ̄227
[6]MAgArAY.NAmbuS.UtosAwAK BiochemicAlAndphysicAlpropertiesofAnActivAtedsludgeonsettlingchArActeristics WAterReseArch.1976.10 (1):71 ̄77
[7]OverbeekG.A ModeofActionofACTH IntArchAllergyApplImmunol.1952.3 (3):257
[8]陈宗淇.王光信.徐桂英 胶体与界面化学 北京 :高等教育出版社.2001
[9]UrbAinV.BlockJC.MAnemJ BioflocculAtioninActivAtedsludge:AnAnAlyticApproAch WAterReseArch.1993.27 (5):829 ̄838
[10]KAuzmAnnW SomefActorsintheinterpretAtionofproteindenAturAtion AdvAncesinProteinChemistry.1959.14:1 ̄63
[11]McKinneyRE BoilogicAlFlocculAtioninBiologicAlTreAtmentofSewAgeAdnIndustriAlWAstes NewYork:McGrAwHill.1956
[12] 刘壮.杨造燕.田淑媛 活性污泥胞外多聚物的研究进展 城市环境与城市生态.1999.12 (5):54 ̄57
[13] 姚毅 活性污泥的表面特性与其沉降性能的关系 中国给水排水.1996.12 (1):22 ̄26
[14] 方林 微波辐射改善污泥脱水性的研究 哈尔滨 :哈尔滨工业大学硕士学位论文.2004
[15]LiDH.GAnczArczykJJ StructureofActivAtedsludgefloes BiotechnologyAndBioengineering.1990.35 (1):57 ̄65
[16 ]ShengGP.YuHQ.LiXY StAbilityofsludgeflocsundersheArconditions:rolesofextrAcellulArpolymericsubstAnces(EPS ) BiotechnologyAndBioengineering.2006.93 (6):1095 ̄1102
[17]LiXY.YAngSF InfluenceoflooselyboundextrAcellulArpolymericsubstAnces (EPS)ontheflocculAtion.sedimentAtionAnddewAterAbilityofActivAtedsludge WAterReseArch.2007.41 (5):1022 ̄1030
[18]LiuXM.ShengGP.LuoHW ContributionofextrAcellulArpolymericsubstAnces (EPS)tothesludgeAggregAtion EnvironmentAlScience&Technology.2010.44 (11):4355 ̄4360
[19]UrbAinV.BlockJC.MAnemJ BioflocculAtioninActivAtedsludge:AnAnAlyticApproAch WAterReseArch.1993.27 (5):829 ̄838
[20]BruusJH.NielsenPH.KeidingK OnthestAbilityofActivAtedsludgeflocswithimplicAtionstodewAtering WAterReseArch.1992.26 (12):1597 ̄1604
[21]SAninFD.VesilindPA Syntheticsludge:AphysicAl /chemicAlmodelinunderstAndingbio ̄
展开