北京市高碑店污水处理厂污泥膨胀的控制研究

张建新
（北京市高碑店污水处理厂）

1 前言

　　自从1914年Aldern和Lockett首次发明活性污泥法处理污水技术之后，到今天的七、八十年中，活性污泥工艺由于其处理出水水质好，工艺比较稳妥可靠，而且人们在长期的实践中，在设计和运行管理等方面也积累了丰富的经验，因此，活性污泥法得到广泛的应用。长期以来，它是各种废水处理，特别是城市污水处理工艺的主流。
　　但是伴随着活性污泥工艺的产生，污泥膨胀问题一直是运转管理中烦忧人们的最大难题之一。在污水处理比较普及的西方发达国家，象荷兰、德国、英国、美国，有30％～50％的污水处理厂都发生过不同程度的污泥膨胀问题。在我国污水处理起步较早的上海，几乎所有的城市污水处理厂和一些工业废水处理厂都存在一定程度的丝状菌膨胀问题。

2 概况

　　北京高碑店污水处理厂一期工程于九三年底建成并投入运行，设计处理能力50万吨/日，设计工艺为传统活性污泥法。从试运行到正式运行，处理水量逐年增加，从94年的日均处理污水25万吨至现在的日均处理污水50万吨，工艺运行一直比较稳定，出水水质达标，取得了良好的环境效益和社会效益。
　　高碑店污水处理厂虽然处理工艺比较成熟，但由于是一个大型污水处理厂，所以对工艺运行控制的要求就非常高，容易出现这样或那样的问题，处理这些问题的过程，正是我们提高运行管理水平的过程，同时这些经验也能对其它污水处理厂的运行起到参考作用。九八年二月中旬，高碑店污水厂发生了污泥膨胀现象，一发现问题，我们采到了相应措施，至四月下旬完全恢复正常。下面我们就此次出现的污泥膨胀问题的成因研究以及控制过程作一报告，以供参考。

3 污泥膨胀前运行状况

　　污泥膨胀是由于活性污泥中丝状菌异常增殖造成的，而丝状菌的增殖需要一个过程，同时由于该厂规模大，抗冲击能力强，发生污泥膨胀不是短期内就能形成的，会有一个较长时间的积累，所以，我们有必要对污泥膨胀前的一个月时间段运行状况作一回顾（以二系列为例）。
3.1 进水状况
　　（1）来水构成：
　　高碑店污水厂上游来水包括生活废水及东郊化工厂、酒精厂等工业废水，二者比例基本为1：1，即各占50％。经环保部门测定，水中重金属等有毒物质低于国家标准。
　　（2）来水水量：
　　高碑店污水厂上游污水收集管网收集到的污水总量据测算为80万吨/日，由于高污厂一期工程日处理能力仅为50万吨，故处理水量能稳定在50万吨/日，多余污水由上游溢流口排放。
　　（3）BOD₅值（如图1）：

　　从图1看到，曝气池进水BOD₅在98年1月份普遍偏低，基本上处于100mg/l以下，特别是从下旬开始，处于明显的下降趋势，最低曾达40mg/l。
　　（4）水温：
　　基本保持稳定在14℃～15℃之间。
　　（5）PH值：
　　保持在7.5左右。
3.2 曝气池参数

　　（1）污泥浓度（如图2）：
　　从图2看到，1月份污泥浓度处在较高的水平，维持在2000mg/l左右，从1月下旬到2月下旬呈现快速升高的趋势，最高达3500mg/l以上。

　　（2）污泥负荷（如图3）：
　　从图3看，从1月中、下旬开始，至2月上旬这段时间，污泥负荷呈下降趋势，基本都在0.1kgBOD₅/kgMLSS.d以下，最低曾达到0.05kgBOD₅/kgMLSS.d。
　　（3）污泥龄（如图4）：

　　从图4看1月中旬到1月底，污泥龄基本保持在9天左右，泥龄过长，表明污泥已部分老化，抗冲击能力差。
　　（4）溶解氧（如图5、6）：

　　从图5、图6看，从1月至2月上旬，溶解氧普遍偏高，缺氧段在0.4mg/l以上，好氧段在3mg/l以上。

　　（5）污泥沉降比（如图7）：
　　从图7看，从1月下旬到2月上旬呈现明显上升趋势，最高曾达30％以上，说明污泥沉降性能正在变差。

　　 （6）污泥指数（如图8）：
　　从图8看，1月开始污泥指数就一直呈现缓慢的上升趋势，表明污泥膨胀的发生趋势。
　　（7）回流比：
　　基本控制在70％左右。
　　（8）剩余污泥排放量：
　　控制在6000m³/d左右。
3.3 微生物镜检
　　根据每日运行报告的镜检内容发现，从1月中旬到2月上旬，微生物种类及数量呈减少趋势，但活性较好。活性污泥结构也逐渐变差，颜色逐渐发深灰色并有少量菌丝伸出，说明污泥活性及结构正在变差，已有发生丝状菌膨胀趋势。（见图片1）

3.4 二沉池出水
　　正常，比较清澈。

4 污泥膨胀发生时的主要现象

4.1二沉池反映现象
　　（1）沉面现象
　　在沉池池面上先出现零散的片状上浮污泥，并陆续蔓延至全池，该上浮污泥呈浅褐色，伴有大量细微泡沫，不易打散，加水稀释搅拌后仍不沉淀，无异常气味。（见图片2）。

　　 （2）出水非常清澈
4.2 曝气池反映现象
　　曝气池池面形成细微的暗褐色泡沫，取曝气池活性污泥做30分钟沉降比时，发现絮凝体沉速变慢，活性污泥的压缩性能变差。污泥容积指数急剧上升，缺氧段漂浮大量深褐色污泥，致使溶解氧测定无法进行。回流污泥面上由于搅拌产生的气泡大（乒乓球大小），且不容易破碎。（见图片3）

4.3 微生物镜检
　　进行微生物观察时，发现大量的菌丝伸出菌胶团，菌丝形状稍弯，无分枝，长度在50um～200um之间，直径在0.7～1.4um之间，菌丝上有部分附着物，内有横隔，污泥结构变差，其它指标微生物数量很少。（见图片4）

4.4 SVI
　　从图8中看出，SVI值从98年1月份开始缓慢上升趋势，从2月下旬至3月上旬呈加速上升趋势，最高达300以上，此段时间污泥膨胀程度最严重。

5 污泥膨胀成因及性质分析

5.1 污泥膨胀产生的研究理论
　　一般研究理论认为污泥膨胀的产生主要受以下三方面的因素影响。
　　（1）来水水质因素主要包括：
　　污水陈腐
　　营养物缺乏，不能维持BOD₅∶N∶P＝100∶5∶1 的比例关系
　　有毒物质偏高
　　（2）环境因素主要包括：
　　流量变化大，产生较大冲击负荷
　　PH值偏低
　　水温适宜25～30℃之间
　　（3）运转条件因素主要包括：
　　污泥负荷偏低，一般小于0.15KgBOD₅/kgMLSS.d
　　低溶解氧，小于1mg/l
　　污泥龄长，传统活性污泥龄超过7天
5.2 污泥膨胀中丝状菌种类及性质
　　（1）不同条件下膨胀污泥中占优势的丝状菌类群
　　有关研究列出下表：

环境条件 丝状菌种类 低负荷 微丝菌，诺卡氏菌，软发菌，0041型菌，0092型菌，0675型菌，0581型菌，0961型菌，0803型菌，021N型菌 底DO浓度 球衣菌，发硫细菌，1701型菌，021N型菌，1863型菌和软发菌 硫化物质 发硫细菌，贝氏硫细菌，1701型菌，021N型菌和球衣菌 营养不足（N,P） 发硫细菌，021N型菌和球衣菌 pH值 丝状真菌

　　 （2）常见丝状菌性质（见下表）

丝状菌

性质

1701 诺卡
氏菌 0041 021N 0092 软发菌 球衣菌 微丝菌 0581 1851 1863 硫丝菌 0603 N.limicola 0961 直径(μm) 0.7 0.7 1.4 1.2～2 0.6 0.7 1.0 0.6 0.5 0.7 1.0 0.9～1.3 0.8 1.1 1.0 长度(μm) 100 50 ≥200 ≥200 50～100 50 ≥200 100～200 50～100 100 50 50～100 50 100 100 形状 稍弯 稍弯 稍弯 卷曲 稍弯 直 稍弯 卷曲 卷曲 稍弯 稍弯 直 稍弯 卷曲 稍弯 位置 p p p p p p p p p p f p,f p,f p p 分枝 - + - - - - T - - - -,F - - - - 滑动 - - - - - - - - - - - - - - - 鞘 + - + - - + + - - - 附着生长物 + - + - - - - - - + - - - - - 硫粒 - - - ± - - - - - - - + - - - 内含物 ± - - ± - - ± - - + ± ± + - - 横隔 + - + + ± - + - - ± + ± + ± ± 形状 o - r v r - o - - r,o s,o r r d,s,o r 革蓝染色 - + +,- - - - - + - + - - - ± - 纳氏染色 - g - -,± + - - -,g - - g - r,g + - 注：p为从絮体内伸出；f为自由悬浮在絮体之间；T为真分枝；F为家分枝；d为圆盘形；r为正方形；s为球形；o为椭圆形；v为可变；g为绿色（属蓝藻类）。

　　（3）关于诺卡氏菌
　　有关研究表明，诺卡氏菌是丝状菌的一种，是形成生物泡沫的主要原因，它具有极强的疏水性，很难清除和被机械破碎，经常出现在二沉池表面。
5.3 高碑店污水厂此次污泥膨胀成因及性质
　　（1）由微生物镜检可知，高碑店污水厂此次污泥膨胀属丝状菌膨胀而不是非丝菌膨胀。
　　（2）由各种图表可知，此次膨胀是因来水营养物缺乏（主要是BOD₅偏低），进而导致污泥负荷偏低（小于0.1KgBOD₅/kg MLSS.d），污泥龄过长（9天），正常微生物食料缺乏，缺少活性，而丝状菌过度繁殖造成的。
　　（3）结合微生物镜检及二沉池表象，根据研究资料，我们认为，此次污泥膨胀中丝状菌类型主要为0041型菌及诺卡氏菌两种。
　　（4）根据丝状菌菌丝中度，我们认为此次污泥膨胀属中度膨胀。

6 控制措施及变化过程

6.1控制措施
　　通过分析，我们认为此次污泥膨胀主要是由于污泥负荷偏低引起的中度丝状菌膨胀，考虑到加药可能产生的副作用，决定通过调整工艺运行参数，重点加强对曝气池的管理，来改善污泥状况。从2月10日开始我们采取了以下措施：
　　（1）缩短污泥龄
　　主要是通过加大剩余污泥排放量来实现，由原来的每天排6000立方米加大到13000立方米，回流比仍控制在70％，使污泥龄由9天左右缩短到3天左右，从而加快活性污泥更新速度。
　　（2）提高污泥负荷
　　由于加大了剩余污泥排放量，必然降低曝气池污泥浓度，由原来的2000mg/l左右，降到1200mg/l左右，从而有效地提高了污泥负荷，从原来的0.1KgBOD₅/kg MLSS.d以下，提高到0.2Kg BOD₅/kg MLSS.d以上。
　　（3）降低溶解氧
　　主要方法是从原来1500m³/min的供气量调整至1000m³/min的供气量，使溶解氧由原来的4mg/l降至2mg/l左右，为活性污泥创造有利的生存环境。
6.2 采取控制措施后变化过程
　　这里首先需要说明的是进水状况从各种数据来看，基本保持稳定，这也就保证了控制措施的稳定性，下面就分析一下主要参数的变化过程。
　　（1）污泥浓度变化：
　　从图2看到，从2月10日开始控制，到3月3日，历时3周左右，使污泥浓度由原来的3500mg/l左右降至1000～1500mg/l之间，并一直保持此值。
　　（2）污泥负荷变化：
　　从图3看到，在开始控制的前3周左右的时间里，污泥负荷并没有明显的变化，从第四周开始有明显的上升趋势，从0.1KgBOD₅/kg MLSS.d逐步上升到0.3Kg BOD₅/kg MLSS.d左右，但由于4月4日至10日，二系列初沉池进行维护，而使二系列停止进水，至使污泥负荷有所反复，但总的趋势是上升的，并在0.2～0.3KgBOD₅/kg MLSS.d之间。
　　（3）污泥龄变化趋势：
　　从图4看到，从2月10日～3月5日污泥一直控制在3天左右，从3月6日以后，由于设备、设施维修等原因，泥龄变化幅度较大，但基本保持在3～4.5天之间。
　　（4）溶解氧变化：
　　从图5看到，缺氧段溶解氧在1月份普遍偏高达0.4mg/l以上，在污泥发生膨胀后由于池面漂浮大量污泥，至使无法测定溶解氧值，在恢复后基本在0.2mg/l以下。从图6我们看到，好氧段溶解氧在1月份也普遍偏高，达4mg/l左右。在控制期变化幅度较大，主要是受鼓风机运行状态不稳，故而延长了控制时间，在稳定后基本保持在2～3mg/l之间。
　　（5）沉降比变化：
　　从图7看，从1月下旬开始，污泥沉降比从最低的11％开始，呈反复上升趋势，到3月下旬达到最高30％左右，之后呈现逐级回落，最后稳定在10％～3mg/l之间。
　　（6）污泥指数变化：
　　从图8看到，污泥指数的变化趋势非常清晰，从1月开始，就运行在缓慢的上升通道中，至3月中旬，也就是污泥膨胀高峰期，污泥指数发生了突然上扬到300以上，之后随着控制措施的作用，呈现缓慢下降趋势，至正常时保持在100左右。
　　（7）微生物相变化：
　　从2月9日，对曝气池末端混合液进行微生物观察时，所有的絮凝体上都有菌丝，但密度较低（见图片5）

　　从2月12日～3月2日，所有絮凝体上都有菌丝，密度中度，并且菌丝之间有较多相互交织，菌丝较长50～200um，菌丝上附着物较多，并有较多游离的菌丝，并且其它类型指示微生物极少，仅观察到轮虫、盾纤虫、偶尔有少量的钟虫，污泥结构较差。（见图片6）

　　 从3月3日～3月8日，丝状菌丰度降低，菌丝也变短，其中菌丝上有大量的附着物，并有较多的管叶虫、斜管虫，污泥结构较差；3月15日微生物相观察时，指示微生物明显减少，絮凝体中菌丝又明显增多、增长。3月16日～3月24日所有絮凝体上都有菌丝，密度偏高，较多的交织成网，菌丝上附着物较少，3月25日～4月3日，微生物相无明显变化，丝状菌密度中等，污泥的沉降性较差，4月10～4月13日，丝状菌丰度逐步下降，结构一般，有较多的毛虫类微生物出现，4月17日絮体上的菌丝变短，且密度极低。(见图片7)基本上恢复正常，钟虫类微生物增多，结构较好，污泥的沉降性能好。

　　（8）曝气池、二沉池池面变化及二沉出水水质：
　　从2月9日～3月2日，曝气池有大量暗褐色泡沫，不易破碎，易堆积，表明污泥膨胀仍在惯性发生，至3月3日时，暗褐色泡沫明显减少，这与曝气池MLSS降低有直接关系。在膨胀过程中，二沉池面上有大量的片状污泥上浮，由于二沉池是中心进水，周边出水的辐流式沉淀池，在出水堰板前有浮渣挡圈，阻止上浮污泥随水流失，上浮污泥给人工清除。（见图片8）

　　除3月14日、15日、16日及3月22日、23日这几天出水SS>30mg/l，这与DO过低有直接关系，其它出水水质SS为21.0～29.0mg/l，BOD为10～20mg/l。

7 结论

7.1污泥膨胀的提前判断
　　通过对各种趋势的分析，我们认为有两个参数对于污泥膨胀发生趋势的提前判断非常重要：一个就是污泥负荷是否连续两周以上时间维持在0.1KgBOD₅/kg MLSS.d以下，另一个就是污泥指数是否连续两周以上保持上升趋势，两者要同时参考，若同时发生，基本就可判断污泥膨胀将要发生的趋势，应立刻采取控制措施。
　　7.2控制污泥膨胀的时间
　　（1）控制措施产生作用的时间
　　从2月10日我们开始采取控制措施后，污泥膨胀仍惯性发展，到3月6日达到顶峰，期间为27天，然后开始转好，因此我们认为对污泥膨胀的控制措施不会立刻见到效果，而是有一定滞后期，该滞后期为污泥龄（9天）的3倍时间。
　　（2）从开始控制到完全恢复正常的时间
　　在本次控制过程中，由于设施维护导致3月6日～9日二系列停止进水4天，4月3日～9日二系列停止进水6天，同时，由于鼓风机系统故障频繁试机，使3月19日～25日这段时间供气不稳定，造成各项指标有所反复。从2月10日开始采取控制措施到4月20日完全恢复，实际共用了10周左右时间，但从图3、图5、图6、图7、图8，各项指标趋势分析，从3月6日开始至4月10日这段时间是由于设备、设施维修及故障等原因造成的控制反复，如整个系统运行连续稳定，那么这段时间中不稳定时间（约3周）应可省去，那么此程度的污泥膨胀的正常控制时间应为7周左右，而此前污泥龄为9天左右，故我们认为：这种中度污泥膨胀控制的时间应为污泥龄的5倍时间左右。
　　（3）综合上所述，污泥膨胀控制措施见效后的治愈期（2倍泥龄）应快于其滞后期（3倍泥龄）。
7.3 曝气池的控制参数：
　　通过本次污泥膨胀的控制，我们得出本厂曝气池的最佳控制参数如下：污泥浓度为1000～1500mg/l；污泥负荷为0.1～0.3kgBOD₅/kgMLSS.d；污泥龄为4～6天；好氧段溶解氧为2～3mg/l；缺氧段溶解氧为0.2mg/l以下。

参考文献

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　　2 翁稣颖等《环境微生物学》科学出版社（1987）
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