▲ 0 引言 采用活性污泥法处理污水过程中,在反应器(曝气池)与沉淀池内出现 的泡沫问题很早就引起人们的关注[1~3]。多年的研究表明:泡沫的产生 不仅直接与起沫微生物的类群相关, 而且与废水性质(pH、 温度、 BOD 等)、 活性污泥状况(MLSS、SVI)、工艺运行条件(如细胞平均停留时间,反应 器构型,机械应力,DO,F/M)等有关,产生机理非常复杂。本文在大量 查阅中外文献基础上对泡沫产生的普遍性、危害性,特别是其产生的机 理和影响因素分别进行了探讨,并给出了较成功的泡沫控制技术措施。 1 泡沫产生的普遍性和危害性 据 1988 年对澳大利亚采用活性污泥法的污水处理厂调查后发现: 在 维多利亚、新南威尔士地区 65%的污水厂有泡沫问题[4];在昆士兰地区 [5] 92%的污水厂受到泡沫的严重影响, 这其中 60%又受到污泥膨胀的影响 ; [6] 美国的 108 家采用活性污泥法的污水厂中, 56%的污水厂受泡沫困扰 ; 法国约 62%的污水厂产生泡沫;香港 5 个污水厂有 2 个由于不良运行产 生了泡沫[7];据不完全统计,在我国采用活性污泥法的城市污水处理厂 近 50%出现过不同程度的泡沫问题,特别在南方地区,还经常与活性污 泥法异常运行状态(如丝状菌膨胀, 粘性物质积聚成浮渣等)同时发生[8]。 泡沫一般具有粘滞性,它会使大量固体陷入曝气池的漂浮泡沫层, 并产生漂浮层的翻转,降低曝气池的充氧效率(特别是机械曝气情况); 在纯氧密封活性污泥系统,泡沫会进入氧压机引起火灾;当流入沉淀池 时,在沉淀池挡板下会增加出水悬浮固体引起出水水质恶化;泡沫积累 还能产生腐败,且在寒冷天气会结冰,影响正常运行;含有泡沫的剩余 污泥在厌氧消化中引起严重的起泡现象,损坏厌氧污泥处理工艺。 2 2.1 活性污泥性状及泡沫产生机理 泡沫的微生物类群组成 根据澳大利亚维多利亚、新南威尔士及昆士兰地区活性污泥污水厂 产生的泡沫问题进行的调查,结果发现,Microthrix parvicella(微丝 菌),Nocardia amarae,Nocardia pinensis(诺卡氏菌群)是最常见的泡 沫微生物,其次是 0092 型,0914 型,0041 型;而美国[9]和香港[10]起 泡微生物由多到少的出现频率为 Nocardia pinensis,Nocardia amarae,Microthrix parvicella。以上表明,不同地区产生泡沫的微生 物类群和数量有差别,但几乎所有地区的泡沫中都检出了占优势的 Nocardia 菌群;同时还报道[1],在南非、美国、德国、日本膨胀的污泥 中发现 Nocardia 菌群分别占优势丝状菌出现频率的第 6、1、14、5 位。 可见,Nocardia 菌群是活性污泥异常运行(膨胀,泡沫)时常出现的微生 物。 2.2 泡沫组成微生物性质及其形成机理 在活性污泥中经常能观察到的 Nocardia 菌群是有分支的,直径为 0.5μ m、革兰氏阳性、产生棕色粘性泡沫的丝状微生物,与其它丝状菌 相比,它们虽不直接引起污泥膨胀,但在它们的菌丝中存有气泡,易上 浮成泡沫,在反应器或沉淀池表面积存。当混合液中 Nocardia≥106 intersections/gVSS 时,有害的泡沫就会出现[11]。 研究表明,对含有 Nocardia 菌群的混合液曝气,75%~90%以上 Nocardia 丝状菌会上浮形成泡沫,其在泡沫中的浓度极高,要比在混合 液中多 10~50 倍。 泡沫中的微生物需要 MCRT 较长,N.amarae 在完全混合活性污泥中 是一个弱竞争者,在缺氧状态下(存在 NO-2 或 NO-3)不生长,N.amarae 脱 氮作用只能从 NO-3 和 NO-2 中进行,且其速度要比许多絮凝体形成细菌低。 在严格的厌氧条件下不能生长,也不能吸收含碳物质。 2.3 影响泡沫形成因素 2.3.1 温度 据研究[6],混合液温度从 13℃升至 20℃,在给定 MCRT 下能提高 Nocardia 菌群数量;从 20℃升到 25℃之间,其影响不显著;在低温下 的泡沫主要由 Rhodococcus(红微菌属)引起,N.pinensis 则生长于相对 窄的温度区间,并且许多生长于 40℃或更高的热污水或周围空气高温的 环境中产生泡沫[12]。而对于引起污泥膨胀和泡沫的其它放线菌,从 10 升至 20℃,其生长速率加快 1/2 倍;低温及无论有无选择器的完全混合 系统有利于 M.parvicella 的生长[13]。 2.3.2 pH 值 通过对单一底物的研究认为,Nocardia 与 Rhodococcus 菌种的最佳 pH 值为 7.0~8.5;空气曝气活性污泥混合液最优 pH 为 7.0,氧气曝气 的为 6.5(因为混合液接触的气相含有较高的 CO2)。也有人指出, pH 值降 低(如硝化作用)不利于 Nocardia 菌的生长,能引起泡沫的明显减少。 2.3.3 F/M 值与底物种类 通过对丝状菌的研究表明:在较高的 F/M 下一般可控制丝状菌引起 的污泥膨胀,但 Nocardia 菌所占的数量上升约 6%,几乎在丝状菌中占 绝对优势,并且泡沫也迅速出现;其它放线菌在(微环境中)高底物浓度 (如为液相中的 100 倍以上)下也会大量增殖(亦即 μ max 增长规律和高的 Ks 值),产生泡沫。这样高的底物浓度可能存在于如下微环境中: ①在污泥絮体与水之间的界面上,其上吸附了进水的有机负荷并予 以蓄积; ②在污泥絮体中存在死的细胞,它能使其它种细菌进行腐生增殖; ③在不溶性的底物与水之间的界面上, 如同跟水中的疏水物质那样; ④在水与气的界面上(表面和气泡),在其上底物可通过表面活性物 质而积累。 此外,底物的种类与泡沫的产生也有许多相关关系。经过对香港 Vitro 污水厂产生泡沫的调查发现:分支丝状菌 N.amarae 是主要泡沫微 生物,且脂肪酸是其唯一碳源,它的存在能增加 N.amarae 的增长[7]。 跟相似于 Nocardia 菌的放线菌不同,M.Parvicella 丝状菌具有很 高的比营养需求量,这种微生物喜欢长链脂肪酸如油酸做为其碳源。因 此,在含有高负荷脂、油和皂类的情况下,有优先繁殖 M.Parvicella 菌的危险[13]; 特定不生物降解或仅缓慢生物降解的表面剂浓度和疏水性 底物会导致放线菌 Actinomycetes 的过量增殖[14]。 非离子表面活性剂广泛应用于工业、商业、日常生活等领域,如美 国的城市排水中其浓度为 1~20mg/L,美国研究者对 Igepa1C-620 和 Neodo125-7 两种表面活性剂的研究结果表明,缓慢可生物降解的表面活 性剂能显著增加含 Nocardia 菌群污泥中的泡沫。且泡沫呈典型的褐色, 包含和吸收较高的悬浮固体(SS),并增加了混合液高度。其他人也证实, 表面活性剂,类脂化合物,几种疏水难降解颗粒底物能引起放线菌的增 殖,导致反应器和沉淀池表层产生泡沫浮渣。 2.3.4 运行条件 观察发现, 离心循环泵产生的机械应力损坏密实的活性污泥絮状体, 从破损的细胞中释放出来的表面活性蛋白质、 类脂化合物(有限长链脂肪 酸)的增多,能导致放线菌、微丝菌的增殖,产生过量泡沫[2];在瑞典 的大斯德哥尔摩(Great Stockholm)地区的 3 个污水厂出现了严重的厌氧 消化泡沫,显微镜观察的结果是泡沫污泥表现出网状丝状菌 M.Parvicella 结构,形态上长的圈状丝状菌因厌氧条件变成了短和细的 丝状菌[15]。 3 3.1 泡沫控制技术 控制 MCRT 与选择器技术 根据组成, 泡沫微生物性质和成泡机理,使采用调节 MCRT 和选择器 相结合的技术控制泡沫成为可能。首先,对 Nocardia 的控制方面,根据 N.amarae 菌群在完全混合活性污泥中是一个弱竞争者,且反硝化很慢的 特点,提出在适当的 MCRT 值时,用好氧选择器可有效控制 Nocardia 泡 沫[16]; 减少 MCRT 是一种成功的控制泡沫方法[17];也有人研究报道,可 通过降低 MCRT 去除 N.amarae 泡沫,他们对一个采用活性污泥法的污水 厂采用 MCRT<6d,同时回流活性污泥加氯成功地控制了 Nocardia 泡沫。 在文献[9]中的研究结果是:从 MCRT 由 1.5d 到 15d 范围内,MCRT 升 高,Nocardia 菌群普遍升高,并且 MCRT=2d,能有效控制 Nocardia 菌泡 沫;MCRT=5d,用好氧选择器控制 Nocardia 菌泡沫有效;MCRT=10d,用 好氧选择器控制 Nocardia 菌泡沫无效;MCRT=12d,用缺氧选择器可控制 硝化污泥中的 Nocardia 菌泡沫。 另外,MCRT 的采用还与温度(气候)及试验规模等因素有关,他们的 试验结果见表 1,由表 1 可见,不论是小试或生产性试验规模,温度升 高,采用的 MCRT 值降低。 表1 控制 Nocardia 泡沫时 MCRT 与温度关系 16 24 22 1.8 18 2.2 试验规模 小试 小试 生产性试验(夏季) 生产性试验(冬季) 温度/℃ MCRT/d 2.2 1.6 注:地点 Sacramento,Calif. 在美国,根据 Nocardia 菌产生泡沫的具体情况,采用不同 MCRT 控 制泡沫的污水厂数目统计结果见图 1。 图1 美国控制 Nocardia 泡沫时采用不同 MCRT 值的 污水厂数目统计(部分) 同时,以上泡沫控制技术还可与控制污泥膨胀等活性污泥异常运行 情况相结合, 综合调节活性污泥运行工艺。如针对 Phonenix 活性污泥污 水厂一直存在着在连续的膨胀污泥环境下, 相当低的 MLSS 和 SRT 较短的 情况下运行状况,采用 DO 为 0~0.3mg/L 的缺氧选择器,结果:当总氮 还原约 75%时, 曝气的缺氧选择器可以对污泥的膨胀全部控制; Nocardia 泡沫可以初步控制, 在泡沫表面直接喷洒高浓度的氯(2 000~3 000mg/L) [18] 很容易消除泡沫 。 在类脂化合物、疏水难降解的颗粒底物以及机械应力、接种等条件 时易引起放线菌的污泥膨胀和泡沫上浮。