丝状菌污泥膨胀理论分析

早期控制丝状菌污泥膨胀(简称污泥膨胀)的主要手段是投加药剂杀死丝状菌，或投加混凝剂和助凝剂以增加污泥絮体的比重［1］，但这些方法往往无法彻底解决污泥膨胀问题，相反地可能会带来出水水质恶化的不良后果。其后人们逐渐认识到，活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌构成一个共生的微生物生态体系，在这种共生关系中，丝状菌是不可缺少的重要微生物，对于高效、稳定地净化污水起着重要作用，并逐渐地从简单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，从而达到控制污泥膨胀的发生即进入环境调控阶段。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，利用生物竞争机制抑制丝状菌的过度生长和繁殖，将丝状菌数量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，同时利用丝状菌的特性净化污水，稳定处理工艺。近年来选择器理论得到充分的发展和应用就是这一概念的具体体现。

1　污泥膨胀理论的统一

活性污泥是一混合培养系统，其中至少存在着30种可能引起污泥膨胀的丝状菌。在丝状菌与菌胶团细菌平衡生长时不会产生污泥膨胀问题，只有当丝状菌生长超过菌胶团细菌时，才会出现污泥膨胀。丝状菌和菌胶团细菌的生理和生化性质差异见表1。

通过近年来国内外对活性污泥膨胀问题研究进展的分析和综合，可以将引起丝状菌污泥膨胀的原因分为5种类型，即a.基质限制；b.DO限制；c.营养物缺乏；d.pH影响；e.H2S影响［2］。1.1　广义Monod方程 丝状菌与菌胶团细菌竞争的数学模型遵循多种基质限制的广义Monod方程，即Monod?McGee方程［1］： 　μ＝μmax(S1／K1+S1)(S2／K2+S2)…(Sn／Kn+Sn) 　(1) 式中μmax——最大生长速率，d-1 　Ki——第i种基质亲和力，mg/L 　Si——第i种基质浓度 根据式(1)可知，基质限制、DO限制和营养物缺乏型的污泥膨胀问题都可用广义Monod方程来加以解释(当氮严重缺乏时的污泥膨胀不能归入这一理论，原因在于若缺乏氮，微生物便不能充分利用碳源合成细胞物质，过量的碳源将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，易形成结合水，影响污泥的沉降性能，从而产生高粘性膨胀，其不属于丝状菌污泥膨胀范畴)。 关于pH的影响，可在动力学方程参数的基础上，以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

2　污泥膨胀数学模型的研究

为了简化系统模型，假设：①活性污泥由两大类微生物群组成，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根据不同的试验目的，可以分别是选择器、曝气池等，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(菌胶团和丝状菌)的一组方程。 选择器

从图2可见，丝状菌和菌胶团细菌的竞争优势随进水负荷而变化。低负荷阶段［＜0.4kgCOD/(kgMLSS·d)］，DO的供应充分，出现基质限制的情况；高负荷阶段［＞1.1kgCOD/(kgMLSS·d)］，基质浓度比较高，出现DO限制的情况；而在中间负荷范围内，丝状菌与菌胶团菌处于合理的比例，系统不发生污泥膨胀。 图3　是在不同曝气条件下(Kla)的计算机模拟结果。 图3表明，即使存在选择器，低负荷和高负荷阶段仍然会发生污泥膨胀，其限界值与没有选择器的系统不同。对于高负荷系统，曝气强度大可以提高污泥膨胀发生的上限，同样低负荷系统发生膨胀的下限也降低。对于中间负荷阶段，如果供氧不充分，丝状菌仍有可能大量繁殖并形成污泥膨胀。对于不同的曝气强度，两种微生物竞争优势发生转变的限界值是不同的，这就是双基质动力学方程与传统的单一碳源基质限制动力学方程描述污泥膨胀现象的本质区别。试验的结果也表明，完全混合曝气池在不同负荷下维持稳定的沉降性能所需要的DO浓度是不一样的，而不是象文献报道的维持在固定的1.0～2.0 mg/L之间［1］。　

2.2进水流量和浓度变化的影响 试验发现在停留时间分别为3、4、5 h时，系统的DO浓度分别为1.2、2.2、3.0 mg/L。图4是流量和基质浓度增加1.5倍时采用计算机模拟的结果。

在稳定的流量和浓度条件下长期运行的结果是菌胶团细菌占优势，而流量或基质浓度的变化会造成丝状菌的过度生长，且丝状菌的生长不是一简单的可逆过程，会造成污泥沉降性能的改变。上述结果是在相对高的负荷下的模拟结果，低负荷下的结论相反。

3　结论

①通过分析，将丝状菌污泥膨胀概括为5种类型