搜索
前言活性污泥法是目前城市污水处理厂应用最为广泛的生物处理方法之一。据报道，采用活性污泥法的污水处理厂普遍存在泡沫问题，使得污水处理厂的操作、运行和控制都产生了一定的困难，严重影响了出水水质。对澳大利亚昆士兰州的调查显示，50个采用活性污泥法的污水处理厂中有46个受到不同程度的泡沫问题的影响[1]；美国108家采用活性污泥法的污水处理厂中有56%受到泡沫问题的困扰[2]。法国的调查显示，6013个污水处理厂中有20%受到泡沫问题的长期影响，而采用延时曝气方式的污水厂中更是有87%受到泡沫问题影响[3]。据不完全统计，在我国采用活性污泥法的城市污水处理厂中有近50%出现过不同程度的泡沫问题[4]。泡沫问题已成为近年来活性污泥法运行操作中较为突出的问题。采用活性污泥法处理污水过程中，在曝气池与二沉池内出现的泡沫问题很早就引起人们的关注。早在1969年，Anon就对活性污泥法处理过程中的生物泡沫进行了报道[5]。近30年来，关于好氧生物处理过程中的泡沫形成问题有大量的报道。多数研究者认为，当污泥中微丝菌和诺卡氏菌大量存在时会形成稳定的泡沫[6～8]。然而，对于为何污泥中微丝菌和诺卡氏菌会占优势以及这些菌种是如何形成稳定的泡沫等问题至今仍存在着一定的争议[9]。另外，目前关于活性污泥法处理污水过程中泡沫问题的研究主要集中于曝气池与二沉池泡沫上，对污泥厌氧消化池中发生的泡沫问题的研究则相对较少。本文讨论了活性污泥过程中泡沫的产生原因、引起生物泡沫的微生物、发泡影响因素、泡沫的危害及常用的泡沫控制方法，同时也对污泥消化过程中的厌氧泡沫作了一定的介绍。1活性污泥工艺中泡沫的产生选择性浮选理论能较好地对活性污泥过程中的发泡现象进行解释[10]。曝气系统的连续运行使得曝气池内气液两相得以充分的接触，在液相中产生大量的气泡。进水中带入的或者微生物自身所产生的生物表面活性剂的存在能降低液体的表面张力，使得气泡具有一定的弹性而不易破灭。另外，气泡上升过程中还会对液体中的固体颗粒进行浮选，在这过程中一些具有疏水表面的固体颗粒就会在气泡间产生架桥作用，减小各个原本分散的气泡间的距离，从而这些固体颗粒就会与气泡结合，产生更为稳定的泡沫。活性污泥法过程中产生的泡沫可以分成如下4种形式[11]：（1）启动泡沫。活性污泥法运行启动初期，由于污水中含有一些表面活性物质，易引起表面泡沫。泡沫呈白色且质轻，且稳定性较差。随着活性污泥的成熟，这些表面活性物质经生物降解，泡沫现象会逐渐消失。（2）反硝化泡沫。活性污泥处理系统以低负荷串运转时，在沉淀池或曝气不足的地方会发生反硝化作用而产生氮气，氮气的释放在一定程度上减小污泥密度并带动部分污泥上浮，从而出现泡沫现象，这样产生的悬浮泡沫通常不是很稳定。（3）表面活性剂泡沫。能生物降解的洗涤剂的大量使用，或胶体有机质以及各烃类的大量流入都易于引起处理池表面产生泡沫。如果这种进水偶尔存在，发泡过程仅在短时内造成影响；若持续存在，长时间地运行会发展成稳定的生物泡沫。（4）生物泡沫。由于活性污泥中某些微生物的异常生长，曝气过程中气泡会通过选择性浮选与微生物机体结合生成稳定的泡沫。这种现象可用压缩为3种组分的系统来描述：微生物十气泡十絮粒＝稳定的生物泡沫。生物泡沫粘度大，呈褐色、稳定性强，悬浮颗粒可达50g/L，泡沫层相对密度大约是0.7，一般情况下很难将其吹走。对于活性污泥法运行过程中的泡沫问题，过去主要归因于进水中表面活性物质的大量存在。但是近代大量研究表明，曝气过程产生的泡沫，主要是由于污泥中一些微生物的过度增殖而产生的生物泡沫。近年来，对活性污泥过程中泡沫问题的研究也都主要集中于生物泡沫的产生与控制等方面。2活性污泥法中的发泡微生物2.1发泡微生物的类群生物泡沫的形成主要与活性污泥中微生物的种类和生长情况有关。很多研究表明，活性污泥中含分枝菌酸放线菌(mycolata)的生长和积聚会造成生物泡沫[12]，因为含分枝菌酸放线菌的细胞壁中所含的长链枝状的分枝菌酸构成了细胞表面疏水性（CSH），而CSH正是泡沫形成的选择性浮选的必要条件[13]。另有报道认为，微丝菌（Microthrixparvicella）的存在同样也会引起生物泡沫[14]。由于对微生物分类差异性认识的不足以及检测手段的限制，对于活性污泥过程中的生物泡沫究竟是由哪些微生物引起的问题至今还没有统一的报道。普遍认同的与生物泡沫有关的菌属主要有：（1）放线菌。包括：Nocardiaamarne，革兰氏阳性，枝状菌丝；Nocardiapinesis，革兰氏阳性，松枝状；Rhodococcussp.，革兰氏阳性，枝状菌丝。（2）丝状菌。包括：Microthrixparvicella，革兰氏阳性，丝状、无鞘无分枝；EikelbMmtype0675，革兰氏阳性，有鞘无分枝；Eikelboomtype0092，革兰氏阴性，无鞘无分枝。在上述菌种中，最常见的是Nocardiaamarne和Microthrixparvicella。另外，放线菌中的Nocardiaasteroide、Mycobacteriumsp.、Oerskoviasp.、Gordonasp.及丝状菌中的EikelboomType1851、0581、0803、0041、0914和Nostocoidialimicola等微生物，虽然它们在曝气池中的浓度一般不足以产生生物泡沫，但是在稳定的泡沫中经常发现有它们的存在[15]。不同地区产生生物泡沫的微生物类群和数量会有所差别。有报道表明，在比较温暖的气候条件下，Nocardiaamarne是主要的发泡微生物[16]。根据澳大利亚维多利亚、新南威尔士及昆士兰地区污水厂泡沫问题的调查显示，Nocardiaamarne、Nocardiapinesis和Microthrixparvicella是该地区最常见的发泡微生物[1]。而在欧洲的城市污水处理厂，生物泡沫问题主要是由于Microthrixparvicella和Rhodococcussp.引起的[17]。2.2微生物发泡阈值浓度活性污泥中发泡微生物的浓度必须达到一定的阈值水平以上才能引起生物泡沫[18]。分子水平生物检测技术的提高为确定微生物发泡阈值浓度问题提供了技术支持。现在，相关rRNA水平的定量化技术及定量化荧光原位杂交（FISH）技术等检测手段都能用来确定活性污泥中发泡微生物的生物量[19]。Cha等通过细丝交叉点计数法确定过活性污泥中诺卡氏菌的发泡阈值为1ⅹ106n/gVSS[20]；Davenport等通过定量化FISH技术确定了含分枝菌酸放线菌的发泡阈值为2ⅹ106n/mL[21]；Francis等进一步对细菌形成生物泡沫与形成稳定的生物泡沫进行了区分，通过试验分别测定了发泡阈值及稳定发泡阈值。通过以SSUrRNA为目标的杂交探针检测技术，发现在批式试验中Gordonia（以前称作Nocardia）的发泡阈值和稳定发泡阈值分别为2ⅹ108μm/mL和1ⅹ109μm/mL[16]。3影响生物泡沫形成的因素3.1温度与生物泡沫形成有关的菌类都有各自适宜的生长温度，当环境或水温有利于它们生长时，就可能产生泡沫现象。一般认为，温度较高时生物泡沫主要由放线菌引起，而温度较低时主要由Microthrixparvicella等丝状菌引起。Lechevalier认为，只有在温度高于14℃时，放线菌才会引起生物泡沫，同时他还特别提到，Nocardiaamarne的生长温度范围为23～37℃。Knoop等的研究表明，Microthrixparvicella更适宜在≤12～15℃的较低温度下生长，超过20℃就不会发生增殖[22]。3.2pH[11,23]有研究表明，Nocardia和Rhodococcus菌种的最佳pH为7.0～8.5，当pH从7.0下降到5.0～5.6时，能有效地减少泡沫的形成。另外，Nocardiaamarne的生长对pH极为敏感，最适宜的pH为7.8，当pH为5.0时，能有效控制其生长；Microthrixparvicella最适宜pH为7.7～8.0。3.3溶解氧Nocardia是好氧菌，在缺氧或厌氧条件下不易生长，但也不死亡。Microthrixparvicella却能忍受缺氧状态[15]。也有报道认为，较低的曝气池溶解氧浓度是丝状微生物开始增殖的有利因素[17]。3.4污泥停留时间由于产生泡沫的微生物普遍存在生长速率较低、生长周期长(见表1)的特点，所以污泥停留时间长有利于微生物的生长。因此，采用延时曝气方式的活性污泥法更易产生泡沫现象。另外，一旦泡沫形成，泡沫层的生物停留时间就会独立于曝气池内的污泥停留时间，易形成稳定持久的泡沫。表1常见发泡微生物的生长周期[11]菌类生长周期/dRhodococcussp.2～4Nocardiaamarne4～7Microthrixparvicella6～10Nocardiapinesis10～213.5污泥负荷研究表明，在较高的F/M下，Nocardia在放线菌中所占的数量会上升约6％，几乎在放线菌中占绝对优势，并且泡沫也迅速出现。其他放线菌如果其微环境中底物浓度很高（如为液相中的100倍以上）也会大量增殖并产生泡沫。而Microthrixparvicella却比较适合在较低的污泥负荷下生长，有报道表明其最佳污泥负荷≤0.1kg/（kg•d）[22]。3.6底物种类底物的种类与泡沫的产生有很大关系。由于大多数发泡微生物具有疏水性，因此疏水性底物更易被这些微生物利用而引发泡沫问题[23]。大量研究表明，进水中存在高水平可乳化的脂肪类物质如油或者油脂时极易引起泡沫问题[24]。脂肪酸被认为是Nocardiaamarne的唯一碳源，因此当进水中有脂肪酸存在时，发泡机率就会大大增加[25]，而Rhodococcussp.更适宜以C12-C17的烷烃作为底物[26]。以橄榄油或者吐温80等疏水性物质作为底物时，Nocardiapinesis生长更快[27]。跟放线菌不同，Microthrixparvicella具有很高的营养需求，喜欢长链脂肪酸如油酸作为其碳源，因此在含有高负荷脂、油和皂类的情况下，有优先繁殖Microthrixparvicella的危险[28]。3.7曝气方式不同曝气方式所产生的气泡不同，而微气泡或小气泡比大气泡更有利于产生生物泡沫，并且泡沫层易集中于曝气强度低的区域[11]。3.8其他运行条件曝气池中离心循环泵产生的机械应力会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、类脂化合韧的增多，能导致放线菌、丝状菌的增殖，产生大量泡沫[29]。4厌氧泡沫大量研究表明，泡沫问题不仅发生在曝气池和二沉池中，污泥消化池运行过程中也经常会遇到泡沫问题。一般认为，污泥消化池中的泡沫问题主要是由如下3点原因造成的：（1）由于产甲烷阶段是厌氧消化的速度限制步骤，当消化过程超负荷运转时就会因过程失去平衡而造成挥发性脂肪酸（VFA）特别是乙酸的积累；（2）污泥中疏水物质的存在；（3）污泥中含有发泡微生物[30]。Krishna等认为，污泥中诺卡氏菌的存在、消化池的鼓气混合、过度的气体再流通、高污泥负荷、不当的污泥负荷控制以及污泥中有机物含量过高都会引起消化过程中的泡沫问题[31]；Wanner认为，厌氧消化过程中的生物泡沫同样是由于具有疏水性细胞壁的Nocardia以及Microthrixparvicella等微生物与过程中产生的气泡结合上升至表面积累积而产生的[32]。5泡沫的危害活性污泥过程中出现的泡沫会产生如下问题[17]：（1）刮风时泡沫飞扬会给人不良的美观感受；（2）污染池壁和过道，会引起一系列安全问题；（3）妨碍刮渣系统的正常运行；（4）在寒冷的冬天会因结冰而影响机械装置的正常运行；（5）影响曝气系统（特别是机械曝气）的充氧效率；（6）增加出水的BOD和SS，影响出水水质；（7）气味问题。另外，在厌氧消化池中产生的泡沫也会导致一系列的运行问题，降低消化池的效率并降低气体产量。6活性污泥过程中泡沫问题的控制近年来，活性污泥过程中泡沫问题的