丝状菌污泥膨胀

丝状菌污泥膨胀

这篇文章介绍了活性污泥中长期存在的污泥膨胀问题。虽然污泥膨胀是由一些特定的菌类引起的，但是到目前为止尚未研究出一种统一的解决污泥膨胀的方法。一些污泥膨胀理论被提出，基于这些理论一些专家和学者将其应用于污泥膨胀的控制与防治，但是污泥膨胀仍然是一个开放的问题。

活性污泥法污水处理方法是最常用的污水处理技术，其处理过程包括两个阶段：1生化处理阶段（生化反应池）；2物理沉降阶段（二沉池）。在第一阶段，污水中的有机碳、氨氮、磷等通过活性污泥降解并除去。活性污泥拥有巨大的生物群——细菌、真菌、原生动物、复细胞动物、藻类等，而在这些生物群中，95%的菌类对污水处理过程起到关键的作用。因此，在污水处理过程中，保证这些菌类的活性条件关系到污水处理过程中有机物和营养物质的去除。同时，二沉池中好的分离和和沉降特性是保证最终出水水质的必要条件。

在活性污泥中由延长的丝状菌所引起的体积膨胀问题可以处理变小。尽管很多研究表明污泥膨胀在污水处理操作过程中是一个持续的问题，但这是由几个因素共同引起的。由于在纯培养基中无法直接得到丝状菌，这限制了对有机物的详细研究。无法找到通用的污泥膨胀处理方法的问题之一是污泥膨胀的原因至今还没有统一的认识。现在占优势的研究方法是通过研究丝状菌的特性，从细菌的新陈代谢特征的角度去分析污泥膨胀，从而避免污泥膨胀的方式；另一种方法是通过研究生物种群的形态特征，从而获得污泥膨胀的控制，该方法不需要对特定的细菌种类特征进行研究。但是实际上这两种方法可以有效的结合，以达到更好的防治和控制污泥膨胀的效果。

研究全部的活性污泥系统的历史和发展不是我们最初的目标，我们在这里只强调一些重要的历史事实，它们能够促进对污泥膨胀问题的理解。解决污泥膨胀问题首先使用的是半连续系统，后来为了改善其沉降性能，逐渐转变为连续沉降系统，通过添加二沉池和固体回收，模式转变为连续氧化沟，此模式有了更好的沉降性能。

是否存在一个普遍机制能够解释丝状菌的生长和它们种类的识别以及它们的生理学，动力学以便于可以有更好的策略可以控制污泥膨胀？从微生物种群和丝状细菌来找膨胀发生原因，下一步是找到丝状菌的生理性能和可操作环境之间

的关系。基于蝶形方法在研究，这种方法的量化是在主观划分方法的基础上进行的，并且丝状菌的分布与地理位置和季节有关，因此丝状菌的特征仍需要不断研究，尤其是借助于现有的先进研究成果——DNA、RNA等生物学分析结果。

丝状菌优先向一个或两个方向生长。可以预知这些微生物有一个更高的优先向外的生长速率，因为它们更靠近液体基质。然而，从丝状菌的形态上研究污泥膨胀目前看来还不是很成熟，絮体物形态还没有得到很好的研究，但是这些研究对我们确定絮状体结构以及絮状体中丝状菌的作用有很大帮助。

活性污泥中很多细菌种类类型没有确定，分类学也没有得到认可。对细菌的识别是在形态学特性基础上进行的，并对其微观的染色体进行响应测试。虽然这种识别方法很有效，但是还是有缺陷:例如为了适应环境，丝状菌可以改变形态学。一些作者虽然在形态学上看法相同，但在生理学和分类学上，他们的观点各有变化。

下一步所研究的是种群中的丝状菌与控制污泥膨胀的关系。在形态上分析菌类的特征时分析者必须要有充分的经验，否则很容易对其生长特征产生误判。并且，近年来通过研究发现在污泥中又有40多种新的菌类被发现，通过分析菌类的生长特征变得越来越困难。由于基于显微方法的传统菌类特征辨识方法容易产生误判，而且由于新菌类的发现显得越来越困难，现在很多学者偏向于分子分析方法。根据分子测试法，有机物的分类可以被确定，根据DGGE的改变，生物数量得以跟踪，传统的电镀方法也没有异常现象。根据已知的16位的RNA序列，也可以给特定的细菌染色。但是DGGE有限制，很少使用。在分辨活性污泥的种群结构时，全部的rRNA循环被认为是最好的方法。目前只有20种能够被识别。虽然以上方法都能对污泥中的菌类的特征进行部分描述，但是，以上对已有菌类特征的描述也仅仅是在培养基中进行的，而污泥中由于多种菌类共存，而且不同季节和不同污水处理厂的环境不同，因此，仅仅从独立形态上分析污泥中菌类的生长特性还不够。又有一些学者从菌类的生理学特性上对其进行研究。现有的部分研究成果显示，污泥中大部分菌类是好氧菌，因此可以通过控制氧气含量对它们进行控制。仍而，以上几种菌类只是污泥中所有菌类的一小部分，因此，对它们进行控制还不足以控制污泥膨胀。

一些菌类是好氮型的，在BNR活性污泥中发现的最重要的丝状菌只有0092

形态类型和M. parvicella才可以在培养基中生长。

一些专家和学者近年来提出有关污泥膨胀的假说，并期望借助于这些假说解决污泥膨胀问题。但是这些假说中有些还仅仅是假设，并没有进行试验验证。然而，这些假说是理解和解决污泥膨胀的理论雏形。丝状菌和非丝状菌根据比表面积来竞争营养物质。低的基质浓度相对来说会有更高的生长速率，因为基质浓度会导致絮体变得更宽敞和更容易形成丝状，丝状菌在这种结构中更容易生存。在含有较低的轴向混合和基质中较高的微生物成分的曝气系统将会抑制丝状菌的生长，并会使污泥更好的沉降。用动力学筛选理论来解释活性污泥系统中丝状菌的抑制现象，对一些丝状菌的纯培养基研究也得到了一些理论支持，基于定量的MAR和FISH的技巧也得到了发展，并且在丝状菌的动力学上得到了应用。到目前为止尚没有清晰的理论说明为什么丝状菌在污泥中的生长速度低于其他一些菌类。并且也没有理论说明为什么丝状菌在形态变大时会降低其生长速度。动力学模型中的Ks取值只是一个经验值，并没有理论验证，当其取值与实际处理的数据接近时，该理论较为准确。然而当所取值与实际处理数据相差较大时，将会产生错误的结论。扩散阻力越大（絮体越大越密集），测量的Ks值则越大。

发生膨胀的污泥的存储能力比具有更好沉降性能的污泥拥有更高的存储能力。丝状菌和絮状菌在不同的脱氮机制中竞争有机基质，并具体说明其假设。在这种情况下，丝状菌可以在需养的条件下使用能进行生物分解的COD，直到合成亚硝酸盐，不参与合成NO，但是还需要详细的生物和微生物研究来支持这个理论。研究污泥膨胀的非特异性的方法包括一些技巧，例如：氯化作用，臭氧化，以及双氧水的使用，这种方法的缺点：由于环境问题，它的使用也受到了一些限制，产生了潜在的副产品，例如卤化有机合成物；另一方面，是细菌生长缓慢，例如硝化细菌被氧化剂影响，要恢复一段时间。这种方法可以适用于短期控制方法，例如在曝气池的澄清器处进行生物量的重新分配或在污泥消耗率中增加。

目前不是在生理学或丝状菌的特定动力学的基础上控制污泥膨胀，而是强调识别丝状菌的程序控制。在平推流阶段，适当的曝气可以预防膨胀，这种方法有理论支持。该研究中选择器的特性由低色散数量和基质浓度适当的宏观量来决定，它可以作为生物反应器小初始区的开始。可以在活性污泥全领域安装选择器并且一些还应用到工程方面用来预防污泥膨胀现象。

好氧系统是在有机碳移除时才开始使用，后来在营养物移除方面才开始普遍使用。为了完成这些要求，污水处理厂不得不升级和提高生物营养物移除能力。在这些条件下，污泥膨胀主要是由形态类型的增值扩散引起的。许多连续流式，动态控制系统将最优的选择性压力加在生物种群上，因此在顶峰阶段也不能很好解决问题。当反应时间不足，可溶基质就不能被充分消耗，这时可能会渗透到主要的曝气池中去。在这种场合下，就出现了丝状菌可快速生长的情况；另一方面，当反应时间过长时，基质浓度将会变得很低，达到典型的完全混合池的水平，这种环境也会有利于丝状微生物的生长。太长时间或太短时间接触基质都会对污泥容积指数产生重要影响，并且很难做出合理的设计。保持最小溶解氧浓度作为可溶性有机加载速率功能或者是可溶基质更新速率的重要性已经得以认可并得到验证。

对缺氧选择器的设计原则是基于RBCOD/NO3-N进入反应器的速率的基础上进行的。厌氧选择器的设计根据RBCOD的更新速率来决定磷的释放速率。厌氧条件能够减少硫混合物的合成，这可以在丝状硫氧化细菌的需氧阶段使用。虽然我们认为在活性污泥系统中同时进行缺氧和厌氧阶段能够给细菌一个强大的选择性压力，但是考虑到非丝状细菌的竞争特点，它的结果却并非总是这样。因此，需要慎重考虑缺氧和厌氧阶段有效选择器的使用。

为了研究复杂微生物系统，例如活性污泥，其包含许多因素相互作用，建立其数学模型是一个较好的研究手段。随着对菌类生理机能的不断深入了解，现有模型不断更新。在ASM系列模型中最新的ASM3开始对污泥沉降进行描述。这是第一次对存储污泥新陈代谢的描述，虽然最近有一些改进型的模型被提出，但是这些模型也还仅仅是对正常情况下污泥沉降进行描述，并没有涉及到异常工况下的污泥膨胀，因此，对污泥膨胀的数学公式描述依然是一个空白。这些模型分为两种：一种是从菌类形态和动力学方面考虑；另一种是从生理学、动力学和形态学等方面考虑。由于其动力学参数的选取基于特定的几种细菌，所以这个模型不能推广。研究表明丝状菌的一维生长会导致絮状体的形成，这更易于基质扩散。后来的研究又考虑到絮体的形态学和丝状菌的原始生长特性。这篇研究是想将丝状菌的形态特性和非丝状菌结合起来。根据三组微生物，并考虑其动力学参数，根据动力学选择理论，将溶解基质中不同的方案和DO模拟出来。近期研究表明

絮状体和丝状菌在活性污泥中的共同存在不能只根据动力学理论的简单模型所预测。需要把扩散考虑进去，更多的努力应该把细菌形态学和扩散联系起来。总之，模型能够更好地预测丝状菌的单向生长，并能够在活性絮体宏观梯度的基础上和高生长能力联系在一起。

尽管对活性污泥已经做了大量的研究，但是污泥膨胀问题仍然全世界存在，特别是由于这不但是一个工程学问题，而且是一个微生物学的问题。通过对污泥沉降过程的不断深入了解，例如对微生物的形态、生理机制、扩散机制、培养基动力学和储存机理、培养基微粒的作用和水解、菌类种类与数量的识别、絮结产物、脱水物、吸附物，以及微生物之间的共存、互助、寄生和竞争等，在一定程度上提高了对复杂的污泥膨胀现象的理解和预测。

不同的微观和分子技术的应用，尤其是透射电子显微镜法和特殊的方法共聚焦激光扫描显微结合起来对完成污泥体系结构很有益。近期，对荧光原位杂交和微传感器的使用允许分析生物种群和新陈代谢活动。从机制角度考虑SBCOD对絮体细菌的形成有益。一些实验室系统已能够证明存储聚合物的有效性，但是在全方位系统中的调查还有待加强。基于对选择器功能原理的理解来进行可靠高效率的操作策略。选择器中参数之间的性能质量平衡，比率，比例应得到较好的调节。操作环境也会对操作产生影响，要考虑选择器操作过程中的控制参数。检测系统的使用和发展，不一定非要使用反馈系统。在检测中，除了考虑安全性和鲁棒性，控制方法应该是越简单越好。选择器还是很难建立模型。絮体模型很有必要，因为丝状菌结构生长过程中营养素的微观梯度起关键作用。

文章总结：有假设解释丝状菌的发展但没有证实；丝状菌膨胀与絮体中营养物浓度的微观梯度有关；建模的重要过程例如絮体形态，生长环境，扩散，基质中给电子体和电子受体的动力学和基质存储能力来预测絮体特性和选择器性能；活性污泥BNR系统是减少活性污泥膨胀，也要有一些特性：复杂基质的预处理，平推流选择反应器，定义好的厌氧，缺氧和需氧阶段，避免不连续的曝气，保持好溶解氧的浓度；一系列关于污泥结构，细菌识别和特定基质中的形态学作用，存储聚合物，选择器，控制和监测的数学模型。