提出调控工艺局部污泥负荷分布来处理污水处理厂冬季微丝菌污泥膨胀。在某AAO工艺污水处理厂开展平行反应器实验，进行显微观测和工艺模拟，发现反应器前端厌/缺氧区污泥去除负荷的差值与微丝菌丰度、污泥粒径和沉降性
能有相关性。比较多种运行模式的改善效果，发现AO模式沉降性能最好，优于AAO和多点回流。反应器前端污泥去除负荷梯度可作为调控指标，实验中AO模式负荷梯度可达0.54kgCOD·(kgSS·d)－1，明显高于AAO、多点回流和多点进水。因此，通过优化回流和排泥操作，可以调控污泥去除负荷的沿程分布，有可能缓解冬季的微丝菌型污泥膨胀。
作者：邱勇，刘垚
清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，北京
来源《环境工程学报》
活性污泥膨胀成因复杂、调控困难、恢复缓慢，是污水处理厂工艺运行的挑战之一。污泥膨胀常见为丝状菌膨胀，常出现在冬季，优势菌有诺卡氏菌(Nocardiaform)、微丝菌(Microthrixparvicella)和放线菌(Actinomycetes)等。国内外学者对活性污泥膨胀的机理进行了深入研究，为解决污泥膨胀的工程问题提供了理论基础。我国北方地区冬季污水处理厂的污泥膨胀一般为微丝菌型，南方污水处理厂优势菌变化较多。近年来，我国污水处理厂运行人员积极调整工艺参数，提出了预警方法，积累了处理污泥膨胀问题的能力。如丁峰等综述了选择器和加药等方法，黄程兰等使用氯化钙、郭军等使用烷基溴化铵、周爱姣等使用灭菌剂实现了应急控制，李志华等通过增强曝气、邹笑蓉等通过调整DO和MLSS实现了工艺调控。
为了减少投资和节约药剂，调整反应器运行模式和控制工艺运行条件是一种可行的措施，其关键是负荷调控。微丝菌生长与长泥龄和低负荷密切相关，有研究认为0.05～0.2kgBOD·(kgSS·d)－1时易生长。适当提高污泥负荷可以限制丝状菌的过量生长，但在实际工程中很难提高有机物浓度，故需要通过调整污泥
浓度和反应器回流点位来改变污泥负荷。在这种情况下，调控对象不再是进水负荷，而是沿程的负荷梯度。但目前对负荷梯度的控制方法还认识不足，需要研究梯度特征、调控方法和抑制微丝菌的效果。
本文搭建了平行反应器模拟AAO、AO等工艺，研究了污泥浓度、污泥回流点等对沿程负荷梯度的影响，分析了负荷梯度与微丝菌丰度、污泥粒径、沉降性能的关联性，说明了调控局部污泥负荷抑制微丝菌生长的可行性。
1.实验部分1.1实验装置在北方某污水处理厂现场，参考实际工艺搭建了AAO、AO及污泥多点回流反应器(见图1)，总体积60L，停留时间为12h，厌氧、缺氧、好氧容积比例为1∶3∶8。通过改变回流点位置或回流量，可以实现AAO、AO、多点回流和多点进水等运行模式。使2#外回流和1#内回流为零，为AAO模式;使2#外回流和2#内回流为零，为AO模式;使1#内回流为零，为多点回流模式。实验采用污水处理厂初沉池出水作为原水，二沉池回流污泥为接种污泥，稳定14d后开始实验。实验期间为年9月—年1月，期间进水COD浓度波动范围为～mg·L－1，氨氮浓度为25～53mg·L－1。为模拟冬季低温，通过冷却液循环将主反应器及沉淀池温度控制在(14±1)℃。
图1工艺反应器示意图
1.2实验条件平行运行2套实验装置，开展了4组实验(Ｒun1～Ｒun4)，每组持续2个月。对照组运行AAO模式，1#外回流比Ｒ1为%、2#内回流比r2为%;实验组运行AO模式或多点回流模式，其中AO模式r1=%，Ｒ1=%;多点回流模式r2=%，Ｒ1=20%，Ｒ2=80%。通过调整排泥量、补充活性污泥等方式改变反应器污泥浓度，实验期间对照组MLSS为(3.00±0.60)g·L－1，实验组MLSS为(3.61±0.67)g·L－1。以进水COD浓度和好氧区污泥浓度计算进水污泥负荷，实验条件如表1所示。
表1反应器运行模式与进水负荷
其中Ｒun1和Ｒun3为低负荷0.05～0.1kgCOD·(kgSS·d)－1，Ｒun2和Ｒun4为高负荷0.1～0.2kgCOD·(kgSS·d)－1。
1.3分析测试丝状菌丰度是一个依据丝状菌与菌胶团数量之比的定性指标，取值为0～6级，分别表示微丝菌“没有、很少、一些、常见、很常见、丰富、过多”的状态。“很常见”表示每个菌胶团中丝状菌数量为5～20个，“丰富”则指丝状菌数量在20个以上。采用细胞染色和显微镜观察的方法定性评价污泥的微丝菌丰度(G)，每10d1次。具体来说，对细胞进行革兰氏(Gram)染色和纳氏(Nessis)染色，用显微镜放大倍拍照，判断微丝状菌形态，统计絮体内部的丝状菌数量，判断微丝菌丰度级别。污泥絮体粒径也通过上述方法估测污泥絮体的粒径，以25μm为计量基准。
采用国标方法测定活性污泥的浓度(MLSS)和体积指数(SVI)，每天1次。
1.4污泥去除负荷计算
使用反应器局部的污泥浓度和COD浓度计算该区域的污泥去除负荷(LS，r)，公式如下:
式中:LS，r为反应器某区污泥负荷(kgCOD·kgSS·d)－1;i为反应器的进水点数量;Qi为反应器第i路进水的流量(m3·d－1);Ci为反应器第i路进水的COD浓度，Cout为反应器出水的COD浓度，包括可溶性和缓慢降解组分(mg·L－1);V为反应器容积(m3);MLSS为该区域的污泥浓度(mg·L－1)。
以进水流量Qi为权重，对进水浓度Ci进行加权平均，可简化式(1)为:
式中:为加权平均值(mg·L－1);HＲT为反应器的实际水力停留时间(d);其余同上式。因此，污泥去除负荷与水力停留时间密切相关，包含了接触时间、底物利用和生物量的信息，能够综合反映微生物的生存环境。
由于难以区分混合液中的微生物和底物浓度，因此，采用工艺模型模拟和物理平衡计算的方法来获取上述COD浓度。首先用污水处理工艺模拟软件(BioWIN4.1，加拿大EnvironSim公司)建立反应器工艺模型，其次根据反应器进出水观测值确定工艺模型参数，然后利用模拟结果计算污泥负荷。利用上述方法可以减少水质检测工作量，提高数据可靠性。
2.结果与讨论2.1污泥形态分析
取反应器活性污泥进行革兰氏染色和奈氏染色，可以结合形态学分析初步识别丝状菌种类。常见的丝状菌有诺卡氏菌、微丝菌、型和型等;其中微丝菌呈革兰氏阳性、奈氏阴性，长度50～μm;型丝状菌呈革兰氏阳性、奈氏阴性且呈现颗粒状;型丝状菌呈革兰氏阴性、奈氏阳性，长度10～80μm等。虽然形态学定性分析较为粗略，不如荧光原位杂交(FISH)或基因测序等定量方法准确，但在已知群落特征的样品中具有一定的分辨性，而且易于现场操作，对工艺运行有较好的指导作用。
(a)絮体(b)微丝菌(c)型(d)为型
图2活性污泥形态观察(倍)
上述形态学分析结果表明:反应器中丝状菌种类和丰度随时间发生明显变化，实验初期可观察到微丝菌、型及型丝状菌，实验中后期微丝菌成为优势菌。图2(a)～(d)所示分别为絮体、微丝菌、型和型丝状菌的染色照片，显微镜物镜10×、目镜10×，放大倍。根据照片统计絮体内外的微丝菌数量，定性判定微丝菌丰度G值。图2(a)中絮体内微丝菌数量约为30个，分类为“丰富”，G值为5。
实验期间的微丝菌丰度如图3所示。在所有的实验组，对照组AAO与实验组的微丝菌丰度值接近，表明微丝菌丰度在运行模式之间没有显著性的差别。然而，微丝菌丰度随着时间有明显变化。以AAO模式为例，接种活性污泥在低温下逐渐膨胀，导致Ｒun1初期微丝菌丰度持续增加;反应中期丰度稳定、到Ｒun4后期丰度逐渐减少，表明小试连续运行7个月后污泥膨胀得到了缓解。
图3反应器中丝状菌丰度与污泥粒径的变化趋势
从图3所示的污泥粒径变化趋势可知:当微丝菌丰度值G≥4时，污泥粒径d＜75μm;当微丝菌丰度值G＜3时，污泥粒径d＞μm。在整个实验期间，污泥形态与微丝菌丰度存在一定的关联性。这是因为微丝菌丰度较高时会伸展出絮体，破坏污泥絮体的完整性，导致絮体粒径变小。
2.2污泥沉降性能实验期间的污泥体积指数(SVI)如图4所示。为了与形态分析一致，以10d为周期取SVI平均值。SVI越高则沉降性越差、膨胀程度越严重。首先分析了工艺种类的影响在实验Ｒun1和Ｒun2中，实验组AO的SVI约为对照组AAO的85%，说明AO模式的沉降效果好于AAO模式，尽管两者微丝菌丰度差别不大(见图3)。实验Ｒun3和Ｒun4的多点回流模式SVI值高于对照组，说明多点回流模式的活性污泥沉降效果比AAO模式差。由于沉降性能是污泥膨胀的直接指标，因此，可以认为控制膨胀的效果依次为AO模式、AAO模式和多点回流。与图3比较可知，微丝菌丰度越低，污泥粒径越大，SVI值越低，沉降性能越好。
图4反应器污泥沉降性能的变化趋势
SVI还可能受进水污泥负荷影响。对照组AAO模式的变化关系明显，SVI从下降到mL·g－1，沉降性能持续改善;这一过程也伴随着进水污泥负荷的周期性变化。但是，实验组的SVI与时间和进水负荷的相关性较差，AO模式和多点回流的SVI值没有明显降低。这方面的影响还需要更深入的研究。
2.3污泥去除负荷与梯度
反应器各区域的污泥去除负荷如图5所示。比较3种模式下的局部COD去除负荷，可以看到1#区(厌氧区)和2#区(缺氧区)的去除负荷之和与好氧区接近，但两者的容积之和(即HＲT)仅有好氧区的一半，说明工艺前端的COD去除效率更高。
图5反应器不同模式下沿程的污泥去除负荷
比较工艺类型的影响，可以看到#1区的污泥去除负荷按AO、AAO和多点回流逐次递减;由于去除负荷的总量守恒，2#区和好氧区则逐次递增。如果定义1#
区和2#区的污泥去除负荷之差为负荷梯度ΔLS，r，可知AO模式的ΔLS，r最大，AAO次之，多点回流最差。上述趋势与SVI随工艺种类变化的趋势(图4)相似，意味着有可能污泥去除负荷的梯度越大，污泥沉降性能改善越好。分析原因可能有，1#区到2#区的污泥负荷存在较大差距时(比如AO模式的梯度大于0.5kgCOD·(kgSS·d)－1)，导致微生物在连续流动过程中的营养条件也剧烈变化，其生理过程也需要随之快速调整，从而使菌胶团内细菌获得竞争机会，减少丝状菌的优势。因此，可以使用1#区和2#区之间的污泥负荷梯度ΔLS，r描述局部有机负荷对微生物生存环境的影响。
图6反应器前端的污泥负荷梯度与外回流比的关系
图6表示了反应器1#区域外回流比Ｒ1与前端污泥负荷梯度ΔLS，r的关系。对照组AAO模式的Ｒ1=%，污泥负荷梯度为0.39kgCOD·(kgSS·d)－1;多点回流模式的Ｒ1=20%，污泥负荷梯度为0.11kgCOD·(kgSS·d)－1，明显低于AAO模式。使用BioWIN模型模拟得到Ｒ1与负荷梯度的关系，可见内回流比r1=0时，Ｒ1与负荷梯度近似为饱和动力学关系。图中可读出半饱和常数约为25%;即多点回流采用此Ｒ1比例时，负荷梯度为AAO的50%。上述关系说明将二沉池污泥以更大比例回流到1#区(厌氧区)，可以提高反应器前端的污泥负荷梯度。
AO模式的污泥负荷梯度ΔLS，r是AAO模式的1.37倍，达到0.54kgCOD·(kgSS·d)－1。这说明将好氧区混合液也回流至反应器首端，即内回流比r1=%时，可以进一步提高污泥负荷梯度。此外，目前常见多点进水工艺改善脱氮效率的尝试，故分析多点进水的负荷梯度发现:多点进水的反应器前端负荷梯度均小于从厌氧区一点进水。这是因为多点进水降低了进水底物对微生物的冲击负荷，减少了进水有机物与所有微生物接触的机会。
研究表明微丝菌主要依赖长链脂肪酸和亚麻油酸生长，不能利用乙酸等简单碳源;此外，微丝菌生长缓慢、能有效耐受饥饿环境，比增长速率低于絮体细菌和其他丝状菌。因此，在反应器前端形成较大的负荷梯度，可以使菌胶团更早和更快利用污水中的简单碳源生长代谢，从而减小了微丝菌的优势。上述分析意味着:将活性污泥的微生物尽可能与高浓度底物接触，且尽可能频繁地接触，有利于缓解丝状菌膨胀。因此，调控厌/缺氧区的负荷梯度值可以作为AAO工艺抑制微丝菌生长的可选措施。但也要看到，引起污泥膨胀的原因比较复杂，调控污泥负荷分布只提供了一个解决思路，在实际运行中还需要继续尝试新方法和总结经验。
3.结论1)对北方某污水处理厂AAO工艺冬季污泥膨胀问题进行了研究，通过实验探讨了微丝菌丰度、SVI和污泥负荷之间的关系，提出有可能通过优化工艺反应段的污泥负荷，实现絮体尺寸增大、污泥沉降性能改善的效果。
2)通过形态学分析定性描述了运行条件、实验时间和进水负荷对微丝菌丰度、活性污泥粒径和SVI的影响。通过工艺模型和物料平衡得到反应器污泥去除负荷的分布特征，比进水负荷或污泥负荷更适于作为工艺调控的依据。
3)分析了回流方式对反应器前端污泥去除负荷梯度的影响，发现AO模式的负荷梯度最大、AAO模式次之、多点回流或多点进水最低。对北方常见微丝菌型膨胀，可以尝试采用AO模式提高反应器前端负荷梯度，使絮体微生物与高浓度底物频繁接触，达到缓解和控制微丝菌膨胀的效果。
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