活性污泥膨胀诱因及其控制分析

段志广

摘 要：活性污泥的丝状菌性膨胀，是活性污泥污水处理过程中遇到的最棘手问题，将导致污泥沉降性能变差，废水处理效果降低。本文研究了引起污泥膨胀的诱因微生物及其生长特性，并采取一定措施来控制污泥的膨胀现象。研究发现，添加抑制剂和改变进水的C/N比例及污泥有机负荷，均能有效地控制污泥的膨胀现象，其中，次氯酸钠的用量为15 ppm，C/N比例为25：1，污泥负荷为0.6 kgBOD5/（kgMISS.d）。

关键词：污泥膨胀;丝状菌;抑制剂;C/N比例;有机负荷

中图分类号：X703     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）30-0090-04

Abstract： Filamentous bulking of activated sludge is the most difficult problem encountered in the process of activated sludge wastewater treatment， which will lead to poor sludge sedimentation performance and reduced wastewater treatment effect. In this paper， the inducement microorganisms causing sludge bulking and their growth characteristics were studied， and some measures were taken to control sludge bulking. It was found that adding inhibitors and changing the C/N ratio of influent and sludge organic load can effectively control the sludge bulking phenomenon， in which the dosage of sodium hypochlorite is 15 ppm， the C / N ratio is 25：1， and the sludge load is 0.6 kgBOD5 / （kgMISS. d）.

Keywords： sludge bulking; filamentous bacteria; inhibitors; C/N ratio; organic load

活性污泥膨胀主要分为两种：一种是由污泥中丝状菌大量繁殖造成的丝状菌膨胀;另一种是由污泥中微生物代谢产物粘在一起形成的黏性菌胶团膨胀。在污水处理中更常见的是由丝状菌大量繁殖引起的污泥膨胀，90%的污泥膨胀是由活性污泥中丝状菌的过量生长而引起的。污泥膨胀使污泥的沉降性能变差，影响整个出水水质处理工艺，增加污泥的处理难度和处置费用，使整个处理过程难以控制。而且是活性污泥法污水处理厂运行过程中经常遇到的最棘手的问题之一[1，2]。1993年，欧盟联合组织攻关活性污泥膨胀问题，但始终没有获得彻底有效地解决方法[3，4]。目前，有关污泥丝状菌膨胀的成因、机理及其控制途径的研究很多[5-7]，并且已经发现造成污泥膨胀的诱因微生物多达30多种[8]，但对于造成维生素废水丝状菌污泥膨胀的诱因微生物及其膨胀控制办法，目前国内外相关研究较少。本研究对象来源于某煤化工企业污水处理厂发生丝状菌膨胀的活性污泥，主要针对引起污泥膨胀的诱因微生物进行研究，并在此基础上对其采取合理的控制措施来控制污泥的膨胀现象。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本试验中的菌种取自某煤化工企业发生膨胀的活性污泥;试验用廢水取自该厂生产排放的综合废水。

分离富集培养基：葡萄糖为0.5 g，NH4Cl为0.01 g，MgSO4为0.01 g，K2HPO4为0.01 g，NaCl为0.1 g，定容至1 L，调节pH为7.5。

分离纯化培养基：葡萄糖为5 g，牛肉膏为3 g，蛋白胨为3 g，氯化钠为1 g，定容至1 L，调节pH为7.5。

1.2 主要仪器和分析方法

OLYMPUS BH-2;扫描隧道显微镜（JEOL 100CX-Ⅱ）;岛津紫外扫描仪UV-2401PC;TOC测定仪TOC-5000A。

总氮测定：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB/T 11894—1989）。

BOD5测定：稀释与接种法GB/T 7488—1987。

CODCr测定：重铬酸盐法GB/T 11914—1989。

1.3 实验方法

1.3.1 富集培养。采集某煤化工企业废水处理厂发生膨胀的活性污泥5 mL，接种在100 mL的富集培养液中，静置培养3～5 d。将漂浮于液面上的薄膜状物质挑取少许，镜检发现有大量的丝状微生物时，对其进行进一步的分离纯化培养。

1.3.2 分离及筛选。将富集培养液中的薄膜状物质挑取少许，在无菌水（加少许玻璃珠）中震荡5 min后，在分离培养基上划线，置于30 ℃条件下培养24～36 h，见有微丝状菌落出现时，及时挑取划线分离。经过多次纯化分离，可得到纯化的丝状菌。

1.3.3 菌株的鉴定。将已经分离纯化的菌株进行形态结构、生长特性和生理生化等方面的实验，根据《常见细菌系统鉴定手册》进行鉴定[9]。

1.3.4 菌株系统发育分析。从NCBI-Blast检索H3菌株的16S RNA序列的近缘序列，选取相似性较高的序列进行系统发育树构建;利用MGEA中的MUSCLE算法进行序列对齐，NJ法构建系统发育树（默认：1 000次迭代）。

1.3.5 污泥膨胀控制措施。综合分析该污水厂的运行情况，在实验过程中采用添加抑制剂次氯酸钠、H2O2以及絮凝剂聚合氯化铝和三氯化铁等;以及通过改变进水的C/N比例和污泥负荷的方法来控制污泥的膨胀现象。

2 试验结果与分析

2.1 丝状菌的富集和分离

将采集来的发生膨胀的活性污泥样品（见图1）经富集培养后，按上述方法进行多次纯化分离，得到一株丝状微生物，命名为H3菌。

2.2 H3菌的鉴定

2.2.1 培养特征。在好氧培养时产生凸起、卷曲有光带微丝的菌落;厌氧培养时产生蜘蛛状菌落。液体摇床震荡培养，可产生小球状凝聚体，悬浮于液体中。

2.2.2 形态特征。H3菌为不规则杆菌，（0.5～0.8）μm×（1.0～5.0） μm，具有直径5 μm的不规则纺锤状末端（见图1）;G+;没有鞭毛和荚膜;无芽孢。

2.2.3 生化反应特征。H3菌的生化反应结果表明：H3菌的接触酶、硝酸盐还原、M.R反应均为阳性;氧化酶、抗酸染色、明胶液化、V-P反应、H2S形成反应均为阴性;对糖醇、有机酸类的利用结果如表1所示。

H3菌属于化能异养型菌，需要营养丰富的培养基;发酵代谢，从葡萄糖主要产生乳酸和少量的乙酸，不产生丙酸。

2.2.4 H3菌的生长特性。①H3菌生长的最适温度和pH值。试验以分离纯化培养基为基础培养基，分别改变温度和pH值，来研究温度和pH值对菌株生长的影响，结果见图2和图3。②C/N的最适比例。试验以醋酸钠为碳源、以NH4Cl和K2HPO4为氮源和磷源来研究H3菌C/N的宜生长比例，其结果如图4所示。

从图3至图5可以看出，H3菌株适宜的生长温度为35～37 ℃，最适pH值为7～8，最适宜生长的C/N比例为35∶1。

2.2.5 H3菌系统发育分析。在NCBI-中检索H3菌株的近缘16S RNA序列，利用MGEA软件构建系统发育树，结合前述H3菌株的培养特征、形态特征、生化反应特征，以及菌株的生长特性，可判定H3菌株为芽孢杆菌属Bacillus sp.。

2.3 污泥膨胀解决措施

试验过程中采用该厂生产排放的综合废水，使CODcr在2 000 mg/L左右。接种该厂已经发生膨胀的活性污泥。试验所采用的有机玻璃反应装置如图5所示。

在试验过程中采取添加药剂、改变碳氮比例和污泥负荷的方法来研究其对污泥沉降性能的影响。其中，所投加的药剂均在配水槽均匀混合后再进水。该厂废水的C/N比例为（32～38）∶1。在研究C/N比例对污泥沉降性能的影响时，通过添加葡萄糖、蔗糖或硫酸铵的方式来改变该厂废水的C/N。试验全部采取连续进水方式，采用的主要检测指标为污泥的体积指数（Sludge Volume Index），其具体做法为：取均匀混合的活性污泥置于100 mL带刻度的量筒里，经30 min沉降后，测其1 g污泥所占的体积（mL），然后以下式计算：

混合液经30 min沉降污泥体积（mL/L）

SVI（mL/g） =混合液污泥浓度（g/L）

2.3.1 添加药剂对污泥沉降性能的影响。在试验过程中，所采用的次氯酸钠用量为15 ppm，H2O2为60 ppm，聚合氯化铝为180 ppm，三氯化铁为120 ppm，试验时间为15天。试验结果如图6所示。

从以上试验结果可以看出，添加药剂能够有效地控制污泥的膨胀问题。在抑制剂中NaClO的抑制效果最好，SVI值小于100 mL/g，镜检发现丝状菌数量大大减少，球菌、杆菌明显增多。NaClO和H2O2的作用机理主要是抑制微生物的生长，由于丝状菌的比表面积大大高于菌胶团菌，因此丝状菌首先受到毒害并抑制其生长过程，从而使菌胶团菌生长成为优势，污泥膨胀现象也随之消失[5];同时，添加聚合氯化铝和三氯化铁对控制污泥的膨胀现象也有一定的促进作用。其主要是增加污泥絮体的比重，从而使污泥的膨胀现象得到缓解[10]。

2.3.2 改變C/N比例对污泥沉降性能的影响。通过对发生膨胀污泥诱因微生物的研究发现H3菌适宜生长的碳氮比例为35∶1，在试验过程中通过改变碳氮比例，创造不利于H3菌生长的环境，使菌胶团菌的生长成为优势。试验发现当C/N比例在25∶1时，由H3菌引起的污泥膨胀现象基本上得到了控制。改变C/N比例对污泥沉降性能的影响如图7所示。

2.3.3 改变污泥负荷对污泥沉降性能的影响。从该厂的废水处理情况来看，前段经过复杂的曝气处理之后，到后段处理时，污泥负荷已经很低了，而丝状菌在低负荷下竞争营养物质，又具有明显的优势。从试验结果来看，当污泥负荷增加时，污泥膨胀现象就得到了缓解，当负荷增加到0.6 BOD5/kgMLSS.d时，污泥膨胀现象彻底得到了控制，SVI值在100 mL/g左右。如图8所示。

3 结论

研究得到一株引起煤化工废水污泥膨胀的菌株，命名为H3，经鉴定其属于芽孢杆菌属（Bacillus sp）。

H3菌最适宜的生长温度为35～37 ℃，最适pH值为7～9，最适宜生长的C/N比例为35∶1。

由H3菌引起的丝状菌性污泥膨胀，可通过添加抑制剂及改变废水的C/N比例和污泥负荷的方法的而得到有效的控制，其中适宜的碳氮比例和污泥负荷分别25∶1、0.6 kg BOD5/（kgMlSS.d）。在抑制剂中NaClO的抑制效果最好，SVI值小于100 mL/g。

参考文献：

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