活性污泥污水处理工艺中泡沫的形成与控制研究

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摘要：活性污泥曝气池中严重的泡沫现象是一种常见问题，主要是由于Nocardioform actinomycetes和Microthrix parvicella菌属的异样生长造成的。微生物细胞表面的疏水性(CSH)、污泥停留时间(SRT)、pH值、溶解氧(DO)等是丝状菌生长的重要因素。控制泡沫的方法主要有喷洒水、投加化学药剂、降低细胞平均停留时间、调节污水pH值、增设生物选择器、采用连续填料反应器等。
关键词：活性污泥工艺 泡沫 Nocardioform actinomycetes；Microthrix parvicella 形成和控制

论文作者：王丹虎

　　0 引言

　　目前，世界范围内大多数城市污水处理厂采用活性污泥法处理工艺。普遍存在的问题之一就是曝气池表面常常会产生严重的泡沫，大量的泡沫使曝气池表面被覆盖,若从池中溢出会引起外部设备及外部池壁的污染,严重影响了周围的环境，给污水处理厂的运行和管理带来了困难，同时也使出水水质恶化。根据对国内外污水处理厂的调查，大多数都不同程度地受到泡沫问题的影响，特别是采用延时曝气工艺的污水厂更是如此。

　　1 泡沫的形成

　　活性污泥工艺中，泡沫的形成一般有以下几种形式，主要包括工艺运行初始时期形成泡沫、反硝化作用起泡、表面活性剂起泡以及生物泡沫等[1]。生物泡沫粘度大，呈黄褐色，具有稳定、持续、较难控制的特点。

　　1.1 工艺运行初期形成泡沫

　　曝气池开始运转时，特定表面活性剂对有机物的部分降解作用形成泡沫，并使泡沫迅速增长。这些泡沫一般呈白色且质轻，当活性污泥达到成熟时消失。

　　1.2 反硝化作用起泡

　　由于在二沉池或曝气不足的地方会发生反硝化作用，使微小的氮气气泡释放出来，从而使污泥的密度减小，有利于其上浮，产生泡沫现象。这种现象在二次沉淀池中表现明显，且产生的悬浮泡沫通常不稳定。

　　1.3表面活性剂起泡

　　污水中的表面活性剂和淀粉、蛋白质、油脂等表面活性物质在分子结构上都表现为含有极性－非极性基团即所谓双亲分子，在曝气的条件下，非极性基团一端伸入气泡内，而极性基团选择地被亲水物质所吸附，这样亲水性物质的表面被转化成疏水性物质而粘附在气泡水膜上，随气泡一起上浮至水面。

　　各种悬浮物质若混入表面活性剂等产生的泡中，这些物质单独存在并不能发泡,但是可使泡沫稳定。如造纸工业中的微细纸浆，食品工业中的纤维质等。另外，如氯化钠、硫酸钠、硫酸铝等盐类的水溶液,单独存在几乎不产生泡沫,但也有助于泡沫的稳定，使泡沫难以消失，如图1、2、3所示[2]。

　　         

　　图1 纯水中的气泡             图2 水中混入表面         图3 水中混入表面活性剂

　　活性剂的气泡                和悬浮物质的气泡

　　        Figure 1. A foam in      Figure 2. A foam in water with     Figure 3. A foam in water with surface

　　pure water surface active agents active agents and suspended substances

　　1.4　生物泡沫

　　目前，普遍认为生物泡沫形成的主要原因是：在各种因素影响下，造成丝状菌和放线菌等微生物的异样生长，丝状菌的比生长速率高于了菌胶团细菌，又由于丝状菌的比表面积较大，因此，丝状菌在取得污水中BOD5物质和氧化BOD5物质所需要的氧气方面都比菌胶团细菌有利得多，结果曝气池中丝状菌成为优势菌种而大量增值，导致生物泡沫的产生。再加上这些微生物大都呈丝状或枝状,易形成网,能捕扫微粒和气泡等,并浮到水面。被丝网包围的气泡,增加了其表面的张力,使气泡不易破碎,泡沫更加稳定。另外，曝气气泡产生的气浮作用是泡沫形成的主要动力因素。

　　研究发现，与生物泡沫有关的菌属主要有Nocardioform actinomycetes(放线菌)和Microthrix parvicella(丝状菌)等，如图4所示，前者多出现于夏季，后者多出现于冬季[3]。Linda L.Blackall等通过测定Microthrix parvicella等丝状菌的16S rDNA序列，对引起生物泡沫的主要丝状菌进行了分离鉴定和分类[4]，如表1所示。 Microthrix parvicella是生成生物泡沫的最重要菌种，其16S rDNA序列信息证实Microthrix parvicell也是一种放线菌，通过电子显微镜观察，其细胞壁上有革兰氏阳性细菌所具有的典型表面，呈单一均质层；Eikelboom Type0092、Eikelboom Type0411 和Eikelboom Type1863丝状菌革兰氏染色均呈阴性，16S rDNA序列信息表明三者都属于Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides；Eikelboom Type0803是一种类Proteobacteria，Williams and Unz认为根据形态学准则很难区别Microthrix parvicell和Eikelboom Type0803，但序列信息表明事实上二者没有任何关系，Eikelboom Type0803与上述各丝状菌都不太相似。

　　D.B.Oerther 等利用低（聚）核苷酸探测技术、杂交培植和抗体着色等方法，对生物泡沫中Gordonia spp.等丝状微生物进行了定量分析。结果表明，Gordonia spp.等菌体的活性和数量水平的增加与整体微生物群落的活性及数量水平有关，在形成生物泡沫过程中，Gordonia spp.等丝状微生物自身的物理性质可能比细胞的代谢活性所起的作用要大[5]。




　　

　　图4 Nocardia amarae和Microthrix parvicella[6]

　　Figure 4. Nocardia amarae and Microthrix parvicella[6]

　　研究表明，丝状菌等微生物细胞表面的疏水性或憎水性（cell surface hydrophobicity, CSH）是形成生物泡沫并使之稳定的重要原因。Helen Stratton（1998）等从生物泡沫中分离出nocardiform及Rhodococcus rhodochrous等菌种，对细胞表面霉菌酸成分(mycolic acid content)，

　　表1 与泡沫形成有关的主要菌属

　　Table 1. Main bacteria involved in foams forming

　　
序号 　　
菌种名称 　　
革兰氏性 　　
种属和形态
　　
1 　　
Nocardia amarae 　　
G+ 　　
放线菌(actinomycete)，枝状菌丝
　　
2 　　
Nocardia pinesis 　　
G+ 　　
放线菌,松枝状
　　
3 　　
Rhodococcus sp. 　　
G+ 　　
放线菌,枝状菌丝
　　
4 　　
Microthrix parvicella 　　
G+ 　　
丝状菌(filament)，无鞘无分枝，丝状
　　
5 　　
Eikelboom Type0092 　　
G- 　　
F-C-B门，丝状菌
　　
6 　　
Eikelboom Type0411 　　
G- 　　
F-C-B门，丝状菌
　　
7 　　
Eikelboom Type1863 　　
G- 　　
F-C-B门,类Proteobacteria,丝状菌
　　
8 　　
Eikelboom Type0803 　　
G- 　　
F-C-B门,类Proteobacteria,丝状菌

　　注：F-C-B门表示Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides phylum.

　　以及细胞表面疏水性(CSH)与形成稳定生物泡沫能力之间的关系进行了研究，结果表明：霉酸菌成分并不是形成CSH的唯一原因，CSH也不是生成生物泡沫并使之稳定的唯一因素。CSH随着微生物的培养周期，以及其它条件，如生长温度、碳源等的变化而改变；Rhodococcus rhodochrous中霉酸菌成分也会随着培养周期、温度以及碳源等条件的变化而发生改变；nocardiform细胞表面的霉酸菌成分对其CSH的影响不大[7]。

　　D.Mamais(1998)等认为，长链脂肪酸（慢速生物降解COD）和低温环境是脱氮活性污泥系统中Microthrix parvicella生长的主要原因，絮凝体形成菌去除易生物降解COD的过程也不会影响Microthrix parvicella的生长，长链脂肪酸被去除的量（吸附去除）与Microthrix parvicella的生长量成反比关系[8]；污泥停留时间(SRT)、pH值也会影响生物泡沫的产生。长污泥停留时间有利于Microthrix parvicella等丝状菌微生物的生长，这也是延时曝气工艺更容易引起生物泡沫的原因。另外，溶解氧(DO)以及曝气方式等也是生成泡沫的重要影响因素。如表2所示。

　　表2 与优势丝状菌相关的条件[9]

　　Table 2. Conditions being related to predominant filamentous bacteria

　　
产生条件 　　
丝状菌种类
　　
低DO 　　
Microthrix parvicella, S. Natans, 1701
　　
低F/M 　　
Microthrix parvicella,0041,0092
　　
完全混合式生物反应器 　　
H. Hydrossis, Nocardia spp., 021N, 1851,1701
　　
腐败性废水/硫化物 　　
Beggiatoa, Thiothrix spp., 0914
　　
营养不足 　　
S. Natans, Thiothrix spp., 021N; 可能有H. Hydrossis,0041
　　
低pH值 　　
fungal bacteria

　　2 泡沫的控制

　　根据泡沫形成的机理及其影响因素，可采用物理化学和生物的方法对泡沫进行控制。控制泡沫特别是生物泡沫的实质并非消除Microthrix parvicella等细菌的产生，主要途径就是在曝气系统中建立一个不适宜丝状菌异常生长的环境，抑制其在活性污泥中的过度增殖，使丝状菌与絮凝体形成菌保持平衡的比例生长。

　　2.1 物化方法控制泡沫

　　① 喷洒水

　　喷洒的水流或水珠能打碎浮在水面的气泡,以减少泡沫。但不能根本消除泡沫现象，是一种最常用最简便的物理方法。

　　② 投加化学药剂

　　阳离子聚丙烯酰胺(acrylamide­based cationic polymer)是一种常用的消泡剂，工程实例中，把阳离子聚丙烯酰胺投加于二沉池进水管中，其既有抑制Nocardioform actinomycetes生长的作用，又有通过回流污泥进入曝气池消除污水中表面活性剂及表面活性物质极性－非极性特点的作用。由于上述两点的存在，新的稳定泡沫难于大量生成，而在水面上的泡沫层由于水面紊动，泡沫受剪力作用不断破碎，表面泡沫水膜由于水分不断蒸发,泡沫不断破碎,泡沫层也逐渐消失[10]。

　　低浓度的H2O2也是一种较常用的泡沫消除剂，在活性污泥中投加当投加低浓度H2O2时,其浓度不足以杀死菌胶团表面伸出的丝状菌，只能氧化部分生物残渣和消除代谢过程产生的毒素，净化菌胶团细菌生长的环境，促进了菌胶团细菌优势生长, 使菌胶团菌和丝状菌的生长达到了新的平衡，从而达到控制生物泡沫的目的，而出水水质并未恶化。H2O2应投加于回流污泥中，投加浓度为20～25mg H2O2/(kg·MLSS)[11]。

　　Yongwoo Hwang等通过污水厂观察、实验室试验以及现场应用，发现污水中的泡沫是典型的季节性出现的，代谢和动力学的调节并不能很成功的抑制Microthrix parvicella的过度生长和泡沫的产生，经过与氯、阳离子聚丙烯酰胺两种化学药剂相比较，发现除丝状菌聚季铵碱(quaternary ammonium­based anti­filament polymer, AFP)是一种最有效的物理化学方法来抑制Microthrix parvicella的过度增殖，能有效的控制泡沫，并未给出水水质带来变化[12]。

　　另外，如氯、臭氧、聚乙二醇以及氯化铁和铜材酸洗液的混合药剂等均具有较强的氧化性，也可当作消泡剂使用。

　　2.2 生物方法控制泡沫

　　① 降低细胞平均停留时间

　　降低细胞平均停留时间是很有效的控制泡沫的方法，实质即利用丝状菌平均世代时间较长于絮凝体形成菌的特点，抑制丝状菌的过度增殖，细胞平均停留时间越短，丝状菌越少，泡沫也越少。

　　② 调节污水pH值

　　研究表明，最适宜Nocardia amarae生长的pH值为7.8,最适宜Microthrix parvicella生长的pH值为7.7～8.0，当pH值从7.0降为5.0～5.6时，能有效控制这些微生物的过度生长，减少泡沫的形成[13]。

　　③ 降低曝气的空气输入率

　　降低了曝气的空气输入率，一是能降低曝气池中气提强度，减缓了丝状菌的上浮速度；二是能降低曝气池中的溶解氧浓度，Nocardia amarae是严格的好氧菌,在缺氧或厌氧条件下,不易生长,但 Microthrix parvicella却能忍受缺氧状态。再者，降低曝气池的空气输入量也相应的降低了微气泡的生成量，即减少丝状菌和放线菌机体上浮的载体，从而延缓泡沫的形成。

　　④ 回流厌氧消化池上清液

　　试验表明，厌氧消化池上清液能抑制Rhodococcus rhodochrous菌属的生长，采用厌氧消化池上清液回流到曝气池的方法，也能控制曝气池表面泡沫的形成。但由于厌氧消化池上清液中含有高浓度好氧底物和氨氮，它们都会影响出水水质，因此应慎用。

　　⑤ 增设生物选择器  

　　生物选择器有好氧选择器和缺氧选择器两种，其目的就是使进入曝气池的污水先于回流污泥在其中充分混合，通过调节F/M、DO等因素，选择性的发展絮凝体形成菌，抑制丝状菌等的过度增殖。在设计选择器时，选择器需要分格设置，一般多采用4～6格；尽量提高选择器第一格的F/M值，形成F/M梯度；还要控制选择器的水力停留时间，一般为10～15分钟。另有研究表明：好氧选择器能一定程度地控制Microthrix parvicella，但对Nocardia 菌属无大影响；而缺氧选择器对Nocardia菌属有控制作用，却对Microthrix parvicella无太大作用[14]。

　　⑥ 采用连续填料反应器

　　D.Mamais(1998)等也认为，没有证据表明厌氧和缺氧选择器能够绝对成功的控制Microthrix parvicella的扩散和增殖，连续流和序批实验表明，控制Microthrix parvicella 生长的最佳方式就是采用连续填料流反应器，理由有二：一是利用絮凝体形成菌的高吸附能力能够大量去除慢速生物降解COD；二是能避免胶体物质水解后可溶产物的扩散[8]。

　　3 现场实例

　　北京首都机场污水处理厂采用合建式缺氧―好氧活性污泥工艺（A/O）。污水厂的污水主要来源于航空工作区、生活区、宾馆以及周边生活小区，处理能力为20000m3/d,其工艺流程如图3所示。

　　2004年2月14日至2月17日期间，曝气池表面出现了严重的泡沫，开始采取了向曝气池

　　

　　表面喷洒清水的措施，但消泡效果不理想。2月18日，采取了降低曝气的空气输入强度的措施，并向二沉池的进水管中投加了约25L(0.5mg/L)的阳离子聚丙烯酰胺溶液，连续投加7天，每天观察并记录了泡沫覆盖曝气池的百分率，如图4所示。开始投加时泡沫覆盖率已经达到90％左右，2月20日泡沫覆盖率下降至70％，到2月24日覆盖率下降至12％，随后稳定在10％以下。

　　

　　图4 曝气池泡沫覆盖率随投加阳离子聚丙烯酰胺的时间变化关系

　　Figure 4. Variation relationship between bestrewing rate of foams in aeration pool and

　　 adding time of acrylamide­based cationic polymer

　　4 结语

　　活性污泥工艺中泡沫产生的条件和机理尚有争议，但目前的研究认为，主要是由于Nocardia和Microthrix parvicella菌属的异样生长，其比生长速率高于菌胶团絮凝体形成菌的比生长速率造成的，Nocardia和Microthrix parvicella菌属有疏水性极强的细胞表面，迁移并停留在气泡表面，因而使气泡稳定。发泡现象也与气–水界面的疏水性有机化合物的浓度有关。

　　泡沫的控制主要有物化和生化的方法，通过加入化学药剂来改变细菌细胞表面的化学性质仍是一种控制泡沫产生的常用方法，而广泛应用的杀菌剂普遍存在负作用,因为过量或投加位置不当,会大量降低反应池中絮凝体形成菌的数量及生物总量。

　　总之，目前常用的投加化学药剂方法只是一种应急措施而非根本解决途径，因此，还应通过更深入更实际的生物方法的研究，来寻找一种更合理有效、更经济适用的方法控制Nocardia和Microthrix parvicella菌属的生长和泡沫的形成，保证活性污泥工艺的正常和高效运行。

　　参考文献

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　　[3] P. Madoni, et al. Testing the control of filamentous microorganisms responsible for foaming in a full-scale activated sludge plant running with initial aerobic or anoxic contact zones [J]. Bioresource Technology, 1997, 60: 43-49.

　　[4] Linda L. Blackall, et al. Towards understanding the taxonomy of some of the filamentous bacteria causing bulking and foaming in activated sludge plants [J]. Wat. Sci. Tech, 1996, 34(5-6): 137-144.

　　[5] D.B.Oerther,et al. Quantifying filamentous microorganisms in activated sludge before, during, and after an incident of foaming by oligonucleotide probe hybridizations and antibody staining [J]. Wat. Res, 2001, 35(14): 3325-3336.

　　[6] Soddell. J. A, et al. Microbiology of foaming in activated sludge plants [J]. J. App. Bacteriol, 1990, 69: