生化系統活性污泥上浮和沉淀池中污泥膨脹成因及檢測與控制
在采用活性污泥法處理廢水的運行過程中，有多種原因可引起生化體統（曝氣池）中污泥活性受到抑制，導致生化系統中污泥上浮和沉淀池中污泥膨脹，從而使有機物的去除率下降。
污泥膨脹、上浮的問題是活性污泥自產生以來一直伴隨并常常發生的一個棘手的問題。其主要特征是：污泥結構松散，質量變輕，體積膨大，沉淀壓縮性能差；SV值增大，有時達到90%，SVI達到400以上；大量污泥流失，出水渾濁；二次沉淀池難以固液分離，回流污泥濃度低，有時還伴隨大量的泡沫的產生，無法維持生化處理的正常工作。污泥膨脹、上浮是生化處理系統較為嚴重的異常現象之一，它直接影響出水水質，并危害整個生化系統的運作。
生化池（曝氣池）中污泥活性一旦受到抑制，就會導致微生物性質和類群的改變、有機底物的去除率下降。有些微生物（如絲狀菌）的過量增長會形成泡沫或浮渣，運行時機械應力、挾裹氣泡等均會使活性污泥的比重降低而上浮飄走，流入二沉池會引起二沉池污泥膨脹，不僅增加了出水中的懸浮固體量，而且會大大降低生物反應系統（曝氣池）中活性污泥的活性和數量。
污泥膨脹的發生率是相當高的，在歐洲近50%的城市污水廠每年都會有不同程度的污泥膨脹發生，在我國的發生率也非常高。基本上目前各種類型的活性污泥工藝都會發生污泥膨脹。污泥膨脹不但發生率高，發生普遍，而且一旦發生難以控制，通常都需要很長的時間來調整。針對污泥膨脹、污泥上浮及生化體統中污泥活性受抑制，各方面的理論很多，但并不完全一致。本文在閱讀大量文獻基礎上，對導致活性污泥活性抑制與膨脹、上浮的原因、檢測方法和控制技術進行了討論，整理出幾種較為成熟且有普遍意義的觀點，并歸納如下。
1?引起活性污泥上浮的主要因素
1.1 進水水質
1.1.1?過量的表面活性物質和油脂類化合物
這類物質可以影響細胞質膜的穩定性和通透性，使細胞的某些必要成分流失而導致微生物生長停滯和死亡。當曝氣池進水中含有大量這類物質時，會產生大量泡沫（氣泡），這些氣泡很容易附聚在菌膠團上，使活性污泥的比重降低而上浮。另外，當進水含油脂量過高時，經過曝氣與混合，油脂會附聚在菌膠團表面，使細菌缺氧死亡，導致比重降低而上浮。
1.1.2 pH值沖擊
過高或過低的pH值會影響活性污泥微生物胞外酶及存在于細胞質和細胞壁里酶的催化作用以及微生物對營養物質的吸收。當連續流曝氣反應池內pH＜4.0或pH＞11.0時，多數情況下活性污泥中微生物活性受到抑制，或失去活性，甚至死亡，以致發生污泥上浮。用SBR法處理啤酒廢水和化工廢水的實驗結果表明：當進水pH值為2.5－5.0和10.0－12.0時，pH值越低（或越高），污泥活性受抑制越嚴重，上浮污泥量越多。控制低pH值（3.5-7.0）的反應周期內pH值不變，兩種廢水的活性污泥在pH≤5.5時就開始出現污泥上浮。另一方面，隨著pH值的增加，由于胞外聚合物（Extra Celluar Polymer）的電離官能團增加，活性污泥絮凝作用增加（盡管帶的負電性增加），但當pH值超過一定范圍后，絮凝作用下降。可見，這時的電排斥作用增加，也會造成活性污泥脫絮（懸浮、不絮凝、反絮凝（deflocculation）和上浮[6]。
1.1.3 鹽含量的影響
對進水的pH值調整不能消除堿度對活性污泥的影響。對堿性進水調pH值，雖然中和了堿性物質，但產生了鹽。鹽溶液濃度不同其滲透壓也不同，滲透壓是影響微生物生存的重要因素之一。如微生物所處的溶液滲透壓發生突變，就會導致細胞死亡。
1.1.4?水溫過熱
組成活性污泥的微生物適合的溫度范圍一般為15－35℃，超過45℃時會使活性污泥中大部分微生物死亡而上浮（經過長期馴化的或特殊微生物除外）。另外，Klaus Kriebitzsch等在用SBR工藝測定溫度對細胞內酶活性影響的試驗中也發現，溫度在20、30和40℃時酶活性較好，大于50℃之后，酶的活性明顯下降。
1.1.5?致毒性底物
對好氧活性污泥微生物有致毒作用的底物主要包括：含量過高的COD、有機物（酚及其衍生物，醇，醛和某些有機酸等）、硫化物、重金屬及鹵化物。高底物濃度可與細胞酶活動中心形成穩定的化合物，導致基質不能接近，無法被降解，甚至使細胞中毒死亡。重金屬離子進人細胞后主要與酶或蛋白質上的-SH基結合而使之失活或變性。微量的重金屬離子還能在細胞內不斷積累最終對微生物發生毒害作用（微動作用）。鹵化物最常見的是碘和氯，碘不可逆地與菌體蛋白質（或酶）的酪氨酸結合，生成二碘酪氨酸，使菌體失活。氯與水合成次氯酸，其分解產生強氧化劑。而且廢水中有機物的突變，使原被馴化好的并能降解有機毒物的微生物減少或消失。
1.2?工藝運行
1.2.1?過量曝氣
微生物處于饑餓狀態而引起自身氧化進人衰老期，池中溶解氧濃度（DO）上升；或者由于污泥活性差，曝氣葉輪線速度過高，供氧過多。總之，DO上升，短期內污泥活性可能很好，因為新陳代謝快，有機物分解也快，但時間一久，污泥被打得又輕又碎（但無氣泡），象霧花片似的飄滿沉淀池表面，隨水流走。這種污泥色淺，活性差，耗氧速率下降，污泥體積和污泥指數增高，處理效果明顯降低。
1.2.2?缺氧引起的污泥上浮
污泥呈灰色，若缺氧過久則呈黑色，并常帶有小氣泡。
1.2.3?反硝化引起的污泥上浮
當廢水中有機氨化合物含量高或氨氮高時，在適宜條件下可被硝酸菌和亞硝酸菌氧化為NO3-，如二沉池積泥或停留時間過長，NO3-還原產生的N2會被活性污泥絮凝體所吸附，使得活性污泥上浮。
1.2.4?回流量太大引起的污泥上浮
回流量突增，會使氣水分離不徹底，曝氣池中的氣泡帶到沉淀區上浮，這種污泥呈顆粒狀，顏色不變，上翻的方向是從導流區壁直向沉淀區壁成湍流翻動。
1.2.5?二沉池池底積泥引起的污泥上浮
如果二沉池底泥發酵，產生的CO2和H2也會附聚在活性污泥上，使污泥比重降低而上浮。污泥腐化產生CH4、H2S后卜浮，首先是一個個小氣泡逸出水面，緊接著有黑色污泥上浮。
1.3?活性污泥絲狀菌過量生長及其控制產生的污泥上浮
1.3.1?溫度與負荷
微絲菌（Mocrothrix patvicella）的最佳生長條件是溫度在12－15℃，污泥負荷小于0.1kg/（kg·d）。它的天然疏水性會引起活性污泥的脫水性差，最高為490mL/g。在溫度高于20℃后、即使污泥負荷是0.2kg/(kg·d)，M.parvicella也不增值。它打碎成30－80μm的碎片，成浮渣形式而上浮。
1.3.2?表面活性物質、類脂化合物及機械應力作用
引起低負荷膨脹和污泥上浮的最頻繁的絲狀菌是：微絲菌、0092型、0041型。在進水中表面活性物質和類脂化合物濃度的升高、接種和機械應力也會引起放線菌（Actinomycetes）的增長。Kappeleretal觀察到機械應力（如離心泵）損壞緊密的活性污泥絮凝體并導致微絲菌的過量增長[9]。
1.3.3?過量投加絲狀菌抑制劑
在曝氣池流出槽中注人過氧化氫，數天后，絲狀菌就消失，SVI從580mL/g下降至178mL/g。且過氧化氫也有確保曝氣池DO和去除H2S臭味的效果。但若加人量太多會引起活性污泥的活性抑制及污泥上浮。
2、沉淀池（二次沉淀池）中污泥膨脹原因
污泥膨脹分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。非絲狀菌膨脹主要發生在廢水水溫較低而污泥負荷太高的時候，此時細菌吸附了大量有機物，來不及代謝，在胞外積貯大量高粘性的多糖物質，使得表面附著物大量增加，很難沉淀壓縮。而當氮嚴重缺乏時，也有可產生膨脹現象。因為若缺氮，微生物便于工作不能充分利用碳源合成細胞物質，過量的碳源將被轉彎為多糖類胞外貯存物，這種貯存物是高度親水型化合物，易形成結合水，從而影響污泥的沉降性能，產生高粘性的污泥膨脹。非絲狀菌污泥膨脹發生時其生化處理效能仍較高，出水也還比較清澈，污泥鏡檢也看不到絲狀菌。非絲狀菌膨脹發生情況較少，且危害并不十分嚴重，在這里就不著重研究。
絲狀菌膨脹在日常實際工作中較為常見，成因也十分復雜。影響絲狀菌污泥膨脹的因素有很多，但我們首先應該認識到的是活性污泥是一個混合培養系統，其中至少存在著30種可能引起污泥膨脹的絲狀菌。而絲狀菌在與活性膠團系統共生的關系中是不可缺少的一類重要微生物。它的存在對凈化污水起著很好的作用。它對保持污泥的絮體結構，保持生化處理的凈化效率，及在沉淀中起著對懸浮物的過濾作用等都有很重要的意義。事實也證明在絲狀菌與菌膠團細菌平衡時是不會產生污泥膨脹，只有當絲狀菌生長超過菌膠團細菌時，才會出現污泥膨脹現象。
2.1污泥負荷對污泥膨脹的影響
研究證明大多數的絲狀菌的KS和μmax值比菌膠團的低，所以，按照以上Monond方程，具有低KS和μmax值的絲狀菌在低基質濃度條件下具有高的增長速率，而具有較高KS和μmax值的菌膠團在高基質濃度條件下才占優勢。同樣認為低負荷對于絲狀菌生長有利的理論還有表面積/容積比（A/V）假說。這里的表面積和容積，是指活性污泥中微生物的表面積與體積。該假說認為伸展于絮凝體之外的絲狀菌的比表面積（A/V）要大大超過菌膠團細菌的比表面積。當微生物處于受基質限制和控制的狀態時，比表面積大的絲狀菌在取得底物方面要比菌膠團有利，結果在曝氣池內絲狀菌就變成了優勢菌。
低負荷易導致污泥膨脹這一觀點無論是在實際運行中還是在理論上都有了較為成熟的解釋。但在我國，通常生化反應的負荷設計都是較高的，的大量污泥膨脹卻是在高負荷條件下發生的，這引起了人們對該理論的懷疑。事實上，在高負荷條件下的污泥膨脹往往是由于供氧不足、曝氣池內DO濃度降低引起的。我們下面就針對溶解氧DO對于污泥膨脹的影響。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
2.2溶解氧濃度對污泥膨脹的影響
微生物對有機物的降解過程實質上就是對氧的利用過程。溶解氧在活性污泥法的運行中是一個重要的控制參數，曝氣池中DO濃度的高低直接影響著有機物的去除效率和活性污泥的生長。低DO濃度一直被認為是引起絲狀菌污泥膨脹的主要因素之一。絲狀菌由于具有較大的比表面積和較低的氧飽和常數，在低DO濃度下比絮狀菌增殖得快，從而導致絲狀菌污泥膨脹。根據各方面的研究反應，DO對于污泥膨脹影響的的臨界值并不確定。DO濃度的要求是與污泥負荷息息相關的，負荷越高，則對應的臨界值就越大。這一值的確定與工藝選擇、池型及進水類型都有著密切關系，必須根據實際情況結合實驗才可以得出。
2.3其它方面對污泥膨脹的影響
2.3.1?污水種類
污水種類對污泥膨脹有著明顯的影響。通常來說，那些含有易生物降解和溶解的有機成份，特別是低分子量的烴類、糖類和有機酸類等類型基質的污水易引起污泥膨脹，例如釀酒、乳品、石化和造紙廢水等。
2.3.2?營養成分的不均衡
當污水中N、P不足時，易引起污泥膨脹的發生。通常認為，N、P的合適比例為BOD5：N：P=100：5：1。很多研究表明許多絲狀菌對營養物質N、P有著較強的親和力，這可能就是缺乏營養物質導致污泥膨脹的原因。
2.3.3 pH值與溫度
一般認為pH偏低易引起絲狀菌的大量繁殖。而溫度的對絲狀菌的影響也是很普遍的。例如，冬天Microthix parvicella在絲狀菌群中占優勢，而溫暖季節時Nocardiaform，0041型或Nostocoida limnicda較易大量繁殖。
另外污水在進水處理系統前的早期厭氧消化產生的有機酸和硫化氫也可能導致污泥膨脹的發生。硫磺菌的的貝氏硫菌、硫絲菌等能從硫化氫氧化中獲取能量。而這么細菌以非常長的絲狀性增殖，有時能長達1厘米，從而導致污泥膨脹的發生。
3、生化體統（曝氣池）中污泥活性抑制與上浮的檢測方法
3.1?測定污泥的耗氧速率（OUR）和 ATP
測定活性污泥的耗氧速率（OUR），可判斷有無毒物流入、負荷條件和排泥平衡情況。若同時測定三磷酸腺苦（ATP），還可以從處理機能方面對微生物量和活性度進行定量分析。根據P.E.Jorgensen等的研究表明，測定ATP含量和OUR是檢測生物量活性的可靠方法。
3.2?利用指示生物診斷活性污泥狀態和性能
用顯微鏡對活性污泥中的微生物進行鏡檢，其中的原生動物和后生動物（統稱為微型動物）相對比細菌個體大，在顯微鏡下易于觀察、鑒別和計數，且對外界環境條件的變化更為敏感，作為指示生物來診斷活性污泥的狀態和性能，在工程實踐中已有較廣泛應用。
4、 控制生化體統中污泥上浮的技術措施
①穩定曝氣池進水水質的最可行、最經濟的方法是終水回流，用以稀釋、調節曝氣池進水中的有機物濃度，使其穩定在一定范圍內，終水回流的先決條件是污水處理廠的處理能力必須大于實際進水量。
②污水處理廠應考慮設有較大容積的調節池（均質池）并控制好均質池（調節池）液位。因高液位會使均質池的水量緩沖能力下降，甚至喪失；而低液位運行不僅均質效果差，且易使油和均質池底的雜質進人曝氣池，造成活性污泥受沖擊而上浮。液位宜控制在50％－70％。
③合理投加營養鹽。由于工業廢水中營養比例失調，常常碳源充分而氮、磷等營養物不足，因此處理工業廢水時須另外補加。一般以尿素和磷酸鹽為氮源和磷源，但投加量不宜過量。
④曝氣池人口設中和池及由堿池、酸池、pH檢測儀、pH自動調節閥等組成的pH自動調節系統，使曝氣池進水的pH值控制在要求范圍內。
⑤采用純氧曝氣。從西德引進的純氧曝氣裝置，投產5a以來從未出現污泥上浮。
⑥污泥中毒引起的污泥上浮可以加大曝氣量，減少進水量并清除死污泥。
⑦活性污泥的微生物組成主要依賴于廢水成分、流動形式、運行條件和適宜的設計。由于在實際處理過程中幾乎難以控制廢水成分，因此對運行條件和反應器設計進行優化選擇至關重要。
5、二次沉淀池中污泥膨脹的一般解決辦法
5.1應急措施
適用于臨時應急，主要方法是投加藥物增強污泥沉降性能或是直接殺死絲狀菌。在曝氣池的入口處投加鐵鹽鋁鹽等混凝劑可以直接提高污泥絮凝性、壓密性，保證沉淀出水。另外，投加一些能夠殺滅絲狀菌的藥劑，如氯氣、臭氧、過氧化氫等。氯加在回流污泥中也可以達到消除污泥膨脹現象。有效氯為10—20mg/l時，就能夠有效殺滅球衣菌，貝代硫菌；高于20mg/l時，可能對絮凝體形成菌產生危害，因此，在使用氯時一定要按投加量的允許范圍合理投加。投加過氧化氫和臭氧也可以起到破壞絲狀菌的效果。而臭氧，過氧化氫等氧化劑只有在較高的計量條件下才對球衣菌有殺滅效果。
采用這種方法一般能較快降低SVI值，但這種方法并沒有從根本上控制絲狀菌的繁殖，一旦停止加藥，污泥膨脹現象可以又會卷土重來。而且投藥有可能破壞生化系統的微生物生長環境，導致處理效果降低，所以，這種辦法只能做為臨時應急時用。
5.2改善生化環境
污水廠發生污泥膨脹的時候，一般無法從工藝流程、池型和曝氣方式的改變來解決，只能在正在運行的流程基礎上通過改變生化池內的微生物生長環境來抑制或消除絲狀菌的過度繁殖。在不同的工藝和水質的情況下，很難有一個放之四海而皆準的解決方案。但生化工藝常遇見的幾種應該注意的問題必須加以注意。
5.2.1?污水性質的控制
首先應該檢查和調整pH值，當pH值低于5以下時，不僅對污泥膨脹會有利，而且對正常的生化反應也會有一定的危害，所以當pH值偏低時應及時調整。
另外水溫對污泥膨脹有一定的影響，組成活性污泥的微生物適合的溫度范圍一般為15--35℃，溫度每升高1℃微生物代謝速度提高1倍。當溫度超過40℃時會使活性污泥中大部分微生物死亡而導致污泥膨脹。在北方寒冷地區一定應注意冬季時的水溫，若水溫偏低應加熱，因為低溫也會導致污泥膨脹的發生。采用鼓風曝氣能有效地升高曝氣池內水溫。
當污水中營養成份不足或失衡時，應補充投加。N、P含量應控制在BOD：N：P=100：5：1左右。
若污水處理生化系統前已有消化現象的發生，產生的低分子有機酸將有利于絲狀菌的生長，這時可以對廢水在調節池內預曝氣來加以改善。一般采用空氣擴散器向3-5米有效水深的調節池曝氣，供氣量可以控制在0.5-1.0m3（空氣）/ m3廢水·h。它能使調節池的廢水保持新鮮，并有效防止由于厭氧所會帶來的臭氣。
5.2.2保持生化池內足夠的溶解氧，一般控制在0.3---2mg/l；對于高負荷的生化系統一般至少應控制DO>2 mg/l。
5.2.3調整曝氣池中污泥負荷，運行經驗表明，如果污泥負荷超過0.35kgBOD/kgMLSS.d易于發生絲狀菌性污泥膨脹。
5.2.4縮短沉淀池的水力停留時間和沉淀池內的污泥應及時排出或回流，防止其發生厭氧現象。若發生厭氧現象，產生的各種氣體吸附在污泥上，也會使污泥上浮，沉降性能變差。而且發生厭氧的污泥回流也會引發絲狀菌的大量繁殖。這種情況時除排泥和清除沉淀池內的死角，并縮短污泥在池內的停留時間外，還應提高曝氣池DO值，使出入沉淀池的水保持較的溶解氧，或者在污泥回流進入生化池前曝氣再生。
在解決了以上問題后，如果污泥膨脹現象仍得不到控制，就得根據實際情況加以分析，下面針對幾中常見的工藝提出一些指導性的方法，供參考。
A.?高負荷活性污泥工藝
目前國內對活性污泥工藝的設計通常采用中等負荷（0.3KgBOD5/(kgMLSS·d)），而在實際中人們從經濟角度考慮總是采用較高的負荷，所以高負荷下的污泥膨脹在中國具體較為廣泛的意義。在高負荷情況下，最常見的是DO不足，所以先采取提高氣水比，強化曝氣，在推流式曝氣池內首端采用射流曝氣等方式，觀察一段時間，找出問題的所在。
如果在以上措施采取后一段時間情況仍無好轉，則可考慮在曝氣池頭部加設軟填料。這一部份對于有機酸去除率很高，從而去除絲狀菌的生長促進因素，幫助絮狀菌生長。這個方法比較有效，但造價較高，且對以后的維修管理造成不便。或者在曝氣池前設置一個水力停留時間約為15min的選擇器，一般能很有效的抑制絲狀菌的生長。
對于間歇式進水的SBR工藝來說，反應器本身是完全混合式的，而且在時間上其污染物的基質就存在濃度梯度，所以無需再另設選擇器。通常間歇式SBR工藝產生污泥膨脹的原因是，污泥濃度過高，而進水有機物濃度偏低或水量偏小而導致污泥負荷偏低。對于這種情況，降低排出比，提高基質初始濃度，并對SBR強制排泥，一般就能夠對污泥膨脹現象進行有效的控制。而對于連續進水的SBR如ICEAS和CASS等工藝如果發生污泥膨脹的話，就有必要在進水端設置一個預反應區或生物反應器了。
B.?低負荷活性污泥工藝
低負荷活性污泥工藝曝氣池內基質濃度較低，絲狀菌容易獲得較高的增長效率，所以是最容易產生污泥膨脹。除了在水質和曝氣上想辦法外，最根本和有效的是將曝氣池分成多格且以推流方式運行，或增設一個分格設置的小型預曝氣池作為生物選擇器，在這個選擇器內采用高污泥負荷，吸附部分有機物并消除有機酸。這個辦法不但有助于抑制污泥膨脹，并能有效的改善生化處理效果。在曝氣池內增加填料的方法也同樣在低負荷完全混合工藝中適用。
對于A/O和A2/O工藝可通過在在好氧段前設置缺氧段和厭氧段以及污泥回流系統，使混合菌群交替處于缺氧和好氧狀態，并使有機物濃度發生周期性變化，這既控制了污泥膨脹又改善了污泥的沉降性能。而交替工作式氧化溝和UNITANK工藝等連續進水的系統因為其本身在時間和空間上就有了實際上的“選擇器”，所以對污泥膨脹有著效強的控制能力。如果這兩種工藝發生污泥膨脹，則可通過調整曝氣控制溶氧量和控制回流污泥量來調節池內的污泥負荷及DO，通過一段時間的改善，一般能夠控制住污泥膨脹現象。
6、 總結
總的來說，污泥膨脹由于絲狀菌的種類繁多，且生長適宜的環境也不盡相同。在不同工藝不同水質的情況下，微生物的生長環境非常微妙，這就要求發生污泥膨脹時，需要水處理工作者根據實際情況作大量切實的實驗和分析，大膽實踐，才能解決污泥膨脹問題。