中水回用工藝（MBR）污泥膨脹控制對策
在膜生物反應(yīng)器中，由于膜的高效截留在作用使微生物全部留在反應(yīng)器中，而不存在由于污泥膨脹導(dǎo)致的微生物大量流失的問題，因此MBR工藝被普遍認為能很好的應(yīng)對污泥膨脹。但在實際使用中一旦發(fā)生污泥膨脹，將對MBR工藝的運行產(chǎn)生很大的影響。本文以天津大學(xué)洗浴水處理工藝為研究對象，研究了MBR反應(yīng)器中污泥膨脹的現(xiàn)象及解決方法。
1 處理設(shè)施概況
該工程原水主要為天津大學(xué)學(xué)生公寓排放的洗浴廢水，廢水水質(zhì)及處理要求見表1。
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表1 污水水質(zhì)及中水回用標準
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該中水回用工程采用新型淹沒式復(fù)合膜生物反應(yīng)器——生物接觸氧化和膜生物反應(yīng)器結(jié)合的處理工藝，工藝流程見圖1。
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MBR反應(yīng)器主要設(shè)計參數(shù)：處理水量為120m3/d，水力停留時間（HRT）為6h，MLSS的質(zhì)量濃度為 5000mg/L，容積負荷（以CODCr計）為0.57-1.59kgCOD/（m3·d）。
2 污泥膨脹的狀況及危害
在膜生物反應(yīng)器中，隨著運行時間的推移，膜內(nèi)外表面都會受到不同程度的污染，致使膜過濾壓力上升，膜運行周期縮短。
近年來，許多研究認為，胞外聚合物是膜污染眾多因素中最重要的生物因素；尤其在污泥發(fā)生非絲狀菌膨脹時，胞外聚合物的濃度急劇上升，嚴重影響膜組件的正常運行，而且使膜組件的更換周期縮短[4]。
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圖 2 膜過濾壓力隨時間的變化
從圖2我們可以明顯的看出，在發(fā)生污泥膨脹的第65天至95天，膜的過濾壓力從0.01Mpa迅速上升至0.05Mpa。在采取控制措施后，繼續(xù)運行了60天，膜的過濾壓力只上升了0.015Mpa，達到了0.065Mpa而進行膜清洗。由于污泥膨脹的發(fā)生，膜的清洗周期從300天（膜的生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)）縮短至150天左右。
從以上的分析我們可以看出，污泥膨脹對膜的污染的影響很大，直接導(dǎo)致膜的正常運行周期縮短，進而縮短了膜的更換周期，使該工程的經(jīng)濟效益大打折扣（在本工程中膜組件的投資約占總投資的百分之三十）。
該工程運行過程中，經(jīng)測定原水中BOD5，N，P的平均質(zhì)量比為100：3：4，在沒有采取任何措施的情況下，污泥的 SVI值逐漸上升直至220mL/g，發(fā)生污泥膨脹，在SVI值逐漸上升的整個過程中，活性污泥的微生物種群發(fā)生了變化，變化可分為兩個階段。
第一階段，在SVI從剛開始的80mL/g上升到170mL/g。這一過程中，絲狀菌數(shù)量逐漸增加并成為活性污泥中的優(yōu)勢菌種。絲狀菌之間的架橋作用干擾了污泥絮體的凝聚和壓實，使得污泥的沉降性能惡化，SVI值上升。但是，這一階段持續(xù)時間較短，污泥膨脹并不嚴重，危害較小。
第二階段，隨著運行時間的增加，SVI值從170mL/g上升到220mL/g，并且不再繼續(xù)上升，SVI值維持在200 mL/g以上。這一過程中，絲狀菌的數(shù)量逐漸減少，出現(xiàn)了高含水率的粘性菌膠團大量生長的現(xiàn)象。當SVI上升到220mL/g左右時，鏡檢時已觀察不到或只有少量絲狀菌。菌膠團細菌分泌的大量粘性物質(zhì)使污泥連成均勻的一片，阻礙了污泥絮凝體的下沉和壓縮，污泥的沉降性能嚴重惡化，發(fā)生了非絲狀菌膨脹[1]。
當發(fā)生污泥膨脹時，反應(yīng)池中可見云浪狀的污泥上浮，并陸續(xù)蔓延至全池。為此采取了一系列的診斷措施：測試了反應(yīng)池混合液出流的pH值以及混合液中的DO。測試結(jié)果顯示：混合液pH值穩(wěn)定在7.6左右，DO的質(zhì)量濃度約為2.73mg/L，均在正常范圍內(nèi)。
如前所述，進水中BOD，N，P的平均質(zhì)量比為100：3：4，屬氮缺乏狀態(tài)。根據(jù)以上觀察到的現(xiàn)象及文獻綜述[3]，我們認為導(dǎo)致污泥高粘性膨脹的原因與氮缺乏有關(guān)。
3污泥膨脹的控制
3.1絮凝法
膨脹活性污泥的密度一般比水小，作為應(yīng)急處理措施，可考慮投加混凝劑，以改善其沉降性能。我們初步選擇了常用的高分子混凝劑——陽離子型聚丙烯酰胺和無機混凝劑——硫酸亞鐵進行對比試驗[2]。
3.1.1聚丙烯酰胺投加量與污泥沉降性能的關(guān)系
在處理水量為50L/h的小試裝置中投加陽離子型聚丙烯酰胺，使其濃度分別達到10 、20 、30 、40 、50和60 mg/L，污泥的SV值變化見圖3。
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從圖3中可以看出，聚丙烯酰胺的投加對于污泥的沉降性能的改善有一定的效果，且存在一個最佳投加量，但是，效果不是很理想。筆者分析后認為，該中水回用系統(tǒng)采用新型淹沒式復(fù)合膜生物反應(yīng)器，曝氣量大、水力攪拌強烈，聚集起來的絮體顆粒容易遭到破壞，從而導(dǎo)致混凝效果不理想；當投加量高于最佳投加量時，絮凝體除中和膠體的負電荷以外，過多的正電荷又使膠體離子帶上正電荷而重新穩(wěn)定。
3.1.2硫酸亞鐵投加量與污泥沉降性能的關(guān)系
在處理水量為50L/h的小試裝置中投加硫酸亞鐵溶液，使其質(zhì)量濃度在10至180 mg/L之間變化，污泥的SV值變化見圖4；投藥前后菌膠團狀態(tài)分別見圖5、圖6。
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圖5 投藥前污泥菌膠團狀態(tài)（100倍） 圖6 投藥后污泥菌膠團狀態(tài)（100倍）
從圖4、圖5和圖6中可以看出，投加硫酸亞鐵溶液后污泥沉降性能得到明顯改善，SV值下降了約百分之十五。但是超過60mg/L后污泥沉降性能沒有進一步的改善，所以確定實際運行時硫酸亞鐵的投加量為60mg/L。按照市售硫酸亞鐵的價格估算，在投加應(yīng)急混凝劑期間，每噸污水的處理成本增加約 0.05元。
在投加硫酸亞鐵（60mg/L）前后，測量混合液PH值從7.63降至7.07，對污泥活性的負面影響很小。
綜上所述，陽離子型聚丙烯酰胺的投加效果受水力條件等因素的限制不是十分理想，同時其單體有毒性、難降解，存在二次污染問題，經(jīng)濟效益較投加硫酸亞鐵差。
硫酸亞鐵價格便宜、使用簡單，對膜及污泥沒有負面影響，其對污泥密度的影響是有效的，但其不能從根本上解決營養(yǎng)比例失調(diào)的問題，所以只能作為應(yīng)急控制措施。
3.2營養(yǎng)鹽調(diào)整法
在污泥膨脹問題的研究中，對污泥膨脹的恢復(fù)與控制是一個十分重要的環(huán)節(jié)。在該中水回用工程的運行過程中發(fā)現(xiàn)，投加硫酸亞鐵后，沉降性能一度改善的活性污泥在原有有機負荷條件下如停止投加，繼續(xù)進行處理，則活性污泥的沉降性能就會逐漸惡化，三日后恢復(fù)到投加前的狀態(tài)。所以需要尋找一種在活性污泥膨脹后行之有效的恢復(fù)控制方法。
運行過程中我們對正在同時運行的兩組膜生物反應(yīng)器進行對比試驗：第一組投加了充足的氮源，使其BOD5，N平均質(zhì)量比約為100：5；第二組在投加了充足的氮源的情況下，我們同時提高了進水有機負荷，有機負荷（以CODCr計）提高到 2.0kgCOD/m3·d以上。我們發(fā)現(xiàn)，中污泥的SVI值降低到150mL/g以下時，第一組當反應(yīng)器運行的時間為一周左右；第二組反應(yīng)器運行的時間僅為三至四天。
實際運行經(jīng)驗表明：第一、解決因氮的缺乏引起的污泥膨脹的根本的解決方法是調(diào)整營養(yǎng)物質(zhì)的比例。第二、在保持營養(yǎng)物比例適當?shù)那闆r下提高有機負荷，可以縮短污泥的沉降性能恢復(fù)正常的時間。
3.3其他控制方法
在污泥粘性膨脹最嚴重的情況下（用容器裝一些污泥，無論用什么方法污泥始終粘附在容器的表面），可考慮適當排掉一些膨脹的污泥，再重新取一些新泥，以減少多糖類物質(zhì)對污泥的覆蓋；同時增加水力停留時間，使沒有被完全氧化的有機物有足夠的時間被消耗掉。
由于原水中洗滌劑含量很高，加之曝氣強度較大，經(jīng)常出現(xiàn)白色、粘稠的泡沫，并且越積越多，當污泥發(fā)生膨脹時，危害較大。2002年12月29日夜，由于泡沫積累成為高達一米多高的泡沫山，致使污泥大量流失。經(jīng)過這次事故以后，我們除投加消泡劑以外，采取了水力消泡的方法。在反應(yīng)池上方安裝噴頭，用MBR反應(yīng)器的出水對反應(yīng)池上部進行噴淋，以控制膨脹污泥和泡沫對反應(yīng)器的危害，并已取得良好的效果。
4 結(jié)論
通過對中水回用工程近一年來運行狀況的觀查與分析，總結(jié)起來有以下幾點值得注意：
①以洗浴水為主要原水的MBR工藝在污泥膨脹期，可以采用硫酸亞鐵作為應(yīng)急投加混凝劑，最佳投加量為60mg/L，但因其不能從根本上解決營養(yǎng)比例失調(diào)的問題，所以只能作為應(yīng)急控制措施。
②對于該中水回用工程運行過程中出現(xiàn)的污泥膨脹，根本的解決方法是調(diào)整營養(yǎng)物質(zhì)的比例；同時我們發(fā)現(xiàn)，在保證營養(yǎng)物比例合適的前提下，提高有機負荷可以加速污泥沉降性能的恢復(fù)。工程實踐證明，通過以上措施我們成功的控制了污泥的高粘性膨脹。同時我們發(fā)現(xiàn)，增加排泥以及增加水力停留時間也是有效的輔助措施。
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