废水处理工艺中生物泡沫产生机制及控制措施

史奇峰，刘康怀，苏 诚，徐 珊，施家刚

（桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

废水处理工艺中生物泡沫产生机制及控制措施

史奇峰，刘康怀，苏 诚，徐 珊，施家刚

（桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

活性污泥工艺中常常会出现泡沫过多问题，通过分析生物泡沫产生机制，研究国内外对于解决曝气池生物泡沫问题所获得的效果，提出控制泡沫的几点措施。对于我国活性污泥工艺泡沫问题的深入研究和控制泡沫的可行方法，希望能起到抛砖引玉的作用。

活性污泥工艺；生物泡沫；发泡微生物

当今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，然而，运行过程中曝气池或者二沉池污水表面产生泡沫问题长期影响活性污泥法处理系统的正常运行。据统计，世界上大部分活性污泥法污水处理厂都存在过泡沫问题。调查显示［1］：澳大利亚昆士兰州的50个采用活性污泥法的污水处理厂中有46个受到不同程度的泡沫问题的影响；美国108家采用活性污泥法的污水处理厂中有56%受到泡沫问题的困扰。法国的调查显示，在6013家污水处理厂中，有20%的污水处理厂受到泡沫问题的长期影响，而采用延时曝气方式的污水厂中，有87%受到泡沫问题影响。

我国城市污水厂发生泡沫的现象也较多，随着我国现代化进程和环境保护的发展，污水处理厂的大批兴建和运行，这方面的问题也会越来越突出。国内对污泥膨胀现象早有研究，然而对活性污泥工艺发泡沫现象及专门针对生物泡沫和产泡细菌的研究比较少。因此，针对性地开展这方面的研究，理解生物泡沫的发生机制，并采取有效的预防措施来解决泡沫问题，对于提高污水处理厂管理运行效率和降低运行费用，具有重要的指导意义和实际应用价值。

1 生物泡沫形成机制

大量研究表明，曝气过程产生的泡沫，主要是由于污泥中一些微生物过度增殖而形成的生物泡沫。因此，对活性污泥过程中泡沫问题的研究也都主要集中于生物泡沫的产生与控制等方面。

形成生物泡沫的主要原因：在各种因素的影响下，丝状菌和放线菌等微生物的异样生长。丝状菌的生长速率要比菌胶团细菌高，丝状菌的表面积也较大，因此，丝状菌在得氧能力上比菌胶团细菌强得多，导致曝气池中丝状菌成为优势菌种而大量繁殖。而丝状微生物大都呈丝状或枝状，易形成网状，能捕扫污水中的微粒和气泡等，并浮到水面［2］。气泡被这种丝网包围，表面张力增加而变得不易破碎，泡沫也更加稳定。最后，通过曝气气泡产生的气浮作用，在曝气池表面形成了大量泡沫。

1.1 发泡微生物的类群

研究表明，活性污泥中含分枝菌酸放线菌（Mycolata）的生长和积聚是造成生物泡沫的主要原因，因为含分枝菌酸放线菌的细胞壁中所含的长链枝状的分枝菌酸构成了细胞表面疏水性（CSH），而CSH又是泡沫形成的选择性浮选的必要条件。另有研究表明，微丝菌（Microthrixparvi－cella）的存在也会引起生物泡沫。普遍认同的与生物泡沫有关的菌属主要有：

（1）放线菌。 包括：Nocar－dia pinesis，革兰氏阳性，松枝状；Nocardia amarne，革兰氏阳性，枝状菌丝；Rhodococcus sp.，革兰氏阳性，枝状菌丝。

（2）丝状菌。包括：Eikelboom type 0092，革兰氏阴性，无鞘无分枝；EikelbMm type 0675，革兰氏阳性，有鞘无分枝；Micro－thrix parvicella，革兰氏阳性，丝状、无鞘无分枝［3］。

不同地区和不同污水处理厂产生生物泡沫的微生物类群和数量会有所差别。但是在所有菌种中最常见的是Nocardia amarne和Microthrix parvicella。另外，放线菌中的Nocardia asteroide、Mycobacterium sp.、Oerskoviasp.、Gordona sp.和 Nostocoidia limicola等菌种，虽然它们在曝气池中的浓度不大，并不足以产生生物泡沫，但是在稳定的泡沫中经常发现有它们的存在。有报道指出，在欧洲的城市污水处理厂，生物泡沫问题主要是由于Microthrix parvicella和Rhodococcus sp.等引起的。而在比较温暖的气候条件下，Nocardia amarne是主要发泡微生物。根据澳大利亚维多利亚、新南威尔士及昆士兰地区污水厂泡沫问题 的调查显示［5］，Nocardia amarne、Nocardia pinesis和Microthrix parvicella是该地区最常见的发泡微生物。美国和中国香港起泡微生物由多到少的出现频率为Nocardia Pinensis，Nocardiaamarae，M.parvicella及Nocardis amarae。

1.2 产泡菌类生长的影响因素

1.2.1 污泥停留时间

由于丝状菌和放线菌等微生物普遍生长速率较低、生长周期长（见表1），因此，污泥停留时间长（SRT）就会有利于这些微生物的生长。若采用延时曝气方式，就易产生泡沫现象，一旦泡沫形成，泡沫层的生物停留时间就独立于曝气池内的污泥停留时间，形成稳定持久的泡沫，不易破碎。

表1 微生物的生长周期与生长温度［6］

1.2.2 温度

与生物泡沫形成有关的菌类都有各自适宜的生长温度和最佳温度（见表1），当环境或水温适于它们生长时，就会产生生物泡沫。

1.2.3 污泥负荷

污泥负荷不同，产生生物泡沫的丝状微生物的类群也不同。已有研究表明，高负荷状态（大于0.2kgBOD5/kgMLVSS﹒d）产生生物泡沫的污水厂的比例是低负荷状态 （小于0.1kgBOD5/kgMLVSS﹒d）的两倍多［7］。Nocardia和放线菌在负荷高的条件下，增值速度也越快，而低温下M.parvicella则无论负荷高低，在丝状细菌种群中始终处于优势。底物中长链脂肪酸的含量与生物泡沫的发生密切相关，脂肪酸是泡沫微生物N.amarae的唯一碳源，M.parvicella喜欢长链脂肪酸如油酸作为碳源，处理废水中的油、脂更有利于这些丝状微生物的生长，从而产生泡沫。

1.2.4 pH值

不同的丝状微生物对pH的要求不一样，M.parvicella最适宜pH值为7.7～8.0， 而Nocardia amarae的生长对pH相当敏感，最适宜的pH值为7.8。据文献报道，当pH值从7.0下降到5.0～5.6时，可以有效减少泡沫形成。这主要是因为低的pH值超过了产生泡沫的微生物群落对pH的极限。因此当pH值为5.0时，就能有效控制其生长。

1.2.5 溶解氧（DO）

Nocardia是典型的好氧菌，它的生长与DO有很大关系。但是，在缺氧或厌氧条件下，这种微生物也不容易死亡。

2 控制泡沫的方法

生物泡沫具有持续、稳定和较难控制的特点。污水处理厂的地域不同，或者工艺、环境条件不同，导致产生生物泡沫的丝状细菌的类群也不一样，因此，采取的控制措施也不同，应根据污水厂运行的实际情况，采取不同方法控制泡沫问题。

2.1 减少污泥停留时间

一般采用减少曝气池中污泥的停留时间，可以抑制有较长生长期的放线菌的生长。由于产生泡沫的微生物普遍生长速率较慢，如Nocardia的μmax＝2.3/d，Yobs＝0.23gVSS/gCOD，生长周期长（Nocardiaamarae为4～7d，M.parvicella为6～10d，Nocardiapinensis为10～12d）［8］。 当污泥停留时间控制在5～6d时，能有效抑制Nocardia菌属的生长，但是减少污泥龄也有许多不适用的方面：如需要硝化时，则污泥停留时间在寒冷季节至少需要6d，如果采用这个方法会影响生物处理系统的脱氮效果。另外，Microthrix parvicella和一些丝状菌却不受污泥龄变化的影响。

2.2 降低曝气池空气输入率

（1）降低曝气池中气提强度，减缓微丝菌的上浮速度。

（2）降低曝气池中的溶解氧浓度，放线菌是典型的好氧菌，在缺氧或厌氧条件下不易生长。

（3）降低曝气池的空气输入量，相应降低了微气泡的生成量，减少了丝状菌和放线菌机体上浮的载体，从而延缓了泡沫的形成。

2.3 曝气池前增设生物选择器

生物选择器使进入曝气池的污水先与回流活性污泥充分混合。在好氧、厌氧或缺氧的条件下停留一段时间，抑制发泡微生物的过度增殖，选择性发展其他微生物。在厌氧或缺氧生物选择器中，建立高负荷、低DO或厌氧的条件，使兼性的絮凝体形成菌吸附并贮存水中大部分可溶有机物，通过夺去一部分发泡微生物赖以生存的营养源的方式对发泡微生物进行控制。Paolo等在研究中用污泥负荷为11kgBOD5（以每kg MLSS每天计，下同）、平均接触时间为18min的缺氧生物选择器有效控制了回流污泥中的Nocardia，但是该选择器对Microthrix parvicella则无明显效果；当采用污泥负荷为24kgBOD5、平均接触时间为14min的好氧生物选择器时则能对Microthrix parvicella有较好的控制作用［9］。

2.4 洒水

通过喷洒水流来冲碎浮在水面的气泡，以达到减少泡沫的目的。被打散的污泥颗粒部分重新恢复沉降性能，但丝状细菌仍然存在于混合液中，所以这种方法并不能根本消除泡沫现象。部分污水厂采用的消泡方法及成功率见表2。

表2 污水处理厂采用控制泡沫方法及成功率［10］

2.5 投加氧化剂

研究表明，投加低浓度的H2O2能氧化部分丝状菌和放线菌残渣和消除生物代谢过程产生的毒素，促进菌胶团菌的生长，在曝气池产生泡沫的敏感期，预先投加低浓度的H2O2能较好地防止泡沫产生［10］。 此外，在曝气池中通O3（2～6mg/L），也可抑制Nocardia菌过多增殖产生的泡沫，使污泥沉降性能好转。但此方法成本较高，应根据污水厂运行的经济条件而定。

2.6 投加混凝剂

投加铁盐、铝盐等混凝剂可以通过其凝聚作用提高污泥的压密性来改善污泥的沉降性达到减少泡沫危害的作用。美国洛杉矶市就有投加0.5mg/L的阳离子型聚丙烯酰胺消褪了12万m3/d污水厂曝气池里泡沫的成功实例［11］。但是投加混凝剂仅能短期除去曝气池表面的丝状菌，一般数周之后又会出现，并不能根除泡沫问题，只能作为一种紧急处理的手段，不能长期使用这个方法。

3 结语

生物泡沫是大多数城市污水活性污泥处理厂共同存在的复杂而突出的问题，引起生物泡沫的主要原因是活性污泥中的丝状菌个放线菌的异常增殖，影响生物浮沫产生的环境因子复杂，因此对于不同环境，抑制泡沫生成的控制措施不同，效果也不同，如采取减少泥龄的措施，虽然可以减少系统中大部分的丝状细，但是同时也排除了硝化细菌和反硝化细菌，影响了系统的脱氮效果，其他方法也不能解决泡沫问题。综合上述，解决活性污泥法中产生的泡沫问题，应该根据活性污泥法运行理论，结合工程实践，分析当前运行环境，研究其产生的机理，并考虑控制措施的技术性、可行性、经济性等因素来采取相应措施，才能合理、彻底地解决活性污泥工艺中的泡沫问题。

［1］Linda L B，Anne E H，Greenfield P F，et al.Foaming in activatedsludge plants：a survey in Queensland Australia and an evaluation of some control strategies［J］.Wat.Res.，1991，25（3）：65-66.

［2］徐鹏.一体化活性污泥处理工艺中泡沫的形成和控制［J］.山西化工，2007，27（3）：49－50.

［3］张峰，周国光.活性污泥法处理过程中泡沫问题的产生与控制［J］.环境污染与防治，2006，28（8）：611－612.

［4］张永胜，张向荣.膜分离技术及其在水处理中的应用与前景［J］.河北理工大学学报，2008，30（3）：137－139.

［5］Francis L R，Lutgarde R.Role of filamentous Microorganisms in activated sludge foaming：relationship of mycolata levels to foaming initiation and stability［J］.Wat.Res.，2002，36.

［6］李探微，彭永臻，陈志银.活性污泥法的生物泡沫形成和控制［J］.中国给水排水，2001（17）：73－74.

［7］Paola M.Donatella D.and Giorgia G Survey of filamentous microorganisms from bulking and foaming activated sludge plants in Italy［J］.Water Res，2000，34（6）24：1767－1772 .

［8］Tyler R，Phil N，Carl J.Solution of Nocardiafoaming problems［J］.Re.J.WPCF，1990，62（7）：915.

［9］P Madoni，D Davoli.Testing the control of filamentous microorganisms responsible for foaming in a full－scale activated－sludge plant running with initial aerobic or anoxic contactzones［J］.Bioresource Technology，1997（60）：43－49.

［10］陈红英.用投加低浓度H2O2方法控制活性污泥工艺中生物泡沫［J］.城市环境与城市生态，2003，16（3）：76－77.

［11］杨云龙，赵志强，鹿敬鸿.污水处理厂泡沫问题浅析［J］.山西建筑2009，35（10）：173－174.

Mechanism of Biological Bubble and Control Measures in Wastewater Treatment Process

SHI Qi－feng，LIU Kang－huai，SU Cheng，XU Shan，SHI Jia－gang
（College of Environmental Science and Engineering Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Excessive sudsing problems are existed widespread in activated－sludge process.The paper analyzes the mechanism of biological bubble，discuses the effects of various countries to solve current biological bubble problems and puts forward several measures of control biological bubbles.For our country’s in－depth research of activated－sludge foam problem and feasible method of controlling biological bubble， it is wished to make a lightly contribution to this aspect of research.

activated sludge processes； biological bubble； microbe produce bubble

X703.1

A

1672-9900（2011）01-0008-03

2011－01－07

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻0816002－3）

史奇峰（1986－），男（汉族），江苏常州人，硕士，主要从事水污染控制方向的研究，（Tel）15078383245。