简介： 文章讨论了中水回用工艺中膜生物反应器污泥膨胀的控制方法，通过实际运行发现，原水中氮的缺乏是污泥膨胀的主要愿因。MBR工艺在污泥膨胀期，可以采用硫酸亚铁作为应急投加混凝剂，但根本的解决方法是在增加有机负荷的同时调整营养物质的比例。工程实践证明，采取以上措施控制污泥膨胀是成功的。
关键字：膜生物反应器 污泥膨胀 污水处理 污水回用
在膜生物反应器中，由于膜的高效截留在作用使微生物全部留在反应器中，而不存在由于污泥膨胀导致的微生物大量流失的问题，因此MBR工艺被普遍认为能很好的应对污泥膨胀。但在实际使用中一旦发生污泥膨胀，将对MBR工艺的运行产生很大的影响。本文以天津大学洗浴水处理工艺为研究对象，研究了MBR反应器中污泥膨胀的现象及解决方法。
1处理设施概况
该工程原水主要为天津大学学生公寓排放的洗浴废水，废水水质及处理要求见表1。
表1 污水水质及中水回用标准
项 目 | CODCr(mgL-1) | BOD5(mgL-1) | SS(mgL-1) | LAS(mgL-1) | NH3-N(mgL-1) |
洗浴废水 | 200～400 | 100～200 | 150～350 | 5～15 | 10～15 |
处理系统出水 | 30～40 | 5～10 | 0～1 | 0.5～1.0 | 5～10 |
中水标准 | ≤50 | ≤10 | ≤10 | ≤1.0 | ≤20 |
该中水回用工程采用新型淹没式复合膜生物反应器——生物接触氧化和膜生物反应器结合的处理工艺，工艺流程见图1。
MBR反应器主要设计参数：处理水量为120m3/d，水力停留时间（HRT）为6h，MLSS的质量浓度为5000mg/L，容积负荷（以CODCr计）为0.57-1.59kgCOD/（m3·d）。
2 污泥膨胀的状况及危害
在膜生物反应器中，随着运行时间的推移，膜内外表面都会受到不同程度的污染，致使膜过滤压力上升，膜运行周期缩短。
近年来，许多研究认为，胞外聚合物是膜污染众多因素中最重要的生物因素；尤其在污泥发生非丝状菌膨胀时，胞外聚合物的浓度急剧上升，严重影响膜组件的正常运行，而且使膜组件的更换周期缩短[4]。
图 2 膜过滤压力随时间的变化
从图2我们可以明显的看出，在发生污泥膨胀的第65天至95天，膜的过滤压力从0.01Mpa迅速上升至0.05Mpa。在采取控制措施后，继续运行了60天，膜的过滤压力只上升了0.015Mpa，达到了0.065Mpa而进行膜清洗。由于污泥膨胀的发生，膜的清洗周期从300天（膜的生产厂家提供的数据）缩短至150天左右。
从以上的分析我们可以看出，污泥膨胀对膜的污染的影响很大，直接导致膜的正常运行周期缩短，进而缩短了膜的更换周期，使该工程的经济效益大打折扣（在本工程中膜组件的投资约占总投资的百分之三十）。
该工程运行过程中，经测定原水中BOD5，N，P的平均质量比为100：3：4，在没有采取任何措施的情况下，污泥的SVI值逐渐上升直至220mL/g，发生污泥膨胀，在SVI值逐渐上升的整个过程中，活性污泥的微生物种群发生了变化，变化可分为两个阶段。
第一阶段，在SVI从刚开始的80mL/g上升到170mL/g。这一过程中，丝状菌数量逐渐增加并成为活性污泥中的优势菌种。丝状菌之间的架桥作用干扰了污泥絮体的凝聚和压实，使得污泥的沉降性能恶化，SVI值上升。但是，这一阶段持续时间较短，污泥膨胀并不严重，危害较小。
第二阶段，随着运行时间的增加，SVI值从170mL/g上升到220mL/g，并且不再继续上升，SVI值维持在200 mL/g以上。这一过程中，丝状菌的数量逐渐减少，出现了高含水率的粘性菌胶团大量生长的现象。当SVI上升到220mL/g左右时，镜检时已观察不到或只有少量丝状菌。菌胶团细菌分泌的大量粘性物质使污泥连成均匀的一片，阻碍了污泥絮凝体的下沉和压缩，污泥的沉降性能严重恶化，发生了非丝状菌膨胀[1]。
当发生污泥膨胀时，反应池中可见云浪状的污泥上浮，并陆续蔓延至全池。为此采取了一系列的诊断措施：测试了反应池混合液出流的pH值以及混合液中的DO。测试结果显示：混合液pH值稳定在7.6左右，DO的质量浓度约为2.73mg/L，均在正常范围内。
如前所述，进水中BOD，N，P的平均质量比为100：3：4，属氮缺乏状态。根据以上观察到的现象及文献综述[3]，我们认为导致污泥高粘性膨胀的原因与氮缺乏有关。
3污泥膨胀的控制
3.1絮凝法
膨胀活性污泥的密度一般比水小，作为应急处理措施，可考虑投加混凝剂，以改善其沉降性能。我们初步选择了常用的高分子混凝剂——阳离子型聚丙烯酰胺和无机混凝剂——硫酸亚铁进行对比试验[2]。
3.1.1聚丙烯酰胺投加量与污泥沉降性能的关系
在处理水量为50L/h的小试装置中投加阳离子型聚丙烯酰胺，使其浓度分别达到10 、20 、30 、40 、50和60 mg/L，污泥的SV值变化见图3。
从图3中可以看出，聚丙烯酰胺的投加对于污泥的沉降性能的改善有一定的效果，且存在一个最佳投加量，但是，效果不是很理想。笔者分析后认为，该中水回用系统采用新型淹没式复合膜生物反应器，曝气量大、水力搅拌强烈，聚集起来的絮体颗粒容易遭到破坏，从而导致混凝效果不理想；当投加量高于最佳投加量时，絮凝体除中和胶体的负电荷以外，过多的正电荷又使胶体离子带上正电荷而重新稳定。
3.1.2硫酸亚铁投加量与污泥沉降性能的关系
在处理水量为50L/h的小试装置中投加硫酸亚铁溶液，使其质量浓度在10至180 mg/L之间变化，污泥的SV值变化见图4；投药前后菌胶团状态分别见图5、图6。
图5 投药前污泥菌胶团状态（100倍） 图6 投药后污泥菌胶团状态（100倍）
从图4、图5和图6中可以看出，投加硫酸亚铁溶液后污泥沉降性能得到明显改善，SV值下降了约百分之十五。但是超过60mg/L后污泥沉降性能没有进一步的改善，所以确定实际运行时硫酸亚铁的投加量为60mg/L。按照市售硫酸亚铁的价格估算，在投加应急混凝剂期间，每吨污水的处理成本增加约0.05元。
在投加硫酸亚铁（60mg/L）前后，测量混合液PH值从7.63降至7.07，对污泥活性的负面影响很小。
综上所述，阳离子型聚丙烯酰胺的投加效果受水力条件等因素的限制不是十分理想，同时其单体有毒性、难降解，存在二次污染问题，经济效益较投加硫酸亚铁差。
硫酸亚铁价格便宜、使用简单，对膜及污泥没有负面影响，其对污泥密度的影响是有效的，但其不能从根本上解决营养比例失调的问题，所以只能作为应急控制措施。
3.2营养盐调整法
在污泥膨胀问题的研究中，对污泥膨胀的恢复与控制是一个十分重要的环节。在该中水回用工程的运行过程中发现，投加硫酸亚铁后，沉降性能一度改善的活性污泥在原有有机负荷条件下如停止投加，继续进行处理，则活性污泥的沉降性能就会逐渐恶化，三日后恢复到投加前的状态。所以需要寻找一种在活性污泥膨胀后行之有效的恢复控制方法。
运行过程中我们对正在同时运行的两组膜生物反应器进行对比试验：第一组投加了充足的氮源，使其BOD5，N平均质量比约为100：5；第二组在投加了充足的氮源的情况下，我们同时提高了进水有机负荷，有机负荷（以CODCr计）提高到2.0kgCOD/m3·d以上。我们发现，中污泥的SVI值降低到150mL/g以下时，第一组当反应器运行的时间为一周左右；第二组反应器运行的时间仅为三至四天。
实际运行经验表明：第一、解决因氮的缺乏引起的污泥膨胀的根本的解决方法是调整营养物质的比例。第二、在保持营养物比例适当的情况下提高有机负荷，可以缩短污泥的沉降性能恢复正常的时间。
3.3其他控制方法
在污泥粘性膨胀最严重的情况下（用容器装一些污泥，无论用什么方法污泥始终粘附在容器的表面），可考虑适当排掉一些膨胀的污泥，再重新取一些新泥，以减少多糖类物质对污泥的覆盖；同时增加水力停留时间，使没有被完全氧化的有机物有足够的时间被消耗掉。
由于原水中洗涤剂含量很高，加之曝气强度较大，经常出现白色、粘稠的泡沫，并且越积越多，当污泥发生膨胀时，危害较大。2002年12月29日夜，由于泡沫积累成为高达一米多高的泡沫山，致使污泥大量流失。经过这次事故以后，我们除投加消泡剂以外，采取了水力消泡的方法。在反应池上方安装喷头，用MBR反应器的出水对反应池上部进行喷淋，以控制膨胀污泥和泡沫对反应器的危害，并已取得良好的效果。
4 结论
通过对中水回用工程近一年来运行状况的观查与分析，总结起来有以下几点值得注意：
①以洗浴水为主要原水的MBR工艺在污泥膨胀期，可以采用硫酸亚铁作为应急投加混凝剂，最佳投加量为60mg/L，但因其不能从根本上解决营养比例失调的问题，所以只能作为应急控制措施。
②对于该中水回用工程运行过程中出现的污泥膨胀，根本的解决方法是调整营养物质的比例；同时我们发现，在保证营养物比例合适的前提下，提高有机负荷可以加速污泥沉降性能的恢复。工程实践证明，通过以上措施我们成功的控制了污泥的高粘性膨胀。同时我们发现，增加排泥以及增加水力停留时间也是有效的辅助措施。
Control Methods of Sludge Bulking in Water Recycling Project（MBR）
Wang bin1，Xing guoping1，Hua wenqing2 Liu anqing2
（1.School of Environmental Science and Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072）
（2.Associated Research Institute of Nankai University and Tianjin University, Tianjin 300072）
Abstract: In this article we discuss the control method of sludge bulking in MBR, which is operated for treatment of bathing wastewater. After analyzing the information which are collected from the operation condition, we come into a conclusion that the balance of the nutrition has been broken is the primary reason of activated sludge bulking. We add Feso4 into the reactor in emergency. At last we improve the condition of activated sludge bulking successfully by taking the following measures. Adding urea and municipal sewage into the raw water.
Key words: Membrane Bio-Reactor, wastewater treatment, wastewater reusing,sludge bulking
参考文献：
[1] 田口广. 活性污泥膨胀与控制对策[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1982.207—211.
[2] 严煦世. 范瑾初. 给水工程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1999.254—276.
[3] 高春娣. 营养物质与有机负荷及溶解氧对活性污泥膨胀的影响. 哈尔滨工业大学博士学位论文 2001：41—45.
[4] Wontae Lee et al.. Sludge characteristics and their contribution to microfiltration in submerged membrane bioreactors. Journal of Membrane Science 216 (2003) 217—227.
作者简介：王彬，1981年生，男，辽宁 普兰店市人，
硕士研究生，现就读于天津大学环境学院环境工程系，
电话：13920384497 022—27404548 E-mail:xiaopiaotou@eyou.com。
通讯地址：天津大学 环境科学与工程学院 0336信箱 邮编 300072