污泥膨脹特性及控制研究現(xiàn)狀

艾勝書，王子恒，杜林竹，康 華，曲 紅，王 帆，邊德軍,2

（1. 長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012；2. 東北師范大學(xué) 吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障科技創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130117）

活性污泥法于20 世紀(jì)初在英國(guó)發(fā)展起來(lái)，因其經(jīng)濟(jì)以及高效的處理效果，迅速在全球的污水廠得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在正確的運(yùn)行工藝及運(yùn)行條件下保證微生物在曝氣過(guò)程中有效除去水中有機(jī)物、以及二沉池中良好的泥水分離是活性污泥法出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵[1]。污泥的沉降性能決定了泥水分離的效果，表征污泥沉降性能的主要指標(biāo)為沉降比（Settled Volume，SV30）和污泥體積指數(shù)（Sludge Volume Index，SVI，mL/g），一般SVI＜70 mL/g，則認(rèn)為污泥缺乏活性；SVI＞200 mL/g 認(rèn)為發(fā)生污泥膨脹，污泥膨脹一旦發(fā)生將導(dǎo)致二沉池泥水分離受阻，污泥處理系統(tǒng)的污泥流失，出水水質(zhì)惡化、處理能力下降等，影響市政工程的正常運(yùn)行。盡管經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)的小試、中試甚至污水廠的實(shí)驗(yàn)研究，污泥膨脹的處理仍然是一大難題，堪稱污水處理界的“癌癥”。本文綜述了污泥膨脹的研究現(xiàn)狀，對(duì)大多數(shù)污泥膨脹的解決方案做了總結(jié)及歸納，并對(duì)未來(lái)研究方向及重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行展望。

1 污泥膨脹的特性分析

污泥膨脹可分為絲狀菌膨脹及非絲狀菌膨脹，絲狀菌膨脹指絲狀菌的過(guò)度繁殖生長(zhǎng)，導(dǎo)致泥水分離時(shí)沉降速率下降而引起泥水分離受阻；非絲狀菌膨脹又叫粘性膨脹，主要為微生物吸附大量有機(jī)物無(wú)法代謝，大量高粘性多糖積聚在細(xì)胞外導(dǎo)致細(xì)胞表面附著物大量增加，難以壓縮，從而發(fā)生污泥膨脹。非絲狀菌膨脹的發(fā)生概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及絲狀菌膨脹，一般僅占污泥膨脹總數(shù)的10%以下[2]。

1.1 絲狀菌形態(tài)結(jié)構(gòu)特性

活性污泥絮體是菌膠團(tuán)細(xì)菌通過(guò)分泌胞外聚合物（EPS）粘附在以絲狀菌作為骨架的結(jié)構(gòu)上形成的，絲狀菌胞外多糖(Extracellular polysaccharides，PS)和胞外蛋白(Extracellular polysaccharides，PN)是EPS 的主要成分[3]，兩者約占70%～80%，多糖是污泥絮凝體的支柱[4]在污泥絮凝體的形成中起著重要作用[5]，蛋白促進(jìn)絮凝體聚集和顆粒污泥形成[6]，維持絮凝體的穩(wěn)定性，EPS 源于微生物自身產(chǎn)生的有機(jī)物，CHRYSI et al[7]發(fā)現(xiàn)EPS 中非活性有機(jī)物的合成需要消耗基質(zhì)，而微生物的生長(zhǎng)也需要消耗基質(zhì)，因此EPS 含量過(guò)高會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，SEZGIN et al[8]通過(guò)研究對(duì)比將污泥絮體根據(jù)絲狀菌和菌膠團(tuán)的比例分為3 類：1）針狀絮凝體污泥：絮凝體內(nèi)部無(wú)絲狀菌，結(jié)構(gòu)較為松散，熒光顯微鏡下為散落顆粒狀，沉降性能好，但出水較為渾濁，懸浮物過(guò)多；2）理想型絮凝體污泥：絮凝體內(nèi)部含有少量絲狀菌，污泥絮體大塊且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沉降性能好，反應(yīng)器出水較為清澈；3）絲狀菌膨脹污泥：絮體外被絲狀菌包裹，絲狀菌互相聯(lián)接，絮體體積大，結(jié)構(gòu)松散，沉降性能差，泥水難分離，經(jīng)常發(fā)生泡泥現(xiàn)象。EPS 促進(jìn)細(xì)胞聚合作用，見圖1[9]。

圖1 EPS 促進(jìn)細(xì)胞聚合作用示意圖

JIN et al[10]發(fā)現(xiàn)含有絲狀菌的絮凝體沉降性能遠(yuǎn)高于不含絲狀菌的絮凝體，控制絲狀菌與菌膠團(tuán)細(xì)菌之間的比例是維持絮體結(jié)構(gòu)緊密性、保持污泥沉降性良好的重要因素，改變外界環(huán)境進(jìn)而刺激絮體間微生物，破壞絲狀菌與菌膠團(tuán)比例的平衡，引起絲狀菌大量繁殖或微生物分泌的EPS 增多，將導(dǎo)致活性污泥絮體解體，相對(duì)質(zhì)量的變輕及體積的膨脹，致使污泥的沉降性能惡化，不能進(jìn)行正常的泥水分離，發(fā)生污泥膨脹。

LI et al[11]推測(cè)絲狀菌的不斷生長(zhǎng)可能是由絮凝體表面的性質(zhì)變化造成的，使得微生物難以附著在絲狀菌上，最后無(wú)法形成結(jié)合緊密的絮體結(jié)構(gòu)。

IC et al[12]從形態(tài)或絲狀菌和絮狀微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)角度來(lái)解釋絲狀菌污泥膨脹這一現(xiàn)象。絲狀菌相比非絲狀菌的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于絲狀菌的表面體積比(A/V)更大，絲狀菌優(yōu)先向1 個(gè)或2 個(gè)方向生長(zhǎng)，這種形態(tài)特征在底物濃度限制下給予絲狀菌競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[13]；在低底物濃度時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更容易轉(zhuǎn)移到高A/V比的細(xì)胞。絲狀菌將比其他微生物更易吸收有機(jī)物，這將導(dǎo)致相對(duì)較高的生長(zhǎng)速率。

高春娣等[14]在研究低溫對(duì)污泥膨脹的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管膨脹后SVI 惡化到663.99 mL/g，但COD、TN 去除率仍可維持90%左右，說(shuō)明絲狀菌相比功能菌同樣具有較好的污水處理能力，且絲狀菌較大的比表面積使其相互聯(lián)接形成網(wǎng)狀絮凝體，網(wǎng)狀的絮凝體更易捕捉懸浮物，出水水質(zhì)將更加清澈。近年來(lái)有不少研究[15-17]，試圖通過(guò)控制絲狀菌的量提高出水水質(zhì)，通過(guò)在不同條件下培養(yǎng)絲狀菌，利用其良好的捕捉能力和水處理能力來(lái)處理污水，將污泥SVI 控制在200 mL/g 左右，形成污泥微膨脹狀態(tài)，研究結(jié)果顯示污泥微膨脹狀態(tài)將更有利于水處理，但實(shí)際運(yùn)行中長(zhǎng)期保持微膨脹狀態(tài)較為困難，還需要繼續(xù)進(jìn)行大量研究。

1.2 污泥膨脹細(xì)菌多樣性分析

能引起污泥膨脹的核心菌群主要有腐敗螺旋菌科、黃桿菌屬、絲硫細(xì)屬、微絲菌屬和束縛桿菌屬等，核心膨脹菌群主要為變形菌門和擬桿菌門，電子顯微鏡觀察下絲狀菌形態(tài)上主要呈現(xiàn)直形、彎曲、鏈狀、盤旋或發(fā)射狀[18]，STROM et al[19]根據(jù)環(huán)境條件和基質(zhì)的不同，將引起膨脹的絲狀菌分為5 類：低DO 型、低底物濃度型、高硫化物型、營(yíng)養(yǎng)缺失型和低pH 型，見表1。

表1 不同環(huán)境條件下引起膨脹的絲狀菌

這些絲狀菌在絲狀菌膨脹污泥中出現(xiàn)的概率高達(dá)70%，其中Type0041 型、Type0092 型、Type1851型和Microthrix parvicella等類型絲狀菌能在好氧厭氧交替環(huán)境中生存，是水廠處理系統(tǒng)發(fā)生污泥膨脹的主要原因。

1.3 污泥膨脹的機(jī)理分析

通過(guò)分析和研究污泥膨脹的機(jī)理，可更好的從根源上可持續(xù)性地控制污泥膨脹發(fā)生的頻率，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)不同類型污泥膨脹的措施。

1.3.1 擴(kuò)散選擇假說(shuō) 上節(jié)絲狀菌形態(tài)結(jié)構(gòu)特性中提到，有研究表明絲狀細(xì)菌較大的比表面積有助于在低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或低氧濃度環(huán)境條件下底物的吸收，在較低的底物濃度下，由于擴(kuò)散阻力，污泥絮體內(nèi)底物會(huì)形成一定的濃度梯度，絲狀菌可輕易生長(zhǎng)穿透到相對(duì)更高濃度的絮體外部。CHUDOBA et al[20]在1973 年根據(jù)Monod 方程及不同類型微生物具有的不同最大生長(zhǎng)速率μmax值及飽和常數(shù)Ks，將具有低Ks和μmax的絲狀菌分為A 類，菌膠團(tuán)具有高Ks及μmax為B 類，絲狀菌在低底物濃度下具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，而菌膠團(tuán)在高底物濃度下則為優(yōu)勢(shì)菌種，該理論解釋了低DO、低底物濃度情況下絲狀菌污泥膨脹的現(xiàn)象，并成為污泥膨脹研究領(lǐng)域的主要理論，見圖2[21]。

圖2 不同底物濃度下的2 種微生物的選擇性競(jìng)爭(zhēng)

1.3.2 饑餓假說(shuō) STEVEN et al[22]根據(jù)不同底物濃度下微生物的耐饑餓程度將其分為菌膠團(tuán)中細(xì)菌、對(duì)饑餓敏感的快速生長(zhǎng)絲狀菌以及生長(zhǎng)緩慢耐饑餓的絲狀菌。低底物濃度下，耐饑餓的絲狀菌占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均衡DO 充足情況下，菌膠團(tuán)生長(zhǎng)成為優(yōu)勢(shì)；高底物濃度下，快速生長(zhǎng)的絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，這種假說(shuō)不僅解釋了低DO、低底物濃度情況下絲狀菌污泥膨脹的現(xiàn)象，還適用于高底物濃度下的絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象[23]。

1.3.3 貯存選擇假說(shuō)[24]傳統(tǒng)觀念認(rèn)為非絲狀菌在底物豐富的狀態(tài)下能將多余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成內(nèi)聚物貯存起來(lái)，底物缺乏時(shí)可將其利用合成蛋白質(zhì)提供能量，在底物濃度高濃度梯度的環(huán)境中，如SBR 系統(tǒng)、選擇器等，非絲狀菌的生長(zhǎng)將占據(jù)額外的優(yōu)勢(shì)，但目前已研究發(fā)現(xiàn)，部分絲狀菌在任何環(huán)境下都具有較強(qiáng)的貯存能力，如絲狀菌Microthrix parvicella，因此絲狀菌較低的貯存能力不能作為非絲狀菌選擇機(jī)制中的絕對(duì)規(guī)律，但這種假說(shuō)在選擇器方面可發(fā)揮重要作用。

1.3.4 一氧化氮假說(shuō) 假說(shuō)認(rèn)為絲狀菌在反硝化過(guò)程中只能將NO3-反硝化至NO2-，而反硝化細(xì)菌可將NO3-反硝化成N2。KAPPELER et al[25]通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較絲狀菌和反硝化細(xì)菌在不同反硝化機(jī)制下對(duì)底物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，底物濃度不足時(shí)，反硝化細(xì)菌反硝化不充分，會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物、亞硝酸鹽等，而絲狀菌不會(huì)產(chǎn)生，好氧條件下，亞硝酸鹽、NO 會(huì)與細(xì)胞色素氧化酶作用對(duì)反硝化細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用，長(zhǎng)期運(yùn)行，則會(huì)引起絲狀菌膨脹。

2 造成污泥膨脹的因素

通過(guò)改變外界環(huán)境刺激絮體間微生物，破壞絲狀菌與菌膠團(tuán)比例的平衡則會(huì)引發(fā)污泥膨脹，經(jīng)過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)污泥膨脹的外部成因可主要分為3 個(gè)方面：進(jìn)水水質(zhì)[26]、處理環(huán)境和運(yùn)行條件。

2.1 進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水有機(jī)物量過(guò)高過(guò)低、pH 過(guò)低、C/N/P 的比例過(guò)大過(guò)小及重金屬、有毒物質(zhì)硫化物等均會(huì)導(dǎo)致污泥發(fā)生膨脹，可類比于新陳代謝，過(guò)量或低量的食入或營(yíng)養(yǎng)的缺失、食物有毒均會(huì)導(dǎo)致身體的不健康。

實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)水小分子有機(jī)物如葡萄糖、乳糖及乙酸等較易被絲狀菌直接利用而引起污泥膨脹，大分子淀粉則需分解后才可利用，不易發(fā)生污泥膨脹[27]，所以當(dāng)進(jìn)水中溶解性小分子有機(jī)物過(guò)多時(shí)，容易引發(fā)污泥膨脹。進(jìn)水負(fù)荷過(guò)高時(shí)，微生物利用有機(jī)物產(chǎn)生大量高粘性物質(zhì)附著在菌膠團(tuán)表面，易引發(fā)非絲狀菌膨脹。C/N/P 的大小影響著微生物的吸收，研究表明當(dāng)進(jìn)水中缺乏氮和磷中的一種元素時(shí)，會(huì)引發(fā)非絲狀菌膨脹[28-30]，較低的碳氮比情況下，絲狀菌依靠比表面積大的優(yōu)勢(shì)比一般微生物更易吸收。陳瀅等[31]通過(guò)在幾個(gè)相同運(yùn)行條件的SBR 反應(yīng)器內(nèi)投加11 組不同的C/N/P 的進(jìn)水形成對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)污泥的SVI、MLSS、出水COD、TN、TP 和DO 等，得出調(diào)整C/N/P 的大小為100/5/1 時(shí)較適宜反應(yīng)器的運(yùn)行，SVI 穩(wěn)定在100 mL/g以內(nèi)，且出水指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。另外，停留時(shí)間過(guò)久的污泥會(huì)水解酸化形成大量小分子有機(jī)酸、硫化氫等物質(zhì)，引起絲狀菌膨脹。工業(yè)廢水中通常含有有毒物質(zhì)，對(duì)功能菌有毒性作用，而對(duì)絲狀菌的影響較小，同樣會(huì)引起絲狀菌膨脹。

進(jìn)水pH 的改變極大程度的影響著反應(yīng)器運(yùn)行，pH 超過(guò)11 時(shí)，微生物絕大多數(shù)將失去活性，污泥菌膠團(tuán)絮體將受到破壞，當(dāng)pH 低于4.5，真菌完全占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，菌膠團(tuán)微生物生長(zhǎng)受到限制，出水水質(zhì)嚴(yán)重下降，pH 在6.7～8.0 左右有利于微生物的生長(zhǎng)，在活性污泥法處理過(guò)程中氨化硝化過(guò)程均會(huì)導(dǎo)致水體pH 的下降，一般進(jìn)水pH 可控制調(diào)控至7.4～8.3[32]。張安龍等[33]通過(guò)小試對(duì)反應(yīng)器調(diào)控不同pH，得出進(jìn)水pH＜4.5 時(shí)開始出現(xiàn)膨脹；pH 調(diào)節(jié)控制在6.5～8.5 時(shí)，SVI 從375 mL/g 降至128 mL/g，COD 去除率也從32.88%提升至88.89%，絲狀菌膨脹基本得以控制。

2.2 環(huán)境因素

環(huán)境溫度影響著反應(yīng)器的運(yùn)行，每種微生物都有適合自己生長(zhǎng)的溫度范圍，當(dāng)環(huán)境溫度適宜某類絲狀菌大量生長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹，污水生物處理過(guò)程中的大多數(shù)微生物都適宜在20～32 ℃進(jìn)行培養(yǎng)，＜15 ℃時(shí)Microthrix parvicella絲狀菌開始大量繁殖[34]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方污水廠相比南方更易發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象，高溫也易引發(fā)絲狀菌膨脹，貝氏硫菌、絲硫菌的適宜生長(zhǎng)溫度為30～36 ℃。高春娣等通過(guò)低溫下實(shí)驗(yàn)研究得出，系統(tǒng)溫度在（14±1）℃時(shí)可成功誘發(fā)絲狀菌污泥膨脹，SVI 惡化至663.99 mL/g，通過(guò)分析高通量觀察到低溫下功能菌群的豐度極度下降，脫氮菌群由21%降至14%，除磷菌群由4%降至1%，而絲狀菌群豐度大幅度上升，由0.49%上升至26%。

低溫環(huán)境還易引發(fā)非絲狀菌膨脹，水溫過(guò)低而污泥負(fù)荷過(guò)高時(shí)，微生物吸附了大量的有機(jī)物而來(lái)不及代謝，在細(xì)胞外壁聚集了大量的高粘性多糖。MOURA et al[35]研究發(fā)現(xiàn)溫度降低，活性污泥EPS含量降低，而EPS 中多糖含量上升，多糖較為粘稠吸附大量結(jié)合水，改變污泥活性，使污泥沉降性能變差，從而引起污泥膨脹；同時(shí)EPS 可以降低細(xì)胞表面的負(fù)電荷，使相鄰的2 個(gè)細(xì)胞相互連接，電斥力是影響污泥膨脹過(guò)程中細(xì)菌聚集和絮凝能力的關(guān)鍵因素，因此EPS 的降低會(huì)導(dǎo)致絮體之間電斥力的增加，導(dǎo)致絮團(tuán)結(jié)構(gòu)疏松，沉降性能差。

2.3 運(yùn)行條件

反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)經(jīng)常會(huì)影響污泥的生長(zhǎng)，如：曝氣量、污泥負(fù)荷、水力停留時(shí)間和運(yùn)行流態(tài)等。曝氣量不變的情況下，較高的負(fù)荷會(huì)形成低DO 環(huán)境，不利于菌膠團(tuán)繁殖，有利于部分適合在低DO 狀態(tài)下的絲狀菌的繁殖，而較低負(fù)荷情況下，絲狀菌的特殊形態(tài)相比菌膠團(tuán)微生物更有利于吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同樣會(huì)引起絲狀菌的大量繁殖[36]。曝氣量的大小影響了DO 的高低，過(guò)低的DO 會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，絲狀菌則可借助其表面積較大的優(yōu)勢(shì)吸收DO，占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。污泥齡是控制活性污泥絮體穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，停滯過(guò)久的污泥會(huì)變成惰性污泥，失去活性并消耗反應(yīng)器內(nèi)的DO[37]，促進(jìn)絲狀菌的生長(zhǎng)，引起污泥膨脹。反應(yīng)器的類型直接決定了泥水混合物的流態(tài)，完全混合式因底物濃度和底物濃度梯度都較低，因此最易發(fā)生污泥膨脹，而間歇式反應(yīng)器具有高底物濃度和梯度的優(yōu)勢(shì)，不易發(fā)生膨脹。

3 污泥膨脹的調(diào)控及解決措施

目前控制活性污泥膨脹一般分為藥劑投加法和條件控制法，條件控制法主要通過(guò)改變或增加反應(yīng)器運(yùn)行外在條件、控制反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)等物理方式來(lái)控制污泥膨脹；藥劑投加法通過(guò)投加藥劑的化學(xué)方式殺死絲狀菌或加強(qiáng)污泥的絮凝能力來(lái)提高污泥的沉降性能。

3.1 常規(guī)投加藥劑改善污泥膨脹

相比條件控制法，投加藥物通常是污水廠面對(duì)污泥膨脹及時(shí)修復(fù)補(bǔ)救的常規(guī)措施，也是應(yīng)對(duì)污泥膨脹最為急速控制的方式，主要投加藥物能改善污泥的沉降性能、絮凝能力、殺死絲狀菌，藥劑可分為物理藥劑及化學(xué)氧化劑。

3.1.1 物理藥劑 （1）增重劑。增重劑會(huì)與活性污泥絮體相結(jié)合，增加絮體比重，從而改善污泥的沉降性，一般增重劑有：高嶺土、碳酸鈣、氫氧化鈣和硅藻土等。SEKA et al[38]研究發(fā)現(xiàn)投加滑石粉對(duì)重度絲狀菌膨脹的處理效果極佳，并對(duì)硝化菌和聚磷菌活性不會(huì)造成影響;缺點(diǎn)是改善效果不會(huì)太持久，2 d 后會(huì)慢慢消失。如Bodegraven 污水處理廠發(fā)生嚴(yán)重膨脹時(shí)，通過(guò)投加PE8414 粉末（滑石粉和亞氯酸鹽按比例混合）至已膨脹的污泥中，SVI 由850 mL/g 快速降至250 mL/g，之后2 d 又進(jìn)一步降低至100～125 mL/g，期間通過(guò)測(cè)試觀察，菌種數(shù)量基本沒有大的變化，且COD 等去除率也無(wú)影響，實(shí)驗(yàn)證明PE8414 粉末可有效控制污泥膨脹，但其會(huì)增加污泥產(chǎn)量，進(jìn)而增加后續(xù)處理費(fèi)用[39]。

（2）絮凝劑。絮凝劑加強(qiáng)污泥絮凝能力，提高密度，改善污泥的沉降性能，常用絮凝劑有石灰、鐵鹽和鋁鹽。鋁鹽不僅可增加絮體的絮凝性，而且對(duì)絲狀菌Microthrix parvicella的生長(zhǎng)有抑制作用[40]。鐵鹽可除去部分絲狀菌且促進(jìn)菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)，但會(huì)對(duì)出水的色度有所影響，MATSCHET et al[41]在進(jìn)水過(guò)程中投加10～14 mg/L 硫酸亞鐵，發(fā)現(xiàn)SVI從455 mL/g 降至60 mL/g，且使引起膨脹的021N型絲狀菌消失。

混凝絮凝劑等作用原理是促進(jìn)形成體積大且結(jié)構(gòu)緊密的污泥絮體，從而改善污泥的沉降性，但藥劑持續(xù)時(shí)間過(guò)短，想要長(zhǎng)期保持沉降性能，必須持續(xù)投加藥劑，重復(fù)投加藥劑會(huì)增加污泥量。投加絮凝劑等會(huì)對(duì)活性污泥的功能菌有影響，影響反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2 化學(xué)氧化劑 （1）氯。氯是最早用來(lái)控制污泥膨脹的氧化劑，由于絕大多數(shù)污水處理廠出水前都需經(jīng)過(guò)加氯消毒才可排入自然水體，因此可利用現(xiàn)有設(shè)備通過(guò)投加氯控制污泥膨脹。JENKINS et al[42]發(fā)現(xiàn)，加氯對(duì)絕大多數(shù)絲狀菌都有很好的控制作用，其對(duì)污泥中的功能菌也有一定的損害作用，投加量越高，對(duì)聚磷菌硝化菌傷害越大。

（2）過(guò)氧化氫。投加H2O2不會(huì)像加氯那樣帶來(lái)負(fù)面影響，并且投加H2O2可提升反應(yīng)器內(nèi)DO濃度，提高脫氮除磷效率，但因?yàn)槠鋬r(jià)格昂貴，實(shí)際工程應(yīng)用并不廣泛。

（3）臭氧。O3對(duì)污泥膨脹有明顯的控制效果，且可分解大分子難降解有機(jī)物為小分子為微生物所利用，如淀粉等。 NILSSON et al[43]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)投加臭氧不僅能改善反應(yīng)器污泥膨脹的現(xiàn)象，而且能去除難降解有機(jī)物并提高硝化效率。呂永濤等[44]通過(guò)研究得出低濃度投加臭氧（0.085 g/g，以O(shè)3/MLSS 計(jì)）有利于打斷絲狀菌，且SVI 由300 mL/g降至80～90 mL/g 恢復(fù)了活性污泥的沉降性，但高濃度投加臭氧，污泥沉降性能反而開始惡化，脫氮除磷效率降至60%。

投加氧化劑對(duì)污泥膨脹有較好的控制作用，其作用原理是殺死阻礙沉淀的絲狀菌，絲狀菌膨脹的污泥中絲狀菌大多都在菌膠團(tuán)外部，相比其他細(xì)菌更易受到氧化劑影響，但還需控制投加的量，大多數(shù)氧化劑是沒有選擇性的，過(guò)量投加會(huì)對(duì)功能菌造成損害，甚至造成污泥絮體的解體，處理能力下降，出水惡化?；瘜W(xué)氧化劑普遍存在的問(wèn)題為成本昂貴，并且難以精準(zhǔn)的控制投加的量，實(shí)際工程應(yīng)用較廣的為投加氯。

3.2 條件控制法

3.2.1 改設(shè)SBR 工藝[45]SBR 工藝為最不易發(fā)生污泥膨脹的運(yùn)行工藝，主要原因可分為：1）好氧環(huán)境與缺氧環(huán)境的交替有效抑制絲狀菌；2）較高的底物濃度以及較大的底物濃度梯度有利于菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)；3）污泥齡短，一般絲狀菌的比增長(zhǎng)速率比其他微生物小，污泥齡的倒數(shù)數(shù)值等于污泥比增長(zhǎng)速率，較長(zhǎng)污泥齡的完全混合式易于繁殖絲狀菌，SBR 較短的泥齡使得剩余污泥的排放速度大于絲狀菌增長(zhǎng)速率，絲狀菌無(wú)法大量繁殖。

3.2.2 增設(shè)生物選擇器[46]根據(jù)選擇性理論，通過(guò)設(shè)置生物選擇器在污水進(jìn)入反應(yīng)器之前提前篩去部分絲狀菌，促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)菌膠團(tuán)微生物的生長(zhǎng)，歷史上對(duì)選擇器的應(yīng)用可推演至20 世紀(jì)70 年代，LINNE et al[47]成功開發(fā)了選擇反應(yīng)器，并成為控制污泥膨脹的最廣泛的工程工具，減少了很多活性污泥系統(tǒng)中的膨脹問(wèn)題，但并未根本性解決膨脹問(wèn)題，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常有失敗的報(bào)告[47-48]。美國(guó)的Hamilton 完全混合式污水處理廠在發(fā)生絲狀菌污泥膨脹后，SVI 升至300～500 mL/g，僅僅通過(guò)在處理系統(tǒng)前增設(shè)了一個(gè)停留時(shí)間為4 min 的生物選擇器，SVI 就降到50～100 mL/g[46]；無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)的VOSO 污水處理廠冬季經(jīng)常發(fā)生污泥膨脹，SVI 常?？蛇_(dá)到400 mL/g 以上，在增設(shè)一個(gè)反應(yīng)時(shí)間為15 min 的生物選擇器后，就可控制10 ℃時(shí)產(chǎn)生的污泥膨脹，SVI 降至100 mL/g 以下[46]。常用的生物選擇器可按運(yùn)行條件分為3 類：好氧、厭氧和缺氧。

（1）好氧選擇器。好氧選擇器主要利用擴(kuò)散選擇理論，根據(jù)絲狀菌和其他細(xì)菌的不同動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)速率來(lái)進(jìn)行篩選菌種，即底物濃度較大時(shí)，菌膠團(tuán)中其他細(xì)菌比生長(zhǎng)速率大于絲狀菌，菌膠團(tuán)中細(xì)菌占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)；相對(duì)的，底物基質(zhì)濃度較小時(shí)，絲狀菌占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。好氧選擇器的水力停留時(shí)間（反應(yīng)器容積）對(duì)污泥的沉降性有很大的影響，停留時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致可溶性基質(zhì)在接觸區(qū)未被消耗完全，隨進(jìn)水進(jìn)入反應(yīng)器，引起絲狀菌的生長(zhǎng)；而停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致底物濃度過(guò)低，變相成為完全混合模式，有利于絲狀菌的生長(zhǎng)。

（2）缺氧選擇器。缺氧選擇器利用了一氧化氮假說(shuō)。缺氧條件下，反硝化菌降解有機(jī)物作為電子供體，利用硝酸鹽（NO3-）作為電子受體，快速增殖；而絲狀菌無(wú)法利用硝酸鹽（NO3-）作為電子受體生長(zhǎng)受到抑制，從而控制污泥膨脹。缺氧選擇器的選擇效果與進(jìn)入選擇器的硝酸鹽濃度有關(guān)，外界條件一定情況下，硝酸鹽濃度越高，反硝化作用越強(qiáng)烈，進(jìn)入反應(yīng)器易降解有機(jī)物含量越少（絲狀菌難以利用大分子難降解有機(jī)物），從而改善污泥沉降性。

（3）厭氧選擇器。吳凡松等[49]發(fā)現(xiàn)厭氧處理后，聚磷菌釋磷，后續(xù)好氧段吸磷，污泥含磷量增加，P/C 比值上升，SVI 降低，聚磷菌在厭氧過(guò)程中迅速吸收COD，轉(zhuǎn)化成PHAs，好氧時(shí)PHAs 分解獲取能量，厭氧下絲狀菌生長(zhǎng)緩慢，具有較低的多聚磷酸鹽釋放速率，從而控制膨脹。厭氧區(qū)重在釋磷階段，需要通過(guò)大量吸收COD 的聚磷菌快速占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，成為優(yōu)勢(shì)菌群。

3.2.3 調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù) 污泥齡（SRT）是控制活性污泥絮體穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，停滯過(guò)久的污泥會(huì)變成惰性污泥，失去活性并消耗反應(yīng)器內(nèi)DO，促進(jìn)絲狀菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致污泥膨脹[50]。因此一般采取縮短SRT 的方式來(lái)防止絲狀菌膨脹，但這種方法同時(shí)抑制了硝化細(xì)菌的培養(yǎng)[50]，硝化菌生長(zhǎng)速度較慢，需較長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)。彭趙旭等[51]通過(guò)改變SRT 來(lái)研究對(duì)絲狀菌微膨脹系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)厭氧/好氧運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)減小SRT 可提高污泥的比硝化速率，同步硝化反硝化率和剩余污泥的含磷量與SRT 成正比，SRT 由小變大時(shí)，污泥絮體的結(jié)構(gòu)由緊密向疏松轉(zhuǎn)化。

對(duì)于負(fù)荷較低的反應(yīng)器，可提高負(fù)荷滿足菌膠團(tuán)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求，使其成為優(yōu)勢(shì)菌種，從而控制污泥膨脹，但提高負(fù)荷會(huì)使污染物處理效率會(huì)受到影響，且增加了實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用，簡(jiǎn)耀先[52]在研究SBR 處理工業(yè)水的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的污泥膨脹，SV30升至100%，經(jīng)分析研究為進(jìn)水水質(zhì)C/N比失衡，且反應(yīng)運(yùn)行周期不穩(wěn)定，后期經(jīng)過(guò)調(diào)控，將C/N 比穩(wěn)定在4.5 左右，活性污泥沉降性逐漸恢復(fù)正常值為30%～40%。

曝氣量是控制反應(yīng)器良好運(yùn)行的重要因素，應(yīng)著重考慮，反應(yīng)器DO＞1 mg/L 時(shí)，好氧菌占據(jù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行硝化作用；DO＜0.5 mg/L，厭氧菌占據(jù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行反硝化作用。不少研究通過(guò)長(zhǎng)期調(diào)低DO，形成短程硝化及同步硝化反硝化來(lái)節(jié)約水處理能耗，提高處理效率，但低DO 同時(shí)也是絲狀菌大量增長(zhǎng)的主要原因。絲狀菌的比表面積較大，在低DO 環(huán)境中更容易獲取氧氣，成為優(yōu)勢(shì)菌種，一般可通過(guò)加大曝氣量[53]，以避免因供養(yǎng)不足而導(dǎo)致的絲狀菌污泥膨脹。陸秋萍等[54]通過(guò)調(diào)控DO，控制硝化菌、反硝化菌的生長(zhǎng)，將SVI 由220 mL/g 降至110 mL/g；過(guò)大的曝氣量同樣會(huì)導(dǎo)致污泥絮體結(jié)構(gòu)的松散，曝氣產(chǎn)生的剪切力會(huì)破壞菌膠之間的粘結(jié)力，李軍等[55]發(fā)現(xiàn)過(guò)大的曝氣量會(huì)使胞外聚合物中多糖的含量上升，吸附大量結(jié)合水，使細(xì)胞間結(jié)合性變差，絮體結(jié)構(gòu)松散，沉降性大幅下降。

一些硫代謝絲狀菌在較高硫化物存在的條件下更易生長(zhǎng)，硫化物質(zhì)量濃度＞1 mg/L，有機(jī)酸質(zhì)量濃度＞100 mg/L 時(shí)，更容易發(fā)生污泥膨脹[56]，對(duì)于高硫化物引起的污泥膨脹，一般采取預(yù)曝氣、化學(xué)氧化和化學(xué)沉淀等方法控制。

3.2.4 施加外在弱磁場(chǎng) ZAIDI et al[57]通過(guò)對(duì)比施加88 mT 的磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究得出在較長(zhǎng)污泥齡的不利影響下，磁場(chǎng)能夠增強(qiáng)污泥的聚集能力和相對(duì)疏水性，并保持顯著的表面負(fù)電荷，從而使絮凝體更加穩(wěn)定，極大的減小了污泥膨脹的發(fā)生率，且磁場(chǎng)對(duì)生物量的增長(zhǎng)有促進(jìn)作用，在較長(zhǎng)的污泥齡條件下，磁場(chǎng)仍能增強(qiáng)好氧菌的生物降解能力[58]。

3.2.5 施加超聲 劉波等[59]通過(guò)利用超聲波（0.035 W/cm2，15 min）穿透性和均勻的特點(diǎn)作用于膨脹的污泥將SVI 由475 mL/g 降至183 mL/g，將超聲過(guò)的凍干污泥進(jìn)行掃描電鏡顯示，絲狀菌有明顯的斷裂萎縮現(xiàn)象，可見超聲對(duì)絲狀菌具有機(jī)械折斷作用和顯著的抑制作用。

條件控制法是基于對(duì)污泥膨脹機(jī)理的深入研究得出的方法，主要通過(guò)調(diào)節(jié)工藝運(yùn)行條件創(chuàng)造出有利于功能菌生長(zhǎng)不利于絲狀菌生長(zhǎng)的環(huán)境，從根本上抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)，達(dá)到良好的沉降性，因此是一種可持續(xù)的方法。

此外，還可通過(guò)利用生物法治療污泥膨脹，AGNIESZKA et al[60]研究發(fā)現(xiàn)輪蟲可對(duì)絲狀菌進(jìn)行捕食，F(xiàn)ILKOWSKA et al[61]將絲狀菌膨脹的污泥放入2 個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器內(nèi)，并在其中一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)加入輪蟲進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，相同時(shí)間內(nèi)裝有輪蟲的反應(yīng)器內(nèi)污泥體積為14 mL，而沒有輪蟲的反應(yīng)器中污泥體積為44 mL，可見輪蟲對(duì)絲狀菌有較好的去除作用。

4 結(jié)果與展望

絲狀菌、菌膠團(tuán)本為一體，活性污泥中定量的絲狀菌有利于出水水質(zhì)的提升，防止絲狀菌污泥膨脹在于控制兩者良好比例。目前，通過(guò)控制絲狀菌的量，達(dá)到微膨脹狀態(tài)的研究已廣泛開展，改善出水水質(zhì)，提高處理效率。非特異性方法例如投加絮凝劑、氧化劑等可短時(shí)間內(nèi)改善污泥的沉降性，但這類方法無(wú)法根除絲狀菌過(guò)度的生長(zhǎng)，通過(guò)分析污泥膨脹產(chǎn)生的機(jī)理并加以運(yùn)用，通過(guò)調(diào)控運(yùn)行條件參數(shù)、添加選擇器，可持續(xù)性的改善污泥膨脹現(xiàn)象是長(zhǎng)久之計(jì)。近年來(lái)，對(duì)于控制污泥膨脹有不少新穎的研究發(fā)現(xiàn)，類似于通過(guò)超聲、磁場(chǎng)等。目前對(duì)絲狀菌及其他微生物互相影響的研究并未深入，未來(lái)可從此角度分析膨脹的機(jī)理，尋找更多微生物之間的聯(lián)系；此外對(duì)污泥膨脹的防治研究主要基于改變外加條件及運(yùn)行參數(shù)，對(duì)于未知微生物的研究較少，可能仍有引起膨脹的微生物未被發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未知微生物的鑒別和研究有待發(fā)展。