活性污泥膨脹機理、成因及控制（簡體書）

《城市汙水處理新技術叢書：活性污泥膨脹機理、成因及控制》是關於活性污泥膨脹的成因、機理、預防與控制研究方向的專著，由國內從事該領域研究近20年的專家撰寫而成。全書共分10章，系統總結和歸納了國內外目前在污泥膨脹領域取得的研究成果和最新進展，在重點闡述絲狀菌生理生態特性的基礎上，詳述污泥膨脹的成因和機理，客觀評價和比較不同污泥膨脹的預防與控制方法，並提出針對不同污泥膨脹類型的不同控制方案。此外，還介紹專家系統和數學模型在污泥膨脹預防與控制中的應用。最後，為了給污泥膨脹研究領域的研究人員提供借鑒，《城市汙水處理新技術叢書：活性污泥膨脹機理、成因及控制》還介紹了當前的研究熱點，探討了一些尚待解決的問題。

彭永臻，現任北京工業大學環境科學與工程學科首席教授(兼任哈爾濱工業大學博士生導師)，環境工程系主任兼水污染控制室主任。主要研究方向是污水生物處理及其自動控制與智能控制、污水脫氮除磷的新工藝與新技術。已主持了9項國家自然科學基金和2項教育部優秀年輕教師基金等30多項國家與省部級科研項目，目前正主持國家自然科學基金重大國際合作項目、國家“863”項目和國家“十一五”科技支撐項目等科研項目。先後獲得獲得了20余項省部級優秀教學成果獎和科學技術進步獎，2004年和2009年2次獲得國家科學技術進步獎二等獎。

《活性污泥膨脹機理、成因及控制》作者在闡述活性污泥中微生物的生態生理學的特征基礎上，結合課題組多年試驗研究，對污泥膨脹成因、機理和控制條件進行了系統的分析研究，并提出了針對不同污泥膨脹類型的不同控制方案。《活性污泥膨脹機理、成因及控制》可供從事環境科學與工程、環境微生物學，特別是研究污水生物處理、污水處理廠優化運行與控制等方面的科研人員、高等院校師生閱讀，也可作為污水處理廠運行管理人員、決策人員和工程設計人員的參考用書。

前言第1章污泥膨脹的基本概念1.1活性污泥法1.1.1活性污泥法的起源1.1.2活性污泥法的應用1.2活性污泥的性質1.2.1活性污泥的組成和結構1.2.2活性污泥絮體的形成機理1.2.3活性污泥的特性1.2.4活性污泥的分類1.3污泥沉降性能指標1.3.1污泥沉降比1.3.2污泥容積指數1.3.3污泥成層沉降速度1.3.4絲狀菌指數1.3.5絲狀菌豐度1.3.6絲狀菌長度1.3.7絲狀菌數量1.4污泥膨脹及其危害1.4.1污泥膨脹的定義1.4.2污泥膨脹的範圍1.4.3污泥膨脹的危害1.5污泥膨脹的分類1.5.1絲狀菌污泥膨脹1.5.2非絲狀菌污泥膨脹1.6泡沫問題1.7其他泥水分離問題1.7.1分散生長1.7.2針狀污泥絮體1.7.3散落狀絮凝物懸浮主要參考文獻第2章活性污泥法微生物學基礎2.1菌膠團菌2.2生物脫氮系統中的常見細菌2.2.1硝化細菌2.2.2反硝化細菌2.2.3氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的競爭2.3強化生物除磷系統（EBPR）中的常見細菌2.3.1聚磷菌2.3.2聚糖菌2.3.3聚磷菌和聚糖菌的競爭2.3.4反硝化聚磷菌和反硝化聚糖菌2.4常見的微型生物2.4.1原生動物2.4.2後生動物2.4.3活性污泥中微型生物的作用主要參考文獻．iv．第3章絲狀菌形態學與生態生理學3.1絲狀菌的形態特性3.1.1分支3.1.2運動性3.1.3絲狀菌形態3.1.4位置3.1.5附著生長3.1.6衣鞘3.1.7隔膜3.1.8絲狀菌寬度3.1.9絲狀菌長度3.1.10細胞形狀3.1.11細胞大小3.1.12積硫情況3.1.13儲存顆粒3.1.14染色反應3.1.15其他觀察3.2絲狀菌分類與鑒別3.2.1基於形態學的絲狀菌分類3.2.2Jenkins分類法3.2.3Eikelboom分類法3.2.4Wanner分類法3.2.5基於微生物學的絲狀菌分類3.2.6傳統的鑒定方法3.2.7基於現代分子生物學手段的鑒定方法3.3絲狀菌的生理生態學特性3.3.1變形菌門絲狀菌的生態生理學3.3.2擬桿菌門絲狀菌的生態生理學3.3.3綠彎菌門絲狀菌的生態生理學3.3.4TM7菌門絲狀菌的生態生理學3.3.5厚壁菌門絲狀菌的生態生理學3.3.6放線菌門絲狀菌的生態生理學3.3.7浮黴菌門絲狀菌的生態生理學3.3.8未被鑒定的絲狀菌3.4不同生長環境與運行條件下的優勢絲狀菌3.4.1多功能基於溶解性底物的絲狀菌3.4.2專門基於複雜型底物生長的絲狀菌3.4.3多代謝功能的泡沫型絲狀菌3.4.4發酵型底物絲狀菌3.4.5不同類型汙水處理廠中的優勢絲狀菌主要參考文獻第4章污泥膨脹理論與學說4.1擴散選擇理論4.2動力學選擇理論4.3儲存選擇理論4.4饑餓假說理論4.5一氧化氮理論4.6動力?擴散雙選擇理論4.7擴展的選擇理論主要參考文獻第5章污泥膨脹的成因和主要影響因素5.1水質條件5.1.1有機物5.1.2氮和磷營養物質5.1.3硫化物5.1.4有毒物質5.1.5腐化和酸化廢水5.1.6脂類5.2環境條件5.2.1溫度5.2.2pH5.2.3溶解氧5.3運行條件與工況5.3.1污泥負荷5.3.2反應器類型及流態5.3.3進水方式5.3.4曝氣方法5.3.5污泥齡的控制主要參考文獻第6章污泥膨脹的預防與控制6.1生物選擇器6.1.1生物選擇器的分類6.1.2生物選擇器的設計6.1.3生物選擇器的應用6.2低負荷污泥膨脹的控制6.2.1推流式反應器6.2.2序批式反應器6.2.3改良A/O工藝中低負荷引起的絲狀菌污泥膨脹及控制6.2.4SBR工藝中低負荷對活性污泥沉降性能的影響6.3低溶解氧污泥膨脹的控制6.3.1控制污泥膨脹的最低DO值與F/M的關係6.3.2改良A/O工藝中低溶解氧引起的絲狀菌污泥膨脹及控制6.3.3SBR工藝中低溶解氧引起的污泥膨脹及控制6.4營養物缺乏型污泥膨脹的控制6.4.1營養物質的生理功能及來源6.4.2缺乏營養物質引起的絲狀菌污泥膨脹的狀況6.4.3缺乏營養物質引起的絲狀菌污泥膨脹機理6.4.4缺乏營養物質引起的絲狀菌污泥膨脹的試驗研究狀況6.4.5缺乏營養物質型污泥膨脹的控制技術及注意事項6.5高負荷污泥膨脹的控制6.5.1回流污泥再生法6.5.2投加填料法6.6投加氧化劑法6.6.1投加Cl26.6.2投加H2O26.6.3投加O36.7增重劑和絮凝劑6.8非絲狀菌污泥膨脹的控制方法6.8.1非絲狀菌污泥膨脹的成因6.8.2控制方法6.9其他泥水分離問題的控制方法6.9.1生物泡沫的控制方法6.9.2污泥上浮的控制方法主要參考文獻第7章預防與控制污泥膨脹的專家系統7.1專家系統簡介7.1.1專家系統的結構7.1.2專家系統的優點7.1.3基於規則的專家系統結構7.2專家系統開發方法和工具7.2.1專家系統的開發方法7.2.2專家系統的開發工具7.3污泥膨脹成因的診斷與應急控制系統7.3.1污泥膨脹誘因的檢索圖7.3.2污泥膨脹的控制措施7.3.3應用舉例7.4預防與控制污泥膨脹專家系統的開發和應用主要參考文獻第8章污泥膨脹的數學模型8.1引言8.2Chudoba動力選擇模型8.3Chiesa和Irivine模型8.4AEROFIL模型8.4.1模型假設8.4.2模型中的過程描述8.5動力學選擇?骨架耦合數學模型8.5.1引言8.5.2模型的假設8.5.3數學模型8.5.4參數選取8.5.5結果與討論主要參考文獻第9章國外控制污泥膨脹的經驗和實踐9.1澳大利亞9.1.1澳大利亞汙水處理廠泥水分離問題概況9.1.2污泥膨脹和生物泡沫的控制方法9.1.3澳大利亞解決污泥膨脹的案例9.2捷克9.2.120世紀八九十年代汙水處理廠中泥水分離問題的調研9.2.22000年對8座脫氮除磷汙水處理廠的調查9.2.3生物泡沫控制措施9.3丹麥、希臘及荷蘭9.3.1污水組成及工藝流程9.3.2污泥膨脹和生物泡沫的情況9.3.3污水組成、工藝流程及運行參數對絲狀菌生長的影響9.3.4控制措施及經驗9.4意大利9.4.1優勢絲狀菌調查9.4.2控制措施9.4.3汙水處理廠解決泥水分離問題的案例分析9.5日本9.5.1日本泥水分離問題概況9.5.2誘發泥水分離問題的主要絲狀菌9.5.3採取的控制措施9.5.4案例研究9.6美國9.6.1活性污泥系統中絲狀菌的控制9.6.2生物泡沫9.6.3黏性膨脹和分散生長主要參考文獻第10章污泥膨脹的研究熱點和進展10.1低DO污泥微膨脹節能方法的發現、提出及理論基礎10.1.1低溶解氧污泥微膨脹節能方法的發現10.1.2低溶解氧污泥微膨脹節能方法的提出10.1.3低溶解氧污泥微膨脹節能方法的理論基礎10.2圖像分析在控制污泥膨脹中的應用10.2.1圖像分析技術簡介10.2.2圖像分析技術在污泥膨脹中的應用10.3FISH在絲狀菌檢測上的應用與研究進展10.3.1定性分析應用10.3.2定量分析應用10.3.3運用FISH技術在絲狀菌鑒定中的意義10.3.4熒光原位雜交技術應用於絲狀菌鑒定上的缺陷10.3.5發展前景10.4好氧顆粒污泥與污泥膨脹10.4.1好氧顆粒污泥中絲狀菌的存在形式10.4.2好氧顆粒污泥SBR反應器中絲狀菌的外延生長10.4.3好氧顆粒污泥SBR反應器中絲狀菌過度生長的誘發因素10.4.4好氧顆粒污泥SBR反應器中絲狀菌的增殖方式10.5膜生物反應器與污泥膨脹10.5.1污泥膨脹對MBR膜污染的影響10.5.2污泥膨脹對MBR污染物去除的影響10.5.3污泥膨脹對MBR微生物群落的影響10.5.4膜生物反應器中污泥膨脹的控制10.6尚未解決的問題10.6.1污泥結構10.6.2微生物鑒定10.6.3顆粒性底物的作用10.6.4底物儲存的作用10.6.5生物選擇器10.6.6預防和控制10.6.7數學模型主要參考文獻

第1章 污泥膨脹的基本概念
1.1 活性污泥法
1.1.1 活性污泥法的起源
一百多年前，法國科學家發明了Moris池，這是最早的污水生物處理反應器，其中微生物在厭氧條件下生存，因此這也是最早的污水厭氧反應池。第一個生物濾池則是1893年在英國首先采用的，而現代應用最為廣泛的活性污泥法（activated sludge process）則是在1912-1913年開始試驗研究。1914年，Arden和Lokett在英國曼徹斯特市開創了世界上第一座活性污泥法污水處理試驗廠。1916年，美國正式建立了第一座活性污泥法污水處理廠。
活性污泥工藝最早的運行方式為充排式，由于受當時技術條件限制，自動控制技術與設備還比較落后，這種運行方式操作繁瑣，空氣擴散裝置易于堵塞，人們意識不到其獨特的優越性。連續進水的推流式活性污泥工藝出現后，很快將其取代。可是隨之而來的是經常出現的污泥沉降性能變差的問題。Donaldson［1］首先提出推流式曝氣池中活性污泥的返混現象（返混現象改變了曝氣池內的水力特性，使活性污泥處于完全混合狀態）是促使發生污泥膨脹的一個重要原因。他提出通過將推流曝氣池分隔成不同的隔室，可改善污泥的沉降性能。在完全混合活性污泥工藝中，仍保持著連續進水的方式。后來，Pasveer［2］研究了充排式技術，開發了充排式氧化溝。這種工藝在歐洲流行起來，一時之間，幾乎所有的污水處理系統都轉換為這種帶有二沉池和污泥回流設備的連續流的氧化溝。Pasveer的研究表明，間歇進水氧化溝的污泥沉降性能要好于連續進水的完全混合系統。在20世紀60年代末和70年代之間，Irvine［3］和他的合作者重新將周期運行的活性污泥工藝命名為序批式反應器，即SBR（sequencing batch reactor），該工藝又重新開始在世界范圍內應用起來。很多研究者的調查表明，與完全混合活性污泥工藝和推流式活性污泥工藝相比，SBR工藝內活性污泥的沉降性能最好，可以較好地控制污泥膨脹。近幾年，隨著計算機和自動控制技術的飛速發展，活性污泥法開發初期間歇操作復雜的問題得到解決，該技術得到更加廣泛的應用，并且在其基礎上又開發了一系列變形工藝，如ICEAS工藝、CASS工藝、DATIAT工藝、UNITANK工藝和MSBR工藝等。
隨著生物技術的發展，活性污泥法也在不斷地發展進步。在實際生產上的廣泛應用和技術上的不斷革新改進，特別是近幾十年來，在對其生物反應和凈化機理深入研究的基礎上，活性污泥法在生物學、反應動力學的理論以及在工藝方面都得到了長足的發展，出現了多種能夠適應各種條件的工藝流程。目前，活性污泥法已經成為處理生活污水、城市污水和部分工業廢水的主體工藝技術。
1.1.2 活性污泥法的應用
自1914年活性污泥法開創以來，隨著活性污泥法的深入研究、工藝流程的不斷改進和創新，它有更大的水質、水量適用范圍和良好的操作穩定性。該法將厭氧引進到好氧工藝之中，在不增加或少增加費用的情況下，在去除有機物的同時完成脫氮除磷的任務，提高處理程度。活性污泥法還與其他工藝（如生物膜法，膜分離裝置）組合使用，增加生化反應器中的生物量，提高生化反應效率且表現出良好的靈活性。經過90多年的發展與實踐證明，活性污泥法是一種應用廣泛并極具發展潛力的污水處理技術。
活性污泥法的發展過程大致可以分為以下三個階段。
第一階段（1881-1915年），活性污泥法的早期階段。隨著Moris池和生物濾池的發明和應用，最終在1914年發明了活性污泥法。
第二階段（1915-1960年），活性污泥法的普及階段。此階段活性污泥處理技術被大量應用，活性污泥法成了城市廢水處理的主要工藝，并在實踐應用中不斷發展，出現了很多活性污泥法改良工藝，如階段曝氣法、生物接觸穩定法、完全混合曝氣法、延時曝氣法、純氧曝氣法等新工藝。厭氧活性污泥法也從傳統的低效率消化池逐步發展到高效率消化池、二級消化池和兩相消化池等新工藝。活性污泥法經過這一階段的發展，應用領域也從最初的生活污水處理擴展到工業廢水處理。
第三階段（1961年-至今），活性污泥法發展的新時期。在此階段，隨著對活性污泥的反應理論、凈化功能、運行方式、工藝系統和微生物生理、生態學等方面的深入研究，以及單元操作理論、控制理論等的應用，活性污泥法在理論上更完善，在工程實際中積累了豐富的經驗，并且又不斷開發出多種新工藝，在處理效率、出水水質改善、減少投資、降低運行費用、提高運行穩定性等方面都得到大幅度提高。在此基礎上，活性污泥法隨著環境污染和能源危機的出現發生了巨大的飛躍，出現了很多新型污水處理工藝，如氧化溝、AB法、SBR及其變形工藝、高濃度活性污泥法、深井曝氣、流化床、升流式厭氧污泥床（UASB）反應器、厭氧內循環（IC）反應器、ABR等，另外還產生了一系列厭氧、好氧相結合的活性污泥處理工藝，如A/O、A2/O等。
目前，活性污泥法已成為城市生活污水和有機工業廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。我國已建成的污水處理廠和在建的城市污水處理廠大多采用活性污泥法。由此可以看出，作為一種典型的污水二級處理技術，活性污泥法有著廣闊的應用前景。
1.2 活性污泥的性質
1.2.1 活性污泥的組成和結構
活性污泥外觀是礬花狀絮凝顆粒（絨粒），通稱生物絮體。在混合液靜置時，它們會立即絮凝成較大絨粒而下沉。活性污泥是活性污泥法處理系統中的主體。它不是一般的污泥，而是棲息著種類繁多、具有強大生命活力的微生物群體的生物絮凝體。在微生物群體新陳代謝功能的作用下，它具有將有機物污染物轉化為穩定的無機物的能力，故此稱之為“活性污泥”。
活性污泥是以細菌、微型動物為主的微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起所形成的絮狀體顆粒。良好的活性污泥具有很強的吸附分解有機物的能力和良好的沉降性能。絮體的大小取決于微生物的組成、數量以及污染物特征和某些外部環境因素。活性污泥顏色因污水水質不同而不同，一般為黃色或褐色，微具土壤味，密度為1.002～1.006g/cm3，含水率99%左右。活性污泥通常都具有較大的比表面積，每毫升活性污泥的表面積大體上為20～100cm2。活性污泥中生存著各種微生物，構成了復雜的微生物相。在多數情況下，活性污泥中的主要微生物是細菌，伴之以營腐生的原生動物構成基本營養層次，然后是以細菌為食的掠食性原生動物占優勢。
活性污泥中的固體物質含量因污泥類型的不同而變化，對于好氧污泥，固體物質含量一般都在1%以下，是由有機固體物質與無機固體物質兩部分所組成，其組成比例則因原污水水質不同而異，如城市污水的活性污泥，其中有機成分占75%～85%。活性污泥中固體物質的有機成分，主要是由棲息在活性污泥上的微生物群體所組成。此外，在活性污泥上還夾雜著由入流污水挾入的有機固體物質，其中包括某些惰性的難為細菌攝取、利用的“難降解有機物質”。這些難降解有機物質包括微生物菌體經過自身氧化的殘留物，如細胞膜、細胞壁等。活性污泥的無機組成部分，全部是由污水挾入的，至于微生物體內存在的無機鹽類，由于數量極少，可忽略不計。
這樣，活性污泥是由下列四部分物質所組成：①具有代謝功能活性的微生物群體（Ma）；②由污水挾入的并被微生物所吸附的有機物質（含難為細菌降解的惰性有機物）（Mi）；③微生物自身氧化的殘留物（Me）；④由污水挾入的無機物質（Mii）。
活性污泥中的微生物群體（Ma）主要由細菌所組成，其數量可占污泥中微生物總量的90%～95%，在某些工業廢水的活性污泥中，甚至可達100%。此外，在活性污泥上還存活著多種真菌、原生動物和后生動物等。活性污泥中的有機物、細菌、原生動物與后生動物組成了一個小型的相對穩定的生態系統和食物鏈。
好氧活性污泥中，直接攝取污水中可溶性有機物的主要是異養型的原核細菌。在成熟的正常活性污泥中，每毫升活性污泥含細菌數量大致為107～108個。現已基本判明，可能在活性污泥上能夠形成優勢菌屬的細菌主要有：產堿桿菌屬（Alcaligenes）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、動膠桿菌屬（Zoogloea）、叢毛單胞菌屬（Comamonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和大腸埃希氏桿菌（Escherichia Coli）等。此外，在活性污泥中還可能出現但一般不占優勢的細菌有：無色桿菌屬（Achromobacter）、微球菌屬（Microbaccus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）和八疊球菌屬（Sarcina）等。至于哪些種屬的細菌在活性污泥中占優勢，則又取決于原污水中有機污染物的性質。如含大量糖類和烴類的污水將使假單胞菌得到迅速增殖，而含蛋白質多的污水則有利于產堿桿菌的生長繁殖。
上述種屬的細菌在適宜的環境條件下，都具有較高的增殖速率，世代時間僅為20～30min。具有較強的分解有機物并將其轉化為穩定的無機物質的能力。另外，活性污泥中還存在一些世代時間較長的細菌，如氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌，它們的世代時間從8小時到數天不等，能夠將廢水中的氨氮依次氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽。