丝状菌污泥膨胀的微生物学理论与控制对策

在活性污泥系统中，由丝状菌过度繁殖引起的污泥膨胀是最难解决的问题之一。文章对与丝状菌污泥膨胀相关的微生物学和丝状菌生理生态学进行了讨论；介绍了现有的解释污泥膨胀的基本理论，并对丝状菌膨胀的控制措施进行了探讨。     

丝状菌污泥膨胀对脱氮除磷功能菌群的影响

丝状菌引起的污泥膨胀或生物泡沫是活性污泥法污水处理厂运行管理中经常碰到的异常问题,为确定丝状菌引起的污泥膨胀对脱氮除磷系统功能菌群的影响,采用形态学鉴定和Illumina MiSeq高通量测序对5座城市污水处理厂非膨胀期和膨胀期活性污泥、生物泡沫中关键微生物菌群分布特征进行分析研究.结果表明,污泥膨胀和生物泡沫主要由微丝菌(Microthrix parvicella)引起,膨胀期污泥和生物泡沫中微丝菌最高比例达6%和38%.主要脱氮除磷菌属为亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)、硝化螺菌(Nitrospira)、陶厄氏菌(Thauera)和Candidatus Accumulibacter phosphatis.膨胀期与非膨胀期相比AOB和聚磷菌相对丰度明显降低,最大变化比例为54%和47%,反硝化菌相对丰度显著升高,最大变化比例为73%;脱氮除磷菌群的波动变化受污泥膨胀的影响外,还与处理工艺及菌群的生理特性相关.     

基于高通量测序的SBR反应器丝状膨胀污泥菌群分析

为探究丝状污泥膨胀及控制过程中细菌菌群和真菌菌群的变化规律,采用一套11 L的SBR反应器,接种某城市污水处理厂膨胀污泥,以乙酸钠为碳源进行人工配水,对膨胀污泥进行399 d的培养实验,采用高通量测序技术对污泥样本进行菌群多样性分析.结果表明,接种污泥菌群多样性比较丰富,经培养至污泥高度膨胀后,菌群多样性降低,污泥沉降性能恢复正常后,菌群多样性又逐渐增加.细菌中的腐螺旋菌属(Saprospiraceae_norank)、丛毛单胞菌属(Comamonadaceae_unclassified)和四球菌属(Tetrasphaera)相对丰度分别为13.37%、10.54%和8.59%,是接种污泥的主要细菌属.经过培养,膨胀污泥菌群发生变化,接种污泥中细菌相对丰度仅为0.01%的丝硫菌属(Thiothrix)增加至56.95%~60.14%,真菌中相对丰度为19.60%的丝孢菌属(Trichosporon)增加至94.82%.污泥膨胀得到控制后,污泥中丝硫菌属(Thiothrix)相对丰度减少至0.01%,丝孢菌属(Trichosporon)相对丰度减少至2.32%.丝硫菌属(Thiothrix)和丝孢菌属(Trichosporon)过多不利于污泥沉降.     

温度对活性污泥沉降性能与微生物种群结构的影响

为探究运行温度与活性污泥沉降性能之间的关系,采用5个带有自控设备的序批式反应器考察了不同的运行温度(15,20,25,30和35℃)对活性污泥沉降性能及微生物种群结构的影响.结果表明,采用短时进水,由于运行温度对污泥沉降性能的影响远远弱于底物浓度的影响,且系统中的优势丝状菌以Type 0041和Type 0092为主,所以5个系统均未发生污泥膨胀现象;采用长时进水,5个系统均发生了丝状膨胀现象,温度与低底物浓度的相互作用导致污泥的SVI值随运行温度(15~30℃)的增加而升高,而运行温度为35℃时污泥的SVI值要低于30℃的情况.同时不同的运行温度下污泥胞内胞外贮存特性及优势丝状菌的种类差异较大.     

A/O系统中不同缺氧/好氧体积比对活性污泥沉降性能的影响

为探究A/O系统中不同的缺氧与好氧体积比与活性污泥沉降性能的关系,以实际生活污水为进水水质,考察了不同的A/O比(2/6,4/4,6/2)对污泥沉降性能和丝状菌生长的影响.结果表明,当A/O比为2/6时,系统能够维持良好的沉降性能,优势丝状菌为Type 0041;当A/O比为4/4时,系统的沉降性能恶化,SVI最高达到357mL/g,优势丝状菌为Type 0041,Type 1701;当A/O比为6/2时,系统发生了微膨胀现象并实现了稳定的短程硝化反硝化,优势丝状菌为Thiothrix.nivea.可见不同的A/O比对活性污泥沉降性能影响较大,同时污泥胞内胞外贮存特性及系统的脱氮除磷性能也受到严重影响.     

A2O工艺活性污泥中可培养丝状细菌的多样性

活性污泥法是应用最广泛的污水处理方法之一,但是由于丝状菌过度繁殖而引发的污泥膨胀是制约其发展的重大难题.本研究从A2O工艺城市污水处理系统的膨胀期活性污泥中分离培养出17株丝状细菌.对各菌株进行了16S rDNA测序和系统发育树分析,结果表明,这些分离的可培养丝状细菌均属于链霉菌属;利用rep-PCR指纹图谱技术进一步分析了所得菌种属内多样性,显示出活性污泥中链霉菌存在丰富的多样性.由于这些可培养丝状细菌与引起污泥膨胀的优势丝状菌(微丝菌)生理特征差别较大,不会在污水处理系统中过度繁殖,本研究向活性污泥中投加一定量的链霉菌分离菌株,发现部分菌株对污泥的沉降性能有明显改善作用,为污泥膨胀的防控提供了新的思路.     

A2O-BAF反硝化除磷工艺丝状菌膨胀的发生及控制

为了有效控制A2O-BAF反硝化除磷工艺处理实际生活污水时产生的丝状菌污泥膨胀,研究了有机负荷和冬季突然降温对丝状菌污泥膨胀的影响.结果表明:当有机负荷低于0.30kgCOD/(kgMLSS·d)时,系统中存在轻度的丝状菌污泥膨胀现象;当有机负荷高于0.55kgCOD/(kgMLSS·d)时,容易引发严重的丝状菌污泥膨胀,调节有机负荷可使丝状菌污泥膨胀得到有效控制.冬季突然降温也会导致污泥膨胀的发生,恢复温度后,污泥沉降性能恢复正常,丝状菌污泥膨胀亦得到有效控制.     

低温下活性污泥膨胀的微生物群落结构研究

采用水质参数指标测定和高通量测序技术,探讨了郑州某污水处理厂冬季间歇性污泥膨胀机制.结果表明该厂活性污泥的污泥容积指数(SVI值)的变化与季节温度变化有显著的负相关性,1~4月及12月易发生污泥膨胀,但是不影响出水水质.高通量测序技术分析发现污泥膨胀月份泥样的微生物群落结构要显著不同于未膨胀月份.该厂发生丝状菌污泥膨胀的优势丝状菌为腐螺旋菌科Saprospiraceae和黄杆菌科Flavobacterium.因此,低温导致活性污泥微生物群落结构变化是引起该厂活性污泥膨胀的原因.     

低温时污泥膨胀对MBR中膜污染的影响

通过一体式膜生物反应装置考察了在低温条件下发生污泥膨胀过程中反应器的运行效果和膜污染的情况,并从微生物角度分析了引起膜污染的因素.结果表明,低温时COD上清液和出水平均去除率分别为85%和92%,发生丝状菌污泥膨胀后去除率变化不大.MBR中丝状菌污泥膨胀形成的过程中,污泥沉降性变差,丝状菌丰度（FI）由2增加到5,丝状菌伸出絮体形成网状结构.低温时膜操作压力随时间呈直线变化,膜组件的水力清洗周期为15 d.在丝状菌大量繁殖时缩短到7 d,膜污染严重.通过测定活性污泥的特性,发现膨胀污泥的胞外聚合物（EPS）总量是正常污泥的3倍,污泥絮体相对疏水性（RH）随FI的提高而增大.EPS和RH增大后会引起更多物质沉积到膜表面,使膜污染速率提高,膜的运行周期变短.进一步的分析表明,混合液粘度、Zeta电位、污泥絮体形态也是影响膜污染的因素.     

营养失衡下的分层分质EPS对异型膨胀污泥及其沉降性差异影响

为探索EPS对膨胀污泥沉降性的影响,通过减少进水P源、N源的方式培养异型膨胀活性污泥,分析不同层、不同组分EPS对异型膨胀污泥沉降性影响.结果表明：异型膨胀（非丝状菌粘性膨胀、丝状菌膨胀）活性污泥EPS多糖组分Total-PS、中层组分（L-PS）含量均高于正常污泥.非丝状菌粘性膨胀污泥EPS各层多糖含量高于丝状菌膨胀污泥,而各层蛋白质（PN）含量均低于丝状菌膨胀污泥.非丝状菌粘性膨胀污泥Total-EPS（（229±94）mg/g MLSS）、PS/PN值不仅显著高于正常活性污泥（（86±16）mg/g MLSS）,也高于丝状菌膨胀污泥（（108±30）mg/g MLSS）.非丝状菌粘性膨胀污泥EPS多糖总量Total-PS、蛋白质总量Total-PN越高,SVI值越大,污泥沉降性越差,越易膨胀,且EPS蛋白质组分对污泥膨胀作用大于多糖;从不同层EPS看,松散外层（S层）EPS对非丝状菌粘性膨胀作用最大（S-PN与SVI值相关性最大,r为0.881,P<0.05）,是主要影响因子.丝状菌膨胀污泥,除了内层紧密型T-PN对SVI值影响较大外,其他各层、各组分EPS含量与SVI均呈微弱负相关.     

膨胀污泥中丝状菌的分离鉴定与特性分析

为了阐明膨胀污泥中的丝状菌种类和特性,利用培养法、显微镜检和分子生物学分析技术从城市污水处理厂的膨胀污泥中分离鉴定丝状菌,并对典型丝状菌进行特性分析.利用高氏一号培养基和淀粉培养基分离出的丝状菌可归入18个属,其中链霉菌属(Streptomyce)、细杆菌属(Microbacterium)属于放线菌门,其余均属于真菌.青霉菌属(Penicillium)、枝孢菌属(Cladosporium)、链格孢属(Alternaria)、曲霉菌属(Aspergillus)、毛孢子菌属(Trichosporon)在培养基上的出现频次较高.毛孢子菌、链霉菌、青霉菌和链格孢菌都能在pH中性或偏酸性条件下良好生长.高浓度的Na Cl能够抑制毛孢子菌和链霉菌,但对青霉菌和链格孢菌的抑制作用不明显.除毛孢子菌外,链霉菌、青霉菌和链格孢菌都可有效地利用蔗糖、淀粉和纤维素,碳源浓度增加会促进它们的生长.r DNA-ITS区高通量测序结果表明膨胀污泥中存在大量未知真菌.     

影响微生物聚集体的聚集度的因素分析

提出了包括两层含义的污泥聚集度的概念(一是污泥空间上的物理聚集,即密实度;二是微生物种类的聚集),并将膨胀污泥、絮体污泥和颗粒污泥作为污泥聚集度的3种典型状态,以现有污泥膨胀控制理论为基本参照,结合好氧颗粒污泥形成条件,探讨了操作条件对污泥聚集度的影响:①较高的基质梯度、溶解氧水平和有机物的复杂程度有利于提高污泥的聚集度;②动力学选择、扩散限制理论对聚集度的影响受微生物聚集体大小的控制;③细胞存储能力的评估及其对聚集度的影响需要综合考虑PHB、聚磷和糖原的影响.另外,还提出了在污泥膨胀的控制中不一定要以抑制丝状菌的增殖作为控制目标,通过对丝状菌的颗粒化过程的探讨,进一步证实了污泥膨胀的控制与污泥聚集度的提高是相似的.本文提出的聚集度概念目前仍不成熟,尚无定量的描述方法,还需要进一步的研究.     

污泥膨胀原因及控制措施研究

以排水集团运行的几座污水处理厂为研究对象,对工艺设计参数及运行条件等进行对比分析,找出影响污泥膨胀的关键因素。采用微生物形态学和分子生物学方法对丝状菌种类进行辨别,确定研究的污水厂污泥膨胀的丝状菌主要为微丝(Microthrix parvicella)菌。通过分析微丝菌的特性,结合倒置A~2/O工艺的运行特点,在不进行任何改造的情况下,提出冬季运行将倒置A~2/O工艺调整为A/O工艺的运行措施。并将这一措施用于实际水厂,连续3年未发生污泥膨胀,污泥沉降性能较好,出水水质稳定。通过小试研究和实际水厂分析,证明厌氧选择器在控制污泥膨胀中可发挥一定作用,为活性污泥工艺设计提供参考。     

低负荷氧化沟系统中EPS与活性污泥沉降性能的关系

污泥膨胀是氧化沟系统中常见的运行问题,为寻求有效的针对性污泥膨胀的控制措施,需要首先明确污泥膨胀发生的机理.因此,在实验室模拟氧化沟处理系统中,采用以可溶性淀粉为碳源的模拟生活污水,探索了系统内污泥EPS的变化及其与污泥膨胀的关系.试验结果显示,在低负荷氧化沟中,污泥出现丝状膨胀,污泥中EPS含量及EPS中蛋白质含量与污泥的沉降性能(SVI)之间呈现出明显的负线性关系,但EPS中糖的含量与污泥的SVI之间无明显的线性关系.适当提高污泥负荷,污泥的EPS含量增加、沉降性能改善.研究认为,在低负荷运行的系统且缺乏细菌可快速容易降解碳源的条件下出现的污泥中EPS减少,并非是氧化沟污泥发生丝状膨胀的致因,丝状菌的优势繁殖才是根本原因.不能通过控制EPS来影响氧化沟低负荷下的污泥丝状膨胀.     

SBR法处理工业废水中有机负荷对污泥膨胀的影响

活性污泥中丝状菌与絮状菌的竞争生长污泥的性状发生变化，有机负荷对污泥膨胀的影响的一直有两种完成相反应的说法。我们对此作了专门研究，试验结果表明：当反应器中溶解氧充足时，低有机负荷易引起污泥膨胀，提高有机负荷能有效的控制膨胀，高负荷下，引起污泥膨胀的原因往往是ＤＯ浓度不足，而提高ＤＯ浓度则能使污泥膨胀得到控制。这一结果也解释了高有机负荷发生泥膨胀的实质原因。     

臭氧投量对SBR系统污泥沉降性能及脱氮除磷的影响

以污水厂冬季膨胀期污泥（SVI=280 mL·g^-1）为对象,研究了臭氧投量对SBR系统污泥沉降性能及脱氮除磷效果的影响.结果表明,低浓度投加臭氧（0.085 g·g^-1,以O₃/MLSS计）20 d后,菌丝体被打断,SVI降至125 mL·g^-1,消除了污泥膨胀,且硝化、除磷效果不受影响.高浓度投加臭氧,污泥的沉降性能反而开始恶化,除磷效率也降至60%左右.进一步研究表明,PS/PN与SVI呈正相关关系（R²=0.9381）,可表征污泥的沉降性能;臭氧除打断菌丝体外,还通过改变EPS的含量及组分影响着污泥的沉降性能.     

Fractal characteristics of filamentous bacteria in activated sludge and its significance

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｉｎｍａｎｙｃｏｕｎｔｒｉｅｓｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｍａｓｓｉｖｅｌｙｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｂｕｌｋｉｎｇｏｆａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ,ｐａｒｔｉ?..     

污泥龄对低氧丝状菌活性污泥微膨胀系统的影响

为了研究污泥龄(SRT)对低氧丝状菌活性污泥微膨胀系统的影响,采用序批式间歇反应器(SBR)进行试验,分别按照厌氧/好氧和单级好氧的方式运行,考察了不同SRT下丝状菌污泥微膨胀系统的沉降性、脱氮除磷过程以及污泥特性的变化.结果表明,在好氧水力停留时间充分的条件下,低氧环境不但不会影响丝状菌微膨胀污泥的硝化进程,而且还有助于同步硝化反硝化(SND)、单级好氧除磷的发生.厌氧/好氧运行时,SRT与活性污泥的比硝化速率、比释磷速率和比吸磷速率成反比,与SND率和污泥的含磷量成正比.单级好氧运行时,减小SRT对硝化过程影响不大,但是有助于改善除磷效果.活性污泥的比耗氧速率(SOUR)、胞外聚合物(EPS)中多糖与蛋白质含量的比值、以及粘度都与SRT成反比.适当地减小SRT可以改善丝状菌微膨胀污泥的沉降性.厌氧/好氧运行时,厌氧段微氧环境易引发过度丝状菌污泥膨胀;单级好氧运行时,SRT过低会造成污泥黏性骤增而引发黏性污泥膨胀.     

浅析污泥膨胀的特性与控制对策

从丝状菌和絮凝菌的生长特性方面对活性污泥膨胀的特性及影响因素进行了分析研究，详细论述和分析了各种活性污泥膨胀控制措施。     

解偶联剂邻氯苯酚作用下活性污泥微生物群落结构的演替规律研究

投加解偶联剂邻氯苯酚可以实现活性污泥系统的污泥减量,但邻氯苯酚长时间作用下系统中微生物群落结构及多样性的变化尚不清楚.因此,本研究利用2个序批式反应器（SBR）进行了63 d的实验,考察了未投加邻氯苯酚（R_A）和投加10 mg·L^-1邻氯苯酚（R_B）条件下,活性污泥系统中基质去除特性及微生物群落结构的变化规律.研究结果表明,投加10 mg·L^-1的邻氯苯酚使得污泥减量达41.3%,COD平均去除率下降10.4%.氨氮去除率在实验前期持续下降,在第28 d时下降至82.3%,而后逐渐恢复到93.2%.高通量测序结果表明,投加邻氯苯酚后系统中微生物丰度及多样性逐渐降低.R_B系统中主导菌门Proteobacteria的相对丰度一直保持在50%以上.硝化菌属中Nitrosomonas和Nitrospira的相对丰度最高降低了约88.3%和100%（第28 d）,但在实验后期有所恢复.在第63 d,R_B系统中絮凝菌Zoogloea的相对丰度下降了98.2%,而丝状菌Meganema丰度增加至33.8%,这导致系统污泥沉降性能略有下降.此外,Dokdonella的相对丰度由0.68%增加至1.33%,而Paracoccus的相对丰度增加了近36倍,这些参与难降解有机物的功能菌增加说明其可能参与了邻氯苯酚的降解.本研究结果对于解析解偶联剂长时间作用下活性污泥微生物的响应机制具有重要的指导意义.