污泥膨脹會制約活性污泥法處理污水效率、影響出水水質。造紙廢水的COD和懸浮物兩個指標較高，并存在缺少氮、磷元素等特點，采用活性污泥法進行處理時，往往會產生污泥膨脹問題 ，嚴重時會影響出水水質。污泥膨脹的控制方法分為藥劑控制、環境調控和代謝機制控制。郝曉地從污泥膨脹形成機理、研究進展、控制修復措施幾個方面對活性污泥的污泥膨脹進行了系統分析；艾勝書根據污泥膨脹特性研究現狀，分析了污泥膨脹的主要因素和控制措施，提出了添加選擇器、調控運行參數等污泥膨脹控制思路；范念斯等以膨脹污泥為接種污泥，通過續批實驗研究發現微絲菌優勢生長的影響因素主要有油酸碳源、厭氧/好氧交替環境和低溫；范念斯等 從污泥負荷角度研究了絲狀菌膨脹的控制方法；楊雄等從微生物角度對氮磷缺乏所引發的污泥沉降性能進行了系統研究。劉春通過對某造紙廠污泥濃度控制、污泥補充措施，解決了該廠污泥膨脹問題；張雪用氧化溝處理造紙廢水引發污泥膨脹并進行治理，研究投加聚合氯化鋁、生物絮凝劑、雙氧水等幾種藥劑來控制污泥膨脹。這些污泥膨脹控制方法往往只能在實驗室開展的，而在實際造紙廢水處理工藝中，對污泥膨脹成因進行研究，并總結污泥膨脹調控經驗的較少。特別是在大型造紙廢水處理廠，控制污泥膨脹對提高工藝運行穩定性、減少環境污染風險具有重要意義。
本案例旨在解決我國南方某大型廢紙造紙污水處理廠(處理規模15×104m3·d-1)的污泥膨脹問題，采取補充進水氮磷營養物質、更換混凝劑、控制系統DO、加大預曝氣等調控措施以改變優勢絲狀菌的生存環境，并進行污泥膨脹控制，再結合污泥鏡檢和高通量測序分析，從微生物群落角度分析污泥膨脹前后菌群變化，以深入了解膨脹污泥群落特性，以期為同類污水處理廠探索節能降耗的污泥膨脹控制方法提供參考。
1、材料與方法
1.1 污水處理廠概況
某污水處理廠的設計規模為15×104m3·d-1。該廠的設計進水廢紙造紙污水占95%以上，生活污水占比低于5%，配套收集管網22.5km。目前，該廠服務上游廢紙造紙企業16家，造紙企業主要產品為白板紙、特種紙、瓦楞紙、箱板紙等。廢紙造紙廢水主要來自制漿和抄紙兩大工序，主要污染物來自制漿部分的洗滌廢水。隨著造紙工藝的改進和清潔生產的推行，每生產1t成品紙約產生廢水10~15m3，上游企業廢水均有內部預處理站，采用厭氧塔和活性污泥法工藝。預處理站出水控制指標按污水廠設計進水指標執行。污水廠正常運行時的日均處理污水量為8.5×104m3。相關處理工藝見圖1。生化池為完全混合式曝氣池，池容54000m3，前端設有一座選擇池，池容3125m3。曝氣方式為射流曝氣。
污水廠進出水水質見表1。出水執行《浙江省造紙工業(廢水類)水污染物排放標準》DHJB1-2001中的第二時段標準和《城市污水再生利用工業用水水質》(GB/T19923-2005)中的敞開式循環冷卻水系統補充水和工藝與產品用水標準限值。該廠站在生產運行中生化系統經常會發生污泥膨脹，污泥膨脹期間SVI、SV30維持較高水平，污泥在二沉池沉降緩慢導致池內泥位處于高位，污泥膨脹嚴重時期二沉池上清液低于0.2m，局部區域甚至會出現污泥流失情況。
1.2 污泥鏡檢及染色鏡檢方法
污泥鏡檢是污泥處理廠穩定運行的重要工具，其通過指示性微生物的觀察，可提前預判系統運行狀況，對指導生產具有重要作用。污泥鏡檢是利用顯微鏡技術觀察活性污泥生物相，觀察污泥絮體顆粒的大小、污泥結構的松緊程度、菌膠團菌和絲狀菌的比例。污泥染色鏡檢是根據絲狀生物體對特殊微生物染色劑或染色技術呈陰性或陽性反應，從而鑒定出絲狀生物體的方法，主要染色方法有革蘭氏染色法、奈瑟染色法、PHB染色法和鞘染色法。本研究主要使用革蘭氏染色法，其步驟主要有涂片、干燥、固定、初染、水洗、媒染、水洗、脫色、復染、水洗 。
1.3 污泥高通量分析
Miseq高通量測序技術以16SrDNA為基礎，獲取DNA堿基序列包含的全部生物遺傳信息，通過MOTHUR、RDPclassifier軟件處理分析后全面地反映基因的多樣性和復雜性，能從本質上對微生物的菌群結構進行研究 。
1.4 工藝調控方案
根據污泥鏡檢及高通量測序結果分析，篩選出引起污泥膨脹的主要絲狀菌群，針對其最優生長環境開展工藝調控，采取進水營養物補充及進水混凝劑更換、生化池DO調整、選擇池曝氣量等措施來調控3個階段。階段Ⅰ(2017年10月20日至2017年12月15日)，在進水中投加液體氮磷制劑，投加量1t·d-1；階段Ⅱ(2017年12月16日至2018年3月1日)，在階段Ⅰ基礎上，增加了生化池DO調控措施，生化池DO從0.8mg·L-1調整為1.5mg·L-1；階段Ⅲ(2018年3月1日至2018年9月13日)，在階段Ⅱ基礎上，增加選擇池曝氣量調控措施，選擇池曝氣量從69m3·min-1調整為138m3·min-1。
1.5 分析測試方法
COD、BOD5、NH+ 4-N、TN、MLSS、MLVSS等指標均按《水和廢水檢測分析方法》(第4版)標準方法測定。污泥負荷參考《室外排水設計規范》GB50014-2021(2021年版)。VFA是使用氣相色譜儀測定，使用GC-2010FID檢測器，色譜柱是DB-FFAP(30m，0.25μm，0.25μm)。
2、結果與討論
2.1 工藝調控措施效果與分析
2.1.1 調控過程中污泥特性的變化
在該污水處理廠污泥膨脹調控過程中，污泥特性變化如圖2所示。污泥膨脹調控前，MLSS平均為5300mg·L-1，SV30平均為96%，SVI平均為182mL·g-1，污泥處于嚴重膨脹狀態；調控階段Ⅰ~Ⅱ，MLSS平均為5089mg·L-1，SV30平均為98%，SVI平均為191mL·g-1，污泥仍處于膨脹狀態；調控階段Ⅲ的MLSS平均為5833mg·L-1，SV30平均為59%，SVI平均為101mL·g-1，污泥指數逐步恢復至正常范圍，污泥膨脹情況已經得到控制。
2.1.2 基于影響因素分析的調控思路
在活性污泥系統運行過程中，引起污泥膨脹的影響因素分為廢水水質、環境因素和運行條件等。廢水水質包含低分子有機物含量、氮和磷營養物質、硫化物成分；環境因素則有反應溫度、溶解氧水平、pH；而運行條件主要有污泥負荷、曝氣方式等 。
1)廢水物理特性分析。對上游廢紙造紙廢水的水質檢測中發現，廢紙造紙廢水pH一般為5.5~6.5，偏酸性。本污水處理廠接納一部分環保熱電廠板框脫水下濾液，pH為10~11，與造紙廢水混合后對進水pH進行了調節，混合后廠區進水pH在7~8，在正常范圍內。然而，廠區主要處理造紙廢水來水，造紙企業在生產中使用大量高溫蒸汽會導致其排水水溫即使在冬季也處于較高水平，全年生化池水溫在21~33℃，亦不是影響該廠污泥膨脹的關鍵因素。根據污水廠污泥負荷計算，污泥負荷(以COD計)平均為0.221kg·kg-1·d-1，按照BOD5計算污泥負荷為0.064kg·kg-1·d-1，也在正常范圍。
2)廢水中主要污染物元素分析。由于廢紙造紙工業原材料使用特點，故進入污水廠的廢水缺少氮、磷，污水廠進水水質中C∶N∶P僅為100∶2.9∶0.05。根據進水缺氮、磷的特征，于2017年10月20日在初沉池出水處投加液體氮磷制劑，投加量為1t·d-1，進入調控階段Ⅰ，補充后初沉出水平均C∶N∶P=100∶4.2∶0.14，因二沉池出水TP仍有0.1mg·L-1剩余，故未進一步增加磷的補充。CHUDOBA等 根據不同種群微生物的生長動力學參數的不同提出了微生物選擇性理論，該理論指出引起污泥膨脹的絲狀菌的最大比增長速率μmax和飽和常數Ks比菌膠團小，故在營養物質缺乏情況下絲狀菌具有較高的增殖速率。而進水營養物比例調整對菌膠團正常生長有積極作用。
廢紙造紙廢水中含有大量含硫有毒物質，一部分來自添加劑中的化合物如樹脂類化合物、有機硫化物、等，還有一部分來自硫酸鹽、亞硫酸鹽等無極化合物 。這類化合物在厭氧環境中會部分轉化為硫化物、硫化氫等物質 ，從而引起如Beggiatoa sp.等絲狀菌的大量繁殖。故于2017年10月底在初沉池投加聚合硫酸鐵，投加量12mg·L-1，以期通過Fe3+把S2-氧化成S單質，并經過混凝沉淀和初沉池排泥，去除了進水中的硫化氫等含硫毒性物質。進水硫化物等毒性物質導致污泥膨脹，主要是因為H2S對菌膠團細菌的抑制毒害作用大于對絲狀菌的作用 ，同時，還原態硫化物的存在又能為絲狀菌的繁殖提供能源。而在缺氧條件下，硫酸鹽還原和硫化物氧化的反應速率較快。在這樣的硫循環中，021N型絲狀菌和硫絲菌能獲得足夠能量。因此，通過選擇池投加聚合硫酸鐵調控，初沉池檢測硫化物從3.5mg·L-1降至0~0.3mg·L-1。
3)DO等工藝參數分析。該污水處理廠生化池曝氣為射流曝氣形式，考慮曝氣量大幅提高后加大了污泥絮體切割打碎，生化池DO一直控制約為0.8mg·L-1。經過對生化池不同點位檢測，射流曝氣DO分布存在不均勻情況。雖然整體DO處于0.8mg·L-1，但池內存在較多DO低于0.3mg·L-1的區域。于2017年12月16日起進入階段Ⅱ調控階段，采用提高生化池曝氣量的方式，控制生化池DO約為1.5mg·L-1。在低DO環境下，好氧微生物代謝受到抑制，而絲狀菌由于比表面積大，具有相對較高的生長速率，大部分絲狀菌在低DO環境下能優勢生長。DO是現有污水廠運行過程中引起污泥膨脹的關鍵因素 ，進入階段Ⅱ的調控后，生化池DO最低處也達到1mg·L-1，從而消除了生化池局部低DO的環境。
4)廢水中有機物的影響。通過對污水廠污泥膨脹解決前后進水COD組分檢測，結果顯示污泥膨脹期進水COD中VFA占比達37%。該情況與文獻 情況一致，廢紙造紙廢水中COD主要以低分子量組分(殘留漿料中的可溶物、細小纖維、木質素、半纖維素等)和高分子量組分(絮凝劑、添加的膠乳和填料等化學助劑)為主，分子量居中的組分很少。針對進水含有大量低分子VFA的情況，于2018年3月1日開始進入階段Ⅲ調控，將選擇池曝氣量從69m3·min-1調整為138m3·min-1。調整后選擇池DO從0.1mg·L-1上升至0.2~0.3mg·L-1，調控后選擇池出水VFA占比從26%降至17%，結果變化見表2。根據文獻 ，COD中VFA高組分更適合Type 021N、Beggiatoa sp.類絲狀菌優勢生長，通過階段Ⅱ和階段Ⅲ的調控，可大幅改變優勢絲狀菌的生長環境，對絲狀菌的解決具有重要作用。
2.1.3 調控效果
污泥膨脹控制后，二沉池泥位出現顯著改善(前后對比見圖3)，二沉池平均上清液達到1.5~2m，大幅改善了二沉池出水帶泥、跑絮情況。
2.2 微生物群落分析
2.2.1 污泥鏡檢分析
1)污泥普通鏡檢。通過生化池活性污泥鏡檢發現，系統活性污泥菌膠團含有大量絲狀菌(圖4)，屬于污泥絲狀膨脹。在污泥膨脹控制期、恢復正常后，持續進行污泥鏡檢，活性污泥菌膠團絲狀菌數量出現顯著變少直至基本消失。
2)污泥染色鏡檢。通過染色鏡檢可更好地觀察絲狀菌的形態結構和生理學特征，基本可確定絲狀菌的種類和優勢生長原因，從而有針對性的進行調控，縮短調控時間。革蘭氏染色鏡檢結果見圖5。
污泥樣品染色鏡檢顯示，絲狀菌過度增殖。根據國際通用的《ManualontheCausesandControlofActivatedSludgeBulking，FoamingandOtherSolidsSeparationProblems》(第三版)中描述方法進行比對鑒定，革蘭氏染色結果顯示主要的優勢絲狀菌為革蘭氏陰性；次要優勢絲狀菌為革蘭氏陰性菌帶陽性顆粒物。結合生態生理特征判定為Type 021N型絲狀菌(發硫菌)和Beggiatoa sp.(貝氏硫細菌)。
Type 021N型絲狀菌無分枝，不能運動。菌絲是直型或者輕微彎曲，延伸至污泥絮體外圍。菌絲長度500~1000µm，直徑1.6~2.5µm。其細胞形狀多樣，有棒狀、矩形和鐵餅狀，無鞘，有隔膜、隔膜有縮縊，不常見附著生長，存在硫粒。Beggiatoa sp.無分枝，可運動。菌絲是直形或者彎曲，游離于混合液中，長度100~500µm，直徑1.2~3.0µm。其細胞方形、無鞘，隔膜不清晰可見，不附著生長，存在硫粒 。
2.2.2 污泥高通量測序分析結果
在2017年10月污泥膨脹期間將系統活性污泥(樣品簡稱HXWN)和池組上生物泡沫(樣品簡稱SWPM)進行了高通量宏基因組微生物測序。同時，于2018年6月在污泥膨脹得到控制后再對活性污泥(HXWN2)進行高通量宏基因組微生物測序比對。根據測序結果，在活性污泥膨脹時期，生化池活性污泥中含有變形菌門(Proteobacteria)52.62%、擬桿菌門(Bacteroidetes)21.75%、浮霉菌門(Planctomycetes)6.67%、綠彎菌門(Chloroflexi)5.96%、酸桿菌們(Acidobacteria)4.1%、疣微菌門(Verrucomicrobia)2.84%、放線菌門(Actinobacteria)1.18%。在污泥膨脹恢復前后，Actinobacteria門中Rhodococcus屬占比從2.92%下降為0.19%，Mycolata屬占比從0.1%下降為0，Alpha-proteobacteria門中Meganema屬占比從0.14%下降為0，Gamma-proteobacteria中Thiothrix屬占比從0.18%下降為0.01%。Genus水平所有樣本群落結構分布見圖6。
2.3 工程意義分析
1)活性污泥膨脹成因分析思路的可行性。結合污泥膨脹調控前后污泥鏡檢、微生物菌群高通量測序對比，通過活性污泥絮體形態、微生物菌群變化判斷引起污泥膨脹的主要菌群。該廠引起污泥膨脹的主要絲狀菌為Type 021N型、Beggiatoa sp.型絲狀菌。引起污泥膨脹的主要原因為：進水缺少氮、磷元素，進水水質C∶N∶P僅為100∶2.9∶0.05。在此情況下，絲狀菌具有較高的增殖速率；進水COD中揮發性脂肪酸(VFA)占37%，大量低分子的有機物或者有機酸容易被Type 021N型、Beggiatoa sp.型絲狀菌優勢吸收，選擇池在運行中DO始終未超過0.1mg·L-1，也未能對進水中低分子有機物或有機酸較好預處理；上游造紙企業廢水預處理站的厭氧塔等處理工藝，會將廢水中的硫酸根還原成硫化物、硫化氫等有毒物質，持續進入系統對活性污泥增殖帶來影響；生化池DO長期控制在0.8mg·L-1，由于使用射流曝氣，DO分布不均衡，較多區域處于低DO狀態。
2)活性污泥膨脹控制策略的有效性。污泥膨脹的藥劑控制，即投加增重劑、能直接殺滅絲狀菌的氧化劑。像增加增重劑、絮凝劑這類藥劑控制，只能改善污泥沉降性能、緩解沉降性能不好帶來的不利影響；加氯、臭氧等氧化劑殺滅絲狀菌的方法，只能作為應急使用，因為其沒有對從根本上控制絲狀菌的繁殖，而且投加量控制不好的情況下，還會對正常微生物菌群產生較大影響。
污泥膨脹的環境調控和代謝機制控制，主要有污水成分的控制、溶解氧控制、設置生物選擇器、設置污泥再生池等方法。這類控制方法能從根本上抑制絲狀菌的優勢生產，但是需要找到正確的調控方向，有時候更是多種因素交織在一起，使用單一調控方法并不能解決污泥膨脹問題 。
造紙廢水處理過程中，受水質特點影響，污泥系統參數一旦控制不當，容易發生污泥膨脹，在運行中，要密切關注生化系統SV和SVI變化，一旦出現污泥膨脹趨勢，要盡快分析成因并有針對性進行調控。通用控制策略有根據來水水質的性質，及時對存在的毒性物質進行去除，選擇池DO、生化池DO控制在合適范圍，確保消除有利于絲狀菌優勢生長的環境。如進水中低分子有機物或有機酸較多時，還需根據系統活性污泥狀況，及時調整預曝氣量，以防進一步加劇絲狀菌的優勢生長。
3)污泥膨脹判斷方法的實用性。通過污泥普通鏡檢發現活性污泥菌膠團含有大量絲狀菌。通過染色鏡檢，更好地觀察絲狀菌的形態結構和生理學特征，根據國際通用的《ManualontheCausesandControlofActivatedSludgeBulking，FoamingandOtherSolidsSeparationProblems》(第三版)中描述方法進行比對鑒定，判斷引起污泥絲狀膨脹的主要為Type021N。根據該絲狀菌優勢生長的工藝條件，進一步縮小引起污泥膨脹的成因范圍。
3、結論
1)該大型造紙廢水處理廠污泥膨脹主要是由于進水營養物質比例失衡、進水存在硫化物等毒性物質、生化池DO偏低、進水揮發性脂肪酸占比高從而誘發絲狀菌優勢生長，引起污泥膨脹。通過進水補充營養物質、更換混凝劑去除硫化物改善進水水質，調整生物池DO至1.5mg·L-1、選擇池加大預曝氣破壞優勢絲狀菌生長環境，成功解決了該廠的污泥膨脹問題。
2)通過污泥鏡檢，快速確定該廠污泥膨脹優勢絲狀菌為Type 021N型絲狀菌和Beggiatoa sp.；通過污泥膨脹前后微生物群落結構分析，Actinobacteria門中Rhodococcus屬占比從2.92%下降為0.19%，Mycolata屬占比從0.1%下降為0，Alpha-proteobacteria門中Meganema屬占比從0.14%下降為0，Gamma-proteobacteria中Thiothrix屬占比從0.18%下降為0.01%，上述幾種微生物種屬是引起該大型造紙廢水處理廠污泥膨脹的主要菌屬。
3)由于進水營養物質比例、進水含硫化物等，造紙廢水處理廠容易誘發污泥絲狀膨脹，在運行中尤其要關注生化池DO、選擇池運行等運行條件控制。本案例在解決污泥膨脹問題的前提下，減少了藥劑用量，提升了系統處理能力，并避免了污泥流失，且方法簡單易行高效，起到了節能降耗的作用，可為其他同類污水處理廠解決污泥膨脹問題提供參考。（來源：宜興市建邦環境投資有限責任公司，清華大學環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京首創生態環保集團股份有限公司，山東省建筑設計研究院有限公司）
