《活性污泥膨脹機理、成因及控制》是關于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(tǒng)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(tài)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，并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(tǒng)和數學模型在污泥膨脹預防與控制中的應用。最后，為了給污泥膨脹研究領域的研究人員提供借鑒，本書還介紹了當前的研究熱點，探討了一些尚待解決的問題。
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本書作者在闡述活性污泥中微生物的生態(tài)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(tǒng)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�？晒⿵氖挛勰嗯蛎涱I域方面的研究人員參考。
彭永臻：現任北京工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學科首席教授(兼任哈爾濱工業(yè)大學博士生導師)，環(huán)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(yōu)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。先后獲得獲得了20余項省部級優(yōu)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。
目錄
前言
第1章 污泥膨脹的基本概念 1
1.1 活性污泥法 1
1.1.1 活性污泥法的起源 1
1.1.2 活性污泥法的應用 2
1.2 活性污泥的性質 3
1.2.1 活性污泥的組成和結構 3
1.2.2 活性污泥絮體的形成機理 6
1.2.3 活性污泥的特性 10
1.2.4 活性污泥的分類 13
1.3 污泥沉降性能指標 15
1.3.1 污泥沉降比 15
1.3.2 污泥容積指數 15
1.3.3 污泥成層沉降速度 18
1.3.4 絲狀菌指數 19
1.3.5 絲狀菌豐度 22
1.3.6 絲狀菌長度 24
1.3.7 絲狀菌數量 24
1.4 污泥膨脹及其危害 27
1.4.1 污泥膨脹的定義 27
1.4.2 污泥膨脹的范圍 28
1.4.3 污泥膨脹的危害 31
1.5 污泥膨脹的分類 31
1.5.1 絲狀菌污泥膨脹 32
1.5.2 非絲狀菌污泥膨脹 33
1.6 泡沫問題 34
1.7 其他泥水分離間題 36
1.7.1 分散生長 36
1.7.2 針狀污泥絮體 36
1.7.3 散落狀絮凝物懸浮 36
主要參考文獻 38
第2章 活性污泥法微生物學基礎 40
2.1 菌膠團菌 41
2.2 生物脫氮系統(tǒng)中的常見細菌 42
2.2.1 硝化細菌 42
2.2.2 反硝化細菌 46
2.2.3 氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的競爭 51
2.3 強化生物除磷系統(tǒng)(EBPR)中的常見細菌 56
2.3.1 聚磷菌 56
2.3.2 聚糖菌 60
2.3.3 聚磷菌和聚糖菌的競爭 62
2.3.4 反硝化聚磷菌和反硝化聚糖菌 66
2.4 常見的微型生物 67
2.4.1 原生動物 68
2.4.2 后生動物 76
2.4.3 活性污泥中微型生物的作用 78
主要參考文獻 81
第3章 絲狀菌形態(tài)學與生態(tài)生理學 85
3.1 絲狀菌的形態(tài)特性 85
3.1.1 分支 85
3.1.2 運動性 85
3.1.3 絲狀菌形態(tài) 86
3.1.4 位置 87
3.1.5 附著生長 87
3.1.6 衣鞘 87
3.1.7 隔膜 90
3.1.8 絲狀菌寬度 90
3.1.9 絲狀菌長度 90
3.1.10 細胞形狀 91
3.1.11 細胞大小 91
3.1.12 積硫情況 92
3.1.13 儲存顆粒 93
3.1.14 染色反應 93
3.1.15 其他觀察 95
3.2 絲狀菌分類與鑒別 95
3.2.1 基于形態(tài)學的蝗狀菌分類 95
3.2.2 Jenkins分類法 113
3.2.3 Eikelboom分類法 116
3.2.4 Wanner分類法 120
3.2.5 基于微生物學的絲狀菌分類 120
3.2.6 傳統(tǒng)的鑒定方法 122
3.2.7 基于現代分子生物學手段的鑒定方法 124
3.3 絲狀菌的生理生態(tài)學特性 129
3.3.1 變形菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 129
3.3.2 擬桿菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 135
3.3.3 綠彎菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 137
3.3.1 TM7菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 139
3.3.5 厚壁菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 140
3.3.6 放線菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 141
3.3.7 浮霉菌門絲狀菌的生態(tài)生理學 145
3.3.8 未被鑒定的絲狀菌 145
3.4 不同生長環(huán)境與運行條件下的優(yōu)勢絲狀菌 145
3.4.1 多功能基于溶解性底物的絲狀菌 148
3.4.2 專門基于復雜型底物生長的絲狀菌 148
3.4.3 多代謝功能的泡沫型絲狀菌 149
3.4.4 發(fā)酵型底物絲狀菌 149
3.4.5 不同類型污水處理廠中的優(yōu)勢絲狀菌 149
主要參考文獻 150
第4章 污泥膨脹理論與學說 160
4.1 擴散選擇理論 160
4.2 動力學選擇理論 161
4.3 儲存選擇理論 162
4.4 饑餓假說理論 163
4.5 一氧化氮理論 165
4.6 動力-擴散雙選擇理論 166
4.7 擴展的選擇理論 168
主要參考文獻 169
第5章 污泥膨脹的成因和主要影響因素 172
5.1 水質條件 172
5.1.1 有機物 172
5.1.2 氮和磷營養(yǎng)物質 173
5.1.3 硫化物 174
5.1.4 有毒物質 175
5.1.5 腐化和酸化廢水 176
5.1.6 脂類 176
5.2 環(huán)境條件 176
5.2.1 溫度 176
5.2.2 pH 177
5.2.3 溶解氧 178
5.3 運行條件與工況 179
5.3.1 污泥負荷 179
5.3.2 反應器類型及流態(tài) 180
5.3.3 進水方式 181
5.3.4 曝氣方法 181
5.3.5 污泥齡的控制 181
主要參考文獻 182
第6章 污泥膨脹的預防與控制 184
6.1 生物選擇器 184
6.1.1 生物選擇器的分類 184
6.1.2 生物選擇器的設計 186
6.1.3 生物選擇器的應用 189
6.2 低負荷污泥膨脹的控制 190
6.2.1 推流式反應器 191
6.2.2 序批式反應器 191
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 193
6.2.4 SBR工藝中低負荷對活性污泥沉降性能的影響 195
6.3 低溶解氧污泥膨脹的控制 196
6.3.1 控制污泥膨脹的最低DO值與F/M的關泵 196
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 197
6.3.3 SBR工藝中低溶解氧引起的污泥膨脹及控制 198
6.4 營養(yǎng)物缺乏型污泥膨脹的控制 199
6.4.1 營養(yǎng)物質的生理功能及來源 199
6.4.2 缺乏營養(yǎng)物質引起的絲狀菌污泥膨脹的狀況 199
6.4.3 缺乏營養(yǎng)物質引起的絲狀菌污泥膨脹機理 200
6.4.4 缺乏營養(yǎng)物質引起的絲狀菌污泥膨脹的試驗研究狀況 202
6.4.5 缺乏營養(yǎng)物質型污泥膨脹的控制技術及注意事項 206
6.5 高負荷污泥膨脹的控制 208
6.5.1 同流污泥再生法 208
6.5.2 投加填料法 208
6.6 投加氧化劑法 209
6.6.1 投加Cl2 209
6.6.2 投加H2O2 209
6.6.3 投加O2 210
6.7 增重劑和絮凝劑 215
6.8 非絲狀菌污泥膨脹的控制方法 215
6.8.1 非絲狀菌污泥膨脹的成因 215
6.8.2 控制方法 217
6.9 其他泥水分離問題的控制方法 228
6.9.1 生物泡沫的控制方法 228
6.9.2 污泥上浮的控制方法 231
主要參考文獻 231
第7章 預防與控制污泥膨脹的專家系統(tǒng) 235
7.1 專家系統(tǒng)簡介 235
7.1.1 專家系統(tǒng)的結構 235
7.1.2 專家系統(tǒng)的優(yōu)點 236
7.1.3 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)結構 237
7.2 專家系統(tǒng)開發(fā)方法和工具 241
7.2.1 專家系統(tǒng)的開發(fā)方法 241
7.2.2 專家系統(tǒng)的開發(fā)工具 243
7.3 污泥膨脹成因的診斷與應急控制系統(tǒng) 246
7.3.1 污泥膨脹誘因的檢索圖 246
7.3.2 污泥膨脹的控制措施 251
7.3.3 應用舉例 253
7.4 預防與控制污泥膨脹專家系統(tǒng)的開發(fā)和應用 256
主要參考文獻 259
第8章 污泥膨脹的數學模型 260
8.1 引言 260
8.2 Chudoba動力選擇模型 260
8.3 Chicsa和Irivinc模型 261
8.4 AEROFIL模型 262
8.4.1 模型假設 262
8.4.2 模型中的過程描述 263
8.5 動力學選擇骨架耦合數學模型 267
8.5.1 引言 267
8.5.2 模型的假設 267
8.5.3 數學模型 268
8.5.4 參數選取 270
8.5.5 結果與討淪 271
主要參考文獻 284
第9章 國外控制污泥膨脹的經驗和實踐 285
9.1 澳大利亞 285
9.1.1 澳大利亞污水處理廠泥水分離間題概況 285
9.1.2 污泥膨脹和生物泡沫的控制方法 286
9.1.3 澳大利亞解決污泥膨脹的案例 287
9.2 捷克 289
9.2.1 20世紀八九十年代污水處理廠中泥水分離問題的調研 289
9.2.2 2000年對8座脫氮除磷污水處理廠的調查 293
9.2.3 生物泡沫控制措施 294
9.3 丹麥、希臘及荷蘭 295
9.3.1 污水組成及工藝流程 296
9.3.2 污泥膨脹和生物泡沫的情況 297
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 300
9.3.4 控制措施及經驗 301
9.4 意大利 303
9.4.1 優(yōu)勢絲狀菌調查 303
9.4.2 控制措施 306
9.4.3 污水處理廠解決泥水分離間題的案例分析 307
9.5 日本 310
9.5.1 日本泥水分離問題概況 310
9.5.2 誘發(fā)泥水分離間題的主要絲狀菌 310
9.5.3 采取的控制措施 312
9.5.4 案例研究 313
9.6 美國 311
9.6.1 活性污泥系統(tǒng)中絲狀菌的控制 314
9.6.2 生物泡沫 317
9.6.3 黏性膨脹和分散生長 319
主要參考文獻 321
第10章 污泥膨脹的研究熱點和進展 327
10.1 低DO污泥微膨脹節(jié)能方法的發(fā)現、提出及理論基礎 327
10.1.1 低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的發(fā)現 327
10.1.2 低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的提出 328
10.1.3 低溶解氧污泥微膨脹節(jié)能方法的理論基礎 330
10.2 圖像分析在控制污泥膨脹中的應用 333
10.2.1 圖像分析技術簡介 333
10.2.2 圖像分析技術在污泥膨脹中的應用 335
10.3 FISH在絲狀菌檢測上的應用與研究進展 338
10.3.1 定性分析應用 338
10.3.2 定量分析應用 339
10.3.3 運用FISH技術在絲狀菌鑒定中的意義 340
10.3.4 熒光原位雜交技術應用于絲狀菌鑒定上的缺陷 342
10.3.5 發(fā)展前景 345
10.4 好氧顆粒污泥與污泥膨脹 346
10.4.1 好氧顆粒污泥中絲狀菌的存在形式 347
10.4.2 好氧顆粒污泥SBR反應器中絲狀菌的外延生長 347
10.4.3 好氧顆粒污泥SBR反應器中絲狀菌過度生長的誘發(fā)因素 350
10.4.4 好氧顆粒污泥SBR反應器中絲狀菌的增殖方式 353
10.5 膜生物反應器與污泥膨脹 355
10.5.1 污泥膨脹對MBR膜污染的影響 355
10.5.2 污泥膨脹對MBR污染物去除的影響 356
10.5.3 污泥膨脹對MBR微生物群落的影響 357
10.5.4 膜生物反應器中污泥膨脹的控制 357
10.6 尚未解決的問題 358
10.6.1 污泥結構 358
10.6.2 微生物鑒定 359
10.6.3 顆粒性底物的作用 359
10.6.4 底物儲存的作用 359
10.6.5 生物選擇器 360
10.6.6 預防和控制 360
10.6.7 數學模型 361
主要參考文獻 361
彩圖
第1章污泥膨脹的基本概念第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(fā)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（activatedsludgeprocess）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(chuàng)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(yōu)越性。連續(xù)進水的推流式活性污泥工藝出現后，很快將其取代�？墒请S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(tài)）是促使發(fā)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(xù)進水的方式。后來，Pasveer［2］研究了充?排式技術，開發(fā)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(tǒng)都轉換為這種帶有二沉池和污泥回流設備的連續(xù)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(xù)進水的完全混合系統(tǒng)。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(sequencingbatchreactor)，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(fā)展，活性污泥法開發(fā)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(fā)了一系列變形工藝，如ICEAS工藝、CASS工藝、DAT?IAT工藝、UNITANK工藝和MSBR工藝等。
隨著生物技術的發(fā)展，活性污泥法也在不斷地發(fā)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(fā)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(yè)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(chuàng)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(chuàng)新，它有更大的水質、水量適用范圍和良好的操作穩(wěn)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�；钚晕勰喾ㄟ�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(fā)展與實踐證明，活性污泥法是一種應用廣泛并極具發(fā)展?jié)摿Φ奈鬯幚砑夹g。
活性污泥法的發(fā)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(fā)明和應用，最終在1914年發(fā)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(fā)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(wěn)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(tǒng)的低效率消化池逐步發(fā)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(fā)展，應用領域也從最初的生活污水處理擴展到工業(yè)廢水處理。
第三階段（1961年~至今），活性污泥法發(fā)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(tǒng)和微生物生理、生態(tài)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(fā)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(wěn)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(huán)境污染和能源危機的出現發(fā)生了巨大的飛躍，出現了很多新型污水處理工藝，如氧化溝、A?B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(huán)（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(yè)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�；钚晕勰嗍腔钚晕勰喾ㄌ幚硐到y(tǒng)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(wěn)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(huán)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�；钚晕勰嘀猩嬷鞣N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(yǎng)層次，然后是以細菌為食的掠食性原生動物占優(yōu)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�；钚晕勰嗟臒o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(yè)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�；钚晕勰嘀械挠袡C物、細菌、原生動物與后生動物組成了一個小型的相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)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(yǎng)型的原核細菌。在成熟的正�；钚晕勰嘀校亢辽钚晕勰嗪毦鷶盗看笾聻�107～108個�，F已基本判明，可能在活性污泥上能夠形成優(yōu)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（EscherichiaColi）等。此外，在活性污泥中還可能出現但一般不占優(yōu)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(yōu)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(huán)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(wěn)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。
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