活性污泥膨脹機理、成因及控制

前言

第1章 污泥膨脹的基本概念

第2章 活性污泥法微生物學(xué)基礎(chǔ)

第3章 絲狀菌形態(tài)學(xué)與生態(tài)生理學(xué)

第4章 污泥膨脹理論與學(xué)說

第5章 污泥膨脹的成因和主要影響因素

第6章 污泥膨脹的預(yù)防與控制

第7章 預(yù)防與控制污泥膨脹的專家系統(tǒng)

第8章 污泥膨脹的數(shù)學(xué)模型

第9章 國外控制污泥膨脹的經(jīng)驗和實踐

第10章 污泥膨脹的研究熱點和進展

彩圖 2100433B

本書系統(tǒng)總結(jié)和歸納了國內(nèi)外目前在污泥膨脹領(lǐng)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(chǔ)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(yù)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。

油石的成因與煤、煤油、地瀝青相似，同為古代動植物堆積的有機物而成。其床層的堆積，總是在海岸淺水的地方，其中富含下等有機植物、鱗甲、昆蟲及其他變形而不易識別的動物。其組織非常細密，內(nèi)部含有石灰及沙，質(zhì)地堅韌。為一種體質(zhì)細致的巖石，多用來砥礪利器及其他金屬面。

在活性污泥法運轉(zhuǎn)中，活性污泥膨脹是個嚴重問題。它的成因是相當(dāng)復(fù)雜的。各國不少學(xué)者對此都作了很多的研究，但是迄今還沒有得到一個圓滿的解釋。從已有的研究成果來看，活性污泥膨脹的成因可歸納如下：

污泥膨脹廢水水質(zhì)

在廢水生物處理中，廢水本身就是微生物的培養(yǎng)基。因此，廢水水質(zhì)和微生物的生理活動關(guān)系十分密切。從上面提到的兩種污泥膨脹來看，無不與微生物的生理活動有關(guān)。即污泥膨脹或是和微生物增殖有關(guān)(如絲狀菌性膨脹)；或者是由于代謝產(chǎn)物積蓄之故(如非絲狀菌性膨脹)。由此可見，廢水水質(zhì)是污泥膨脹成因中極為重要的因素。

關(guān)于廢水水質(zhì)問題，可以從以下幾個方面進行分析：

(1) 有機物

廢水中所含的有機物，種類較多，其中究竟哪些有機物和污泥膨脹關(guān)系較大呢"para" label-module="para">

① 廢水中碳源含量多且以糖類為主時，易發(fā)生污泥膨脹。據(jù)經(jīng)驗介紹，如葡萄糖、蔗糖、乳糖等糖類物質(zhì)含量較高的廢水是經(jīng)?？赡艹霈F(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象的。而同樣是碳水化合物，如不溶性高分子的淀粉，就沒有那樣的情況。一般認為，在導(dǎo)致絲狀菌性污泥膨脹的微生物中，最有代表性的是球衣菌屬，它能將糖類物質(zhì)直接作為能源予以利用，并易于繁殖。絲狀菌性膨脹的另一種致因微生物，如硫細菌屬，亦是這樣。此外。絲狀菌性膨脹的其他致因微生物，如蠟狀芽孢桿菌蕈狀變種和白地霉，亦都能直接利用單糖類物質(zhì)進行繁殖。其次，在糖類碳水化合物含量多時，活性污泥微生物亦能夠較易地將其代謝分泌出高黏性多糖類物質(zhì)。而這些物質(zhì)過多，覆蓋在菌膠團微生物表面，將導(dǎo)致非絲狀菌性污泥膨脹

由上可見，廢水中含糖類碳源較多時，對絲狀菌的繁殖及高黏性多糖類物質(zhì)的生成都是極大的促進，并易于導(dǎo)致污泥膨脹，可以說是形成污泥膨脹的一個十分重要的因素。

② 廢水中可溶性有機物含量多時，亦易于發(fā)生污泥膨脹。一般，這里所指的可溶性有機物，主要是低分子可溶性有機物，也包括上述的單糖、二糖類物質(zhì)。實際上，在乳品生產(chǎn)廢水、發(fā)酵廢水、制糖廢水(含大量可溶性有機物)的處理過程中，易于發(fā)生污泥膨脹。一般來說，活性污泥中的絲狀菌與其他游離細菌相比較，對高分子物質(zhì)的水解能力弱，也難于吸收不溶性物質(zhì)。為此，當(dāng)廢水中含可溶性有機物多時，絲狀菌就易于利用與自身繁殖。這樣也就易于發(fā)生絲狀菌性污泥膨脹。而對高黏性的非絲狀菌性膨脹來說，由于廢水中含有較多的可溶性糖類物質(zhì)，活性污泥微生物亦就易于利用它們產(chǎn)生更多的高黏性多糖類物質(zhì)，也就導(dǎo)致這一類型污泥膨脹的發(fā)生。

(2) 氮和磷營養(yǎng)物質(zhì)

活性污泥微生物，為了進行正常的生長、繁殖，除了需要碳源外，還需氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。氮、磷和碳之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)谋壤?，一般?jīng)驗提出的比例通常為：BOD₅:N:P=100:5:1。當(dāng)廢水中氮、磷含量不足時，亦易發(fā)生污泥膨脹。如在活性污泥中，絲狀菌的表面積相對其他微生物來說要大些，易于攝取底物。故當(dāng)?shù)?、磷含量相對BOD₅的比例不足時，由于具有上述特點，絲狀菌比其他微生物較易利用底物，仍能正常生活，進行生長繁殖。而在這種情況下，活性污泥中其他微生物，由于氮、磷得不到滿足，以致逐漸衰退。于是絲狀菌大量增加，導(dǎo)致了絲狀菌性污泥膨脹的發(fā)生。

另外，當(dāng)廢水中氮、磷源不足時，相對而言就是碳源較多。在這種情況下，如果糖類物質(zhì)較多，代謝產(chǎn)物多糖類高黏性物質(zhì)增加，使得活性污泥易于發(fā)生非絲狀菌性膨脹。

污泥膨脹溶解氧

在曝氣池運行中，混合液的溶解氧含量亦是個重要的問題。因為不同的微生物對溶解氧的要求亦是不同的。從以往的實踐經(jīng)驗來看。曝氣池中若溶解氧濃度太低是不利的，容易發(fā)生污泥膨脹的現(xiàn)象，雖然絲狀菌是好氧性細菌，但是它們和活性污泥中的其他好氧菌不同，在活性污泥的低溶解氧條件下大部分好氧菌幾乎不能繼續(xù)生長繁殖。但絲狀茵仍能適應(yīng)這種環(huán)境。并繼續(xù)生長繁殖。從而使得絲狀菌性污泥膨脹易于發(fā)生。而且即使將它們保持在相當(dāng)長時間的厭氧狀態(tài)下，也不會失去活力，如一旦恢復(fù)好氧狀態(tài)，它們就會重新生長繁殖。

據(jù)有關(guān)經(jīng)驗介紹，當(dāng)曝氣池混合液溶解氧為0.5 mg/L以下時，活性污泥鏡檢中發(fā)觀有大量的硫細菌(貝氏硫菌和絲硫菌)，但很少發(fā)現(xiàn)有帶衣鞘的絲狀菌(球衣細菌)。例如在上海春夏之交和盛夏季節(jié)，水溫較高(高達30℃以上)，氧分壓低，而且又值用電高峰，供電緊張，曝氣池中往往呈現(xiàn)缺氧情況，溶解氧濃度偏低，活性污泥常發(fā)生絲狀膨脹現(xiàn)象，鏡檢結(jié)果系由絲硫菌、貝氏硫菌過度生長引起。故當(dāng)溶解氧偏低(一般在0.5 mg/L以下)及水溫較高(一般在30℃～36℃)時，適宜于絲硫菌、貝氏硫菌生長繁殖，污泥膨脹是一種硫細菌性的絲狀膨脹。而到了秋季，水溫在20℃～28℃之間時，溶解氧濃度略有升高，發(fā)現(xiàn)活性污泥的絲狀膨脹則是由于貝氏硫菌和球衣菌過度生長的結(jié)果。事實上，在溶解氧濃度較高情況下，如高達7 mg/L時，仍可發(fā)現(xiàn)污泥的絲狀膨脹，其中絲狀菌以球衣菌占優(yōu)勢。這說明溶解氧濃度的高低，對主要由球衣菌引起的絲狀膨脹，都是可能發(fā)生的。

由上可見，溶解氧濃度對活性污泥的膨脹來說，和廢水水質(zhì)相比較，只能是第二位因素。但是溶解氧過低亦是不合適的，據(jù)實際經(jīng)驗，一般應(yīng)將溶解氧控制在不低于2 mg/L的水平，如2～4 mg/L，過高亦是沒有必要的。

污泥膨脹溫度

微生物都有各自的適宜生長溫度。如球衣菌的適宜生長溫度在30℃左右，在15℃以下生長不良。絲硫菌、貝氏硫菌的適宜生長溫度亦在30℃～36℃之間。故在夏季高溫季節(jié)，遇上溶解氧偏低時，活性污泥易發(fā)生如上所述的硫細菌性絲狀膨脹。而在冬季低溫季節(jié)，則活性污泥不易發(fā)生膨脹。

污泥膨脹pH值

在活性污泥法運行中，為了使活性污泥正常發(fā)育、生長，曝氣池液的pH值應(yīng)保持在一個合適的范圍內(nèi)，一般為6.5～8.0。當(dāng)pH值在這個合適范圍內(nèi)，并遇上其他條件亦合適時，人們就可獲得沉降、濃縮性能良好的活性污泥。

根據(jù)實際經(jīng)驗，若曝氣池液的pH值長時間保持在6.0以下時，活性污泥中絲狀微生物就會占據(jù)優(yōu)勢，污泥的體積指數(shù)SⅥ值增高，從而導(dǎo)致污泥發(fā)生絲狀菌性膨脹。因為當(dāng)pH值在5.8～8.1范圍內(nèi)，適合于浮游球衣菌的生長繁殖。此外，白地霉亦可能在pH值為3～12范圍內(nèi)增殖。根據(jù)這種情況，可以說在酸性條件下特別有利于絲狀菌的生長、繁殖，并成為污泥的絲狀菌性膨脹的誘因。

污泥膨脹負荷率

活性污泥微生物通過馴化、培養(yǎng)，都可找到一個最佳的運行條件和生長環(huán)境。因此，為了保持活性污泥法系統(tǒng)的正常運行，就應(yīng)有一個合適的負荷率(指生物負荷率或污泥負荷率)，或稱最佳負荷率。在運行中負荷率過高、過低均是不適宜的，并都有可能發(fā)生污泥膨脹。這是由于微生物的生長環(huán)境發(fā)生了變化，活性污泥原有的生態(tài)將失去平衡，生物構(gòu)成亦將發(fā)生變化的緣故。一般來說，當(dāng)負荷率過高時，正?；钚晕勰喟l(fā)展到嚴重膨脹污泥，所需時間相對而言要短些。而負荷率愈高，則時間愈短。

相對而言，負荷率過高時，可被微生物攝取的有機物亦多。如這種有機物含糖類物質(zhì)及可溶性低分子成分較多時，則如前所述，易發(fā)生絲狀菌性污泥膨脹。當(dāng)然，這種情況如前所述碰到低溫時，活性污泥中亦可能由于高黏性物質(zhì)的積累，發(fā)生非絲狀菌性污泥膨脹。

當(dāng)負荷率過低時，也有可能發(fā)生絲狀菌性污泥膨脹，這主要是由于絲狀微生物在這種場合下，仍可能取得競爭優(yōu)勢的緣故 。

2.1 頂板大面積來壓的成因與力學(xué)機理

頂板大面積來壓基本上都發(fā)生在頂板巖層比較堅硬的回采工作面，頂板大多是砂巖或礫巖，開采后頂板大面積懸露不冒.在回采工作面初采時，頂板初次垮落步距可達50-70 m，甚至達100 m以上.這樣大面積的頂板一旦冒落會造成巨大的危害.礦井生產(chǎn)中常采用刀柱法開采，但也因采空區(qū)面積太大，壓垮煤柱而發(fā)生大面積冒頂.即使采用綜采設(shè)備的長壁工作面，也仍然出現(xiàn)上萬平方米頂板大面積來壓的現(xiàn)象.關(guān)于頂板大面積來壓產(chǎn)生的力學(xué)原因，一般認為，當(dāng)開采過程中的堅硬難冒頂板大面積懸露時，在自重力的作用下，頂板會產(chǎn)生彎曲和離層.不管是作為板處理，還是作為梁來分析，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過其強度極限時，便會產(chǎn)生裂隙和裂隙的擴展.一旦這些裂隙貫穿堅硬巖層時，則發(fā)生突然的垮落，造成災(zāi)害.另一種情況是，頂板大面積懸露，使采空區(qū)形成扁平狹條孔，煤柱上的頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生巨大的切應(yīng)力，導(dǎo)致頂板切斷，突然垮落。頂板大面積來壓造成的災(zāi)害有以下3個方面的機理。

2.1.1 能量釋放造成的破壞

由于煤巖體處于復(fù)雜的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力場中，在強大的地應(yīng)力作用下，其體積與形狀會發(fā)生變化，這是外力做功的結(jié)果。當(dāng)巖塊處于彈性狀態(tài)，且變形不能解除時，外力做功就以能量的形式貯存在煤巖體內(nèi)，稱為彈性能.而這種彈性能又分為由體積變化產(chǎn)生的體變彈性能已，及由形狀變化而產(chǎn)生的形變彈性能叭。又因采空區(qū)上方頂板巖層大面積懸露不冒落，頂板巖層會產(chǎn)生彎曲下沉，因而又會聚積頂板彎曲彈性能。俄國學(xué)者阿維爾申教授認為，煤體內(nèi)的彈性能就是由這3部分彈性能所組成，即：

式中，E,μ為巖層的彈性模量和泊松比；ρ, H為巖層的密度和采深；q為作用在巖梁上的均布荷載；J為巖梁的慣性矩；L為頂板巖梁的懸伸長度。

從上式可以看出，能量的聚積隨采深的增大而增大，也隨采空區(qū)面積即懸頂長度的增大而增大。當(dāng)圍巖中的彈性能積聚到足夠大時，所產(chǎn)生的應(yīng)力超過了煤體本身的強度，則彈性能突然釋放，使煤體猛烈破壞，或產(chǎn)生煤的彈射和突出等沖擊礦壓現(xiàn)象，在工作面或巷道中造成災(zāi)害。

2.1.2 冒頂沖擊力造成的破壞

采空區(qū)大面積懸露的頂板因斷裂失穩(wěn)而冒落，其產(chǎn)生的沖擊力是巨大的。頂板在冒落前具有的勢能為EP = mgh.當(dāng)冒落的頂板巖層面積大，即質(zhì)量m大時，其勢能EP則大；當(dāng)采高h大時，其勢能EP也大，頂板冒落后勢能轉(zhuǎn)變的動能Ek=mv2 /2必然也大。如果頂板冒落的面積為5萬m2，冒落巖層的厚度為3m，采高為2.5m，則在不到1s的時間內(nèi)，就有37. 5萬t的巖石冒落，其沖擊力之大是可想而知的。好在這巨大的沖擊力絕大部分作用在采空區(qū)的底板上，但對工作面的破壞力也是很大的。比如大同王村礦402盤區(qū)8106工作面，一次冒頂達88 271 m2，壓壞4×550型道梯支架46架，頂板下沉0.5 m。

2.1.3 大面積冒頂產(chǎn)生暴風(fēng)形成的破壞

由于頂板堅硬完整性好，冒落的面積大、時間短，采空區(qū)的空氣瞬間壓出，形成劇烈的暴風(fēng)，破壞力極大。為便于定量分析，將采空區(qū)簡化成一個體積很大的扁平容器，將上下順槽看成容器底部的兩個小孔，如圖1所示。頂板大面積冒落時，容器內(nèi)的氣體承受著比巷道內(nèi)氣體高得多的壓力po，采空區(qū)的面積為Ao空氣的流速為vo，巷道內(nèi)空氣的壓力為p1，巷道的橫斷面積為A1，空氣的流速為v1。假定空氣為理想流體，其密度為ρa，由伯努利能量方程v02/2g po/ρag = v12/2g p1/ρag，根據(jù)連續(xù)性方程voAo=2A1 v1，vo=2A1v1/A0，得v1={2g(p1-po)/ ρag[(2A1/A0)2-1]}1/2，考慮到A1?A0，p0=p1 p0'，則：

式中po為冒落頂板對空氣的壓力；ρD為冒落頂板巖層的密度；H0為冒落頂板巖層的厚度。

考慮到阻力損失，以及模型與實際情況的差異，將上式的值乘以一個折減系數(shù)k，則頂板大面積冒落時，巷道中空氣的瞬時流速為

由上式可知，頂板大面積冒落在上下順槽中形成暴風(fēng)，其流動速度與大面積冒落頂板的厚度成正變關(guān)系取k=0. 4，則得到如下圖的變化關(guān)系：

由圖可見，采空區(qū)頂板冒落的厚度越大，其在巷道中形成的暴風(fēng)速度也越大，對巷道及各種設(shè)施的破壞力也越大。頂板大面積冒落形成的暴風(fēng)，在上下順槽以叭的速度移動，產(chǎn)生空氣沖擊波，根據(jù)流體運動的阻力公式，其對物體的作用力為

式中，kD為阻力系數(shù)；S為物體的橫斷面積。

將上式代入，則有F=kDk2ρDHo S，對于平板kD=2，取k=0. 4；ρD=2550 kg/m3，則可以得到由采空區(qū)大面積冒落頂板形成的暴風(fēng)對巷道內(nèi)物體的作用力，其大小與冒頂?shù)暮穸燃拔矬w斷面積的關(guān)系見下表，從表中可見，隨著頂板冒落厚度的增大，以及風(fēng)流中物體斷面積的增大，作用在物體上的力也增大。例如某工作面采空區(qū)有2m厚的頂板大面積冒落，則在順槽中可形成v1=114. 52 m/s的暴風(fēng)，這時，如在順槽中有一臺It的礦車，其橫斷面積S≈1 m2，則由表中數(shù)據(jù)可知作用在這臺礦車上的力為F=16 kN。由于有這樣大的力，大冒頂時形成的暴風(fēng)摧毀巷道，掀翻礦車，破壞風(fēng)橋或密閉墻的現(xiàn)象就不難理解了。

2. 2切冒型大面積來壓機理

圖2為切冒型頂板冒落過程，圖2-a表示頂板變形首先將采空區(qū)的大部分煤柱壓酥，使之失去支撐頂板的能力；圖2-b為懸空頂板在四周煤體支撐下被拉裂破斷，變?yōu)楹喼Ш駧r梁；圖2-c是簡支巖梁由于受剪的截面積減小，而突然發(fā)生剪切冒落，即所謂切冒型冒落。

關(guān)于煤柱是否破壞的判據(jù)可用逐步破壞理論或極限強度理論，即

B≤2xo (1)

式中B—煤柱寬度；

xo—煤柱塑性區(qū)寬度，

M—煤層開采厚度；

f—煤柱與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)；

ξ—三向應(yīng)力系數(shù)，

φ—煤的內(nèi)摩擦角；

C—煤的粘結(jié)力；

H—開采深度；

Y—巖石平均容重；

k—應(yīng)力集中系數(shù)；

Pi—支架對煤壁的阻力。

nσ≥σp (2)

式中。σ—煤柱平均應(yīng)力；

σ=η-1H Y

η一一煤柱面積比率，即煤柱面積與采空區(qū)總面積之比；

n一安全系數(shù)，n=2；

σp一一煤柱的極限強度，

σp =σC (0. 778 0. 222BM-1)

σC—立方體煤試件的單軸抗壓強度

關(guān)于簡支巖梁的切冒判據(jù)，依彈性力學(xué)(如圖3示)的應(yīng)力公式

當(dāng)巖梁中部底面(巖梁的抗拉強度) σx≥R’t時，則該處拉斷，將R’t=0，x=0，y=2-1H，代入(3)式得：

(4)

式中Ld—采空區(qū)短邊的極限垮距。

當(dāng)巖梁端部的τ≤R'時，即不大于巖梁的抗剪強度時，則該處發(fā)生切冒，將

R’t=τxy，x=2-1L，y=2-1L H，代入(3)式得

(5)

由于巖梁的剪應(yīng)力與跨度成正比，故公式(5)的Lc為采空區(qū)長邊的極限跨距。由此預(yù)測發(fā)生的切冒型頂板大面積來壓的面積為

A=Ld·Lc (6)

2. 3拱冒型大面積來壓機理

形成拱冒型大面積來壓的主要原因有二：其一是開采深度較大，使煤柱破壞的巖層厚度僅是覆巖的一部分，其二是組成覆巖的剛度多為交替剛度和遞增剛度。交替剛度的頂板一般是分組分次冒落，最下一組冒落后，其上一組變形冒落，兩者形成一定的時間差。遞增剛度頂板是分層分次冒落，由于各層冒落的跨度由下而上逐漸增大，故造成層間冒落的時間差。拱冒型的冒落過程與切冒型相似，只是層間組間不同步而已，即首先因部分覆巖的變形使煤柱破壞，然后在固支巖梁的條件下，四周逐層逐組拉斷，最后在簡支巖梁條件下切冒。因此拱冒型的來壓機理首先要預(yù)測使煤柱破壞的覆巖厚度。

令xo=2-1B，Pt=0，由xo式得：

(7)

式中Hp—使煤柱破壞的覆巖厚度。

由于煤柱是在H，厚的覆巖變形作用下破壞的，在其破壞前覆巖基本無離層，所以由下往上可利用下式計算覆巖剛度分組厚度：

(8)

式中q—第一組覆巖上的均布載荷；

H1， H2…. Hn—由煤層開始的各層覆巖厚度；

E1， E2...En—由煤層開始的各層覆巖彈性模量。

利用公式(8)逐層計算，直到qn≥qn 1則第一組覆巖為第1至n層，其厚度為

H=∑_(i=1)^n?H (9)

將H，q代入(4)，(5)，(6)，則可預(yù)測拱冒型初次冒頂面積。

由以上機理可知，頂板大面積來壓是否發(fā)生，關(guān)鍵在于煤柱是否破壞，煤柱未破壞就可有效支撐住頂板，不會發(fā)生大面積來壓，煤柱若被破壞，失去了支撐頂板的能力，則會發(fā)生大面積來壓。煤柱破壞與不破壞的主要影響因素是煤柱寬度B和煤柱面積比率夕。發(fā)生大面積來壓的采空區(qū)范圍則主要取決于堅硬頂板的厚度或剛度分組厚度，以及巖體強度。

采空區(qū)覆巖剛度可用EJ來表述，根據(jù)剛度組成不同，覆巖可分為四類即：

遞增剛度E1J1

遞減剛度E1J1>E2J2>...>EnJn，

均勻剛度E1J1=E2J2=...=EnJn，

交替剛度E1J1>E2J2...

不同類型剛度的覆巖其頂板載荷q差距很大，故形成大面積來壓的范圍相差很大，從幾千m2到幾十萬m2。一般來說遞減剛度和均勻剛度的覆巖容易發(fā)生切冒型大面積來壓，遞增剛度或交替剛度的覆巖容易發(fā)生拱冒型大面積來壓。