用于控制丝状生物过度生长的流态配置调整：在哈马丹污水处理厂进行的全面研究

《Desalination and Water Treatment》：Flow Configuration Modifications for Controlling Filamentous Overgrowth: A full-scale study in Hamadan Wastewater Treatment Plant

污水处理 plants flow configuration filamentous bacteria Microthrix parvicella Thiothrix sludge volume index (SVI) food-to-microorganism (F/M) ratio dissolved oxygen (DO) temperature sludge age industrial wastewater reuse |

　　### 一、引言

在污水处理厂（WWTPs）中，微生物群落的动态变化对处理效率有着直接的影响。尤其是在生物脱氮除磷过程中，微生物的活动不仅决定了处理效果，还可能引发一系列操作问题，如污泥膨胀、泡沫形成以及出水水质的下降。这些问题的出现往往与某些丝状菌的过度繁殖有关。丝状菌是活性污泥系统中重要的组成部分，它们在污泥絮凝和沉降过程中发挥着关键作用。然而，当这些丝状菌的数量超过一定阈值时，就会导致污泥沉降性能变差，形成泡沫，并影响氮的去除效率。

在Hamadan污水处理厂，长期运行过程中观察到丝状菌的异常增长，尤其是Microthrix parvicella和Thiothrix两种菌株。这些丝状菌的过度繁殖对污水处理的稳定性构成了威胁，也增加了运行成本和能源消耗。因此，研究如何通过优化水流配置来控制丝状菌的生长，并提高氮去除效率，对于污水处理厂的稳定运行具有重要意义。本研究通过一个为期九年的实地应用，评估了不同水流配置对丝状菌控制和处理性能的影响，旨在为实际工程提供科学依据和操作指导。

### 二、材料与方法

#### 2.1 污水处理厂的特征与运行参数

Hamadan污水处理厂位于34°55'37"N 48°30'10"E，采用分段进水（Step Feed）的生物脱氮除磷（BNR）工艺，其具体流程见附图。目前，该厂分为两个模块，分别用于工业和农业回用。最初，由于进水流量较低，仅工业模块在运行。随着进水流量的增加，农业模块于2021年9月投入使用。进水流量在不同季节有所变化，温暖季节约70%的流量进入工业模块，而寒冷季节则减少至40%。这种季节性流量分布导致了工业模块中有机负荷的增加，同时也引发了污泥膨胀和出水浊度的变化。

#### 2.2 样本采集与分析

为了评估不同水流配置对污水处理性能的影响，本研究进行了多种采样和分析。每日进行混合液悬浮固体（MLSS）、回流混合液悬浮固体（RMLSS）、污泥体积指数（SVI）和污泥停留时间（SRT）的测定。同时，每周两次对进水的生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）进行复合采样。此外，还对反应器中的溶解氧（DO）和温度进行监测。污泥显微镜检查则每月两次进行，以识别主要和次要丝状菌种类、计算丝状菌指数（FI）以及定量丝状菌数量。

所有样本在4°C下保存不超过24小时，以确保分析的准确性。显微镜检查使用日本Olympus CX22 LED显微镜，在40×和100×倍率下进行。对于特定的丝状菌检测，采用了Gram和Neisser染色技术。此外，还进行了硫储存测试以识别具有硫储存能力的丝状菌。所有分析均遵循《标准方法》（Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater）中的规范。

#### 2.3 水流配置的变化

为了提高Hamadan污水处理厂的出水质量，特别是满足工业用户的脱氮需求，近年来逐步调整了进水分配方式。从最初的分段进水模式（Mode A）过渡到后续的模式（Mode B、C、D）。其中，Mode D采用了完全分段进水的方式，将所有进水引导至第一阶段的处理池。这种配置的调整不仅改变了F/M比、水力停留时间（HRT）等关键参数，还影响了污泥沉降性能和丝状菌的生长情况。然而，由于循环泵的技术故障，内部循环未被实施，因此第一池被重新定义为缺氧池，通过将50%的回流污泥引入其中，以优化污泥沉降和减少丝状菌生长。

#### 2.4 统计分析

本研究采用非参数统计方法进行数据分析，包括Kruskal-Wallis H检验和Bonferroni校正的后验分析，用于比较不同处理模式下的参数变化。同时，使用Mann-Whitney U检验进行成对比较。为了探讨丝状菌丰度与操作参数之间的关系，采用Spearman秩相关分析。统计分析中，p值小于0.05被认为具有显著性。所有分析和图表制作均使用GraphPad Prism软件完成。

### 三、结果与讨论

#### 3.1 水流配置对污水处理厂性能的影响

在Hamadan污水处理厂的运行过程中，水流配置的调整显著影响了污泥沉降性能、丝状菌丰度以及氮去除效率。Mode D的实施最初导致了污泥沉降性能的改善，SVI从192降至117 mL/g，主要由于Microthrix parvicella的抑制。然而，随着进水COD的增加，尤其是来自食品工业的高有机负荷，Thiothrix的生长再次成为主要问题，SVI上升至500 mL/g，导致出水浊度增加。这一现象表明，水流配置的调整虽然在一定程度上控制了Microthrix parvicella的生长，但同时也为Thiothrix提供了适宜的环境。

此外，研究发现，Thiothrix的丰度与F/M比、水力停留时间（HRT）、SVI和COD呈正相关，而与温度呈负相关。这表明，在低温度条件下，Thiothrix的生长可能受到抑制，但在高有机负荷和低DO的环境下，其生长被显著促进。例如，在2022年至2024年间，由于工业排放的增加，Thiothrix成为主导丝状菌，SVI值显著上升，而出水质量受到影响。相比之下，在2025年3月，由于DO水平的提高和污泥停留时间的缩短，Microthrix parvicella的丰度再次增加，但未导致严重的泡沫现象。

#### 3.2 对硝化和反硝化的影响

在生物脱氮除磷过程中，氮的去除效率受到多种因素的影响，包括碳氮比（C/N）、回流污泥量、污泥龄（SRT）、碳源、进水分布以及各阶段之间的氧转移。研究发现，分段进水（Step Feed）模式在某些情况下能够提高硝化效率，而Mode D的实施则提升了整个系统的处理能力，使其能够满足工业回用的严格标准。然而，随着有机负荷的增加，硝化效率在近期有所下降，这可能与DO水平的降低有关。

此外，研究还发现，Thiothrix的生长对反硝化过程产生了负面影响。当Thiothrix的丰度超过6百万个交点时，出水中的总悬浮固体（TSS）和浊度显著增加。这表明，Thiothrix的过度繁殖不仅影响了污泥沉降性能，还对氮的去除效率构成了挑战。为了改善这一情况，研究建议在Mode D基础上增加选择区（Selector Zone），以增强对易降解COD的去除，从而减少丝状菌的生长。

### 四、结论

本研究通过Hamadan污水处理厂的九年运行数据，揭示了水流配置调整对丝状菌控制和氮去除效率的影响。Mode D的实施显著提高了氨氮的去除效率，并改善了出水质量，使其符合工业回用标准。然而，水流配置的改变也带来了新的挑战，尤其是在高有机负荷和低DO条件下，Thiothrix的生长可能对系统稳定性构成威胁。研究还发现，Microthrix parvicella和Thiothrix在不同季节表现出不同的主导地位，这与温度、底物可用性和与其他絮凝菌的竞争有关。

为了有效控制丝状菌的生长，建议在Mode D的基础上增加选择区，以进一步优化底物利用和微生物群落结构。同时，提高DO水平和合理调整污泥龄也是关键措施。尽管Mode D提高了处理能力和氮去除效率，但长期运行仍需持续监测和可能的工艺优化，以应对丝状菌相关的挑战。这些研究结果为类似污水处理厂的设计和运行提供了重要的参考，尤其是在处理高有机负荷和季节性变化的污水时。然而，这些结论的适用性需结合具体水质和运行条件进行评估，以确保最佳的处理效果和系统稳定性。