Sludge bulking control and microbial community structure analysis of a large papermaking wastewater treatment plant

某污水处理厂的设计规模为15×10⁴ m³·d⁻¹。该厂的设计进水废纸造纸污水占95%以上，生活污水占比低于5%，配套收集管网22.5 km。目前，该厂服务上游废纸造纸企业16家，造纸企业主要产品为白板纸、特种纸、瓦楞纸、箱板纸等。废纸造纸废水主要来自制浆和抄纸两大工序，主要污染物来自制浆部分的洗涤废水。随着造纸工艺的改进和清洁生产的推行，每生产1 t成品纸约产生废水10~15 m³，上游企业废水均有内部预处理站，采用厌氧塔和活性污泥法工艺。预处理站出水控制指标按污水厂设计进水指标执行。污水厂正常运行时的日均处理污水量为8.5×10⁴ m³。相关处理工艺见图1。生化池为完全混合式曝气池，池容54 000 m³，前端设有一座选择池，池容3 125 m³。曝气方式为射流曝气。

污水厂进出水水质见表1。出水执行《浙江省造纸工业 (废水类) 水污染物排放标准》DHJB1-2001中的第二时段标准和《城市污水再生利用工业用水水质》 (GB/T19923-2005) 中的敞开式循环冷却水系统补充水和工艺与产品用水标准限值。该厂站在生产运行中生化系统经常会发生污泥膨胀，污泥膨胀期间SVI、SV₃₀维持较高水平，污泥在二沉池沉降缓慢导致池内泥位处于高位，污泥膨胀严重时期二沉池上清液低于0.2 m，局部区域甚至会出现污泥流失情况。

污泥镜检是污泥处理厂稳定运行的重要工具，其通过指示性微生物的观察，可提前预判系统运行状况，对指导生产具有重要作用。污泥镜检是利用显微镜技术观察活性污泥生物相，观察污泥絮体颗粒的大小、污泥结构的松紧程度、菌胶团菌和丝状菌的比例。污泥染色镜检是根据丝状生物体对特殊微生物染色剂或染色技术呈阴性或阳性反应，从而鉴定出丝状生物体的方法，主要染色方法有革兰氏染色法、奈瑟染色法、PHB染色法和鞘染色法。本研究主要使用革兰氏染色法，其步骤主要有涂片、干燥、固定、初染、水洗、媒染、水洗、脱色、复染、水洗^[13]。

Miseq高通量测序技术以16SrDNA为基础，获取DNA碱基序列包含的全部生物遗传信息，通过MOTHUR、RDP classifier 软件处理分析后全面地反映基因的多样性和复杂性，能从本质上对微生物的菌群结构进行研究^[14]。

根据污泥镜检及高通量测序结果分析，筛选出引起污泥膨胀的主要丝状菌群，针对其最优生长环境开展工艺调控，采取进水营养物补充及进水混凝剂更换、生化池DO调整、选择池曝气量等措施来调控3个阶段。阶段Ⅰ (2017年10月20日至2017年12月15日) ，在进水中投加液体氮磷制剂，投加量1 t·d⁻¹；阶段Ⅱ (2017年12月16日至2018年3月1日) ，在阶段Ⅰ基础上，增加了生化池DO调控措施，生化池DO从0.8 mg·L⁻¹调整为1.5 mg·L⁻¹；阶段Ⅲ (2018年3月1日至2018年9月13日) ，在阶段Ⅱ基础上，增加选择池曝气量调控措施，选择池曝气量从69 m³·min⁻¹调整为138 m³·min⁻¹。

COD、BOD₅、NH⁺ ₄-N、TN、MLSS、MLVSS等指标均按《水和废水检测分析方法》 (第4版) 标准方法测定。污泥负荷参考《室外排水设计规范》GB50014-2021(2021年版) 。VFA是使用气相色谱仪测定，使用GC-2010 FID检测器，色谱柱是DB-FFAP (30 m, 0.25 μm, 0.25 μm)。

在该污水处理厂污泥膨胀调控过程中，污泥特性变化如图2所示。污泥膨胀调控前，MLSS平均为5 300 mg·L⁻¹，SV₃₀平均为96%，SVI平均为182 mL·g⁻¹，污泥处于严重膨胀状态；调控阶段Ⅰ~Ⅱ，MLSS平均为5 089 mg·L⁻¹，SV₃₀平均为98%，SVI平均为191 mL·g⁻¹，污泥仍处于膨胀状态；调控阶段Ⅲ的MLSS平均为5 833 mg·L⁻¹，SV₃₀平均为59%，SVI平均为101 mL·g⁻¹，污泥指数逐步恢复至正常范围，污泥膨胀情况已经得到控制。

在活性污泥系统运行过程中，引起污泥膨胀的影响因素分为废水水质、环境因素和运行条件等。废水水质包含低分子有机物含量、氮和磷营养物质、硫化物成分；环境因素则有反应温度、溶解氧水平、pH；而运行条件主要有污泥负荷、曝气方式等^[15]。

1) 废水物理特性分析。对上游废纸造纸废水的水质检测中发现，废纸造纸废水pH一般为5.5~6.5，偏酸性。本污水处理厂接纳一部分环保热电厂板框脱水下滤液，pH为10~11，与造纸废水混合后对进水pH进行了调节，混合后厂区进水pH在7~8，在正常范围内。然而，厂区主要处理造纸废水来水，造纸企业在生产中使用大量高温蒸汽会导致其排水水温即使在冬季也处于较高水平，全年生化池水温在21~33 ℃，亦不是影响该厂污泥膨胀的关键因素。根据污水厂污泥负荷计算，污泥负荷 (以COD计) 平均为0.221 kg·kg⁻¹·d⁻¹，按照BOD₅计算污泥负荷为0.064 kg·kg⁻¹·d⁻¹，也在正常范围。

2) 废水中主要污染物元素分析。由于废纸造纸工业原材料使用特点，故进入污水厂的废水缺少氮、磷，污水厂进水水质中C∶N∶P仅为100∶2.9∶0.05。根据进水缺氮、磷的特征， 于2017年10月20日在初沉池出水处投加液体氮磷制剂，投加量为1 t·d⁻¹，进入调控阶段Ⅰ，补充后初沉出水平均C∶N∶P=100∶4.2∶0.14，因二沉池出水TP仍有0.1 mg·L⁻¹剩余，故未进一步增加磷的补充。CHUDOBA等^[16]根据不同种群微生物的生长动力学参数的不同提出了微生物选择性理论，该理论指出引起污泥膨胀的丝状菌的最大比增长速率μ_max和饱和常数K_s比菌胶团小，故在营养物质缺乏情况下丝状菌具有较高的增殖速率。而进水营养物比例调整对菌胶团正常生长有积极作用。

废纸造纸废水中含有大量含硫有毒物质，一部分来自添加剂中的化合物如树脂类化合物、有机硫化物、等，还有一部分来自硫酸盐、亚硫酸盐等无极化合物^[2]。这类化合物在厌氧环境中会部分转化为硫化物、硫化氢等物质^[17]，从而引起如Beggiatoa sp.等丝状菌的大量繁殖。故于2017年10月底在初沉池投加聚合硫酸铁，投加量12 mg·L⁻¹，以期通过Fe³⁺把S²⁻氧化成S单质，并经过混凝沉淀和初沉池排泥，去除了进水中的硫化氢等含硫毒性物质。进水硫化物等毒性物质导致污泥膨胀，主要是因为H₂S对菌胶团细菌的抑制毒害作用大于对丝状菌的作用^[18]，同时，还原态硫化物的存在又能为丝状菌的繁殖提供能源。而在缺氧条件下,硫酸盐还原和硫化物氧化的反应速率较快。在这样的硫循环中，021N型丝状菌和硫丝菌能获得足够能量。因此，通过选择池投加聚合硫酸铁调控，初沉池检测硫化物从3.5 mg·L⁻¹降至0~0.3 mg·L⁻¹。

3) DO等工艺参数分析。该污水处理厂生化池曝气为射流曝气形式，考虑曝气量大幅提高后加大了污泥絮体切割打碎，生化池DO一直控制约为0.8 mg·L⁻¹。经过对生化池不同点位检测，射流曝气DO分布存在不均匀情况。虽然整体DO处于0.8 mg·L⁻¹，但池内存在较多DO低于0.3 mg·L⁻¹的区域。于2017年12月16日起进入阶段Ⅱ调控阶段，采用提高生化池曝气量的方式，控制生化池DO约为1.5 mg·L⁻¹。在低DO环境下，好氧微生物代谢受到抑制，而丝状菌由于比表面积大，具有相对较高的生长速率，大部分丝状菌在低DO环境下能优势生长。DO是现有污水厂运行过程中引起污泥膨胀的关键因素^[19]，进入阶段Ⅱ的调控后，生化池DO最低处也达到1 mg·L⁻¹，从而消除了生化池局部低DO的环境。

4) 废水中有机物的影响。通过对污水厂污泥膨胀解决前后进水COD组分检测，结果显示污泥膨胀期进水COD中VFA占比达37%。该情况与文献[20]情况一致，废纸造纸废水中COD主要以低分子量组分 (残留浆料中的可溶物、细小纤维、木质素、半纤维素等) 和高分子量组分 (絮凝剂、添加的胶乳和填料等化学助剂) 为主，分子量居中的组分很少。针对进水含有大量低分子VFA的情况，于2018年3月1日开始进入阶段Ⅲ调控，将选择池曝气量从69 m³·min⁻¹调整为138 m³·min⁻¹。调整后选择池DO从0.1 mg·L⁻¹上升至0.2~0.3 mg·L⁻¹，调控后选择池出水VFA占比从26%降至17%，结果变化见表2。根据文献[15]， COD中VFA高组分更适合Type 021N、Beggiatoa sp.类丝状菌优势生长，通过阶段Ⅱ和阶段Ⅲ的调控，可大幅改变优势丝状菌的生长环境，对丝状菌的解决具有重要作用。

污泥膨胀控制后，二沉池泥位出现显著改善 (前后对比见图3) ，二沉池平均上清液达到1.5~2 m，大幅改善了二沉池出水带泥、跑絮情况。

1) 污泥普通镜检。通过生化池活性污泥镜检发现，系统活性污泥菌胶团含有大量丝状菌(图4)，属于污泥丝状膨胀。在污泥膨胀控制期、恢复正常后，持续进行污泥镜检，活性污泥菌胶团丝状菌数量出现显著变少直至基本消失。

2) 污泥染色镜检。通过染色镜检可更好地观察丝状菌的形态结构和生理学特征，基本可确定丝状菌的种类和优势生长原因，从而有针对性的进行调控，缩短调控时间。革兰氏染色镜检结果见图5。

污泥样品染色镜检显示，丝状菌过度增殖。根据国际通用的《Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming and Other Solids Separation Problems》 (第三版) 中描述方法进行比对鉴定，革兰氏染色结果显示主要的优势丝状菌为革兰氏阴性；次要优势丝状菌为革兰氏阴性菌带阳性颗粒物。结合生态生理特征判定为Type 021N型丝状菌 (发硫菌) 和Beggiatoa sp. (贝氏硫细菌) 。

Type 021N型丝状菌无分枝，不能运动。菌丝是直型或者轻微弯曲，延伸至污泥絮体外围。菌丝长度500~1 000 µm，直径1.6~2.5 µm。其细胞形状多样，有棒状、矩形和铁饼状，无鞘，有隔膜、隔膜有缩缢，不常见附着生长，存在硫粒。Beggiatoa sp.无分枝，可运动。菌丝是直形或者弯曲，游离于混合液中，长度100~500 µm，直径1.2~3.0 µm。其细胞方形、无鞘，隔膜不清晰可见，不附着生长，存在硫粒^[15,21]。

在2017年10月污泥膨胀期间将系统活性污泥 (样品简称HXWN) 和池组上生物泡沫 (样品简称SWPM) 进行了高通量宏基因组微生物测序。同时，于2018年6月在污泥膨胀得到控制后再对活性污泥 (HXWN2) 进行高通量宏基因组微生物测序比对。根据测序结果，在活性污泥膨胀时期，生化池活性污泥中含有变形菌门 (Proteobacteria) 52.62%、拟杆菌门 (Bacteroidetes) 21.75%、浮霉菌门 (Planctomycetes) 6.67%、绿弯菌门 (Chloroflexi) 5.96%、酸杆菌们 (Acidobacteria) 4.1%、疣微菌门 (Verrucomicrobia) 2.84%、放线菌门 (Actinobacteria) 1.18%。在污泥膨胀恢复前后，Actinobacteria门中Rhodococcus属占比从2.92%下降为0.19%，Mycolata属占比从0.1%下降为0，Alpha-proteobacteria门中Meganema属占比从0.14%下降为0， Gamma-proteobacteria中Thiothrix属占比从0.18%下降为0.01%。Genus水平所有样本群落结构分布见图6。

1) 活性污泥膨胀成因分析思路的可行性。结合污泥膨胀调控前后污泥镜检、微生物菌群高通量测序对比，通过活性污泥絮体形态、微生物菌群变化判断引起污泥膨胀的主要菌群。该厂引起污泥膨胀的主要丝状菌为Type 021N型、Beggiatoa sp.型丝状菌。引起污泥膨胀的主要原因为：进水缺少氮、磷元素，进水水质C∶N∶P仅为100∶2.9∶0.05。在此情况下，丝状菌具有较高的增殖速率；进水COD中挥发性脂肪酸 (VFA) 占37%，大量低分子的有机物或者有机酸容易被Type 021N型、Beggiatoa sp.型丝状菌优势吸收，选择池在运行中DO始终未超过0.1 mg·L⁻¹，也未能对进水中低分子有机物或有机酸较好预处理；上游造纸企业废水预处理站的厌氧塔等处理工艺，会将废水中的硫酸根还原成硫化物、硫化氢等有毒物质，持续进入系统对活性污泥增殖带来影响；生化池DO长期控制在0.8 mg·L⁻¹，由于使用射流曝气，DO分布不均衡，较多区域处于低DO状态。

2) 活性污泥膨胀控制策略的有效性。污泥膨胀的药剂控制，即投加增重剂、能直接杀灭丝状菌的氧化剂。像增加增重剂、絮凝剂这类药剂控制，只能改善污泥沉降性能、缓解沉降性能不好带来的不利影响；加氯、臭氧等氧化剂杀灭丝状菌的方法，只能作为应急使用，因为其没有对从根本上控制丝状菌的繁殖，而且投加量控制不好的情况下，还会对正常微生物菌群产生较大影响。

污泥膨胀的环境调控和代谢机制控制，主要有污水成分的控制、溶解氧控制、设置生物选择器、设置污泥再生池等方法。这类控制方法能从根本上抑制丝状菌的优势生产，但是需要找到正确的调控方向，有时候更是多种因素交织在一起，使用单一调控方法并不能解决污泥膨胀问题^[22]。

造纸废水处理过程中，受水质特点影响，污泥系统参数一旦控制不当，容易发生污泥膨胀，在运行中，要密切关注生化系统SV和SVI变化，一旦出现污泥膨胀趋势，要尽快分析成因并有针对性进行调控。通用控制策略有根据来水水质的性质，及时对存在的毒性物质进行去除，选择池DO、生化池DO控制在合适范围，确保消除有利于丝状菌优势生长的环境。如进水中低分子有机物或有机酸较多时，还需根据系统活性污泥状况，及时调整预曝气量，以防进一步加剧丝状菌的优势生长。

3) 污泥膨胀判断方法的实用性。通过污泥普通镜检发现活性污泥菌胶团含有大量丝状菌。通过染色镜检，更好地观察丝状菌的形态结构和生理学特征，根据国际通用的《Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming and Other Solids Separation Problems》 (第三版) 中描述方法进行比对鉴定,判断引起污泥丝状膨胀的主要为Type 021N。根据该丝状菌优势生长的工艺条件，进一步缩小引起污泥膨胀的成因范围。

1) 该大型造纸废水处理厂污泥膨胀主要是由于进水营养物质比例失衡、进水存在硫化物等毒性物质、生化池DO偏低、进水挥发性脂肪酸占比高从而诱发丝状菌优势生长，引起污泥膨胀。通过进水补充营养物质、更换混凝剂去除硫化物改善进水水质，调整生物池DO至1.5 mg·L⁻¹、选择池加大预曝气破坏优势丝状菌生长环境，成功解决了该厂的污泥膨胀问题。

2) 通过污泥镜检，快速确定该厂污泥膨胀优势丝状菌为Type 021N型丝状菌和Beggiatoa sp.；通过污泥膨胀前后微生物群落结构分析，Actinobacteria门中Rhodococcus属占比从2.92%下降为0.19%，Mycolata属占比从0.1%下降为0，Alpha-proteobacteria门中Meganema属占比从0.14%下降为0， Gamma-proteobacteria中Thiothrix属占比从0.18%下降为0.01%，上述几种微生物种属是引起该大型造纸废水处理厂污泥膨胀的主要菌属。

3) 由于进水营养物质比例、进水含硫化物等，造纸废水处理厂容易诱发污泥丝状膨胀，在运行中尤其要关注生化池DO、选择池运行等运行条件控制。本案例在解决污泥膨胀问题的前提下，减少了药剂用量，提升了系统处理能力，并避免了污泥流失，且方法简单易行高效，起到了节能降耗的作用，可为其他同类污水处理厂解决污泥膨胀问题提供参考。