污泥膨胀本质上是因活性污泥中菌胶团菌和丝状菌两大类微生物竞争不平衡所致。丝状菌的大量繁殖会造成污泥膨胀;然而如果丝状菌过少,活性污泥将缺少骨架,呈针状絮体,出水呈雾状混浊。最近又有研究表明低溶解氧可引发污泥微膨胀。该状态下污泥中的丝状菌数量适中,不会影响二沉池的泥水分离,而且能使出水非常清澈,还可节省曝气能耗。基于此,本课题组彭永臻教授提出了“低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法”。而该技术应用的关键也在于平衡菌胶团菌和丝状菌的竞争。可见,深入研究各种环境下菌胶团菌和丝状菌的竞争关系十分必要。本论文从研究菌胶团菌和丝状菌的竞争入手,围绕影响污泥膨胀的各主要因素,系统考察了各种情况下污泥膨胀的机理。鉴定了不同因素作用下各污泥膨胀系统中的优势丝状菌,采用小试SBR以不同运行方式模拟各种工艺,探索了污泥微膨胀在不同运行方式下的可行性。旨在为低氧微膨胀节能技术的实际应用提供理论依据和试验基础。论文的主要研究结果如下:1.设置全程好氧运行和前置缺氧运行的两组SBR反应器,控制它们的溶解氧和进水时间,分析了运行方式对菌胶团菌和丝状菌竞争的影响。全程好氧运行方式极易引发恶性污泥膨胀。在低底物浓度梯度下,无论DO高低,膨胀都很快,膨胀速率高达34.0 mL/(g.d),仅2个污泥龄(SRT=15 d),SVI即超过了1000 mL/g。高底物浓度梯度低DO下,也发生了恶性膨胀,膨胀速率稍慢。高底物浓度梯度正常DO下,污泥沉降性能可保持良好,但易受冲击而导致污泥膨胀。前置缺氧运行方式模拟的厌/缺氧选择器对污泥沉降性的改善有显著作用。在低DO,高底物浓度梯度下污泥沉降性依然良好,SVI约为50 ~ 60 mL/g。低DO下适当降低底物浓度梯度可实现稳定微膨胀,SVI介于120 ~ 220 mL/g。2.从底物消耗-供给速率的层面对不同运行方式下膨胀速率的异同进行了分析,提出了消耗-供给速率假说,即膨胀发生的推动力是絮体外部某种底物扩散进入絮体内部某位置的速率小于该处微生物消耗这种底物的速率。越靠近絮体表面,底物浓度梯度越大,扩散速率也更大。因此处于该位置的微生物就会向更靠近絮体表面的地方生长。丝状菌因其形态上的优势及一维生长的特性得以更快地接近絮体表面,甚至伸出絮体,从而在与菌胶团菌的竞争中获胜。3.全程好氧低底物浓度环境下,以乙酸钠、葡萄糖为碳源的反应器内发生了污泥恶性膨胀;以淀粉作碳源的反应器内滋生了较多丝状菌,但未引发污泥恶性膨胀,SVI维持在300 mL/g以内。污泥膨胀速率乙酸钠最大,葡萄糖次之,淀粉最慢,证实了消耗-供给速率假说。4.在前置缺氧短时间进水正常DO的运行方式下,单独缺氮或单独缺磷的污泥在长达3个污泥龄(SRT=15d)内仍未发生膨胀。缺磷系统转为无磷进水运行2个污泥龄后发生非丝状菌膨胀;缺氮系统转为无氮进水后仍未发生污泥膨胀。缺氮系统的底物贮存能力高于缺磷系统的。改为无氮或无磷进水后,两反应器内污泥的底物贮存能力均有所降低。5.低氧微膨胀下污泥的絮体较小,丝状菌搭连在各絮体间形成网络,沉淀时起网捕作用,出水COD和浊度分别仅16.7 mg/L和4.8 NTU,明显低于正常污泥。低氧微膨胀可节省至少10 %的曝气能耗。硝化性能和除磷性能并未因低DO而变差。荧光原位杂交技术(FISH)分析表明,经长期厌氧/好氧运行后,低DO下的硝化菌数量甚至大于高DO下的硝化菌数量。低DO下的污泥厌氧释磷也更充分,聚磷菌占总细菌数的20 %以上。采用常规染色和FISH对发生膨胀的各系统中优势丝状菌进行了鉴定,全程好氧运行方式下膨胀污泥中的优势丝状菌有Thiothrix,1851型,021N型, S. natans等。前置缺氧下微膨胀污泥中的优势丝状菌主要是0092型。