0引言
目前，世界范围内大多数城市污水处理厂采用活性污泥法处理工艺。普遍存在的问题之一就是曝气池表面常常会产生严重的泡沫，大量的泡沫使曝气池表面被覆盖,若从池中溢出会引起外部设备及外部池壁的污染,严重影响了周围的环境，给污水处理厂的运行和管理带来了困难，同时也使出水水质恶化。根据对国内外污水处理厂的调查，大多数都不同程度地受到泡沫问题的影响，特别是采用延时曝气工艺的污水厂更是如此。
1泡沫的形成
活性污泥工艺中，泡沫的形成一般有以下几种形式，主要包括工艺运行初始时期形成泡沫、反硝化作用起泡、表面活性剂起泡以及生物泡沫等[1]。生物泡沫粘度大，呈黄褐色，具有稳定、持续、较难控制的特点。
1.1工艺运行初期形成泡沫
曝气池开始运转时，特定表面活性剂对有机物的部分降解作用形成泡沫，并使泡沫迅速增长。这些泡沫一般呈白色且质轻，当活性污泥达到成熟时消失。
1.2反硝化作用起泡
由于在二沉池或曝气不足的地方会发生反硝化作用，使微小的氮气气泡释放出来，从而使污泥的密度减小，有利于其上浮，产生泡沫现象。这种现象在二次沉淀池中表现明显，且产生的悬浮泡沫通常不稳定。
1.3表面活性剂起泡
污水中的表面活性剂和淀粉、蛋白质、油脂等表面活性物质在分子结构上都表现为含有极性－非极性基团即所谓双亲分子，在曝气的条件下，非极性基团一端伸入气泡内，而极性基团选择地被亲水物质所吸附，这样亲水性物质的表面被转化成疏水性物质而粘附在气泡水膜上，随气泡一起上浮至水面。
各种悬浮物质若混入表面活性剂等产生的泡中，这些物质单独存在并不能发泡,但是可使泡沫稳定。如造纸工业中的微细纸浆，食品工业中的纤维质等。另外，如氯化钠、硫酸钠、硫酸铝等盐类的水溶液,单独存在几乎不产生泡沫,但也有助于泡沫的稳定，使泡沫难以消失，如图1、2、3所示[2]。
图1 纯水中的气泡 图2 水中混入表面 图3 水中混入表面活性剂
活性剂的气泡 和悬浮物质的气泡
Figure 1. A foam in Figure 2. A foam in water with Figure 3. A foam in water with surface
pure water surface active agents active agents and suspended substances
1.4 生物泡沫
目前，普遍认为生物泡沫形成的主要原因是：在各种因素影响下，造成丝状菌和放线菌等微生物的异样生长，丝状菌的比生长速率高于了菌胶团细菌，又由于丝状菌的比表面积较大，因此，丝状菌在取得污水中BOD5物质和氧化BOD5物质所需要的氧气方面都比菌胶团细菌有利得多，结果曝气池中丝状菌成为优势菌种而大量增值，导致生物泡沫的产生。再加上这些微生物大都呈丝状或枝状,易形成网,能捕扫微粒和气泡等,并浮到水面。被丝网包围的气泡,增加了其表面的张力,使气泡不易破碎,泡沫更加稳定。另外，曝气气泡产生的气浮作用是泡沫形成的主要动力因素。
研究发现，与生物泡沫有关的菌属主要有Nocardioform actinomycetes(放线菌)和Microthrix parvicella(丝状菌)等，如图4所示，前者多出现于夏季，后者多出现于冬季[3]。Linda L.Blackall等通过测定Microthrix parvicella等丝状菌的16S rDNA序列，对引起生物泡沫的主要丝状菌进行了分离鉴定和分类[4]，如表1所示。 Microthrix parvicella是生成生物泡沫的最重要菌种，其16S rDNA序列信息证实Microthrix parvicell也是一种放线菌，通过电子显微镜观察，其细胞壁上有革兰氏阳性细菌所具有的典型表面，呈单一均质层；Eikelboom Type0092、Eikelboom Type0411 和Eikelboom Type1863丝状菌革兰氏染色均呈阴性，16S rDNA序列信息表明三者都属于Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides；Eikelboom Type0803是一种类Proteobacteria，Williams and Unz认为根据形态学准则很难区别Microthrix parvicell和Eikelboom Type0803，但序列信息表明事实上二者没有任何关系，Eikelboom Type0803与上述各丝状菌都不太相似。
D.B.Oerther 等利用低（聚）核苷酸探测技术、杂交培植和抗体着色等方法，对生物泡沫中Gordonia spp.等丝状微生物进行了定量分析。结果表明，Gordonia spp.等菌体的活性和数量水平的增加与整体微生物群落的活性及数量水平有关，在形成生物泡沫过程中，Gordonia spp.等丝状微生物自身的物理性质可能比细胞的代谢活性所起的作用要大[5]。
图4 Nocardia amarae和Microthrix parvicella[6]
Figure 4. Nocardia amarae and Microthrix parvicella[6]
研究表明，丝状菌等微生物细胞表面的疏水性或憎水性（cell surface hydrophobicity, CSH）是形成生物泡沫并使之稳定的重要原因。Helen Stratton（1998）等从生物泡沫中分离出nocardiform及Rhodococcus rhodochrous等菌种，对细胞表面霉菌酸成分(mycolic acid content)，
表1 与泡沫形成有关的主要菌属
Table 1. Main bacteria involved in foams forming
序号
菌种名称
革兰氏性
种属和形态
1
Nocardia amarae
G+
放线菌(actinomycete)，枝状菌丝
2
Nocardia pinesis
G+
放线菌,松枝状
3
Rhodococcus sp.
G+
放线菌,枝状菌丝
4
Microthrix parvicella
G+
丝状菌(filament)，无鞘无分枝，丝状
5
Eikelboom Type0092
G-
F-C-B门，丝状菌
6
Eikelboom Type0411
G-
F-C-B门，丝状菌
7
Eikelboom Type1863
G-
F-C-B门,类Proteobacteria,丝状菌
8
Eikelboom Type0803
G-
F-C-B门,类Proteobacteria,丝状菌
注：F-C-B门表示Flexibacter-Cytophaga-Bacteroides phylum.
以及细胞表面疏水性(CSH)与形成稳定生物泡沫能力之间的关系进行了研究，结果表明：霉酸菌成分并不是形成CSH的唯一原因，CSH也不是生成生物泡沫并使之稳定的唯一因素。CSH随着微生物的培养周期，以及其它条件，如生长温度、碳源等的变化而改变；Rhodococcus rhodochrous中霉酸菌成分也会随着培养周期、温度以及碳源等条件的变化而发生改变；nocardiform细胞表面的霉酸菌成分对其CSH的影响不大[7]。
D.Mamais(1998)等认为，长链脂肪酸（慢速生物降解COD）和低温环境是脱氮活性污泥系统中Microthrix parvicella生长的主要原因，絮凝体形成菌去除易生物降解COD的过程也不会影响Microthrix parvicella的生长，长链脂肪酸被去除的量（吸附去除）与Microthrix parvicella的生长量成反比关系[8]；污泥停留时间(SRT)、pH值也会影响生物泡沫的产生。长污泥停留时间有利于Microthrix parvicella等丝状菌微生物的生长，这也是延时曝气工艺更容易引起生物泡沫的原因。另外，溶解氧(DO)以及曝气方式等也是生成泡沫的重要影响因素。如表2所示。
表2 与优势丝状菌相关的条件[9]
Table 2. Conditions being related to predominant filamentous bacteria
产生条件
丝状菌种类
低DO
Microthrix parvicella, S. Natans, 1701
低F/M
Microthrix parvicella,0041,0092
完全混合式生物反应器
H. Hydrossis, Nocardia spp., 021N, 1851,1701
腐败性废水/硫化物
Beggiatoa, Thiothrix spp., 0914
营养不足
S. Natans, Thiothrix spp., 021N; 可能有H. Hydrossis,0041
低pH值
fungal bacteria