活性污泥系统非平衡增长理论及其应用

彭党聪，王志盈，袁林江，任勇翔
(西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安710055)

　　摘要：对近年发展起来的活性污泥系统非平衡增长新理论，从其概念、发展沿革、理论要点以及在生物处理中的应用等进行了较为全面的论述。结合应用该理 论进行了单级活性污泥法同步硝化—反硝化的实践，探讨了非平衡增长理论在未来活性污泥法生物处理中的作用和地位。
　　关键词：活性污泥系统；非平衡增长；同步硝化—反硝化
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：B
　　文章编号： 1000-4602(2001)02-0019-03

　　1 非平衡增长的概念及发展沿革

　　非平衡增长(Unbalanced growth)是指微生物在环境条件瞬时(Transient conditions) 变化时在增殖方面所表现的一种生理适应(Phsiological adaptation)。当环境条件稳定(St ea dy state)时，微生物会逐渐适应，并形成与该环境相协调的、稳定的最佳细胞合成机制，然后不再进化并维持这一状态，称之为平衡增长(Balanced growth)；当环境条件变化时，微生物具有维持原有细胞合成机制的能力，如果在适应新环境之前，环境条件又转变为原来的状态，原有的细胞合成机制又未完全退化，则微生物会进行“超量”合成，以抵御环境的变化，微生物对环境变化时的这种增殖响应称为非平衡增长(Unbalanced growth)。微生物 在非平衡增长下的“超量”合成主要表现为：大分子储存(Polymer storage)、原始基质积 累(Accumulation)、吸附(Sorption)等。
　　在废水处理中对非平衡增长的认识始于对生物储存的研究，很早以前就有关于微生物将基质以polyhydroxyalkanoates、lipids、glycogen等储存于细胞的报道，但是一直未引起重视。在生物除磷机理的研究过程中发现polyhydroxybutyrate (PHB)、glycogen在聚磷菌的 代谢途径中起主要作用后，生物储存才被广泛关注，并在生物储存的基础上逐渐发展形成了非平衡增长理论。
　　推流式(Plug—flow)、序批式(Sequencing batch)以及选择池(Selector)等 存在着基质浓度 梯度的活性污泥反应器中，微生物的增殖为典型的非平衡增长。最近的研究结果显示，在交替式(兼氧/好氧、厌氧/兼氧/好氧)等环境变化的甚至稳态的连续流系统中也存在非平衡 增长［1］，可以说非平衡增长是活性污泥系统中普遍存在的现象。通过对非平衡增长系统的深入研究，不仅将大大丰富现有的活性污泥理论，而且将促进新的废水生物处理工 艺的诞生。为此，欧盟将“非平衡增长”列为欧洲科技合作计划(COST)中微生物技术的四个研究专题之一，足见非平衡增长理论在现代活性污泥系统中的地位。

　　2 理论要点

　　非平衡增长系统的主要特征是活性污泥的表观比增长速率YOBS远大于平衡增长时 的比增长速率YGRO，其多余部分即所谓的“超量”增长ΔY：
　　ΔY=Y_OBS-Y_GRO
　　“超量”增长ΔY主要由以下三部分构成：
　　①大分子储存(YSTO)。在非平衡增长状态下，微生物将基质合成为PHB等大分子物质并储存于细胞内。因为这一过程较合成蛋白质等细胞物质要容易，消耗的能量也少，因此相应的生理适应时间也短。从进化的角度看，大分子储存可能是“超量”增长的主要形式，因此对大分子储存的研究也最为活跃，已经发现的大分子物质主要有PHB、PHA、Glyc ogen、Lipids等。
　　②原始基质积累(YACC)。微生物可迅速地将基质以原始状态或小分子的形式储存于细胞内。从热力学的角度，原始积累应当比大分子储存更加有效，所占超量增长的份额应该更高，因为这一过程消耗的能量更小。但相对于大分子储存，对原始积累形式的“超量”增长则研究较少，其原因可能是缺少相应的测试方法(目前对YACC尚不能直接定量测量，主要采用减量法间接描述)。由于能以原始状态透过细胞壁的基质较少，可以推断原始积累将主要以小分子的形式进行。
　　③吸附(YSOP)。吸附指发生在细胞与介质界面的一系列物理化学作用，包括物理吸附、化学吸附以及粘附等。吸附显然与构成活性污泥微生物的细胞壁形态、性质等有关，且主要发生在细胞外，与以上两种形式具有质的区别，将吸附纳入非平衡增长的这一观点目前尚有争议。
　　因此，非平衡增长时的“超量”增长可表述为：

　　ΔY=Y_STO+Y_ACC+Y_SOP

　　由于以上三个过程与平衡增长时的基质利用速率(SUR)或氧利用速率(OUR)相比要快 得多，因此在“超量”增长期，微生物具有很高的基质利用速率。当外源基质枯竭时，微生物则利用储存的大分子聚合物或胞内基质进行代谢，以维持其生命活动，在此期间，微生物的氧利用速率很小，氧利用速率的巨大变化是非平衡增长系统的另一重要特征^［2］。

　　3 影响非平衡增长的因素

　　由于非平衡增长是活性污泥系统的普遍现象，因此所有影响活性污泥系统的因素对非平衡增长过程都有影响。目前研究较多的有污泥龄、有机负荷、基质以及微生物等。
　　①污泥龄。污泥龄对非平衡增长系统的活性污泥表观比增长速率YOBS和储存能力有重要影响。一般来说，污泥龄越长，表观比增长速率YOBS越小，相应的单 位污泥的储存能力越高。以Type 021N在恒化器中供给乙酸基质的反应为例^［3］，当污泥龄为0.4 d时，实际增长速率为0.6，表观比增长速率为0.79，储存能力为0.27gCOD/gSS；当污泥龄为0.8 d时，实际增长速率为0.45，表观比增长速率为0.71，储存能力为0.3gCOD/gSS。
　　②负荷。负荷变化对表观比增长速率YOBS和实际比增长速率YGRO影响不大，但对组成ΔY的YSTO和YACC影响较大。Dionisi［4 ］采用SBR反应器(仍提供乙酸基质)研究了负荷为0.176、0.352gCOD/(L·d)时，YOBS分别为0.74、0.71 gCOD/gCOD；YGRO分别为0.10、0.06gCOD/gCOD；YSTO分别为0.35、0.55gCOD/gCOD；YACC分别为0.30、0.10gCOD/gCOD。以上数据表明，在高 负荷下大分子储存起主导作用；当负荷较小时，原始积累起主要作用。
　　③基质。目前研究非平衡增长所采用的基质普遍为乙酸和葡萄糖，相应的比增长速率的报道也较为混乱，但乙酸的最大比基质降解速率和氧利用速率则略高于葡萄糖。其他基质对非平衡增长的影响尚不清楚，但可以肯定基质的种类、分子结构、可溶性以及分子质量等对ΔY影响较大。
　　④微生物。研究微生物对非平衡增长的影响基本上按两条线进行，即纯种微生物和混合微生物(活性污泥)。纯种微生物的研究证明了非平衡增长的普遍性以及个体差异性，如Arthrobacter globiformis在非平衡增长下的SUR(基质为葡萄糖)是平衡增长下的4倍，而同样条件下又是Sphaerotilis natans的2倍^［5］。间歇培养活性污泥系统的表观比增长速率大于连续培养，沉淀性能好的污泥大于膨胀污泥^［1］，这一结果从另一个侧面验证了活性污泥中菌胶团和丝状菌的动力学选择理论。此外，大量的测定结果显示活性污泥的SUR远小于(约一个数量级)纯种微生物，间接证明了活性污泥中活性微生物所占份额较小，其活性也相应地较低。

　　4 应用

　　依据非平衡增长过程的特点，可以看出这一理论主要从基质的利用、氧的供给和污泥增长等方面影响活性污泥系统，而这些则是活性污泥系统投资、设计和运行管理的主要指标。
　　4.1 供氧
　　活性污泥系统的供氧主要由供氧能力和供氧量来体现，供氧能力决定着供氧系统的投资费用，供氧量则决定着活性污泥处理系统的运营费用。供氧设备的最大供氧能力必须满足最大耗氧速率时的需氧量，由于非平衡增长系统的OUR远大于平衡增长系统的OUR，因此非平衡增长系统的供氧设备的供氧能力要大于平衡增长系统。非平衡增长系统的供氧方式通常按固定氧供给模式进行，在高耗氧速率阶段，混合液中氧的浓度接近于零，氧的传质速率大大增加，因此非平衡增长系统的供氧量要小于平衡增长系统，即在同样的污泥产率下，非平衡增长系统的运营费用要小于平衡增长系统。
　　4.2 排泥
　　活性污泥系统的污泥产率直接决定着污泥处理设备的规模和污泥处理费用。对于非平衡增长系统，如果在高耗氧速率时排泥，其污泥产率将远大于平衡增长系统(但氧的消耗量将减少)；如果在低耗氧速率的后期排泥，由于储存于微生物体内的PHB和其他中间产物被进一步代谢，污泥产率与平衡增长系统差异不大。
　　4.3 同步硝化—反硝化
　　非平衡增长系统使单级活性污泥同步硝化—反硝化成为可能。所谓同步硝化—反硝化就是污泥在一个反应器中同时完成硝化和反硝化两个完全不同的生物过程，双氧区模型(图1)被用来解释活性污泥系统中氮的损失，因为在好氧状态下，活性污泥的外部为好氧区，可进行生物硝化；由于氧的扩散梯度，内部为厌氧区，可进行反硝化。因此，双氧区模型成为好氧状态下单级活性污泥同步硝化—反硝化生物脱氮的理论基础，然而双氧区模型存在着一个重大缺陷，即有机碳源的问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑 制物质，而在双氧区模型中，污水中的有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于厌氧区的反硝化菌由于得不到电子供体，反硝化速率就降低，同步脱氮效率也就不会高 ，而应用非平衡增长的概念，这一问题将得到解决。如果控制适当的条件，污水中的有机碳 源可在很短的时间内大部分储存于细胞中，既可消除有机碳源对硝化过程的抑制，又可用于反硝化的电子供体，因此同步脱氮的速率和效率均可大幅度提高，我们在实验室采用人工基质所进行的试验中，获得了75%的同步脱氮效率。

　　5 结论

　　活性污泥的非平衡增长理论是20世纪90年代末发展起来的，人们对这一理论的认识还相当肤浅，诸如储存的机制、路径、容量等，特别是原始基质积累还很不完善。由非平衡增长理论在活性污泥系统中所占的重要地位可以预见，随着现代生物技术的发展，该理论将对污水生物处理产生深远的影响。

　　参考文献：
　　［1］ Majone M, Dircks K，Beun J J.Aerobic storage under dynamic conditions in a ctivated sludge processes［J］.Water Sci Tech,1999，39(1)：61-73.
　　［2］ Peng D C，et al.Effects of oxygen supply methods on the performance of SBR for high ammonium nitrification［J］.Water Envir Res,2000，72(2)：1-7.
　　［3］ Van Aalst-van Leeuwen M A, Pot M A, van Loosdrecht M C M，et al.Kinetic modeling of poly(β-hydraxybutyrate)production and consumption by Palacoccus pa ntotrophus under dynamic substrate supply［J］.Biotech Bioeng,1997，55(5)：773-7 82.
　　［4］ Dionisi D.An experimental methodology to study unbalanced growth in activated sl udge processes and related effects on population dynamics［J］.IWA Newsletter,20 00，12：10-13.
　　［5］ Baccari M,Di Pinto A C,Ramadori R，et al.Effects of dissolved oxygen and diffusion resistance on nitrification kinetics［J］.Water Res,1992，26(8)：1099- 1104.

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收稿日期：2000-06-02