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好氧颗粒污泥形成机理与模型 倪丙杰1,俞汉青1,谢文明2,徐得潜2 1 中国科学技术大学环境工程实验室,合肥(230026 2 合肥工业大学土木建筑工程学院,合肥(230009 E-mail :hqyu@ 摘要:总结了目前好氧颗粒形成的各种机理,在此基础上做了进一步探讨,建立了“三阶段成形”机理假说;并比较分析了目前用来描述好氧颗粒的数学模型,提出好氧颗粒污泥数学模型建模新思路。 关键词:好氧颗粒污泥;形成机理;数学模型 中图分类号:X506 1.引言 好氧颗粒污泥是近些年发现的在一定条件下自发形成的细胞自身固定化颗粒,与传统的活性污泥相比具有良好的沉淀性能和抗冲击负荷能力,可以实现污泥系统的高生物持有量。目前研究发现好氧颗粒污泥可以进行生物脱氮[1] 、除磷[2] ,并能处理工业废水 [3-5] 和有毒废水 [6] ,具有广泛的运用前景。到目前为止,对于好氧颗粒污泥的形成机理没有统一的观点,且 针对好氧颗粒污泥所建立的数学模型甚少。 2. 好氧颗粒污泥的基本特点 好氧颗粒污泥一般为棕黄色,具有相对规则的圆形或椭圆形外观及光滑的表面,边界清晰[3] 。颗粒污泥的形状系数(shape factor 稳定在0.45,纵横比(aspect ratio 为0.79左右[7] 。在序批式反应器(SBR 中,颗粒粒径多在1.9~4.6 mm 之间,稳定状态下形成的颗粒直径为4.6 mm [8] 。在多数情况下,SBR 中形成的颗粒污泥的相对密度为1.006~1.008 g/cm 3 ,稳定操作条件下的污泥浓度维持在3.2~6.9 g/L 。颗粒污泥有良好的沉降性能,单个颗粒污泥的沉降速率在18~35 m/h ,颗粒污泥体积(SV 为14~30%,污泥体积指数(SVI 在20~90 mL/g 之间(一般在36 mL/g 左右。颗粒本身的生物相极其丰富,主要是形态各异的细菌,有球菌、杆菌等。不同的培养条件对好氧颗粒污泥的微生物群落有一定的影响[9] 。胞外多聚物(EPS 是颗粒污泥的另一种重要的化学组成部分,其主要物质是多聚糖、蛋白质、酶蛋白、核酸、磷脂及腐殖酸 [10] 。 图1: 颗粒形态(A接种污泥 (B好氧颗粒[3] (C电镜扫描成熟颗粒微观结构[9] 1 本课题得到2004年教育部博士学科点基金项目 (项目编号:20040358052的资助。 3. 好氧颗粒形成机理 3.1 “晶核假说”原理 Lettinga[11]等提出了厌氧颗粒污泥的形成机理——“晶核假说”原理。该原理认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程。接种污泥或反应器运行过程中产生的无机盐沉淀或惰性有机物质为晶核,颗粒污泥在晶核基础上不断发育,最终形成了成熟的颗粒污泥。对于好氧颗粒污泥,研究也证实了“晶核假说”原理。Heijnen[12]等人向气提式内循环反应器(BAS中投加一定量的惰性载体(直径0.1mm,球状,形成了具有去除COD和氨氮的能力好氧生物膜颗粒污泥。 3.2 胞外多聚物(Extracellular Polymer,简称ECP假说 ECP主要是胞外多糖、胞外多肽等物质,在改变细菌表面物理化学作用、促进细胞相互聚集生长、维持颗粒体的外形结构等方面起着重要的作用[13]。近期研究表明,胞外多聚物中的成份和比例与污泥沉降性能有密切关系。Ross[14]等提出细胞通过胞外多聚物的架桥作用而连接在一起,从而形成了颗粒污泥。Schmidt[15]等在总结以往大量研究成果的基础上提出了好氧颗粒污泥形成的胞外多聚物假说。 3.3 自凝聚(auto-immobilization 或self-immobilization原理 生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下会产生自凝聚现象,形成一种密度、体积较大,活性和传质条件都较好的微生物同生体颗粒。Morgenroth 、Wang和Beun等人均在SBR 反应器中培养出好氧颗粒污泥[7][16][17]。他们都采用了较短的沉降时间和水力停留时间,其目的就是将沉降性能较差的絮状污泥洗出,只留下密度较大、沉降性能较好的颗粒污泥。Fang 指出,生物颗粒化现象是一种进化发展的过程,即在适宜颗粒污泥存在的条件下,细菌会慢慢的进化,最终达到颗粒污泥的状态[18]。 3.4 细胞表面疏水性假说 试验验证,不同条件下形成的好氧颗粒污泥与细胞表面疏水性有密切关系。Tay[19]等发现以葡萄糖和乙酸为唯一碳源培养出来的好氧颗粒污泥细胞表面疏水性分别为68%和73%,而悬浮污泥的疏水性仅为39%。由此说明,较高的疏水性有利于形成颗粒污泥。Chiesa等在SBR反应器中发现,当微生物处于底物不足的情况下(即饥饿期,细胞的疏水性也有所提高[20]。Qin[21]研究的结果表明,经过选择压法培养后,好氧颗粒污泥细胞表面的疏水性为70%,而接种污泥的疏水性仅为