好氧颗粒污泥代谢高浓度有机废水的数学模拟

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2014，20(6):1063-10692014-12-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2014.04005好氧颗粒污泥较传统活性污泥结构紧密，具有良好沉降性和复杂的微生物群落[1]，可耐受高有机负荷冲击[2].对好氧颗粒污泥的数学模拟研究成果[3-5].有助于进一步了解好氧颗粒污泥作用机制，实现好氧颗粒污泥生物处理系统的设计优化.1999年国际水质协会（InternationalAssociationofWaterQuality）公开发布了活性污泥3号模型（ASM3），假设微生物首先将易生物降解有机质存储在体内，然后利用存储物质进行增殖，却未更新相应的参数测定方法[6].同年，Krishna认为这一假设在模拟底物富余与饥饿条件交替存在的SBR反应器时不合理，并提出底物富余时期微生物利用有机物同时进行存储和生长[7].在此基础上，研究者提出利用OUR曲线计算存储产率YSTO的方法[8]，计算ASM3模型化学计量数与动力学参数方法[9].此后，假设底物富余时期微生物利用有机物同时进行存储和生长的模型，在模拟好氧颗粒污泥处理较低浓度有机废水（COD800mgL-1）中取得了较好的模拟结果[3,10,11].数学模型能否有效应用取决于合理的模型结构与准确的模型参数[12].但Kranhan的方法[8]在计算YSTO时没有考虑底物富余时期微生物直接生长消耗掉的溶解氧与底物，这与底物富余时期微生物利用底物同时生长与存储相矛盾.收稿日期Received:2014-04-02接受日期Accepted:2014-04-15*中国科学院环境与应用微生物重点实验室开放基金（KLCAS-2012-04）资助SupportedbytheOpenFundfromKeyLaboratoryofEnvironmentalandAppliedMicrobiology,ChineseAcademyofSciences(KLCAS-2012-04)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])好氧颗粒污泥代谢高浓度有机废水的数学模拟*关梦龙1,2黄钧1**毕京芳1,2赵晶桃1,2何京钟1,21中国科学院成都生物研究所，中国科学院环境与应用微生物重点试验室，四川省环境微生物重点试验室成都6100412中国科学院大学北京100049摘要为促进好氧颗粒污泥技术的实际应用，结合COD（ChemicalOxygenDemand）、OUR（OxygenUptakeRate）数据修正ASM3（ActivatedsludgemodelNo.3）模型，建立可描述好氧颗粒污泥代谢高浓度有机废水过程的数学模型，并提出测定部分动力学参数的新方法.试验中好氧颗粒污泥系统未测得自养硝化作用.异养菌产率系数YHS、存储产率系数YSTO、直接利用底物最大比增长速率μHS、最大存储产率kSTO、衰减系数bH分别为0.7、0.95、0.11h-1、0.4h-1、0.014h-1.模型能准确模拟反应器运行工况.模拟结果表明，异养微生物利用外源底物生长，维持基础代谢，并同时进行存储.在底物富余时期，好氧颗粒污泥利用外源底物存储多余生长.当外源底物消耗完后利用存储物质生长并维持基础代谢.图6表4参25关键词好氧颗粒污泥；数学模拟；呼吸计量法；高浓度有机废水CLCX172:X703.1Mathematicalsimulationofaerobicgranularsludgemetabolizinghigh-concentrationorganicwastewater*GUANMenglong1,2,HUANGJun1**,BIJingfang1,2,ZHAOJingtao1,2&HEJingzhong1,21KeyLaboratoryofEnvironmentalandAppliedMicrobiology,EnvironmentalMicrobiologyKeyLaboratoryofSichuanProvince,ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaAbstractSimulatingthemetabolicprocessofhighconcentrationorganicwastewaterbyaerobicgranularsludge(AGS)issignificantforthepracticalapplicationofaerobicgranularsludgetechnology.Inthisstudy,chemicaloxygendemand(COD)andoxygenuptakerate(OUR)wereinvestigatedinbatchreactor;ASM3wasmodifiedaccordingtothetestdata;andpartofthemodelparametersweremeasured.Noautotrophicnitrificationwasfoundinthistest.Themeasurementresultsshowedtheheterotrophicbacteriayield(YHS)as0.7,storageyield(YSTO)as0.95,maximumgrowthrateonSS(μHS)as0.11h-1,maximumstoragerate(kSTO)as0.4h-1,anddecaycoefficient(bH)as0.014h-1.Themodeldescribedtheexperimentaldatafromthissystemsufficiently.Thesimulationresultsshowthatheterotrophicmicroorganismsutilizeexogenoussubstratesforgrowth,maintainbasalmetabolismandtransformthesubstancestostorematerialssimultaneously.TheAGSusemoresubstancesforstoragethanforgrowthinthefeastperiod.Whenthesubstancesareusedup,theAGSutilizestoragematerialstogrowandmaintainthebasicmetabolism.Keywordsaerobicgranularsludge;mathematicalsimulation;respirometricmethod;highconcentrationorganicwastewater1064应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol好氧颗粒污泥代谢高浓度有机废水的数学模拟6期在处理高浓度有机废水时，本研究所用好氧颗粒污泥能耐受高负荷冲击并表现出高碳氮去除性能[13].通过绘制批次进水好氧颗粒污泥反应器运行周期中OUR与底物浓度（以COD代表）变化曲线，对ASM3模型进行修正，并通过数学推导建立测定部分模型参数的新方法，以期更好地认识好氧颗粒污泥对高浓度有机废水的代谢过程.1试验材料与方法1.1反应器工况数据采集试验分Ⅰ、Ⅱ两组，每组两个平行反应器（Ⅰ-a，Ⅰ-b；Ⅱ-c，Ⅱ-d）.采集两组试验的工况数据.采用圆柱状反应器，运行策略见文献[14]，控制反应器温度为25℃±1℃.污泥为本试验室保存的好氧颗粒污泥[13].试验用水取自四川某养猪场，经孔径为0.9mm左右纱布过滤后，用自来水稀释并添加一定量葡萄糖配制而成，水质见表1.表1试验用水水质Table1Compositionoftestwater试验组GroupCOD(ρ/mgL–1）NH4+-N(ρ/mgL–1)NO2--N(ρ/mgL–1)NO3--N(ρ/mgL–1)pHⅠ89503500.0207.0Ⅱ104004000.0207.0当反应器运行状态达到稳定时（COD去除率大于97%，NH4+-N去除率大于99%），用清水淘洗反应器中的好氧颗粒污泥，过夜曝气完全去除外源有机物.沉降30min后，控制反应器中好氧颗粒污泥为1L，加入清水至4L后曝气，测定初始OUR.然后静置反应器，待好氧颗粒污泥完全沉降，加入试验用水，体积交换率为50%.曝气12h，定时测定DO、OUR、COD，每个样品测3次求平均值.1.2自养微生物活性评价当反应器运行至稳态时，用清水淘洗反应器中好氧颗粒污泥，过夜曝气完全去除外源有机物.沉降30min后，分别取0.2L好氧颗粒污泥置于2个反应器（编号α，β），加入清水至4L后曝气，测定初始OUR.然后静置反应器，待好氧颗粒污泥完全沉降，加入自养硝化配水（ρ/mgL–1）：(NH4)2SO40.5，NaHCO31，NaH2PO40.1，MgSO4.7H2O0.4，CaCl2.2H2O0.06，体积交换率为50%.曝气6h，定时测定OUR、NH4+-N、NO3--N、NO2--N，每个样品测3次求平均值.1.3分析测试方法COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N：试剂为默克（Merck）公司配套试剂，样品经6000rmin-1离心5min离心（Eppendorf，5415D，德国）后取上清液，采用多功能水质分析仪（TheSpectroquantAnalysisSystemPhotoLab6100VIS，WTW，德国）分析，消煮采用WTWCR3200（德国）加热器.溶解氧（DissolvedOxygen，DO）测定采用YSI52型溶氧仪（YSI，USA）.OUR使用自制好氧速率仪测定，装置如图1所示.从反应器中取泥水混合物于测定仪中，打开溶氧电极搅拌器，曝气至DO大于5mgL-1，塞紧插有溶氧电极橡皮塞，每3s记录一个DO值，通过最小二乘法拟合得到OUR.1.4模型参数测定与模拟异养菌基于外源基质生长产率系数和衰减系数采用Henze等的方法[15]测定.采用AQUASIM软件[16]进行参数校准模拟，结合不同运行工况验证模型，最后采用模型分析好氧颗粒污泥对高浓度有机废水代谢过程.ĺķĸĹ图1OUR测定装置示意图.①橡皮塞；②YSI52溶氧探头；③有机玻璃瓶；④曝气头.Fig.1SchematicdiagramofOURdetector.①:Rubberplug;②:YSI52dissolvedoxygenprobe;③:Organicglassbottle;④:Aerator.2结果与分析2.1好氧颗粒污泥反应器运行工况两组试验数据如图2，好氧颗粒污泥可快速去除底物，并表现出相同的变化趋势.一个周期内（12h），好氧颗粒污CCCC图2两组试验的COD、OUR、DO.a、b代表试验组Ⅰ的两个平行反应器，c、d代表实验组Ⅱ的两个平行反应器.Fig.2COD,OURandDOresultsoftwogroups.a,bstandforparallelreactorsofexperimentalgroupI;c,dstandforparallelreactorsofexperimentalgroupII.106520卷关梦龙等应用与环境生物学报泥处于底物富余和匮乏交替状态.在底物加入之前处于内源呼吸阶段[6,15]，OUR较低.加入底物后，污泥中的异养微生物利用有机物进行同时存储和生长[7,17]，OUR迅速升高.底物匮乏期，微生物降解存储物质[3,6,10,17]，OUR降低.当存储物质消耗完毕，好氧颗粒污