好氧颗粒污泥的培养及基质降解和污泥生长动力学分析

收稿日期：２００６０６１５基金项目：山东省自然科学基金资助项目（Ｙ２００６Ｂ１７）作者简介：李善评（１９６３），男，山东高密人，教授，研究方向环境污染防治理论与工程技术．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]文章编号：１６７２３９６１（２００８）０３００９５０４好氧颗粒污泥的培养及基质降解和污泥生长动力学分析李善评１，赵玉晓１，乔鹏１，冯正志２（１．山东大学环境科学与工程学院，山东济南２５０１００；２．山东省济宁市环境保护监测站，山东济宁２７２１４５）摘要：在ＳＢＲ反应器中以葡萄糖为唯一碳源，以普通絮状活性污泥为接种污泥培养好氧颗粒污泥，３６ｄ后形成好氧颗粒污泥，粒径２～５ｍｍ，对ＣＯＤ去除率保持在９０％．对形成的好氧颗粒污泥进行基质降解和污泥生长动力学研究，得到好氧颗粒污泥基质降解动力学参数Ｋｓ?４８５．０（ｍｇ·Ｌ－１），Ｖｍａｘ?１．２ｈ－１，生长动力学参数Ｙ?０．１５６ｋｇＭＬＶＳＳ?ＣＯＤ，Ｋｄ?０．３０ｄ－１．关键词：好氧颗粒污泥；动力学；基质降解；生物增长中图分类号：Ｘ７０３．１文献标志码：ＡＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅａｎｄｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｎｄｂｉｏｍａｓｓｇｒｏｗｔｈＬＩＳｈａｎｐｉｎｇ１，ＺＨＡＯＹｕｘｉａｏ１，ＱＩＡＯＰｅｎｇ１，ＦＥＮＧＺｈｅｎｇｚｈｉ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５０１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉｎｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＢｕｒｅａｕ，Ｊｉｎｉｎｇ２７２１４５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｉｎａｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙｓｅｅｄｉｎｇａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ．Ｔｈｅｍａｔｕｒｅａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒ３６ｄａｙｓｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ２ｍｍｔｏ５ｍｍ．ＴｈｅＣＯＤｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓ９０％．Ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｎｄｂｉｏｍａｓｓｇｒｏｗｔｈｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＴｈｅｋｉｎｅｔｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆＫｓ，Ｖｍａｘ，Ｙ，Ｋｄａｒｅ４８５．０ｍｇ?Ｌ，１．２ｈ－１，０．１５６ｋｇＭＬＶＳＳ?ＣＯＤ，０．３０ｄ－１ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｋｉｎｅｔｉｃｓ；ｓｕｂｓｔｒａｔｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ；ｂｉｏｍａｓｓｇｒｏｗｔｈ０引言污泥的颗粒化现象最早发现于厌氧生物反应器，厌氧颗粒污泥的存在使厌氧生物反应器具有高生物截留、耐高浓度废水、耐冲击负荷等特性．在厌氧污泥颗粒化的基础上，人们发现好氧状态下微生物也有自凝聚现象【１２】，围绕这一现象，各国学者开始了污泥好氧颗粒化技术的研究．目前国内外学者研究集中在好氧颗粒污泥培养条件及其形成机理【３】，对好氧颗粒污泥基质降解和生长动力学研究较少【４】．研究好氧颗粒污泥基质降解和污泥生长规律，为好氧颗粒污泥走向工程化应用，合理进行处理构筑物的设计提供了参考．同时有利于进一步理解好氧颗粒污泥培养时间短，降解速度快的原因．１试验装置与方法１．１试验装置试验所用ＳＢＲ反应器由有机玻璃制成，有效容第３８卷第３期Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．３山东大学学报（工学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＤＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳＣＩＥＮＣＥ）２００８年６月Ｊｕｎ．２００８积６．４Ｌ，外径１０ｃｍ，内径９ｃｍ，高度１３０ｃｍ，设定排水体积分别为２０％，５０％，排水管分别开在相应位置，沿柱高度设置采样孔，采用粘砂块微孔曝气器曝气，ＰＬＣ控制运行周期及参数．１．２试验用水试验用水采用人工配制的模拟废水，葡萄糖作为唯一碳源，具体成分见表１．表１模拟废水组成Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｓｔｅｗａｔｅｒ基质名称浓度?（ｍｇ·Ｌ－１）基质名称浓度?（ｍｇ·Ｌ－１）葡萄糖７５０Ｈ３ＢＯ３０．０５ＮＨ４Ｃｌ１５０ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ０．０５Ｋ２ＨＰＯ４·３Ｈ２Ｏ２９ＣｕＣｌ２０．０３ＫＨ２ＰＯ４１８ＭｎＳＯ４０．０５ＣａＣｌ２·２Ｈ２Ｏ２０ＡｌＣｌ３０．０５ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ２０ＺｎＣｌ２０．０５ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ３０ＮｉＣｌ２０．０５１．３接种污泥接种污泥取自济南市水质净化二厂氧化沟．接种前将活性絮状污泥用人工合成废水持续曝气７２ｈ，活性絮状污泥呈绒絮状，颜色黄褐色，结构松散，比重较小．接种污泥量３．２Ｌ，反应器内污泥初始浓度４５００ｍｇ?Ｌ．１．４分析项目及方法ＣＯＤ，ＭＬＳＳ，ＭＬＶＳＳ，ＳＶ，ＳＶＩ：均采用标准方法；污泥平均粒径：英国马尔文仪器有限公司ＭＡＳＴＥＲＳＩＺＥＲ２０００型激光粒度仪；生物相通过光学显微镜和日本日立Ｈ８００扫描电镜观察．２结果与讨论２．１好氧颗粒污泥的形成２．１．１好氧颗粒污泥形成过程图１是好氧颗粒污泥形成过程中反应器进出水ＣＯＤ及ＣＯＤ去除率的变化．颗粒化过程中，进水ＣＯＤ保持在１０００ｍｇ?Ｌ，通过改变反应器换水率和反应周期来改变反应器内ＣＯＤ负荷，ＣＯＤ负荷由１．００ｋｇ?（ｍ３·ｄ）逐渐提升到４．００ｋｇ?（ｍ３·ｄ）．开始的３ｄＣＯＤ的去除率较低，最低为３５％，最高为５１％，这主要是因为污泥中的微生物正在适应新的培养环境和新的培养基质，由于试验用水为易降解的葡萄糖，所以微生物适应较快，ＣＯＤ的去除率３ｄ后上升到７０％左右；随着污泥的颗粒化以及沉降速度程度的提高，活性污泥的活性也比原来有所提高，这主要体现在ＣＯＤ去除率逐步达到９０％以上；到第３６天，出水ＣＯＤ浓度８１ｍｇ?Ｌ，去除率为９２％，随着成熟颗粒形成，ＣＯＤ去除率最终稳定在９０％以上．图１ＣＯＤ变化曲线Ｆｉｇ．１ＣＯＤｃｈａｎｇｅｃｕｒｖｅ接种污泥的平均粒径为３６．２５μｍ，当反应器运行到第４天，在反应器中可以观察到少量白色团状物质，粒径在１ｍｍ左右，这说明在水力剪切力的作用下，活性絮状污泥已经开始有自聚趋势；继续运行，白色颗粒逐渐增多，可以明显的观察到白色颗粒夹杂在黄褐色的活性污泥中，随着白色颗粒的增多出水水质变好，ＣＯＤ去除率提高；为进一步提高颗粒污泥的含量，降低沉降时间，提高ＣＯＤ负荷到１．５ｋｇ?（ｍ３·ｄ），大量沉降性能差的絮状污泥被排出反应器，出水中ＳＳ增加，ＣＯＤ去除率有了一定的下降继续运行，反应器中出现的白色颗粒进一步增多，白色颗粒结构致密，结实，具有规则圆形外部结构，通过显微镜观察，可以发现由大量的钟虫属聚集而成，此时出水水质变好，ＣＯＤ去除率恢复．在第２３天测定污泥粒径，发现此时反应器内污泥平均粒径为３０４．４５μｍ．进一步提高ＣＯＤ负荷到４．００ｋｇ?（ｍ３·ｄ），减少沉降时间，３６ｄ后反应器中出现大量米黄色颗粒，直径在２～５ｍｍ，污泥床开始从由絮状占主体转变为由颗粒占主体，形成的颗粒比重较大，结构密实，形状呈椭圆形，此时ＣＯＤ去除率达到最大；继续运行一段时间，颗粒污泥形态变化不大，ＣＯＤ去除率保持稳定，说明好氧颗粒污泥培养成功．形成的成熟好氧颗粒污泥呈椭圆形，边界清晰，粒径２～５ｍｍ，结构密实，比重较大，含水率９８．３％，ＳＶＩ５０ｍＬ?ｇ，对ＣＯＤ的去除率稳定在９０％以上．２．１．２好氧颗粒污泥的显微结构利用扫描电镜对好氧颗粒污泥１的结构进行观察分析，如图２可以看出成熟的好氧颗粒污泥１中存在着大量的丝状菌，丝状菌之间相互缠绕（图２（Ａ））．密实的球菌相互聚集成比较密实的结构，而相互缠绕的丝状菌的结构较为松散，这些丝状菌的直径为３～４μｍ（图２（Ｂ），（Ｃ）），这与利用光学显微镜在低倍下观察的结构相符．在１００００倍下可以观察到大量球菌存在，球菌的直径约为０．６μｍ左右，２山东大学学报（工学版）第３８卷紧密的聚集在一起（图２（Ｄ））．图２颗粒污泥扫描电镜照片Ｆｉｇ．２ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ可见好氧颗粒污泥主要由丝状菌和球菌组成，丝状菌起到了骨架的作用，而球菌则聚集成比较密实的结构．２．２好氧颗粒污泥基质降解和污泥生长动力学分析２．２．１基质降解动力学研究基质降解的动力学涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素之间的关系，主要描述决定底物降解速度的各项因素及其相互间的关系【５】．莫诺特等研究了利用单纯基质培养纯菌种后提出了莫诺特方程，该方程类似于以酶促反应为基础的米门公式：μ＝μｍａｘＳＫｓ＋Ｓ．（１）其中，μ为微生物比增长速度，μｍａｘ为微生物最大比增长速度，Ｋｓ为饱和常数，Ｓ为基质浓度．１９７０年，Ｌａｗｒｅｎｃｅ和ＭｃＣａｒｔｙ将莫诺特方程引入废水生物处理领域得到方程：Ｖ＝ＶｍａｘＳＫｓ＋Ｓ．（２）其中，Ｖ为比降解速率，Ｖｍａｘ为最大比降解速率，Ｋｓ为饱和常数，Ｓ为基质浓度．对式（２）取倒数可得１Ｖ＝ＫｓＶｍａｘＳ＋１Ｖｍａｘ．（３）在直角坐标系中，以１?Ｖ为横轴，以１?Ｓ为横轴，得直线截距为１?Ｖｍａｘ，斜率为Ｋｓ?Ｖｍａｘ．根据比降解速率的定义可得Ｖ＝Ｓｏ－ＳｅＸｔ，（４）其中，Ｓ０为起始基质浓度，Ｓｅ为ｔ后出水基质浓度，Ｘ为微生物浓度．将式（４）代入到式（３）可得ＸｔＳｏ－Ｓｅ＝ＫｓＶｍａｘ１Ｓｅ＋１Ｖｍａｘ．（５）以葡萄糖模拟废水为去除对象测定好氧颗粒污泥基质降解动力学参数．试验中取好氧颗粒污泥１６０ｍＬ置于容积为１０００ｍＬ的反应容器中，加入６４０ｍＬ配制的不同ＣＯＤ浓度的葡萄糖模拟废水，曝气１ｈ后测定出水的ＣＯＤ浓度．通过测定不同进水ＣＯＤ浓度以及１ｈ后的出水ＣＯＤ浓度，通过这些数据（表２），作图即可求得动力学参数（图３）．表２好氧颗粒污泥降解动力学试验数据表Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ序号Ｓｏ?（ｍｇ·Ｌ－１）Ｓｅ?（ｍｇ·Ｌ－１）ＭＬＶＳＳ?（ｍｇ·Ｌ－１）ｔ?ｈＸｔ?（Ｓ０－Ｓｅ）１?Ｓｅ１１９６０５５２２１６４１１．５４０．００１８１２２４８０８１２２１９７１１．３２０．００１２３３２９６８１３０８１９９５１１．２００．０００７６４３７３０１７１４２１３２１１．０６０．０００５８５４９２７２６１７２２４２１０．９７０．０００３８６５９５６３５２０２２２４１０．９１０．０００２８图３好氧颗粒污泥降解动力学图Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｃｕｒｖｅｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ根据图３直线拟合可得方程：ｙ＝４０２．６ｘ＋０．８３．（６）其中，斜率为４０２．６，纵轴截距为０．８３，由此可以计算出Ｋｓ＝４８５．０ｍｇ?Ｌ，Ｖｍａｘ＝１．２０ｈ－１．所以由絮状活性污泥为接种污泥培养出的好氧颗粒污泥的基质降解动力学方程为Ｖ＝１．２０Ｓ４８５．０＋Ｓ．（７）２．２．２污泥生长动力学研究根据微生物增长与基质利用的关系，可推出微第３期李善评，等：好氧颗粒污泥的培养及基质降解和污泥生长动力学分析３生物增长动力学方程：１θｃ＝ＹＵｓ－Ｋｄ，（８）其中，θｃ为污泥龄，Ｕｓ为污泥负荷率，Ｙ为产率系数Ｋｄ为衰减系数．为了测定好氧颗粒污泥的生长动力学参数，根据公式（８），在反应器中，以不同进水ＣＯＤ浓度，控制不同的污泥龄和污泥浓度连续运行，监测出水ＣＯＤ，以及ＭＬＶＳＳ．通过这些数据（表３），以１?θｃ为纵坐标，Ｕｓ为横坐标作图４，求出生长动力学系数Ｙ和Ｋｄ值．表３好氧颗粒污泥生长动力学数据表Ｔａｂｌｅ３ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｂｉｏｍａｓｓｇｒｏｗｔｈΘｃ?ｄＳｏ?（ｍｇ·Ｌ－１）Ｓｅ?（ｍｇ·Ｌ－１）Ｘ?（ｍｇ·Ｌ－１）Ｕｓ?ｋｇＣＯＤ?ｋｇＭＬＶＳＳ·ｄ３１０００２０３３３６２．３５５６４０１６３５４