好氧污泥颗粒化机理及其影响因素金仁村

浙江大学学报(农业与生命科学版)　32(2):200～205,2006JournalofZhejiangUniversity(Agric.&LifeSci.):1008-9209(2006)02-0200-06　　:2004-11-01:国家自然科学基金资助项目(30070017);浙江省重大攻关项目(2003C13005):金仁村(1979—),男,浙江温州人,博士研究生,主要从事环境生物技术和反应器研究:郑平,男,浙江金华人,教授,博士生导师,主要从事废物生物处理与资源化研究Tel:0571-86971709;E-mail:pzheng@zjueducn金仁村,郑平,胡宝兰(浙江大学环境工程系,浙江杭州310029)　:好氧颗粒污泥活性高,沉降性好,是提高生物反应器效能的重要物质本文结合作者的研究经验和国内外的研究成果,对好氧颗粒污泥的形成机理及其主要影响因素进行了剖析,认为好氧颗粒污泥的形成是一个长期而复杂的微生物生态学过程,好氧颗粒污泥的形成、发展和成熟过程可分为5个不同的阶段,复杂而有序的食物网是颗粒污泥具有高活性的重要原因接种污泥、营养成分、环境条件、反应器构型以及运行工况对颗粒污泥的形成和性状具有重大的影响　　:好氧活性污泥;污泥颗粒化;培育条件:X703.1　　　:AJINRen-cun,ZHENGPing,HUBao-lan(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China)Mechanismofaerobicsludgegranulationanditsinfluencingfactors.JournalofZhejiangUniversity(Agric.&LifeSci.),2006,32(2):200-205Abstract:Aerobicgranularsludgewithhighactivityandgoodsettleabilitywasoneofthemostimportantbasisfortheimprovementofbioreactorperformance.Themechanismofaerobicsludgegranulationanditsmaininfluencingfactorswereanalyzed.Duringtheformation,developmentandmaturationofaerobicgranularsludge,fivestagesweresuggested.Thecomplexandsequentialfoodwebwassupposedtobeanimportantfactorthatgaverisetothehighactivityofaerobicgranularsludge.Seedingsludge,nutrientcomponent,environmentalcondition,bioreactorconfigurationandoperationparameterweresupposedtogreatlyinfluencetheformationandpropertyofaerobicgranularsludge.Keywords:aerobicactivatedsludge;sludgegranulation;cultivationcondition　　生物反应器是废水生物处理系统的核心,其反应潜能取决于反应器内持留的微生物数量和活性颗粒污泥是微生物自固定的产物,颗粒污泥中的微生物群体形成了一个任何微生物都难以单独胜任的高效代谢网络同时,颗粒污泥还具有良好的沉降性能,极易通过沉降而停留在反应器内因此,污泥颗粒化不仅有助于微生物活性的发挥,而且也有助于微生物数量的积累,它是生物反应器高效稳定运行的重要基础在废水厌氧生物处理中,以颗粒污泥为基础的高效反应器已在工程实践中大见成效,得到环境工程界的青睐犤1犦尽管好氧生物处理的第32卷　金仁村,等:好氧污泥颗粒化机理及其影响因素工程应用远比厌氧生物处理普遍,但对好氧颗粒污泥的研究却明显滞后于对厌氧颗粒污泥的研究上世纪90年代初期,人们在实验室中成功地培育了好氧颗粒污泥,显著提高了生物反应器的处理潜能和工作稳定性犤2犦然而,由于种种原因,迄今为止人们对好氧颗粒污泥的形成机理和影响因素,以及促进好氧污泥颗粒化的工程手段,还缺乏系统深入的研究本文拟结合作者的研究经验和近年来国内外本领域的最新研究成果,对好氧颗粒污泥的形成机理及其影响因素进行剖析,以期为颗粒污泥生物反应器的研发和应用提供理论指导1　好氧颗粒污泥的形成机理　　好氧颗粒污泥的形成是一个长期而复杂的微生物生态学过程首先,个体聚集形成种群;接着,在种群的基础上形成群落;然后,由群落形成微生物生态系统;最后,经过群落与环境的相互作用,生态系统逐渐进化并达到相对稳定具体来说,在好氧颗粒污泥形成、发展和成熟的过程中,经历了细胞聚集、胚胎颗粒污泥(embryonicgranules)形成、胚胎颗粒污泥成长为初生颗粒污泥以及结构和功能相对稳定等阶段颗粒污泥成熟后,从结构上看,它具有明显的分层现象,内部具有有利于传质的孔隙和通道牏犤3犦,并富含特定种类和相应数量的微生物从功能上看,各种微生物以食物网的形式协同进行污染物的降解;同一生理群(种类不同但生理功能相同)的微生物分摊功能,相互替补;不同生理群的微生物各司其职,前后交接整个颗粒污泥体现了微生物生态结构与功能的复杂性和有序性好氧颗粒污泥内丰富而独特的生态系统,为微生物高效代谢创造了良好的条件根据相关文献犤4-6犦,可将污泥颗粒化过程归纳为5个阶段:第一阶段,微生物个体间或微生物与惰性颗粒间进行有效碰撞所谓有效碰撞是指塑性碰撞,弹性碰撞则为无效碰撞水力作用和布朗运动是引发有效碰撞的重要因素在废水中存在悬浮物或人为添加的颗粒物的情况下,悬浮物或颗粒物可与微生物发生碰撞,吸附微生物细胞,并形成初始生物膜,这些悬浮物或颗粒物则充当了颗粒污泥的内核,为颗粒污泥的形成提供了平台(如图1所示)一些微生物也可在信息素的控制下,通过趋化作用而实现聚集1　Fig1　Schematicrepresentationoftheinertnuclei'sfunction　　第二阶段,因碰撞而聚集的微生物保持稳定接触,形成胚胎颗粒污泥对这种稳定接触产生影响的因素主要有:范德华力、正负电荷吸引力、表面张力、表面疏水性、丝状菌架桥作用、氢键、细胞表面脱水、细胞膜融合等犤7-8犦在颗粒污泥形成中,特别是初期,菌体表面的疏水性对保持微生物间的稳定接触起着重要作用犤9犦此外,丝状菌的架桥和稳定作用也对保持这种稳定接触有重要贡献丝状菌相互交织,构成网状,则在胚胎颗粒污泥中起着类似钢筋在钢筋混凝土中的骨架作用(图2)2　Fig2　Schematicrepresentationofthefilamentousbacteriumbonding　　第三阶段,胚胎颗粒污泥中的微生物持续生长、增殖、聚集,逐渐形成初生颗粒污泥促使初生颗粒污泥形成的微生物作用主要有:分泌胞外聚合物(ECPs)、细胞群落生长、环境条件和基因突变所致的生物性状改变胞外多聚糖是一种胞外聚合物,可成为细胞凝聚和黏连的重要媒介,它在形成和维持颗粒污泥上具有重要作用犤10犦若胞外多聚糖合成代谢受阻遏,微201　第2期浙江大学学报(农业与生命科学版)生物的聚集也受影响第四阶段,在水力剪切作用下,初生颗粒污泥形成三维立体结构水力剪切作用对初生颗粒污泥具有塑形效能,使颗粒污泥更加致密,菌体间距进一步缩小,结构更加紧凑第五阶段,微生物生态系统逐渐进化并趋向稳定,好氧颗粒污泥成熟通过上述4个阶段形成的颗粒污泥虽然具有三维立体结构,但其生态系统只是一个初级生态系统,在结构和功能上,均需进一步完善随着颗粒污泥表面疏水性的增强和菌体分泌多聚糖的增多,可以吸附和黏连更多的游离微生物,丰富颗粒污泥中的微生物种群其中的各种微生物也可以通过多种作用调整其空间位置,形成合理的空间分布,从而优化自身的生态位犤11犦颗粒污泥中的微生物还可以进行遗传物质的交换,实现代谢途径的协同进化2　好氧污泥颗粒化的影响因素2.1　在好氧颗粒污泥的研究中,有关接种污泥影响的论述不多从理论上看,接种污泥是好氧颗粒污泥的菌种源,接种污泥中微生物的种类、活性和数量可影响好氧颗粒污泥微生物群落的结构和功能、污泥颗粒化的进程以及成熟颗粒污泥的物理和化学性状(如污泥密度、污泥强度、沉降性能、表面特性、化学成分等)微生物数量多、生物多样性丰富的接种污泥不仅容易适应各种废水,由其形成的颗粒污泥也更具种群多样性、基质多样性和代谢多样性一般而论,丝状细菌和荚膜细菌丰富的接种污泥有利于颗粒化增加接种污泥的数量可提高颗粒碰撞的概率,加速污泥颗粒化的进程2.2　2.2.1　水质　　一些研究者已采用人工模拟废水成功培育好氧颗粒污泥,所用的基质有葡萄糖、醋酸盐、乙醇和苯酚等犤4,9,12-16犦采用麦芽糖生产废水也能成功培育好氧颗粒污泥犤17犦,但以实际废水为水质条件的报道尚不多见犤18犦与以醋酸盐为基质相比,以葡萄糖为基质培育的颗粒污泥结构较为疏松由于悬浮物可充当颗粒污泥的惰性内核(图1),悬浮物丰富的废水有利于颗粒污泥的形成犤17犦含糖丰富的废水可促进微生物合成和胞外多聚糖的分泌,也有利于好氧污泥颗粒化虽然硝化细菌是自养型细菌,但许多硝化细菌可产生荚膜和胞外多聚物,只要水质适宜也易形成颗粒污泥犤12,19-20犦2.2.2　抑制物质　　就本质而言,污泥颗粒化过程是一个微生物的增殖和聚集过程许多物质可抑制微生物的生长和繁殖,因而势必影响污泥颗粒化的进程在废水处理系统中,游离氨是一种常见的抑制剂若以醋酸盐为碳源,只有当游离氨浓度小于23.5mgꆤL-1时,才能在SBR反应器中形成好氧颗粒污泥犤21-22犦若游离氨浓度从3.0mgꆤL-1升高到48.1mgꆤL-1,异养菌和硝化菌的活性分别下降到原来的1牤5和2牤5;细胞疏水性明显下降;胞外多聚糖的产生和分泌受到抑制,致使颗粒污泥难以形成犤22犦苯酚是另一种常见的抑制剂在苯酚容积负荷从1.0kgꆤm-3ꆤd-1升到2.5kgꆤm-3ꆤd-1的过程中,当负荷为2.0kgꆤm-3ꆤd-1时污泥结构和活性最优,虽然微生物可通过调节代谢,合成更多蛋白质来抵抗苯酚的毒害作用犤23犦,但过高的苯酚负荷也会阻碍颗粒污泥的形成2.2.3　溶解氧,pH,温度　　从理论上分析,溶解氧浓度可影响好氧微生物的生长和繁殖,因此也会影响污泥的颗粒化作用但在生物反应器中,能够形成颗粒污泥的溶解氧浓度范围较宽在SBR内,溶解氧浓度为0.7～1.0mgꆤL-1犤12犦或高于2mgꆤL-1犤16犦时,均可以形成好氧颗粒污泥关于pH和温度对好氧污泥颗粒化的影响,文献报道很少由于2种因素都会影响微生物的生长和繁殖,推测它们都会影响好氧颗粒污泥的形成此外,由于好氧微生物的生长速度大于厌氧微生物,前者对pH和温度的敏感性会低于后者,估计这2种因素对好氧颗粒污泥形成的影响也相对较弱犤24犦2.3　2.3.1　COD容积负荷　　COD容积负荷低于1kgꆤm-3ꆤd-1时,鲜见好氧颗粒污泥的形成犤9犦究其原因,可能与低基质浓度下絮状污泥的传质效果优于颗粒污泥有关颗粒污泥比表面积较小,传质阻力较大,不利于基质的摄取和202第32卷　金仁村,等:好氧污泥颗粒化机理及其影响因素传递还可能与饥饿状态下微生物不易产生和分泌胞外多聚物有关形成好氧颗粒污泥的COD容积负荷范围较宽(2.5～15kgꆤm-3ꆤd-1)犤14,25犦但COD容积负荷可影响颗粒污泥的物理性状,例如,当COD容积负荷从3kgꆤm-3ꆤd-1提高到9kgꆤm-3ꆤd-1时,颗粒污泥的平均直径从1.6mm增大到1.9mm犤25犦;颗粒污泥的强度也有所降低犤9,25犦2.3.2　水力剪切作用　　水力剪切作用对好氧颗粒污泥的形成具有很大的影响只有当表观气速高于0.012mꆤs-1时,才能