紊动对活性污泥特性及微生物代谢产物的影响(环保)

紊动对活性污泥特性及微生物代谢产物的影响(环保)

                      闫玉涛^1，2，  周凌³，  冯骞^1,2*，  李军⁴

（1．河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京210098；2．河海大学环境学院，江苏南京210098：3．浙江省城乡规划设计研究院，浙江杭州310007；4．中机国际工程设计院有限责任公司华东分院，江苏南京210098）

摘要：紊动是水处理生物反应器中物质和能量传递的重要动力因子，它直接影响活性污泥的特性，制约微生物的生长和代谢行为，也是水处理生物反应器运行效果和效能的关键因素。文章介绍了不同紊动条件下活性污泥粒径、沉降性能、活性等理化特性的演变，颗粒化进程的发展，胞外聚合物和溶解性有机产物等微生物代谢产物的形成和转化规律，探讨了紊动对活性污泥特性及微生物代谢的影响机制，在此基础上指出了现有研究的不足，提出了未来研究的方向，以期为活性污泥系统的优化设计及运行提供参考。

关键词：活性污泥；紊动；微生物胞外聚合物；溶解性有机产物

 中图分类号：X172  doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.001    文章编号：1003-6504(2016)05-0001-07

    活性污泥法是污水生物处理中应用最广泛的处理工艺之一。在反应中起主要作用的微生物，通过自凝聚作用形成活性污泥，吸附污水中的有机物和营养元素，合成微生物细胞，自身增殖的同时降解水中的污染物质。紊动是反应过程中质量和能量传递的主要影响因素，活性污泥处理系统结构和运行条件的改变将引起反应器内流速分布的变化，导致反应器内部微环境的更替，制约系统的物质循环和能量循环过程，进而影响污染物的降解速率和去除效果。此外，反应器内气、液相的速度分布、污泥絮体间的相互碰撞产生不同的剪切作用，会引起活性污泥絮体的聚集、生长和破碎等行为，同时影响微生物代谢产物的组分和数量，进而引发池内活性污泥的尺寸、结构、空隙率、活性、传质速率和降解速率等理化特性的改变。为此，文章通过对前人研究的对比，分析了水流和紊动条件对活性污泥颗粒化进程、活性污泥理化特性、微生物代谢产物的形成和转化的影响规律，探讨了紊动对活性污泥特性及微生物代谢的影响机制，在此基础上指出了现有研究的不足，提出了未来研究的方向，以期通过调整活性污泥反应器的结构和操作运行条件，创造有利的水动力条件，改善反应器的运行效果，优化反应器的能量配置，为反应器的合理设计开发和优化运行提供参考。

1  紊动特性对活性污泥特性的影响

    活性污泥是细菌通过自凝聚作用，以丝状菌为骨架，胶团菌附着的状态相互交织生长形成。由于构成污泥主体结构的丝状菌和胶团菌对流体紊动产生的剪切力敏感程度差异显著，因此不同结构和运行参数的反应器中产生的不同剪切作用，会使得活性污泥中优势菌种的类型和数量发生改变，从而影响污泥的碰撞聚集行为、污泥絮体的形态、粒径、孔隙结构、沉降性能、活性、浓度、污染物降解速率等理化特性。

    实验室研究与污水厂的现场调查：活性污泥的形状与剪切作用关系密切，反应器中剪切作用较强时，形成的生物污泥以表面光滑的卵形和球形居多；剪切作用较弱的情况下，可以发现棒形及板型的颗粒污泥。在COD负荷一定的情况下，剪切作用的变化会导致污泥粒径的变化，这一点已经得到大多数学者的证实，但在影响规律方面，并未达成比较一致的意

见。Guiot等发现在0.9—6.6 m/h的上升流速范围内，UASB反应器中形成的颗粒污泥平均粒径是剪切力的函数，并随上升流速的增加而增加。Beun等在好养条件下的研究，也得到了类似的结果。有学者研究表明活性污泥的粒径与速度梯度(G)值呈指数负相关，活性污泥的沉降性能也会受剪切作用的影响。在底物和DO不成为反应限制因素的条件下，随着剪切作用的增加，活性污泥的粒径逐渐减小，沉降性能则表现出先改善后恶化的趋势。出现这些现象的原因就在于，在底物和DO充足的条件下，随着反应器中剪切作用的增加，活性污泥中丝状菌数量明显减少，菌胶团尺寸更小，结构更致密，网状和孔洞结构也逐渐消失。但剪切作用超过阈值后，反应器内高剪切环境会使得丝状菌几乎无法生存，造成形成活性污泥

所需骨架的缺失，导致污泥的破碎、解体。Feng等在SBR中的试验表明：活性污泥的耗氧速率和污染物降解速率随流体紊动强度的增加表现出先增加后降低的规律。Jin等的研究表明，随着单位体积能耗和表观上升气速的增加，活性污泥的传质系数也逐渐增加，但增幅逐渐趋缓。冯骞等研究了搅拌型SBR反应器中不同转速下反应器内的紊动强度分布，结果表明：随搅拌浆转速的增加，活性污泥反应器内污染物的降解速率常数则随紊动强度的增加先增加

后降低。湛含辉等证实，通过改变反应器内搅拌桨型式、搅拌转速、曝气强度、曝气方式，在反应器内增加隔板、调整进出水口位置等手段，可改善好氧生物反应器内的混合程度，强化污泥中的氧传质效率，在降低能耗的基础上，进一步提高污染物的降解速度。Tay等在好氧颗粒污泥的研究中，也得到了类似的结果，污泥的比好氧速率( SOUR)随表观上升气速增

加呈线性递增。冯骞等利用SBR反应器模型研究了水流剪切力对活性污泥沉降特性和活性的影响；通过不同水流剪切力下活性污泥絮凝体形态及微生物类型的比较，分析了水流剪切力对活性污泥特性的影响机理。

    曝气或水流产生的剪切力还会影响微生物种群的多样性。Ma等在SMBR中的研究发现，微生物种群的多样性随曝气产生剪切力的增加而明显减少。Rickard等的研究证实了剪切力的大小会影响到微生物种群的多样性和不同菌种的组成比例。Cocolina等应用DGGE技术也证实，不同的曝气方式会对活性污泥系统中原生动物和微生物群落结构产生显著影响，剪切作用越强，微生物多样性指数越低。Rochex等l冽在CCTR( conical  Couettc-Taylor reactor)反应器中，也得到了类似的结果。

2  紊动特性对活性污泥颗粒化过程的影响

    好氧污泥颗粒化现象是近年来污水处理领域一个新的研究热点。与传统的絮状活性污泥相比，具有生物浓度更高，沉降性能更好，泥水分离更快，降解污染物的效率更高的特点，但是好氧污泥颗粒化的过程更加复杂，多相流动产生的剪切在其中的作用也更加重要，因此剪切作用对好氧颗粒污泥的影响得到了更多的关注。Ivanovic等发现通过控制曝气产生的剪切，可以控制MBR中粒子的聚集。Liu等的研究表明，在内源呼吸期减少曝气速率，能够形成稳定的好养颗粒污泥而且在长时间的运行过程中不会改变好养颗粒的沉降性能。Tay等在鼓泡塔中的研究表明，表观上升流速大于1.2 cm/s时，能够形成更紧凑，更致密，更圆，更坚实，更小的颗粒污泥，而表观上升流速低于1.2 cm/s时，不能够形成颗粒污泥。Chen等在SBR反应器的研究表明：在较高剪切压力的作用下( 2.4、3.2 cm/s)，颗粒能够形成坚实的结构，具有稳定清晰的外部形态，密集，结构紧凑，性能良好。而在低剪切压力的作用下（0.8、1.6 cm/s），形成的颗粒形状不规则，结构松散，性能差、运行不稳定。Liu等在污泥颗粒化的研究过程中则发现，不同的流体流动和微生物絮凝体相互作用的方式对活性污泥的颗粒化过程有显著的影响。大高径比柱状反应器中，气水的上向流动能沿反应器高度方向产生足够长、相对均匀的环流轨道，更有助于促使微生物聚集，形成稳定的颗粒污泥。与之相比，全混流反应器中微生物絮体受不断变化的流体作用产生随机运动，更易形成尺寸和形状不规则的絮状污泥（图1）。不少研究者通过各自的研究，以表观上升流速、曝气强度等为指标，分别得到了形成好氧颗粒污泥所需的剪切条件和要求，建立了水流剪切对颗粒污泥特性的影

响规律。与絮状污泥相比，水流剪切力对颗粒污泥特性的影响规律与之类似，适当地增加水流剪切力能形成密实度更高、沉淀性能更好、活性更强的颗粒污泥，过大的剪切作用也会导致颗粒污泥的破碎和解体，但对比分析可知，影响颗粒污泥的水流剪切力域值明显高于絮状污泥。

3  紊动特性对活性污泥代谢产物的影响

    胞外聚合物(extracelluler polymer substances．EPS)和溶解性微生物产物(soluble microbial product，SMP)是活性污泥微生物降解废水中有机污染物时产生的主要微生物代谢产物，其中以多糖、蛋白质、腐殖质等成分为主。随着微生物代谢产物在活性污泥形成和特性演变中的重要作用被发现，不同水流紊动条件下活性污泥微生物代谢产物的组分和浓度的变化，也被用于分析和解释水流紊动对活性污泥的影响规律和作用机制。

    根据EPS在细胞外的存在方式，胞外聚合物(EPS)可分为结合型EPS (bound EPS)和溶解型EPS(soluble EPS)。覆盖在微生物表面的是bound EPS，它一方面能够通过各种桥接作用，将活性污泥絮体粘结在一起，促进活性污泥的聚集，另一方面，还能帮助微生物抵御高水流剪切产生的不利环境。研究表明，EPS对保持污泥絮体的结构和强度具有重要作用。合理增加剪切作用能刺激微生物的呼吸作用，提高微生物的活性，促使微生物细胞分泌出更多的结合型EPS，增加其中多糖与蛋白质含量的比值。但过大的剪切作用，也会导致结合型EPS的浓度降低，从而引发已经形成的活性污泥破碎和解体（图2）。李军等利用序批式活性污泥法装置(SBR)研究了活性污泥好氧阶段曝气强度对活性污泥沉降性能、松散束缚型胞外聚合物( LB-EPS)含量及其组分的影响。结果表明：随着曝气强度增加，活性污泥中( LB-EPS)含量逐渐升高。而活性污泥的SVI逐渐增大，沉降性能逐渐变差。Shin等的研究发现，随着曝气强度的增大，活性污泥EPS中多糖含量表现出上升的趋势，而其中蛋白质的含量几乎没有变化。Tay等在好氧颗粒污泥的研究中发现，随着曝气强度的上升，多糖／蛋白质也逐渐增大。

  溶解型EPS(soluble EPS)通常被认为是溶解性微生物产物(SMP)的主要来源之一，它也是废水生物处理出水中COD的主要组成部分，它的组分和浓度直接影响生物处理的过程和效果。水流剪切作用的存在，会使得附着在细胞表面的结合型EPS释放出更多的溶解型EPS，在生物处理过程中被作为碳源利用或残留于出水中，从而影响反应器对污染物的降解过程。张海丰等基于不同曝气量下膜生物反应器中EPS和SMP的组分和含量的分析，探讨了曝气量对

活性污泥特性影响的机制，提出了优化曝气量运行的建议。Ni等在SBR反应器中建立了一整套数学模型，分析了不同曝气量下好氧颗粒污泥反应器中EPS的产生和SMP的释放规律，为从微观尺度进一步解读水动力条件对活性污泥特性的影响机制做出了的新尝试。

4  反应器水动力特性及紊动行为分析

    水处理领域的相关研究中，通常采用停留时间分布曲线(residence time distribution，RTD)、单位体积能耗(P/V、表观上升流(气)速、速度梯度G等宏观指标对反应器的水动力特性进行分析和表征。以水处理反应器设计中应用最为普遍的G值为例，曝气设备和强度、搅拌桨叶和转速的变化，都会影响反应器的紊动行为。给水絮凝反应中，最佳速度梯度G值多控制在20～100 s^-1。传统的曝气池中为维持微生物好氧生长所需的条件，通常维持池中DO为2.0 mg/L。若将曝气池中的反应视为生物絮凝，为维持曝气池中污泥悬浮和供氧的双重要求，反应器中的最佳速度梯度G值应处于100～200 s^-1之间。近年来，随着计算机性能的不断提升和测试仪器的快速发展，利用计算流体力学(computational fluid dynamic，CFD)技术模拟反应器中的水动力条件，并使用非侵入式流体测试技术如粒子图像测速(particle image velocimetry，PIV)或激光多普勒测速(laser doppler velocimetry，LDV)技术相互验证，全面分析反应器内的水动力特性，从反应器内死区范围、底物和活性污泥的混合程度、氧浓度分布和传质效率等方面提出优化水动力条件的做法，在水处理领域也开始得到重视和应用。涉及到沉淀池的固一液分离，氯接触池停留时间，高速混合池，絮凝池，气浮池的优化。Fayolle等采用两相流动模型，对装有微气泡扩散器和轴向慢速搅拌器的曝气池内的流场分布和氧气传递过程进行了数值模拟预测。Bridgeman等使用CFD对反应器的流场特性进行了数值模拟，分析了不同速度梯度下对活性污泥絮体强度的影响，确定了最优的速度梯度。Xie等使用CFD对氧化沟的流场和污泥沉降过程进行了模拟，通过模拟找出现有运行方案的不足，并提出了改进的优化方案。Wang等使用CFD对EGSB反应器三相流动过程进行了数值模拟，分析了不同水力停留时间下流场的均匀程度以及生物产氢速率，并确定了最优的水力停留时间。Ding等利用CFD对生物制氢CSTR反应器的流场特性进行了模拟分析，并对反应器的结构，运行参数进行了优化设计。Dfez等和Zima等[70]利用CFD建立了SBR反应器水动力分析模型，并使用PIV技术对模型进行了验证，得到了多相流SBR反应器中的水动力特性，为优化SBR的运行条件，改善反应器混合传质效率提供了一条有效的途径。张冰等采用CFD和PIV技术对CSTR和EGSB 2种厌氧反应器中流场特性进行了模拟分析，结合废水厌氧处理工艺试验，分析了流动参数对废水生物处理工艺的影响，确定了优化运行水力条件。Yang等在卡罗赛尔氧化沟、Gresch等在曝气池中也分别利用CFD技术，建立了反应器的水动力学模型，并结合DO分布，提出了优化曝气器位置、降低运行能耗、优化系统运行的建议。反应器水动力特性分析能力和水平的深入，不仅有助于人们寻求改善反应器混合传质效率、强化反应速率的有效途径，同时对于深入了解反应器内水动力条件对活性污泥特性的影响机制，也提供了流体力学领域的支撑。

    近年来，将水动力学模型和生物反应动力学结合起来，全面模拟水处理反应器的运行，分析各影响因素对反应过程的作用机制，并进行工艺参数的优化，也开始得到人们的关注。哈尔滨工业大学任南琪课题组在利用CFD和PIV技术全面分析EGSB反应器流场特性的基础上，建立了基于CFD的EGSB反应器三相流体学一反应动力学耦合模型，探讨了厌氧反应器中流场效应与生物发酵反应过程的响应关系。中国科学技术大学俞汉青课题组从颗粒污泥的结构和特性出发，建立了好氧颗粒污泥水动力条件和传质过程的数学模型，采用CFD技术、PIV技术和共聚焦扫描电镜分析技术，从好氧颗粒絮体粒子的层面探讨了水动力特性对氧扩散传质过程的影响。这种构建水动力学和生物反应动力学耦合模型的做法，为深入剖析多相流作用下紊动对活性污泥特性的影响机制，实现反应器流场结构的优化，提供了一种全新的思路。

5  研究现状分析与展望

    水动力条件对活性污泥处理系统的影响体现在2个方面：(1)反应器中水力剪切作用；(2)反应器中物质扩散特性。它们对活性污泥处理系统的作用，主要是通过干扰反应器内微生物生长的微观环境，使活性污泥中优势微生物的种群、数量、组合形态发生变化，影响活性污泥絮体的形成、破碎过程来实现。曝气池内气、液、固三相的流场分布、污泥絮体间的相互碰撞摩擦产生不同的剪切作用，会影响微生物代谢产物(胞外聚合物(EPS)，溶解性微生物产物(SMP))的组分和含量，同时会引起活性污泥絮体的聚集、生长和破碎等行为，进而引发池内活性污泥的尺寸、结构、空隙率、活性、沉降性能、传质速率和降解速率等理化特性的改变。

    现有的报道均已证实，反应器内多相流条件下的紊动将极大地影响活性污泥的性质和反应器的运行效果。但现有研究多集中于水动力条件对活性污泥物理、化学特性、传质过程的影响，在水动力条件影响活性污泥微生物代谢行为方面，研究成果并不多见，并未能从微生物代谢行为的角度解析水动力条件对活性污泥特性演变的影响机制；在反应器水动力特性的分析和表征中，目前常用的表观上升流速、单位体积能耗、G值等水动力特性指标，也存在适用面不广、全面性不足的弊端；利用水动力与生物反应动力学耦合模型模拟、优化反应器的运行方面，相关报道也十分有限，且已有的研究重点也多集中于污泥颗粒化的反应器中。面对反应器内活性污泥生长、聚集、破碎和传质过程，这些单方面、单一尺度上的研究，无法清晰地阐明反应器内多相流作用下紊动对活性污泥特性的影响机制，也制约了反应器设计和运行水平的提高。

    在反应器内搅拌和曝气设备一定的情况下，紊动对活性污泥特性和微生物代谢产物的影响规律仍会受到进水水质、温度、反应器运行方式等设计和运行条件的制约。因此，在实际水处理工程中，更应考虑到微生物数量、优势种群等方面的差异，建立水动力一生化反应动力学耦合模型，并应用于反应器的模拟中，才能从根本上找出曝气池水动力特性优化设计与运行的有效策略。鉴于以上分析，提出该领域未来研究的方向如下：(1)针对现有水动力学特性分析结果较为宏观，参数适应面不广的问题，结合反应器多相流条件下紊动特性的解析，提出表征反应器水动力特性的新指标，用于指导实际水处理反应器的设计和运行。(2)利用新指标，建立水动力条件与污泥特性、反应器降解效率、微生物代谢产物浓度等的互动响应关系，进一步探讨紊动对活性污泥特性及微生物代谢行为的影响机制。(3)基于各种微生物代谢产物在活性污泥特性演变中的不同作用，将反应器水动力特性分析成果、紊动特性与活性污泥的理化特性和微生物代谢行为的响应规律与活性污泥动力学模型耦合，建立水动力一生化反应动力学耦合模型，模拟实际水处理反应器中污染物的降解和微生物代谢过程，为曝气池的优化设计及运行提供有力的支持。