紊動對活性污泥特性及微生物代謝產物的影響(環保)

                      閆玉濤^1，2，  周凌³，  馮騫^1,2*，  李軍⁴

（1．河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2．河海大學環境學院，江蘇南京210098：3．浙江省城鄉規劃設計研究院，浙江杭州310007；4．中機國際工程設計院有限責任公司華東分院，江蘇南京210098）

摘要：紊動是水處理生物反應器中物質和能量傳遞的重要動力因子，它直接影響活性污泥的特性，制約微生物的生長和代謝行為，也是水處理生物反應器運行效果和效能的關鍵因素。文章介紹了不同紊動條件下活性污泥粒徑、沉降性能、活性等理化特性的演變，顆?；�進程的發展，胞外聚合物和溶解性有機產物等微生物代謝產物的形成和轉化規律，探討了紊動對活性污泥特性及微生物代謝的影響機制，在此基礎上指出了現有研究的不足，提出了未來研究的方向，以期為活性污泥系統的優化設計及運行提供參考。

關鍵詞：活性污泥；紊動；微生物胞外聚合物；溶解性有機產物

 中圖分類號：X172  doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.001    文章編號：1003-6504(2016)05-0001-07

    活性污泥法是污水生物處理中應用最廣泛的處理工藝之一。在反應中起主要作用的微生物，通過自凝聚作用形成活性污泥，吸附污水中的有機物和營養元素，合成微生物細胞，自身增殖的同時降解水中的污染物質。紊動是反應過程中質量和能量傳遞的主要影響因素，活性污泥處理系統結構和運行條件的改變將引起反應器內流速分布的變化，導致反應器內部微環境的更替，制約系統的物質循環和能量循環過程，進而影響污染物的降解速率和去除效果。此外，反應器內氣、液相的速度分布、污泥絮體間的相互碰撞產生不同的剪切作用，會引起活性污泥絮體的聚集、生長和破碎等行為，同時影響微生物代謝產物的組分和數量，進而引發池內活性污泥的尺寸、結構、空隙率、活性、傳質速率和降解速率等理化特性的改變。為此，文章通過對前人研究的對比，分析了水流和紊動條件對活性污泥顆?；�進程、活性污泥理化特性、微生物代謝產物的形成和轉化的影響規律，探討了紊動對活性污泥特性及微生物代謝的影響機制，在此基礎上指出了現有研究的不足，提出了未來研究的方向，以期通過調整活性污泥反應器的結構和操作運行條件，創造有利的水動力條件，改善反應器的運行效果，優化反應器的能量配置，為反應器的合理設計開發和優化運行提供參考。

1  紊動特性對活性污泥特性的影響

    活性污泥是細菌通過自凝聚作用，以絲狀菌為骨架，膠團菌附著的狀態相互交織生長形成。由于構成污泥主體結構的絲狀菌和膠團菌對流體紊動產生的剪切力敏感程度差異顯著，因此不同結構和運行參數的反應器中產生的不同剪切作用，會使得活性污泥中優勢菌種的類型和數量發生改變，從而影響污泥的碰撞聚集行為、污泥絮體的形態、粒徑、孔隙結構、沉降性能、活性、濃度、污染物降解速率等理化特性。

    實驗室研究與污水廠的現場調查：活性污泥的形狀與剪切作用關系密切，反應器中剪切作用較強時，形成的生物污泥以表面光滑的卵形和球形居多；剪切作用較弱的情況下，可以發現棒形及板型的顆粒污泥。在COD負荷一定的情況下，剪切作用的變化會導致污泥粒徑的變化，這一點已經得到大多數學者的證實，但在影響規律方面，并未達成比較一致的意

見。Guiot等發現在0.9—6.6 m/h的上升流速范圍內，UASB反應器中形成的顆粒污泥平均粒徑是剪切力的函數，并隨上升流速的增加而增加。Beun等在好養條件下的研究，也得到了類似的結果。有學者研究表明活性污泥的粒徑與速度梯度(G)值呈指數負相關，活性污泥的沉降性能也會受剪切作用的影響。在底物和DO不成為反應限制因素的條件下，隨著剪切作用的增加，活性污泥的粒徑逐漸減小，沉降性能則表現出先改善后惡化的趨勢。出現這些現象的原因就在于，在底物和DO充足的條件下，隨著反應器中剪切作用的增加，活性污泥中絲狀菌數量明顯減少，菌膠團尺寸更小，結構更致密，網狀和孔洞結構也逐漸消失。但剪切作用超過閾值后，反應器內高剪切環境會使得絲狀菌幾乎無法生存，造成形成活性污泥

所需骨架的缺失，導致污泥的破碎、解體。Feng等在SBR中的試驗表明：活性污泥的耗氧速率和污染物降解速率隨流體紊動強度的增加表現出先增加后降低的規律。Jin等的研究表明，隨著單位體積能耗和表觀上升氣速的增加，活性污泥的傳質系數也逐漸增加，但增幅逐漸趨緩。馮騫等研究了攪拌型SBR反應器中不同轉速下反應器內的紊動強度分布，結果表明：隨攪拌漿轉速的增加，活性污泥反應器內污染物的降解速率常數則隨紊動強度的增加先增加

后降低。湛含輝等證實，通過改變反應器內攪拌槳型式、攪拌轉速、曝氣強度、曝氣方式，在反應器內增加隔板、調整進出水口位置等手段，可改善好氧生物反應器內的混合程度，強化污泥中的氧傳質效率，在降低能耗的基礎上，進一步提高污染物的降解速度。Tay等在好氧顆粒污泥的研究中，也得到了類似的結果，污泥的比好氧速率( SOUR)隨表觀上升氣速增

加呈線性遞增。馮騫等利用SBR反應器模型研究了水流剪切力對活性污泥沉降特性和活性的影響；通過不同水流剪切力下活性污泥絮凝體形態及微生物類型的比較，分析了水流剪切力對活性污泥特性的影響機理。

    曝氣或水流產生的剪切力還會影響微生物種群的多樣性。Ma等在SMBR中的研究發現，微生物種群的多樣性隨曝氣產生剪切力的增加而明顯減少。Rickard等的研究證實了剪切力的大小會影響到微生物種群的多樣性和不同菌種的組成比例。Cocolina等應用DGGE技術也證實，不同的曝氣方式會對活性污泥系統中原生動物和微生物群落結構產生顯著影響，剪切作用越強，微生物多樣性指數越低。Rochex等l冽在CCTR( conical  Couettc-Taylor reactor)反應器中，也得到了類似的結果。

2  紊動特性對活性污泥顆?；�過程的影響

    好氧污泥顆?；�現象是近年來污水處理領域一個新的研究熱點。與傳統的絮狀活性污泥相比，具有生物濃度更高，沉降性能更好，泥水分離更快，降解污染物的效率更高的特點，但是好氧污泥顆?；�的過程更加復雜，多相流動產生的剪切在其中的作用也更加重要，因此剪切作用對好氧顆粒污泥的影響得到了更多的關注。Ivanovic等發現通過控制曝氣產生的剪切，可以控制MBR中粒子的聚集。Liu等的研究表明，在內源呼吸期減少曝氣速率，能夠形成穩定的好養顆粒污泥而且在長時間的運行過程中不會改變好養顆粒的沉降性能。Tay等在鼓泡塔中的研究表明，表觀上升流速大于1.2 cm/s時，能夠形成更緊湊，更致密，更圓，更堅實，更小的顆粒污泥，而表觀上升流速低于1.2 cm/s時，不能夠形成顆粒污泥。Chen等在SBR反應器的研究表明：在較高剪切壓力的作用下( 2.4、3.2 cm/s)，顆粒能夠形成堅實的結構，具有穩定清晰的外部形態，密集，結構緊湊，性能良好。而在低剪切壓力的作用下（0.8、1.6 cm/s），形成的顆粒形狀不規則，結構松散，性能差、運行不穩定。Liu等在污泥顆?；�的研究過程中則發現，不同的流體流動和微生物絮凝體相互作用的方式對活性污泥的顆?；�過程有顯著的影響。大高徑比柱狀反應器中，氣水的上向流動能沿反應器高度方向產生足夠長、相對均勻的環流軌道，更有助于促使微生物聚集，形成穩定的顆粒污泥。與之相比，全混流反應器中微生物絮體受不斷變化的流體作用產生隨機運動，更易形成尺寸和形狀不規則的絮狀污泥（圖1）。不少研究者通過各自的研究，以表觀上升流速、曝氣強度等為指標，分別得到了形成好氧顆粒污泥所需的剪切條件和要求，建立了水流剪切對顆粒污泥特性的影

響規律。與絮狀污泥相比，水流剪切力對顆粒污泥特性的影響規律與之類似，適當地增加水流剪切力能形成密實度更高、沉淀性能更好、活性更強的顆粒污泥，過大的剪切作用也會導致顆粒污泥的破碎和解體，但對比分析可知，影響顆粒污泥的水流剪切力域值明顯高于絮狀污泥。

3  紊動特性對活性污泥代謝產物的影響

    胞外聚合物(extracelluler polymer substances．EPS)和溶解性微生物產物(soluble microbial product，SMP)是活性污泥微生物降解廢水中有機污染物時產生的主要微生物代謝產物，其中以多糖、蛋白質、腐殖質等成分為主。隨著微生物代謝產物在活性污泥形成和特性演變中的重要作用被發現，不同水流紊動條件下活性污泥微生物代謝產物的組分和濃度的變化，也被用于分析和解釋水流紊動對活性污泥的影響規律和作用機制。

    根據EPS在細胞外的存在方式，胞外聚合物(EPS)可分為結合型EPS (bound EPS)和溶解型EPS(soluble EPS)。覆蓋在微生物表面的是bound EPS，它一方面能夠通過各種橋接作用，將活性污泥絮體粘結在一起，促進活性污泥的聚集，另一方面，還能幫助微生物抵御高水流剪切產生的不利環境。研究表明，EPS對保持污泥絮體的結構和強度具有重要作用。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，促使微生物細胞分泌出更多的結合型EPS，增加其中多糖與蛋白質含量的比值。但過大的剪切作用，也會導致結合型EPS的濃度降低，從而引發已經形成的活性污泥破碎和解體（圖2）。李軍等利用序批式活性污泥法裝置(SBR)研究了活性污泥好氧階段曝氣強度對活性污泥沉降性能、松散束縛型胞外聚合物( LB-EPS)含量及其組分的影響。結果表明：隨著曝氣強度增加，活性污泥中( LB-EPS)含量逐漸升高。而活性污泥的SVI逐漸增大，沉降性能逐漸變差。Shin等的研究發現，隨著曝氣強度的增大，活性污泥EPS中多糖含量表現出上升的趨勢，而其中蛋白質的含量幾乎沒有變化。Tay等在好氧顆粒污泥的研究中發現，隨著曝氣強度的上升，多糖／蛋白質也逐漸增大。

  溶解型EPS(soluble EPS)通常被認為是溶解性微生物產物(SMP)的主要來源之一，它也是廢水生物處理出水中COD的主要組成部分，它的組分和濃度直接影響生物處理的過程和效果。水流剪切作用的存在，會使得附著在細胞表面的結合型EPS釋放出更多的溶解型EPS，在生物處理過程中被作為碳源利用或殘留于出水中，從而影響反應器對污染物的降解過程。張海豐等基于不同曝氣量下膜生物反應器中EPS和SMP的組分和含量的分析，探討了曝氣量對

活性污泥特性影響的機制，提出了優化曝氣量運行的建議。Ni等在SBR反應器中建立了一整套數學模型，分析了不同曝氣量下好氧顆粒污泥反應器中EPS的產生和SMP的釋放規律，為從微觀尺度進一步解讀水動力條件對活性污泥特性的影響機制做出了的新嘗試。

4  反應器水動力特性及紊動行為分析

    水處理領域的相關研究中，通常采用停留時間分布曲線(residence time distribution，RTD)、單位體積能耗(P/V、表觀上升流(氣)速、速度梯度G等宏觀指標對反應器的水動力特性進行分析和表征。以水處理反應器設計中應用最為普遍的G值為例，曝氣設備和強度、攪拌槳葉和轉速的變化，都會影響反應器的紊動行為。給水絮凝反應中，最佳速度梯度G值多控制在20～100 s^-1。傳統的曝氣池中為維持微生物好氧生長所需的條件，通常維持池中DO為2.0 mg/L。若將曝氣池中的反應視為生物絮凝，為維持曝氣池中污泥懸浮和供氧的雙重要求，反應器中的最佳速度梯度G值應處于100～200 s^-1之間。近年來，隨著計算機性能的不斷提升和測試儀器的快速發展，利用計算流體力學(computational fluid dynamic，CFD)技術模擬反應器中的水動力條件，并使用非侵入式流體測試技術如粒子圖像測速(particle image velocimetry，PIV)或激光多普勒測速(laser doppler velocimetry，LDV)技術相互驗證，全面分析反應器內的水動力特性，從反應器內死區范圍、底物和活性污泥的混合程度、氧濃度分布和傳質效率等方面提出優化水動力條件的做法，在水處理領域也開始得到重視和應用。涉及到沉淀池的固一液分離，氯接觸池停留時間，高速混合池，絮凝池，氣浮池的優化。Fayolle等采用兩相流動模型，對裝有微氣泡擴散器和軸向慢速攪拌器的曝氣池內的流場分布和氧氣傳遞過程進行了數值模擬預測。Bridgeman等使用CFD對反應器的流場特性進行了數值模擬，分析了不同速度梯度下對活性污泥絮體強度的影響，確定了最優的速度梯度。Xie等使用CFD對氧化溝的流場和污泥沉降過程進行了模擬，通過模擬找出現有運行方案的不足，并提出了改進的優化方案。Wang等使用CFD對EGSB反應器三相流動過程進行了數值模擬，分析了不同水力停留時間下流場的均勻程度以及生物產氫速率，并確定了最優的水力停留時間。Ding等利用CFD對生物制氫CSTR反應器的流場特性進行了模擬分析，并對反應器的結構，運行參數進行了優化設計。Dfez等和Zima等[70]利用CFD建立了SBR反應器水動力分析模型，并使用PIV技術對模型進行了驗證，得到了多相流SBR反應器中的水動力特性，為優化SBR的運行條件，改善反應器混合傳質效率提供了一條有效的途徑。張冰等采用CFD和PIV技術對CSTR和EGSB 2種厭氧反應器中流場特性進行了模擬分析，結合廢水厭氧處理工藝試驗，分析了流動參數對廢水生物處理工藝的影響，確定了優化運行水力條件。Yang等在卡羅賽爾氧化溝、Gresch等在曝氣池中也分別利用CFD技術，建立了反應器的水動力學模型，并結合DO分布，提出了優化曝氣器位置、降低運行能耗、優化系統運行的建議。反應器水動力特性分析能力和水平的深入，不僅有助于人們尋求改善反應器混合傳質效率、強化反應速率的有效途徑，同時對于深入了解反應器內水動力條件對活性污泥特性的影響機制，也提供了流體力學領域的支撐。

    近年來，將水動力學模型和生物反應動力學結合起來，全面模擬水處理反應器的運行，分析各影響因素對反應過程的作用機制，并進行工藝參數的優化，也開始得到人們的關注。哈爾濱工業大學任南琪課題組在利用CFD和PIV技術全面分析EGSB反應器流場特性的基礎上，建立了基于CFD的EGSB反應器三相流體學一反應動力學耦合模型，探討了厭氧反應器中流場效應與生物發酵反應過程的響應關系。中國科學技術大學俞漢青課題組從顆粒污泥的結構和特性出發，建立了好氧顆粒污泥水動力條件和傳質過程的數學模型，采用CFD技術、PIV技術和共聚焦掃描電鏡分析技術，從好氧顆粒絮體粒子的層面探討了水動力特性對氧擴散傳質過程的影響。這種構建水動力學和生物反應動力學耦合模型的做法，為深入剖析多相流作用下紊動對活性污泥特性的影響機制，實現反應器流場結構的優化，提供了一種全新的思路。

5  研究現狀分析與展望

    水動力條件對活性污泥處理系統的影響體現在2個方面：(1)反應器中水力剪切作用；(2)反應器中物質擴散特性。它們對活性污泥處理系統的作用，主要是通過干擾反應器內微生物生長的微觀環境，使活性污泥中優勢微生物的種群、數量、組合形態發生變化，影響活性污泥絮體的形成、破碎過程來實現。曝氣池內氣、液、固三相的流場分布、污泥絮體間的相互碰撞摩擦產生不同的剪切作用，會影響微生物代謝產物(胞外聚合物(EPS)，溶解性微生物產物(SMP))的組分和含量，同時會引起活性污泥絮體的聚集、生長和破碎等行為，進而引發池內活性污泥的尺寸、結構、空隙率、活性、沉降性能、傳質速率和降解速率等理化特性的改變。

    現有的報道均已證實，反應器內多相流條件下的紊動將極大地影響活性污泥的性質和反應器的運行效果。但現有研究多集中于水動力條件對活性污泥物理、化學特性、傳質過程的影響，在水動力條件影響活性污泥微生物代謝行為方面，研究成果并不多見，并未能從微生物代謝行為的角度解析水動力條件對活性污泥特性演變的影響機制；在反應器水動力特性的分析和表征中，目前常用的表觀上升流速、單位體積能耗、G值等水動力特性指標，也存在適用面不廣、全面性不足的弊端；利用水動力與生物反應動力學耦合模型模擬、優化反應器的運行方面，相關報道也十分有限，且已有的研究重點也多集中于污泥顆?；�的反應器�?。面對反應器內活性污泥生長、聚集、破碎和傳質過程，這些單方面、單一尺度上的研究，無法清晰地闡明反應器內多相流作用下紊動對活性污泥特性的影響機制，也制約了反應器設計和運行水平的提高。

    在反應器內攪拌和曝氣設備一定的情況下，紊動對活性污泥特性和微生物代謝產物的影響規律仍會受到進水水質、溫度、反應器運行方式等設計和運行條件的制約。因此，在實際水處理工程中，更應考慮到微生物數量、優勢種群等方面的差異，建立水動力一生化反應動力學耦合模型，并應用于反應器的模擬中，才能從根本上找出曝氣池水動力特性優化設計與運行的有效策略。鑒于以上分析，提出該領域未來研究的方向如下：(1)針對現有水動力學特性分析結果較為宏觀，參數適應面不廣的問題，結合反應器多相流條件下紊動特性的解析，提出表征反應器水動力特性的新指標，用于指導實際水處理反應器的設計和運行。(2)利用新指標，建立水動力條件與污泥特性、反應器降解效率、微生物代謝產物濃度等的互動響應關系，進一步探討紊動對活性污泥特性及微生物代謝行為的影響機制。(3)基于各種微生物代謝產物在活性污泥特性演變中的不同作用，將反應器水動力特性分析成果、紊動特性與活性污泥的理化特性和微生物代謝行為的響應規律與活性污泥動力學模型耦合，建立水動力一生化反應動力學耦合模型，模擬實際水處理反應器中污染物的降解和微生物代謝過程，為曝氣池的優化設計及運行提供有力的支持。