（环境工程专业论文）膜生物反应器中smp的特性及其对膜污染影响的研究.pdf

中文摘要 膜生物反应器( m a r ) 在处理废水的过程中产生的溶解性微生物产物( s m p ) 对反应器的运行有明显的影响。为进一步了解s m p 的特性，为优化膜生物反应 器的工作性能提供一定的理论依据，本课题采用人工配制的模拟生活废水，研究 了膜生物反应器中s m p 的产生与降解规律及其特性，并考察了s m p 对膜污染影 响的机理。 。 伴随膜生物反应器的运行，反应器中s m p 浓度呈现先升高后降低的趋势。 反应器中s m p 的分子质量呈现双峰分布，而出水中s m p 以小分子物质为主。s m p 的红外光谱显示其主要成分为蛋白质、多聚糖、醇酚( 多聚体) ，并少量含有腐殖 酸、硫醇等物质。在较低的s m p 浓度下，膜对出水水质的强化作用要大于反应 器中累积的s m p 对出水水质的影响。s m p 能够刺激微生物提高对基质的降解速 率，并且其激活作用与s m p 浓度正相关。反应器中s m p 的浓度对跨膜压差的上 升速率有明显的影响。 、。 当微生物长期处于贫营养条件下，s m p 的产生可以分为两个阶段：e p s 溶 解产生s m p 阶段和死亡细胞胞内物质溶出产生s m p 阶段。相比于第二阶段，第 乙阶段内产生的s m p 可降解性较好，其中大分子物质所占比例相对较低。不同 阶段产生的s m p 都可以刺激微生物提高对基质的降解速率。 用多元相关分析法总结了膜生物反应器中s m p 浓度和m l s s 与膜传质阻力 r 1 0 之间的关系式为r 1 0 = 2 2 8 7 7 ( e + 1 1 ) s m p o 洲“m l s s 0 2 8 5 2 2 0 ，表明膜传质阻 力与m l s s 和s m p 浓度成正比例变动。但相比于污泥浓度，s m p 对膜传质阻力 的影响较小。 膜污染的发展过程可以分为两个阶段。第一阶段内，膜污染主要以膜孔堵塞 与吸附为主。s m p 浓度的增加会加重膜孔的堵塞与吸附。第二阶段内，膜表面 逐渐形成沉积层。在过滤过程中，s m p 会不断聚集于微生物絮体的间隙，造成 沉积层空隙率的减小，体现为沉积层比阻随s m p 浓度的增加而升高。其中第二 阶段内沉积层阻力是控制膜过滤的主要污染因素。 关键词：膜生物反应器，溶解性微生物产物，贫营养，膜污染 a b s t r a c t s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p ) p r o d u c e dw i t h w a s t e w a t e rt r e a t e d b y m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r ( m b r ) h a sa ne v i d e n te f f e c t0 1 1r u n n i n go ft h er e a c t o r t o r e a l i z et h ec h a r a c t e r i s t i co fs m p , t op r o v i d er e f e r r e n e ef o ro p t i m i z i n ge f f i c i e n c yo f r e a c t o rw o r k i n g ，am b rw a su s e dt ot r e a tm a n m a d ew a s t e w a t e r t h em e c h a n i s mo f o u t p u ta n dd e c o m p o s eo fs m pw a si n v e s t i g a t e d ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i co fs m p a n dm e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n ga r o u s e db ys m e a st h er u n n i n go fm b r , t h ec o n c e n t r a t i o no fs m pa s c e n d e di n i t i a l l y , a n dt h e n d e s c e n d e dc o n t i n u a l l y t h em o l e c u l ew e i g h to fs m pi nr e a c t o rt a k e no nt w oc r e s t d i s t r i b u t i n g ，b u ts m pi ne f f l u e n tc o n t a i n e dm o r el o wm wf i a c t i o n t h ei n f r a r e d s p e c t r u mi n d i c a t e d t h a tp r o t e i n ，p o l y s a c c h a r i da n dh y d r o x y k e t o n ew a st h eb a s i so f s m p , a n dh u m i ca c i d , a l c o h o l y s i ss u l f u r a t i o nt a k e nal o w e rp r o p o r t i o ni ns m ew h e n t h e c o n c e n t r a t i o no fs m pi na l o w e rs c o p e ，t h ei n t e n s i f yo fm e m b r a n eh a da nm o r e e v i d e n te f f e c tt h a ns m po nt h ee f f l e n tq u a l i t y s m pc o u l ds t i m u l a t em i c r o o r g a n i s m a c c e l e r a t et h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i c s ，a n dt h ea c t i v a t i o nw a sp r or a t at ot h e c o n c e n t r a t i o no fs m p t h es m pc u m u l a t e di nr e a c t o rh a da na ne v i d e n te f f e c to f t m p u n d e rn u t r i e n td e f i c i e n c y ，p r o d u c t i o no fs m pc o u l db ed i v i d e di n t ot w or e g i o n s ： d i s s o l v e do fe p sp r o d u c e ds m pa n ds p l i t e do fd e a dc e l lp r o u c t e ds m p c o m p a r e d 、) l ，i mt h es e c o n dr e g i o n ，s m pp r o d u c e di nt h ef i r s tr e g i o nc o u l dd ed e g r a d a t i o ne a s i l y , a n di tc o n t a i n e dl o w e rq u a n t i t yo fm a c r o m o l e c u l e s s m pp r o d u c e di ne i t h e rr e g i o n c o u l ds t i m u l a t em i c r o o r g a n i s mt oa c c e l e r a t et h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i c s m u l t i a n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h er e l a t i o n s h i p o fr e s i s t a n c eo f m e m b r a n ef i l t r a t e ，m l s sa n dc o n c e n t r a t i o no fs m p t h er e l a t i o n s h i pw a sd e d u c e d a s r l o = 2 2 8 7 7 ( e + 11 ) s m p o 洲钳尬船o 2 8 5 2 2 0 t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e r e s i s t a n c eo fm e m b r a n ef i l t r a t ew a sp r or a t at ot h ec o n c e n t r a t i o no fs m pa n dm l s s c o m p a r e dt om l s s ，s m pt a k e na l lu n c o n s p i e u o u se f f e c t t h ed e v e l o p m e n to fm e m b r a n ef o u l i n gc o u l db ed i v i d e di n t ot w or e g i o n s i nt h e i n s tr e g i o n ，m e m b r a n ef o u l i n gw a sm a i n l yc a u s e db yt h ej a ma n da d s o r p t i o no f m e m b r a n eh o l e i n c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o no fs m pc o u l da g g r a v a t et h ej a ma n d a d s o r p t i o no fm e m b r a n eh o l e i nt h es e c o n dr e g i o n , s e d i m e n tl a y e rf o r m e do nt h e m e m b r a n ef a c i e s d u r i n gt h ef i l t r a t i o n , s m pc o u l df i l li nt h ei n t e r s p a c eo f m i c r o o r g a n i s mf l o e e u l ea n dd e c r e a s e dt h ei n t e r s p a e i a lr a t i o ，t h ed r a gi n d e xo f s e d i m e n tl a y e rd e c r e a s e d 砸伍t h ei n c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o no fs m p t h er e s i s t a n c e o fs e d i m e n tl a y e ri nt h es e c o n dr e g i o nw a st h ed o m i n a n tf o u l i n gf a c t o r k e yw o r d s ：m e m b r a n e b i o l o g i c a lr e a c t o r , s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ， n u t r i e n td e f i c i e n c y , m e m b r a n ef o u l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 | 够昭 签字日期： 呵年莎月上fe l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：吖年多月盯日 导师签名： p 珑 签字日期娴年二月扩日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 伴随现代社会经济文化的高速发展，环境问题越来越受到人们的关注，其中 工业和生活废水的排放首当其冲。考虑到经济因素的制约，废水的生物处理技术 得到了广范应用，发展出了许多高效的生物处理系统。伴随废水生物处理技术的 成熟与发展，人们开始致力于最大限度地降低出水中污染物的含量以得到更好的 处理效果。但是在研究过程中发现，生物处理出水中溶解性有机物的浓度降低到 一定程度后就无法继续降低。有些学者认为这种现象是由原水中存在的难降解物 质引起的。但是在用可完全被降解的基质( 如葡萄糖等) 配制的模拟废水进行试 验时也观察到存在相同的情况，因此一些学者提出了溶解性微生物产物( s o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c t s ，s m p ) 的概念。他们认为s m p 是微生物在降解原始基质的过 程中产生的，其中有很大一部分是不可生物降解或者是很难被生物降解的。通过 研究发现，无论对于何种原水，生物处理出水中s m p 都占有一定比例，对于可 生化性较好的废水，s m p 可占出水c o d 的1 0 0 。由于在生物处理过程中产生 的s m p 能够直接影响出水水质，因此各国学者对各种生物处理系统中的s m p 展 开了广泛的研究。 1 2 溶解性微生物产物( s m p ) 的研究现状 1 2 1s m p 的定义及分类 溶解性微生物产物( s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ，s m p ) 是微生物在降解环境 中可利用基质、进行内源呼吸或者应对环境压力的过程中产生的溶解性有机物， 其能够在不破坏菌体细胞的情况下与微生物相分离，且离开该物质微生物细胞仍 能存活【旧。 s m p 根据其产生的途径可以分为两种类型：与基质降解相关联的微生物产物 ( u 心) 和与微生物内源呼吸相关联的微生物产物( b a p ) 。u a p 产生于微生物 利用基质产生能量，进行自身生长繁殖过程中，其产生速率与环境中基质降解速 率和微生物细胞生长速率相关。这类微生物产物大部分可以被生物降解，但是降 解速度较慢，需要与微生物接触足够长的时间后才能继续被细胞同化或者降解。 第一章绪论 b a p 是微生物在内源呼吸过程中或者受到外界环境刺激的情况下( 例如环境 温度突变，毒性物质的刺激等) 伴随失活细胞的破裂而释放出的有机物质。与 u a p 相比，b a p 的可生化性较差【3 , 4 1 ，其最大生物降解速率为u a p 的几十分之一。 另外，微生物为了维持细胞内外浓度的平衡也会释放出一些溶解性有机物质，例 如胞外酶等，但是这种物质的浓度相对较低。 图1 - 1 所表示的就是s m p 的形成过程。 1 2 2s m p 的产生途径 图1 1s m p 的形成过程 在生物处理废水的过程中，s m p 的产生主要有以下几种途径【1 】： ( 1 ) 生长过程：微生物在正常生长和代谢情况下产生s m p ； ( 2 ) 维持浓度平衡：微生物为达到细胞膜内外的浓度平衡而释放s 御； ( 3 ) 饥饿的刺激：微生物在饥饿状态时因为碳源不足，、为维持生存必须通 过内源呼吸或代谢细胞内的物质以获得能量，从而释放大量的s m p ： ( 4 ) 环境中基质的匮乏：如果微生物所需的营养处于非常低的浓度，微生 物会产生s m p 以获取这些营养来维持自身活性； ( 5 ) 冲击负荷：给处于饥饿状态的细菌突然添加碳源和能源物质可加速细 菌的死亡，产生s m p , ( 6 ) 底物的刺激：高浓度外在能源物质的存在能够刺激s m p 的释放； ( 7 ) 缓解环境压力：微生物在面临环境压力( 如温度变化、渗透压的冲击 和毒性物质的加入) 时，会产生s m p 以解除环境压力。 以上微生物的生长、饥饿和内源代谢是影响s m p 产生的重要因子 第一章绪论 1 2 3s m p 的组成 s m p 的组成非常复杂，包括腐殖质、多糖、蛋白质、核酸、有机酸、抗生 素和硫醇等多种物质，其中腐殖质、多糖和蛋白质这三种成分是在各种情况下均 普遍存在的【4 ，5 1 。各国学者曾对各种生物处理系统出水中s m p 的成分进行分析， 结果如表1 1 所示。 表1 1 生物处理系统出水中s m p 的组成成分分析 从表1 1 种可以看出，无论在一、二级生物处理系统中还是深度处理工艺中， 蛋白质的含量都高于多聚糖的含量。但是对于活性污泥法中腐殖质的含量， m e n a h e m 、j o s e p h a 与b u n c h 的研究结果有很大的不同，这可能是由于进水水质 的差异造成的。 一些学者认为s m p 应该包括由底物降解和细胞内源分解产生的中间产物和 最终产物。但n o g u e r a 等认为s m p 中的u a p 是由简单底物矿化过程中基质的代 谢( 通常伴随着微生物的增长) 而产生的有机化合物。当底物没有完全矿化时，例 如发酵反应，底物不完全降解的产物不应该属于溶解性微生物产物，因为完全有 可能最终产物直接是来自底物的，而与微生物无关。因此，他们认为对于厌氧系 统的中间产物，例如挥发性脂肪酸，不应该属于溶解性微生物产物，因为它们不 是来源于微生物。 1 2 4s m p 的特性 1 2 4 1s m p 的分子质量分布 目前关于s m p 分子量分布的测定还没有标准的方法，现在采用的测定方法 第一章绪论 主要有两种：( 1 ) 凝胶渗透色谱法( g p c ) ，确定为连续分布；( 2 ) 超滤法( u f ) ，确定 为离散分布。这两种方法都是用己知分子量的化合物进行校定，因此测得结果一 般用m w 来表征。这两种方法都存在着一定的缺陷，例如在进行色谱分析时， 色谱柱填充物、溶剂( 载气) 和有机组分相互之间可能会有不应该存在的化学作 用，由于离子排斥或者其它的复杂形式，一些成分通过色谱柱的速度要比校定标 准物质快，从而导致了这种成分分子量的偏高；而其它成分则由于吸附或与色谱 柱填充物之间的静电作用而被减缓，使试验结果所显示的分子量偏低。此外，色 谱分析经常要求通过蒸发或冻千来进行浓缩，这个过程可能会改变溶解性物质的 分子量大小。在进行超滤时，有机物通过超滤膜的扩散和平移运动会受到很多因 素的影响，包括膜孔大小分布、水温、受压室压力、溶液p h 值和离子强度、膜 材料的孔径大小、形状和亲合力。另外，被分离物质在膜表面的积累也会对膜的 过滤性能产生很大的影响。加n y 【9 】等曾对凝胶渗透色谱法和超滤法这两种方法进 行过比较，发现在不同水体的m w 分布上，两种方法给出的结果在一定程度上 有不同的倾向。一般来讲通过凝胶渗透色谱法测定得出的分子量要比超滤法高， 并且凝胶色谱的测定结果对p h 更加敏感。 但无论采用何种方法测定s m p 的分子质量分布，所得的试验结果还是比较一 致的。在生物处理出水中s m p 的分子质量范围较宽，有分子质量小于5 0 0 u 的，也 有分子质量大于5 0 x1 0 3 u 的。研究表明【1 0 1 ，好氧生物膜反应器虽然进水以苯酚( 分 子质量为9 4 u ) 作为唯一有机碳源，但出水中至少有8 0 的s m p 分子质量大于 5 0 0 u ，有3 0 6 4 的分子质量大于1 0 x 1 0 3 u 。 在生物处理一级出水中，分子质量较低的有机物的含量占有明显优势，而在 二级出水中，有机物的分子质量基本上都呈双峰式分布。以蔗糖为基质的生物处 理系统在反应3 3 h 时，一级处理出水的s m p 中有7 6 为分子质量小于1 0 0 0 u 的； 而反应4 6 2 h 和1 7 d 时，二级处理出水中s m p 的分子质量呈双峰式分布，大部分物 质的分子质量小于1 0 x 1 0 3 u 或大于1 0 0 x 1 0 3 1 1 ，而分子质量介于1 0 x 1 0 3 u 和1 0 0 1 0 3 u 的物质含量最少【l i 】。 在各工艺参数中，s r t 对出水中s m p 的分子质量分布的影响最为明显。有研 究表吲1 2 】，随着s r t 的提高，以蔗糖作为单一碳源和能源的厌氧反应器出水中的 s m p 的含量明显增加( 从7 3m g l - 1 增至3 1 6m g l - 1 ) ；而且分子质量大于l x l 0 3 1 1 的 s m p 明显增多。表1 2 列出了以葡萄糖为基质的反应器中，随s r t 的延长，s m p 分子质量分布的变化。 第一章绪论 表1 - 2 以葡萄糖为基质的反应器中s m p 的分子质量分布( m w ) 但也有人认为膜生物反应器中长s r t 导致了s m p 中高分子质量向低分子质量 的转变。 1 2 4 2s m p 的毒性 随着生物水处理技术的发展，人们越来越关心出水的水质，尤其是出水中有 毒有害物质的含量。近年来的研究发现，在氯化消毒的水中发现了大量的氯仿类 有机卤代物，并有试验证明这些卤代物对人体具有不同程度的危害作用，且这些 有机卤代物是由于氯化消毒引起的。这些卤代物的前驱物主要是一些有机物，如 腐殖质等，而s m p 中腐殖质的含量是相当高的。r a p p a o r t 【1 3 j 等人对生物处理系统 出水进行了a m e s 试验，发现生物处理二级出水较一级出水表现出更强的致突变 反应。董秉直【1 4 】等发现，在生物接触氧化池中，出水中增加l m g l 。1 的d o c 便会 产生1 2 烬l 的t h m f p 。因此生物出水中，尤其是生物深度处理工艺的出水中， s m p 浓度的增加会引起出水生物毒性的增加，因此有学者建议采用颗粒状活性碳 吸( g a c ) 附作为深度处理的辅助工艺以地降低出水中s m p 的含量。 关于s m p 对于生物处理系统中微生物活性的影响，现在还存在一定的争论。 一些学者认为s m p 中含有各种亲电取代基( 如o h 、s h 和- n h 2 等) ，其很容易受 到电子诱导和共轭效应的影响，与生物分子发生反应而对微生物的活产生抑制作 用【1 5 】。黄霞【1 6 】等人在用自配水运行m b r 的过程中发现，随着上清液中t o c 浓度 的上升，脱氢酶活性显著下降。李红岩等【1 。7 】也发现溶解性微生物产物对可以抑制 硝化菌的生长，影响硝化作用。但也有一些学者提出了相反的意见。h a n g s i k s h i n 1 8 】认为s m p 对微生物活性并不会产生明显的影响。而二阶堂聪【5 】在考察处理 高浓度葡萄糖废水的生物反应器中所产生的s m p 对微生物活性的影响时，发现 s m p 能明显提高微生物降解葡萄糖的速率。 1 2 4 3s m p 对金属离子的螯合性 金属元素是微生物生长所需要的营养元素，当处理的污水中金属元素浓度过 第一章绪论 高时，其可能会对微生物产生毒害；但如果金属元素含量太低也会造成微生物的 营养缺乏。黄光团【19 】等在序批式好氧生物反应器中考察了铬离子浓度对微生物的 影响，研究表明当铬离子浓度为0 5m g l 以时对微生物的毒害作用较小，微生物分 泌出少量的胞外聚合物即可消除铬离子的影响。而当铬离子浓度为2 0m g l 1 时， 铬离子浓度超过微生物的承受范围，其对微生物的毒害作用加大，表现出微生物 对底物的降解效果大大下降。 s m p 的螯合性能够影响金属元素的毒性及其生物有效度。s m p 包含大量的螯 合基团( 如羧基、羟基和氨基等) ，这些基团能够与水中的金属元素( 如铜、铁、铅、 镍和锌等) 发生螯合从而减轻金属元素的毒性，但同时也能增a n ( 螯合键弱1 ) 或减小 ( 螯合键强) 金属元素的生物有效度。有研究表明不通s r t 下产生的s m p 对镍的螯 合有所不同，随s r t 的增加，s m p 中配位体的含量逐渐上升。与一些简单的化合 物( 如醋酸盐、柠檬酸盐) 相比，s m p 对镍离子的螯合性还是比较适中的。当s r t 为4 0 天时，厌氧反应器中所包含的3 0 0m g l 1 的s m p 可螯合镍大约4 4m g l 。1 【2 0 1 。 由此可见，s m p 在减轻金属毒性方面起着非常重要的作用，但是当系统中金属营 养元素( 尤其是铁、钴、镍等) 的浓度较低时，s m p 所造成的螯合作用，会严重影 响着这些营养元素的生物有效度。 1 2 4 4s m p 的可降解性 目前各国学者普遍认为s m p 的可降解性较差，但是微生物经过驯化后是可以 将其降解的。黄霞【1 6 】等人在用自配水运行m b r 的过程中考察了上清液中s m p 浓 度的变化，在运行的前8 0 1 5 0 天内，反应器中其浓度逐渐上升，但是在1 5 0 2 5 0 天内，其浓度呈现了逐渐降低的趋势。g a u d y 和b l a c h l y 2 l 】也观察到同样的现象， 在以蔗糖为基质的半连续流反应器中，s m p 的浓度在第3 2 天达到1 5 7 0m g l 1 ，而 在第6 6 天时降低至1 j 3 2 4m g l 。因此，可以认为微生物经过长期的驯化后，是可 以讲解一部分s m p 的。此外，b a k e r 2 2 通过研究厌氧生物处理系统出水中不同分 子质量物质的讲解规律，发现出水中8 6 的分子质量大于3 0 0 k d a 的s m p 是可以 被降解的，而在厌氧条件下仅为4 。分子质量小于1 k d a 的s m p 在好氧条件下的 降解率为1 7 ，在厌氧条件下为3 3 。这说明厌氧出水中高分子质量的s m p 更易 于好氧降解，而分子质量较低的更易于厌氧降解。 对于不同类型的s m p ，其可降解性也有所不同。与b a p 相比，u a p 的可降解 性较好。但r i t t m a n n t l 0 】曾指出，即使微生物的驯化得已经适应降解溶解性微生物 产物，但其降解速率还是要低于原始进水基质的降解速率。 第一章绪论 1 3 影响s m p 的工艺参数 1 3 1s m p 的生成与降解动力学模型 根据s n i p 的构成畔和b a p 两部分) 可以得到刚： g 御= c 厶p + g 忡( 1 - 1 ) 由于u a p 是在微生物降解基质的过程中产生的，其产生速率与基质的降解 速率成正比，因此u a p 的产生速率可以表示为： 厂啪= - k 1 7 s( 1 2 ) 式中：k i ，u a p 生成速率系数； 描，基质降解速率，以c o d 计，m g l 1 d 。 b a p 的产生是与微生物内源呼吸相关联的，其产生速率可以表示为： 7 脚= k 2 x 牌 ( 1 3 ) 式中：髟，b a p 生成速率系数，即单位时间内单位质量的活性污泥产生b a p 的质量，m g m g - 1 d - 1 ； x v s s ，活性污泥浓度，以m l v s s 计，m g - l - 1 随着膜生物反应器的运行，污泥负荷持续下降，微生物不断驯化，理论上， u a p 和b a p 都是可以生物降解的，其降解规律可以用m o n o d 方程表示。当反应 器在稳态下运行时，可以列出u a p 和b a p 的质量平衡方程： 一矿一瓦q u a i p c u i a p x 聊y q 尸2 。( 1 - 4 ) k ：x 脚矿一乏q = = b a j p c 否b a = p x 脚矿一q c 脚2 。 、 ( 1 - 5 ) 对式( 1 - 4 ) 两边同除q ： 一k 1 几f 一乏q 删v a p p 十c l v a 伽e x v s s f 一= 。 ( 1 - 6 ) 乞j p ( k 哪+ 尸) + 1 几( k 删j p + p ) + q u a ，p x 嘟f = 0 c 2 u a p + ( k 啪+ 1 + g 啪x 嘟f ) + 伏1 7 s 足= 0 c 枷= 一i ( k u 尸+ 磁。+ q v a e z 嘟f ) + 丢【( k + 水。儿+ 9 删尸石脚f ) 2 4 水。几k 删，i ( i - 7 ) 第一章绪论 对式( 1 - 5 ) 两边同除q ： 足：x 聊f 一器x 脚卜_ 0 ( 1 - 8 ) c 脚僻脚+ c 脚) 一2 x 脚僻脚+ c 脚) + x 髓叼脚c 脚= 0 c 2 b a p + ( k 脚+ g 脚x 脚f x 2 x 嘴f ) c 脚+ k 2 k 脚x 脚f = 0 c 厶户= 一去( j 【o + 口翩尸j f 娜f 一如力+ 去【( j 匕p + g 删尸j o 嚣f j j 嘟力2 4 屹j 匕如牢 二 ( 1 - 9 ) 式中：k v x e 、k b , w ，分别为u a p 和b a p 的饱和常数，以c o d 计，m g l 1 ； 鸟、曰脚，分别为u a p 和b a p 的最大比基质降解速率，即单位时间内单位质 量活性污泥降解基质量，m g m g 一d - 1 ；q ，反应器的进出水流量，m 3 d - 1 ；n 反 应器容积，m 3 ；岛、s ，反应器进出水平均c o d ，m g l ；f ，水力停留时间，d 。 1 3 2 水力停留时间、污泥龄和污泥负荷对s m p 的影响、 由式( 1 7 ) 和( 1 9 ) 可知，在生物处理系统中，s m p 的浓度受进出水基质浓度， 水力停留时间以及活性污泥浓度的影响。 由式( 1 2 ) 可知，溶解性微生物产物中u a p 的生成速率是与基质的降解速率 成正比的，在出水水质变化不大的范围内，较短的水力停留时间会使单位时间内 生物处理系统中的活性微生物降解更多的进水基质，因此u a p 的产生量会增加。 在这种条件下，微生物获得的营养比较充足，内源呼吸和细胞死亡所产生的b a p 的含量相对较少。当水力停留时间较长时，由于单位时间内进入反应器内的基质 减少，u a p 的生成量会相应下降，但是由于可获得营养的相对减少，微生物会 加剧内源呼吸以维持自身活性，b a p 的产量会有所提高。因此，对于生物处理 系统，存在于最佳的水力停留时间使得进水基质刚好可以满足微生物的营养需 求，而不会使微生物进入内源呼吸的加剧阶段，使s m p 的产生量最小。 在生物处理系统中，污泥龄直接控制着反应器中的污泥浓度。多金环【4 】等曾 考察了在不同进水c o d 降解量的情况下污泥龄对于s m p 的影响。发现s m p 的 浓度随着污泥龄的增加呈现先减小后增加的趋势，存在一个最佳的污泥龄使得 s m p 的浓度最小。对于好氧生物处理系统来说，最佳污泥龄一般在1 1 5 天之间， 对于厌氧处理系统大约为2 5 3 0 天。 无论是水力停留时间还是污泥龄对于s m p 的影响都与在相应条件下的污泥 负荷有关。由于s m p 的产生是与活性微生物的生理活动紧密相连的，不同的污 第一章绪论 泥负荷可以使微生物处于不同的营养条件下，这直接影响到微生物的新陈代谢活 动，从而对s m p 的产生造成影响。对于生物处理系统而言，污泥负荷的最佳范 围在0 2 1 2 9 c o d g m l v s s i d 1 。超出或低于这个范围都会导致s m p 的增加 【2 3 - 2 6 1 o ， 1 3 3 进水基质的类型对s m p 的影响 进水基质的类型会直接影响到s m p 的产生量、分子质量分布及可降解性。 b o e r o 2 7 等在c s t r 反应器中分别以苯酚和葡萄糖作为进水基质，研究发现苯酚降 解所产生的s m p 比降解葡萄糖产生的多，并且当进水基质降解消耗殆尽，微生物 内源呼吸加剧时，以苯酚为基质所生长的微生物在细胞衰亡的过程中产生的s m p 的量要高于以葡萄糖为基质的。但是以葡萄糖为基质的反应器中的大分子物质的 含量更高要，并且产生的s m p 的可降解性较差。k u o 2 8 】等研究了厌氧生物处理过 程中s m p 的产生情况，结果表明，以葡萄糖为基质时产生s m p 的量比乙酸盐多， 这主要是由于葡萄糖自由能比乙酸盐高，致使细菌产率和生物质浓度较高，从而 产生s m p 的量也较多。而且葡萄糖支持更多种类的细菌生长，在反应器中细菌种 类越多，产生s m p 的浓度也越高。 1 3 4 温度对s m p 的影响 微生物的新陈代谢活动对于温度的变化较为敏感，温度的升高会加快微生物 降解底物的速度、加剧自身内源呼吸，引起s m p 产生速度和产生量的增加，但 是温度的改变同样会影响微生物对s m p 的降解速率。苏欣捷【2 9 】等在以葡萄糖和 正丁醇为基质的间歇式活性污泥反应器中考察了温度对s m p 产出的影响，发现 在低温下基质降解过程中c o d 的最低点要低于高温下c o d 的最低点，并且随 着温度的升高，s m p 的产生速度逐渐加快。但b a r k e r t 3 0 】发现在a b r 中s m p 的 生成量随温度的升高而降低。这可能是由于在此试验中，温度对于s m p 降解速 率的影响大于对其生成速率的影响。因此对于不同的类型的反应器和不同的进水 基质，温度对s m p 的影响是不同的。 1 3 5 溶解氧对s m p 的影响 关于s m p 的探讨研究最初主要是围绕着好氧生物处理系统展开的，近年来， 一些学者就厌氧生物处理系统中的s m p 进行了研究。 k u o 2 0 1 等发现厌氧系统中s m p 的量与进水底物浓度之比( o 2 - 0 5 ) 要比好氧 系统来得低，葡萄糖和苯酚培养的好氧系统中s m p 的量与进水底物的浓度之比分 第一章绪论 别是3 1 1 0 4 和1 4 7 3 7 。g c r m i r l i 3 u 等的研究同样表明厌氧处理产生的残留 有机物( c o d ) 水平实际上要比单级好氧处理产生的残留有机物水平低，并且同样 有一些证据表明厌氧残留物质是易好氧降解的。c h u d o b a 3 2 1 指出，从1 克好氧降 解的生物量中释放出的难降解物质( 以c o d 表示) 在1 5 2 5 r a g 9 1 间变化，但在厌氧 情况下产生的有机物( 以c o d 表示) 具体值为1 5 7 m g g - 1 。 1 3 6 有毒物质对s m p 的影响 在污水处理系统中，进水中往往含有一些能够抑制微生物活性或能杀死微生 物的有毒物质，例如一些工业废水中含有的重金属离子( 如铅、汞、镍、镉、铬 等) 和有毒化合物( 如醛、酚、氰化物、硫化物、氯仿等) ，这些物质可以抑制生化 过程中基质的氧化还原反应，引起蛋白质的变性，影响生物酶的活性或者导致微 生物细胞内外浓度的不平衡、破坏细胞结构。因此，在污水生物处理系统中，毒 性物质能够影响微生物的生理活动，进而影响s m p 的产生与降解。 a q u i n o ”】在厌氧的c s t r 反应器中加入六价铬和氯仿作为毒性物质，考察其 对溶解性微生物产物的影响。试验结果表明，s m p 占出水c o d 的8 2 9 8 ，进 水c o d 中有0 9 2 转化为s n i p 。伴随毒性物质物质的加入，s m p 的产生量逐 渐增加。在加入氯仿的反应器中，s m p s o 由2 上升至8 ，而在加入铬的反应 器中，s m p s o 上升至2 0 。毒性物质加入后，微生物产生大量的胞外聚合物( e p s ) 以缓解有毒物质带来的环境压力，色谱分析表明一些大分子物质是由胞外聚合物 水解产生的，但这种水解产物对于s m p 的累积并无明显作用。s m p 中多聚糖和 蛋白质所占比例小于5 0 ，通过d n a 分析可知六价铬的加入能够加速细胞的溶 解从而产生大量s m p 。黄光团【l9 】发现在生物容许的浓度范围内，序批式好氧生 物反应器出水中s m p 总量与铬离子浓度之间存在指数关系：s m p = 2 4 9 4 e o j 9 3 c 。 在显著水平a = 0 1 0 5 ，n = 5 下进行相关性检验表明，铬离子浓度与s m p 中的多 聚糖、蛋白质含量不相关，而d n a 含量随铬离子浓度增加而降低，且两者之间 呈线性相关。 1 4s 御的处理方法 由于在废水的生物处理过程中产生的s m p 能够直接影响到出水水质，因此要 提高生物处理系统的出水质量，应该通过适当地调整工艺参数或附加处理单元的 方法以尽量减少出水中s m p 的含量。 从上节的介绍可以得知，不同的生物处理系统都具有各自的最佳污泥龄、水 第一章绪论 力停留时间，从而存在最佳的污泥负荷，在此条件下，系统中产生的s m p 可以达 到最小值。在实际运行过程中，最佳工艺参数的选择应根进水基质的类型、浓度、 进水中有毒物质的浓度和反应器的类型来确定。 尽管通过工艺参数的优化可以在一定程度上降低生物处理系统出水中s m p 的含量，但由于在实际的运行过程中，外界条件会不可避免地发生变化，要及时 准确地调整参数具有一定的困难。并且无论如何优化工艺参数，出水中s m p 的含 量都存在一个最低限度。因此附加处理单元就显得十分必要。一些学者已经研究 了一些高级处理技术( 如活性炭吸附、合成树脂吸附、臭氧处理、氧化、絮凝和 折点氯化等方法) 来处理s m p 的可行性。 在各种处理方法中，颗粒活性炭吸附法被认为是去除s m p 的最有效的方法。 p a r k i n 和m c c a r t y 3 4 】曾对一些方法进行了研究，他们使用各种各样的氧化剂、化 学絮凝剂、离子交换剂和颗粒活性炭吸附法来去除出水中的溶解性有机氮。结果 显示所采用的各种的工艺都可以在不同程度上去除溶解性有机氮都，但最有效的 方法是颗粒活性炭吸附法( 去除率为8 5 ) 和采用高浓度铁的氯化物的化学沉降法 ( 去除率为7 0 ) 。类似地，r a n d t k e i ：l l m c c a r t y 3 5 】研究了许多单独和组合的处理工 艺去除好氧系统二级出水中可溶性有机物的可能性，其结果也显示出颗粒活性炭 吸附法是最好的方法。s c h u l 亿和k e i n a t h 3 6 】在试验过程中发现在粉末活性炭处理 系统( p a c t ) 中有近5 0 的s m p 被粉末活性炭吸附，而仅有4 被吸附的s m p 可被 粉末活性炭处理系统的微生物所降解。目前有关用活性炭快速处理厌氧出水的报 道较少。f e r n a n d e z 和f o r s t e r t 3 7 j 通过使用颗粒活性炭吸附法有效地减少了厌氧出水 中s m p 的浓度，而k u o 等【1 1 】在研究各种生物处理方法的出水中有机物的吸附性能 时发现，对于模拟的金属切削废水，厌氧处理出水( 即厌氧s m p ) 的可吸附性要劣 于厌氧好氧处理出水和好氧处理出水。b a r k e r 等【2 2 】同样发现厌氧处理出水中低分 子量物质( f l p m w 1 0 0 k d a ) 部分，并增加了低分子量部分( f l o m w ri苫 第三章s m p 的发展变化及其对反应器运行的影响 活动，系统没有新细胞( 污泥) 生成，即系统内无剩余污泥产生。当基质性质稳定 时，、m 为常数，即g 卉嘞成直线关系，也就是说通过试验可求出某种基质条 件下的、m 。根据活性污泥m l v s s 增长和c o d 去除情况计算污泥实际比增长 速率与比基质去除室p q e 。其中： q e = q a s ( v 2 0 = q ( s o 一$ ( v ( 3 - 2 ) 式中：9 一处理水量( m 3 d - 1 ) ； j o 活细胞浓度( m g l 。1 ) ； 胪一细胞实际比增长率( d 1 ) 。 。忙望垡堕塑凼塑篓塑适竺望塑鎏鏖! 堡：竺! ：垡：( 3 - 3 ) 厂 反应器中的活性污泥浓度( m g f 1 ) 表3 1 列出了反应器运行前4 5 天的比基质去除率驰与污泥增长速率。 表3 一l 比基质去除率驰与污泥增长速率 比基质去除率驰污泥增长速率比基质去除率驰污泥增长速率 k g c o d k g m l v s s i d 1 d _ 1 k g c o d k g m l v s s q d - 1 d 1 0 6 8 l0 7 2 10 2 1 50 0 6 7 0 5 8 00 6 9 30 2 0 10 0 5 3 0 4 9 30 5 2 50 1 7 60 0 4 3 0 4 5 20 3 9 80 1 6 30 0 3 6 0 3 2 80 2 7 80 1 4 40 0 3 0 0 0 7 40 2 3 9 - o 鞭 _ 0 、0 0 5o 10 1 50 20 2 5 细胞比增长率d 。1 图3 - 3 维持系数i l l 的图解 8 7 6 5 4 3 2 l o o 0 o o 0 o 0 o 第三章s m p 的发展变化及其对反应器运行的影响 对反应器运行的前4 5 天内污泥实际比增长速率与比基质去除率驰作图， 从图3 3 中可以看出，活性污泥的维持系数为0 0 4 2 7 k g c o