彭黨聰，王志盈，袁林江，任勇翔
(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安710055)

　　摘要：對(duì)近年發(fā)展起來的活性污泥系統(tǒng)非平衡增長新理論，從其概念、發(fā)展沿革、理論要點(diǎn)以及在生物處理中的應(yīng)用等進(jìn)行了較為全面的論述。結(jié)合應(yīng)用該理 論進(jìn)行了單級(jí)活性污泥法同步硝化—反硝化的實(shí)踐，探討了非平衡增長理論在未來活性污泥法生物處理中的作用和地位。
　　關(guān)鍵詞：活性污泥系統(tǒng)；非平衡增長；同步硝化—反硝化
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2001)02-0019-03

　　1 非平衡增長的概念及發(fā)展沿革

　　非平衡增長(Unbalanced growth)是指微生物在環(huán)境條件瞬時(shí)(Transient conditions) 變化時(shí)在增殖方面所表現(xiàn)的一種生理適應(yīng)(Phsiological adaptation)。當(dāng)環(huán)境條件穩(wěn)定(St ea dy state)時(shí)，微生物會(huì)逐漸適應(yīng)，并形成與該環(huán)境相協(xié)調(diào)的、穩(wěn)定的最佳細(xì)胞合成機(jī)制，然后不再進(jìn)化并維持這一狀態(tài)，稱之為平衡增長(Balanced growth)；當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，微生物具有維持原有細(xì)胞合成機(jī)制的能力，如果在適應(yīng)新環(huán)境之前，環(huán)境條件又轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼臓顟B(tài)，原有的細(xì)胞合成機(jī)制又未完全退化，則微生物會(huì)進(jìn)行“超量”合成，以抵御環(huán)境的變化，微生物對(duì)環(huán)境變化時(shí)的這種增殖響應(yīng)稱為非平衡增長(Unbalanced growth)。微生物 在非平衡增長下的“超量”合成主要表現(xiàn)為：大分子儲(chǔ)存(Polymer storage)、原始基質(zhì)積 累(Accumulation)、吸附(Sorption)等。
　　在廢水處理中對(duì)非平衡增長的認(rèn)識(shí)始于對(duì)生物儲(chǔ)存的研究，很早以前就有關(guān)于微生物將基質(zhì)以polyhydroxyalkanoates、lipids、glycogen等儲(chǔ)存于細(xì)胞的報(bào)道，但是一直未引起重視。在生物除磷機(jī)理的研究過程中發(fā)現(xiàn)polyhydroxybutyrate (PHB)、glycogen在聚磷菌的 代謝途徑中起主要作用后，生物儲(chǔ)存才被廣泛關(guān)注，并在生物儲(chǔ)存的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展形成了非平衡增長理論。
　　推流式(Plug—flow)、序批式(Sequencing batch)以及選擇池(Selector)等 存在著基質(zhì)濃度 梯度的活性污泥反應(yīng)器中，微生物的增殖為典型的非平衡增長。最近的研究結(jié)果顯示，在交替式(兼氧/好氧、厭氧/兼氧/好氧)等環(huán)境變化的甚至穩(wěn)態(tài)的連續(xù)流系統(tǒng)中也存在非平衡 增長［1］，可以說非平衡增長是活性污泥系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象。通過對(duì)非平衡增長系統(tǒng)的深入研究，不僅將大大豐富現(xiàn)有的活性污泥理論，而且將促進(jìn)新的廢水生物處理工 藝的誕生。為此，歐盟將“非平衡增長”列為歐洲科技合作計(jì)劃(COST)中微生物技術(shù)的四個(gè)研究專題之一，足見非平衡增長理論在現(xiàn)代活性污泥系統(tǒng)中的地位。

　　2 理論要點(diǎn)

　　非平衡增長系統(tǒng)的主要特征是活性污泥的表觀比增長速率YOBS遠(yuǎn)大于平衡增長時(shí) 的比增長速率YGRO，其多余部分即所謂的“超量”增長ΔY：
　　ΔY=Y_OBS-Y_GRO
　　“超量”增長ΔY主要由以下三部分構(gòu)成：
　　①大分子儲(chǔ)存(YSTO)。在非平衡增長狀態(tài)下，微生物將基質(zhì)合成為PHB等大分子物質(zhì)并儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。因?yàn)檫@一過程較合成蛋白質(zhì)等細(xì)胞物質(zhì)要容易，消耗的能量也少，因此相應(yīng)的生理適應(yīng)時(shí)間也短。從進(jìn)化的角度看，大分子儲(chǔ)存可能是“超量”增長的主要形式，因此對(duì)大分子儲(chǔ)存的研究也最為活躍，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大分子物質(zhì)主要有PHB、PHA、Glyc ogen、Lipids等。
　　②原始基質(zhì)積累(YACC)。微生物可迅速地將基質(zhì)以原始狀態(tài)或小分子的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。從熱力學(xué)的角度，原始積累應(yīng)當(dāng)比大分子儲(chǔ)存更加有效，所占超量增長的份額應(yīng)該更高，因?yàn)檫@一過程消耗的能量更小。但相對(duì)于大分子儲(chǔ)存，對(duì)原始積累形式的“超量”增長則研究較少，其原因可能是缺少相應(yīng)的測(cè)試方法(目前對(duì)YACC尚不能直接定量測(cè)量，主要采用減量法間接描述)。由于能以原始狀態(tài)透過細(xì)胞壁的基質(zhì)較少，可以推斷原始積累將主要以小分子的形式進(jìn)行。
　　③吸附(YSOP)。吸附指發(fā)生在細(xì)胞與介質(zhì)界面的一系列物理化學(xué)作用，包括物理吸附、化學(xué)吸附以及粘附等。吸附顯然與構(gòu)成活性污泥微生物的細(xì)胞壁形態(tài)、性質(zhì)等有關(guān)，且主要發(fā)生在細(xì)胞外，與以上兩種形式具有質(zhì)的區(qū)別，將吸附納入非平衡增長的這一觀點(diǎn)目前尚有爭(zhēng)議。
　　因此，非平衡增長時(shí)的“超量”增長可表述為：

　　ΔY=Y_STO+Y_ACC+Y_SOP

　　由于以上三個(gè)過程與平衡增長時(shí)的基質(zhì)利用速率(SUR)或氧利用速率(OUR)相比要快 得多，因此在“超量”增長期，微生物具有很高的基質(zhì)利用速率。當(dāng)外源基質(zhì)枯竭時(shí)，微生物則利用儲(chǔ)存的大分子聚合物或胞內(nèi)基質(zhì)進(jìn)行代謝，以維持其生命活動(dòng)，在此期間，微生物的氧利用速率很小，氧利用速率的巨大變化是非平衡增長系統(tǒng)的另一重要特征^［2］。

　　3 影響非平衡增長的因素

　　由于非平衡增長是活性污泥系統(tǒng)的普遍現(xiàn)象，因此所有影響活性污泥系統(tǒng)的因素對(duì)非平衡增長過程都有影響。目前研究較多的有污泥齡、有機(jī)負(fù)荷、基質(zhì)以及微生物等。
　　①污泥齡。污泥齡對(duì)非平衡增長系統(tǒng)的活性污泥表觀比增長速率YOBS和儲(chǔ)存能力有重要影響。一般來說，污泥齡越長，表觀比增長速率YOBS越小，相應(yīng)的單 位污泥的儲(chǔ)存能力越高。以Type 021N在恒化器中供給乙酸基質(zhì)的反應(yīng)為例^［3］，當(dāng)污泥齡為0.4 d時(shí)，實(shí)際增長速率為0.6，表觀比增長速率為0.79，儲(chǔ)存能力為0.27gCOD/gSS；當(dāng)污泥齡為0.8 d時(shí)，實(shí)際增長速率為0.45，表觀比增長速率為0.71，儲(chǔ)存能力為0.3gCOD/gSS。
　　②負(fù)荷。負(fù)荷變化對(duì)表觀比增長速率YOBS和實(shí)際比增長速率YGRO影響不大，但對(duì)組成ΔY的YSTO和YACC影響較大。Dionisi［4 ］采用SBR反應(yīng)器(仍提供乙酸基質(zhì))研究了負(fù)荷為0.176、0.352gCOD/(L·d)時(shí)，YOBS分別為0.74、0.71 gCOD/gCOD；YGRO分別為0.10、0.06gCOD/gCOD；YSTO分別為0.35、0.55gCOD/gCOD；YACC分別為0.30、0.10gCOD/gCOD。以上數(shù)據(jù)表明，在高 負(fù)荷下大分子儲(chǔ)存起主導(dǎo)作用；當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，原始積累起主要作用。
　　③基質(zhì)。目前研究非平衡增長所采用的基質(zhì)普遍為乙酸和葡萄糖，相應(yīng)的比增長速率的報(bào)道也較為混亂，但乙酸的最大比基質(zhì)降解速率和氧利用速率則略高于葡萄糖。其他基質(zhì)對(duì)非平衡增長的影響尚不清楚，但可以肯定基質(zhì)的種類、分子結(jié)構(gòu)、可溶性以及分子質(zhì)量等對(duì)ΔY影響較大。
　　④微生物。研究微生物對(duì)非平衡增長的影響基本上按兩條線進(jìn)行，即純種微生物和混合微生物(活性污泥)。純種微生物的研究證明了非平衡增長的普遍性以及個(gè)體差異性，如Arthrobacter globiformis在非平衡增長下的SUR(基質(zhì)為葡萄糖)是平衡增長下的4倍，而同樣條件下又是Sphaerotilis natans的2倍^［5］。間歇培養(yǎng)活性污泥系統(tǒng)的表觀比增長速率大于連續(xù)培養(yǎng)，沉淀性能好的污泥大于膨脹污泥^［1］，這一結(jié)果從另一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證了活性污泥中菌膠團(tuán)和絲狀菌的動(dòng)力學(xué)選擇理論。此外，大量的測(cè)定結(jié)果顯示活性污泥的SUR遠(yuǎn)小于(約一個(gè)數(shù)量級(jí))純種微生物，間接證明了活性污泥中活性微生物所占份額較小，其活性也相應(yīng)地較低。

　　4 應(yīng)用

　　依據(jù)非平衡增長過程的特點(diǎn)，可以看出這一理論主要從基質(zhì)的利用、氧的供給和污泥增長等方面影響活性污泥系統(tǒng)，而這些則是活性污泥系統(tǒng)投資、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的主要指標(biāo)。
　　4.1 供氧
　　活性污泥系統(tǒng)的供氧主要由供氧能力和供氧量來體現(xiàn)，供氧能力決定著供氧系統(tǒng)的投資費(fèi)用，供氧量則決定著活性污泥處理系統(tǒng)的運(yùn)營費(fèi)用。供氧設(shè)備的最大供氧能力必須滿足最大耗氧速率時(shí)的需氧量，由于非平衡增長系統(tǒng)的OUR遠(yuǎn)大于平衡增長系統(tǒng)的OUR，因此非平衡增長系統(tǒng)的供氧設(shè)備的供氧能力要大于平衡增長系統(tǒng)。非平衡增長系統(tǒng)的供氧方式通常按固定氧供給模式進(jìn)行，在高耗氧速率階段，混合液中氧的濃度接近于零，氧的傳質(zhì)速率大大增加，因此非平衡增長系統(tǒng)的供氧量要小于平衡增長系統(tǒng)，即在同樣的污泥產(chǎn)率下，非平衡增長系統(tǒng)的運(yùn)營費(fèi)用要小于平衡增長系統(tǒng)。
　　4.2 排泥
　　活性污泥系統(tǒng)的污泥產(chǎn)率直接決定著污泥處理設(shè)備的規(guī)模和污泥處理費(fèi)用。對(duì)于非平衡增長系統(tǒng)，如果在高耗氧速率時(shí)排泥，其污泥產(chǎn)率將遠(yuǎn)大于平衡增長系統(tǒng)(但氧的消耗量將減少)；如果在低耗氧速率的后期排泥，由于儲(chǔ)存于微生物體內(nèi)的PHB和其他中間產(chǎn)物被進(jìn)一步代謝，污泥產(chǎn)率與平衡增長系統(tǒng)差異不大。
　　4.3 同步硝化—反硝化
　　非平衡增長系統(tǒng)使單級(jí)活性污泥同步硝化—反硝化成為可能。所謂同步硝化—反硝化就是污泥在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)完成硝化和反硝化兩個(gè)完全不同的生物過程，雙氧區(qū)模型(圖1)被用來解釋活性污泥系統(tǒng)中氮的損失，因?yàn)樵诤醚鯛顟B(tài)下，活性污泥的外部為好氧區(qū)，可進(jìn)行生物硝化；由于氧的擴(kuò)散梯度，內(nèi)部為厭氧區(qū)，可進(jìn)行反硝化。因此，雙氧區(qū)模型成為好氧狀態(tài)下單級(jí)活性污泥同步硝化—反硝化生物脫氮的理論基礎(chǔ)，然而雙氧區(qū)模型存在著一個(gè)重大缺陷，即有機(jī)碳源的問題。有機(jī)碳源既是異養(yǎng)反硝化的電子供體，又是硝化過程的抑 制物質(zhì)，而在雙氧區(qū)模型中，污水中的有機(jī)碳源在穿過好氧層時(shí)，首先被好氧氧化，處于厭氧區(qū)的反硝化菌由于得不到電子供體，反硝化速率就降低，同步脫氮效率也就不會(huì)高 ，而應(yīng)用非平衡增長的概念，這一問題將得到解決。如果控制適當(dāng)?shù)臈l件，污水中的有機(jī)碳 源可在很短的時(shí)間內(nèi)大部分儲(chǔ)存于細(xì)胞中，既可消除有機(jī)碳源對(duì)硝化過程的抑制，又可用于反硝化的電子供體，因此同步脫氮的速率和效率均可大幅度提高，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室采用人工基質(zhì)所進(jìn)行的試驗(yàn)中，獲得了75%的同步脫氮效率。

　　5 結(jié)論

　　活性污泥的非平衡增長理論是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的，人們對(duì)這一理論的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)膚淺，諸如儲(chǔ)存的機(jī)制、路徑、容量等，特別是原始基質(zhì)積累還很不完善。由非平衡增長理論在活性污泥系統(tǒng)中所占的重要地位可以預(yù)見，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，該理論將對(duì)污水生物處理產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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收稿日期：2000-06-02