活性污泥法中胞内有机聚合物的形成与降解

上海同济大学
马鲁铭

前言

　　人们早就认识到活性污泥法中曝气初期存在基质快速降解过程，通常认为这一过程是由于悬浮和胶体有机物质被活性污泥吸附造成的，由此开发出“生物接触稳定法”和“A-B法”等工艺。而对于溶解性物质在活性污泥法初期快速去除及其转化研究得较少，Siddiqi指出在快速降解阶段，溶解性物质也被污泥吸收同化；Bunch指出在初期30分钟内溶解性COD的降解速率几乎维持最大；Libor Novak建立了溶解性有机碳生物吸收数学模型。在70年代兴起的生物除磷研究过程中，人们发现厌氧条件下污泥能快速去除溶解性有机物，部分转化为胞内聚合物，如PHB等。
　　本研究观察了好氧及营养均衡条件下，不存在积磷菌的活性污泥对两种化学特性不同的溶解性有机物--苯甲酸钠和葡萄糖的吸收及转化情况，得出了曝气初期溶解性COD的快速降解与污泥细胞内PHB及糖原含量变化之间的关系，进一步揭示了活性污泥对溶解性有机物的吸收与转化机理。

研究方法

　　研究在模型装置中进行，活性污泥法运行采用SBR方式，程序由LOGO时间控制器实现。模拟废水有机底物分别为苯甲酸钠和葡萄糖，COD控制在1000 mg/l左右；并投加一定的无机盐以维持微生物生长的营养均衡和pH中性条件。废水中COD:N:P控制在100:5:1，以使所含的磷恰好满足微生物生长需求，没有积磷菌积磷现象。
　　反应器中的污泥浓度维持在1800 - 2400 mg/l，污泥先培养驯化三周以上，适应了单一基质环境后，取水样、泥样进行分析。
　　胞内聚合物的分析方法为：PHB--气相色谱法；糖原--蒽酮法；胞外聚集物ECP用热提取法，然后测定碳水化合物。

结果与讨论

　　1、溶解性COD在曝气初期的快速降解现象
　　由图1可以看出：苯甲酸钠和葡萄糖废水的COD在曝气初期存在一个快速降阶段。前10分钟下降速率极快，速率超过了 50mg/l.min，且速率几乎不变，呈直线下降，这种现象与Libor Novak描述的数学模型相符。10 - 15分钟后速率骤然减缓，60分钟后COD还有略为上升的趋势。
　　2、污泥驯化对COD快速降解的影响
　　由图2可知：刚从校污水处理站取来的污泥未经曝气，不适应新的废水，故对苯甲酸钠的去除率很低，且将自身吸附的物质释放出来而导致COD有一个略微升高的过程（系列1）；经4小时曝气后的污泥，在开始的10分钟内有一个快速吸收过程，但因其不适应新的废水，COD的去除率很低（系列2）；经葡萄糖废水培养驯化的污泥，主要由适应葡萄糖的优势菌种组成，故对苯甲酸钠的去除效果很差，不出现COD的快速降解过程（系列3）。
　　3、胞内聚合物含量随时间的变化
　　从图3可以看出，苯甲酸钠废水在曝气过程中，随着COD的降低，污泥中胞内聚合物PHB的含量随之增加，从开始的0.096 mg/mgVSS增加到60分钟时的0.272 mg/mgVSS ，60分钟以后PHB的含量开始下降；而细胞表面聚合物中碳水化合物含量基本接近于零，表明废水中的溶解性有机物并没有停留在细胞表面，而主要是被细胞吸收到体内形成了胞内聚合物PHB。 在60分钟内有59%被去除的苯甲酸钠转化为PHB。其后继续曝气，COD 降到56mg/l以下，细菌进行内源呼吸，该阶段PHB作为能源和碳源被消耗，至曝气4小时PHB的含量已降至0.191 mg/mgVSS 。
　　葡萄糖废水有类似的规律，曝气初期的10分钟内，总碳水化合物从0.179 mg/mgVSS增长到0.289 mg/mgVSS，其中胞外碳水化合物从0.0024 mg/mgVSS增长到0.0058 mg/mgVSS，占总增长量的3%，胞内碳水化合物从0.176 mg/mgVSS增长到0.283 mg/mgVSS，占总增长量的97%，约有24.5% 被吸收的葡萄糖转化为胞内碳水化合物--糖原而贮存。

　　

　　

结　论

　　1、未经培养驯化的污泥对溶解性有机物--苯甲酸钠和葡萄糖降解作用甚微，在曝气初期不存在COD的快速降解阶段；而经该物质培养后的污泥对该物质有较好的吸收转化作用，在曝气初期30分钟内COD快速降解，去除率可达90%以上。
　　2、被吸收的苯甲酸钠几乎不在细胞表面停留，转入细胞内主要以PHB的形式贮存，转化率约为59%；而葡萄糖仅有约0.8%滞留细胞外，转入细胞内的主要以糖原形式贮存，转化率约为24.5% 。
　　3、后续曝气过程中，胞内聚合物在内源呼吸阶段作为碳源和能源而被消耗。