彭黨聰，王志盈，袁林江，任勇翔
(西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安710055)

　　摘要：對近年發展起來的活性污泥系統非平衡增長新理論，從其概念、發展沿革、理論要點以及在生物處理中的應用等進行了較為全面的論述。結合應用該理 論進行了單級活性污泥法同步硝化—反硝化的實踐，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。
　　關鍵詞：活性污泥系統；非平衡增長；同步硝化—反硝化
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：B
　　文章編號： 1000-4602(2001)02-0019-03

　　1 非平衡增長的概念及發展沿革

　　非平衡增長(Unbalanced growth)是指微生物在環境條件瞬時(Transient conditions) 變化時在增殖方面所表現的一種生理適應(Phsiological adaptation)。當環境條件穩定(St ea dy state)時，微生物會逐漸適應，并形成與該環境相協調的、穩定的最佳細胞合成機制，然后不再進化并維持這一狀態，稱之為平衡增長(Balanced growth)；當環境條件變化時，微生物具有維持原有細胞合成機制的能力，如果在適應新環境之前，環境條件又轉變為原來的狀態，原有的細胞合成機制又未完全退化，則微生物會進行“超量”合成，以抵御環境的變化，微生物對環境變化時的這種增殖響應稱為非平衡增長(Unbalanced growth)。微生物 在非平衡增長下的“超量”合成主要表現為：大分子儲存(Polymer storage)、原始基質積 累(Accumulation)、吸附(Sorption)等。
　　在廢水處理中對非平衡增長的認識始于對生物儲存的研究，很早以前就有關于微生物將基質以polyhydroxyalkanoates、lipids、glycogen等儲存于細胞的報道，但是一直未引起重視。在生物除磷機理的研究過程中發現polyhydroxybutyrate (PHB)、glycogen在聚磷菌的 代謝途徑中起主要作用后，生物儲存才被廣泛關注，并在生物儲存的基礎上逐漸發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 存在著基質濃度 梯度的活性污泥反應器中，微生物的增殖為典型的非平衡增長。最近的研究結果顯示，在交替式(兼氧/好氧、厭氧/兼氧/好氧)等環境變化的甚至穩態的連續流系統中也存在非平衡 增長［1］，可以說非平衡增長是活性污泥系統中普遍存在的現象。通過對非平衡增長系統的深入研究，不僅將大大豐富現有的活性污泥理論，而且將促進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劃(COST)中微生物技術的四個研究專題之一，足見非平衡增長理論在現代活性污泥系統中的地位。

　　2 理論要點

　　非平衡增長系統的主要特征是活性污泥的表觀比增長速率YOBS遠大于平衡增長時 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成：
　　①大分子儲存(YSTO)。在非平衡增長狀態下，微生物將基質合成為PHB等大分子物質并儲存于細胞內。因為這一過程較合成蛋白質等細胞物質要容易，消耗的能量也少，因此相應的生理適應時間也短。從進化的角度看，大分子儲存可能是“超量”增長的主要形式，因此對大分子儲存的研究也最為活躍，已經發現的大分子物質主要有PHB、PHA、Glyc ogen、Lipids等。
　　②原始基質積累(YACC)。微生物可迅速地將基質以原始狀態或小分子的形式儲存于細胞內。從熱力學的角度，原始積累應當比大分子儲存更加有效，所占超量增長的份額應該更高，因為這一過程消耗的能量更小。但相對于大分子儲存，對原始積累形式的“超量”增長則研究較少，其原因可能是缺少相應的測試方法(目前對YACC尚不能直接定量測量，主要采用減量法間接描述)。由于能以原始狀態透過細胞壁的基質較少，可以推斷原始積累將主要以小分子的形式進行。
　　③吸附(YSOP)。吸附指發生在細胞與介質界面的一系列物理化學作用，包括物理吸附、化學吸附以及粘附等。吸附顯然與構成活性污泥微生物的細胞壁形態、性質等有關，且主要發生在細胞外，與以上兩種形式具有質的區別，將吸附納入非平衡增長的這一觀點目前尚有爭議。
　　因此，非平衡增長時的“超量”增長可表述為：

　　ΔY=Y_STO+Y_ACC+Y_SOP

　　由于以上三個過程與平衡增長時的基質利用速率(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利用速率。當外源基質枯竭時，微生物則利用儲存的大分子聚合物或胞內基質進行代謝，以維持其生命活動，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的普遍現象，因此所有影響活性污泥系統的因素對非平衡增長過程都有影響。目前研究較多的有污泥齡、有機負荷、基質以及微生物等。
　　①污泥齡。污泥齡對非平衡增長系統的活性污泥表觀比增長速率YOBS和儲存能力有重要影響。一般來說，污泥齡越長，表觀比增長速率YOBS越小，相應的單 位污泥的儲存能力越高。以Type 021N在恒化器中供給乙酸基質的反應為例^［3］，當污泥齡為0.4 d時，實際增長速率為0.6，表觀比增長速率為0.79，儲存能力為0.27gCOD/gSS；當污泥齡為0.8 d時，實際增長速率為0.45，表觀比增長速率為0.71，儲存能力為0.3gCOD/gSS。
　　②負荷。負荷變化對表觀比增長速率YOBS和實際比增長速率YGRO影響不大，但對組成ΔY的YSTO和YACC影響較大。Dionisi［4 ］采用SBR反應器(仍提供乙酸基質)研究了負荷為0.176、0.352gCOD/(L·d)時，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。以上數據表明，在高 負荷下大分子儲存起主導作用；當負荷較小時，原始積累起主要作用。
　　③基質。目前研究非平衡增長所采用的基質普遍為乙酸和葡萄糖，相應的比增長速率的報道也較為混亂，但乙酸的最大比基質降解速率和氧利用速率則略高于葡萄糖。其他基質對非平衡增長的影響尚不清楚，但可以肯定基質的種類、分子結構、可溶性以及分子質量等對ΔY影響較大。
　　④微生物。研究微生物對非平衡增長的影響基本上按兩條線進行，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體差異性，如Arthrobacter globiformis在非平衡增長下的SUR(基質為葡萄糖)是平衡增長下的4倍，而同樣條件下又是Sphaerotilis natans的2倍^［5］。間歇培養活性污泥系統的表觀比增長速率大于連續培養，沉淀性能好的污泥大于膨脹污泥^［1］，這一結果從另一個側面驗證了活性污泥中菌膠團和絲狀菌的動力學選擇理論。此外，大量的測定結果顯示活性污泥的SUR遠小于(約一個數量級)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，其活性也相應地較低。

　　4 應用

　　依據非平衡增長過程的特點，可以看出這一理論主要從基質的利用、氧的供給和污泥增長等方面影響活性污泥系統，而這些則是活性污泥系統投資、設計和運行管理的主要指標。
　　4.1 供氧
　　活性污泥系統的供氧主要由供氧能力和供氧量來體現，供氧能力決定著供氧系統的投資費用，供氧量則決定著活性污泥處理系統的運營費用。供氧設備的最大供氧能力必須滿足最大耗氧速率時的需氧量，由于非平衡增長系統的OUR遠大于平衡增長系統的OUR，因此非平衡增長系統的供氧設備的供氧能力要大于平衡增長系統。非平衡增長系統的供氧方式通常按固定氧供給模式進行，在高耗氧速率階段，混合液中氧的濃度接近于零，氧的傳質速率大大增加，因此非平衡增長系統的供氧量要小于平衡增長系統，即在同樣的污泥產率下，非平衡增長系統的運營費用要小于平衡增長系統。
　　4.2 排泥
　　活性污泥系統的污泥產率直接決定著污泥處理設備的規模和污泥處理費用。對于非平衡增長系統，如果在高耗氧速率時排泥，其污泥產率將遠大于平衡增長系統(但氧的消耗量將減少)；如果在低耗氧速率的后期排泥，由于儲存于微生物體內的PHB和其他中間產物被進一步代謝，污泥產率與平衡增長系統差異不大。
　　4.3 同步硝化—反硝化
　　非平衡增長系統使單級活性污泥同步硝化—反硝化成為可能。所謂同步硝化—反硝化就是污泥在一個反應器中同時完成硝化和反硝化兩個完全不同的生物過程，雙氧區模型(圖1)被用來解釋活性污泥系統中氮的損失，因為在好氧狀態下，活性污泥的外部為好氧區，可進行生物硝化；由于氧的擴散梯度，內部為厭氧區，可進行反硝化。因此，雙氧區模型成為好氧狀態下單級活性污泥同步硝化—反硝化生物脫氮的理論基礎，然而雙氧區模型存在著一個重大缺陷，即有機碳源的問題。有機碳源既是異養反硝化的電子供體，又是硝化過程的抑 制物質，而在雙氧區模型中，污水中的有機碳源在穿過好氧層時，首先被好氧氧化，處于厭氧區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高 ，而應用非平衡增長的概念，這一問題將得到解決。如果控制適當的條件，污水中的有機碳 源可在很短的時間內大部分儲存于細胞中，既可消除有機碳源對硝化過程的抑制，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，我們在實驗室采用人工基質所進行的試驗中，獲得了75%的同步脫氮效率。

　　5 結論

　　活性污泥的非平衡增長理論是20世紀90年代末發展起來的，人們對這一理論的認識還相當膚淺，諸如儲存的機制、路徑、容量等，特別是原始基質積累還很不完善。由非平衡增長理論在活性污泥系統中所占的重要地位可以預見，隨著現代生物技術的發展，該理論將對污水生物處理產生深遠的影響。

　　參考文獻：
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　　［2］ Peng D C，et al.Effects of oxygen supply methods on the performance of SBR for high ammonium nitrification［J］.Water Envir Res,2000，72(2)：1-7.
　　［3］ Van Aalst-van Leeuwen M A, Pot M A, van Loosdrecht M C M，et al.Kinetic modeling of poly(β-hydraxybutyrate)production and consumption by Palacoccus pa ntotrophus under dynamic substrate supply［J］.Biotech Bioeng,1997，55(5)：773-7 82.
　　［4］ Dionisi D.An experimental methodology to study unbalanced growth in activated sl udge processes and related effects on population dynamics［J］.IWA Newsletter,20 00，12：10-13.
　　［5］ Baccari M,Di Pinto A C,Ramadori R，et al.Effects of dissolved oxygen and diffusion resistance on nitrification kinetics［J］.Water Res,1992，26(8)：1099- 1104.

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收稿日期：2000-06-02