厌氧颗粒模型的研究进展

刘甲红，张倩倩，吴 凯，杨毕娥，郭立新，金仁村

（杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州 310036）

厌氧颗粒模型的研究进展

刘甲红，张倩倩，吴 凯，杨毕娥，郭立新，金仁村

（杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州 310036）

颗粒污泥因具有良好的沉降性能及生物活性而广泛应用于厌氧生物处理中.构建颗粒污泥模型对于模拟反应器的运行性能、预测反应器的处理效果、优化反应器的设计及调控过程的运行具有重要作用.综述了厌氧颗粒的多层模型、互养的微生物模型、非层结构模型、颗粒群模型以及颗粒堆积模型等多种结构模型，为高效厌氧反应器的设计和优化提供依据.

厌氧颗粒；数学模型；颗粒模型；厌氧反应器

厌氧生物反应器是应用于污水处理的一种生物处理系统，而对厌氧颗粒的研究促进了污水处理技术的进一步发展.厌氧生物处理，因其运行费用低、能耗少且可产生沼气生物质能等优点，得到了广泛的研究与应用［1］.而厌氧颗粒污泥的发现又是污水处理技术发展过程中的一个里程碑，为了优化厌氧反应器的操作和设计，有必要建立理论上可信、实际应用上可行的数学模型.厌氧反应器中厌氧微生物可以集聚形成颗粒，而由于颗粒污泥具有良好的沉降性能，使得反应器中可以滞留大量的微生物且具有较高的生物多样性，从而提高了反应器的处理能力和效率.能够形成颗粒污泥并维持其稳定是厌氧反应器成功应用于废水处理的关键［2］.迄今为止，大多研究旨在假设及解释颗粒化的机理，而对厌氧颗粒污泥的数学模型却研究不够［3］.鉴于此，本文拟对厌氧颗粒污泥数学模型方面的进展作一综述，以期为高效厌氧反应器的设计和操作优化提供依据.

1 颗粒结构模型

在适宜的条件下，厌氧生物反应器内部的微生物能够相互粘附在一起，并成长为颗粒，这种颗粒具有三维结构.颗粒内部的微生物组成及其分布对基质的转化起重要作用.基质的转化既受传质影响，也受功能菌的生物量和活性控制.许多作者已经报道，决定颗粒结构的主要因素是基质的降解动力学而非颗粒形状［4－6］.微生物颗粒的微观水动力学行为直接决定了其内部的传质方式和反应效率.Batstone等［4］提出了一种生物颗粒结构模型，它能预测二维的颗粒结构.该模型以基质的扩散和降解动力学为依据，能精确预测针对不同类型颗粒结构的实验结果，这就说明了生物颗粒的结构主要是受基质的动力学影响，而非颗粒形状.Loosdrecht等［7］认为一个二维的模型即可表示生物颗粒的三维结构，Picioreanu等［8］同样支持以上观点.因此，本文所提到的关于生物颗粒结构的不同模型对二维和三维的生物颗粒均适用.

此外，微生物颗粒的形成过程、结构特征和代谢特性均与系统内的剪切力紧密相关［3］.由于颗粒表面的基质浓度存在梯度，在颗粒的生长过程中，对基质的摄取总趋向于从低浓度到高浓度的趋势，同时颗粒的成形过程也是趋向于由不规则的结构到规则的结构［9］.但是由于存在剪切力，微生物颗粒的生长过程与由于一系列剪切力及水力冲刷作用导致颗粒破碎的过程之间存在动态平衡，使得微生物颗粒表面形成光滑、致密而稳定的结构，而微生物颗粒表面松散的部分和新生长出来的不够稳定的部分被及时地去除，从而使较早在颗粒内部形成的表层变得更加致密.

同时，基于Imajo等［10］提出的以下两种假说：1）颗粒污泥是以原有接种的污泥为内核继续生长形成的；2）由于生物膜的老化以及在水力剪切力的作用下，部分生物膜脱落形成颗粒.Ni等［11］在研究低氮负荷下失活的产甲烷菌与厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）间的相互关系时认为：颗粒污泥的形成是随着部分污泥或颗粒的破碎以及由于缺少基质等原因而成为碎小的絮体，这些絮体在剪切力的作用下相互粘连形成颗粒.同时，有报道［12－13］认为破碎的颗粒或絮体可以再度成为内核而形成颗粒.

1.1 多层模型

MacLeod等［14］和Guiot等［6］为UASB反应器处理碳水化合物的颗粒污泥提出了一种三层结构模型：处于颗粒最内层的是乙酸型产甲烷菌；产H2细菌和H2的利用细菌是中间层的主要菌群；外层主要分布一些混合的细菌，包括杆菌、球菌和丝状菌.同时根据外层物质传输、内层扩散及基质动力学理论，Canovas等［15］提出了两层结构模型，假设在颗粒的外层形成了乙酸型膜，内层形成产甲烷型膜.而在上述模型计算中未用到实际所测得乙酸量及产甲烷量这两个参数，使得模型的模拟缺乏实际数据的支撑.同时Tartakovsky等［16］将3种微生物菌群考虑在内提出了多层模型，但其模拟值略偏离实验值.Huang等［17］提出了多层结构模型，由实验数据模拟得出，多层结构优于均匀结构，几乎不偏离实验值.

UASB反应器中颗粒的分层结构在Ahring等［18］和Lens等［19］的著作中均采用免疫学和组织学的方法进行研究.Arcand等［20］的动态模型也支持该结构，对分层结构的类似支持也可在Santegoeds等［21］微电极报告中找到.Sekiguchi等［22－23］和Tagawa等［24］通过荧光原位杂交实验也证实了该分层结构.一个明显的分层结构可在产甲烷菌和硫酸盐还原菌的颗粒中发现，在外层的50～100mm处主要分布硫酸盐还原菌，里层主要是产甲烷菌［25］.不像最初MacLeod等［14］所提出的多层模型，较近的研究表明，UASB反应器中的颗粒具有大的、隐秘的、非染色的中心，在这些中心中没有任何古细菌和细菌存在的迹象［26］.事实上，这些非染色的中心，可能是由于细菌代谢产生的非活性物质和衰亡的菌体以及无机物质积累的结果.

Schmidt和Ahring［25］就发现了在厌氧生物颗粒中胞外产物（ECP）的重要性，他们总结了ECP在构建颗粒空间结构和维持其稳定性方面所起的重要作用，但对其在厌氧生物颗粒形成过程中的贡献还不确定.大量的ECP对于形成活性颗粒并非总是有益，因为它会降低颗粒的孔隙率，从而增加了基质的传质阻力，而过多的ECP甚至会破坏絮体.

1.2 互养的微生物群体模型

根据互养的微生物群体模型，不同的微生物群体之间的互养关系对于有效分解复杂有机化合物非常必要.事实上，互养的微生物群体为中间代谢产物种间传递提供了在动力学和热力学方面的条件，从而引发了高效的基质转化［27］.协作的要求会驱使细菌形成颗粒，在颗粒内不同的菌群相互协作，从而更容易存活.

在厌氧微生物降解有机物的复杂过程中包含着诸多种类的微生物，且上述微生物相互共生于整个系统中并以厌氧反应的代谢产物及某些中间产物作为基质.互养的微生物群体模型还认为，上述互养微生物群体生长所必需的物质导致了微生物群体及最初颗粒的形成［28］.厌氧颗粒实际上是在生物处理系统中经一定的物理条件，由一系列的微生物个体相互聚集形成的相对稳定、连续、多细胞的团聚体.同时，颗粒结构体系中微生物间相互紧密的粘连，促进了代谢物质的传递与交换.

在颗粒污泥的形成过程中，不同的微生物代谢过程中所参与的微生物菌群是不同的，上述不同菌群间微生物的互养关系对于颗粒化的形成也十分有利，因为在上述颗粒化的过程中所需的这些相互关联的细胞及微生物聚集体能够降低微生物代谢过程中所需的代谢能.为了保持较高的代谢效率，与颗粒化相关的代谢细胞呈有序的结构［29］.

1.3 非层结构模型

与多层模型相反，厌氧生物颗粒的非层结构也有被报道［15，30－31］.有证据表明，UASB反应器中颗粒的分层结构出现在以糖类为基质时，而非层的颗粒结构出现在以水解和酸化为基质降解的限速步骤（如蛋白质为基质）时［15，32］.这可能是因为与蛋白质的降解相比，糖类的分解具有不同的初始步骤.糖类分解为小分子化合物要比随后中间产物的降解快，而蛋白质降解的起始步骤却是限速步骤.通过荧光原位杂交实验并结合共焦激光扫描显微镜，可发现以蛋白质为基质的颗粒是非层结构的，其中，联合甲烷鬃毛菌（Methanosaetaconcilii）分布较为随机［24］.但是，采用同样的基质，有时往往可形成不同的颗粒（即优势菌群不同）［25，32］.

基于UASB中颗粒的显微镜检验，Fang［32］提出颗粒中微生物的分布主要取决于基质降解热力学和动力学特性.因此，不同的分解代谢途径可能会导致不同的颗粒结构.因废水成分变化导致稳定的颗粒污泥床发生自发和突发的冲失现象，是UASB反应器运行过程中的一个常见问题.到目前为止，没有一个关于颗粒结构的模型能够解释该现象.如果存在一个相对独立于废水成分、但又能引发UASB反应器中颗粒形成的因素，那么废水水质的变化将不会引起整个颗粒污泥床的破坏.因此，有理由相信肯定有一种与基质成分相关的因素有助于颗粒污泥的形成，但迄今未见一种颗粒结构模型考虑此问题［33］.

1.4 颗粒群结构

Gonzalez－Gil等［34］研究了膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器中厌氧颗粒的结构，发现在黑色的球形颗粒表面有许多发白的点.他们对颗粒进行十字分区，发现这些发白的点似乎是嵌在黑色球体中的白色群.通过高倍显微镜观察发现，那些白色的群主要由乙酸营养型产甲烷细菌Mathanosaetaspp.组成，而黑色的区域由互养的微生物群体和氢营养型的产甲烷细菌（如甲烷杆菌和甲烷螺旋菌）组成.利用16SrRNA探针对颗粒进行荧光原位杂交实验，结果显示70%的细菌属古细菌域，30%属真细菌域.作者对于微生物的群聚结构比分层结构具有优势的原因做出了合理的解释.在黑色区域产生的乙酸通过随机扩散向各个方向传递，并从四周渗入Methanosaeta菌群.因此，基质耗尽的区域被包围，从而允许每单元区域有更多的活性生物增长.

Batstone等［4］研究了基质降解动力学特性对颗粒中菌群结构的影响.这些颗粒由包含溶解和颗粒的蛋白质废水培养，颗粒具有均一的结构.这种结构的主要成因可用生物颗粒模型解释.他们认为，与其说是废水中的蛋白质，不如说是废水中的颗粒和颗粒水解较慢导致了颗粒结构的均一.因为固体的水解速度较慢，溶解性基质的浓度非常低（低于Monod半饱和浓度），颗粒的生长速率也较低.

从以上信息可以得出，决定颗粒结构（即颗粒内部微生物群的组织形式）的主要因素有两个：废水中有机化合物的性质和基质降解的动力学特性.

颗粒中不同微生物种类的相对丰度是构建生物颗粒模型的另一个重要因素，这主要取决于基质的浓度.由于在同一个反应器中存在基质的浓度梯度，从而导致在同一反应器的不同部位所获得的颗粒微生物组成是不同的.因此，需要构建考虑微生物结构和成分的更稳健的模型.这样的生物颗粒模型能够用于开发功能更多、可重现、精度较高的反应器模型.

2 颗粒堆积模型

唐崇俭等［35］在高负荷ANAMMOX反应器中研究了颗粒污泥的堆积模型.在高负荷反应器中，较高的液体升流速度及产气率使反应器的流态呈全混合状态，基质和污泥浓度在反应器内分布均匀.在稳态条件下，反应器内污泥浓度、污泥活性及基质浓度均趋于稳定，颗粒污泥粒径均一.颗粒污泥的堆积类似于晶体中原子（离子）的堆积，故仿照晶体的堆积方式探讨颗粒的堆积模型：

式中，D——堆积密度，%；ξ——空隙体积，L；V——堆积体积，L.

而在构建颗粒堆积模型时，引入晶体堆积模型中配位数的概念来表征颗粒污泥的堆积方式［36］.理论分析表明，单一粒径球体的最大配位数为12，最小的配位数为4，且配位数与堆积密度一一对应，拟合可得堆积密度（D）与配位数（x）间关系为：

污泥浓度（Cx）与堆积密度（D）的关系为：

式中，mG——单颗颗粒污泥的质量，g；SV——污泥沉降比，%；VG——单颗污泥的体积，L；ρG——颗粒污泥的密度，Kg/m3；Q——反应器进水流量，L/d.

实际HRT（θR）与污泥堆积密度（D）和污泥浓度（Cx）的关系：

反应器容积转化能力（R）与污泥堆积密度（D）的关系：

图1 ANAMMOX反应器模型示意图Fig.1 Scheme of ANAMMOX reactor model

反应器物理模型示意图如图1.

其中，R——反应器的容积转化速率，Kg/（m3·d）；U——污泥的比厌氧氨氧化活性，KgN/（KgVSS·d）.

即

理论上认为容积转化速率（R）在数值上等于1L反应器在1d内转化的基质质量M（g），则可用M表征反应器的效能：

式（8）为理想状态下ANAMMOX反应器容积效能与污泥浓度的数学模型.而在反应器的实际运行中，基质的转化条件会受外界各种因素的影响，故设置修正系数a.即

其中，α，β，γ均为修正系数；c——容积基质负荷，kg/（m3·d）.

上述模型模拟结果显示，各模拟值与实测值相对误差均在6%以内，表明该模型能够很好地模拟反应器的运行性能.

3 结 语

在建立厌氧反应器颗粒模型时，颗粒的结构起了重要的作用.研究表明，颗粒的结构和细菌的组成主要取决于废水的类型.各种不同的理论分别用来支持分层和不分层的颗粒结构.同一反应器中颗粒结构的差异至今还不清楚，在模型中引入这些差异给建模者提出了挑战.同时，由于颗粒的成因存在多种说法，也使得颗粒模型的建立存在一定的难度与差异.对于厌氧反应器而言，能够形成颗粒污泥是其运行与处理效能的主要贡献者，因此，建立颗粒模型对于厌氧反应器至关重要，用一简单的颗粒模型就可以模拟实际的处理过程，对实际操作有很好的指导意义.而颗粒堆积模型的搭建，又为反应器颗粒污泥的优化培养提供了一种有效的工具.

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Research Advances of Anaerobic Granule Model

LIU Jia－hong，ZHANG Qian－qian，WU Kai，YANG Bi－e，GUO Li－xin，JIN Ren－cun
（College of Life and Environmental Sciences，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

Granular sludge is widely used in anaerobic biological technology due to the good settling ability and excellent bioactivity.Constructing granuler sludge model plays an important role in the simulation of reactor performance，the prediction of treatment efficiency，the optimization of the reactor design and the process regulation.This article summarized multiple structure models，including multilayer model of anaerobic granule，syntrophic microbial model，non－layered structure model，granule structer model and granule accumulation model.The researches provided references for the design and optimization of high－rate anaerobic reactor.

anaerobic granule；mathematical model；granule model；anaerobic reactor

X703.1

A

1674－232X（2012）06－0505－06

10.3969/j.issn.1674－232X.2012.06.006

2012－09－10

国家自然科学基金项目（51078121）；国家级大学生创新创业训练计划项目（201210346001）；杭州市科技发展计划项目（20120433B20）.

金仁村（1979—），男，副教授，博士，主要从事环境生物技术和水污染控制研究.E－mail：jrczju＠yahoo.com.cn