运用动力学模型研究盐度对厌氧生物的抑制作用

曾光明¹, 何 静^1,2, 马荣骏³, 焦 胜¹

(1.湖南大学 环境工程与科学系,湖南 长沙,410082;

2.长沙市环保职业技术学院,湖南 长沙,410004; 3. 长沙矿冶研究院,湖南 长沙,410012)

摘要: 分别用未经盐驯化的污泥和经10 g/L及20 g/L盐驯化过的污泥对废水中化学耗氧量的降解性能进行对比研究,并研究盐度对厌氧生物的抑制特性。研究结果表明:用未经盐驯化的污泥处理含盐水样,当水样中含盐量小于或等于20 g/L时,盐对厌氧生物降解葡萄糖的抑制类型是反竞争型;当水样中含盐量达到30 g/L时,抑制类型属混合竞争型;用经10 g/L和20 g/L盐驯化的污泥处理含盐废水,当处理的废水含盐量与驯化污泥的盐浓度相同或相近时,驯化污泥对该种环境呈现较好的适应性;反之,当用驯化污泥处理与驯化污泥盐浓度相差较大的废水时,驯化污泥对微生物降解产生一定的抑制作用,且浓度相差越大,抑制作用越明显。

关键词: 动力学模型; 盐度; 厌氧生物; 降解; 抑制作用

中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)04-0599-06

Application of dynamics model to salinity inhibiting anaerobe

ZENG Guang-ming¹,HE Jing^1,2, MA Rong-jun³, JIAO Sheng¹

(1. Department of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

2.Changsha Environmental Protection College, Changsha 410004, China;

3. Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, Changsha 410012, China)

Abstract: The removal of chemical oxygen demand of wasterwater by anaerobic sludge cultivated without or with 10 g/L and 20 g/L salt was comparatively studied, and the characteristic of salt inhibition to anaerobic microorganisms was deeply investigated. The experimental results show that in the treatment of saliniferous wastewater by sludge cultivated without salt, when the influent salinity is below 20 g/L, the salt inhibition type of anaerobic microorganisms biodegradation glucose wastewater is anti-competitive; when the influent salinity arrives at 30 g/L, the salt inhibition type is mix-competitive. Treating the wastewater with sludge cultivated by 10 g/L and 20 g/L salt, when the influent salinity is similar to that of sludge, the sludge cultivated by salt would be better adapted in the environment with salt;otherwise,when the influent salinity is different from that of sludge, it would inhibit anaerobic microorganisms biodegradation, and the greater the salinity difference the more obvious the inhibition.

Key words: dynamic model; salinity; anaerobic microorganisms; degradation; inhibition

   我国沿海城市多为淡水资源匮乏的地区,随着其城市发展步伐的加快,淡水资源短缺已成为阻碍沿海城市经济发展的一个重要因素。为了缓解淡水资源短缺所带来的问题,丰富的海水资源被大量地引入使用,如海水用作工业冷却水、工业生产用水、农业灌溉用水及城市生活用水^[1,2]。但无论海水用于哪一方面,最终都将排入城市污水处理厂。海水与淡水有着显著的差别,海水含盐量一般约为3.5%,为河水含盐量的293倍,盐类离子Na⁺,K⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,SO²⁺₄和Cl^-的浓度也均显著高于河水中的相应值^[3-5]。这些盐类离子对活性污泥具有一定的抑制作用,故用于处理该类污水的活性污泥必须经过特殊的驯化才能达到预期的效果^[6-11]。

为此,本文作者利用含盐度高的葡萄糖水样,对未经盐驯化和经不同盐度驯化的污泥中厌氧生物的抑制特性进行实验研究,同时结合Monod方程,推导在不同盐度的水样和厌氧污泥的条件下反应过程的动力学方程,并探讨盐度对厌氧生物处理的抑制程度及抑制机理。

1 实验材料与方法

1.1 污泥的驯化方法

将种泥置于(36±2) ℃恒温水浴内,并维持种泥的pH值在7~8的范围,在不同盐度的溶液中逐步进行培养、活化(驯化液与其相对应的处理水样在温度和pH值上基本保持一致)。培养液中的盐度按每次5 g/L递增,每次增加盐度后,待化学厌氧量(COD)降解率恢复到原来的80%以上、出水碱度与挥发性脂肪酸(VFA)的浓度比大于2、且VFA浓度低于8 mmol/L时,再次增加盐度;如此反复,直到增加到所需的盐度为止(每次驯化时间大约为45 d)^[12-17]。

1.2 废水来源

本实验所用废水(或营养液)为葡萄糖、氯化氨和磷酸二氢钾按COD与N及P的质量浓度比为200∶5∶1配制而成的溶液^[18,19]。废水中的无机盐含量用废水中所含NaCl(食用盐)的浓度计,所用水为蒸馏水。

1.3 实验方法

在不同实验瓶中分别加入相同浓度的基质(自配葡萄糖营养液)、不同浓度的盐分以及经不同盐度驯化的污泥,定时取样分析各反应瓶内基质的剩余量,得到不同盐度下各反应瓶内基质中厌氧生物的降解过程曲线及其拟合方程,计算得到不同盐度对厌氧生物降解该基质的抑制动力学常数和动力学方程,并进一步确定抑制机理^[14]。本实验在常温常压下进行,pH值控制在7~8的范围。

2 厌氧生物抑制动力学模型分析

2.1 厌氧生物抑制动力学模型

由Monod方程^[20-23]得:

式中:v和v_max分别为有机底物的比降解速度和最大比降解速度,d^-1;ρ₁为反应器内有机底物的质量浓度,mg/L;K_s为存在抑制物质时的饱和常数,mg/L;ρ₂为微生物的质量浓度,mg/L。

2.2 动力学参数的求解

在该实验中,基质为中等浓度,进水基质质量浓度(ρ₀)保持不变,并通过定期测量微生物浓度、及时排泥来保持微生物质量浓度(ρ₂)基本稳定,通过改变水力停留时间(t),使得反应物在反应器中完全混合,即进水基质质量浓度(ρ₀)和出水基质质量浓度(ρ_e)相等,利用兰维弗-伯克作图法,将式(1)取倒数得:

以1/v对1/ρ_e作图可得一条直线。由直线的截距和斜率即可求出v_max和K_s^[20]。

Monod方程也可用下式来描述^[21]:

在该实验中,产甲烷菌的世代时间为4 d左右,故可将微生物浓度视为常数,式(1)中的v_max也可视为常数,则式(4)变为:

其中:K为存在抑制物质时的基质最大比去除速率,d^-1。由式(5)可知,K与v_max相等。

另外,生物抑制效应通常与是否有抑制物质时动力学常数(K和K_S)的变化有关,其形式可表示为:

式中:K^*和K^*_s分别为K和K_s的抑制项系数;K₀为不存在抑制物质时的基质最大比去除速率;K_s0为不存在抑制物质时的饱和常数。

通过比较K,K_s和K₀,K_s0,可推知抑制类型:

a. 对于竞争型,有K=K₀, K_s>K_s0, K^*=1.0, K^*_s>1.0 ;

b. 对于非竞争型,有K〈K₀,K_s=K_s0,K^*〈1.0, K^*_s=1.0;

c. 对于反竞争型,有K〈K₀,K_s〈K_s0,K^*〈1.0, K^*_s〈1.0;

d. 对于混合型,有K〈K₀, K_s>K_s0, K^*〈1.0, K^*_s>1.0。

根据上述方法确定的抑制物质的抑制类型,可以分析其抑制机理,进一步采用动力学稳态处理法,即可求出该抑制类型下的基质厌氧生物降解的抑制动力学常数K₁。

3 实验结果及分析

3.1 未经盐驯化的污泥厌氧生物降解有机物受盐度抑制的动力学实验

对未经盐驯化的污泥厌氧生物降解有机物受盐度抑制的动力学实验结果,按式(3)进行线性化处理,结果如图1所示。根据拟合直线的斜率和截距,求得不同盐度时,厌氧生物降解葡萄糖反应的动力学常数K(或v_max)和K_s,并根据式(6)和式(7)计[CM(22] 算抑制系数K^*和K^*_s,结果见表1。由表1可知:

图 1   盐抑制未经盐驯化污泥厌氧生物降解葡萄糖反应动力学实验结果

Fig. 1   Results of dynamics experiment about salinity inhibiting sludge without cultivated salt to biodegrade glucose wastewater

表 1   盐抑制未经驯化污泥厌氧生物降解葡萄糖反应动力学实验结果

Table 1   Results of dynamics experiment about salinity inhibiting sludge without cultivated salt to biodegrade glucose wastewater

   a. 当水样中含盐量小于或等于20 g/L时,抑制系数K^*〈1,K^*_s〈1,此时抑制剂(盐)对厌氧生物降解葡萄糖反应的抑制类型是反竞争型。根据酶的抑制作用机理可知,其抑制程度取决于底物浓度,且随底物浓度的增加而增大,但由于抑制剂与酶的结合降低了酶的催化点活性,因而使得动力学系数K和K_s下降。

采用稳态法可以推导反竞争抑制作用的动力学方程:

其中:i为抑制剂(盐)浓度,mg/L;K_i为抑制常数,该值越小,其抑制作用越强。对式(8)求解得K_i=7584.2 mg/L,K_i值较小,表明其对葡萄糖厌氧降解的抑制程度较大。所以,当水样中含盐量小于或等于20 g/L时,按式(8)可得盐对厌氧生物降解葡萄糖反应的反竞争抑制动力学方程:

b. 当水样中含盐量为30 g/L时,抑制系数K^*〈1,K^*_s>1,故可推知此时盐对厌氧生物降解葡萄糖反应的抑制类型是混合型,其反应平衡方程式为^[16]:

  在混合抑制作用中,底物(S)对酶(E)的亲和力小于酶对抑制剂(I)的作用而形成无活性的ESI,不能分解出产物。此外,无论I的浓度多大,都会有一部分酶与I结合成亲和力的EI,故I的浓度增加会导致反应速度减慢甚至趋向于零。由此可见,当水样含盐量高于或等于30 g/L时,生物体中酶与抑制剂的作用增强,与底物结合力减弱,不利于厌氧生物降解水中的有机污染物。

3.2 盐抑制经10 g/L盐驯化的污泥厌氧生物降解葡萄糖的动力学实验

将经10 g/L盐驯化的污泥处理含不同盐度的葡萄糖水样的实验数据经过线性化处理后,结果见表2。由表2可知,K^*和K^*_s均小于1.0,故其抑制类型属于反竞争型。

a. 用10 g/L盐驯化的污泥处理不含盐水样时,基质最大比去除速度v_max=0.715/d,远小于未经盐驯化污泥处理同样水样所得的v_max=1.228/d。用一定盐度驯化的污泥处理无盐废水时,盐度的变化对葡萄糖的降解产生了一定的抑制作用,抑制类型属于反竞争型。

b. 用10 g/L盐驯化的污泥分别处理含盐量为10,20和30 g/L的水样时,v_max分别为1.433,0.588和0.477/d,比用无盐污泥驯化的污泥处理所得到的v_max(分别为0.586,0.281和0.270/d)大,表明处理含盐废水时,用一定盐度对污泥进行驯化,可提高污泥的有机物降解能力。

3.3 盐抑制经20 g/L盐驯化的污泥厌氧生物降解葡萄糖的动力学实验

对经20 g/L盐驯化的污泥处理含不同盐度的葡萄糖水样的实验数据进行过线性化处理,其结果见表3。由表3可知,K^*〈1.0,K^*_s>1.0,故其抑制类型属于混合型。

表 2   盐抑制经10 g/L驯化污泥厌氧生物降解葡萄糖反应动力学实验结果

Table 2   Results of dynamics experiment about salinity inhibiting sludge cultivated by 10 g/L salt to biodegrade glucose wastewater

表 3   盐抑制经20 g/L驯化污泥厌氧生物降解葡萄糖反应动力学实验结果

Table 3   Results of dynamics experiment about salinity inhibiting sludge cultivated by 20 g/L salt to biodegrade glucose wastewater

   a. 用20 g/L盐驯化的污泥处理不含盐水样时,随着污泥驯化盐度的增加,厌氧处理无盐废水的基质最大比去除速度v_max逐渐减小,这说明无盐废水不适合用被盐驯化过的污泥处理。

b. 当用20 g/L盐驯化的污泥处理含10 g/L盐水样时,经一定盐度驯化过的污泥处理含盐废水的效果优于未经盐驯化过的污泥,但当驯化污泥的盐度高于废水中的盐度时,其降解能力反而下降。

c. 当水样中含盐量为20 g/L和30 g/L时,其基质最大比去除速度均大于用未经盐和经10 g/L盐驯化污泥处理同样水样的基质最大比去除速度,说明用20 g/L盐驯化污泥处理含盐量大于(或等于)20 g/L废水时,污泥的降解能力较强。

4 结 论

a. 用未经盐驯化过的污泥处理含盐水样,当水样中含盐量小于(或等于)20 g/L时,盐度对厌氧生物降解葡萄糖反应的抑制类型是反竞争型;当水样中含盐量达到30 g/L时,盐度对厌氧生物降解葡萄糖反应的抑制类型属于混合竞争型。

b. 当处理废水的含盐量与驯化污泥的盐量相同或相近时,微生物的降解呈现较好的适应性;反之,当处理废水的含盐量与驯化污泥的盐量相差较大时,则会对微生物的降解产生一定的抑制作用,而且浓度相差越大,抑制作用越明显。

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收稿日期:2004-09-12

基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50225926); 国家自然科学基金资助项目(70171055,50179011); 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020532017);国家“863”高技术计划项目(2001AA644020,2003AA644010)

作者简介:曾光明(1962-),男,湖南岳阳人,教授,博士生导师,从事环境系统分析、废水治理等方面的研究

论文联系人: 何 静,女,硕士研究生;电话:13574842856(手机); E-mail: hj_jean@163.com