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2,4-二硝基酚对活性污泥生长动力学的影响研究

摘 要：通过序批式试验研究了2,4-二硝基酚(dNP)对活性污泥生长动力学的影响。当2,4-二硝基酚浓度小于10 mg/l时，污泥产率和相对比生长速率(m/m0)明显下降，但相对基质比降解速率(q/q0)并没有明显降低，抑制系数分析表明，此时1/Ki=0.05，即对活性污泥基本没有毒害；而当投加量大于10 mg/l时，相对比生长速率和相对基质比降解速率均有明显下降，此时抑制系数1/Ki=0.14，毒害作用增强。
关键词：2,4-二硝基酚；生长动力学；产率；抑制性

Effect of 2,4-Dinitrophenol on the Growth Kinetics of Activated Sludge

Abstract:
The effect of 2,4-dinitrophenol(dNP) on the batch growth kinetics of activated sludge was investigated in this study. The yield and the relative specific growth rate(m/m0) of activated sludge decreased significantly at dNP concentrations lower than 10 mg/l, while the relative specific COD removal rate(q/q0) was not affected severely, and the reciprocal of Ki(inhibition coefficient) was 0.05. When dNP levels were higher than 10 mg/l, the relative specific growth rate and the relative specific COD removal rate decreased distinctly, and the reciprocal of Ki was 0.14. Therefore, dNP had inhibitory effect on the activated sludge at dNP concentrations higher than 10 mg/l.
Keywords: Activated sludge; 2,4-Dinitrophenol; Growth kinetics; Inhibition

活性污泥法广泛用于城市废水和生活污水的处理，目前世界上有80%的城市污水处理厂使用这种方法。但是，这种工艺的最大弊端在于净化污水的同时会产生数量惊人的剩余污泥，例如传统活性污泥法每降解1KgBOD5会产生大约15-100l的剩余污泥，用于处理或处置剩余污泥的费用约占污水处理总费用的25%-65%[1]。另一方面，采用填埋或焚烧的方法处置剩余污泥会引起诸多的二次污染问题。因此解决这个问题的根本途径不是在污泥产生后进行后处理，而是在活性污泥处理过程中最大限度的降低污泥产率，即采取各种污泥减量化技术降低污泥产率。有很多方法可以达到这个目的，如：延时曝气[2]、生物捕食[2]、高纯氧曝气[3]等，但是，这些方法或需要消耗大量的能量，或在工程实践中并不可行。

同以上各种方法相比，在污水处理过程中利用解偶联(uncoupling)大幅度降低污泥产率的方法展示了良好的经济前景和工程可行性，具有发展推广的潜力。该方法通过微生物的新陈代谢解偶联机理，将合成代谢和分解代谢相分离，使分解代谢的能量产生部分溅溢，从而有效降低污泥产率[4-7]。本文通过序批试验进一步研究了2，4-二硝基酚(dNP)作为解偶联剂对活性污泥生长动力学的影响。

1 试验与方法
1.1 污泥培养
试验所用污泥来自合肥市某生活污水处理厂，采用人工配水在实验室用15L反应器室温下培养，污泥龄控制在5天。配水中用蔗糖（2000mg/l）做为唯一碳源，另外还有KH2PO4 (52.7 mg/l)、Na2HPO4 (169.7 mg/l)、NH4Cl (200 mg/l)、CaCl2 (7.5 mg/l)、FeCl3 (0.5 mg/l)、MgSO4·7H2O (100 mg/l)及其它微量元素。碳酸氢钠饱和溶液作为缓冲液以维持pH值在7.0左右，而溶解氧（DO）的值保持在4mg/l以上。以下试验均采用同样的污泥和配水。
1.2 试验方法
本试验采用8个6l的平行反应器，其有效容积为5l，由空压机通过曝气头进行充氧曝气，同时起到搅拌作用。转子流量计用来控制试验过程中DO含量，使其维持在4.0左右。试验中同样采用饱和NaHCO3溶液控制pH值位于6.8-7.2之间。反应在室温24oC下进行。

试验以一个反应器作为空白，不投加dNP，其它的反应器分别投加浓度变化范围为1-20mg/l的dNP。反应器中初始混合液悬浮固体浓度（MLSS）为1600mg/l，初始化学需氧量（COD）约为1700mg/l。为了减少内源呼吸对微生物产率的影响，试验只进行3个小时，起始取样后，每隔一个小时取样一次。
在试验中，MLSS、混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）、COD采用标准方法测定[8]；相对比增长速率（m/m0）为投加dNP的污泥比增长速率（m）与没有投加dNP的比增长速率（m0）相比获得；相对基质比降解速率（q/q0）通过投加dNP的基质比降解速率（q）与没有投加dNP的基质比降解速率（q0）相比获得[9]；微生物的产率(Yobs)通过剩余污泥的增加量与COD的去除量之比可得。
1.3 抑制模型
Monod方程描述了单一底物培养下的微生物比生长速率，但也被证明普遍适用于活性污泥的比生长速率。然而当存在抑制作用时，微生物的生长模式有所不同，Ren等曾经用修正的Monod方程(1)来描述这种情况[10]。
(1)
其中：m -------比生长速率
mmax -----最大比生长速率
S -------限制性底物浓度
Ks ------半饱和常数
I -------抑制剂浓度
Ki ------抑制系数
如果没有抑制剂，即I=0, 上式则为标准的Monod方程。

(2)
其中：m0为空白样，即没有添加抑制剂条件下的比生长速率。所以，将方程(2)带入(1)可得：
(3)
或者 (4)
而方程(4)可进一步变形为方程(5)
（5）
方程(5)表明，抑制程度越强，抑制系数（Ki）的倒数越大，因此，1/Ki代表抑制剂的抑制强度。

2 结果与讨论
2.1 dNP对处理效果的影响
图1 COD变化与dNP浓度关系
图1可以看到空白样及dNP的投加量分别为1、2、5、8、10、15和20mg/l时COD随时间变化的降解趋势。与空白相比，dNP浓度低于5mg/l时并不会抑制COD的降解；而当投加量为5mg/l时，对COD的降解产生轻微抑制；当投加量增加到20mg/l时，则会产生严重抑制作用。如：当dNP的投加量从1 mg/l增加到20mg/l时，出水COD从149mg/l增加到820mg/l，而空白为196mg/l。
图2进一步给出了dNP不同的投加量对COD去除率的影响曲线。可以看出，当投加量小于5mg/L时，COD的去除率并没有减少，反而呈微弱的增加趋势；只有当投加量大于5mg/L时，去除率才开始下降。如：dNP的浓度为2mg/l和20mg/l时，COD的去除率分别为91%和53%，而空白为89%。

图2 COD去除率与dNP浓度关系
图3 q/q0与dNP浓度的关系
图3则给出了dNP的投加量与相对基质比降解速率（q/q0）的关系曲线。q/q0随着dNP浓度的增加整体上呈下降趋势。当dNP的浓度从0 mg/l 增加到20 mg/l，q/q0也从1下降到0.6。可以看出，当 dNP浓度小于10mg/l时，q/q0只呈现微弱的降低趋势，而当dNP浓度达到10mg/l时，q/q0产生了一个大幅度的下降，表明此时dNP对活性污泥的作用可能产生了质的变化。另外图3也证明了指数曲线能够很好的与q/q0和dNP的浓度之间的关系相吻合。
2.2 dNP对污泥生长的影响
图4 m/m0与dNP浓度的关系
图5 产率与dNP浓度的关系
dNP不同的投加量对相对比增长速率（m/m0）的影响如图4所示，随着dNP浓度的增加，m/m0整体也呈下降趋势。与q/q0随着dNP浓度变化不同的是，微量的dNP即对m/m0产生明显的抑制作用，如：dNP的浓度为1mg/l时，m/m0相对于空白就下降了16%。而同q/q0随着dNP浓度变化相同的是，当dNP的浓度大于10mg/L时，相对比增长速率（m/m0）也产生了一个大幅度的下降，再次表明此时dNP对活性污泥的作用可能产生了质的变化。类似的，图4表明m/m0和dNP浓度之间的关系也可以用指数曲线来拟合。

图5则进一步描述了不同浓度的dNP对污泥产率（Yobs）的影响。图中可见，随着dNP浓度的增加， Yobs呈明显下降趋势，证明了投加dNP确实可以有效降低污泥产率。当投加量仅为1mg/L时，Yobs就降低了16%，表明少量的dNP即可明显减少剩余污泥产量。当dNP投加量为10mg/L时，Yobs忽然大幅度下降此后随着dNP浓度的增加，产率也不再发生明显下降。
2.3 抑制系数分析
图6 小于10mg/l的dNP的抑制系数
图7 大于10mg/l的dNP的抑制系数
如图6和图7所示，dNP的抑制系数通过抑制剂的浓度和m0/m的关系求得，1/Ki为抑制曲线的斜率。根据上面的分析，图6给出了dNP的浓度小于10mg/L时的抑制曲线，此时，1/Ki,dNP=0.05,验证了微量的dNP对活性污泥基本没有毒害作用；而图7则给出了dNP的浓度大于10mg/L时的抑制曲线，此时1/Ki,dNP = 0.14，表明此时dNP已经开始对污泥产生了明显的毒害作用。上述分析表明，只要在污水处理的过程中，投加适量的dNP，便能够在不影响处理效果的情况下有效降低活性污泥的产率,从而为活性污泥工艺开发剩余污泥的减量化技术提供了一条有效的途径，展示了良好的经济前景和工程可行性，具有发展推广的潜力。

3 结论
试验结果显示了dNP作用下COD的去除率、m/m0、q/q0以及污泥产率的各种变化。当dNP的浓度小于10mg/l时，污泥产率发生明显降低，而COD的去除率几乎不受抑制；当dNP的浓度大于10mg/l时，COD的去除率才开始受到明显抑制。m/m0在dNP浓度从1mg/l到20mg/l的变化范围内都呈现明显的下降趋势，而q/q0只有在dNP的浓度大于10mg/l时，才会受到明显抑制；通过比较1/Ki值的分析，可知小于10mg/L的dNP对活性污泥基本没有毒害，只有当大于10mg/L时才产生明显的毒害和抑制作用。

参考文献：
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[2] Mayhew M, Stephenson T. Biomass Yield Reduction: is Biochemical Manipulation Possible without Affecting Activated Sludge Process Efficiency [J]. Water Sci Technol, 1998, 38(8-9): 137-144.
[3] Abbassi B, Dullstein S, Rabiger N. Minimization of Excess Sludge Production by Increase of Oxygen Concentration in Activated Sludge Flocs; Experimental and Theoretical Approach [J]. Water Res, 1999, 34(1): 139-146.
[4]Strand SE, Harem GN, Stensel D. Activated-Sludge Yield Reduction Using Chemical Uncouplers [J]. Water Environ Res,1999,71(4):454-458.
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[10] Ren S, Frymier PD. Kinetics of the toxicity of metals to luminescent bacteria [J]. Adv Environ Res, 2003, 7: 537–547.