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诺卡氏菌在活性污泥处理国内废水中的发泡调节作用
摘要
在本次研究中，丝状菌（诺卡氏菌）在发泡污泥中被定义为主要的临时微生物，生长动力学的结果显示诺卡氏菌对于不以生物降解的脂肪酸有相对较强的密切关系，诺卡氏菌能够以从0.413g/gCOD到0.487g/gCOD 的持续增长量消耗各种各样的脂肪酸，低于用在活性污泥法中的常见的F/M值（少于0.5g/BOD/gMLSS/d),诺卡氏菌的特殊的增长率被发现相对于那些非丝状菌来说更有意义。以此为特征，一个新奇的技术FFO形成是由于发泡调节，SVI值很快从300ml/l降到80ml/l，并且进一步平衡在大约70ml/l，整个系统摆脱了稳定的发泡技术，当BOD的去除率达到主要95%。这种控制技术有效的压制了丝状菌的过分增殖并且改善了活性污泥的沉淀性能，而且对于处理表现和过程的稳定性没有不利影响。
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关键字：发泡调节；废水处理；丝状菌；长链脂肪酸
1.引文
在最近几十年，活性污泥法被公认为是最广泛的用于处理各种各样的污水例如生活污水和工业废水的技术（Martins et al,2004)，然而，自从在1914年发展起来，由于膨胀污泥引发的操作问题和处理效率退化已经被认为是全世界在活性污泥法中最普及的问题。（Graveleau et al,2005;Krthutkova et al,2002）
活性污泥法是一种生物方法，它依赖于在絮状物之间的有重要意义的生态平衡系统，例如pseudomonas app,zooloea spp,alcaligens spp,和archrombacter spp,和丝状菌 例如 Nocardia spp.Rhodococcus,Type 1863和 Mirothrix spp.(Martins et al,2004;Rossetti et al,2005;Wagner et al,2002).他们是关键的有机降能器，并且提供类似于骨骼的模型用于形成紧密的絮状物，然而，丝状菌微生物的过分增长已经被普遍认为是泡沫产生的主要原因，，这使污泥的稳定性退化，导致了污泥沉淀率的降低和不紧密的污泥覆盖层。(Jenkins et al ,2004;Jolis et al, 2006;Tsang et al ,2007).
物理因素例如过程设计参数（曝气池的配置参数和饲养制度）和操作条件（例如高的MLSS），低的污泥回转率和低的溶氧量等有助于丝状菌的增长(Martins et al., 2003, 2004; Metcalf and Eddy, 2003).化学因素例如营养平衡和基质成分也在管理丝状菌过分增长方面起到了重要的作用，(Liu and Liu, 2006; Tsai et al.,2003).非离子物质和自产的表面活性剂也有效的增加了泡沫的产生和稳定性。(Iwahori et al., 2001; Pagilla et al., 2002; Theander andPugh, 2003）
膨胀与发泡问题已经得到缓解，由于有毒化学物质的添加，例如氯气和过氧化氢添加到曝气池中或者是污泥回流(Chang et al., 2004; Ramothokang et al., 2003).金属离子例如钙离子、镁离子、铁离子(Philips et al., 2003;Thompson and Forster, 2003; Agridiotis et al., 2007),合成聚合物(Juang, 2005),多组分添加物(Seka et al., 2001)被注意到可以有效的控制膨胀，然而，这些化学处理方法是昂贵的，并且最重要的是，他们只提供短期的解决方法，因为一旦化学添加物停止加入，膨胀与发泡问题会再次出现，活跃的选择是一种方法去控制丝状菌的过分增殖，尤其是在低的F/M值的情况下，这个言论第一次由Chudoba et al 出版（1973）。这个理论陈述了基质中心梯度促进了絮状物的生长，而不是丝状菌的增殖，在所有的活性污泥微生物中。
尽管有许多研究已经出台，但丝状菌过分增殖最根本的原因仍然不明了，并且一些否定的观点依然存在(Martins et al.2004)，并且在絮状物与丝状菌之间没有做详细的比较，基质的数量与类型对于絮状物和丝状菌的影响也没有特别清晰的分辨出来，因此，对于丝状菌增殖的综合理解对于更有效的控制来说是很重要的，另外，通用的丝状菌控制方法仍然是难以获得;应该想出一种划算的方法来解决问题，这种方法可以普遍地用于活性污泥处理一些高脂肪酸的生活污水，同时不会影响措施的执行。
在这项调查研究中，由来自在香港从事污水处理工作的沙田、大埔收集的发泡污泥中最主要的微生物被鉴定出来，普遍的脂肪酸对丝状菌和发泡机理所产生的影响被调查了，对在活性污泥中的的丝状菌和非丝状菌的增长动力学曲线的研究和对比也实施了，通过把诺卡氏菌的增长曲线作为理论基础，一项新的活性污泥操作策略被解读为发泡控制。
2.方法
这项研究分成三部分，在A部分，细胞培养是在活性污泥配制而成，这个方法是沙田和大埔在做污水处理时下定决心为主要的丝状菌微生物机理。在各种各样碳资源受限制的长度和中心的条件下的丝状菌的生长情况也被调查了。在B部分，N. Amarae 和 Pseudomonas aeruginosa的纯培养被发起和被检查，为了掌握他们在仅有碳源，不同的脂肪酸的条件下的生长率。在C部分，根据A和B部分所获得的结果，一个新奇的活性污泥系统通过改变过程操作参数来被设计和研究，来调查发泡控制的影响力。
2.1. part A
2.1.1. 细胞培养
从当地的污水净化厂取得污泥样品中的微生物被利用填充了0.4%的酵母汁和在28度的环境中培育三周的Czapek的琼脂而进行的平板培养所隔离出来。细菌是在被Blackbeard.et al. (1988) and Jenkins et al. (2004).所采纳的条件下被鉴定出来的。这个被隔离出来的菌种培养在500毫升的摇瓶中，同时有在28摄氏度条件下的定轨振荡器中以200转每钟进行培养五天的的无菌的LB。纯培养则被分开接种在摇瓶中，一是在摇瓶中有添加了以各种各样的污水脂肪酸作为唯一碳源的盐度最小的培养基，二是在摇瓶中添加了有各种各样的脂肪酸的经高压灭菌的原污水。
2.1.1. 发泡稳定性测试
0.5g/l的脂肪酸溶液和1N的NaOH、20毫升的酸溶液被添加到980毫升有3400毫克每升的MLSS的活性污泥混合。取混合液中的500毫升到1升的分级的圆筒中，并且以2升每分钟的的空气流速充气通过一个烧结砂制成的扩散器60秒。泡沫高度会在曝气和静止原核期间每十五秒记录一次(Tsang et al., 2006)。这个过程会在1毫克每升和1.5毫克每升的浓度之间重复。
在摇瓶中的诺卡氏菌会经过离心分离有了产出，然后冲洗两次，在蒸馏水中再悬浮获得20克每升的悬浮液。取悬浮液中的5、10、15毫升添加到500毫升有3400毫克每升的MLSS的活性污泥中。分别地，以上描述的同样的测试步骤也被实施。
2.2.Part B
2.2.1细胞培养
诺卡氏菌（ATCC 27810)和铜绿假单胞菌（CRCC 10261)被采用来分别代表在活性污泥中的丝状菌和非丝状菌。这个培养继续维持在2-4摄氏度的酵母液提取葡萄糖的琼脂斜面上。接种也源自于琼脂斜面并且维持在30摄氏度分别72和24小时。这个准备好的MSM利用NaOH调节pH至7并且高温灭菌。脂肪酸被分开准备带有不同长度的碳链，并且为了溶解利用NaOH调节pH至7，然后通过0.45微米的膜滤料进行过滤，接着是灭菌。90毫米的MSM，10毫升的脂肪酸溶液和5毫升的培养液混合在一个带有挡板的烧瓶中，在30摄氏度下进行培养，以200转每分钟的一定周期来实现稳定期。
2.3. Part C
2.3.1.播种与注入
被用作接种体的丝状菌过度繁殖的活性污泥是取自沙田污水处理厂的回流污泥。在将它转移到模拟系统用于启动之前，收集的活性污泥会被2毫米的筛网去除掉粗颗粒。
合成的废水准备作为0.8克每升的葡萄糖、76毫克每升氯化铵、22毫克每升的、并且维持BOD:N:P的比例为100:5:1.平均的BOD和COD的浓度分别为405 13毫克每升和673 24毫克每升（n=160）。
2.3.2.活性污泥模拟器
两阶段的活性污泥模拟器是由两个三升的曝气池和一个沉淀池所组成(Fig. 1).两个曝气池都接收有一定流速的合成废水流和来自沉淀池的回流污泥。这个系统是在FFO计划开始前在传统的环境下经过86天的时间来实现了一个稳定的表现。每个曝气池运作起来都有不同的HRT、MLSS和回流污泥比，这导致了一个相对较高或者较低的F/M值。这个系统是在可以温度为25 1摄氏度的空调实验室运作起来的。这个传统方法的操作条件和FFO模式总结在表格1中。
表格1 在传统的和FFO模式下的操作条件
2.4.分析方法
混合液体和出水水质的所有参数是根据标准方法所确定的(APHA, 1998)。细菌的生长是通过利用Milton Roy分光光度计观察所得光学密度所监测。基质的利用是通过测在培养基中的残余COD而得到监测(APHA, 1998)。
数据表格1 活性污泥模拟器的图解
3.结果与讨论
3.1.Part A
3.1.1.导致泡沫产生的微生物的识别
不同的活性污泥发泡的外观都可以通过显微镜观察得到断定(Richard et al., 2003)。来自沙田和大埔污水处理厂的大部分絮状物的污泥样品的显微镜观察表明了直角分支的纤维状微生物的过分增长，并且单纤维是0.5-1.0x80-160微米。在平板培养上的“占领”阐明解释了气生菌丝的不光滑以及有粉状的外表。在28摄氏度下的摇瓶培养的分离细菌的繁殖时间是10.5小时。这个分离细菌被发现是格兰氏阳性的和奈瑟尔阴性的，并且在经过八小时50摄氏度的抗热测试中无法存活下来。这些形态学的和生理学的特征将这种分离细菌认定为诺卡氏(Blackall et al., 1991; Jenkins et al., 2004; Strom and Jenkins, 1984)。这个丝状也证明了它在活性污泥处理系统的充裕。
3.1.2.脂肪酸对诺卡氏菌的生长的影响
脂肪酸对诺卡氏菌的生长的影响是通过采用不同脂肪酸的高压灭菌的未加工废水来调查的，从用含有脂肪酸的媒介所获得的生物量的浓度比那些从单独的污水媒介要分别高4、3、1.5倍。这个结果显示诺卡氏菌的刺激增长更多的被有更短的碳链的脂肪酸所促进。这个也暗示着在污水中的高浓度的脂肪酸浓度可能会导致诺卡氏菌的过分增长，因此在活性污泥系统中会起泡沫。
3.1.3.脂肪酸和诺卡氏菌的过分增殖对发泡和发泡稳定性的影响
在活性污泥进行过程的中的脂肪酸能促进产生泡沫。在较高的脂肪酸浓度下曝气被中断后，发泡能保持稳定一个周期的时间（表格2）。产生泡沫的程度会因为脂肪酸浓度的增长而增长。这可能归因于脂肪酸的表面活性，这诱导产生了生物表面活性剂，同时增加了稳定性和对抗气泡液膜分解的的抗性。
表格3表明了丝状物的数量对于发泡稳定性的影响。发泡的程度和它的稳定性会随着活性污泥中的丝状菌的增长而增长。当曝气中断的时候，泡沫的高度也是稳定的。
表格2 不同浓度的脂肪酸下的泡沫高度
表格3 不同数量的丝状物下的泡沫高度
3.2.Part B
3.2.1.丝状菌和非丝状菌在碳源不同时的增长
用乙酸培养，对数增长阶段被表明会持续大约50个小时，生物量浓度逐渐达到一个0.22克每升的最大值。其他的脂肪酸，包括，除了，也促进了诺卡氏菌的增长，但是对于长链的脂肪酸来说是在一个较少的显著水平。根据这个结果，在十一个小时的潜伏周期后，在大约0.033克每升的最大生物浓度的的培养下，诺卡氏菌只有一点增长。
与诺卡氏菌的结果相似，铜绿假单胞菌在乙酸培养基中增长很快，达到了持续五个小时的对数增长阶段，并且在第七个小时实现了最大的生物浓度（0.21克每升）。然而，铜绿假单胞菌几乎没办法利用其他的脂肪酸来细菌增长并维持一个持续9个小时操作时间的干细胞质（少于0.05克每升），尤其是对于只促进一点点增长的C24。
3.2.2.丝状菌和非丝状菌的动态选择研究
莫诺动力学模型的最大比生长速率和饱和常数是从单纤维和絮状物形成物的分批培养生长数据，这组数据是通过Lineweaver-Burk方程和线性回归技术获得（表格4）。细菌的生长收率的结果在表格4中表明出来。对于丝状的诺卡氏菌，最大的比生长速率下降，饱和常数随着碳链的长度的增加而增加。这个结果也表明了诺卡氏菌的比生长速率比那些量级3-37倍的铜绿假单胞菌小，尤其是易得到易生物所能降解的乙
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