生物选择器的基本理论和应用

生物选择器的作用机理：
1 生物选择器的定义
为了促进快速生长菌(非丝状菌)的生长，抑制慢速生长菌(丝状菌)的生长而在曝气池的入 口处设置的旨在维持较高的底物浓度的一段区域。 根据在生物选择器内曝气与否，一般将其分为好氧、缺氧和厌氧三类。
2 动力学选择机理
污泥中活性微生物的增长都符合Monod方程：
　　　　　　　(1／X)•(dX／dt)=μ=μmax[S/(KS+S)]
　　式中：X——生物体浓度，mg/L
　　　　S——生长限制性基质浓度，mg/L
　　　　　μ——微生物比增长速率，d-1
　　　　KS——饱和常数，其值为μ=μmax/2时的基质浓度，mg/L
　　　　　μmax——在饱和浓度中微生物的最大比增长速率，d-1

大多数丝状菌的 Ks和μmax值比菌胶团细菌 低。按照Monod方程具有低Ks和μmax 值的丝状菌 在低基质浓度条件下具 有高的增长速率 ，而具有较Ks和μmax 值的菌胶团细菌在高基质浓度条件下才占优势。
在基质浓度高时菌胶团的基质利用速率要高于丝状菌 ，故可 以利用基质推动力选择性的培养菌胶团细菌而限制丝状菌的增长。根据这一原理可以在曝气池前设生物选择 器 ，通过选择器对微生物进行选择性培养以防止污泥膨胀的发生.根据生物选择器中曝气与否可将其分为好氧、缺氧、厌氧选择器。具体方法是在曝气池首端划出一格或几格设置高负 荷接触区,将全部污水引入第一个 间格并 使整个系统中不存在浓度梯度(进行搅拌使污泥和污水充分混合接触 )。在好 氧选择器内需对污水进行曝气充氧 ，而缺氧 、厌氧选择器只搅拌不曝气。
好氧选择器防止污泥膨胀的机理是提供一个氧源和食料充足的高负荷区，让菌胶团细菌率先抢占有机物而不给丝状菌过度繁殖的机会。
　　缺氧选择器和厌氧选择器的构造完全一样，其功能取决于活性污泥的泥龄。当泥龄较长时会发生较完全的硝化，选择器内会含有很多硝酸盐，此时为缺氧选择器；当泥龄较短时选择器内既无溶解氧又无硝酸盐，此时为厌氧选择器。缺氧选择器控制污泥膨胀的主要原理是绝大部分菌胶团细菌能够利用选择器内硝酸盐中的化合态氧作氧源进行生长繁殖，而丝状菌没有此功能，因而其在选择器内受到抑制，大大降低了污泥膨胀的可能性。厌氧选择器控制污泥膨胀的主要原理是绝大部分种类的丝状菌都是好氧的，在厌氧状态下将受到抑制，而绝大部分的菌胶团细菌为兼性菌，在厌氧条件下将进行厌氧代谢，继续增殖。但应注意厌氧选择器的设置会增大产生丝硫菌污泥膨胀的可能性(菌胶团细菌的厌氧代谢产生的硫化氢为丝状菌的繁殖提供条件)，故厌氧选择器的水力停留时间不宜过长。
3 生物吸收机理
在介绍吸收作用之前需澄清一个概念：吸附作用(adsorption)和吸收作用 (absorption)。吸附作用是指污水和污泥接触的初期，污水中颗粒状和胶体状的非溶解态有机物被活性较强的污泥吸附在表面，从而使混合液中的 BOD迅速下降，在胞外水解酶的作用下吸附在污泥颗粒表面的非溶解态有机物被水解成可溶性小分子而回到混合液中，从而使水中的 BOD又开始上升，即存在释放现象；而吸收作用是指混合液中溶解性小分子有机物穿过细胞膜进入细胞内，以前人们认为吸收作用对水 中 BOD 的去除不会很快，但最近的研究表明，菌胶团细菌在负荷为 150 mgCOD／gMLSS的情况下，最初 30 min内 对混合液中可降解 的溶解性 COD 的去 除率 > 65％，一般认为由吸收作用引起的初期去除不会存在释放现象。 一般认为絮体菌比丝状菌对底物具有较高的吸收能力，在选择器内高底物浓度条件下，絮体菌吸收了较多的有机物并贮存在体内，进入主曝气区后利用这部分有机物继续生长，使絮体菌占优势，从而控制了污泥膨胀。
生物选择器的类型：
生物选择器分为三种基本类型,即好氧选择器、缺氧选择器和厌氧选择器。好氧选择器属于动力型选择器( Kinetic Selector)，因为它是利用两种细菌(丝状菌和絮状菌) 不同的动力学反应速率来工作的；而缺氧选择器和厌氧选择器属于代谢型选择器(Metabolic Selector)，因为它们是依靠选择不同的电子受体( Elect ron Acceptor) 来工作的,下面将分别论述。
（1）好氧选择器
好氧选择器(Aerobic Selector) 的机理如图所示，属于动力型选择器( Kinetic Selector)，因为它是利用两种细菌(丝状菌和絮状菌) 不同的动力学反应速率来工作的；，当底物浓度高时
絮状菌与丝状菌生长率对比图
例如S 1，絮状菌的比生长速率大于丝状菌(即μ絮> μ丝)，絮状菌在竞争中占优势；反之，当底物浓度低时，例如S 2 ，丝状菌的比生长速率大于絮状菌(即μ丝> μ絮)，丝状菌在竞争中占优势。这里说的底物既指有机物，又指氮、磷等营养元素和溶解氧，因此可以看出，丝状菌更“饥饿”，对恶劣环境更具有抵抗能力。正是利用以上原理开发出好氧生物选择器，引入浓度梯度的概念，使得选择器进水端具有较高的污泥负荷(即处于S 1 附近) 。
（2）缺氧选择器与缺氧池
属于代谢型选择器(Metabolic Selector)，因为它是依靠选择不同的电子受体( Elect ron Acceptor) 来工作的。
缺氧选择器(Anoxic Selector) 与系统反硝化所设计的缺氧池的重大区别在于两者的目的不同:设置选择器的目的在于控制系统污泥膨胀，改善污泥的沉降性能；而缺氧池是为了实现反硝化，降低出水中的硝酸盐氮浓度。在缺氧选择器中，反硝化细菌利用易降解有机物作为电子供体( Elect ron Donor ), 利用硝酸盐(NO-3)作为电子受体，获得迅速增殖，该过程称作反硝化(Denit rification) 。大多数丝状菌能有效地利用易降解有机物，但不能利用硝酸盐(NO-3) 作为电子受体，所以，如果污水中所含有的易降解有机物在缺氧段被去除，则丝状菌的生长将被抑制。由于反硝化细菌属于絮状菌，因此，该过程控制了污泥膨胀的发生。
（3）厌氧选择器与厌氧池
厌氧选择器(Anaerobic Se2lector) 业属于代谢型选择器，其目的是通过有效去除(此处是吸附) 易降解有机物，达到控制污泥膨胀的目的；而厌氧池的目的是为了除磷。
在厌氧选择器中，聚磷菌( PAO) 释放体内的聚磷作为能源，迅速吸附进水中的易降解有机物，特别是挥发性脂肪酸(VFAs)，而丝状菌和其他的异养菌则没有这项功能；在后面的好氧环境下，有机物浓度降低，在同其他细菌的竞争中，聚磷菌由于吸附了大量的有机物，从而处于绝对优势。由于PAO 也属于絮状菌,因此厌氧选择器具有控制污泥膨胀的作用。同缺氧选择器一样，厌氧选择器也是代谢型选择器，所不同的是聚磷菌在选择器内只是完成了吸附过程，其增殖过程是在后面的主反应区(好氧区)完成的。
由于聚磷菌对溶解性有机物的吸附速度较快，因此厌氧选择器可设计成较小的容积，以泥龄计为0.5～1.0 d ,设计中有时以水力停留时间来计算，为40～60 min。作为选择器来说，希望磷过剩，此时选择效果好。该过程反应快，所需池容小。而作为厌氧池，希望有机物过剩，此时，出水磷浓度较低。由于城市污水成分复杂，厌氧池泥龄的选择受进水水质的限制，若进水中含有大量VFAs，则PAO对VFAs 的吸附可迅速完成，此时，厌氧池需要较短的泥龄；而如果进水中仅有一部分VFAs，则需要有机物在厌氧段进行发酵反应产生VFAs，由于发酵反应速度慢，因此发酵反应成为厌氧段泥龄设计的控制因素。在20 ℃时，若所需要的VFAs 存在于进水中，则厌氧泥龄可短至0.5 d； 若进水中不含有VFAs,但含有的易降解有机物通过发酵反应足以产生所需要的VFAs,则厌氧泥龄大约为1.5 d；若进水中含有部分VFAs，但仍需要部分发酵，则泥龄为0.5～1.5d，这取决于VFAs含量。另一方面，若易降解物质数量不充足，则慢速降解有机物尚需要水解反应，再通过发酵反应生成VFAs，此时厌氧泥龄更长，约2.5～3d。