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摘要：目前的研究表明，好氧颗粒污泥对于在没有支持材料存在的（SBR）中处理来自牛场的畜禽养殖废水是有效的。一个实验室规模的序批式反应器SBR以4小时为周期，有机负荷率（OLR）为9 kg COD m-3d-1，运行了80天。结果表明，到实验结束的时候，好氧颗粒从0.1毫米增长到4.1毫米。污泥容积指数（SVI）是42 ml g-1，而反应器中的生物质浓度增长到了10.3 g L-1，代表了颗粒优良的生物质分离和良好的沉降能力。在实验期间，序批式反应器系统中观察到的化学需氧量，总氮和总磷的最大去除率（分别为74，73和70），在序批式反应器系统中表现高的微生物活性。关键词：好氧颗粒污泥 畜禽养殖废水 矿物成分 SBR1、介绍在过去，进行了多项研究，在实验室规模的反应器中利用好养颗粒污泥处理不同类型废水，如大豆加工废水（苏和禹，2005）啤酒厂废水（王等人，2007），屠宰场废水（卡西迪和BELIA，2005年），乳品废水（Schwarzenbeck等，2005），含盐废水（菲格罗亚等人，2008年），和棕榈油坊废水（波姆光）（阿卜杜拉等人，2011）。虽然在合成废水中，好氧颗粒污泥已广泛被研究，但在真正的废水中几乎没有任何好氧颗粒污泥。马来西亚的禽畜业每年增长显着增加并逐渐加快（Ngo，2004）。一般情况下，畜禽养殖废水的化学需氧量（COD），生物需氧量（BOD），颜色，氮，磷和悬浮固体含量都比较高（Lee和Shoda，2008）。排放的畜禽养殖废水中高浓度的磷和氮为接受废水，特别是湖泊和滞销河流的富营养化作出贡献。因此，一个特殊的处理过程是废水处理所需要的。在过去，没有适当的技术，少量的牲畜废水被排放，这对环境污染做出了贡献。大多数畜牧产业采用传统的畜禽养殖废水处理过程。如果未经处理的牲畜废水的排放量和频率较高的话，负面影响将更大。因为试剂的成本高以及物理化学过程对于除去水溶性有机物效果不佳，生物处理过程就成为最优选的。好氧颗粒污泥是生物处理技术之一，可以成功地在序批式反应器（SBR）中处理畜禽养殖废水适培养。因此，本研究试图证明好氧颗粒污泥的培养应用于有效的生物过程，是能够处理畜禽养殖废水的。研究的重点是好氧颗粒污泥的去除效率，处理真实废水的出水水质。此外，文章还提出了对于处理畜禽养殖废水生物质的简况和沉降性能。考虑到好氧颗粒污泥相比于传统污泥絮体的优势，好氧颗粒污泥是一个合理的选择，以及在处理高浓度工业废水时的应用。2、方法 2.1实验程序和反应器操作 一个总体积为5.4 L，工作容积为4 L的圆柱型SBR被用于该实验研究。该塔型反应器被设计为内部直径是10厘米，总高度是68.5厘米。在反应阶段，空气由底部有良好的空气气泡扩散器的反应器引入。空气流量设置1分钟1升？一组两个蠕动泵被用于反应器系统的进水以及废水的排出。该进水被一个位于圆柱体底部的端口引入反应器中。流出的废水被位于反应器中间高度的出口收集，这个出口的体积交换率为50。反应器连续成功运行一个周期4小时（一天240分钟，6个循环）在室温下（27-30）。进水10分钟，沉淀15分钟，排出和闲置每次各5分钟，反应阶段共205分钟。反应阶段包括好氧阶段（185分钟）和厌氧阶段（20分钟）。2.2畜禽养殖废水特性每周从马来西亚的克姆帕斯牛农场收集原始未经稀释的畜禽养殖废水。原料畜禽养殖废水含有尿，冲洗水，血液和粪便，用孔径为1.0毫米的网格过筛，以消除大的碎片和固体材料。收集的畜禽养殖废水储存在2-4 ，直到它被供给到该反应器系统中，去阻止废水中微生物的降解过程。原始家畜废水的特性在表1中给出。2.3种子污泥来自市政污水处理厂的种子污泥与这个实验中用的来自牛农场的污泥等体积混合。曝气池活性污泥取自种子在塔曼HARMONI，种子污泥取自塔曼哈尔摩尼的曝气池，城市污水处理厂，柔佛，巴鲁，马来西亚，印度尼西亚苏木贝尔农场，马来西亚克姆帕斯。种子污泥适应新环境需要一个月，通过逐渐增加废水浓度使活性污泥习惯。具有蓬松，不规则和松散形态的种子污泥，被接种到反应器中混合液悬浮固体（MLSS）2.41 g L-1，污泥容积指数（SVI）242.5 ml g-1。2.4分析方法pH的测定采用猎户座四星级台式pH/ DO仪表。通过使用配备数字图像处理和分析仪的立体显微镜观察颗粒的形态和结构（PAX-ITv6，ARC PAX-CAM）。表1畜禽养殖废水的特点除了pH其他所有参数都以mg L-1为单位。利用扫描电子显微镜（FESEM-Zeiss Supra 35 VPFESEM）观察颗粒中微生物结构的构成。用Perkin Elmer公司的400火焰原子吸收分光光度计（FLAA）检测好氧颗粒，来观察矿物的组成。其它参数如混合液悬浮固体（MLSS），混合液挥发性悬浮固体（MLVSS），化学需氧量（COD），总总氮（TN）和总磷（TP）也根据标准方法（APHA，2005）进行了分析。分析SBR中成熟的好养颗粒污泥的物理性质如大小，沉降速度和污泥容积指数（SVI）。3结果与讨论3.1好氧颗粒污泥的形态接种后，用立体显微镜观察一个星期好氧颗粒污泥的发展。起初，大部分的初始接种污泥仍然以蓬松、松散、形状不规则的污泥絮体形式存在。2周后，污泥絮体逐渐从反应器中消失，取而代之的是平均直径为1.5毫米的深褐色小颗粒。在这个阶段，成熟的好氧颗粒不稳定并且很容易破碎。接种后四个星期，好氧颗粒的稳定性增强，成为紧凑和密集的颗粒。第4周，好氧颗粒的大小在2.5至3.0毫米之间，到第7周就增长到了3.5-4.1毫米。此外，在实验结束时好氧颗粒呈现出球形，平滑和清晰的外部形态，表现了致密，颗粒沉降性能高的特性。一般情况下，好氧颗粒的形成是一个渐进的过程，从最初的种子污泥，絮体到成熟和稳定的颗粒（Liu and Tay，2004）。镜检表明，种子污泥的形态与系统中好氧颗粒的形态是完全不同的。使用扫描电子显微镜（SEM）观察好氧颗粒的微观结构。好氧颗粒的形成很大程度上与微生物相互之间的附着能力和产生的特殊多糖有关（EPS）。另外，EP可以在细胞中建立一个稳定的网络结构，它对于好氧颗粒致密和稳定结构的形成是必要的（朱等人，2012）。微生物相互之间的附着，形成一个光滑的球型好氧颗粒，EPS分布在整个颗粒中。目前研究的好氧颗粒有一个非常紧凑的微观结构，它与球杆菌细联系在一起的EPS粘连。于此同时，出现在颗粒表面上的空腔是由于底物的限制形成的。然而，Muda et al. （2010）声称，空腔对于让大量的基质流畅的转移到颗粒是有效地。3.2生物质的外形和稳定特性图1说明了在整个80天的实验期间生物质的浓度和SVI。在实验的前几天，反应器中因为沉降属性差淘汰了大量种子污泥。在反应器中，只有快速沉降的种子污泥被选择出来。Muda et al. （2010）提出当培养用于处理纺织废水的颗粒污泥时需要类似的条件。在最初的几个天，污泥的混合液悬浮固体浓度从3.9 g L-1降到1.9 g L-1，主要是由于沉淀时间短以及流出物从反应器中撤出的时间短。运行10天后，混合液悬浮固体浓度急剧的从4.7 g L-1增加到10.6 g L-1，保证了反应器中高的生物量。此外，絮凝的污泥粘附在反应器的墙壁上防止固体冲刷。在此期间，微生物以较高的速率与废水反应，反应器顶部的污泥看上去在发泡，可能运行时间（天）左边纵坐标为生物量浓度；右边纵坐标为污泥容积指数图1 80天实验的生物量浓度和污泥容积指数图。 （圆）代表混合液悬浮固体浓度；（方块）代表混合液挥发性悬浮固体浓度；（三角）代表污泥容积指数。是因为不成熟的污泥条件和高曝气率。经过20天的运行，混合液悬浮固体经历了巨大的冲刷，因此，混合液悬浮固体从11.48 g L-1减少到7.11 g L-1，可能是因为絮凝污泥向颗粒污泥的转变。在第30天，当反应器中观察到2.5毫米-3.0毫米的小颗粒时，混合液悬浮固体稳步增加，并在实验结束时达到10.3 g L-1。通常情况下，反应器中大量的微生物对于颗粒的形成是有益的。在目前的研究中，混合液挥发性悬浮固体显示了与混合液悬浮固体（2.4 g L-1-8.5 g L-1）类似的趋势。Val del Ro et al.（2012）报道，一旦稳定的颗粒形成，生物质的活性可以在反应器中保持。稳定的生物量浓度说明反应器中生物量良好的积累(Abdullah et al., 2011)。沉降性能可以用污泥容积指数来描述。接种后一个星期，污泥容积指数值表现出一定的波动，大概由于微生物慢慢适应了新环境。第30天，好氧颗粒污泥形成后，污泥容积指数在第80天从131 mL g-1大幅下降到42 mL g-1。类似趋势Wang等人也观察到了（2007年），污泥容积指数逐渐下降伴随着颗粒的形成。在他们的研究中，在实验结束，污泥容积指数低时可以得到最大的紧凑密集的好氧颗粒。具有优良沉降性能的好氧颗粒，对于加强废水生物处理是必要的。3.3好氧颗粒污泥中的矿物成分好氧颗粒污泥中存在的矿物质，有助于微生物聚集。有些矿物在好养颗粒形成的过程中，对微生物的活性是至关重要的。好氧颗粒污泥中矿物质的浓度很大程度取决于废水的理化性质。一般情况下，在成熟的好氧颗粒中，大部分的矿物元素会发生显著的变化。表2示出了生长中的好氧颗粒污泥的矿物组成。在成熟的好氧颗粒内，Si2+ 浓度有明显增加，从0.83增至4.66。与此相反，Abzac et al.（2010）指出，Si2+的浓度低。Si2+ 浓度的显著增加，这为微生物新陈代谢的增长做出了贡献。此外，它为好氧颗粒结构的形成奠定了基础，增强了成熟颗粒的强度。在这项研究中，好氧颗粒的形成显示了在接近实验结束的时候，Fe2+ 和Al3+ 的浓度较高。Fe2+ 和Al3+的存在对好氧颗粒紧凑的结构以及优良沉降性能的形成是必要的。在实验结束时，沉降速率从21 m h-1个增加到88 m h-1。表2成熟的好氧颗粒的矿物组成其他所有参数都以mg g-1 干污泥为单位Agridiotis et al.（2007年）也指出过类似的观点，Fe2+ 和Al3+ 的增加，加强了絮沉降能力。同时，成熟颗粒内Ca2+和Mg2+浓度与新长成的颗粒相比有略微增加。颗粒大小随着Ca2+与Mg2+比率的增加而增大，与Arabi和 Nakhla(2009)的研究类似。然而，Ca2+与Mg2+有促进成为粒状的能力，因为无机离子被认为可以抵消细菌表面上的负电荷（Li et al. 2009年；Ren et al. 2008）。3.4去除率虽然在这项研究中，好氧颗粒污泥被成功的研制，它有着短周期（4h），9 Kg COD m -3d-1的高有机负荷率，化学需氧量、总氮、总磷的去除率明显较低（分别为70%-74，60%-73和59%-70）。Arrojo et al. (2004)也提出类似的情况。当高有机负荷率（7 K g COD m-3 d-1）以3 h 为周期被应用时，可以观察到化学需氧量的去除率低（70%）。图2依据整个80天运行时间内化学需氧量，总氮，总磷的去除率，揭示了序批式反应器系统的性能。第一个月中，化学需氧量，总氮和总磷的去除率忽高忽低，但在好氧颗粒污泥形成后便趋于稳定（从前30天起）。出水的化学需氧量浓度均低于1000 m g L-1（化学需氧量的去除率是70），而总氮和总磷浓度分别低于250 m g L-1和150 m g L-1 。在大多数情况下，废水出水的化学需氧量，总氮和总磷的排放浓度低，表明出水水质高。最终，化学需氧量，总氮和总磷的去除率分别提高到74，73和70。表明系统中微生物的活性高(Muda et al.，2010)。然而，对于改善污水水质来说，提高家畜废水去除效率的进一步研究是必要的。图2横坐标为运行时间（天）；左侧纵坐标为COD浓度（m g L-1）；右侧纵坐标为COD去除率（%）横坐标为运行时间（天）；左侧纵坐标为总氮浓度（m g L-1）；右侧纵坐标为总氮去除率（%）横坐标为运行时间（天）；左侧纵坐标为总磷浓度（m g L-1）；右侧纵坐标为总磷去除率（%）图2 序批式反应器系统中80天内，化学需氧量（a），总氮(b