（化学工程与技术专业论文）好氧颗粒污泥处理避孕药废水细菌多样性的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝垒鱼车 日期：丝臣：五 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：应堡塑耋日期：2 丝：厶 i ) 一 摘要 摘要 论文采用构建1 6 sr d n a 克隆文库方法研究了葡萄糖配水培养成熟的好氧颗 粒污泥的细菌组成；考查了好氧颗粒污泥在两段式s b r 反应器中对避孕药废水 的处理效果，并研究了处理避孕药废水的好氧颗粒污泥的细菌组成；针对好氧颗 粒污泥在培养和应用过程中存在的不稳定性问题，采用构建1 6 sr d n a 克隆文库 和丝状微生物的鉴定方法确定了导致好氧颗粒污泥发生丝状膨胀的微生物种类， 并研究了发生丝状膨胀的原因和丝状膨胀的控制对策。 采用构建1 6 sr d n a 克隆文库方法研究了葡萄配水培养成熟的好氧颗粒污泥 的细菌组成，结果表明，好氧颗粒污泥包含七大类群，其中- p r o t e o b a c t e r i a 类群 和s p h i n g o b a c t e r i a 类群在文库中所占比例最大，分别为3 4 1 5 和3 0 4 9 ；其次是 c a n d i d a t ed i v i s i o n 彻仍咚群、f l a v o b a c t e r i a 类群和y - p r o t e o b a c t e r i a 类群，分别为 9 7 6 ，7 3 2 和7 3 2 ；a c t i n o b a c t e r i a 类群和a - p r o t e o b a c t e r i a 类群所占比例相对 较小，分别为4 8 8 和1 2 2 。序列分析结果表明，好氧颗粒污泥中不仅含有对 好氧颗粒污泥形成和稳定运行具有重要作用的a c i d o v o r a x ，p s e u d o m o n a s 等细菌， 还含有对c o d 和n h 4 + - n 具有很好去除能力的m i c r o p r u i n ag l y c o g e n i c a ， c o m a m o n a d a c e a e 等细菌。 采用好氧颗粒污泥结合两段式s b r t 艺技术处理避孕药废水，结果表明该处 理系统具有稳定高效的处理效果，反应器运行6 0d ，c o d 和n h 4 + n 的去除率分别 达到9 2 和9 6 以上。采用构建1 6 sr d n a 克隆文库技术研究处理避孕药废水的好 氧颗粒污泥细菌的组成，结果表明处理避孕药废水的好氧颗粒污泥的细菌组成十 分丰富，共包含七大类群，按照优势类群依次为a - p r o t e o b a c t e r i a 类群( 2 7 8 5 ) ， f l - p r o t e o b a c t e r i a 类群( 2 2 7 8 ) ，s p h i n g o b a c t e r i a 类群( 2 0 2 5 ) ，月硎o b a c t e r i a 类群( 1 0 1 3 ) ，y - p r o t e o b a c t e r i a 类群( 6 9 6 ) ，a c t i n o b a c t e r i a 类群( 5 7 0 ) 和 f i r m i c u t e s 类群( 4 4 3 ) 。此外，在好氧颗粒污泥中还发现很多功能性细菌。如 能够降解甾类物质的s p h i n g o b a c t e r i u m 和c o m a m o n a s 等，对n h 4 + - n 具有很好降解 功效的t h a u e r a ，r h o d o s p i r i l l a c e a e 和r h i z o b i u m 等，对维持颗粒污泥结构和系统 稳定运行具有重要作用的p s e u d o m o n a s 和f l a v o b a c t e r i u m 等。 研究了发生丝状膨胀的好氧颗粒污泥的细菌组成，结果表明，丝状膨胀的好 氧颗粒污泥共包含六大类群，分别是脚阳纪d 6 口c 纪，砌( 3 6 2 3 ) ，s p h i n g o b a c t e r i a ( 2 0 2 9 ) ，6 - p r o t e o b a c t e r i a ( 13 0 4 ) ，f l a v o b a c t e r i a ( 10 14 ) ，y - p r o t e o b a c t e r i a ( 1 4 5 ) ，a c t i n o b a c t e r i a ( 1 4 5 ) ，通过序列比对发现好氧颗粒污泥中存在 s p h a e r o t i l u sn a l a n s 等丝状细菌，但根据其所占比例确定其不是导致好氧颗粒污泥 北京t 业大学丁学硕十学位论文 丝状膨胀的微生物。对膨胀颗粒污泥外边缘的丝状微生物进行进一步的鉴定，确 定其属于丝状真菌。实验验证了进水p h 随运行时间降低是导致葡萄糖配水培养 好氧颗粒污泥发生丝状膨胀的主要原因。采用缩短运行周期，运行过程中投加 n a h c 0 3 和减少曝气量的方法均可预防好氧颗粒污泥的丝状膨胀，但投加 n a h c 0 3 提高碱度是最直接最有效的方法，且在发生丝状膨胀初期还可通过该方 法控制膨胀。 关键词好氧颗粒污泥；避孕药废水：1 6 sr d n a 克隆文库；细菌组成；丝状膨胀 - n a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a c t e r i a ld i v e r s i t yo ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec u l t u r e dw i t hg l u c o s e s y n t h e t i cw a s t e w a t e rw a ss t u d i e db yc o n s t r u c t i o no f16 sr d n ac l o n el i b r a r y a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g eat w o - s t a g es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) w a su s e dt ot r e a t c o n t r a c e p t i v ew a s t e w a t e r t i 弓a t m e n te f r e c to fc o n t r a c e p t i v ew a s t e w a t e ra n db a c t e r i a l c o m p o s i t i o no fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew e r ei n v e s t i g a t e d i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fi n s t a b i l i t yo nc u l t u r ea n da p p l i c a t i o np r o c e s so fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ， m i c r o o r g a n i s m so ff i l a m e n t o u ss p e c i e sw a sd e t e r m i n e db yc o n s t r u c t i o no fl6 sr d n ac l o n e l i b r a r ya n df i l a m e n t o u sm i c r o o r g a n i s m s i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d t h er e a s o n sa n dc o n t r o l s t r a t e g yo ff i l a m e n t o u sb u l k i n gw e r ea l s os t u d i e d t h eb a c t e r i a lc o m p o s i t i o no ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sa n a l y z e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tb a c t e r i a lc o m m u n i t yi na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sh i g r a yd i v e r s ea n d c o u l db ed i v i d e di n t o7m a j o rg r o u p s t h el a r g e s tf r a c t i o n sw e r ef l - p r o t e o b a c t e r i aa n d s p h i n g o b a c t e r i a w h i c ha c c o u n t e df o r3 4 15 a n d3 0 4 9 o ft h et o t a lc l o n e s ， r e s p e c t i v e l y p o r t i o n so fc a n d i d a t ed i v i s i o nt m 7 、f l a v o b a c t e r i aa n dy - p r o t e o b a c t e r i a w e r e9 7 6 ，7 3 2 ，a n d7 3 2 ，r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i v e l yl o w e rp o r t i o n sw e r e 4 8 8 a c t i n o b a c t e r i aa n d1 2 2 a - p r o t e o b a c t e r i a r e s u l to fs e q u e n c ea n a l y s i sa l s o s h o w e dt h a tt h e r ea r en o to n l yb a c t e r i a li m p o r t a n tf o rt h ef o r m i n ga n ds t a b l eo p e r a t i o n o fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ( f o re x a m p l e ，a c i d o v o r a x ，p s e u d o m o n a s ) b u ta l s ob a c t e r i a l b e n e f i c i a lt ot h er e m o v a lo fc o da n dn i - h + - n ( f o re x a m p l ec o m a m o n a d a c e a e ， m i c r o p r u i n ag l y c o g e n i c a ) i na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a su s e df o rc o n t r a c e p t i v ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t w a t e r q u a l i t yp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts h o w e dt h a tr e m o v a lr a t e so fc o da n dn i - 1 4 nw e r e h i g h e rt h a n9 2 a n d9 6 r e s p e c t i v e l y b a c t e r i a lc o m p o s i t i o no fa e r o b i cg r a n u l a r s l u d g ef o rc o n t r a c e p t i v ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a si n v e s t i g a t e db yc o n s t r u c t i o n16 s r d n ag e n el i b r a r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb a c t e r i a lc o m m u n i t yi na e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e i n c l u d e s7 m a j o rg r o u p s ：a - p r o t e o b a c t e r i a ，f l - p r o t e o b a c t e r i a ， s p h i n g o b a c t e r i a ，f l 鲫o b a c t e r i a ，y - p r o t e o b a c t e r i a ，a c t i n o b a c t e r i aa n df i r m i c u t e s ， a n dt h e i rp o r t i o n sw e r e2 7 8 5 ，2 2 7 8 ，2 0 2 5 ，1o 13 ，6 9 6 ，5 7 0 a n d4 4 3 ， r e s p e c t i v e l y s e q u e n c ea n a l y s i s a l s oi n d i c a t e dt h a ts o m eb a c t e r i a lw i t h s p e c i a l f u n c t i o n sf o rs t a b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n dr e m o v a lo fp o l l u t a n t sw e r ef o u n d i na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e t h a u e r a ，r h o d o s p i r i l l a c e a ea n dr h i z o b i u mc o u l dr e m o v e n i t r o g e ne f f e c t i v e l y ，a n ds p h i n g o b a c t e r i u ma n dc o m a m o n a sp u t ag o o dp o r f o r m a n c e i nd e g r a d i n gs o m es t e r o i d a ls u b s t a n c e s b a c t e d a lc o m p o s i t i o no ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eu n d e rf i l a m e n t o u sb u l k i n gw a s s t u d i e d i tw a sf o u n dt h a ta c t e r i a lc o m m u n i t yi na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei n c l u d e s6 m a j o rg r o u p s ：f l - p r o t e o b a c t e r i a ，s p h i n g o b a c t e r i a ，3 - p r o t e o b a c t e r i a ，f l a v o b a c t e r i a ， y - p r o t e o b a c t e r i aa n da c t i n o b a c t e r i a ，a n dt h e i rp o r t i o n sw e r e3 6 2 3 ，2 0 2 9 ， l3 0 4 ，10 12 ，1 4 5 a n d1 4 5 ，r e s p e c t i v e l y s e q u e n c ea n a l y s i sa l s oi n d i c a t e d t 1 1 a tf i l a m e n t o u sb a c t e r i a ls u c ha ss p h a e r o t i l u sn a t a n se x i s t e di na e r o b i cg r a n u l a r i i i 北京t 业大学t 学硕十学位论文 s l u d g e ，b u ti tw a sn o tt h em a i nc a u s eo ff i l a m e n t o u sb u l k i n gb a s e do nt h eo c c u r r e n c e f r e q u e n c yo fc l o n e si n 16 sr d n ac l o n el i b r a r y f i l a m e n t o u sm i c r o o r g a n i s mf r o m o u t e re d g eo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sp i c k e do u tf o rf u r t h e ri d e n t i f i c a t i o na n dw a s i d e n t i f i e dt ob e h n 蛋e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tp hd e c r e a s i n gw i t hr u n n i n gt i m ew a s t h em a i nc a u s ef o rf i l a m e n t o u sb u l k i n g s h o r t e nr u n n i n gt i m eo ft h ec y c l e ，a d d i t i o n a l n 枷c 0 1a n dd e c r e a s e da e r a t i o nr a t ed u r i n gp r o c e s so fo p e r a t i o na l lc a np r e v e n t f i l a m e n t o u sb u l k i n g a n da st h em o s td i r e c ta n de f f e c t i v ew a y a d d i n gn 棚c 0 3t o r e a c t o re v e nc a nc o n t r o lf i l a m e n t o u sb u l k i n ga ti ti n i t i a ls t a g e k e yw o r d sa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；c o n t r a c e p t i v ew a s t e w a t e r ；16 sr d n ag e n e l i b r a r y ；b a c t e r i a lc o m p o s i t i o n ；f i l a m e n t o u sb u l k i n g 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 避孕药废水1 1 1 1避孕药废水的特点1 - 1 1 2 避孕药废水的处理方法1 1 2 好氧颗粒污泥及其在废水处理中的应用2 1 2 1 好氧颗粒污泥的性质3 1 2 2 好氧颗粒污泥的形成机理4 1 2 3 好氧颗粒污泥的应用4 1 3 微生物多样性的研究方法6 1 3 1 传统方法及其改进方法6 1 3 2 分子生物学技术7 1 41 6 sr d ) n a 文库的构建及组成分析技术9 1 5课题来源研究目的及意义1 0 1 5 1课题来源10 1 5 2 研究目的、意义1 0 1 5 3课题研究内容1 1 第2 章材料与方法1 3 2 1 构建1 6 se d n a 克隆文库分析方法1 3 2 1 1 试剂及药品1 3 2 1 2 仪器与设备1 3 2 1 3基因组d n a 的提取1 4 2 1 4 基因组d n a 的纯化1 4 2 1 5 基因组d n a 检测1 5 2 1 61 6 sr d n a 的p c r 扩增1 5 2 1 7p c r 产物进行凝胶电泳16 2 1 8 琼脂糖凝胶回收1 6 2 1 9 克隆17 2 1 1 0d n a 序列的测定18 2 1 1 l克隆结果序列分析1 8 2 1 1 2 克隆文库库容及多样性分析1 8 2 2 丝状微生物的鉴定1 9 2 2 1 形态特征观察一1 9 2 2 2 革兰氏染色2 0 2 2 3 纳氏染色2 卜 2 2 4 积硫实验2 1 - 2 3 物化指标分析21 第3 章葡萄糖配水培养好氧颗粒污泥细菌多样性的研究2 3 北京t 业大学t 学硕十学何论文 3 1 概述2 3 3 2 实验部分2 3 3 2 1好氧颗粒污泥培养装置及运行参数2 3 3 2 2 实验用水2 4 3 2 3 好氧颗粒污泥的性质2 4 3 3 结果与讨论2 5 3 3 1总d n a 提取和p c r 扩增2 5 3 3 2 1 6sr d i n a 文库细菌比对结果2 6 3 3 3 好氧颗粒污泥样品1 6 sr d n a 系统发育分析2 8 3 3 4 库容和多样性分析3 0 3 4 本章小结3 0 第4 章处理避孕药废水的好氧颗粒污泥细菌多样性的研究3 3 4 1 概述3 3 4 2 实验部分3 3 4 2 1 装置及运行3 3 4 2 2 废水水质3 5 4 2 3 种泥3 5 4 2 4 总d n a 提取和克隆文库的构建3 5 4 3 结果与讨论3 5 4 3 1总d n a 提取和p c r 扩增3 5 4 3 21 6 sr d n a 克隆文库细菌比对结果3 5 4 3 3 库容和多样性分析4 0 4 3 4 处理避孕药前后细菌群落结构的变化4 1 4 3 5 好氧颗粒污泥中的功能细菌4 3 4 3 6 好氧颗粒污泥对避孕药废水的处理效果4 4 4 4 本章小结4 5 第5 章丝状膨胀好氧颗粒污泥中丝状微生物的鉴定及控制4 7 5 1 概j 述4 7 5 2 实验部分4 7 5 2 1丝状膨胀好氧颗粒污泥的形成4 7 5 2 2 好氧颗粒污泥丝状膨胀的成因及控制研究4 8 5 3 结果与讨论4 8 5 3 1丝状膨胀好氧颗粒污泥的1 6 sr d n a 克隆文库构建结果4 8 5 3 2 膨胀好氧颗粒污泥丝状微生物的鉴定结果5 1 5 3 3 好氧颗粒污泥丝状膨胀的成因5 2 5 3 4 好氧颗粒丝状膨胀的预防及控制研究5 4 5 3 5 好氧颗粒污泥发生膨胀后细菌组成结构的变化分析5 5 5 4 本章小结5 6 - 结论5 7 参考文献5 9 攻读硕士期间发表的学术论文6 5 致谢。6 7 第1 章绪论 1 1 避孕药废水 第1 章绪论 1 1 1 避孕药废水的特点 我国是世界上避孕药生产和销售量最大的国家之一，目前可生产原料2 0 多个 品种，制剂3 0 多个品种【l 】。避孕药的最终产品米非司酮是由主要原料b 萘酚经过 氢化、氧化、缩合、加成、水解等一系列反应制得的。由于避孕药的生产过程十 分复杂，使得避孕药废水具有生物毒性、色度高、c o d 高、n h 4 + - n 高和p h 值高， 并且具有强烈刺激性气味；另外避孕药在生产过程中会产生许多中间产品，如左 炔诺孕酮、雌三醇、雌二醇、炔雌醇、雌酚酮和孕三烯酮等，造成避孕药废水中 含有难生物降解、具有潜在生物危害作用的甾体雌激素类物质。 甾体类化合物是广泛存在于自然界中的一类天然化学物质，包括植物甾醇、 胆汁酸、c 2 1 甾类、昆虫变态激素、强心苷、甾体皂苷、甾体生物碱等。尽管种 类繁多，但它们的结构中都具有环戊烷多氢菲的甾体母核。甾体雌激素作为甾类 化合物中的一类，主要来源于合成甾体雌激素药物和人及动物体的排泄。甾体雌 激素可通过食物链或直接接触等途径进入人或动物体内，即使在极低的浓度条件 下仍能显示出强的内分泌干扰作用，而且有可能与水体中残留的其它类雌激素物 质发生协同作用，因此这类物质对生态环境和人类健康存在潜在的危害性。近几 十年来发现的男性精子数量减少，野生生物生殖机能和生殖器官发育畸形及人体 性机能出现异常等现象，都与这些环境雌激素的内分泌干扰作用密不可分。我国 作为世界上避孕药生产和销售量最大的国家之一，避孕药废水的排放量很大，而 我国城市污水的处理率普遍偏低，因此，从污染水平来看，我国来自人类、家畜 所排泄的天然激素和人工合成激素的污染较其他发达国家高，所以我们必须采用 有效的废水处理方法，使处理后的避孕药废水达到排放标准，同时将甾体雌激素 的浓度降低到较安全的浓度范围。 1 1 2 避孕药废水的处理方法 目前，用于避孕药废水生物处理的工艺可大致分为好氧处理、厌氧处理及厌 氧一好氧组合处理工艺。 ( 1 ) 水解酸化c a s st 艺处理 由于避孕药废水中有机污染物浓度普遍较高，其中含有较难降解物质，并且 进水p h 较高，因此北京市某药厂采用水解酸化c a s s 工艺处理避孕药废水。首 先在兼氧条件下，利用体系中的兼氧微生物将大分子、难降解有机物转化成为小 北京t 业大学t 学硕十学伊论文 分子、易降解有机物，以提高废水的可生化性。然后采用c a s s 工艺对废水进行 进一步处理。c a s s 工艺是近几年发展起来的s b r 的一种衍生工艺。每个c a s s 反应器均由生物选择区、兼氧区和主反应区组成。每个运行周期包括充水一曝气、 沉淀、滗水和闲置4 个阶段。该药厂通过三个c a s s 池交替运行实现废水的连续 处理。根据处理站长期运行的实测数据分析，该工艺处理避孕药废水处理效果不 理想，多项指标不能达标，随着工艺的运行，污泥活性逐渐降低，污泥膨胀严重， 出水水质日趋恶化。究其原因主要是废水中污染物成分复杂，存在大量难降解、 有毒害物质如左炔诺孕酮、雌三醇、雌二醇和孕三烯酮等，这些物质对微生物的 生长具有较强的抑制作用。另外随着节水工程的逐步实施和生产任务的变化，导 致废水水质、水量的变化很大，这无疑也给该污水处理站达标运行带来了极大压 力。 ( 2 ) a o 膜生物反应器处理技术 韩磊【2 】曾采用a o 阶段膜生物反应器( a o p m b r ) 和a o 程序膜生物反应 器( a o s m b r ) 两种工艺处理高氨氮、高p h 值、难生物降解和有毒有害的避 孕药废水，实验分别考察了a o p m b r 工艺和a o s m b r 工艺运行参数、污染物 的去除效果、系统稳定性和膜污染特性。结果发现a o p m b r 系统对有机物、氨 氮和总氮都有较好的去除效果，系统最适条件为水力停留时间1 0 h ，好氧段的溶 解氧浓度4 m g l ，混合液回流比( r ) 为3 0 0 。在上述操作条件下，控制水温 3 0 、好氧段溶解氧2 - - 4 m g l _ 和p h 值 8 0 ，好氧段上清液亚硝酸盐积累率可 达到8 5 ，系统可实现短程硝化。系统在运行过程中出现难降解物质的累积现象， 表明膜的截留作用可以实现对优势菌种的驯化，从而强化了生物处理能力，提高 了难降解物质的去除效果。此外该系统在处理避孕药废水时还表现出很强的抗冲 击能力和稳定性。a o s m b r 运行主要考察了三个工况条件下有机物的去除率和 稳定性，结果表明，延长缺氧段时间、控制溶解氧浓度将有利于反硝化反应的进 行和总氮的去除，但不利于废水中难降解有机物的氧化反应。 1 2 好氧颗粒污泥及其在废水处理中的应用 颗粒污泥是指在废水处理系统中微生物在适当的环境条件下，相互聚集形成 一种密度较大、体积较大和体质条件较好的微生物聚集体【3 】，它是生物处理工艺 中一种特殊的污泥微生物组织结构。颗粒污泥分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥 两类。好氧颗粒污泥的研究始于2 0 世纪9 0 年代，是在厌氧颗粒污泥的基础上发 展起来的。好氧颗粒污泥具有结构致密、外形规则和生物量丰富的特性，这些特 性决定好氧颗粒污泥具有如下优势：( 1 ) 沉淀性能优良，可有效提高反应器污泥 的浓度和容积负荷；( 2 ) 结构致密，可有效削弱有毒有害物质对微生物的影响， 有利于保护较为敏感的细菌；( 3 ) 抗击水质波动能力强，可承受较高的有机负荷， 第1 章绪论 有利于提高系统的处理能力和稳定性；( 4 ) 去除污染物的能力强，可实现同步脱 氮除磷；( 5 ) 对低浓度废水和高浓度有机废水均具有很好的去除效果。 1 2 1 好氧颗粒污泥的性质 ( 1 ) 好氧颗粒污泥的理化特性 好氧颗粒污泥实际上是一种特殊的生物膜形式，其性质受培养基质、反应器 运行方式和水力剪切力等因素的影响。成熟的好氧颗粒污泥一般呈橙黄色或浅黄 色，但由于好氧颗粒污泥细菌组成和所含无机元素种类不同，也可能出现不同的 颜色【4 1 。好氧颗粒污泥表面光滑，近似圆形或椭圆形，粒径一般在o 5 8 m m 之 间，球形度一般大于o 6 m m 【5 1 。好氧颗粒污泥的比重一般在1 0 0 4 1 0 6 5 9 l 。1 之 间，含水量小于9 8 ，好氧颗粒污泥高密度、低含水率的特性可有效的提高反应 器内污泥浓度，减少剩余污泥的外排量1 6 - 9 1 。污泥沉降性能一般用污泥体积指数 ( s v i ) 和污泥沉降速率表示，好氧颗粒污泥的s v i 一般低于9 0 m l g - 1 ，有时甚 至低于5 0 m l g 一，好氧颗粒污泥的沉降速率一般为3 0 - - 7 0 m h 。之间，好氧颗粒 污泥的沉降性能较普通活性污泥具有非常大的优势【9 l 州。表面疏水性和胞外聚合 物( e p s ) 是衡量好氧颗粒污泥自凝聚能力的重要指标，好氧颗粒污泥表面疏水 性一般在4 0 - - - 7 5 ，约为传统絮状污泥的2 倍l n j 2 ，提高水力剪切力和增加水 力选择压力都可以提高细胞疏水性。胞外多聚物通常是由多糖、糖蛋核酸、磷脂 和蛋白质组成。有研究表明不同提取方法获得的e p s 含量存在明显差异，w a n g 等通过实验获得的好氧颗粒污泥e p s 含量为4 7 m g l ，是接种污泥的2 8 倍i l 引。 好氧颗粒污泥较高的表面疏水性和e p s 含量为促进好氧颗粒污泥的形成和维持 稳定运行具有很重要的作用。 ( 2 ) 好氧颗粒污泥的生物活性和微生物多样性 在环境工程领域，通常用比好氧速率( s o u r ) 来表征微生物的活性，其含义 为单位质量微生物在单位时间内消耗的氧气量。以葡萄糖或醋酸钠为基质培养的 好氧颗粒污泥的s o u r 为5 5 9 - - - 9 6 5 m g g 。1 l 一，远高于活性污泥的s o u r l l 4 l 引。 而以有毒物质为基质培养出的好氧颗粒污泥的s o u r 更大，有的甚至达到接种 污泥的6 倍【1 6 】。好氧颗粒污泥的活性远高于普通活性污泥，即使在处理有毒废水 时仍能保持较高的微生物活性，这说明好氧颗粒污泥在处理能力和抵抗有毒物质 方面比普通活性污泥更具有优势。 在废水生物处理系统中，进水基质、运行状况等都会影响好氧颗粒污泥细菌 的组成。目前有些研究者应用现代分子生物学技术和显微技术对好氧颗粒污泥的 微生相进行了研究，结果发现好氧颗粒污泥的微生物组成十分丰富，异养菌、硝 化菌、反硝化菌、聚磷菌、酵母菌和真菌等都可存在于好氧颗粒污泥中p j 。在好 氧颗粒污泥中因为进水基质和内部传质限制的影响，一般认为好氧颗粒污泥中不 北京丁业大学下学硕十学位论文 同的微生物呈层状分布。t a y 1 7 】等发现以葡萄糖为基质培养形成的好氧颗粒污泥 结构可分为4 层：最外层为好氧菌，其中以氨化细菌为主，该层约厚7 0 - 1 0 0 1 t m ； 紧接着是多糖层，位于颗粒表面以下4 0 0 9 i n 处；在多糖层以下是含有专性厌氧 菌的厌氧层，该层约在颗粒表面以下8 0 0 9 0 0 岬；最内层则主要是由一些死亡 的微生物构成。鉴于好氧颗粒污泥特殊的层状结构，颗粒外层和内部可构成同步 硝化反硝化的微观环境，已有大量研究者开始研究硝化反硝化颗粒污泥的细菌 组成及菌群分布情况【1 8 】。j a n g 等结合微电极和f i s h 发现氨化细菌主要分布在颗 粒污泥表层，而大多数硝化细菌分布在表层3 0 0 9 i n 的范围内l 憎j 。m e y e r 等在s b r 反应器中通过厌氧好氧交替运行获得了高效除磷的好氧颗粒污泥，在这种好氧 颗粒污泥中均分布有c o m p e t i b a c t e r 茵，但其代谢活性仅存在于颗粒表层lo o l a m 范围 j 寸 2 0 1 。 1 2 2 好氧颗粒污泥的形成机理 关于好氧颗粒污泥的形成机理有着不同的理论，例如：“晶核假说”原理、 胞外多聚物假说、自凝聚原理、细胞表面疏水性原理、真菌( 丝状菌) 假说等【2 。 目前多数学者对普通活性污泥颗粒化的形成机理达成比较一致的观点。他们认为 在反应器中或接种污泥中存在惰性物质或无机盐沉淀，首先由它们充当载体，使 微生物能够附着生长，其中有些丝状微生物由于生长特点和结构而互相缠绕形成 骨架，之后球菌、杆菌等微生物通过自身或丝状微生物分泌的粘性物质附着于骨 架上不断繁殖、生长、聚集，最后在较短的沉降时间、较高的水力剪切力和有机 负荷等多重选择压下，沉降性能较差的絮状污泥和结构松散的微小颗粒污泥不断 被洗出，而反应器中逐渐形成沉降性能优良的好氧颗粒污泥。 关于好氧颗粒污泥形成的各种理论假说相互之间存在着各种相关性，归结起 来，好氧颗粒污泥就是在以惰性物质为载体，以丝状菌为骨架，通过杆菌、球菌 等微生物的聚集而形成的微生物群体。 1 2 3 好氧颗粒污泥的应用 好氧颗粒污泥具有密度高、外形规则、结构密实、沉淀性能优良等特征，这 些特征使其能维够持高生物量，能够承受高有机负荷和水质波动带来的冲击负 荷。好氧颗粒污泥的这些优势使其具有非常广阔的应用前景。 ( 1 ) 好氧颗粒污泥处理氦磷废水 因为参与脱氮除磷的细菌对生长条件的需求不同，在用普通活性污泥处理氮 磷废水时一般需要在不同的反应器中设置不同的运行阶段，以实现脱氮除磷的目 的。而好氧颗粒污泥在有氧条件下运行时，颗粒内部受到传质阻力的影响，会存 在厌氧或缺氧区，不同的菌群可以分布在颗粒污泥不同的区域，从而具有同步脱 第1 章绪论 氮除磷的能力。许多研究者利用好氧颗粒污泥处理氮磷废水均达到了很好的处理 效果。例如卢姗【2 2 】等利用颗粒污泥处理氮磷生活污水，磷酸盐、氨氮和总氮的平 均去除率分别为9 4 4 、8 6 5 3 1 1 4 1 8 。另外通过提高好氧颗粒污泥中硝化菌或 聚磷菌的比例可增强好氧颗粒的稳定性。l i n 2 3 l 鞒1 y a n g 2 4 j 等发现，加大基质中 n c 或p c = l 例，硝化菌或聚磷菌会在好氧颗粒污泥中得到富集，从而使颗粒污 泥的结构更为致密，对氮磷的处理效果更好。 ( 2 ) 好氧颗粒污泥处理实际工业废水 随着好氧颗粒污泥培养技术的日渐成熟，许多研究者开始尝试利用好氧颗粒 污泥来处理实际工业废水。这些工业废水包括豆制品废水f 2 5 1 、乳品生产废水【2 6 , 2 7 1 、 啤酒废水【2 8 1 、造纸废水2 9 , 3 0 】、染料废水【3 l 】、屠宰废水【3 2 , 3 3 】禾】难降解v c 废水【3 4 】 等，好氧颗粒污泥能有效去除这些废水中的c o d 。 ( 3 ) 好氧颗粒污泥吸附污染物 好氧颗粒污泥具有较大的比表面积，且内部多空隙结构，易于与水分离，因 此许多研究者开始考虑用好氧颗粒污泥作为生物吸附剂来吸附废水中的重金属 离子和放射性核素。好氧颗粒污泥主要通过离子交换、胞外多聚物的粘合、化学 沉淀、金属螯合等机理来实现对重金属离子的吸附【3 5 。3 7 】。y ul i u 3 8 】等通过研究不 同进水镉离子( c d 2 + ) 浓度和不同颗粒污泥浓度下水中c d 2 + 的去除情况，考察了 好氧颗粒污泥作为新型生物吸附剂，用于工业废水中c d 2 + 去除的可行性。研究发 现颗粒污泥对c d 2 + 的最大吸附能力为5 6 6 m g g 。n a n c h a r a i a h 3 9 】等利用好氧颗粒污 泥作为一种新型生物吸附材料去除水中溶解性的铀，结果发现，在