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好氧污泥颗粒化研究及数学模拟 摘要 好氧颗粒污泥是近年发现的在好氧条件下自发形成的细胞自身固定化颗 粒。与传统的活性污泥法相比，具有良好的沉淀性能和抗冲击负荷能力，能够 实现系统的高生物持有量，减少反应器占地面积，降低基建投资。因此，如何 在废水生物处理反应器中快速、稳定、有效地培养出好氧颗粒污泥，是废水生 物处理领域的一个重要研究方向。 本研究利用人工合成废水通过改变反应器的沉淀时间在序批式反应器 ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，s b r ) 中成功培养出好氧颗粒。反应器进水碳源 为蔗糖，进水c o d 为lg l ，负荷为6 0k g c o d m 4 d 一。反应器运行周期为4h ， 包括进水3m i n ，曝气2 2 2 2 3 1r a i n 。沉淀1 1 0m i n ，出水5r a i n 。经过6 0 天左 右的培养，成功培养出好氧颗粒污泥，反应器处理效果稳定。 成熟的好氧颗粒污泥为棕黄色，为规则的圆形或椭圆形，平均粒径为1 2 5 m m 。成熟颗粒污泥的比重、沉降速度、接触角、污泥体积指数( s v i ) 、e p s 中 蛋白质的含量以及多聚糖的含量分别为1 0 2 0 0 0 0 2 、5 5m h 、5 9 。、3 0m l g 、 1 4m g g v s s 和l lm g g v s s 。 利用培养的好氧颗粒污泥进行有机物降解实验，并在此基础上对降解过程 进行数学模拟。本研究根据实验条件对活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 进行简化， 建立了新的数学模型。利用a q u a s i m 对模型进行敏感性分析，并对模型主要 参数进行估计，得到异养菌的最大比生长速率( h h ) 为1 7 1 7d 一，异养菌产率 ( y h ) 为o 7 4gc o d gc o d ，储存物质产率( y s t o ) 为0 8 5gc o d gc o d ； 并采用实验数据对模型进行验证，结果表明本研究所建立的模型以及估计的参 数值能够很好地描述好氧颗粒污泥降解有机物的过程。 关键词：好氧颗粒污泥序批式反应器活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 模拟 a q u a s i m 敏感性分析 s t u d yo fa e r o b i cs l u d g eg r a n u l a t i o na n dm a t h e m a t i c a l m o d e l i n g a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei sak i n do fs e l f - i m m o b i l i z e ds l u d g e ，w h i c hi sf o u n d u n d e rt h ea e r o b i cc o n d i t i o nr e c e n t l y c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e f l o e s ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a sg o o ds e t t l i n ga b i l i t y ，s h o c kl o a dr e s i s t a n c ea n d h i g hb i o m a s sr e t e n t i o n l e s s a r e a c o n s u m p t i o na n d l o w e rc o s to fc a p i t i a l c a o n s t r u c t i o na r er e q u i r e di na p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，h o wt o c u l t i v a t ea e r o b i cg r a n u l a rs l u g d ei nw a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a m e n tp l a n tq u i c k l y , s t a b l ya n de f f i c i e n t l y ，a n db r i n gt r e m e n d o u se f f e c t i n r e a lw a s t e w a t e ra r et h e i m p o r t a n to r i e n t a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a m e n t i nt h i sw o r k ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei ns b rw i t hs y n t h e s i z e dw a s t e w a t e ri s s u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e dt h r o u g hd i m i n i s h i n gs e t t l i n g t i m eo fr e a c t o r t h eo n l y c a r b o ns o u r c eo ft h es y n t h e s i z e ds o l u t i o ni ss u r c r o s e t h ei n f l u e n tc o do f1g1 - 1 a n dt h ei n f i u e n tl o a d i n go f6 0k gc o d m 3 d 一，a r ea p p l i e dt ot h es b ro p e r a t i o n t h eo p e r a t i o nc y c l eo fr e a c t o ri s4h ，i n c l u d i n g3m i ni n f l u e n t ，2 2 2 - 2 31r a i n a e r a t i o n ，1 一10r a i ns e t t l e m e n t ，5r a i nw i t h d r a w a f t e r6 0d a y sc u l t i v a t i o n ，t h e g r a n u l a rs l u d g ec u l t i v a t e ds u c c e s s f u l l yw i t hs t a b l e t r e a t m e n te f f i c i e n c yo ft h e r e a c t o r m a t u r e da e r o b i cg r a n u l ei sy e l l o w yw i t hr e g u l a rc i r c l ea n de l l i p t i c a ls h a p e ，a s w e l la sm e a nd i a m e t e ro f1 2 5m m t h es p e c i f i cg r a v i t y ，s e d i m e n t a t i o nr a t e ，c a n t a c t a n g l e ，s l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v l ) ，c o n t e n to fp r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i di ne p so f m a t u r e da e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea r e1 0 2 0 o 0 0 2 ，5 5m h ，5 9 0 ，3 0m l g ，1 4 m g g v s s ，a n d11m g g v s s ，r e s p e c t i v e l y o r g a n i c m a t t e rb i o d e g r a d a t i o n e x p e r i m e n t sa n d m a t h e m a t i c a lm o d e la r e c o n d u c t e dw i t ht h ec u l t i v a t e da e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e t h ea s m 3m o d e li s s i m p l i f i e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no f t h i ss t u d ya n dn e wm o d e li s c o n d u c t e d t h es e n s i t i v i t yo fm o d e li sa n a l y z e da n dk e yp a r a m e t e r sa r ee s t i m a t e d b ya q u a s i m t h em a x i m u ms p e c i f i cg r o w t hr a t e ( r h ) i sd e t e r m i n e dt ob e1 7 1 7 d t h ey i e l df o rh e t e r o t r o p h sa n ds t o r a g ep o l y m e r si sc a l i b r a t e da so 7 4gc o d g c o da n d0 8 5gc o d gc o d ，r e s p e c t i v e l y t h em o d e li sv e r i f i e dw i t he x p r i m e n t a l d a t aa n dp r o v e dt ob ee f f i c i e n t l yi nm o d e l i n gb i o d e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e rw i t h a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) ；a c t i v a t e d s l u d g em o d e l3 ( a s m 3 ) ；m o d e l i n g ；a q u a s i m ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 表格清单 表1 1 活性污泥模型的总述1 1 表4 - 1a s m 3 的化学计量矩阵n 。和组分矩阵l k 卜3 2 表4 2模型化学计量学矩阵。4 2 表4 3 溶解性底物敏感性分析表4 3 表4 - 4 贮存物质敏感性分析表一4 4 表4 5 异养菌敏感性分析表= 4 6 表4 - 6 模型参数估计值与a s m 3 缺省值比较( 2 0 ) 。4 8 表4 - 7 模型验证的参数估计值比较5 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图清单 序批式反应器( s b r ) 示意图1 3 o u r 测定装置示意图1 5 反应器沉淀时间的变化1 6 利用蔗糖水培养颗粒污泥过程中污泥形态的变化1 7 第8 天和第1 6 天颗粒粒径分布1 8 颗粒粒径变化过程1 9 反应器中m l v s s 的变化过程1 9 污泥s v i 值的变化过程2 0 c o d 去除率的变化过程2 0 好氧颗粒污泥s e m 图2 2 污泥比重变化过程2 3 污泥沉降速度的变化过程2 3 接触角变化过程2 4 蛋白质与多聚糖在e p s 中含量变化2 5 c o d 在a s m l 及a s m 3 中的反应流程图2 8 批式实验结果f m 为0 0 1( a ) c o d ( b ) o u r 3 7 批式实验结果f m 为0 0 2 ( a ) c o d( b ) o u r 3 9 批式实验结果f m 为o 0 4 ( a ) c o d( b ) o u r 4 0 s s 的敏感性分析图4 4 x s t o 的敏感性分析图4 5 x n 的敏感性分析图 c o d 降解过程与o u r 过程的拟合 模型验证c o d 降解过程和o u r 过程 。4 7 ，4 9 ! i ( i 4 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 揣仓 委员： 尹荔鬈 、 芬弩孚 余瞄 导师：渐朗鼍 答辩委员会签名 荔倦恫彬玄 副豺乏 易? 呵羰 桃纵辱 今修监大誊 袁榷呻坳愀爱 御 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所 知除了文中特别加以标志和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签字：涂支冤签字日期：c 2 刁年， 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅- 本人授权盒目王些盘 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：鼢艾阗 名：f 幻们髻 签字日期：刁年2 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：川年f l 月以日 f 致谢 至此论文完成之际，我要向我的导师徐得潜教授表达我最为诚挚的谢意! 师从徐 教授三年，我受益匪浅，他广博的学识、严谨的治学态度、高尚的人格魅力以及对学 生无微不至的关怀，都使我终生难忘! 感谢中国科学技术大学俞汉青教授在我的学习、实验研究及撰写论文过程中给予 的无私帮助和教诲。 感谢中国科技大学环境工程实验室唐勇老师，倪丙杰、方芳等同学在实验过程中 给予的帮助。 同时还要感谢陈国炜老师、苏馈足老师以及李柱、温阳、刘丽、王琛、叶栋成同 学给予我的帮助。 感谢我的家人，感谢他们这些年来在学业上对我的支持，在精神上给我的鼓舞， 在生活上对我的照顾，他们是我力量的源泉，精神的寄托。 感谢在我成长过程中给予我指导、帮助和关心的老师、同学和朋友。 最后对本论文的评阅人和答辩委员们的帮助和指导表示衷心的感谢。 作者：谢文明 2 0 0 7 年1 1 月3 0 日 第一章绪论 1 。1 研究背景 废水中的有机物是造成水污染最主要的污染物，它是水域变质、发黑发臭 的主要原因。因此，在水环境保护中废水中有机物的去除是非常重要的。一 般来说，生物处理方法是去除废水中有机污染物最经济和最有效的方法。废水 的生物处理是利用微生物生命过程中的新陈代谢活动，将废水中呈溶解和胶体 状态的有机污染物分解为简单的无机物等无害物质，从而去除水体中的有机污 染物，使废水得以净化的过程【2 1 。这种废水处理方法可使废水中的有机物达 到完全矿化，并且使废水中的铁、锰、汞等重金属元素得到适当转化。活性污 泥法是最早被发明和应用的废水生物处理方法。它由英国的a r d e n 和l o e k e t t 发明，并于1 9 1 4 年建成了世界上第一个活性污泥法废水生物处理厂。经过9 0 多年的研究，活性污泥法得到了广泛的应用，人们在其基础上开发了多种更经 济、处理功能更强、运行更为稳定的处理工艺。 根据参与废水处理中微生物代谢的类型，废水的生物处理技术可分为好氧 生物处理和厌氧生物处理两大类。而根据微生物在废水中所处的状态或存在的 形式，又可分为悬浮生长法和附着( 或固定) 生长法两大类。以下将对传统活 性污泥法、常用于好氧颗粒污泥培养的序批式反应器( s b r ) 和厌氧颗粒污泥进 行介绍。 1 1 1 传统活性污泥法 传统活性污泥法属于好氧生物处理方法，是在有氧状态下利用微生物的代 谢活动来处理废水，它需要不断向废水中补充大量空气或氧气，以维持其中好 氧微生物所需要的足够的溶解氧浓度 4 1 。在好氧条件下，有机物最终被氧化为 水和二氧化碳等无机小分子物质，部分有机物被微生物同化产生新的微生物细 胞。活性污泥法的净化过程一般包括絮凝吸附、生物代谢、泥水分离等盼段垆j 。 传统活性污泥法污水处理装置一般由以下几个部分组成【6 】：( 1 ) 发生需 氧生物氧化过程的反应器，这是活性污泥法的核心部分，也就是一般所称的曝 气池：( 2 ) 向反应器混合液中分散空气或纯氧的氧源，空气或氧气以压力态 或大气常压态进入混合液中：( 3 ) 对反应器中液体进行混合的设备或手段， 机械搅拌或气流搅拌；( 4 ) 对混合液进行固液分离的沉淀池，把混合液分成 沉淀的生物固体与经处理后的废水两部分，这一沉淀池称为二次沉淀池或二沉 池；( 5 ) 收集二沉池的沉淀固体并回流到反应器的设备，即污泥回流设备； ( 6 ) 从系统中废弃一部分生物固体的设备，即剩余污泥排除设备。 活性污泥是活性污泥处理系统中的主体部分。在活性污泥上栖息着具有强 大生命力的微生物群体。在微生物群体的新陈代谢作用下，活性污泥具有将有 机污染物转化为稳定无机物质的能力。正常的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮 体状，其粒径一般介于0 0 2 0 2 m m 之间。活性污泥中的固体物质仅占l 以下， 其中包括有机与无机两部分。有机成分主要由栖息在活性污泥上的微生物群体 所组成，活性污泥微生物群体以好氧细菌为主，也存在着真菌、放线菌、酵母 菌及原生动物、后生动物等微型动物，这些微生物群体在活性污泥上组成了一 个相对稳定的微生态系统。 在活性污泥处理系统中，有机底物从污水中去除的过程实质上就是有机底 物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程。此过程主要由初 期吸附去除和微生物的代谢两个阶段所组成。在正常发育的活性污泥微生物体 表面，存在着蛋白质、碳水化合物和核酸所组成的生物聚合物，这些生物聚合 物是带有电荷的电解质。因此，由微生物及其聚合物形成的生物絮凝体，都具 有生物物理化学吸附作用和凝聚、沉淀作用，在其与废水中呈悬浮状和胶体状 的有机物接触后，能够使后者失稳、凝聚，并被吸附在活性污泥表面。活性污 泥具有很大的表面积，能够与混合液广泛接触，在较短的时间内( 1 5 4 0 r a i n ) ， 在吸附的作用下，去除废水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物，使污水 的生物需氧量( b o d ) 迅速下降。微生物将有机物摄入体内后，以其作为营养 加以代谢。在好氧条件下，代谢按两个途径进行。一为合成代谢，部分有机物 被微生物所利用，合成新的细胞物质；另一为分解代解，部分有机物被分解形 成c 0 2 和h 2 0 等稳定物质，并产生能量，用于合成代谢。同时微生物细胞物质 也进行自身的氧化分解，即内源代谢或内源呼吸。当废水中有机物充足时，合 成代谢占优势，内源代谢不明显，但当有机物浓度不断降低或已耗尽时，微生 物的内源呼吸作用就成为给微生物提供能量、维持其生命活动的主要方式。 活性污泥的特性主要包括压缩性、沉降性和脱水性三个方面，决定这些特 性的因素包括其化学组成、物理特性、形态特性和微生物组成【7 l 。其中化学组 成主要有聚合物、可提取的胞外聚合物、无机盐等；物理特性包括絮凝性能、 表面特性、流变性和稳定性等；形态特性有粒径分布、结构、丝状菌长度和密 度等；微生物组成包括细菌、丝状菌和原生动物等。这些特性是由进水成分和 操作条件( 如水力停留时间、污泥龄、有机负荷率、温度、p h 、溶解氧浓度) 等共同决定的。因此，作为一个复杂的物理、化学、物理化学和生物化学等过 程所组成的反应，活性污泥净化反应会受到以下环境因素的影响【z ，6 】： ( 1 ) b o d 负荷率。b o d 负荷率是影响活性污泥增长、有机底物降解的重 要因素。提高b o d 负荷率，将加快活性污泥增长速率和有机底物的降解速率， 使曝气池容积缩小，在经济上是适宜的，但未必能够达到受纳水体对水质的要 求。b o d 负荷率过低，则会降低有机底物的降解速率，使处理能力降低，加大 曝气池容积，提高建设费用，也是不适宜的。 ( 2 ) 溶解氧。活性污泥法是好氧生物处理技术。在用活性污泥法处理废 水过程中须保持一定浓度的溶解氧。如供氧不足，溶解氧浓度过低，就会使活 性污泥微生物正常的代谢活动受到影响，净化能力下降，从而容易滋生丝状菌， 产生污泥膨胀现象。但溶解氧过高，氧的利用效率降低，增大了所需的动力费 用。一般而言，在曝气池出口处的混合液中的溶解氧浓度保持在2 0m g l 左右， 就能够使活性污泥保持良好的净化功能。 ( 3 ) 水温。温度是影响微生物正常生命活动的重要因素之一其影响有 两个方面：其一，随着温度在一定范围内升高，细胞中的生化反应速率加快， 增殖速率也加快；其二，细胞的组成物质如蛋白质、核酸等对温度很敏感，如 温度突然大幅度增高并超过一定限度，可使其组织遭受不可逆的破坏。好氧生 物处理中，最适宜温度在1 5 3 0o c 。 ( 4 ) p h 值。对活性污泥微生物最适宜的d h 值范围是6 5 8 5 。p h 值低于 6 5 时，有利于真菌的生长繁殖，降低到4 5 时。真菌将完全占优势，产生污泥 膨胀现象。p h 值超过9 0 时，菌胶团可能解体，活性污泥絮体遭到破坏。 ( 5 ) 营养平衡。为了使活性污泥反应正常进行，就必须使污水中微生物 的基本元素一一碳、氮、磷达到一定的浓度值，并保持一定的平衡关系。元素 碳的量是以污水中的b o d 值表示的。一般b o d ：n ：p 应为1 0 0 ：5 ：i 。当不 能满足氮和磷的要求时，应向反应器中投加必要的氮和磷等营养物质。 作为当前世界各国应用最广的一种二级生物处理流程，活性污泥法具有去 除效率高、出水水质好等优点，适用于处理水质要求高且水质比较稳定的废水 i s , ”。但是，活性污泥法也存在一些缺点：( 1 ) 基建费用高；( 2 ) 能耗大、 运行费高；( 3 ) 管理比较复杂；( 4 ) 易出现污泥膨胀、污泥上浮等问题；( 5 ) 不能充分去除氮、磷等无机营养物质：( 6 ) 不善于适应水质变化；( 7 ) 供氧 不能得到充分利用；( 8 ) 曝气池结构庞大，占地面积大等。因此，研究更加 高效、节能的废水处理新技术和新工艺，己成为当今世界上废水处理研究的新 方向【7 】o 1 1 2 序批式反应器 尽管现行的活性污泥法的各种系统和运行方式大多都是连续的，但在活性 污泥法开创初期，却是间歇运行的。但由于运行操作比较繁琐，曝气装置易于 堵塞以及某些认识问题。对活性污泥法长期采用了连续运行的方式。近二十年 来，随着自动控制技术的发展，污泥回流、曝气以及混合液中的溶解氧( d o ) 、 d h 值、电导率等指标均可自动控制，为重新采用间歇式运行的活性污泥法创造 了条件。 序批式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s b r ) 就是采用间歇曝气方式 来运行的污水生物处理系统。从目前污水好氧生物处理的研究、应用及发展趋 势来看，s b r 技术是一种简易、快捷且低耗的污水处理技术。s b r 在运行 方式和反应过程上有别于传统的活性污泥法，它集进水、厌氧、好氧、沉淀于 一池，可以灵活地变换运行方式以适应不同类型废水的处理要求。s b r 工艺采 用间歇运行方式，污水间歇进入处理系统，间歇排出。一般来说，它的一个运 行周期包括5 个阶段。 第l 阶段：进水期。污水在该阶段内连续进入处理池，直至达到最高运 行液位，并且借助于池底泵的搅动，使废水和池中活性污泥充分混合，此时活 性污泥中的菌胶团将对废水中的有机物产生吸附作用。进水期反应器起到调节 池的作用，因此，反应器对水质、水量的变动有一定的适应性。 第2 阶段：反应期。进水达到设定的液位后，开始反应。根据废水处理 的目的，通过控制溶解氧的浓度，可以实现b o d 去除、硝化、磷的吸收以及 反硝化等目的。如果为前三项，则可曝气，维持较高的d o 值，如为后一项， 则缓慢搅拌，维持缺氧环境。 第3 阶段：沉降期。既不曝气也不搅拌，反应池处于静止沉降状态，进 行高效的泥水分离，有机物浓度降为最小值，随着水中的溶解氧不断降低，厌 氧、缺氧反应也在进行。沉淀期的时间基本同二次沉淀池，一般为1 5 2 0h 。 第4 阶段：排水期。上清液由滗水器排出，一直到最低水位，在反应器 内留一部分活性污泥作为种泥。 第5 阶段：闲置期。此阶段活性污泥中微生物恢复活性。为了保证污泥 的活性，防止出现污泥老化现象，还需定期排出剩余污泥，为新鲜污泥提供足 够的底物。此过程所需时间应根据现场具体情况而定。如时间过长，为了避免 污泥完全钝化，应进行轻微的或间断的曝气。 序批式活性污泥系统原则上可以作为活性污泥法的一种变法，即一种新的 运行方式。如果说连续式的曝气池是空间上的推流，则s b r 反应器在流态上虽 然属完全混合式，但在有机物降解方面，则是时间上的推流。由于其灵活的运 行方式，s b r 反应器可以实现脱氮除磷的目的。s b r 系统的脱氮过程大致可分 为三个阶段【i o l l 】。第一阶段为进水初期，池内残留的n c i x - n 被还原。第二阶 段为曝气阶段，在这段时间里，在硝化作用下，氨氮被氧化成n o 。n 。第三阶 段为沉降期和排水期，部分n o 。n 经反硝化过程还原为氮气，从而从系统中 去除。无论采用絮体活性污泥，还是好氧颗粒污泥，均已在s b r 反应器中成功 实现同步硝化反硝化脱氮的功能【i i 13 1 。 一般认为，在磷的循环中起作用的是一些厌氧的产酸菌和兼性的聚磷茵。 由于s b r 系统可方便地满足好氧、缺氧和厌氧条件，使生物除磷成为可能。当 进水期开始时，高浓度有机物进入系统，活性污泥的氧吸收率较高，游离氧和 残留的结合态氧相继被消耗，系统由好氧、缺氧而进入厌氧状态。在厌氧条件 下，一些兼性的好氧菌把贮存的多聚磷一部分转变成a t p ，以提供生长所需的 能量，一部分释放到胞外，在一些产酸菌的作用下转变成正磷酸盐另外，细 菌细胞对物质的主动运输，也使胞内磷释放到细胞外，从而使自身处于缺磷状 态。进水期结束后，系统逐渐进入好氧状态，处于磷饥饿状态的这些聚磷菌会 大量吸收磷，即磷的过量吸收。当s b r 系统的一个运行周期结束后，活性污泥 4 处于缺氧厌氧的闲置期，或进入下一个运行周期，使聚磷菌再次处于缺氧和厌 氧状态，完成生物除磷的循环】。z e n g 等对s b r 反应器中同时进行硝化、反 硝化及除磷过程进行了研究，并建立了相关的数学模型【1 1j 。好氧颗粒污泥s b r 反应器中也实现了同时硝化、反硝化和除磷的功能【“j 。 与传统活性污泥法相比，s b r 法有很多优势：( 1 ) 占地省，投资小，构 筑物少，一般只设反应池；( 2 ) 工艺流程简单，无需二沉池和污泥回流设备； ( 3 ) 在沉降阶段属理想静止沉淀，控制灵活，具有较强的脱氮除磷能力，出 水水质好：( 4 ) 生化反应推动力大，速度快；( 5 ) 利用时间上的推流代替 空间上的推流机制，可以有效防止污泥膨胀；( 6 ) 由于s b r 法本身的间歇 运行特点，很适合处理流量变化大甚至间歇排放的工业废水。大量资料显示， 小型企业废水量少，不宜采用连续流生物处理工艺。而采用s b r 工艺既可以 节省基建费用，又可以灵活操作。除此以外，s b r 反应器的间歇运行方式使反 应器内存在随时间变化的有机物浓度梯度，有利于活性污泥的颗粒化。因此， 在好氧颗粒污泥培养中，绝大多数研究均采用s b r 反应器或类似的间歇运行反 应器。 1 1 3 厌氧颗粒污泥 厌氧颗粒污泥绝大多数均在升流式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g e b l a n k e t ，u a s b ) 反应器中培养。u a s b 反应器是由荷兰w a g e n i n g e n 农业大学 l e t t i n g a 教授等研制的，这一反应器的发明使有机废水高效厌氧生物处理产生 了革命性突破【l ”。u a s b 反应器中废水为向上流，最大的特点是在反应器上部 设置了一个特殊的气、液、固三相分离系统( 简称三相分离器) ，三相分离器的 下部是反应区。在反应区中根据污泥的分布状况和密实程度可分为下部的污泥 层( 床) 与上部的悬浮层。当废水由反应器底部进入反应器后，由于水的向上 流动和产生的大量气体上升形成了良好的自然搅拌作用，并使一部分污泥在反 应区的污泥床上方形成相对稀薄的污泥悬浮层。悬浮液进入分离区后，气体首 先进入集气室被分离，含有悬浮液的废水进入分离区的沉降室，由于气体已被 分离，在沉降室扰动很小，污泥在此沉降，由斜面返回反应区。 研究人员利用u a s b 反应器运行负荷高，抗水力冲击能力强和转化效率高 的优点，成功地培养出了厌氧颗粒污泥。在u a s b 反应器内，厌氧污泥可以絮 状的聚集体( 絮状污泥) ，或直径约l 一5m m 的球形、椭球形颗粒污泥的形式 存在【1 6 7 1 。在厌氧反应器内厌氧颗粒污泥形成的过程称之为厌氧污泥颗粒化， 而厌氧污泥颗粒化则成为大多数u a s b 反应器启动的目标和判断启动成功的标 志。早在1 9 8 4 年，l e t t i n g a 等人就对u a s b 反应器中厌氧颗粒污泥的形成， 及其对u a s b 反应器快速启动的影响等进行了研究。厌氧颗粒污泥的形成对于 u a s b 反应器的启动有很大的促进作用，但同时也应看到培养颗粒污泥所需的 专业性和技术性都很高，一般认为在条件适合的情况下，4 6 个月才可获得 5 厌氧颗粒污泥i l ”。 厌氧颗粒污泥具有以下优点【1 9 1 ：( 1 ) 细菌形成的颗粒状的聚集体是一个 微生态系统，其中不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成细菌生 长的生理生化条件，从而有利于有机物的降解；( 2 ) 颗粒的形成有利于其中 的细菌对营养的吸收；( 3 ) 颗粒的形成使发酵菌中间产物的扩散距离大大缩 短，这对复杂有机物的降解是非常重要的；( 4 ) 在废水性质突然变化时( 如 p h 、毒性物质浓度等) ，颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境，使代谢过程 继续进行；( 5 ) 剩余污泥产量少，且脱水性能好，易处理；( 6 ) 容积负荷 高，反应器体积小，占地少；( 7 ) 可处理高浓度的有机废水；( 8 ) 菌种易 于保存，可作为新建厌氧处理厂的种泥；( 9 ) 规模灵活，且无需昂贵的设备。 1 2 好氧颗粒污泥的研究现状 尽管传统的絮体活性污泥具有去除率高，出水水质好等优点，但是也存在 一些缺点，如易出现污泥膨胀、污泥上浮等问题，曝气池结构庞大，占地面积 大等，这些缺点在某种程度上限制和影响了絮体活性污泥在污水处理中的应用。 而厌氧颗粒污泥尽管具有耐冲击负荷能力强，容积负荷高，占地少等优点，但 其所固有的缺陷，如需要较长的启动周期，较高的操作环境温度和不适应处理 低浓度污水等，使其很难广泛应用于污水处理中。如果在活性污泥系统中实现 污泥的颗粒化，形成好氧颗粒污泥，则可集中絮体活性污泥和厌氧颗粒污泥的 优点，并避免了两者由于结构和细菌种类所造成的缺陷，得到一种较为理想的 废水生物处理形式。因此，环境工程领域的科研人员。在厌氧污泥颗粒研究的 基础上对好氧颗粒污泥进行了研究。好氧颗粒污泥是活性污泥微生物在好氧环 境条件下通过自固定过程，最终形成结构紧凑、外形规则的密集生物聚合体。 好氧颗粒污泥不仅具有厌氧颗粒污泥的优点，还避免了后者因自身厌氧菌组分 所固有的缺陷。它生长迅速，且生长环境温度要求相对宽松，在有机物浓度较 低时也能生存。好氧颗粒污泥具有相对密实的微观结构，优良的沉淀性能，较 高浓度的污泥截留和多样的微生物种群。因此好氧颗粒污泥反应器具有如下优 点：( 1 ) 较好的泥水分离；( 2 ) 较高的生物反应器单位体积处理能力：( 3 ) 可以承受较高的冲击负荷；( 4 ) 减少对二沉池的体积要求：( 5 ) 同时去除 有机物和氮、磷等营养物质【2 们。 1 9 9 1 年s h i n 等采用合成废水在连续流a u s b ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g e b l a n k e t ) 反应器中培养出好氧颗粒污泥但运行条件非常苛刻，须采用纯氧 曝气，并需在反应器中设置搅拌装置【2 ”。同年，m i s h i m a 等以城市污水作为进 水，利用a u s b 反应器实现了活性污泥的自凝聚【2 2 1 。近年来各国学者，包括众 多的中国研究人员，更多致力于在非连续流条件下培养好氧颗粒污泥的研究。 1 9 9 7 年m o r g e r t r o t h 等利用s b r 反应器对好氧颗粒污泥的自凝聚及其性能进行 了研究，在稳定阶段，反应器中主要为颗粒污泥和絮体污泥的混合物【2 。但是， 6 在反应器运行1 3 0 天后，颗粒污泥开始解体，化学需氧量( c o d ) 去除率下降， 具体原因尚需要进一步研究。而以后的研究更多的集中在如何控制运行条件如 剪切力、沉降时间、有机负荷、水力停留时间等，以有利于好氧颗粒污泥的形 成【2 4 之“。1 9 9 9 年p e n g 等在s b r 反应器中，以醋酸钠为碳源，在低溶解氧( d o o 7 1 0m g l ) 条件下培养出具有良好生物学性能的好氧颗粒污泥，并认为好 氧颗粒污泥的形成有利于在低溶解氧浓度下保持较高的降解能力，提高处理效 率 2 7 o 同年，b e u n 等发现，在s b r 反应器中控制沉淀时间可以排出絮体污泥， 这是影响好氧颗粒污泥形成的主要因素，并指出了有机负荷和水力剪切力对好 氧颗粒污泥形成的作用 2 8 1 。生长缓慢的硝化颗粒在好氧升流式污泥床反应器 ( a u f b ) 中培养成功【2 9 1 。此后，研究发现好氧颗粒污泥可用于同步硝化反硝化 3 0 - 3 2 1 ，生物除磷【1 们，及处理如豆制品废水【3 3 1 、奶制品废水【3 4 1 和制糖废水【3 5 l 等 工业废水和有毒废水1 3 6 。国内自2 0 世纪9 0 年代末期开始好氧颗粒污泥的研究工 作，清华大学【2 6 1 、江南大学【3 7 ，3 8 1 、湖南大学【3 0 1 、大连理工大学【3 9 l 和上海交通 大学【4 0 】等单位的研究人员以人工合成废水为基质，利用s b r 进行了培养好氧颗 粒污泥的研究工作，在好氧颗粒污泥的培养工艺条件、脱氮除磷能力评价等方 面取得了成果。 1 2 1 好氧颗粒污泥的基本特性 好氧颗粒污泥颜色一般为橙黄色，具有相对规则的圆形或椭圆形外观，成 熟的好氧颗粒污泥有光滑的表面，边界清晰。多数颗粒污泥的直径在0 5 1 5 m m 之间，颗粒污泥的形状系数( s h a p e f a c t o r ) 稳定在o 4 5 ，纵横比( a s p e c tr a t i o ) 为0 7 9 i 2 3 j 左右。在放大镜即可观察到颗粒污泥表面有一些孔隙，而这些孔隙被 认为是物质的传递通道。 在不同条件下形成的颗粒污泥区别很大。在厌氧一好氧交替工艺中，粒径在 o 5m m 以上的颗粒占全部污泥颗粒的2 0 1 4 “，而在循环间隙反应器( s b r ) 中， 颗粒粒径多在1 9 4 6m m 之间，稳定状态下形成的颗粒光滑、致密，直径为 4 6m m 42 1 。好氧颗粒污泥具有相对较大的密度。在多数情况下，s b r 中形成的 颗粒污泥的相对密度为1 0 0 6 1 0 0 8g c m 3 ，稳定操作条件下的污泥浓度维持 在3 2 6 9g l 。有研究认为，大多数情况下颗粒污泥的密度随直径的增大而降 低。颗粒污泥有良好的沉降性能，表达污泥沉降性能常用污泥沉降指数和沉降 速度。单个颗粒污泥的沉降速速率在1 8 3 5m h ，颗粒污泥的s v 为1 4 3 0 ， s v i 在2 0 9 0m l g 之间( 一般在3 6 左右) 4 2 1 。颗粒直径和沉降速率间呈正相 关【4 3 1 。颗粒污泥的强度也是其重要性质之一。较小的颗粒强度会增加颗粒的破 裂或剥落的程度，不能使颗粒化污泥很好的长大，形成的颗粒污泥直径小、沉 降性能差。 一般用v s s 表示污泥中的有机物的量，并以此估计污泥中的细胞量。v s s 主要由细胞组成，通常情况下v s s 占污泥总量的7 0 9 0 。细胞成分与废水水 7 质、运行温度咀及颗粒污泥所处的生理阶段等因素密切相关。颗粒本身的生物 相极其丰富。主要是形态各异的缨菌，有球菌、轩菌等。p e n g ”】等观察到颗粒 污泥主要由杆状细菌组成，并无丝状菌的存在。m o r g e n r o t h 2 3 等发现好氧颗粒污 泥由结合着细菌的酵母构成，构成丝状结构的酵母主要为g e o t r i c h u m s p 。在较 大的好氧颗粒污泥颗粒表面和周围还存在大量的原生、后生动物，附着生长大量 钟虫，如等枝虫等。胞外多聚物( e p s ) 是颗粒污泥的另一种重要的化学组成部 分，其主要物质是多聚糖、蛋白质、酶蛋白、核酸、磷脂及腐殖酸。 1 2 2 好氧颗粒污泥形成的影响因素 ( 1 ) 进水底物 国内外已经有不少成功培养出好氧颗粒污泥的实例，但是多数试验用水均 为人工配制的模拟废水，并且废水成分均为易降解物质如葡萄糖、乙酸钠、乙 酸、无机混合底物以及豆制品废水等。这些易降解物质均具有较高的粘性，这 可能有助于细菌之闻的相互聚合。不同碳源培养下的好氧颗粒污泥，其内郝微 生物群落和结构也有着明显的差异。例如t a y 4 4 】等以葡萄糖为底物培养出来的 好氧颗粒污泥中丝状菌为优势菌种；而以乙酸为底物培养时却没有观察到丝状 菌的存在。另一方面进水底物中c 、n 和p 的协调比例有助于形成好氧颗粒污 泥。卢然超【4 习等采用模拟配制的生活污水，在s b r 工艺中研究不同的c o d t n 、 c o d t p 、t n t p 条件对形成好氧颗粒污泥的影响。试验发现，进水中较高的 c o d t n 、c o d t p 和适当的t n t p 对形成颗粒污泥有利。l i u 4 5 1 等在s b r 反应器 内培养硝化颗粒污泥的过程中研究不同的c o d n 对形成颗粒污泥的影响结果 发现几种情况都形成了好氧颗粒污泥，但是c o d n 越低时形成的颗粒平均直径 越小。 ( 2 ) c o d 负荷 与厌氡颗粒相反，m o y 4 6 1 等通过大量试验结果表明c o d 负荷在一定菹国 内2 5 1 5k g c o d m 3 d 对好氧污泥颗粒化过程没有直接影响，但会影响到颗粒 污泥的物理结构和形状。当c o d 负荷从3 9k g c o d m 3 d 时，好氧颗粒的平 均直径从1 6 1 9m m 【4 ”。试验表明当有机物负荷率增加时。好氧颗粒污泥的 干密度，比重，s v i ，物理强度会降低。而当c o d 负荷较高时，可能会引起丝 状菌膨胀或是粘性膨胀，对进一步培养好氧颗粒是不利的。 ( 3 ) 水力剪切力 水力剪切力是形成好氧颗粒污泥的重要影响因素之一。t a y 4 4 】等在s b r 反 应器中以较低的表观气速( o 0 0 8m s ) 培养好氧颗粒污泥未成功，但在较高的 表观气速( o 0 2 5m s ) 下却形成了形状规则的好氧颗粒污泥。近期研究表明， 水力剪切力还会对污泥的生理活动产生影响。当水力剪切力较大时新陈代谢产 生的能量主要被用于生理反应产生e p s ，雨菲增规污泥的数量。适当的水力剪 切力有助于e p s 的产生，从而对颗粒化过程起到了重要的作用。 8 ( 4 ) 选择压 目前比较流行的培养好氧颗粒污泥方法之一就是选择压法。该法实质上是 一种淘汰法，即将反应器中不适宜形成颗粒污泥的悬浮和絮状污泥淘汰，通过 逐步淘汰最终形成形态单一的颗粒污泥。目前，通过改变沉降时问、s r t 而形 成的好氧颗粒污泥就是应用了选择压法。q i n