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好氧颗粒污泥的培养及其水动力学研究 摘要 好氧颗粒污泥是一种新兴的、有广阔前景的污水生物处理技术。采用 人工模拟废水为底物，在序批式反应器中实现好氧污泥颗粒化。好氧颗粒 污泥不仅生物量集中，沉降性能好，还在生物脱氮、除磷和处理高浓度有 机废水等方面有卓越的表现。研究发现，钙在好氧颗粒的培养过程中起到 非常重要的作用，钙离子在颗粒污泥中的主要赋存形态为碳酸钙，主要占 据颗粒中心细菌缺失的空隙。钙离子的存在可以提高好氧颗粒的稳定性和 强度。通过对颗粒抗压强度和抗剪切强度两方面的考察，进一步证明钙对 好氧颗粒污泥的稳定性有十分明显的积极作用。序批式反应器( s b r ) 良 好的水力条件对好氧颗粒污泥的形成和结构具有十分重要的意义。采用计 算流体力学方法对s b r 反应器内的固液气三相流动建立了三维瞬态流体 力学模型。计算流体力学软件f l u e n t 对模型进行模拟计算的结果表明， 采用欧拉欧拉方法建立序批式反应器中的多相流模型可以合理表达反应 器的流动特性。模拟结果与实验观察及文献报道的流动特征相符。 关键词：好氧颗粒污泥钙颗粒强度计算流体力学模型 c u l t i v a t i o na n dh y d r o d y n a m i c so ft h ea e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e 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 san o v e la n dp r o m i s e db i o t e c h n o l o g yf o r h a n d l i n g w a s t e w a t e r a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g ef e e d i n g w i t h s y n t h e t i c w a s t e w a t e rw a ss u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e di nas e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r t h e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sad e n s e ra n ds t r o n g e r m i c r o b i a ls t r u c t u r e ，g o o ds e t t l e a b i l i t y ，h i g hb i o m a s sr e t e n t i o n ，a b i l i t yt o w i t h s t a n dh i g ho r g a n i cl o a d i n gr a t ea n dr e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s i m u l t a n e o u s l y t h ec a l c i u mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ec u l t i v a t i o no ft h e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n di te x i s t si nt h ec e n t e ro ft h eg r a n u l ew h e r et h e r e h a sn om i c r o b ei nt h ef o r mo fc a l c i u mc a r b o n a t e t h ee x i s t e n c eo ft h ec a l c i u m c a ni m p r o v et h es t a b i l i t ya n dt h es t r e n g t ho ft h ea e r o b i cg r a n u l e t h es h e a r s t r e n g t ha n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ea e r o b i cg r a n u l es l u d g ew e r e s t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a ti t sa d v a n t a g e o u st oa d dp r o p e rq u a n t i t yo f c a l c i u mi n t ot h ei n f l u e n tt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h eg r a n u l es l u d g e t h e e x c e l l e n th y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n so ft h es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o rp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e a t h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tm o d e lw a sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h el o c a l h y d r o d y n a m i c s o fag a s - l i q u i d - s o l i d t h r e e - p h a s ea 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 g b a t c hr e a c t o r u s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i cm o d e l m o d e l i n gc a l c u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tu s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i cc o d ef l u e n t t h er e s u l ts h o w st h a ti t sp r o p e rt 0u s et h ee u l e r - e u l e r m o d e lt os i m u l a t et h em u l t i p h a s ef l u i di nt h es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg r e a tc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n to b s e r v e sa n dt h e l i t e r a t u r er e p o r t s k e y w o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；c a l c i u m ；g r a n u l a rs l u d g es t r e n g t h ；c f d m o d e l i n g 插图清单 图卜l 序批式反应器运行模式示意图3 图卜2 以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥颗粒化过程8 图2 - 1 好氧颗粒污泥s b r 反应器示意图1 1 图2 2 污泥形态图1 4 图2 3 一个周期内反应器中c o d 的变化曲线1 6 图2 4 一个周期内反应器中氮元素随时间变化的曲线1 7 图2 5 一个周期内反应器中磷元素随时间变化的曲线1 8 图3 1 气相分析方法示意图2 0 图3 2 颗粒污泥抗挤压强度测定仪示意图2 0 图3 3 颗粒污泥水力剪切搅拌反应室示意图2 1 图3 4 ( a ) 好氧颗粒剖面图像：( b ) 好氧颗粒剖面上滴加盐酸后产生气 泡2 2 图3 5 好氧颗粒污泥不同粒径等级的钙含量2 4 图3 - 6 好氧颗粒污泥不同粒径等级的抗压强度2 5 图3 7 污泥浓度对好氧颗粒污泥抗剪切强度的影响2 6 图3 - 8 不同好氧颗粒污泥的抗剪切强度比较2 7 图3 9 粒径对好氧颗粒污泥抗剪切强度的影响2 8 图4 1 鼓泡塔反应器内表观气速和塔径对流型的定量关系图3 0 图4 2f l u e n t 基本程序结构示意图3 8 图4 - 3s b r 反应器网格模型3 8 图4 4s b r 反应器不同高度处局部气含率径向分布图4 0 图4 5s b r 反应器不同高度处固含率径向分布图4 1 图4 - 6s b r 反应器固含率全流场分布云图4 1 图4 7s b r 反应器不同高度处径向液速分布图4 2 图4 8s b r 反应器内( a ) 固相；( b ) 液相：( c ) 气相速度分布云图( t = 6 0 s ， u = o 0 1 m s ，口。= 0 2 ) 。4 3 图4 9s b r 反应器内( a ) 固相；( b ) 液相；( c ) 气相速度分布云图( t = 1 2 0 s ， u = o 0 l m s ，口。= 0 2 ) 4 3 表2 一 表2 一 表2 一 表3 一 表3 一 表格清单 厌氧酸化出水中v f a 的组分及含量 人工模拟废水成分 好氧颗粒污泥的特性 好氧颗粒污泥中的钙离子浓度 不同好氧颗粒污泥抗压强度、含钙量及特性比较 1 2 1 2 1 5 2 2 2 5 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， 也不包含为获得盒起王些太堂 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。 一擗多p 期：中，明r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒e 垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家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。本人授权金目b 王些太 ! 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) 学位做者躲；1 丽 签字日期：a 印年明f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师魏m 们鼍 签字日期：v - f l 月1 日 甲 州印1 ， v r 话编 电邮 致谢 论文完成之际，我两年半的研究生学习就要结束了，同时我也要离开 我生活了六年半的工大校园。六年来的点点滴滴我都收留在脑海中，我的 青春，在这里飞扬过。 我要感谢我的导师徐得潜教授，他严谨的治学态度，精益求精的工作 作风，是我学习的榜样。导师诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人 的崇高风范，对我影响深远，激励着我要努力向上。在对科研严格要求的 同时，在学生生活的其他方面徐老师也给了我无微不至的关怀和照顾，在 此，我向徐老师表示深深的感谢。 感谢中国科技大学环境工程实验室的俞汉青教授，从论文的选题到实 验环境的提供，俞老师都给予了我很大的帮助。一年前我怀着崇拜和仰慕 的心情来到俞老师的实验室，很快就感受到这里有良好的学术氛围并处处 充满了人文关怀，能够在这么好的实验室中学习和工作是我的荣幸。俞老 师渊博的知识，大师般的儒雅和灵动的智慧深深地影响了我。在此，我向 俞老师表示深深的感谢。 感谢中国科技大学的任婷婷师姐，本论文的所有实验和内容都是在师 姐的悉心指导下完成的。刚来实验室时她手把手地教我做实验，遇到科研 困难时她积极为我提供帮助。师姐既是我的良师又是我的益友。在此，我 向师姐表示深深的感谢。 感谢中国科技大学环境工程实验室的张梦霖、方芳、李卫华、盛国平、 倪丙杰、刘贤伟等师姐师兄，感谢我的同学谢文明、李柱、王琛、温阳， 他们在生活和学习上给予了我很大的帮助，让我体会到如兄弟姐妹般亲切 的友谊。 感谢我的爸妈，他们是我的精神动力，一直在默默的支持着我。尤其 是我的妈妈，这么多年来她一直都把我当作她生活的全部。在我遇到挫折 时，在我惶恐无助时，我知道还有家里是温暖的。我不会辜负爸妈的期望。 真诚的感谢所有的帮助过我的老师、同学和家人。 感谢对本论文进行评审和出席论文答辩的专家们，感谢他们在百忙之 中为我提出宝贵意见和指导。 作者：刘丽 2 0 0 7 年1 1 月2 1 日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水污染现状 水是人类赖以生存的生命之源。随着我国经济的快速发展，水环境污染问 题日趋严重。大量工业废水不经处理或处理不达标而直接排放，使得我国湖泊 与流域氮磷富营养化现象以及持久有机物污染现象日趋严重。水质安全问题也 导致居民生活、生产用水的高度紧张。种种迹象表明，随着我国经济的迅速发 展，污染物的不断累积以及治理相对迟滞，我国水环境污染破坏效应集中发酵 可能已经成为现实，从空间上来看可能由局部向整体蔓延，导致更大的损失和 危害，给人类健康、经济发展和社会稳定带来严重影响。我国的环境保护已经 处于非常危急的关键阶段，必须采取非常措施遏制环境污染蔓延，才能满足社 会经济发展对环境的需求。针对目前的状况，我国加快了环境保护设施的建设。 但绝大多数城市的污水处理能力仍满足不了实际需要，由于一些废水处理工艺 本身存在结构复杂，处理效率低下，运行维护费用高等缺点而导致工业废水无 法得到有效处理。因此，研究和开发简单、高效的新型污水处理工艺具有重要 的现实意义。 1 1 2 废水的生物处理 废水生物处理技术至今己有1 0 0 多年的历史。长期以来，污水生物处理技 术以其特有的技术、经济和环境优势，己成为世界各国处理城市生活污水和工 业废水的主要手段。废水的生物处理是利用微生物生命过程中的新陈代谢活 动将废水中呈溶解的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隆引。 利用生物学方法处理废水，微生物对污染物有较强较快的适应性，并可将 有关污染物作为底物加以降解或转化，而且还可以产生出许多有用的代谢物质。 因此生物处理技术以其消耗少效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染 等显著优点而备受人们青睐。同时它也是一项保障可持续发展的有力技术措施。 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。好氧生物处理的前提是必须要在有氧的情况 下进行，而厌氧生物处理则需要保证无氧环境。由于好氧生物处理效率高，应 用比较广泛，多用于处理中等浓度以下的城市污水和工业废水。厌氧处理对象 主要是中、高浓度有机物废水和污水处理中所产生的污泥。 根据负责有机物去处的微生物的生长状态和存在形式又可分为三类：絮 体污泥( f l o c s ) ，其中活性污泥是其典型代表：生物膜( b i o f i l m ) ，其主要特 征是微生物附着生长在惰性固态载体的表面；颗粒污泥( g r a n u l e ) ，其特征 是微生物通过自我凝聚形成颗粒状，具备很高的生物活性和优异的沉降性能。 1 1 2 1 传统活性污泥法 活性污泥法于1 9 1 4 年由英国的a r d e n 和l o c k e t t 在m a s s a c h u s e e t s 污水处理厂 开发的，迄今有9 0 多年的历史，该方法由于涉及到在曝气条件下有可稳定污染 物的活性污泥( 活性微生物) 产生而得名。活性污泥法是一种悬浮生长过程， 微生物在处理系统中以松散的絮体形式存在，由于其具有技术成熟和出水水质 高的特点，被广泛地应用于城市污水和工业废水的处理。活性污泥法的反应机 理为：在好氧的条件下，有机物最终被氧化成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、生物代谢和泥水分离等阶段。活性污泥法目前是全世界应用最广 泛的二级生物处理流程，其去除效率高、出水水质好，适用于处理水质要求高 且比较稳定的废水。但其存在以下一些固有的缺点：活性污泥法中产生的活 性污泥结构松散，生物处理系统中的微生物量比较低，处理系统体积负荷难以 提高，负荷比较低；活性污泥法所形成的活性污泥沉降性能比较差，为达到 设计的出水水质要求，沉淀系统的体积一般比较庞大，占地面积大；活性污 泥法存在容易发生污泥膨胀的缺点；另外，活性污泥法的剩余污泥处置费用 高。 1 1 2 2 序批式反应器 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 ) ，是2 0 世纪7 0 年代初美 国n a t r ed a m e 大学i r v i n e 教授开发的废水好氧生物处理系统，采用间歇曝气的 方式进行运行。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能耗的污水处理技术。好氧颗粒污泥的研究大多集中在 s b r 工艺中。该工艺的最主要的特征是集有机污染物降解和混合液沉淀于一体。 工艺系统组成简单，无需设污泥回流设备，不设二沉池，可以灵活的变换运行 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。一个操作过程分五个阶段，如图1 1 所示： 进水期：污水在该阶段进入处理池，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。 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。 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。 排水期：上清液由滗水器排出，一直到最低水位。 闲置期：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，还须定期排出剩余污泥，为新鲜污泥提供足够的底物。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。 进水期曝气期沉淀期排水期闲置期 图1 - 1 序批式反应器运行模式示意图 与传统活性污泥法相比，s b r 法有很多优势：占地省，投资小。构筑物 少，一般只设反应池：工艺流程简单，无需二沉池和污泥回流设备；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； 生化反应推动力大，速度快；利用时间上的推流代替空间上的推流机制， 可以有效的防止污泥膨胀；由于s b r 法本身的间歇运行的特点，很适合处理 流量变化大甚至间歇排放的工业废水。除此以外，s b r 反应器的间歇运行方式 使反应器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 好氧颗粒污泥 颗粒污泥是生物处理工艺中一种特殊的污泥微生物组织结构形式，包括厌 氧颗粒和好氧颗粒两大类。厌氧颗粒化技术出现于2 0 世纪7 0 年代，经过三十多 年的发展，已经比较成熟，广泛地应用于中、高有机物浓度的工业废水的处理 【4 5 】。但是，厌氧颗粒化污泥反应器存在一些缺点，比如：反应器的启动期需 要较长的时间，需要一个相对较高的操作温度，而且不太适合于低浓度有机废 水的处理；另外，厌氧颗粒化污泥反应器不太适合于营养元素氮和磷的去除。 为了弥补这一缺点，近十年来，水处理研究工作者开始致力于好氧活性污泥颗 粒化技术的研究。 好氧颗粒污泥的研究是建立在厌氧颗粒污泥研究的基础之上。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形成结构紧凑、外形规 则的密集生物聚合体。好氧颗粒污泥反应器内能截留大量的活性微生物，反应 器能耐受高有机负荷，具备较高的体积处理能力；其优异的沉降性能，使得处 理后泥水分离变得简单易行，可大大减少后处理工艺对沉降性能的要求；由于 好氧颗粒内部具有密集的生物相，使得反应器同时去除c o d 和氮磷等营养元 素的能力大大提高。这些优点能使污水处理系统具备更强的处理能力，并且节 省占地面积，大大降低了处理系统的投资建设和管理运营成本。在今后的工业、 城市污水处理中，好氧颗粒污泥将成为非常具有潜力的生物处理工艺【6 l 。 1 1 3 1 好氧颗粒污泥的研究现状 早期关于好氧污泥的研究主要集中在生物膜方面，比如在连续流 b a s ( b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n ) 反应器中形成颗粒状生物膜，需要在培养过程中 添加污泥载体。如d eb e e r 等【7 l 对硝化细菌、反硝化细菌，t i j h u i s 等和v a n b e n t h u m 等1 9j 对好氧异养细菌进行的研究均在此思路下进行。1 9 9 1 年，s h i n h s 等i j 和m i s h i m ak 等l 开始利用连续流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 ) 反应器对好氧活性污泥自凝聚现象进行研究，但运行条件苛刻，须得 用纯氧曝气才能形成，且无明显的脱氮除磷能力。自1 9 9 7 年起，m o r g e n r o t h 等 1 1 2 】利用间歇式反应器s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 对好氧颗粒污泥的自凝聚性 能进行了研究。1 9 9 9 年p e n g 等【】3 】在s b r 反应器中，以醋酸钠为碳源，在低 溶解氧( d o0 7 1 0r a g l ) 情况下形成具有良好生物学性能的好氧颗粒污泥。 同年b e u n 等i j 4j 证实在s b r 反应器中较短的水力停留时间和较大的水流剪切 作用有助于形成好氧颗粒污泥，沉淀时间的选择是影响好氧颗粒污泥菌群的主 要因素，并认为在特定情况下采用s b r 反应器进行好氧颗粒污泥的研究具有独 特的优势。此后，越来越多的研究发现好氧颗粒污泥不仅生物量集中，沉降性 能好，还可实现同步硝化反硝化，在生物除磷，处理高浓度有机废水及含毒废 水方面也有卓越的表现。近年来，国内的清华大学、大连理工大学、江南大学 和哈尔滨工业大学等单位的研究人员也开始从事这方面的研究工作，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 1 3 2 好氧颗粒污泥的基本特征 好氧颗粒污泥与絮体污泥呈现出不同的外形结构。完整好氧颗粒污泥的形 状呈球形或椭球形，具有非常清晰的外轮廓，平均直径介于0 2 5 0 m m 之间。 研究表明，颗粒污泥的大小最终取决于诸多反应器操作条件的综合平衡作用结 果，这些条件包括有机负荷和反应器中水力摩擦等【1 5 叫”。 好氧颗粒污泥比重一般在1 0 0 41 0 6 5 ，含水率小于9 7 ( 普通絮状污泥为 9 9 ) ，高密度、低含水率的好氧颗粒的形成可提高反应器污泥浓度，减少剩余 污泥外排量。同时，好氧颗粒污泥具有较高的物理强度，能够抵挡反应器运行 过程中高磨损和水力剪切。 污泥沉降性能一般以污泥体积指数( s v d 和污泥最小沉降速率两个指标来 表示。已有研究表明，好氧颗粒污泥s v i 远低于传统絮状污泥，从工程应用的 角度来看，好氧污泥颗粒化可明显提高活性污泥的沉降性能，这为实现混合液 泥水快速分离提供可能。 细胞表面疏水性作为细胞自絮凝过程中重要的亲和力，根据热力学理论， 表面疏水性的增强将导致表面剩余g i b b s 自由能的减少、细胞自絮凝能力的增 强和致密结构的形成，因此在好氧污泥颗粒化过程中起至关重要的作用1 1 8 1 9 。 好氧颗粒污泥的表面疏水性一般在4 0 7 5 ，约为传统絮状污泥的两倍，并随 着水力剪切力的增强和污泥沉降时间的缩短而提高。 胞外多聚物( e p s ) 通常由多糖( p s ) 、蛋白质( p n ) 、糖蛋白、核酸、磷脂和腐 殖酸等组成，是生物絮体、生物膜和生物颗粒的主要成分，尤其在生物膜和生 物颗粒的形成过程中起重要作用；已有研究表明，胞外多糖( p s ) 的产生可加强 细胞间的絮凝和附着，有助于维持自絮凝颗粒的结构完整性【2 0 】；结合已有关于 颗粒污泥e p s 含量及其组分的研究发现，不同的e p s 提取方法所获得的e p s 含量存在明显差异，且p s p n 比值范围较广，一般在0 1 5m g m g l 2 1 1 。 好氧颗粒菌群分布的研究表明，好氧氨氧化菌n i t r o s o m o n a ss p p 主要分布在 颗粒表层7 0p , m 1 0 0 肛m 范围内，距颗粒表面8 0 0p m 9 0 0 m 处以厌氧菌 b a c t e r o i d e ss p p 为主，而在8 0 0i x m 1 0 0 0p m 处则为死细胞层 2 2 2 4 】。j a n g 等发 现颗粒内部微生物以杆状菌为主，结合微电极和f i s h ( 荧光原位杂交) 技术( 真 细菌探针e u b 3 3 8 、氨氧化菌探针n s m l5 6 ) ，发现氨氧化菌主要分布在颗粒表层， 相应的，大多数硝化反应也发生在颗粒污泥表层3 0 0 肛m 范围内 2 5 l 。e t t e r e r 等研 究还发现距颗粒表面3 0 0i l m 5 0 0p m 处孔隙率最大，这些通道和气孔的存在有 利于溶解氧和营养基质的输入和代谢产物的输出【2 6 】。 然而，对好氧颗粒污泥的研究仅有不到2 0 年的时间，目前国内外学者对好 氧颗粒污泥的研究多侧重于对颗粒基本特性的表征及颗粒污泥培养工艺条件的 研究方面，尚缺乏对其形成机理、反应器内部的流态特征及其对颗粒的形成、 稳定的影响等方面的深入研究。此外，在工业化反应器中培养好氧颗粒污泥的 实践还未广泛进行。随着对废水高效处理技术的需求的不断增加，人们对好氧 颗粒污泥的研究工作将更加深入。 1 1 3 3 好氧颗粒污泥形成的影响因素 好氧颗粒污泥具有规则的球状外形，是结构紧凑的微生物聚合体，其形成 过程是一个非常复杂的过程，受到许多因素的影响： ( 1 ) 基质组成及有机负荷率 已有研究表明，好氧颗粒污泥可在以醋酸钠、蔗糖、乙醇等物质为基质的 好氧反应器内形成【”，1 6 ，2 ”。颗粒结构、微生物种群及分布等与进水基质种类密 切相关。另外，反应器在高有机负荷率下有助于克服基质的传质阻力，在相应 较高的水力剪切力下可形成结构致密、沉降性能优异的好氧颗粒污泥。 l a y 【2 ” 等在有机负荷对好氧污泥颗粒化影响研究中发现有机负荷率的高低直接影响好 氧颗粒污泥的形成及其特性，如颗粒的密度、强度、s v i 以及颗粒的三维结构 等均与有机负荷率相关。 ( 2 ) 反应器结构 反应器的结构及尺寸对于其中的液体的流动形式及微生物的聚合形态有重 要影响。迄今为止，几乎所有的关于好氧颗粒的报道都是基于柱状的上升流式 反应器。这是由于在柱状反应器中上升的空气和液体在沿反应器纵向轴线上会 产生相对均匀的环流和局部涡流，这将使反应器中的微生物聚合体始终处在水 力摩擦作用下。该水力摩擦作用将使微生物聚合体逐渐形成规则的颗粒形状， 使微生物聚集体的表面自由能最低。另外，反应器采用较大的高径比( h d ) 有利于产生一个较长的环流轨迹，能够加强流体对微生物聚合体的水力摩擦作 用，有利于好氧颗粒的形成。 ( 3 ) 水力剪切力 水力剪切力由液体流、空气流和固相粒子间的摩擦引起( 通常以表面气速来 表征) ，在好氧污泥颗粒化过程中作为重要的水力选择压，对颗粒污泥的形成及 其结构特性具有重要的影响。水力剪切力对于微生物的自固定过程起重要作用， 并且影响诸如比重、细胞表面疏水性、多聚糖的产生、微生物的呼吸作用和颗 粒形成过程中的代谢活性等参数。研究表明，保持反应器中较高的剪切力有利 于好氧颗粒污泥的形成和稳定。表面气速( s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y ，s g v ) 对 于颗粒化过程也具有至关重要的作用。在较高的表面气速下，能够形成球状的、 更为致密的颗粒。不同的研究小组研究了不同的气流量和表面气速。例如，t a y 【i s j 等研究了三个相同容积( 2 0l ) 和相同几何形状的s b r 反应器( 高8 0 0m m ， 直径6 0m m ) ，对颗粒化过程中s g v 值分别为o 3 、1 2 和2 4c m s ，依次对应 的气流率为o 5 、2 0 和4 0l m i n 的三种情况进行了考察。结果显示，第一种 情况下没有颗粒污泥产生，而在最高的s g v 条件下产生了性能稳定的颗粒。并 且s g v 越高，形成的颗粒越规则，结构越紧凑。同时颗粒污泥的一般物理特性 如密度和强度也随剪切力增大而增大。这是由于在较高的剪切力下，胞外多聚 糖分泌较多，能有助于好氧颗粒污泥形成紧凑和致密的结构，从而对好氧颗粒 污泥系统的稳定起到维护作用1 1 5 1 。 ( 4 ) 沉降时间 沉降时间对于微生物群落来说是一个重要的水力选择压，其与颗粒污泥 s v i 、粒径等主要理化参数之间具有高相关性。q i n l 2 8 l 等观察到当沉降时间为5 分钟时，颗粒污泥主导s b r 中污泥的存在形态。而当沉淀时间选择在1 0 分钟 或更长时，s b r 中污泥的存在形式则为颗粒和絮体的混合物。采用较短的沉淀 时间会刺激细胞分泌更多的胞外多聚糖，同时促进细胞表面的疏水性能发生很 大改善。通过选择适当的沉降时间，可在颗粒污泥( 快速沉降) 和悬浮或絮状 污泥( 慢速沉降) 间作出选择，使难沉降的絮状污泥在较短的沉降时间内被洗 出，沉降速度大的微生物絮体在一定剪切力下逐渐形成结构致密的颗粒污泥留 在反应器内。 ( 5 ) 水力停留时间 s b r 反应器作为一个循环操作，其周期操作可用来产生一个对系统中微生 物群落的水力选择压力。s b r 反应器体积交换率和操作周期决定了水力停留时 间。采用较短水力停留时间，悬浮物的生长因其被频繁冲出系统而受到抑制。 然而，如果水力停留时间过短，则因在反应器中细胞的繁殖生长不足以补充被 冲出的污泥，最终导致反应器严重的污泥流失现象发生，使污泥颗粒化失败。 因此培养好氧颗粒污泥的水力停留时间必须足够短来抑制悬浮污泥的生长，但 也必须足够长以使微生物能在反应器中繁殖和积累。 ( 6 ) 循环时间和好氧饥饿 在序批操作的s b r 反应器内实现好氧污泥颗粒化，需要确定合适的循环时 间，过短的循环时间不利于微生物的生长与絮集，而过长的循环时间又将对微 生物失去选择作用，最终导致絮体在反应器中占优势较短。相对较短的循环时 间提高了微生物活性并刺激胞外多糖的产生，从而细胞疏水性得到提高，有利 于颗粒污泥的形成。在序批式反应器运行过程中，曝气作为主要的反应阶段， 可分为两个时期基质降解期和之后的好氧饥饿期( a e r o b i cs t a r v a t i o n l ，微生 物在没有基质可以利用的好氧饥饿期，通过胞外多糖的产生和表面疏水性的提 高来应对好氧、饥饿状态，从而絮集形成颗粒污泥。已有研究发现，细胞疏 水性与s b r 饥饿时间呈线性相关性。因此，可将好氧饥饿作为颗粒污泥培养的 一种新策略通过选择合适的反应器循环时间，提供微生物相对较长的好氧饥 饿期絮集形成颗粒污泥【i 。 此外，溶解氧、p h 和温度等因素对好氧颗粒污泥形成也有不同程度的影响。 i 1 3 4 好氧颗粒污泥的形成机理 好氧颗粒污泥是一种特殊的生物膜形式，研究者通过对好氧颗粒理化特性、 微生物结构与颗粒化过程操作工艺条件等方面的研究，提出了丝状菌三维框架 结构模型、诱导核模型、二价阳离子架桥结构模型等，但迄今为止对其形成机 理的研究尚不深入 2 9 1 。目前多数学者对以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥 颗粒化机理达成比较一致的观点是，反应器启动阶段首先由丝状菌缠绕成初始 框架，在普通絮状污泥中占主导地位的真菌附着于丝状菌框架上形成结构较为 松散的菌团，之后球菌、杆菌等微生物在作为固定化载体的菌团与丝状菌框架 上不断繁殖、生长、絮集；在较短的污泥沉降时间、较高的水力剪切力和较高 的有机负荷率等多重选择压下，沉降性能较差的絮状污泥不断从菌团表面洗脱 而被洗出反应器，反应器内逐渐形成密度大、沉降性能好的颗粒污泥；随着反 应器的持续运行，好氧颗粒粒径逐渐增大( 5m m 6m m ) ，大颗粒内部受到基质 和溶解氧等传质限制，颗粒内核分解，解体的菌团作为白凝聚内核，细菌不断 附着在其表面，最终与水力剪切力等操作条件达到动态平衡从而形成结构致密、 沉降性能好、抗冲击负荷能力强的好氧颗粒污泥( 见图1 2 ) 。 图卜2 以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥颗粒化过程 1 2 研究目的、意义及内容 1 2 1 研究目的和意义 如前所述，目前广泛应用于城市污水处理方法的传统活性污泥法存在污泥 结构松散，沉降性能较差，反应器体积处理能力较低，沉降池体积较大，剩余 污泥量较多等缺点。而在特定结构的反应器内，在适当的水力剪切条件、水力 选择压作用下，组成活性污泥的好氧微生物会发生自我固定化，生成尺寸较大、 外观规则、轮廓清晰、结构结实，具有较高的沉降速率和高生物活性的好氧颗 粒污泥。如果能在活性污泥系统中实现污泥的自凝聚乃至颗粒化，会使反应器 中截留大量沉降性能好的微生物聚集体，且可降低污泥沉淀系统要求、减少剩 余污泥的排放。由于颗粒污泥拥有高容积负荷下降解污染物的良好生物活性， 因而可减少反应器占地面积，降低基建投资。因此，这种新型污水好氧生物处 理技术具有非常广泛的应用前景。 好氧颗粒污泥处理系统将更能适应污水处理对生物技术发展的进一步要 求，它的出现将会极大地改变传统的好氧生物处理工艺模式，对推动好氧生物 处理技术的进一步发展具有重大意义。为了促进和开发好氧颗粒污泥技术在污 水处理实践中的应用，保证该系统长期、稳定的运行，必须对好氧颗粒污泥的 形成、特性具有较为全面、深入的认识。最近几年，好氧颗粒污泥技术备受关 注，也有文献对其形成进行了报道。但对其形成机制的理解尚不深入，有许多 问题尚待商榷。特别是在过去的研究中，对于好氧颗粒的稳定性以及强度方面 的报道更是有限，这使得好氧颗粒污泥反应器的长期运营存在信息不足的困难。 此外，到目前为止。大部分好氧颗粒污泥都是在实验室s b r 反应器中培养 成功的。s b r 反应器独特的运行方式和良好的水力条件对好氧颗粒污泥的形成 和结构具有十分重要的意义。反应器中的多相反应流动过程是非常复杂的，其 流体力学特性对反应器性能具有决定性的影响，是其设计、放大和操作的重要 依据。而由于实验条件和建模手段的限制，大多数文献报道往往停留于对反应 器内流动的宏观定性描述，而忽略了局部、瞬态的微观流态及相间的强烈的耦 合作用，目前只有极少数有关好氧颗粒污泥s b r 反应器水动力学作用的信息。 本论文以加深对好氧颗粒污泥形成机制和特性的认识，加速其在污水处理 实践中的工程应用为目标，较系统、深入地探讨了有助于好氧颗粒污泥形成的 必要条件，尤其从内部结构和生物活性等角度阐述了好氧颗粒污泥的特性，并 采用计算流体力学方法对反应器内的宏观流态进行数值模拟，考察好氧颗粒污 泥s b r 反应器的流态特征。这项工作可作为好氧颗粒机理探讨过程中一个重要 的组成部分，为今后好氧颗粒反应器规模的放大、设计、工艺条件优化以及模 型定量预测提供数据支持。同时数值模拟的方法还能够克服多相流反应器流场 测试技术的局限性，这对于推动好氧颗粒污泥技术走向实际应用具有十分重要 的意义。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 好氧颗粒污泥的特性研究 为了深入研究好氧颗粒污泥特性及反应器的运行过程，在s b r 反应器中采 用以厌氧酸化废水为有机碳源的人工模拟废水培养好氧颗粒污泥，对颗粒形成 过程中的形态、污泥特性及反应器运行情况的变化进行监控和研究。对好氧颗 粒污泥的生物活性进行考察，重点研究颗粒同步去除氮磷、c o d 的能力和动力 学过程。 f 2 1 好氧颗粒污泥稳定性研究 研究了钙离子在好氧颗粒污泥中的存在形式及其对污泥的生长稳定过程所 起的作用。颗粒强度对于好氧颗粒污泥的稳定性及反应器处理后泥水分离的效 果起着非常重要的作用。反应器中颗粒污泥的数量、颗粒与水的接触面积及颗 粒的沉降性能都受到强度性能的影响。鉴于钙离子在与污泥强度之间的密切关 系，文中同时强调了钙离子对提高污泥强度和稳定性所起到的作用，并从抗压 强度和抗剪切强度两方面对好氧颗粒污泥的稳定性进行了考察和表征。从反应 器进水策略和颗粒内部结构方面研究颗粒污泥的稳定性，探索保持和提高好氧 颗粒污泥稳定性的方法。 ( 3 ) 好氧颗粒污泥水动力学研究 本文基于欧拉一欧拉模型的基础上采用计算流体力学方法建立数学模型，并 采用f l u e n t 软件求解三维模型，对s b r 反应器内气一液一固三相流动行为进行了考 察。模拟结果反应了s b r 反应器内计算流体力学特性的瞬态特征。 第二章好氧颗粒污泥去除污染物的能力 2 1 引言 与传统活性污泥相比，好氧颗粒污泥在污水处理中有很多优势。例如：良 好的沉降性能；结构稳定，形状密实；含有多种生物相。近年来，好氧颗粒污 泥成了废水生物处理领域的一个研究热点。国内外研究表明，在s b r 反应器中采 用醋酸钠、蔗糖、乙醇等人工合成的简单、易降解的底物可以成功地实现好氧 污泥颗粒化l l 6 , 2 “。 厌氧反应器的出水中含有大量的氮磷和较高浓度的c o d ，另外，其出水成分 比人工合成废水的组分更为多样化，能够为好氧颗粒污泥的形成提供更为均衡 的营养。本研究采用厌氧产氢( 酸化) 反应器的出水为底物，在s b r 反应器中 实现了好氧污泥颗粒化，并且研究了好氧颗粒污泥同步去除污染物质的能力。 2 2 材料和方法 2 2 1 反应器结构及运行 1 时间控制器2 流量计3 空气泵4 进水泵5 排水阀 图2 - 1 好氧颗粒污泥s b r 反应器示意图 反应器的结构示意图如图2 1 所示。反应器为有机玻璃柱状结构，在简身的 不同高度处设有用于进、出水和取样的出口。利用时间控制器控制反应器的自 动运行，进水采用潜水泵，出水采用电磁阀进行控制，用空气压缩机为反应器 曝气，并采用砂芯曝气头使曝气均匀，曝气量由转子流量计控制。 反应器高1 1 0 c m ，直径7 e m ，有效容积为4 l 。曝气循环时间为每周期6 小时， 其中进水4 分钟，曝气3 3 0 分钟，沉降2 分钟，排水4 分钟，静置2 0 分钟。排水阀 设在距反应器底部5 0e m 处( 图2 1 ) ，使得排水比为5 0 。在曝气阶段，反应器 中溶解氧浓度维持在5m g l 左右。反应器温度控制在2 5 左右。 2 2 2 接种污泥 实验所用接种污泥取自合肥市王小郢污水处理厂，该污水处理厂采用具有 脱氮除磷功能的改良型卡鲁塞尔氧化沟污水生物处理技术。接种污泥的污泥浓 度( m l s s ) 为3 - 4g l ，污泥容积指数( s v i ) 为7 4 2m l g ，沉降速度为9 2m h ， 污泥密度为1 0 0 7g c m 3 。 2 2 3 人工合成污水成分 表2 1 厌氧酸化出水中v f a 的组分及含量 乙醇 乙酸 丙酸丁酸异戊酸 表2 2 人工模拟废水成分 成分 浓度( m e l ) 成分 浓度( m g ，l ) c o d1 0 0 0 c a c l 2 - c a ( 培养初期) 4 0 n h 4 c i - n ( 6 0 天后) 1 0 0 c a c l u - c a ( 9 0 天后) 2 0 k h 2 p 0 4 - p ( 6 0 天后1 1 0 m g c l 2 - m g 7 微量元素混合液1 ( m l l ) f e s 0 4 一f e 4 反应器进水采用厌氧产氢( 酸化) 反应器出水作为有机碳源，出水c o d 浓度为5 0 0 0m g l 左右，其挥发性有机酸( v f a ) 组分及浓度见表2 - 1 。将厌氧产酸 反应器出水稀释5 倍后使其c o d 浓度维持在1 0 0 0m g l 上下。在前6 0 天的培养期 内，c o d n p 值从接种初期的1 0 0 5 1 逐渐增加到1 0 0 1 0 1 ，这种条件，有利于 硝化细菌和聚磷菌的富集和生长，并增强颗粒的稳定性6 1 。为促进颗粒的形成 和增加颗粒的强度，在颗粒培养初期，进水中投加过量钙离子3 0 】，当颗粒稳定 后，再逐步降低进水中钙离子的含量( 表2 - 2 ) 。进水中各元素成分如表2 2 所示。 其中微量元素溶液