（环境工程专业论文）颗粒污泥sbr中污泥稳定性及处理生活污水的试验研究.pdf

a bs t r a c t a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a sb e e no n eo ff o c u s e si nt h eb i o l o g i c a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta r e a t os t u d yt h ep o s s i b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g es b ra p p l y i n gi n d o m e s t i cs e w a g et r e a t m e n ta n df i n dt h eo p t i m a lo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s ，a n a n a e r o b i c a e r o b i cs b rw a su s e d 协t r e a td o m e s t i cs e w a g e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s t a b i l i z a t i o no fg r a n u l a rs l u d g ew a si n v e s t i g a t e d ，a sw e l la st h ee f f i c i e n c ya n d m e c h a n i s mo fo r g a n i cp o l l u t a n t s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h eg r a n u l a rs l u d g ec u l t i v a t e dw i t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e rg r e wa n de x i s t e ds t a b l y w h e ni tw a sa p p l i e dt ot r e a td o m e s t i cs e w a g e 。t h eg r a n u l e sa r et a w n y , l o o k sl i k ef r e e s a n d t h em o r p h o l o g yo fg r a n u l e si sn e a r l ys p h e r i c a lo re l l i p t i c a lw i t hd e n s es t r u c t u r e a n dc l e a ro u t l i n e i ti sm a i n l yc o m p o s e do fc o c c ia n db a c i l l u s t h ec o n c e n t r a t i o na n d p e r c e n t a g eo fg r a n u l a rs l u d g ei n c r e a s e df t r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h es a m ec h a n g e o fi n f l u e n tc o dv o l u m el o a d i n g a ts t e a d ys t a t e ，t h eg r a n u l e sh a da l la v e r a g e d i a m e t e ro f9 4 8 3 6 1 l l ma n ds v io f2 0 3 5 a st h ed i a m e t e ro fg r a n u l e si n c r e a s e d ，t h e s e t t l i n gv e l o c i t y , w e td e n s i 够a n dm l v s s 越l s si n c r e a s e d h o w e v e r , s v ia n dw a t e r c o n t e n td e c r e a s e d w h e nt h eg r a n u l a rs l u d g es b rw a sa p p l i e dt ot r e a ts y n t h e t i cw a s t e w a t e r , t h e a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft o c ，p h o s p h a t e ，n h 4 + - n ，t nw e r e8 5 0 3 ，9 2 3 3 ， 9 5 。21 a n d7 2 8 0 ，r e s p e c t i v e l y t h e ni tt u r n e dt ot r e a td o m e s t i cs e w a g ef o r6 m o n t h s a l t h o u g ht h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o nv a r i e dal o t ，t h eg r a n u l a rs l u d g es b r s t i l l h a dg o o dr e m o v a lp e r f o r m a n c e t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d ，t o c ， p h o s p h a t e ，a m m o n i u mn i t r o g e n ，t o t a ln i t r o g e n ，s sw e r e8 0 5 4 ，7 0 。2 7 ，7 0 。9 8 ， 9 2 2 9 ，4 7 4 7 a n d8 2 4 6 ，r e s p e c t i v e l y 。t h eg r a n u l a rs l u d g es b rh a dac e r t a i n a b i l i t yt oa d a p ts h o c kl o a d i n g s ，a n a l y s i so ft y p i c a lc y c l es h o w e dt h a tt h eg r a n u l a r s l u d g eh a sg o o ds i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c e m o s to f t h eo r g a n i c sw a su p t a k e di na n a e r o b i cs t a g ew i t ht h er e l e a s eo fp h o s p h a t e ，t h e p h o s p h o n l su p t a k ea n ds i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) o c c u r r e d d u r i n ga e r o b i cp e r i o d 。 丑撼i n f l u e n tc o dv o l u m el o a d i n go f2 0 - 3 。5k g ( m 3 - d ) i sg o o df o rm a i n t a i n s l u d g es t a b i l i z a t i o na n dt h ei n c r e a s eo fs l u d g ec o n c e n t r a t i o na n dd i a m e t e r h i g h o r g a n i cl o a d i n gi sa l s ob e n e f i tf o rs n d t h eg r a n u l a rs l u d g es b r i sm o r es u i t a b l et o o p e r a t eu n d e rh i g ho r g a n i cl o a d i n g ， i n c r e a s i n gt h ec no fi n f l u e n ta n dt h ep r o p o r t i o no fg r a n u l e si nr e a c t o ri sb e n e f i t f o ri m p r o v i n gt h es n dp e r f o r m a n c e d e c r e a s i n gt h es l u d g ep h o s p h a t ec o n t e n tw i l l i m p r o v et h ep h o s p h a t er e m o v a le f f i c i e n e yi na c e r t a i nd e g r e 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 ，d o m e s t i cs e w a g e ，s l u d g es t a b i l i z a t i o n ， s i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e nr e m o v a l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名：! - 字i ii ! i ： 如7 年月幻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：p 7 年月圯b i i i i - 字bi i像：珈| 年1月口曰 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 好氧颗粒污泥技术 第一章绪论 颗粒污泥是一种特殊形态结构的生物聚集体，也是具有自我平衡能力的微生 态系统。颗粒污泥的形成是微生物自身瀚定纯过程的结果，是一种利用生物废水 处理装置结构的合理设计、运行工况的良好控制及微生物自身作用发生的微生物 自然凝聚的现象。与其他类型的固定化技术不同之处在于，它的形成与存在不依 赖于任何惰性物质载体【b 笛。其最大特点是微生物凝聚成颗粒状，具有很高生物 活性量，并且具有很好沉降性能。强前，随着废水生物处理技术的不断发展和对 废水处理要求的日益提高，在对传统活性污泥工艺和生物膜法不断开展研究的基 础上，提出多种具有不同功能和满足特定处理要求的污水生物处理工艺，同时颗 粒污混处理技术也得到了长足的发展。 根据颗粒污泥中参与代谢活动的微生物种类，颗粒污泥技术分为厌氧颗粒污 泥与好氧颗粒污泥技术。厌氧颗粒污泥技术自上世纪7 0 年代f 3 】至今已经得到了 广泛的研究与应用。但是厌氧颗粒污泥技术也有一些自身无法克服的缺点：如系 统启动时间长、运行温度要求严格、不适于处理低浓度污水、没有脱氮除磷能力 等。为了克服这些不足，科研工作者们开始探讨在好氧条件下通过污泥的颗粒化 来提高反应器性能的可行性。 1 ，1 1 好氧颗粒污泥的研究现状 m i s h i m a 等f 4 】利用连续、凇u s b ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g eb l a n k e t ) 反应器首次 发现好氧活性污泥的宣凝聚现象，毽须缝氧曝气。m o r g e n r o t h t & b e u n 等t 毛越。利 用好氧s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 反应器对好氧颗粒污泥的形成过程及不 同运行操作参数对颗粒化的影响进行研究p e n g 等【”在s b r 中以乙酸为碳源，在低 溶解氧( o 7 一1 0 m g l ) 条件下形成具有良好活性的颗粒污泥。竺建荣等同在生物 除磷硬究中，以厌氧颗粒污泥作必接种污泥实现了污泥好氧颗粒化过程。卢然超 等【9 】以厌氧颗粒污泥为接种污泥，研究了厌一好氧交替s b r 工艺在不同运行条件下 对好氧污泥颗粒化和生物除磷效果的影响。王强等【l o 】也在s b r 反应器中培养出了 好氧颗粒污泥。壬喧等f l l 】硬究厌氧好氧周期循环条件下厌氧快速吸收工艺中的 污泥颗粒化过程、成因及影响因素。随蓿越来越多的研究者成功培养出好氧颗粒 天津大学硕士学位论文第一章绪论 污泥，这一领域研究的深度和广度均有了很大的发展。主要研究热点包括好氧颗 粒污泥的理化特性、颗粒形成的影响因素、形成机理、实际应用等。主要研究成 果将在接下来几节中详细介绍。 1 1 2 好氧颗粒污泥的特性 1 1 2 1 外观及生物相 好氧颗粒污泥外观一般为橙黄色，圆形或椭圆形，成熟的好氧颗粒污泥有光 滑的表面。颗粒污泥的形状系数( s h a p ef a c t o r ) 为0 4 5 ，纵横沈( a s p e c tr a t i o ) 为 0 7 9 t 1 2 】。好氧颗粒污泥中的微生物都是些很常见的物种，它们由于生理上的相互 依赖而构成种稳定密实的结构。颗粒本身的生物相极其丰富，主要是形态各异 的细菌，有球菌、长短不一的杆菌等，同时在较大的好氧颗粒污泥颗粒表面和周 围存在大量的钟虫等原、后生动物嘲。b e u n 等f 6 】的实验中最后生成的好氧颗粒主 要由细菌组成，并含有部分丝状菌。p e n g 等【7 】观察到颗粒污泥主要由杆状细菌组 成，其端部朝向颗粒中心，并无丝状菌的存在。胡林林等【b 】发现以厌氧颗粒污泥 为接种污泥，向好氧颗粒污泥的转化中，原厌氧颗粒污泥中的徽生物以球菌力主， 而获得的好氧颗粒污泥中的微生物以丝状菌和杆菌为主。m o r g e n r o m | 等【5 】发现酵 母是构成好氧颗粒污泥中心丝状结构的主要微生物，在酵母上结合着细菌。但酵 母究竟只是好氧颗粒污泥的支架，还是对底物的降解有更多的作用这一溺题并没 有在研究中得到证实。 扫描电镜观察发现好氧颗粒污泥为层状结构，表面有丝状菌交织成的网状结 构。构成颗粒污泥的种属主要有贝氏硫酸菌属，硫酸盐还原菌，好氧硫化菌，球 衣菌属，纤毪虫，吸管虫属，钟虫属和细菌以及一些厌氧菌【4 ，。t a y 等【1 5 】通过 荧光染色探测到在好氧颗粒内部8 0 0 9 m 处有专性厌氧菌的存在，并且在颗粒中心 还探测到已经死亡的细菌。另有研究表明p 6 1 氨氧化菌只存在于颗粒污泥表面，因 此硝化反应只在颗粒表露深3 0 0 9 m 的地方内发生。孙寓姣等【l7 1 利用f i s h 、荧光 实时定量p c r 等技术，考察了a u s b 反器中好氧颗粒污泥中硝化菌群的生态分布， 结果表明好氧亚硝化颗粒污泥呈层状结构，氨氧化细菌主要分布在颗粒污泥表 层，亚硝酸盐氧化细菌多分布在内层，颗粒内核则无活性细胞。李光伟等醛8 】借助 末端限制性酶切片段长度多态性( t - r f l p ) 技术考察了五氯酚( p c p ) 存在时好 氧颗粒污泥细菌组成的变化，好氧颗粒污泥中微生物的种群数量随着p c p 浓度的 增加丽逐渐减少。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 。2 2 粒径范围， 不同研究者在不同培养条件下获德的好氧颗粒污泥的粒径范围不完全相同。 目前报道的颗粒直径在l 越右的较多。卢然超等 9 1 实验中获得的好氧颗粒直径 大多在0 5 1 5 m 糙之闻，经过适度冲淘后的好氧鬏粒污泥直径在l 瑚落：右，这 样的粒径大小在保证良好沉降性的同时，又能保证曝气时污泥具有良好的悬浮性 和透气性。杨麒等【1 9 】获得的颗粒粒径为0 5 1 o m m 。使用厌氧颗粒污泥转化而成 的好氧颗粒污泥的粒径范围为0 5 1 5 m i n i s , 1 3 。j a n g 等陶培养的颗粒粒径为 1 0 1 。3 m m 。d e 贼等【2 0 】在不同温度下培养出的颗粒污泥平均粒径均为1 2 1 崔n 。 较小粒径范围的报道包括p e n g 等 7 1 获得了直径在0 3 - 4 3 5 m m 之间好氧颗粒。王暄 等【l l 】在厌氧，好氧周期循环条件下，使用葡萄糖配水形成的污泥粒径为 0 5 - 4 3 8 m m ，乙酸钠配水形成的污泥粒径为0 2 曲。4 m m 。 也有部分研究者培养的颗粒污泥粒径较大。m o r g e n r o 也等【5 】获得的好氧颗粒 平均直径为2 3 5 m m ，最大达7 m m 。b e u n 等1 6 培养的好氧颗粒污泥均直径为 3 5 r a m 。刘建匡等江l 培养出的颗粒光滑、致密，粒径大都在3 5 m m 左右。王强 等【l o 】也在s b r 反应器中培养出了好氧颗粒污泥，粒径范围为6 9 m m 。 总的来说，不同研究者获得的好氧颗粒污泥的粒径范围基本接近，平均值大 致在i l a l n 级的水平。 1 1 。2 3 污泥浓度 m o r g e n r o m 等网所获得的好氧颗粒污泥平均固体浓度为0 8 8 9 l 。b e u n 等【6 ，竭： 获得的颗粒污泥浓度为3 2 - 6 8 8 9 l 。杨麒等【1 9 】获缛的颗粒污泥浓度为4 。5 9 l 。 胡林林等【1 3 】获得的颗粒污泥浓度为5 0 9 l 。j a n g 等【1 6 】获得的颗粒污泥浓度为 6 0 9 l 。王强等【1 锄获得的好氧颗粒浓度为7 8 9 l 。除t m o r g e n r o t h 试验中获得的 污泥浓度较低努，其它研究者获得的颗粒污泥浓度都要高于垂常好氧反应器中的 活性污泥浓度( 2 - - 4 9 l ) ，但仍远低于在厌氧反应器中的颗粒污泥浓度( u a s b 中 约4 0 9 l ) 。 1 1 2 4 比重与含水率 竺建荣等【8 】在c o d 负荷为1 2 1 5 k g ( m 3 d ) 时，获得的好氧颗粒污泥的比重 为1 0 0 6 8 1 0 0 7 3g c m 3 。支l 建国等辖1 1 测定的污泥沈重为1 0 1 0 2 9 c m 3 。z h e n g 等溺 在s b a rf s e q u e n c i n gb a t c ha i r l i f tr e a c t o r ) 中培养出的好氧颗粒污泥比重为 1 0 5 9 c m 3 。而普通活性污泥的污泥密度为1 0 0 2 - 1 0 0 6g c m 3 。 好氧颗粒污泥的含水率一般为9 7 , , , 9 8 t 引，低于普通活性污泥( 含水率9 9 以上) 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 s 沉降性能 好氧颗粒污泥有良好的沉降性能。m o r g e n r o t h 等【5 】所获得的好氧颗粒污泥沉 降速率为3 0 - - 4 0 m h 。竺建荣等【8 】的试验中单个污泥颗粒沉降速率为1 8 3 5 m h 。 筋e n g 等疆3 l 培养的颗粒污泥沉降速率为1 8 3 1 m h 。王强等【1 锦获得的好氧颗粒最 小沉降速率为3 2 7 m h 。刘建国等【2 l 】培养的颗粒污泥的平均沉降速率可达5 5 m h 。而对于活性污泥，污泥沉降速率则在1 0m h 以下。 好氧颗粒污泥的s v i 值均较低，多集中在3 0 - - 5 0 范围内隗1 3 , 1 9 , 2 1 , 2 , 3 。d ek r e u k 等【2 0 】培养的颗粒污泥s v i 值达到1 5 以下。丽普透活性污泥的s v i 在1 0 0 - - 1 5 0 左 右。 1 1 2 6 耗氧速率 耗氧速率( o x y g e nu p t a k er a t e ，o u r ) 是指单位质量的微生物在单位时间内 对氧气的吸收量，反映了微生物新陈代谢过程的快慢，即微生物活性的大小、微 生物对有机物的降解能力。嚣前，耗氧速率作为评价好氧微生物活性的主要指标 之一，已被广泛应用于污泥性能的研究。好氧颗粒污泥的o u r 为1 2 7m g ( g m i n ) ， 而普通活性污泥的o u r 为0 8m g ( g m i 左右【8 】。e l j 此可见，好氧颗粒污泥的生 物学活性明最高予普通活性污泥。 1 。2 7 枕械强度 好氧鬏粒污泥的机械强度可盘完整性系数来表示。t a y 等【蠲培养毒的好氧颗 粒污泥的机械强度大于9 5 。较高的机械强度能使颗粒污泥抵抗较强水力剪切 力的破坏和磨损。 1 1 2 8 好氧颗粒污泥的优点 综合上述特性可知，好氧颗粒污泥具有以下优点： ( 1 ) 外观呈规则、光滑的球性或拟球形，边界清晰，不易因水流剪切、内部 产气的压力褥破碎造成污泥流失。 ( 2 ) 提供更为丰富的微生物相。在颗粒的不同位置上，形成多样的微生物种 群，且分别具有形成不同细菌生长的生理生化条件。不同种群存在共生和互生的 关系，从两对璺标污染物的降解提供更多样的途径，使得中闯产物扩散距离缩短， 有利于复杂有机物的降解以及氮磷的去除。 ( 3 ) 具有致密、强韧的结构与较大的粒径，由于传质限制的存在可以在颗粒 内部维持一个相对较为稳定的微环境，使得在废水性质突然交亿时，反应器中能 维持一个相对稳定的微生物生长和作用的微环境，从而能够较大程度地抵抗冲击 毒 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 负荷。并且对毒性有机物质、重金属具有较高的耐受能力。 ( 4 ) 系统中可以存留较高浓度的污泥，提高了反应器中微生物的总量，因此 提高了反应器的处理效率，减少污水的停留时间，提高反应器酶容积负荷，从丽 减少反应器需要的体积。 ( 5 ) 较大的比重和较低的含水率意味着相同干重的污泥，颗粒污泥的体积可 大大减小。因此采用颗粒污泥可以大大降低浮水处理单元的体积，从而减少基建 投资及处理费用。 ( 6 ) 具有优良的沉降性能，由此带来固液分离效果的提高和处理水量的加大。 此外，良好的固液分离，还大大简化了传统工艺中所需的污泥回流和沉降分离设 备，减少了反应器豹占地委积和投资。良好的固液分离性能在废水处理中应用还 使得反应器中保持高浓度低生长速率的微生物成为可能。 1 。1 。3 好氧颗粒污泥颗粒化影响因素 。l 。3 1 反应器类型与进水方式 近几年来，人们对好氧颗粒污泥的研究都是在s b r 或者其衍生爱应器中进行 的，在完全混合式反应器( c o m p l e t e l ym i x e dt a n kr e a c t o r , c m t r ) 中颗粒污泥的 培养没有成功的经验。b e u n 等f 6 】首先对好氧颗粒污泥反应器的选择进行了深入研 究，认为s b r 反应器在好氧颗粒污泥的培养方面具有独特的优势。s b r 翻完全混 合式反应器中的水力流动条件是完全不同的，s b r 中的曝气和上流式进水使反应 器内形成一个沿高度方向的环流，这个环流将推动颗粒污泥运动并使其受到水流 豹摩擦作用。如果反应器的高径比越大，环流的长度就越长，颗粒污泥受到的水 流摩擦作用就越强，这个摩擦作用将使颗粒污泥表覆变褥光滑并形成球型结构。 然而在完全混合式反应器内，由于是紊流状态，颗粒会受到不同方向的水流推力， 其运动方向也变得无规则并经常发生颗粒间的相互碰撞，在这样的环境里，无规 则形状的絮状污泥更易于形成【2 5 1 。s b r 反应器采用间歇式进水方式，其运行方式 为饱食一饥饿( f e a s t - f a m i n e ) 循环运行，这有助予选择沉淀性能好的颗粒污泥。 采用间歇式进水时，与丝状菌相比，呈絮状的细菌对基质的吸收速率较大。呈絮 状的缨菌将吸收的基质贮存于体内且在基质匮乏时震贮存的基质来维持生长和 代谢，同时这种呈絮状的细菌在工艺运行的过程中易予使污泥实现颗粒化。据 m c s w a i n 等【2 6 1 报道，瞬间进水比长时间进水更有利于形成密实的好转颗粒污泥。 1 1 3 2 接种污泥 在好氧颗粒污泥的研究中，有关接种污泥影响的论述不多。从理论上看，接 天津大学硕士学位论文第一章绪论 种污泥是好氧颗粒污泥的菌种源，接种污泥中微生物的种类、活性和数量可影响 好氧颗粒污泥微生物群落的结构和功能、污泥颗粒化的进程以及成熟颗粒污泥的 物理和化学性状。茜前研究者培养好氧颗粒污泥主要选用3 种接种污泥，分别是 厌氧颗粒污测，1 3 1 、好氧絮状污泥【5 。1 1 1 , 2 7 和好氧颗粒污泥f 2 8 】。使用厌氧颗粒 污泥作为接种污泥主要是利用其内部的晶核，为好氧细菌提供良好的栖息地。但 是我国厌氧颗粒污泥相对短缺，而好氧絮状污泥却比较丰富，因此采用好氧絮状 污泥作为培养好氧颗粒污泥的接种污泥就更有发展前景。 l 。l 。3 。3 进水水质 研究发现，好氧颗粒污泥可题含有不屈底物的废水在s b r 反应器中培养出 来，这些底物包括葡萄糖，醋酸，乙醇，苯酚以及无机混合底物 2 6 , 2 9 】。这些易降 解物质均具有较高的粘性，这可能有助于细菌之间的相互聚合。然而用不同碳源 底物培养出来的颗粒污泥其翘部结构及微生物组成成分之间却大楣径庭。例如葡 萄糖培养出的好氧颗粒污泥主要由丝状菌组成。而醋酸培养的好氧颗粒污泥内没 有丝状菌，其污泥结构主要是由紧密连接的杆菌组成。由硝化细菌组成的好氧颗 粒污泥可以由无机碳源培养出来，并具有菲常好的硝化毹力。 进水底物中c 、n 、p 的协调比例有助于形成好氧颗粒污泥。卢然超等【9 】发现， 进水中较高的c o d t n ( 2 4 6 6 ) 、c o d t p ( 5 8 2 5 ) 和适当的t n t p ( 2 3 6 ) 对形成颗 粒污泥有利。l 遗等【3 麓发现n c o d 越高时形成的颗粒平均直径越小，硝化细菌可 以更好地在颗粒污泥上大量塞集繁殖。 1 。1 3 。4 有机负荷 好氧颗粒化污泥在一个非常广泛的有机受荷范围内( 2 5 1 5 k g c o d ( m 3 d ) ) 都可以形成，但是颗粒污泥形成后，系统的稳定性却与系统施加的有机负荷紧密 相关。由于存在传质阻力，相对于絮状污泥而言，颗粒污泥生长速度较幔，较高 的有机负荷有助予克服传质阻力，但是也易弓l 起丝状菌大量生长，扶两阻碍污泥 沉淀并最终导致反应器出水的恶化和反应器运行状况的不稳定【l o 】。 好氧颗粒污泥的物理性质也与有机负荷率紧密相关。低有机负荷下形成的好 氧颗粒污泥表面蓬松，主要盘絮状体构成，高有机负荷下形成的好氧颗粒形状规 则，表丽有裂缝、褶邹和凹坑【3 1 1 。在不同有机负荷下形成的好氧颗粒污泥之间其 密度、比重和污泥体积指数的测得值也相差很大。好氧污泥的本身强度随有机负 荷的增加而减少。这可能是因为有机负荷的增加，生物体生长速度也随之增加， 从两直接削弱了微生物聚合体的结构强度。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 5 沉降时间 沉降时间是好氧颗粒污泥培养过程中最重要的影响因素，绝大部分研究者都 将它作为主要的控制参数【6 j 2 ，3 3 1 。s b r 反应器中，控制沉降时间可以洗出絮状污 混，这是影响好氧颗粒污淀形成的主要因素。控制沉降时闻可用予强讫特定颗粒 的沉降速率，并选择在反应器中保留颗粒污泥( 快速沉降) 还是悬浮或絮状污泥 ( 慢速沉降) 。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 表面的疏水性能得蓟很大的改善臻2 1 。僵是沉淀时间太短，会导致系统的稳定性遭 到破坏，污泥大量流失，出水水质变差，系统处理能力下降。最优沉淀时间的选 择对好氧颗粒污泥形成过程操作是十分重要的。优良的沉淀性能使得反应器利用 颗粒污泥实现对有机污染物的快速、有效的去除成为可能。 1 1 。3 6 水力停留时间 p a n 等【3 4 】发现将水力停留时问控制在2 1 2 h 时好氧颗粒污泥趋于稳定，结构 密实、强度大、沉淀性缝好，混合液中挥发性国体物质浓度保持较高水平，污泥 容积指数( s v i ) 较小，进而对c o d 的去除率较高、剩余污泥量少。b e u n 等【6 】发 现在s b r 反应器中，h r t 为8 h 时不能有效形成颗粒污泥，当h r t 为6 7 5 h 时则可 以生成好氧颗粒污泥。一般来说，较低的h r t 有利于活性污泥的颗粒化，西前研 究中所采用的水力停留时间( h r t ) 通常都比较短，多为4 馥。但太短的h r t 也 不利于污泥的生长和聚集，从而对颗粒化过程产生消极影响。t a y 等f 3 5 】认为足够 长的h r t 会对微生物造成周期性的饥饿，这对于微生物的颗粒化是有效的触发， 并进一步增强细胞间的辐互作用，有利于颗粒污泥的生成。 1 。l 。3 。7 水流剪切力 水流剪切作用对颗粒污泥的形成过程和续构有显著的影响，较高的水流剪切 作用有利于颗粒污泥的形成。在反应器中，表面空气速度是可能形成水力剪切的 主要原因。t a y 等t 3 s j 在s b r 反应器中以较低的表面空气速度( o 0 0 8m s ) 培养好氧 颗粒污泥未成功，但在较高的表露空气速度( 0 。0 2 5m s ) 下却形成了形状规则、 表面光滑、结构致密、性质稳定的好氧颗粒污泥，而且好氧颗粒污泥的密度和机 械强度也会随之升高。但是，过大的剪切力则会导致颗粒污泥的高频率碰撞而破 箨。 一般认为水流剪切主要通过诱导微生物产生更多的胞外多聚物来促进污泥 颗粒化过程。胞外多聚物具有支持微生物聚合并维持结构完整性的生理功能。它 通过莱桥作用使微生物群体形成三维结构，这样微生物相互之间可以更好地发生 生化反应，网时生成的微生物颗粒结构更坚固，更能适应在较大的水流剪切环境 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 下生存。当水力剪切作用增强时，胞外多聚物的数量随之增加，污泥多聚物与污 泥蛋白质的比例亦随之增加。值得注意的是此时污泥中蛋白质数量并未发现明显 改变，这也从反面暗示胞外多聚物对污泥吸附自凝聚和颗粒结构稳定作用比蛋白 质高。 水流剪切力还可以改变微生物细胞表面的疏水性，有研究证明 3 6 , 3 7 】颗粒污泥 形成后较形成前细胞表面的巯水性大大提高，而疏水性能越好，对细胞自固定化 越有利。 1 。l 。3 。8 微生物细胞琉水性 好氧颗粒污泥是通过微生物自凝聚作用形成的，该过程在很大程度上与其细 胞表面的疏水性有关。在通常条件下，细胞表面因带有负电荷而相互排斥，自凝 聚难以发生；但是，当细胞表面的疏水性较强时，自凝聚变得很容易。这是因为 当鲁凝聚发生以籍，自由能降低，系统更稳定3 默。l i u 等【”1 在研究中发现，微生 物细胞的疏水性有助于微生物之间的黏附及异养细菌和硝化细菌的颗粒化，这有 可能是异养细菌和硝化细菌颗粒化的最初驱动力。含异养细菌和硝化细菌的好氧 颗粒污泥豁疏水性较好，这种好氧颓粒污泥的疏水性是传统活性污泥法微生物絮 凝体的两倍之多。 1 1 。3 9 微生物生长速率 为减少曝气带来的动力消耗和过赢的溶解氧对反硝化脱氮的不利影响，研究 者开始对较低的溶解氧浓度下培养生长速率较慢的微生物，并获得好氧颗粒污泥 进行研究。在好氧颗粒污泥工艺中欲降低微生物的生长速率，需要将易降解的有 机物转化为缓慢降解的有机物，如细胞聚合物p h b ( p o l y 一多一h y d r o x y b u t y r a t e ) 。p h b 可被一些细菌贮存在菌体内，如聚磷菌( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ， p a o s ) 和聚糖菌( g l y c o g e na c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，g a o s ) 。d ek r e u k 等嘲在研 究中采用了s b 敞，逐渐将溶解氧出饱帮状态降至4 0 和2 0 ，试验结果表明溶 解氧的进一步降低对形成的好氧颗粒污泥并无任何影响且好氧颗粒污泥性能稳 定。另外l i u 等报道，生长速率较慢的硝化细菌有助于提高好氧颗粒污泥的稳 定性。 。3 o 溶解氧 最初酶好氧鬏粒污泥是在采用纯氧曝气的升流式好氧污漉床串发现的嘲，随 羼有研究表明，在好氧污泥床反应器内直接采用空气曝气也能培养擞好氧颗粒污 泥 5 - - 7 。对溶解氧饱和度与形成好氧颗粒污泥之间的关系进行的研究7 ，4 0 表明在 8 天津大学硕士学位论文第一章绪论 溶解氧饱和度较低时尽管可以形成好氧颗粒污泥，但其粒径较小且不稳定。可见 好氧颗粒污泥的形成需要有较高的溶解氧浓度。 1 1 3 1 1 温度 颗粒污泥在形成与成熟期都与温度有着密切的关系。竺建荣等【4 l 】发现在厌 好氧交替工艺中隧着温度的降低燹| j 除磷效率下降，撼永越来越浑浊，反应器中大 量污泥流失，污泥颜色变暗、颗粒化结构不好，出现了由颗粒污泥向絮状污泥转 变的过程。卢然超等【9 】研究了不同温度( 2 2 、1 5 、8 ) 对形成好氧颗粒污泥的影 响，结论是：在2 2 下对颗粒污泥的形成有利；在低温下培养时得到了与竺建 荣等相同的结论。 1 。1 3 。1 2p h 值和碱度 趟值和碱度对形成厌氧颗粒污泥的影响已经得到了广泛的认可。但是，由于 绝大多数好氧颗粒污泥都采用人工配制的模拟废水培养，p h 值基本上处于中性。 因此关于p h 值和碱度对形成好氧颗粒污泥影响的研究还不是很充分。y a n g 笔 ； 4 2 研究进水中游离氨浓度对形成好氧颗粒污泥的影响时发现，只有进东中游离氨浓 度小于2 3 5m g l 时才能形成好氧颗粒污泥，而当游离氨浓度大于1 0m g l 时硝化 反应就会受到抑制。同时发现，游离氨浓度的增加会使得细胞疏水性降低，这对 形成好氧颗粒污泥是不利的。 1 1 3 。 3 无视金满离子 基质中某些金属离子( 如f e 2 + ，c a 2 + ，m 9 2 + ，趟3 等) 的存在可促进好氧污泥 的颗粒化。在正常的生长p h 范围内，细菌表面带负电荷。添加金属离子，可以 减小细菌间的静电斥力，促进污泥颗粒化。但相关文献f 4 3 】报道仅限于c a 2 + 。c a 2 + 豹作用机理为中和细菌表面的负电荷，提高胞外多聚物的吸附和连接架桥作用， 从两促进好氧颗粒污泥的形成。另外，无机金属离子还可以作为颗粒污泥形成的 惰性内核。 另一方面，颗粒中钙的含量随外界c a 2 + 浓度升高而升高。颗粒中基质传递主 要靠扩散运输，无枫物含量过高会增加传质隰力，使得颗粒中心没有养料供应。 因此，c a 2 + 浓度过高会破坏颗粒内环境，使得颗粒难以形成。 1 1 4 好氧颗粒污泥形成机理 好氧颗粒污泥的形成是一个长麓两复杂的微生物生态学过程。尽管研究人员 对污泥的颗粒化培养进行了大量的研究，但对于好氧颗粒污泥的形成机理亦如厌 9 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 氧颗粒污泥，还有待于进一步的研究。不同的研究者由于方法、角度不同，提出 的机理学说也各不相同。但总的来说，生物膜或颗粒污泥的形成是包括疏水作用、 微生物相中甄营共生作用以及胞癸聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e rs u b s t a n c e s ，e p s ) 粘连作用等内因和水流冲刷、曝气搅拌等外界因素在内的各种控制条件共同作用 下的复杂过程，不能机械地认为是某一两个因素影响的结果。 1 1 4 1 二次成核模型 有些研究者提出的好氧颗粒化机理类似于厌氧颗粒化中的二次成核理论。如 b e u n 等瀚采用分散、雅以沉降的游离细菌为接种污泥研究好氧s b a r 中的污泥颗 粒化进程，在试验观察的基础上提如一个污泥颗粒化过糕的假设。在接种污泥后， 真菌容易形成易于沉淀的菌团滞留在反应器中，而沉淀性能较差的游离细菌则会 被洗出，因此在启动阶段反应器中活性污泥主要由真菌占主导地位的菌团构成。 由于反应器中的水流剪切力作用，菌匿表覆的丝状菌脱落，菌团变褥密实，当蓥 团增大至直径为5 - 6 m m 时，由于在内部存在氧气传质阻力而解体。解体的菌团 作为自凝聚的内核，细菌可以附着在其表面而迅速沉淀，然后以此为基础形成细 鬣戈主的好氧颗粒污泥。琢l 等嘲以厌氧颗粒污泥接种在好氧s b r 反应器中培养 颗粒污泥，并在试验观察的基础上提出以厌氧颗粒污泥接种的污泥颗粒化过程模 型。接种后厌氧颗粒污泥因为环境条件的变化结构变得疏松直至解体，形成不规 则的小絮团，细菌以这些小絮团为内核在其表露上生长，最终形成好氧颗粒污泥。 1 。4 2 t e p s 的联结模型 ，e p s 是微生物在特定环境条件下产生的高分子物质，其主要成分是糖类和蛋 白质，此外还有核酸、脂类、腐殖酸、糖醛酸或氨基酸，以及无机成分等。e p s 与生物聚集体的构造、组成、性能以及微生物生态密切相关。目前已普遍认为e p s 对菌体附着和絮凝过程有重要意义。一方面，e p s 中含有脂类、蛋白质等疏水分 子，使细胞表面疏水性增加，从丽加强绷越闻的粘附性能，降低细胞表面皇由能， 从而形成结实稳定的结构【4 5 1 。另一方面，e p s 可以改变细菌表面电荷从而促进菌 体之间的絮凝。此外，b a r b o s a 等【4 6 】曾发现e p s 是一些纤维状的胶体，这些纤维交 错缠绕成如蛛网般的网状结构，其构成了颗粒的基本骨架，是生物絮凝及细胞凝 聚的基础。本质上，颗粒污泥是多种微生物组成的聚合体，因此e p s 对于细菌附 着的影响也就是对于污泥颗粒化过程的影响。 1 1 4 3 金属阳离子架桥模型 金属阳离子，如c a 2 + ，m 9 2 + 等可能会通过中和细菌表面所携带的负电荷来增 1 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 强微生物细胞间的范德华引力，也可能是在细菌间起到阳离子架桥作用从而最终 达到促进污泥颗粒化的目的。另外，e p s 具有能够与阳离子结合的阴离子集团， 因此e p s 可以与金属离子构成一种空闻三维闻质，维持生物聚集体的结构完整。 1 4 4 丝状菌缠绕模型 丝状菌( m e t h a n o s a e t a ) 在好氧颗粒污泥形成过程中起着重要作用，颗粒污泥 表面丝状菌较多，具有包埋、缠绕杆菌、球菌及小颗粒的作用。在污泥颗粒化的 起始阶段，丝状菌附着于前体物上形成初始核，再e 1 1 此生长出新枝形成网络状结 构，其他微生物再在这种网络结构上生长繁殖。由于各种微生物的生长繁殖及粘 附，这种结构在升流水力和生物气的剪切力作用下，最终形成了密实的球形颗粒。 在这一理论中，前体物的形成是整个颗粒化过程中最为重要的步骤。 1 一1 4 5 共代谢模型 在生物降解过程中包含有多种微生物，它们必然是在一种非常紧密的协作关 系中生存繁殖的。在这种协作环境中，代谢产物及其它中间产物能够在各种菌落 闻有效的转移。共代谢模型表明出于协作生存的必要，最终将形成稳定的微生物 群体或共生体，如初始的颗粒污泥。 1 1 。5 好氧颗粒污泥的应用 好氧颗粒污泥培养成功嚣，可被用于处理多种废水中的污染物，本部分将分 别阐述好氧颗粒污泥在废水实际处理中的各种用途。 1 。1 5 1 高浓度有机污水处理 好氧颗粒污泥具有致密的结构、良好的沉降性能，从而可以在反应器中留存 大量的污泥，具有处理高浓度污水的潜力。m o y 等i 4 7 1 研究了高浓度污泥负荷下颗 粒污泥靛特性，发现以葡莓糖为碳源麓颗粒污泥能忍受1 5 k g c o d ( m 3 - d ) 的负荷 并保持不破碎，并且c o d 去除率达到9 2 以上。而以乙酸盐为碳源的颗粒污泥 只能忍受9 k g c o d ( m 3 d ) 的负荷，当负荷进一步提高时，颗粒结构将被破坏。 1 1 5 2 难降解有毒废水处理 难降解污染物质的完全去除涉及多种菌群的相互作用，而颗粒污泥是多种微 生物共存的微生态系统，大量的污染物质可以在紧凑的系统中得到处理。研究发 现，因颗粒污泥的特殊紧凑结构丽提供的屏蔽作用，使颗粒中相当大数量的微生 物不需要直接接触反应器中高浓度有毒成分。 r a y 等【4 8 】在好氧条件下以醋酸盐为 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 微生物碳源培养出了能够降解苯酚的好氧颗粒污泥。此外，颗粒污泥还可以通过 对易降解基质的利用通过共代谢过程完成难降解基质的处理。 1 1 5 3 重金属的去除 好氧颗粒污泥具有强韧的物理结构与较大的比表面积，且具有多孔性，因此 可作为重金褥的吸附材料。吸附后的重金属很容易随颗粒污泥实现泥水分离。l i u 等人【4 9 】利用好氧颗粒污泥分别对cd = 2 + 、c l l 2 + 、2 0 + 吸附进行了研究，试验结果 表明颗粒污泥对于重金属离予有较强的吸附能力与较大的吸附容量。x u 等【5 0 】研 究了在不同p h 值( 2 7 ) 条件下好氧颗粒污泥对n i 2 + 的吸收效率。 1 1 s 4 生物除磷脱氦 好氧颗粒污泥是一个复杂的微生态系统由于好氧颗粒污泥自身的结构特点 以及溶解氧质量传递的限制，污泥颗粒电外到内。可以形成好氧区、缺氧区和厌 氧区，通过不同的定向培养，可以在三个区域中培养出不同的微生物菌群( 硝化 菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等) ，以用于不同特点废水的处理。由于 好氧颗粒污泥的这些特性，其在除磷脱氮方瑟的应用有很好的前景，这无疑会对 污水生物除磷脱氮工艺产生深远影响