（环境科学专业论文）好氧颗粒污泥长期储存及活性恢复研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e da sa l le f f i c i e n ta n di n n o v a t i v et e c h n o l o g yi n w a s t e w a t e rt r e a t m e n t w i t ht h ec l e a r - o u t e rs h a p e ，c o m p a c ta n ds t r o n gm i c r o b i a ls t r u c t u r e ，a e r o b i c g r a n u l e sh a v et h ea d v a n t a g e so fg o o ds e t t l i n ga 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 n dt h ea b i l i t yt o w i t h s t a n da h i 【g ho r g a n i cl o a d i n gr a t ea n dr e s i s t a n c et oi n h i b i t o r ya n dt o x i cc o m p o u n d s t h e r e f o r e a e r o b i cg r a n u l e sh a v e b e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e di nn u m e r o u sl a b o r a t o r y s c a l er e a c t o r sa n df e w p i l o t - s c a l er e a c t o r si nr e c e n ty e a r sf o rw a s t e w a t e r st r e a t m e n t h o w e v e ra e r o b i cg r a n u l a t i o nh a sb e e n s t r o n g l yi n f l u e n c e db yo r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r ) ，a m m o n i ac o n c e n t r a t i o n , h y d r a u l i cs h e a rf o r c e c a u s e db ya e r a t i o n , a e r o b i cs t a r v a t i o na n ds e t t l i n gt i m e d i f f e r e n to p e r a t i o n a ls t r a t e g i e sc o u l dl e a dt o d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l e s ，t h e r e b ya f f e c tt h er e a c t o rp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t od a t e , n o r e s e a r c hh a sb e e nd o n et oc o m p a r et h eo l r , a m m o m ac o n c e n t r a t i o na n ds h e a rf o r c et o g e t h e rt o v e r i f y t h ee m e mi n f l u e n c e so np h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dr e a c t o rp e r f o r m a n c ed u r i n gg r a n u l e s r e a c t i v a t i o n a n dt h ei m p a c to fs t o r a g es u b s _ 缸 a t ca n ds t o r a g et c m p e r a t mo ng r a n u l e sr e a c t i v a t i o n p e r f o m a a n c eh a sb e e nl e s sr e p o r t e d t h e r e f o r e ，t h eo b j e c t i v eo ft h i s 蛐i st oi n v e s t i g a t et h e r e a c t i v a t i o np e r f o r m a n c eo fs t o r e da e r o b i cg r a n u l e su n d e rd i f f e r e n tr e a c t i v a t i o n o p e r a t i o n a l s t r a t e g i e sa n dd i f f e r e n ts t o r a g ec o n d i t i o m t h es b r sw e r eo p e r a t e du s i n gt h r e eo p e r a t i o n a ls t r a t e g i e sf o rr e a c t i v a t i o na ) d i f f e r e n to r g a n i c l o a d i n gr a t e ( o l r ) ；b ) d i f f e r e n ta m m o m ac o n c e n t r a t i o n ；a n dc ) d i f f e r e n ts h e a rf o r c e ( as u p e r f i c i a l u p f l o wa i rv e l o c i t y ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tg r a n u l e sa f t e rl o n g - t e r ms t o r a g ec o u l dh es u c c e s s f u l l y r e c o v e r e da l t e r7d a y so p e r a t i o na n dt h ee x c e l l e n tg r a n u l e sr e a c t i v a t i o np e r f o r m a n c ew 弱c l o s e l y r e l a t e dt ot h eo p e r a t i o n a ls t r a t e g i e s ，s i n c ei n a p p r o p r i a t eo p e r a t i o n a ls t r a t e g i e sc o u l dc a u s et h e o u t g r o w t ho f f i l a m e n t o u sb a c t e r i aa n dg r a n u l e sd i s i n t e g r a t i o n b a s e do nc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n o fr e a c t i v a t i o np e r f o r m a n c eu s i n gd i f f e r e n to p e r a t i o n a ls t r a t e g i e s ，t h eo p t i m a lo p e r a t i o ns t r a t e g yf o r g r a n u l e sr e a c 缸i t i o nw a ss u g g e s t e da to l r o f0 8k g c o d m j 。丑a m m o n i ac o n c e n t r a t i o no f15 2 0 m g la n das u p e r f i c i a lu p f l o wa i rv e l o c i t yo f2 6 c m s a f t e r7c l a y so p e r a t i o nu n d e rt h eo p t i m a l s 眦e g y 9t h ed a r kb r o w ng r a n u l e s ( 1 2m o n t h ss t o r a g e ) r e s t o r e dt h e i rb i o a c t i v i t i e st op r e v i o u ss t a t e ，i n t e r m so fc o dr e m o v a le f f i c i e n c y ( 9 7 4 4 ) a n ds p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e ( 4 0 6 3 m g - 0 2 g - s sh - 1 ) t h er e s u l t ss h e dl i g h to nt h ef u t u r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fs t o r e da e r o b i cg r a n u l e s 嬲b i o s e e df o r r e a c t o rf a s ts t a r t - u p t h es t o r a g eo fa e r o b i cg r a n u l e si sac o m p l i c a t e dp r o c e s s ，w h i c hi si n f l u e n c e db ys t o r a g e t e m p e r a t u r e ，s t o r a g es u b s t r a t ea n ds t o r a g et i m ea n d t h ea f f e c t i v em e c h a n i s mi sn o tv e r yc l e a r t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t o r a g et e m p e r a t u r eh a sh u g ei m p a c to i lt h em o r p h o l o g ya n dp h y s i c a l l r o p 碰e s ，a n dt h es t o r a g es u b s t r a t eh a sl i t t l ei i l l p a c t t h eg r a n u l e ss t o r e da t4 f o r8m o n t h s p r e s e r v e dt h em o s tc o m p l e t es t r u c t u r ea n dt h e r ew a ss m a l lc h a n g e so ng r a n u l e sm o r p h o l o g ya n d a b s t r a c t p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hi s 如【0 r es u i t a b l ef o rl o n g - t e r ms t a b l es t o r a g eo fa e r o b i cg r a n u l e s m e a n w h i l eg r a n u l e ss t o r e da t2 0 - 2 6 cf o r8m o n t h sh a dt h ew o r s ts t a b i l i t y a e r o b i cg r a n u l e st r a d e r d i f f e r e n ts t o r a g ec o n d i t i o n sa f t e r1m o n t ho p e r a t i o na l la c h i e v e dg o o dr e a c t i v a t i o np c d 0 i m 锄c e t h e g r a n u l e ss t o r e da t - 2 5 。co b t a i n e de x c e l l e n ts e t t l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d s t a b l ep h y s i c a ls t r u c t u r ea f t e r 1m o n t hr e a c t i v a t i o n , a n dt h ep n p sr e m a i n e ds t a b l ed u r i n gt h eo p e r a t i o n t h er e a c t i v a t i o n p e r f o r m a n c eo fg r a n u l e ss t o r e da t2 0 - 2 6 cw a sr e l a t i v e l yp o o ra n dt h er e a c t i v a t i o np e r f o r m a n c eo f g r a n u l e ss t o r e da t4 c w a si nb e t w e e n t h ea e r o b i cg r a n u l e su n d e rd i f f e r e n ts t o r a g ec o n d i t i o n s c o u l db er e a c t i v a t e da f t e r10c l a y so p e r a t i o n t h em i c r o b i a la c t i v i t y ( s o u r ) c o u l db ef u l l yr e s t o r e d a n dt h eg r a n u l e sc o u l da l s oa c h i e v eg o o dc o d 、n h 4 + - na n dp o # - pr e m o v a lp e r f o r m a n c e n o m a t t e rw h a tt h es t o r a g et e m p e r a t u r eo rt h es t o r a g es u b s t r a t ei s , a e r o b i cg r a n u l e sa f t e rl o n g - t e r m s t o r a g e ( 6 - 1 2m o n t h s ) c o u l db eu s e da sb i o s e e df o rr e a c t o rf a s ts t a r t u p t h i ss t u d ya i m e dt oo f f e r u s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na n df u r t h e rc o m m e r c i a lp r o d u c t i o no fa e r o b i c g r a n u l e s k e y w o r d sa e r o b i cg r a n u l e s ；l o n g - t e r ms t o r a g e ；o p e r a t i o n a ls t r a t e g i e s ；s t o r a g ec o n d i t i o n s ；t h e s p e c i f i co x y g e nu t i l i z a t i o nr a t e ( s o t m ) i i 绪论 1 1 好氧颗粒污泥概述 1 绪论 1 1 。1 好氧颗粒污泥的特征及优点 颗粒污泥是一种在污水处理中发现的微生物自凝聚现象的特殊生物膜，可将其分为厌氧 颗粒污泥和好氧颗粒污泥。好氧颗粒污泥的研究起步较晚，始于1 9 9 1 年。好氧颗粒污泥是 一种在较低水力剪切力下不会凝聚，沉降速度远快于絮状活性污泥的微生物颗粒状聚合体 【t l o 好氧颗粒污泥具有规则的圆形或椭圆形外观，颗粒污泥的颜色受其内部菌群结构影响， 一般为橙黄色或白色。成熟的好氧颗粒污泥边界清晰，表面光滑并且结构密实1 2 】。粒径是颗 粒污泥的重要特征参数之一，对于污泥的沉降性能、传质特性以及生物活性具有显著的影 响。好氧颗粒污泥粒径大小分布空间广泛，一般在0 3 8 m m 之间1 3 1 。好氧颗粒污泥一般在较 高的水力剪切力下形成，其结构比絮状污泥更加密实。好氧颗粒污泥的湿密度通常为1 0 0 4 - 1 1 9 a ，含水率约为9 4 - 9 7 。好氧颗粒污泥有良好的沉降性能，其沉降性能常用污泥沉降指 数( s v 0 和沉降速度来表征。好氧颗粒污泥的沉降速率一般为2 5 7 0 m h ，颗粒污泥的s v i 值 一般低于9 0 m l g ，有时甚至低于5 0 m l g ，远低于普通活性污泥的1 2 0 15 0 m l 9 1 4 1 。颗粒污泥 表面有一些孔隙，这些孔隙是底物与溶解氧传递的通道。 与传统的絮状活性污泥相比，好氧颗粒污泥的优点主要包括以下4 个方面：( 1 ) 好氧颗 粒污泥具有优越的沉降性能。可以有效提高反应器的污泥浓度和容积负荷。实际工程运行中 可减小污泥沉淀池体积，减少工艺占地面积，节省基建成本1 4 1 ；( 2 ) 好氧颗粒污泥具有较强的 抗冲击负荷能力。好氧颗粒污泥结构紧密且微生物种群丰富，使其对污水的有机负荷和水力 负荷有良好的适应能力 5 1 ；( 3 ) 好氧颗粒污泥具有吸附重金属与有毒物质的能力。好氧颗粒污 泥比表面积大，颗粒表面有密度很大的孔隙，同时微生物还可分泌大量的胞外聚合物，大大 提高了颗粒污泥的吸附性能【6 7 】；( 4 ) 好氧颗粒污泥具有同步脱氮除磷的能力。好氧颗粒污泥 的特殊结构使其同时存在好氧区和厌氧区，这使多种生物降解过程在颗粒污泥内部同时实 现，提高了反应器的脱氮除磷能力1 8 1 。 1 1 2 颗粒污泥的形成机理 颗粒污泥的颗粒化过程是一个涉及物理、化学和生物作用的复杂过程。目前对颗粒污泥 的形成机理并没有统一的理论，国内外学者提出了以下几种假说： ( 1 ) 微生物自凝聚假说。t a y 等认为好氧污泥颗粒的形成是微生物在静电斥力和水力作用 下的自凝聚过程。发生在细胞内部、细胞之间的相互作用以及多种属的细菌及细菌之间、蛋 白质之间的吸附作用，使得微生物相互聚集形成紧密的有规则形状的三维立体结构1 9 】。好氧 颗粒污泥是高密度的细菌团体，也是一种特殊形式的生物膜。每个颗粒污泥包含上百万个不 东北林业大学硕士学位论文 同种类的细菌，细菌间的相互黏着促进了好氧污泥的颗粒化，最终形成具有规则椭圆形外观 的微生物聚合体【l o l 。 ( 2 1 选择压驱动假说。好氧颗粒化的本质是选择压驱动下的细胞间自我固定化过程，目 前选择压被认为是影响颗粒形成及其特性的最重要的作用力，并越来越受到学者们的认可。 选择压分为水力选择压和微生物选择压两种，前者是通过控制反应器结构特性和水力条件等 将性能差的污泥淘汰出反应体系，后者通过改变混合液中营养成分的负荷来使适应此负荷的 微生物生存下来而不能适应的微生物逐步被淘汰1 1 1 i 。 ( 3 ) 胞外多聚物( e p s ) 假说。e p s 主要由多糖和蛋白质组成，有利于细胞之间的相互粘 附、搭桥和聚集，因此被广泛认为是污泥颗粒化的关键性因素。细菌个体是带负电荷的， e p s 的产生可以改变细胞之间的静电斥力，从而产生凝聚现象。l i u 等认为，e p s 是微生物 细胞和颗粒态物质相连接的桥梁。高浓度的多糖可以促进细胞之间的吸附，并且通过聚合物 矩阵增强微生物结构，如果胞外多糖代谢机制受阻，将会影响微生物聚合体的形成【1 2 1 。 l i u 和t a y 于2 0 0 4 年提出了一个四步的好氧颗粒污泥颗粒化模型被各国学者普遍接受 1 3 l 。第一步，细菌通过物理运动相互接触；第二步，相互接触的细胞在外力的作用下逐渐 形成稳定的聚集体；第三步，细菌聚集体通过菌群生长和e p s 的分泌等方式逐渐形成高度 复杂的微生物结构；第四步，在水力剪切力的作用下微生物结构不断调整，最终形成一个稳 定的、具有三维微观结构的颗粒污泥系统。 1 1 3 好氧颗粒污泥发展趋势及存在问题 好氧颗粒污泥具有生物结构致密、比重大、沉降速度快等优点，可使反应器中保持较高 的生物浓度和容积负荷。同时好氧颗粒污泥具有微生物种群的多样性，在去除有机碳的同 时，可实现同步脱氮除磷。与传统的活性污泥法相比，可简化工艺流程、减少污水处理系统 的容积和占地面积、降低投资和运行成本1 1 4 , 1 5 】。因此，好氧颗粒污泥技术作为一种新型的污 水生物处理形式，在城市污水和工业废水的处理中具有非常广阔的应用前景。 好氧颗粒污泥的突出优点使其成为废水处理领域的一个研究热点。近些年来，国内外众 多学者对污泥颗粒化的研究主要集中在两个方面：一方面是从宏观层面探讨颗粒化的形成模 式，优化运行参数以达到更好的颗粒化效果；另一方面是从微观层面去研究颗粒化的机理、 微生物菌群及其他化学成分在颗粒化过程中所起的作用 4 1 。在对颗粒污泥颗粒化研究的同 时，人们也逐渐将好氧颗粒污泥与生活污水、工业废水等的处理联系起来，但是因为不同培 养条件下形成的颗粒污泥结构、抗冲击负荷的能力以及稳定性差异较大【1 6 1 ，目前好氧颗粒 污泥的研究仍停留在实验室和中试阶段，并未实现工业化应用。由此可以预见，好氧颗粒污 泥用于不同性质废水的处理以及好氧颗粒污泥技术的工业化，逐渐成为目前水处理领域的研 究重点和热点。 好氧颗粒污泥长期运行或储存后会出现稳定性下降等问题，这成为好氧颗粒污泥不能广 泛工业化应用的瓶颈问题，因此如何提高好氧颗粒污泥的稳定性是颗粒污泥能够大规模应用 的关键。厌氧颗粒污泥虽然存在启动时间长、培养温度要求严格、脱氮除磷能力差等缺点， l 绪论 但是厌氧颗粒污泥长期储存后仍然保持较高的生物活性和稳定性，利用储存后的厌氧颗粒污 泥作为接种污泥，可以大大节省系统启动时间，提高了系统的稳定性，降低运行成本。借鉴 厌氧颗粒污泥的成功经验，好氧颗粒污泥储存后如何进行结构和活性的快速恢复成为颗粒污 泥实际应用以及商业化生产的关键，也必将成为今后的研究的重点。因此随着对好氧颗粒污 泥研究的不断深入，好氧颗粒污泥的长期运行稳定性、储存后活性的快速恢复及其颗粒污泥 工业化应用是今后重点关注的研究方向。 1 2 好氧颗粒污泥稳定性的影响因素 好氧颗粒污泥较差的稳定性在很大程度上限制了其在实际废水处理过程中的应用。研究 结果显示好氧颗粒污泥稳定性维持比颗粒污泥的形成过程更复杂，更难以控制。好氧颗粒污 泥的稳定性主要受运行条件、胞外聚合物以及微生物种群、含盐量、金属离子等其它因素的 影响。 1 - 2 1 1 运行条件 好氧颗粒污泥的稳定性与反应器不同的操作条件、不同底物基质浓度以及不同污泥的培 养方式等密切相关。影响好氧颗粒污泥稳定的运行条件主要有有机负荷( o l r ) 、溶解氧 ( d o ) 、水力剪切力、微生物好氧饥饿期等。 有机负荷是好氧颗粒污泥形成和稳定的重要影响因素【1 7 1 。高有机负荷条件下，颗粒污 泥生长速率较快，形成的颗粒污泥粒径较大，但结构相对疏松，微生物菌群多样性较低，颗 粒污泥稳定较差 1 5 , 1 9 。而低有机负荷对颗粒污泥内部丝状菌的生长有一定的抑制作用，颗粒 化速度较慢，粒径相对较小，但结构密实，稳定性较高 2 0 2 。好氧颗粒污泥的稳定与颗粒污 泥的物理性质直接相关，当有机负荷由3k g c o d m 3 d 增加至9k g c o d m 3 d 时，颗粒污泥的 平均粒径由1 6 n l i i l 增加至1 9 m m ，颗粒污泥的强度会随有机负荷增大而变弱田】，从而导致稳 定性下降。同时高有机负荷易造成体系溶解氧( d o ) 不足，从而引起丝状菌过度生长，长期 运行将导致反应器运行失败【1 9 1 。因此，为了增强好氧颗粒污泥的稳定性，有机负荷一般控 制在2 - 4k g c o d m 3 d 之f n - j n 。 溶解氧( d o ) 会直接影响好氧污水生物处理系统的运行，也同时对好氧颗粒污泥的形成 和稳定起到重要作用。m c s w a i n 等在两个不同溶解氧浓度条件下，利用s b r 工艺培养好氧 颗粒污泥，结果指出只有在溶解氧浓度大于5 m g l 时，好氧污泥颗粒化才能实现 2 3 1 。由于 好氧颗粒的结构特征，在颗粒内部d o 会呈现出明显的浓度梯度，氧气在颗粒内部传递阻力 较大。在较低d o 的系统中，会导致颗粒污泥内部供氧不足，丝状菌生长占优势；同时较低 的d o 会延长f e a s t ，从而加快微生物生长，最终破坏颗粒污泥的结构，削弱其沉降性能和 稳定性1 2 4 , 2 5 1 。 剪切力是好氧颗粒污泥形成和稳定的关键因素。在s b r 工艺中，颗粒污泥受到的剪切 力主要包括水流剪切力、气流剪切力及颗粒间的摩擦碰撞力。众多研究表明较高的剪切力有 利于颗粒污泥的形成，并且是好氧颗粒污泥形成的关键条件阳。t a y 等发现，只有当表观气 体流速达到1 2 c m s 时，s b r 中才能形成好氧颗粒污泥，而且表观气体流速越大，所形成的 东北林业人学硕 j 学位论文 好氧颗粒污泥的密度和强度越高，外观越规则，稳定性越好1 2 7 。同时增强反应体系的剪切 力，可以促进细胞分泌更多的e p s ，提高细胞表面的疏水性，有利于颗粒污泥的形成和稳定 幽l o s b r 在运行过程中可分为基质充足期和饥饿期两个阶段。基质在基质充足期内被降解 到最低浓度，使得微生物处于好氧饥饿期。l i 等认为饥饿期中的细菌，通过分泌大量的多 糖类物质，以应付细胞饥饿状态，从而提高微生物间聚集能力，促进好氧颗粒污泥的形成 删。l i u 等通过对比分析不同运行时间对好氧颗粒污泥形成的影响时发现，较长的好氧饥饿 时间的存在有利于污泥颗粒化。并且指出较长的好氧饥饿期对微生物的疏水性、z e t a 电位 和e p s 都有积极影响，从而有利于提高颗粒污泥的结构稳定性1 3 0 1 。但最近却有研究发现， 饥饿期并不是好氧颗粒形成的先决条件【3 l , 3 2 1 ，过长的饥饿期对颗粒污泥的稳定性存在一定的 负面影响1 3 j i 。 1 2 - 2 胞外聚合物0 e p s ) 胞外聚合物( e p s ) 是在一定环境条件下，微生物( 主要是细菌) 为抵抗外界压力，分泌于 细胞体外的一些高分子粘性聚合物p 4 l 。它的成分为蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、脂类物 质和许多杂聚物如糖蛋白等【3 5 l 。e p s 作为生物聚集体的主要组分之一，胞外多聚物的有机 组分可以改变细菌絮体的表面特性和颗粒污泥的物理特性，有利于细胞之间相互粘附、搭桥 和聚集，从而促进细胞间的凝聚和结构的稳定，因此在生物聚集体的形成与稳定等方面具有 重要作用。e p s 被广泛的认为对污泥颗粒化和颗粒污泥的稳定性能起到重要的作用，但是关 于e p s 中不同成分以及蛋白和多糖的含量比例等对好氧颗粒污泥颗粒化和稳定的作用并未 达成一致认识。 众多研究者认为颗粒污泥内部的胞外蛋白质对颗粒污泥稳定性维持的贡献较大闻，并 被广泛接受。d i l a c o n i 和m c s w a i n 等认为蛋白质是e p s 中的主要成分，其含量远远高于多 糖含量，并且e p s 中富集越多蛋白质越能促进颗粒污泥的稳定性能【3 7 , 3 8 1 。a d a v 等【3 9 1 研究发 现好氧颗粒污泥在8 c 保存后，胞外蛋白质含量明显下降，多糖含量变化不大，颗粒污泥核 心内的蛋白质的水解将直接导致颗粒污泥稳定性的丧失。另有研究发现e p s 中蛋白质与多 糖的比值( p n p s ) 的变化可以影响细胞的表面性质，从而影响颗粒污泥之间的凝聚和颗粒结 构稳定的维持1 4 0 1 。蔡春光等研究结果表明，胞外多聚物有机组成中蛋白质与总糖的比值在 颗粒污泥形成过程中增加了近2 5 倍，它是影响颗粒污泥形成的重要因素。蛋白质与总糖比 值增加，则污泥表面负电荷降低、疏水性增加，有利于好氧颗粒污泥的形成和稳定1 4 。 但也有研究者认为e p s 中的胞外多糖构成了好氧颗粒污泥的骨架，对颗粒污泥的形成 及结构维持具有决定性的作用 4 2 , 4 3 1 。c a m m a r o t a 等1 4 4 1 研究发现抑制胞外多糖的合成，会阻碍 微生物的凝聚，从而影响颗粒污泥的形成。q i n 等( 2 0 0 4 ) 发现s b r 反应器中成熟好氧颗粒污 泥e p s 中多糖含量明显高于蛋白质含量，其中p 多糖的酶解造成颗粒污泥解体，推测出p - 多糖可能起到重要的骨架支撑作用，维持了颗粒污泥的稳定性1 4 5 1 。t a y 等【拍】认为好氧颗粒污 泥的比重和机械强度会随着p s p n 的升高而升高，p s p n 比值越大颗粒污泥结构越稳定。 1 绪论 1 2 3 其它因素 好氧颗粒污泥的微生物相主要与培养条件有关，不同的研究者由于所采用的废水基质、 操作条件等的不同，所培养得到的好氧颗粒污泥的微生物相区别较大。颗粒污泥表面或内部 微生物生长速度过快是导致颗粒污泥结构不稳定的主要原因，而较长的污泥龄有利于颗粒污 泥系统的稳定。因此可以通过优化选择和富集污泥龄较长、生长速度慢的菌群来提高好氧颗 粒污泥的稳定性【4 7 】。d ek r e u k 等研究发现低溶解氧条件下，选择富集聚磷菌和聚糖菌等生长 速度慢的微生物可以提高颗粒污泥的稳定性1 4 8 1 。l i u 等通过控制基质的n c o d 率选择生长 速率较慢的硝化细菌可提高好氧颗粒污泥稳定性，低生长率的硝化颗粒污泥表现出紧密的结 构和良好的沉降性能，相对于生长率较快的异养菌颗粒污泥具有良好的稳定性1 4 9 】。 由于好氧颗粒污泥内微生物相浓度高且结构较为紧密，其内部微生物在代谢过程中产生 的代谢产物以及部分微生物自溶产物容易在颗粒内部累积。这些结构复杂的大分子有机物不 能被细菌所利用，甚至会抑制相关细菌的代谢活性，若不及时消除这些代谢产物最终会影响 颗粒污泥的稳定性。刘凤阁等研究表明丝状真菌不仅能依靠其结构特性增强颗粒污物稳定 性，而且可以消除细菌代谢产物在颗粒内的积累，改善颗粒内微生物生态环境，从而提高颗 粒污泥的稳定性删。 金属离子在好氧颗粒污泥的颗粒化及稳定过程中的机理和作用已被广泛研究【5 l 】。“等 发现镁离子的投加可使颗粒污泥的形成时间从3 2 天缩短到1 8 天，并且低浓度镁离子的添加 更有利于好氧颗粒污泥的形成和稳定1 5 2 。w a n g 等研究指出颗粒污泥系统铜离子的投加导致 颗粒污泥系统生物量和微生物活性的剧烈下降，从而影响系统的稳定性；而镍离子的投加对 颗粒污泥系统影响较小1 5 3 1 。 w a n g 等1 5 4 1 发现s b r 系统中的好氧颗粒污泥接种到m b r 系统后，运行初期粒径 o 9 m m 的颗粒污泥大量解体，颗粒污泥稳定性下降。反应器运行模式的改变引起系统水力 剪切力的改变，从而导致颗粒污泥解体。李志华等研究了不同含盐量对好氧颗粒污泥稳定性 及微生物组成的影响。低含盐量( 1 0 和2 5 ) 下形成的好氧颗粒污泥的微生物以细菌为主 ( 杆菌和球菌) ，高含盐量( 5 0 ) 下出现大量的丝状菌，形成丝状菌颗粒污泥，长期运行引起 丝状菌过度生长，从而降低颗粒污泥的稳定性，最终导致反应器运行失败【5 5 1 。 1 3 好氧颗粒污泥的储存及活性恢复 在好氧颗粒污泥稳定性研究的基础上，国内外的许多学者对好氧颗粒污泥的储存和活性 恢复过程进行了相应研究。研究发现：长期闲置或储存后好氧颗粒污泥的活性和结构完整性 取决于储存温度、储存时间以及储存基质。好氧颗粒污泥的储存及活性恢复研究不仅为好氧 颗粒物污泥实际应用提供理论和技术支持，同时储存后的好氧颗粒污泥作为接种污泥实现反 应器的快速启动的研究，成为好氧颗粒污泥在废水处理领域实际应用的关键。 1 3 1 温度 好氧颗粒污泥在储存过程中的活性和完整性与储存温度直接相关，颗粒污泥在长期闲置 或储存过程中易发生胞内水解和内源呼吸，储存温度越高其水解和内源呼吸速率越高，活性 东北林业大学硕士学位论文 丧失以及解体速度越快。低温可以抑制颗粒污泥内部水解以及内核中蛋白的转化，从而可以 维持储存过程中颗粒污泥的稳定性。 a d a v 等【5 6 5 7 】研究了以苯酚为底物的好氧颗粒污泥在室：温( 2 0 - 2 2 c ) ，4 c 和2 0 三种储 存温度下，经过9 0 d 和1 8 0 d 的储存后的稳定性和生物活性。研究显示室温储存后的颗粒污 泥经过4 8 h 活化，其苯酚降解活性可由原有活性的2 4 - 4 0 恢复至3 8 6 2 ，4 c 储存后由2 9 - 5 5 恢复至5 0 9 7 ，2 0 储存后由5 1 8 1 恢复至5 2 9 9 。因此好氧颗粒污泥的活性随着 储存温度的升高而降低。颗粒污泥经过室温9 0 d 的储存后出现污泥解体，稳定性明显下降： 而颗粒污泥在2 0 经过1 8 0 d 的储存后，仍保持较好的结构完整性和活性，经过4 8 h 活化后 其对苯酚的降解能力可恢复至储存前的8 2 9 9 0 o 。t a y 等研究了以葡萄糖和乙酸钠为单一碳 源的好氧颗粒污在4 c 的营养液中经过4 个月储存后的性能，以葡萄糖为碳源和以乙酸钠为 碳源的颗粒污泥分别丧失了最初代谢活性的6 0 0 o 和9 0 ，结果显示以葡萄糖为碳源的颗粒 污泥抗饥饿能力更强 5 8 1 。z h u 和w i l d e r e r 的研究表明以葡萄糖为底物的好氧颗粒污泥在常温 下经过7 周的厌氧储存后，颗粒污泥的大小、颜色和沉降性几乎没有改变，同时颗粒污泥的 代谢活性可在1 周之内快速恢复【5 9 j 。 1 3 2 基质 颗粒污泥的储存过程是长期饥饿过程，储存基质成为颗粒污泥唯一可利用营养物质，因 此储存基质直接影响颗粒污泥自身水解和内源呼吸过程，进而影响储存过程中颗粒污泥的物 理特性和活性。 n g 例研究了颗粒污泥的储存底物基质如自来水、生理溶液和磷酸盐缓冲溶液( p b s ) 对好 氧颗粒污泥稳定性和活性的影响。颗粒污泥在4 条件下储存8 周后，不同储存基质中的颗 粒均有解体现象，颗粒污泥粒径减小，形态结构不规则。自来水和生理溶液中的好氧颗粒污 泥粒径分别减少了3 3 6 和2 2 4 ，颜色由原来的棕黄色变为灰色最后变为暗黑色。而磷酸 盐缓冲溶液( p b s ) 中的好氧颗粒污泥形态改变最小。a d a v 等【5 7 】同时研究了不同储存基质溶液 对以苯酚为底物的好氧颗粒污泥的影响。储存基质溶液分别为高纯水，5 0 0 m e t e 苯酚溶液， 合成培养基和合成培养基与5 0 0 m e t e 苯酚溶液的混合液。研究表明高纯水中储存的颗粒污 泥，在室温条件下经过1 8 0 d 的储存后完全解体。然而不同温度和储存时间条件下，储存于 5 0 0 m g l 苯酚溶液中的颗粒污泥经过4 8 h 的活化后，活性恢复速度最快，苯酚的比降解速率 最高。苯酚对颗粒污泥活性存在一定的抑制作用，从而抑制了颗粒污泥内部的水解作用，进 而使颗粒污泥储存中维持较好的稳定性和活性。 1 3 3 时间 好氧颗粒污泥经过长期闲置和储存后常出现颗粒污泥解体和生物活性丧失等现象，其活 性和稳定性随着储存时间的延长而剧烈降低。近些年来，颗粒污泥短期闲置或储存后活性再 恢复过程的研究较多，而活性恢复速度随着储存时间增加而降低。 l i u 等【6 1 1 在s b r 系统中经过2 d 的活化运行后，就恢复了4 储存4 周的好氧颗粒污泥 的生物活性，好氧颗粒污泥反应器运行至第5 d 时系统长出新的颗粒污泥。其研究首次证实 l 绪论 了短期储存后的好氧颗粒污泥可以作为接种污泥实现好氧颗粒污泥反应器的快速启动。 z h a n g 等【6 2 】发现室温下储存2 个月后的好氧颗粒污泥颜色由储存前的棕黄色变成狄褐色，沉 降性能下降，代谢活性( s o u r ) 仅为原有活性的7 4 。经过2 周的恢复运行后，好氧颗粒污 泥的颜色恢复至储存前的棕黄色，代谢活性( s o u r ) 达到4 8 5m 9 0 2 g m l v s s h 。经过3 周的 恢复运行，颗粒污泥的沉降性能和物理强度可完全恢复。 z e n g 等研究发现降解邻苯二甲酸的好氧颗粒污泥在4 下储存8 周后，颗粒污泥的粒 径、沉降性能以及结构完整性在储存期间维持稳定。储存过程中颗粒污泥有分层现象，储存 容器上部1 3 的颗粒污泥由棕黄色转为黑色，而下部2 3 的颗粒污泥颜色几乎没有变化，两 部分的颗粒污泥经过7 天的试验运行均取得较好的活性恢复性能，t o c 去除率和s o u r 值 达到了储存前的水平 6 3 1 。此外，经过7 个月的冷藏( 4 ) 储存后的硝化污泥仍保持近似球形 的结构，颜色由棕黄色变为黑色，颗粒大小基本未变，颗粒污泥的沉降性能以及硝化活性有 明显降低。颗粒内部异养菌活性经1 6 天活化运行后完全恢复，而硝化菌活性完全恢复仅需 1 0 天1 6 4 j 。由此可知，颗粒污泥内部的硝化菌较异养菌更稳定，储存后更容易恢复活性，随 着活化过程的进行，颗粒污泥的粒径逐渐增加，但未出现新的颗粒污泥，这与l i u 等【6 1 1 研究 结果不同。z h u 和w i l d e r e r 培养出的好氧颗粒污泥能够在1 6 - 2 6 的自来水中稳定储存两 年。而这种储存效果存在争议，比较理想化，由于常温下颗粒污泥内源呼吸和细胞水解，实 际操作中较难达到此储存效果1 6 副。 1 4 本课题研究目的、意义和内容 1 4 1 研究目的及意义 好氧颗粒污泥具有结构稳定、生物致密、生物转化效率高、沉降性能好等特点，可使反 应器中保持有较高的污泥浓度和容积负荷，并可缩小污泥二沉池 5 4 1 。另外，好氧颗粒污泥 具有微生物种群的多样性，在降解有机碳的同时，具有脱氮除磷以及同步硝化反硝化【1 4 , 1 5 】的 功能，与传统的活性污泥法相比，可简化工艺流程、减少污水处理系统的容积及占地面积、 降低投资和运行成本。好氧颗粒污泥的突出优点使其成为废水处理领域的一个研究热点，国 内外众多学者对好氧颗粒污泥培养条件、形成机理、颗粒化进程、结构特性以及降解功能等 进行大量的研究，并取得令人瞩目的成果。好氧颗粒污泥技术作为一种新型的污水生物处理 形式，在城市污水和工业废水处理中具有非常广阔的应用前景。 然而好氧颗粒污泥存在启动时间长、长期运行或储存后出现稳定性下降等问题，在很大 程度上限制了其在实际废水处理过程中的应用。储存后的厌氧颗粒污泥在u a s b 反应器中 快速启动的成功应用岬j ，使好氧颗粒污泥储存后作为接种污泥实现反应器快速启动成为可 能。好氧颗粒污泥经过长期储存后会丧失其结构稳定性和生物活性，因此储存过程中维持好 氧颗粒污泥的稳定性以及实现储存后颗粒污泥结构和生物活性的快速恢复，成为好氧颗粒污 泥在废水处理领域实际应用的关键。好氧颗粒污泥的储存是个复杂的过程，受储存温度、储 存基质和储存时间共同影响，然而影响机理尚不明确。目前对于好氧颗粒污泥的储存主要是 在低温( 冷藏或冷冻) 条件下进行，污泥存储条件苛刻，运行费用较高，不利于好氧颗粒污泥 东北林业大学硕十学位论文 大规模的实际生产及应用t 常温下好氧颗粒污泥经过长期储存后( 6 个月) ，颗粒污泥存在活 性恢复时间较长，且恢复后的颗粒污泥对有机物、氮和磷的去除效率低、结构不稳定。 本论文正是在上述背景下，在分析总结了国内外多年的好氧颗粒污泥技术研究成果基础 上。研究了好氧颗粒污泥长期储存后不同运行策略对颗粒污泥活化性能的影响，分析了不同 储存温度和储存基质条件下颗粒污泥活化性能的差异。以期为好氧颗粒污泥技术的发展提供 有益的贡献，为其在实际中的工业化应用及合理设计提供理论依据。 1 4 2 主要研究内容 本论文在系统分析调研好氧颗粒污泥稳定性、长期储存及活性恢复等的研究基础上，确 定本课题研究的主要内容为好氧颗粒污泥不同活化运行策略和不同储存条件下颗粒污泥的活 化特性研究。主要研究内容包括以下两个方面： ( 1 ) 不同活化策略对好氧颗粒污泥活化性能的影响。研究表明不同运行策略如有机负荷、基 质浓度和剪切力等对颗粒污泥颗粒化过程以及稳定性有重要影响。然而至今为止，不同运行 策略对好氧颗粒污泥活化过程的影响研究却未见报道。因此，本课题组在s b r 反应器中， 以常温6 个月储存后的好氧颗粒污泥为研究对象，研究不同有机负荷、不同氨氮浓度和不同 剪切力对好氧颗粒污泥活化过程的影响，并且分析对比不同运行策略下颗粒污泥活化后形态 结构、物理特性、生物活性以及运行效能等方面的差异，最后探讨优化运行策略下1 2 个月 储存后颗粒污泥的活化性能。 不同储存条件对好氧颗粒污泥活化性能的影响。好氧颗粒污泥经过长期储存后会丧失其 结构稳定性和生物活性，颗粒污泥储存是个复杂的过程，受储存温度、储存基质和储存时间 影响，但影响机理尚不明确。颗粒污泥的储存过程直接影响着后期的活化性能，因此，本科 课题组研究了不同储存温度( - 2 5 c 、4 c 和