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璺里a r 中好氧颖粒污泥的培养及其特性研究 摘要 本论文利用气升式间歇反应器( s b a r ) 研究了好氧颗粒污泥的培养条件、生长 特性及其稳定性。通过各项运行条件( 有机负荷、接种污泥、反应器曝气量、进水碳 源以及水力循环时间) 的控制，s b a r 运行了近二十二个月，研究结果表明： 在不同负荷下，以厌氧颗粒污泥为接种污泥进行驯化，培养出的好氧颗粒污泥表 面均被絮体状污泥覆盖，内部以黑色的厌氧颗粒污泥为核心，包裹有杆菌。在有机负 荷分别为1 5 8k g m 3 d 和1 4 1 2k m 3 d 下发现，驯化而成的颗粒污泥对c o d ，t n 和 t p 的去除率均分别达9 0 ，8 0 和9 0 左右。在低负荷条件下驯化的颗粒污泥沉降 性能较差、比重只有o 0 0 7 3 。含水率达9 8 ，尽管高负荷下驯化而成的好氧颗粒污泥 沉降性能相对较好，并且颗粒密实，比重在1 0 1 0 2 左右、含水率在9 6 ，但在整个 驯化培养运行过程中，与接种的厌氧颗粒污泥相比较，好氧颗粒污泥的污泥沉降性能 和其他特性都趋向于恶化，颗粒污泥表面由接种时的光滑、轮廓清晰变为蓬松。通过 电镜观察，发现厌氧颗粒污泥经过好氧曝气后，接种前后颗粒污泥表面和内部结构均 发生了较大的变化，生物密度降低、颗粒内部存在大量的空隙、结构变得松散、比重 减小，沉降性能降低，因此，在反应器排水阶段，污泥流失严重，保留在反应体系中 的生物量很少，系统不能稳定运行： 在考察活性污泥接种下好氧污泥颗粒化特性和其稳定性时，试验结果表明活性污 泥接种形成的好氧颗粒污泥比重达1 0 2 5 ，含水率9 6 ，污泥沉降指数由接种活性污 泥的1 2 6 1 2m l g 降低至2 8 1 6 3 3 4 8 6m l g 之间，并且形成的好氧颗粒污泥具有较高 的耗氧速率，达1 3 1 2m g 0 2 ( m i n g ) ；而厌氧颗粒污泥驯化形成的好氧颗粒污泥，在 相同条件下比重为1 0 1 0 2 ，含水率达9 8 ，沉降指数由接种污泥的1 2 8m l g 增加至 7 5 8 0m l g 左右，耗氧速率只有o 9 9 2m g0 2 ( r a i n g ) 。两种接种污泥下培养形成的好 氧颗粒污泥对人工合成废水的降解能力有明显区别，活性污泥接种培养的好氧颗粒污 泥对c o d 、t n 的去除率分别为9 6 和8 6 ，而厌氧颗粒污泥接种驯化而成的好氧 颗粒污泥只达9 2 和7 3 ； 研究认为，接种污泥状态不同，形成好氧颗粒污泥过程和方式不同：以活性污泥 接种，好氧污泥颗粒化经过游离细菌相互碰撞一一可逆粘附一一不可逆粘附一一微生 物生长的一个过程，在反应体系中水利剪切力的作用，细菌之间相互紧密连接，最终 形成微生物紧密堆积的颗粒状微生物聚合体好氧颗粒污泥；以厌氧颗粒污泥为接 种污泥，好氧微生物颗粒化生长可被看作是一种特殊的生物膜生长形式，新出现的好 氧性微生物附着在厌氧颗粒污泥表面形成最初的一层生物膜，在反应器运行和营养充 足的条件下，这些附着细菌进一步生长、发展，形成成熟的好氧性颗粒状污泥，由于 原有厌氧颗粒污泥内部专性厌氧菌的死亡，发生自溶或被新出现的菌体消耗而形成空 人连理工火学溥一i ：学位论文 隙，因而影响到颗粒状污泥的各方面性能。 通过对好氧颗粒污泥稳定性影响因素分析认为，以蔗糖为碳源时。反应器在气体 上升流速1 3e m s 下运行，容易导致大量的丝状异养菌生长使其沉降指数高达1 0 0 m l g 以上而不能形成成熟颗粒污泥，尽管在气体上升流速2 6c m s 下，形成的颗粒表面光 滑，沉降指数在3 0m l g 左右而成熟生长，但当污泥负荷 2t a r a ) ，由于不利于营养物质向好氧颗粒污泥内部的扩散 和代谢产物的输出，进而影响到颗粒内部细菌的生长繁殖，最终结果导致颗粒污泥内 部结构松散、孔隙增加、生物密度降低，以至于沉降性能变差。综合考虑循环时间对 颗粒污泥各项特性的影响，认为培养颗粒污泥水力循环时间保持在6 h 左右为宜。 好氧颗粒污泥是具有同步硝化反硝化作用的新型废水生物处理技术。通过限制性 选择培养法对好氧颗粒污泥中具有脱氮作用的菌种进行分离纯化。对各菌种进行了鉴 别，并且通过培养过程中对氧气条件的控制，研究了各菌种反硝化生长特性和需氧性。 结果表明，好氧颗粒污泥纯化培养可得到具有异养硝化一好氧反硝化特性的菌种以及兼 氧性亚硝化菌和硝化菌，并且分离得到的反硝化菌在有氧反硝化条件下能够生长。因 此好氧颗粒污泥中微生物具有多样性和较强的适应性，为好氧颗粒污泥实现同步硝化 反硝化提供了前提条件。 关键词：好氧颗粒污泥；内循环气升式间歇反应器；比重；沉降性能；循环时间；碳 源：菌种特性：同时硝化反硝化 2 s b a r 中好氧颗粒污泥的培养及其特性研究 a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a t i o na n dp r o p e r t i e so fa e r o b i cg r a n u l e sa r es t u d i e di nt w o s e q u e n c i n g b a t c ha i r l i f tr e a c t o r s t h er e a c t o r sa r er u n n i n gu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n ，s u c h a s o r g a n i cl o a d i n gr a t e ，s e e d i n gs l u d g e ，c a r b o ns o u r c e ，s u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t y a n d h y d r a u l i cc y c l et i m e ，t h ec o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s u n d e rd i f f e r e n t o r g a n i cl o a d i n g ，s u r f a c e o fa e r o b i c g r a n u l e s f o r m e db y s e e d i n g a n a e r o b i cg r a n u l e si sc o v e r e dl o t so ff i l a m e n t o u so r g a n i s m s w h e no r g a n i cl o a d i n gr a t ea r e u n d e r1 5 8k g m d a n d l 4 1 2 0k g m d ，r e m o v a ir a t eo f c o d ，t na n dt pi s9 0 ，8 0 a n d 9 0 ，r e s p e c t i v e l y b u ts p e c i f i cg r a v i t y , s e t t l i n ga b i l i t ya n dr a t i o o fw a t e rc o n t a i n i n ga r e w o r s et h a nt h a to fs e e d e da n a e r o b i cg r a n u l e s w h e na c t i v a t e ds l u d g ei ss e e d e di nr e a c t o r , s p e c i f i cg r a v i t yo fa e r o b i cg r a n u l e si s 1 0 2 5a n dr a t i oo fw a t e rc o n t a i n i n gw a s9 6 w h i l es v ii sd e c r e a s e df r o m1 2 6 1 2m l gt o 2 8 16 - 3 3 4 8 6m l g ，a n do x y g e nc o n s u m e dr a t e di s1 31 2m g0 2 ( m i n g ) r e m o v a lr a t eo f c o d ，t na n dt p i s9 6 ，8 6 a n d9 6 ，r e s p e c t i v e l y t h ep r o c e s so fa e r o b i cg r a n u l a t i o ni sd i f f e r e n tw h e ns e e d i n gw i t hd i f f e r e n ts l u d g e t h eg r a n u l a t i o np r o c e s si s ：c o l l i d e de a c ha n o t h e r _ a d h e r e dr e v e r s i b l y _ a d h e r e d i r r e v e r s i b l y 一_ m i c r o b i a lg r o w t h - - - - - * g r a n u l a t e dw h e na c t i v a t e ds l u d g ei s s e e d e d a f t e r t h e n ，i nt h er o l eo fh y d r a u l i cs h e a rf o r c e ，b a c t e r i aa r ec o n t a c t e dt i g h t l ye a c h o t h e ra n dc o m e i n t ob e i n ga e r o b i cg r a n u l e s o nt h ec o n t r a r y ，w h e na n a e r o b i ag r a n u l e sa r es e e d e d ，a e r o b i c g l a n u t a t i o nc a nb er e g a r d e da st h ep r o c e s so f b i o f i l mg r o w t ho ns u r f a c eo ft h ea n a e r o b i c g r a n u l e s s i n c ea n a e r o b i cb a c t e r i ai nt h ea n a e r o b i cg r a n u l e sc a n n o ts u r v i v eu n d e ra e r o b i c c o n d i t i o n ，t h ei n n e rz o n eo fg r a n u l e sb e c o m e sh o l l o ww h i c hl e a dt oi n f e r i o rp r o p e r t i e so f g r a n u l e s t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h es t a b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l e sa r es t u d i e di nt h er e a c t o r s d i f f e r e n ts u p e r f i c i a la i rv e l o c i t i e s s u c ha s1 , 3c m s 。a n d2 6c m 3 s 1 a r ec o n d u c t e di nt w o r e a c t o r sr 1a n dr 2r e s p e c t i v e l yw h i l es u c r o s ea c t e da s s o l oc a r b o ns o u r c e a e r o b i c g r a n u l e sf o r m e du n d e r t h el o w e rs u p e r f i c i a la i rv e l o c i t ya r en o ts t a b l eb e c a u s eo fh e a v y g r o w t ho ff i l a m e n t o u so r g a n i s m si nr 1 ，b u ta e r o b i cg r a n u l e sf o r m e d u n d e rh i g hs u p e r f i c i a l a i rv e l o c i t ya r ee a s i e rt or e a c hm a t u r i t yw i t hs v ii s 18 5 3 m l g i nr 2 w h e ns l u d g e l o a d i n gr a t e i sb e l o w t o 0 3k g ( k g d ) i n r 2 ，h o w e v e r , s u r f a c eo f a e r o b i cg r a n u l e sb e g a n t og r o wf i l a m e n t o u so r g a n i s m sw h i c hl e a dt oi n s t a b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l e s w h e na c e t i c s o d i u ma c t sa ss o l oc a r b o ns o u r c ei nr e a c t o r ，i ti sf o u n da e r o b i cg r a n u l a t i o ni s n o tw e l l b e c a u s ef l o cs l u d g ei sd o m i n a n t b u tw h e nm i x e d c a r b o ns o u r c e ，s u c ha ss u c r o s ea n da c e t i c 人连理工人学博上学位论文 s o d i u m ，a r ea c t e da sc a r b o ns o u r c e ，t h es t a b i l i t yo f a e r o b i cg r a n u l e si si m p r o v e dd i s t i n c t l y g r a n u l e s s i z e ，v s s ，g r a n u l e ss t r e n g t h a n d s p e c i f i cg r a v i t y a r er e d u c e dw h e n p r o l o n g i n gh y d r a u l i cc y c l et i m ei nr e a c t o r s u n d e r3 hc y c l et i m e ，d i a m e t e ro fg r a n u l e si s 1 ，5 2 0m m v s si s9 2 0 8 a n ds e t t l i n gv e l o c i t yi s3 6 7 8 - 4 2 7 1r r t h l b u tw h e nd i a m e t e r o t g r a n u l e s i st o ol a r g e ( 2 r a m ) ，t h es e t t l i n g a b i l i t yo fg r a n u l e si s w o r s ef o rd i f f u s i v e r e s i s t a n c eo fn u t r i m e n t st oi n n e rz o n eo f g r a n u l e s t a k i n gt h ec o n s i d e r a t i o no f a l le f f e c t i v e f a c t o r s ，i ti sp r o p o s e dt h a tt h es u i t a b l es i z eo fg r a n u l e sw a s1 0 1 5 m m ，s ot h eo p t i m i z e h y d r a u l i cc y c l et i m ei s6h a e r o b i c g r a n u l e s a r ean e w b i o t e c h n o l o g y f o rs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n n i t r i f y i n gb a c t e r i ai na e r o b i cg r a n u l e s a r ec u l t u r e ds e p a r a t e l yu s i n gs e l e c t e d m e d i u m s g r o w t h p r o p e r t i e sa n dm o r p h o l o g y o fb a c t e r i ac o l o n i e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n a r es t u d i e db yc o n t r o l l i n go x y g e ni nc u l t u r em e d i u m i ti sf o u n dt h a tn i t r i 母i n gb a c t e r i ai s d i v e r s ei na e r o b i cg r a n u l e sa n dt h e yh a dd i f f e r e n tr e q u i r e m e n tf o ro x y g e n t h ed i v e r s i t yo f b a c t e r i ai na e r o b i cg r a n u l e si sap r e m i s eo f s 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 k e y w o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e ；s e q u e n c i n gb a t c h a i r l i f tr e a c t o r ；s p e c i f i cg r a v i t y ； s e t t l i n ga b i l i t y ；h y d r a u l i cc y c l et i m e ；c a r b o ns o u r c e ；b a c t e r i a lp r o p e r t i e s ； s 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 l c a t i o n 4 s b a r 中好氧颗粒污泥的培养及其特性研究 0 前言 水的深度处理与回用技术是保护人类生存与发展环境的重要措施，是将单纯的水 污染控制转变为全方位的水环境可持续发展战略的具体步骤，它直接影响到人民群众 的生活，影响到社会的可持续发展。 从可持续发展t 战略角度分析，投资和运行成本小、能量消耗低、效率高、水处理 建筑设备占地面积小、废物( c 0 2 、n 2 0 、剩余污泥量等) 产量少、营养物质损失率 低( n 、p 回收率高) 的污水深度处理新技术，对经济不够发达而污染急待治理的我 国各地区，尤其是绝大多数没有污水处理设施的1 7 0 0 0 多个城乡镇，在一段时期内将 具有重要的意义。因此，我国目前迫切需要一批能满足处理效果好、基建和运行成本 低、废物产量少、营养损失小的可持续发展污水处理新技术和新工艺而可持续发展 的污水处理工艺的衡量标准应是利于我国国民经济的发展、高效、低耗和低投入、小 占地面积、低产出和低营养损失。 但目前存在的污水生物处理技术存在有许多问题：( 1 ) 污水处理工艺流程长、构 建体积大、基建投资大和运行成本高；( 2 ) 污泥产量大、污泥难以沉降，需要额外的 沉降池，并且其成本占总投资的1 3 1 2 ；( 3 ) 多数生物处理系统同时脱氮除磷效果差 等。相比较而言，好氧颗粒污泥是近几年兴起的新型废水生物深度处理技术，是微生 物固定化技术的一种特殊形式。好氧颗粒污泥具有生物致密、比重大、沉降速度快等 特点，利于反应器中固液分离、可大大缩小或省去处理系统中的污泥二沉池，并且可 使反应器中保持有较高的污泥浓度和容积负荷，同时保证了出水水质。另外，好氧颗 粒污泥具有微生物群种的多样性，在降解有机碳的同时，具有同时脱氮除磷的功能。 与传统的活性污泥法相比，好氧颗粒污泥显著的优点是其具有较好的沉降性能，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。因此，近 儿年来关于好氧颗粒污泥的培养条件、形成机理、结构特性及降解功能的研究成为众 多学者研究的热点。 论文正是在这样的实际国情背景下，在分析了国内外污水深度处理技术工艺发展 趋势的基础上，并且综合考虑一种可持续发展的污水处理技术，认为好氧颗粒污泥废 水生物处理方法具备了其他工艺无法代替的投入低，占地空间小，能耗少，操作简单， 出水水质优良等优点。可以预见，好氧颗粒污泥废水生物处理技术将是未来研究开发 的一个重点，好氧颗粒污泥废水处理技术的发展和广泛应用，将成为水处理技术发展 史j 二的又一次飞跃，在未来的水工业技术领域将占有重要的位置。 大连删t 人学博：l 学位论义 1 好氧颗粒污泥研究进展和本课题的主要研究内容 1 1 微生物在废水生物处理中的状态 废水的生物处理法根据微生物生长状态和存在形式可分为三类”5 】：( 1 ) 絮凝体 污泥( f l o c s ) ，其中活性污泥是典型的微生物絮凝生长状态；( 2 ) 生物膜( b i o f i l m ) ，其主 要特征是微生物粘附在固体载体表面：( 3 ) 颗粒污泥( b i o g r a n u l e ) ，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。目前，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+ e 艺，同时颗粒污泥处理技术也得到了长足的发展，并得到人们越来越多广泛的 关注。 由于在传统活性污泥法废水处理工艺中，微生物通常在水中以悬浮状态生长，因 而易于从反应器中流失，又由于其与水的密度差小，因此从流出的水中回收微生物进 行重复利用变得较为困难或复杂。而微生物固着生长和颗粒化形式有利于提高微生物 反应器中微生物的数量，从而提高反应后的固液分离和去除氮、去除商浓度有机物或 难以生物降解物质效率，提高系统的处理能力和适应性，是一项高效低能的、运行管 理简单并且十分有前途的废水生物处理技术。 1 2 微生物自身固定化一颗粒污泥 1 2 1 颗粒污泥的特征及其优点 颗粒污泥的形成是微生物自身固定化过程的结果，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。这种固定化通过严格控制生物处理装置的运转负荷、处理过程中的影响因素，在 一定水利流动条件下，依靠微生物自身的絮凝作用而形成的固定化微生物群体，使其 高度密集并保持其生物活性功能，在适宜的条件下还可以增值以满足应用之需。其有 利于提高生物反应器中微生物浓度，利于反应后的固液分离缩短处理所需时间。此 外，还可以有效实现对氮以及其他金属离子的去除。 颗粒污泥的主要特征有以下几个方面 6 7 1 ： ( 1 ) 密集微生物，维持反应器中的生物量浓度，反应器中生物量浓度越高，则 所需的反应时间越短，所需反应器的容积体积越小，从而有利于降低处理设施的工程 投资和造价。 c 2 ) 易于实现固液分离，固定化微生物由于呈颗粒状生长，其密度远较水大， 且微生物处于高度的密集状态，因而易于固液分离，利于微生物的截留及重复利用， s b a r 中好氧颗粒污泥的培养及其特性研究 实现了水力停目时间和固体停留时间的分离，为高效处理工艺的研究开发和设计应用 创造了十分有利的条件，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，并大大减少处理出水中s s 浓度，利于提高处理出水水质。 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 匕物成为可能。 如硝化菌属于生长增殖速度低的微生物，达到较高的浓度不仅需要严格控制进水 基质的营养比例，同时还要控制足够的污泥龄( s r t ) 。若采用固定化方法将其固定， 则可大大降低其流失量，同时提供其足够的世代增长期，从而利于其富集生长。 ( 3 ) 适用于含有毒有害物的处理，固定化生长的微生物，由于其高度密集或被 自身分泌的高分子物质所覆盖，因而当含有有毒有害的废水与之接触时，由于高度密 集的强抵抗能力或覆盖物的阻挡作用，削弱了有毒有害物对微生物的冲击作用，使反 应器工艺运行的安全性得到大大的提高。尤其当利用经驯化后固定化技术处理此类废 水时，则比传统工艺具有更大的优势。 1 2 2 颗粒污泥颗粒化过程 颗粒污泥的形成，即微生物实现自身固定化的过程是微生物菌群中单个菌体表面 之间相互作用的过程。许多研究表明，这种相互作用过程不仅与微生物细胞表面行为 有关，还与其污泥化学特性及环境因素等密切相关。微生物固定化过程可表示为 6 1 ： 悬浮微生物幽型丝幽墅! 屿可逆附着一 不可逆附着- 固定化微生物生长、固定化 微生物菌群单个菌体之间的相互碰撞主要是通过水力流态及各种扩散力的作用 发生的，其中包括微生物菌体在布朗运动、自身运动、重力及沉降作用下完成的输送 过程。由于微生物尺寸微小，通常在1 0 m 左右，属于胶体颗粒的范畴，因而其具有 胶体颗粒布朗运动的特性，这种布朗运动具有增加微生物之间接触机会的作用，此外， 微生物的浓度及由浓度差而产生的浓度梯度也在促进其相互碰撞粘附的过程中具有 不可忽视的作用，微生物之间相互碰撞是其自身固定化的关键性一步。 微生物相互碰撞后，通过各种物理化学力的作用使微生物附着并固定，由于微生 物之间存在的各种作用力具有不同的特性，有的表现为促进附着和固定的引力，而有 的则表现为阻止其附着的斥力，这就使微生物在固定化过程中出现不可逆和可逆两种 情况。 微生物固定化过程中的可逆附着反映了在环境存在的水力学力( 对于特定的生物 反应器而言，指其所具有的水利流态特征及搅拌程度) 、微生物所具有的布朗运动及 其自身运动既是促进其相互之间碰撞也是使其重新返回悬浮状态的力。一般而言，造 成这种可逆吸附过程的力主要是物理及化学相互作用的结果，有文献j 手旨出，在这个 过程中，出于微生物增长而产生的生物力并不起主要作用。 大连理工人学博士学位论文 不可逆过程是可逆过程的延续，它由可逆附着过程中微生物分泌的黏性代谢产物 【如多聚糖等) 所致。当废水中含有较多多糖类物质时，利于不可逆附着过程的发生， 并可缩短完成固定化所需要的时间。 微生物自身固定化的生长，经过不可逆附着过程并由此实现固定化后，微生物将 通过与主体液相中经外部扩散和内部扩散作用输送到周围的有机底物相互接触，起到 降解污染物的功能，同时其自身得到相应的生长繁殖。此时，固定化后的微生物具有 相划稳定的环境条件，并利于其逐渐生长成熟。 1 2 3 颗粒污泥颗粒化影响因素 颗粒污泥颗粒化是一个复杂的物理、化学和生物过程的复合过程。其中包含有各 种物理化学和生物力。这一过程受到很多因素的影响，包括微生物本身的性质( 浓度 和活度等) 和环境特征等各方面e 8 。 ( 1 ) 微生物的性质 根据微生物自身固定化的基本过程，水中初始微生物浓度( 即处于悬浮态的微生 物浓度) 在一定程度上对其产生相互碰撞的速度有影响，同时也决定了其菌体表面之 f 日j 接触几率的高低。从而影响固定化进程。高的悬浮态微生物浓度，将加速微生物菌 体之间的碰撞，增加其接触几率。 微生物自身固定化初期的活性对固定化过程也具有很大的影响，主要表现在：a 高的微生物活性将有利于通过其代谢作用而分泌更多的多聚糖物质，依靠多聚糖所具 有的粘性作用可促进微生物之间的粘附，缩短可逆附着时间，从而加快固定化进程： b 较高的微生物活性使其具有较高的能量水平，而能量水平的提高有利于其主动或被 动运输和附着过程中，克服或削弱各种作用的不利影响，提高其初始原始积累速度： c 微生物活性不同，其表面性质也有所不同，细菌表面的化学组成随微生物活性的改 变而有明显的改变。微生物表面的化学组成的变化将直接影响其附着固定过程。 ( 2 ) 菌体表面性质 菌体表面电荷及其疏水性是影响固定化速率的重要因素。 在一般环境条件下，微生物表面通常带负电荷，通过与带正电荷的金属离子之间 的连接可以增加游离细菌菌体之间的搭桥作用，从而有利于微生物自身固定化过程。 另外，细菌表面疏水性可以引导和加强细胞之间作用力，因此是颗粒化的主要初始力。 ( 3 ) 环境特征 环境因素对微生物自身固定化进程的影响颇复杂。由于采取的处理工艺不同、所 处理的废水性质不同、工艺设计参数不同以及所需达到的处理要求和目标不同等，都 将使微生物处于不同环境条件中，从而不仅将改变微生物的生长和作用特性，还将影 响到微生物的固定化过程 9 1 3 j 。 废水的p h 值：废水液相的p h 值对微生物自身固定化速率的影响主要表现在影 响微生物的表面带电特性。不同的微生物有不同的等电点，如当废水p h 大于细菌等 4 s b a r 中好瓶颗粒污泥的培养及其特性研究 电点时，细菌表面将显示负电性；反之，当p h 值小于细菌等电点时，细菌表面将显 示i r 电性。不同p h 值条件下微生物所显示的带电性将影响其固定化过程。 水力流态；不同的水流速度( 及不同的水力负荷) 将产生不同的水力剪切作用。 】f | ：水利剪切力的强弱决定了生物反应器的启动所需时间和运行期间所固定的微生物 数量。在实际废水处理中。水力流态往往由反应器的类型和处理目标所决定，即一方 面为实现良好的处理效果，需创造良好的微生物与废水接触的条件，因而需要一定的 紊动程度，而另一方面为利于微生物的附着生长，要求将水流紊动程度控制在微生物 的结合体所能承受的范围内。对依靠自身作用实现微生物固定化的处理工艺( 如 u a s b 、a b r 、i c 、e g s b 等) ，。其微生物以颗粒悬浮态的固定化形式存在于反应器中， 良好的混合是提高颗粒污泥与基质充分接触和发生物质传递的基本前提，但过强的混 合将导致过大的剪切力，从而不利于颗粒污泥的形成。因而，如何合理控制和正确选 择废水生物处理反应器的水力学条件，是目前反应器工艺设计面临的一个需要从理论 上解决的问题，也是许多利用固定化微生物技术进行废水处理的工艺运行存在的主要 问题。 1 3 颗粒污泥废水处理技术 颗粒污泥是具有自我平衡的微生态系统。其特点是特别适宜于上流式废水处理系 统的微生物聚集体，这一集聚体在体积形态上是相对较大的( 直径大于0 5r a m ) t q o 与絮状污泥可能在短时间内形成的聚集体不同，颗粒污泥形状是相对稳定的。颗粒污 泥最主要的特征是它具有较高的沉降速度和较高的活性微生物含量。 与颗粒污泥有关的重要性质主要体现在“”： ( 1 ) 生物活性，由于有机废水中有机物的转化是最重要的，因此，颗粒污泥必 须具有良好的生物活性； ( 2 ) 沉降速度，高的沉降性能对于保持高的污泥浓度是必需的； ( 3 ) 机械强度，为避免污泥的过多流失，颗粒污泥应有一定的机械强度使其能 足够稳定，不易因水流的剪力、内部产气的压力而破碎： ( 4 ) 颗粒污泥的生长特性，污泥颗粒化是细菌自发地的固定化的连续过程，这 一过程与颗粒污泥的其它特性紧密相关。 污泥颗粒化具有以下优点： ( 1 ) 细菌形成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 挺生或互生体系，有利于形成细菌生长的生理生化条件并利于有机物的降解，具有同 时脱氮除磷功效； ( 2 ) 颗粒的形成有利于细菌对营养物质的吸收： ( 3 ) 颗粒污泥使代谢的中间产物的扩散距离大大缩短，这对复杂有机物的降解 具有重要意义： 人连理工人学l 撙士学位论义 ( 4 ) 在废水性质突然变化时( 如p h 、毒性物的浓度) ，颗粒污泥能维持一个相 剥稳定的微环境，使代谢过程继续进行，可提高容积负荷率： ( 5 ) 颗粒污泥具有极好的沉降性能，使污泥停留时问与水力停留时间相分离， 可以保持高浓度的活性生物量，并可提高气一液一固三相分离效果，利于固液分离和 保旺出水水质。 【3 ，l 厌氧颗粒污泥 厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体，其良好 的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床反应器成功的关键。厌氧颗粒污泥的形 成使u a s b 中有较高的生物相，从而确保厌氧生化过程稳定高效地运行。迄今为止， 许多研究者对厌氧颗粒污泥的形成进行了大量研究，从不同角度提出了不少机制、学 说。 ( 1 ) 厌氧颗粒污泥的基本特性 厌氧颗粒污泥的形状大多数是具有相对规则的球形或椭球形。成熟的厌氧颗粒污 泥( 简称颗粒污泥) 表面边界清晰，直径变化范围为0 1 1 4 5 m m ，最大直径可达7 m m 。 厌氧颗粒污泥的颜色通常是黑色或灰色。但贺延龄和k o s m i c 【1 5 6 】曾观察到白色颗 粒污泥。颗粒污泥的颜色取决于处理条件，特别是与f e 、n i 、c o 等金属的硫化物有关。 k o s a r i c 等发现当颗粒污泥中的s f e 值比较低时，颗粒呈黑色i l 6 1 。 厌氧颗粒污泥的密度约在1 0 3 0 1 0 8 0k g m 3 之间。密度与颗粒直径之间的关系尚 未能完全确定，一般认为污泥的密度随直径的增大而降低。用扫描电镜观察颗粒污泥 表面，经常可以发现许多孔隙和洞穴，这些孔隙和洞穴被认为是基质传递的通道，气 体也可经此输送出去博i 。直径较大的颗粒污泥往往有个空腔f l 矾，这是由于基质不 足而引起细胞自溶造成的，大而空的颗粒污泥容易被水流冲出或被水流剪切成碎片， 成为新生颗粒污泥的内核d 9 1 。厌氧颗粒污泥的孔隙率在4 0 8 0 之间，小颗粒污泥孔 隙率高而大颗粒污泥孔隙率低，因此小颗粒污泥具有更强的生命力和相对高的产甲烷 活性1 印。 颗粒污泥有良好的沉降性能，s c h m i d t 等呛叭认为其沉降速度范围为1 8 1 0 0 m h ， 典型值在1 8 5 0m h 之间。 颗粒污泥的干重( t s s ) 是挥发性悬浮物( v s s ) 与灰分( a s h ) 之和。v s s 主要由细胞 和胞外有机物组成，通常情况下v s s 占污泥总量的比例是7 0 一9 0 【1 5 ，2 1 2 2 1 。r o s s 2 3 1 在 其研究中发现含v s s 约9 0 的颗粒污泥中，有机物中粗蛋白占“1 0 1 2 1 5 ，碳水化 合物占1 0 2 0 。颗粒污泥中一般含c 为4 0 1 5 ，h 约7 ，n 约1 0 左右b “。 颗粒污泥中的无机灰分含量因生长基质的不同而有较大的差异，其范围值为 8 6 6 1 19 , 2 1 , 2 4 , 2 5 。一般中温条件下复杂基质培养的颗粒污泥的灰分比单一基质培养的 低：高温下培养的污泥灰分比中温培养高1 1 5 倍。研究1 1 9 表明，灰分的增加将提高颗 粒污泥的密度；过离的灰分会导致污泥孔隙率的降低，影响基质在颗粒污泥中的扩散。 6 s b a r 中好氧颗粒污泥的培养及e 特性研究 颗粒污泥中f e 、c a 、s i 、p 、s 均为大量元素【1 7 , 2 6 1 ，c a 、m g 、f e 和其他一些金属离子 可能以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐或硫化物的形式存在于颗粒污泥中 ”1 。基质中少量c a 2 + 对颗粒化过程的促进作用已达成共识。一般认为：( 1 ) c a 2 + 可中和细菌表面的负电荷， 从而使细菌凝聚1 2 ”；( 2 ) 颗粒污泥0 0 c a 2 + 可与c 0 2 生成c a c 0 3 晶体，增加污泥的比重， 改善颗粒污泥的沉降性能| 2 8 j ：( 3 ) c a ”能稳定细胞外分泌出的多糖体，形成藻蛋自酸熟 凝胶，粘结各种生物体，同时还作为细胞表面之间的连接体【”1 。适宜的c a 2 + 浓度为 8 0 1 5 0 m g l 1 2 1 , 2 6 , 2 7 ：过高的c a 2 + 会使污泥的活性下降， n l e t t i n g a l 3 0 1 等发现c a 2 + 在6 0 0 m g l 时，颗粒污泥对c o d 的去除率高达9 8 。据认为f e s 可能沉淀到微亲脂性的细菌 表面，而较高的表面张力和细菌表面的亲脂性可起到稳定细菌团粒的作用【l 5 1 。 借助扫描和透射电镜观察颗粒污泥，经常发现一些细菌表面分泌有一层薄薄的粘 液层，即胞外多聚物( 简称e c p ) 。厌氧污泥与好氧污泥分泌的e c p 成分有很大差异，厌 氧污泥的e c p 以胞外聚多糖( e x t r a c e l l u l a r p o l y s a c c h a r i d e s ，简称e p s ) 和蛋白质为主，好 氧污泥的分泌物以碳水化合物为主，但好氧污泥e c p 产量约为厌氧污泥的4 7 倍。颗粒 污泥中的许多厌氧细菌都可产生e c p 。v e i g a 等【3 i 发现甲酸甲烷杆菌和马氏甲烷八叠球 菌提供了颗粒污泥的e p s 中各种糖组分，前者的作用似乎更大些。一般认为，颗粒污 泥的形成与e c p 的产生有密切的联系。m o r g a n d 2 i 等认为e c p 的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，废水中的细菌一般带负电荷，相互会产生静电排 斥力，e c p 的产生可以改变细菌的表面电荷和能量，从而导致细菌凝聚；但过多的e c p 反而会引起凝聚恶化。e c p 可在共生细菌间提供吾种化学键，如多糖蛋白质特殊连 接键，氢键、极性键等【3 3 1 。q u a r m b y l 2 2 1 的研究证明e c p 的组分对颗粒污泥的结构稳定 性有很大影响，e c p 中碳水化合物与蛋白质含量的l t ( c n ) 越大，颗粒的稳定性越差。 不同培养条件和方法培养出的颗粒污泥中的e c p 的组成和含量是不同的，而e c p 的不 同提取方法和分析方法使得各种颗粒污泥中进行e c p 量和成分的比较显得十分困难。 一般认为：e c p 的主要成分是蛋白质和聚多糖，还有类脂质、核酸等物质：e c p 中蛋 臼质与聚多糖的数量比多在2 ：1 n 6 ：1 之间阻”j 。e c p 的产生量和颗粒污泥的生长条 件有关。高温下，颗粒污泥的e c p 含量小于中温条件，但e c p 的基本组成相同【j “。 v e i g a t ”等人的研究表明在低磷和低氮条件下e c p 的产生量有较大提高，其中e p s 的产 生量分别提高6 8 1 5 $ 1 1 7 4 1 1 ；加入过量的m g ”，e c p 产生量没有明显改变，但e p s 的产生量却提高了2 5 。b u l l 等人1 3 4 】也证明了c n 值的提高会刺激e p s 的产生，从而增 进细菌与固体表面的粘连。 ( 2 ) 厌氧颗粒污泥的微生物相 颗粒污泥本质上是多种微生物的聚集体，厌氧颗粒污泥主要由厌氧消化微生物组 成。厌氧颗粒污泥中参与分解复杂有机物、生成甲烷的厌氧细菌可分为三类：第一类： 水解发酵菌，对有机物进行最初的分解，生成有机酸和酒精；第二类：产乙酸菌，对有 机酸和酒精进一步分解利用；第三类：产甲烷菌，将h 2 、c 0 2 、乙酸以及其它一些简单 大连日2 1 2 大学博士学位论文 化合物转化成为甲烷l l l 3 5 水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷细菌在颗粒污泥内生长、 繁殖，各种细菌互营互生，菌丝交错相互结合形成复杂的菌群结构 1 7 , 3 6 】，增舢了微生 物组成鉴定的复杂性。检验颗粒污泥微生物相的方法有电镜技术、限制性培养基法、 m p n ( m o s t p r o b a b l e n u m b e r ) 法和免疫探针法等。限于条件，国内的研究大多采用电镜 技术( t e m 或s e m ) ，对细菌的鉴定较为粗糙。免疫探针法能较为准确地鉴定细菌种类 及其分布，国外研究人员运用较多。目前，对颗粒污泥中微生物相的研究大部分集中 在产甲烷菌上，对其他两类细菌的研究不多。 ( 3 ) 厌氧颗粒污泥的结构 颗粒污泥的结构是指各种细菌在颗粒污泥中的分布状况。一些学者 1 7 , 3 7 1 3 9 1 认为不 同的互营细菌是随机地在厌氧颗粒污泥中生长，并不存在明显的结构层次性。 g r o t e n h u t i s 等人p “台匀研究发现，生长在甲醇和糖类废水中的颗粒污泥中并未有细菌的 有序分御，丁酸基质下生长的颗粒污泥中存在两类细菌族，一类是孙氏甲烷髦毛菌 ( m e t h a n o s a e t as o e h n 2 9 e n i i ) ，另一类由嗜树木甲烷短杆菌和一种丙酸氧化菌组成。赵 一章等人i l ”对人工配水，屠宰废水和丙酮丁醇废水形成的颗粒污泥进行了观察，虽然 各种形态的细菌处于有序的网状排列，但各种微生物区系多呈现随机性分布，未观察 到颗粒层次之分。另一些学者 2 2 , 3 5 , 3 6