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西安建筑科技大学硕士论文 s b r 中缺氧颗粒污泥的培养和特性研究 专业：环境工程 研究生：戴步峰 指导老师：彭党聪教授 摘要 颗粒污泥因其良好的沉降及降解性能受到了广泛的关注，而成为污水处理中 颇具发展前途的生物技术。污泥的颗粒化与诸多因素有关。本研究采用人工配制 废水，在s b r 反应器中进行反硝化过程中的污泥颗粒化试验，研究内容主要涉及 水力剪切力和微量元素等因素，经过大量的研究得出以下结论； ( 1 ) 水力剪切力是影响污泥颗粒化进程的重要因素，在1 5 0 r p m 的搅拌强度 下，反应器运行到第5 3 天时就出现了颗粒污泥，而在8 0 r p m 的搅拌强度下，反 应器运行到第1 0 2 天才观察到颗粒化现象。 ( 2 ) 在1 5 0 r p m 的搅拌强度下，得到的颗粒污泥v s s s s 要比在s o r p m 的搅拌 强度下得到的颗粒污泥的v s s s s 要小。 ( 3 ) 在弱碱性的缺氧环境中，反应器进水c a 2 + 在反硝化过程中形成了不溶性 的c a c c h 沉淀，并充当了缺氧颗粒污泥的核心。缺氧颗粒污泥钙的含量比厌氧或 好氧颗粒污泥的含钙量大的多，达2 0 0 4 0 0 m g c a g s s 。投加n a h c 0 3 虽然有助 于污泥颗粒化，但颗粒污泥因稳定性减弱而解体，使污泥的含钙量显著降低。 ( 4 ) c n 比以及c o d 浓度对缺氧颗粒污泥的反硝化速率有很大影响，颗粒 污泥的反硝化速率随c ，n 比的增大而增大，当c p n 比为4 ：1 时，s b r l 和s b r 2 颗粒污泥的反硝化速率分别为0 0 2 3 m g n o x m g v s s h 和o 0 2 4 m g n o x m g v s s h ， 由于碳源不足导致反硝化过程中出现了亚硝酸盐积累；当c n 比为5 ：1 时，颗粒 污泥的反硝化速率又随初始c o d 的浓度的增大而增大，在初始c o d 浓度为 3 0 0 m g l 时，反硝化速率为o 0 3 2 m g n o x m g v s s h 和o 0 3 1 m g n o x m g v s s h ，而 在初始c o d 浓度为4 5 0 m g l 时分别为o 0 8 2 m g n o r d m g v s s h 和 o 0 6 3 m g n o x m g v s s h ，并且无亚硝酸盐积累。 ( 5 ) 缺氧颗粒污泥在反硝化末端代谢形成了可溶性微生物代谢产物( s m p ) ， 使得水中溶解态c o d 有所增加。 ( 6 ) 扫描电镜显示，颗粒污泥的表面并非均一连续，而是由片状生物膜组成 的：表面反硝化菌多，内部反硝化菌少，且内部有金属离子的晶状物质。 关键词：s b r 反硝化颗粒污泥水力剪切力 西安建筑科技大学硕士论文 c h a r a c t e r i s t i c so f a n o x i cg r a n u l e sc u l t i v a t e di ns e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ( s b r ) s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：d a l b u f e n g t u t o r ：p e n gd a n g c o n gp r o f o s s o r a b s t r a c t g r a n u l a t i o ni sap r o c e s so fm i c r o b i a ls e l f - i m m o b i l i z a t i o na n df i n a l l yp r o d u c e sa f o r mo fd e n s eb i o m a s si nas p h e r i c a ls h a p e a sc o m p a r e dt ot h es l u d g ef l o e s ，g r a n u l e s h a v eac o m p a c ta n ds p h e r i c a ls t r u c t u r e ，9 0 0 ds e t t l e a b i l i t y , h i 曲b i o m a s sa n da b i l i t yt o h a n d l eh i 曲s t r e n g t ho r g a n i ca n dt o x i cw a s t e w a t e r t h e r ea r es e v e r a lf a c t o r sa f f e c t i n g g r a n u l a t i o n , t h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cs h e a rf o r c ea n dt r a c em e t a l sa r ep a r t i c u l a r l y e x a m i n e dt oc l a r i f yt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fd e n i t r i f y i n gg r a n u l e si ns e q u e n c e b a t c hr e a c t o r ( s b r ) c o n c l u s i o n sa l es u m m a r i z e d 嬲f o l l o w s ( 1 ) e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a th y d r a u l i cs h e a rf o r c ew a sa l li m p o r t a n tf a c t o r a f f e c t i n gg r a n u l a t i o n u n d e rt h es t i l t i n gi n t e n s i t yo f1 5 0 r p m , g r a n u l e sw e r ef o r m e di n 5 3d a y s ，w h i l ei na n o t h e rr e a c t o ro f8 0 r p ms t i r r i n gi n t e n s i t y , g r a n u l e sw e r ef o r m e di n 1 0 2d a y s ( 2 ) g r a n u l e sc u l t i v a t e du n d e rt h e1 5 0 r p ms t i r r i n gi n t e n s i t yh a dl e s sv s s s sv a l u e t h a nt h o s ec u l t i v a t e du n d e rt h e8 0 r p ms t i r r i n gi n t e n s i t y ( 3 ) a sa t r a c ee l e m e n te x i s t e di n 甏r a wt a pw a t e r , c a l c i u mc o u l df o r mi n f u s i b i l i t y s e d i m e n t a t i o n sw m e hs e r v e d 船t h eg r a n u l ee , o r e si nt h ea l k a l e s c e n ts o l m i o mc a l c i u m c o n t e n to fa n o x i eg r a n u l a rs l u d g ew a sr a t h e rl a r g e rt h a na n a e r o b i c a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e ，u pt o2 0 0 - - 4 0 0 m g c a g s s a d d i t i o no f n a h c 0 3c o n d u c e dt of o r mg r a n u l e s ，b u t i tw a si n c l i n e dt oc a u s es l u d g eb u l k i n g , a n dt h e nt h es l u d g ec a l c i u mc o n t e n tr e d u c e d r e m a r k a b l y ( 4 ) c nr a t i oa n dt h ei n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o np l a y e di m p o r t a n ti n f l u e n c eo n d e n i t r i f i c a t i o nv e l o c i t yo fa n o x i cg r a n u l e s ，w h i c hi n c r e a s e dw i t ht h ec nr a t i o w h e n t h ec n r a t i ow a s 4 ：1 ，d e n i t r i f l c a t i o nv e l o c i t yo fa n o d eg r a n u l e sw e l e 0 0 2 3 m g n o x m g v s s ha n d0 0 2 4 m g n o x m g v s s hr e s p e c t i v e l y , a n ds i n c et h ec o d w a sn o ts u f f i e i e 鸲n i t r i t ew a sa c c u m u l a t e d w h e nt h ec nr a t i oi s5 ：1 ，d e n i t r i f i c a t i o n v e l o c i t yw a si n c r e a s e dw i mt h ei n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n , w h e nt h ei n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o nw a g3 0 0 m g l ，t h ed e n i t r i f i e a t i o nv e l o c i t yw a so 0 3 2 m g n o r d m g v s s h a n do 0 3 1 m g n o x m g v s s h r e s p e c t i v e l y , w h i l et h ei n i t i a lc o dc o n c e n t r a t i o nw a s h k - k r 。一 西安建筑科技大学硕十论文 4 5 0 r n g l t h ev e l o c i t y w a s0 0 8 2 m g n o x m g v s s ha n d o 0 6 3 m g n o x m g v s s h r e s p e c t i v e l y , a n dn on i t r i t ew a sa c c u m u l a t e d ( 5 ) d u r i n gf a m i n ep e r i o d o ft h ef e a s t f a m i n e r e g i m e ，d e n i t r i l y i n g b a c t e r i a m e t a b o l i z e dt of o r nt h es m p ( 6 ) s e mp h o t o ss h o w e dt h a tt h eg r a n u l a rs u r f a c ew a sn o th o m o g e n e o u sa n d c o n s e c u t i v e ，b u tc o m p r i s e do fm e m b r a n ep a t c h e s m o s to ft h ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i a e x i s t e dw i t h i nt h eo u t e rl a y e r , w h i l ef e wi n s i d e t h e r ea r em u c hc r y s t a lo fc a t i o n c o m p o u n d sn e a rt h ec o r eo f g r a n u l e s k e yw o r d s ：s b r ；g r a n u l a rs l u d g e ；d e n i t r i f i c a t i o n ；h y d r a u l i cs h e a rf o r c e m 【日 y 9 7 0 5 1 6 侈 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导i 、进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 灸匆。淫 关于论文使用授权的说明 日期：。撕易，r 必 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：交专峰导师签名 注：请将此页附在论文首页。 稚飘氙洲“ 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 1 1水体中氮磷的来源及其危害 1 1 1 水体中氮磷来源 进入水体的氮、磷营养来源于多方面，其中人类活动造成的氮、磷来源主要 有以下几类l l 】： ( 1 ) 工业和生活污水这类污水若未经处理就直接进入河道和水体，由于水 中的氮、磷含量高，一旦进入江、湖和海洋等水体，将会造成藻类过度生长等危 害。例如1 9 7 7 年8 月在我国天津近海区发生的因富营养化引起的赤潮，历时2 0 天，过度生长的主要微生物为微型腰鞭毛虫目生物( p r o r o c e n m u n ) ，分析原因认 为与赤潮发生前两个月内受纳了大量污水，致使海水中氮、磷和c o d 增高有关。 大量污染物输入近海水域，破坏了原有的生物群落结构，再在其他条件的配合下， 造成了腰鞭毛虫目生物的过度生长。随着城市人口的进一步集中，城市来源的营 养物排放也越来越受重视，除了上面已经提到的人的粪便和工业污水外，目前仍 然在大量使用的高磷洗涤剂是城市社会进入天然水体氮素的重要来源，故现在已 经提出要尽快发展低磷或无磷洗涤剂。我国太湖地区最主要的磷污染源之一就是 洗涤剂。 ( 2 ) 农业污染物包括肥料和农药从农田中流失，通过雨水冲淋、农业排水 和地表径流带入河道和水体，成为直接的营养源。人工合成的化肥和农药是水体 中氮磷营养的主要来源。施入农田的氮肥只有一部分被农作物吸收，未被吸收的 氮肥超过5 0 ，有的甚至超过超过8 0 。为了取得高额农作物产量，农mj l e 量越 来越高，加上科学施肥及其推广问题尚未得到有效解决，进入水体的流失肥料量 也必然越来越大。有机肥料也可能经微生物分解，成为可溶性无机盐，然后进入 地下水或江河湖泊。此外，畜禽养殖业废料和水中野生动物的排泄物，氮磷含量 也很高。 ( 3 ) 污水处理厂出水采用普通活性污泥法处理工艺的污水处理厂( 包括生 活污水和工业废水) 出水中都含有相当数量的氮、磷。这是因为废水中的有机氮 被微生物分解产生的氨氮，除构成微生物细胞的组分外，剩余部分都随出水排入 河道，成为藻类合适的养料这是城市污水经过常规二级处理但城市河道依然出 现水质富营养化和黑臭的重要原因之一。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 2 氦素对水环境的危害 氮( 主要指氨氮) 进入水体后会对水生生态及健康等存在多种影响，主要表 现在以下方面： ( 1 ) 游离氨对鱼类的毒害作用 水体中的游离氨和铵离予的化学平衡可以用下式表示： 朋对+ 0 曰一n h 3 + h 2 0( 1 1 ) 由于鱼类对游离氨非常敏感，即使水体中游离氨的含量很低，也会影响鱼鳃 中氧的传递。对大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的致死量为l m g l 。从式( 1 1 ) 可看出，水中游离氨是p h 的函数，p h 值的变化会引起游离氨百分数的变化。p h 值越高，水中游离氨含量越高。天然水体的p h 值为7 0 8 0 ，当碱性废水排入水 体，或由于光合作用消耗了水体中的重碳酸盐，都会使水体中的p h 值上升，因 此需要对城市污水的氨氮排放加以控制，以避免游离氨对鱼类的毒性作用。 ( 2 ) 氨氮消耗水体中的溶解氧 2 阍：+ 3 0 2j 塑! 塑堕j 2 婀+ 2 h 2 0 + 4 h + 2 n o ；+ 0 2 j 鸥2 峭 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 从上式可以计算出，l m g l 的日：一n 被氧化为n 0 3 - n 需氧4 6 m g l ，为 了使反应顺利进行，水中应有足够的碱度来中和所产生的矿，否则水中的p h 值 将下降。氧化l m g 氨氮约需碱度7 4 m g ( 以c a c 0 3 计) 。 一般城市污水经二级处理后，含氮化合物主要以氨氮形式存在于污水中，含 氨氮的污水排入水体后，在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，完全氧 化l m g l 氨氮约需4 6 m g l 的溶解氧。在典型的二级处理出水中含2 0 4 0 m g l 氨氮，需氧量为9 0 1 8 0 m g l ，这对水体质量的改善和保证，以及鱼类的生存是 十分不利的。 ( 3 ) 硝酸盐的公共卫生问题 水体和土壤接受二级处理出水，由于硝化作用使得地表水和地下水的硝酸盐 含量增加，可能引发公共卫生问题。一般地面水中硝酸盐含量不大于1 0 m g l ，亚 硝酸盐含量极少超过l m g l 。美国生活饮用水水质标准中规定饮用水中硝酸盐含 量不得大于1 0 m g l 。我国生活饮用水水质标准中规定饮用水中硝酸盐含量不大于 2 0 m g l 。在正常的健康人体中硝酸盐和亚硝酸盐都很快被肠胃吸收。被吸收的亚 硝酸盐能与人体中的血红蛋白起反应形成高铁变性血红蛋白。对于成年人，可以 通过还原系统( 如辅酶( n a d h ) 变性血红蛋白酶) 的作用消除其毒害；但对不 满三个月的婴儿以及年幼的动物，这种酶系统发育尚不完全，在这种情况下，变 性蛋白增加可导致一种特殊的l 缶床病症状变性血红蛋白症。食物和婴儿肠胃中 2 西安建筑科技大学硕士论文 的微生物可使硝酸盐转变成为亚硝酸盐，从而使这个问题更加突出。此外，硝酸 盐和亚硝酸盐有可能转化成为亚硝胺，而亚硝胺是致癌物质，对人体有潜在威胁。 ( 4 ) 富营养化使水体退化 氮和磷在一起，刺激藻类和其它水生植物的生长繁殖，严重时将发生富营养 化现象，且藻类植物在夜间要吸氧，死亡后也会消耗氧。最为突出的是对水体的 富营养化，表现为藻类的过度繁殖，及继而引起的水质恶化，以致湖泊的退化。 我国渤海湾1 9 7 7 年天津近海大沽附近海面发现5 6 0 平方公里的赤潮，持续时间达 二十天之久，经检定，引起赤潮的主要藻类为夜光藻、中肋藻和微型原甲藻。 ( 5 ) 使消毒剂的用量增加 若水体作为饮用水源时，水中的氨要消耗过量的消毒剂( 氯气) 以保证消毒 后的余氯含量，水中含有l m g l 的氨氮，消毒时就要多增加7 - - 1 0 m g l 的氯的用 量。 综上所述，有效的降低废水氮含量已成为废水处理技术的一个重要课题。 1 2 污水生物脱氮除磷技术研究现状 污水生物脱氮除磷技术是当今水污染控制领域中的一个重要研究方向，已引 起世界各国的普遍关注，认识到控制水中氮、磷的含量是限制藻类生长，遏制水 体富营养化的重要因素，因此世界各国都相继开展了一系列脱氮除磷的机理及工 艺研究。由于常规的活性污泥工艺硝化作用不完全，反硝化作用则几乎不发生， 总氮的去除率仅在l o 3 0 之间；并且仅靠微生物生长去除的磷元素最多能达 到3 0 左右，因此，对于城市污水、含氮、磷工业废水，若采用常规的活性污泥 法处理，出水中还含有大量的氮和磷，很容易引起水体富营养化【2 1 。 1 2 1 生物脱氮 1 2 1 1 传统生物脱氮原理 污水生物脱氮的基本原理是在微生物作用下，将污水中含氮化合物转化为氮 气的过程，其中包括硝化和反硝化两个过程。 硝化反应是由一群自养好氧微生物完成的，它分为两个阶段，分别由亚硝酸 菌和硝酸菌完成。第一步是由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，亚硝酸菌包括 亚硝酸盐单胞菌属和硝酸盐球菌属；第二步是由硝酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化 为硝酸盐氮，硝酸菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属。亚硝酸茵和硝酸菌 统称为硝化菌，这类细菌的生理活动不需要有机性营养物质，主要从c 0 2 获取碳 源，从无机物的氧化中获取能量。 硝化反应方程式可表示为： 、，p；” 西安建筑科技大学硕士论文 n h ：- i - 3 2 0 2 j 氅塑熏+ n o ；+ h 1 0 + 2 h +【1 5 、 n o ；+ 1 1 2 0 2 墼乌啊( 1 6 ) 反硝化是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用是在无氧或低 氧条件下，将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为氮氧化物或氮气。广义上讲，微生物 将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为低价态氮的过程统称为生物反硝化，它包括同化 还原和异化还原。在溶解氧浓度极低的环境中，反硝化菌( 如变形杆菌、假单胞 菌、小球菌、芽孢杆菌、无色杆菌、嗜气杆菌和产碱杆菌) 可利用亚硝酸盐和硝 酸盐中的氧最为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化而提供能量，将硝酸 盐或亚硝酸盐还原为氮气，反应方程式为： 5 c ( 有g l g o + 2 h 2 0 + 4 n o ；j 型蕉专2 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2( 1 7 ) 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体，但是，当反应体系中缺乏有机 物时，无机物如h 2 、h 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以通过 消耗自身细胞进行内源反硝化，反应式可表示为： c ，h 7 n 0 2 + 4 n o ；寸5 c 0 2 + n h 3 + 2 n 2 + 4 0 h 一( 1 8 ) 其中，c s h t n 0 2 代表反硝化微生物的细胞组成。 从n 0 3 - 还原为n 2 的过程为： n o ；专何哼n o 专n 2 0 哼n 2( 1 9 ) 生物脱氮过程本身是一个矛盾统一体，一方面，硝化反应需要氧气，硝化菌 是一类严格好氧菌；另一方面，反硝化反应需要在缺氧环境中进行，反硝化菌是 一类兼性厌氧菌。同时，二者对有机物的存在也是矛盾的，一方面自养硝化菌在 大量有机物存在时，对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，从而到导致反应器 内异养菌占优势；另一方面，反硝化反应又需要有机物充当电子供体完成脱氮过 程。因此，硝化菌和反硝化菌性质的差异导致了生物脱氮反应器的不同组合，如 硝化与反硝化由同一污泥完成的单一污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。 前者通过交替的好氧区和厌氧区来实现，后者则通过使用分离的硝化和反硝化反 应器来完成。如果硝化在后，需要将硝化废水进行回流；如果硝化在前，反硝化 时需要外加碳源作为电子供体，这就给传统生物脱氮工艺在实际运行时带来许多 问题。 1 2 1 2 生物脱氮新技术 近年来，随着科技工作者对生物脱氮工艺的进一步研究，发现了一些超出传 统认识的新现象，如硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用： 4 五e f ，i 西安建筑科技大学硕士论文 某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用；特别是发现了氨与亚硝酸盐或 硝酸盐在缺氧条件被同时转化为氮气的生物化学过程。这些新现象为探索研究生 物脱氮新工艺提供了新的思路。依据以上发现，目前研究较多的生物脱氮新工艺 主要有短程( 或简捷) 硝化反硝化脱氮工艺( s h o r t c u tm t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 、 同步硝化反硝化脱氮工艺( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i e a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o r 卜书n d ) 和厌氧 氨氧化脱氮工艺( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o t v - - a n a m m o x ) 。 1 2 2 生物除磷 1 2 2 1 生物合成除磷 废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸盐( h 2 p 0 4 - 、i - i p 0 4 。、 p 0 4 3 。) 、聚磷酸盐和有机磷。在常规二级污水处理中，有机物的生物降解伴随着 微生物体的合成，磷作为生物的生长元素也成为生物污泥的组分，从水中去除。 微生物正常生长时，活性污泥中p 的含量一般为干重的1 5 2 3 ，通过剩余污 泥排放可获得1 0 3 0 的除磷效果。 1 2 2 2 强化生物除磷原理 强化生物除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现，表现为微生物吸 收的磷量超过其自身正常生长所需要的磷量。生物除磷的基本原理表明，当某些 细菌交替地处在厌氧条件与好氧条件时，它们能在厌氧条件下降解聚磷酸盐释放 正磷酸盐，产生的能量用来吸收低分子的有机物( 如脂肪酸) 转化成聚羟基烷酸盐 ( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ，p h a s ) 储存，主要为p h b 。在随后的好氧条件下，这 些细菌好氧生长，利用储存的p h a s 作为碳源和能源，一部分能量用来摄取正磷 酸并以聚磷酸盐的形式储存起来，另一部分则用于细胞生长，此类细菌称为聚磷 菌( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ，p a o s ) 。通过排放剩余污泥而除去磷 素。其中在厌氧阶段p h a s 是还原性物质，其形成需要能量，其能量来源有两种 不同的观点即产生了关于生物除磷原理的两种模式：一是所谓c o m e a u w e n t z e l 模式，认为还原能来自乙酰辅酶a ( a c e t y l - c o a ) 经三羧酸循环的部分氧化；二 是所谓m i n o 模式，认为还原能来自细胞体内糖原( g l y c o g e n ) 的分解。 ( 1 ) c o m e a u w e n t z e l 模式 在c o m e a u - w e n t z e l 模式中，乙酸一部分被同化，另一部分经t c a 循环氧化 成乙酰辅酶a , t c a 循环被认为是产生还原能的来源。f l o r e n t z 和h a r t e m a n n 证实 了厌氧环境下t c a 的作用，并且也观察到了t c a 循环中酶的活动。尽管如此 m i n o 等人和a r u n 并不赞同此模式，认为厌氧环境下并不能进行t c a 循环，其中 的一个问题是f a d h 2 的形成。f a d h 2 是一种在p h b 合成中不能被利用的物质， 而只能被外加电子受体( 硝酸盐或氧) 降解。s m o l d e r s 等人猜想认为f a d h 2 可以 转化为n a d h 2 ，所需的能量( a = r p ) 可以从t c a 循环中获得，反应如下。当今， r 西安建筑科技大学硕士论文 t c a 循环的单一作用也被完全摒除，但t c a 循环的一部分仍明显地可以解释所 观测到的现象。 ( 2 ) m i n o 模式 最初m i n o 模式认为，胞内贮存的糖原物质降解产生葡萄糖，葡萄糖从 e m p ( e m b d e nm e y e r h o fv a r n a s ) 途径糖解生成乙酰辅酶a ，并产生还原能。而 w e n t z e l 等人认为葡萄糖降解不是经过e m p 途径，而是e d 途径，这就是所谓的 修正m i n o 模型。应用核磁共振技术为e b p r 过程提供了勿庸置疑的证据。从而 认为，m i n o 模式是有效的，p a o s 拥有完整的葡萄糖降解和合成代谢，而无需外 加葡萄糖。事实也是这样的，厌氧段合成的p h a 在好氧段可补充糖原。 然而，p e r e i r a 等人年认为如果单单采用糖酵解途径，将不能平衡氧化还原过 程，进而提出t c a 一糖酵解组合途径。认为通过t c a 途径至少要提供3 0 的还 原当量来参与p h b 的合成。 所以强化生物除磷系统中，微生物的代谢行为仍将是今后研究的热点。 1 2 3 同步脱氮除磷 由于国家政策的引导作用，城市各排污单位都或多或少的对各自的污废水进 行不同程度的处理，这就使得进入城市排水系统的污水有机物含量降低了。因此， 城市污水处理系统在运行过程中经常出现碳源不足的现象，为解决这一问题，环 境工作者推测，如果能将脱氮和除磷这两个生物过程由同一菌群来完成，那么将 会很好的解决这一矛盾。 但传统理论认为，脱氮除磷不能由同一菌种来完成，反硝化菌和聚磷菌所需 的环境条件相互矛盾，即反硝化是在缺氧环境下进行，而除磷是在厌氧好氧交替 环境下进行的。聚磷菌厌氧释磷时若存在硝酸盐，那么反硝化异养菌将优先利用 碳源进行反硝化，使聚磷菌释磷受到抑制。而一旦聚磷菌厌氧释磷不够，那么好 氧过量吸磷也不可能实现，系统的除磷效率将变得很低。由此可以发现，传统的 脱氮除磷工艺将不可能实现同步脱氮除磷。 最近的研究表明，至少存在一部分聚磷菌可以在缺氧条件下利用硝酸盐作为 电子受体进行吸磷，这一类微生物称为反硝化聚磷菌。反硝化聚磷菌被证实具有 和好氧聚磷菌极为相似的代谢特础3 1 。k u b a 等人 4 1 从动力学性质上对这两类聚磷 茵进行了比较认为以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌有着和好氧聚磷菌同样 高的强化生物除磷性能。因为反硝化聚磷菌可以在缺氧环境吸磷，这就使得吸磷 和反硝化脱氮这两个生物过程可以借助同一类微生物在同一种环境下一并完成。 其结果，吸磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氦对碳源的需要，而且吸磷在缺氧 阶段完成可节省曝气所需要的能源。此外，由此带来的另一个好处是。产生的剩余污 泥量大为降低。 6 譬，o一 * l 西安建筑科技大学硕士论文 1 3 序批间歇式反应器( s b r ) 1 3 1 s b r 的工作原理 基于间歇序批式反应器的活性污泥法，是一种不同于传统活性污泥法运行方 式的废水处理工艺，但s b r 并非一种新型的、前所未有的工艺，而是活性污泥法 初创时期充排式反应器的一种改进模型。1 9 1 4 年英国的a r d e n 和l o k e t t 首创活性 污泥法时采用的就是间歇法【5 j 。由于受当时技术条件的限制，曝气池水流不断切 换，操作起来较为繁琐；而且沉淀绝对静止，曝气设备易于被堵塞；同时人们还 没有认识到其独特的优越性，在连续式活性污泥法出现之后，很快将其取代，占 据了主导地位。1 9 5 5 年，h o o v e r 和p o r g e s 用序批式活性污泥法处理牛奶废水取 得成功。7 0 年代初，美国的i r v i n e 等人对s b r 和连续流系统的特性通过比较试 验和研究，认为s b r 可以作为连续流系统的一种较好的替代工艺【6 】直到8 0 年 代以后，才引起其他国家的重视，并陆续得到开发应用。 s b ri 艺是一种结构形式简单、运行方式灵活多交、空间上完全混合、时间 上理想推流的污水生物处理方法。它的运行工况是以间歇操作为主要特征。一个 运行周期按次序分为五个阶段：进水、反应、沉淀、排水和闲置。 典型的s b r 系统包括一座或几座反应池以及初沉池等预处理设施。反应池兼 有调节池和沉淀池的功能。当反应池进水结束后，开始曝气反应，待有机物浓度 达到排放标准后，停止曝气，使混合液在反应器中处于静止状态进行固液分离， 经过一段时间后排除上清液，反应器又处于准备下一个周期运行的待机状态。其 中每一阶段将产生剩余污泥，剩余污泥的排放频率取决于每个周期反应池中净污 泥增长及混合曝气设备的容量。在其中的进水阶段，又可根据是否曝气分为限制 曝气、非限制曝气和半限制曝气三种。限制曝气是指在迸水时不曝气，并尽量缩 短进水时间，因为进水历时越短，进水结束后或反应开始时混合液基质浓度将越 高，整个反应过程中基质浓度梯度就越大，从而可以增大反应期内的反应速度。 这种限制曝气方式适合于处理无毒性的污水。非限制曝气是在进水的同时进行曝 气。因此，在进水期便可以降解一部分基质，避免反应初期基质在混合液中过度 的积累，对反应过程造成抑制。这种非限制曝气方式适合于处理有毒且基质浓度 较大的污水半限制曝气是在进水的后半期进行曝气，是介于限制曝气和非限制 曝气之问的一种运行方式川。 根据不同的处理要求，对各段采用不同的运行方式，可以达到脱氮、除磷、 抑制污泥膨胀等更复杂的工艺要求。 1 3 2s b r 的工艺特点 s b r i 艺之所以能够日益受到重视，并广泛应用，是由于其运行方式的特殊 7 二 西安建筑科技大学硕士论文 性，使其具有一系列连续流系统无法比拟的优点1 8 l 。 ( 1 ) 工艺流程简单、基建与运行费用低 s b r 系统的主体工艺设备是间歇式曝气池，与传统的连续流系统相比，无 需二沉池和污泥回流设备，一般也不需调节池。许多情况下，还可省去初沉池。 这样s b r 系统的基建费用往往较低。根据k e t e h u m 等人的统计结果，采用序批 式活性污泥法处理小城镇污水比用传统连续流活性污泥法节省基建投资3 0 以 上1 9 1 s b r 法无需污泥回流设备，节省设备费和常规运行费用。此外，s b r 法反 应效率高，达到同样出水水质所需曝气时间较短。反应初期溶解氧浓度低，氧转 移效率高，节省曝气费用。 ( 2 ) 生化反应推断力大、速率快、效率高 序批式活性污泥法反应器中底物浓度在时间上是一理想推流过程，底物浓度 梯度大，生化反应推动力大，克服了连续流完全混合式曝气池中底物浓度低，反 应推动力小和推流式曝气池中水流反混严重，实际上接近完全混合流态的缺点。 i r v i n e 等人的研究还表明：序批式活性污泥法中微生物的r n a 含量是传统活性污 泥法中3 4 倍【l o 】。因为r n a 是含量是评价微生物活性的最重要指标，所以这也 是s b r 法有机物降解效率高的一个重要原因。 ( 3 ) 有效防止污泥膨胀 序批式活性污泥法底物浓度梯度大，反应初期底物浓度较高，有利于絮体细 菌增殖并占优势，可抑制专性好氧丝状菌的过分增殖。此外，s b r 法中好氧、缺 氧状态交替出现，也可抑制丝状菌生长。 ( 4 ) 操作灵活多样 序批式活性污泥法不仅工艺流程简单，而且根据水质、水量的变化，通过各 种控制手段，以各种方式灵活运行，如改变进水方式、调整运行顺序、改变曝气 强度及周期内各阶段分配比等来实现不同的功能。例如在反应阶段采用好氧、缺 氧交替状态来脱氮、除磷，而不必像连续流系统建造专门的a o ，a a o 工艺。 ( 5 ) 耐冲击负荷能力强 序批式活性污泥法虽然对于时间来说是理想推流过程，但就反应器中的混合 状态来说，仍属于典型的完全混合式，也具备完全混合曝气所具有的优点，一个 s b r 反应池在充水时相当于一个均化池，在不降低出水水质的情况下，可以承受 高峰流量和有机物浓度上的冲击负荷。此外，由于无需考虑污泥回流费用，可在 反应器内保持较高的污泥浓度，这也在一定程度上提高了它的耐冲击负荷能力。 ( 6 ) 沉淀效果好 沉淀过程中没有进出水水流的干扰，可避免短流和异重流的出现，是理想的 静止沉淀，固液分离效果好，具有污泥浓度高、沉淀时间短、出水悬浮物浓度低 等优点。 8 西安建筑科技大学硕士论文 1 4颗粒污泥研究的现状 污水处理系统中，污泥的存在形式按存在方式分可分为悬浮生长型和附着生 长型。传统活性污泥法属于悬浮生长型，但污泥沉降性能较差，易造成污泥膨胀， 从而导致二沉池的表面负荷降低【l l j ；生物膜属于附着生长型。颗粒污泥就其个体 而言，在污水中并不固定。随水流动；但颗粒污泥中的微生物却是以附着生长的 方式存在，颗粒污泥因其兼有这两种特点，到底属于哪一种生长方式，至今仍是 争论的焦点。但这并不影响人们对颗粒污泥的研究，颗粒污泥以其良好的沉降性 能，能快速实现泥水分离，而得到研究者的青睐。 1 4 1 颗粒污泥分类 颗粒污泥按其所处的培养环境可分为厌氧颗粒污泥、好氧颗粒污泥和缺氧颗 粒污泥三种。到目前为止，已在不同的反应器中培养出稳定的厌氧颗粒污泥和好 氧颗粒污泥。 ( 1 ) 厌氧颗粒污泥 l e t t i n g a 等人1 2 】于1 9 8 0 年最早报道了在u a s b 中培养出了厌氧颗粒污泥，在 过去二十年的时间里，u a s b 技术被成功用来处理高浓度的有机废水，到目前为 止，世界上至少有9 0 0 座u a s b 反应器投入使用，该反应器最主要的特点就是在 u a s b 中可培养出大量的厌氧颗粒污泥1 1 3 , 1 4 】，国内也有不少人对厌氧颗粒污泥作 了研究15 ，i o - 1 。 ( 2 ) 好氧颗粒污泥 好氧颗粒污泥的存在在上个世纪9 0 年代得到了证明。t s u n c d a 等人【1 力在好氧 上流式流化床( a u f b ) 中培养出了好氧硝化颗粒污泥，弄清了微量元素和水力 剪切力对颗粒污泥形成的影响，同时认为接种具有良好沉淀性能的种泥有利于更 快的形成颗粒污泥。t a y 等人【1 羽在s b r 中研究了上升气流所引起的水力剪切力对 好氧颗粒污泥的影响。王强等【堋在s b r 反应器中以普通絮状污泥为种泥，葡萄糖 为碳源，经历了6 7 天，获得了好氧颗粒污泥。 ( 3 ) 缺氧颗粒污泥 关于缺氧颗粒污泥的报道并不多。彭党聪等人1 2 0 1 在s b r 反应器中培养出了缺 氧颗粒污泥，但污泥的活性和稳定性有待进一步探讨。 1 4 2 颗粒污泥形成所需的条件 迄今为止浒多研究者对厌氧、好氧以及缺氧颗粒污泥的形成进行了大量研究， 发现颗粒污泥形成所需的条件很多，概括起来可分为两类：一类是外在条件；另 一类是内在条件。 ( 1 ) 外在条件 9 轧；，“ 西安建筑科技大学硕士论文 1 反应器类型：到目前为止，颗粒污泥在u a s b 中报道的居多，a b r 、a s b r 以及a u f b 中也都报道成功培养出了颗粒污泥。 l a y 等人i ls j 在s b r 中也培养出了 颗粒污泥。 2 进水方式：研究认为，间歇式进水有利于形成密实光滑的好氧颗粒污泥 1 2 1 , 2 2 ，2 3 1 间歇式进水通过形成饱食饥饿特性，达到对系统内菌种的选择。c h i e s a 等人认为s b r 中间歇式进水形成的饥饿饱食环境有利于淘汰丝状菌，从而获得 沉淀性能良好的颗粒污泥。m c s w a i n 等人1 2 4 1 通过试验证实，s b r 间歇式进水对丝 状菌的选择和生长有很大的影响，同时对颗粒污泥的结构和组成也有相当重要的 影响。 3 水力剪切( 选择压) ：t a y 等人1 1 8 l 报道称当u s b r 在o 0 0 8 m s 的较低上流 气体流速情况下运行时，不会形成颗粒污泥，丽当气体流速达到0 0 2 5 m s 时， 则形成了颗粒污泥。b e u n 等人【2 l 】在s b r 中也观察到此类现象。v a n d e r h a e g e n 等 人在搅拌反应器中也培养出了厌氧颗粒污泥，但是当反应器停止搅拌后3 星期 颗粒污泥就消失了。p e r e b o o m 和v e r e i j k e n 在生产性规模的内循环反应器( i c r ) 中也培养出了颗粒污泥，在这种反应器中水力剪切力通常是u a s b 中的两倍。 s h i n 等人1 2 5 1 由此得出，污泥的颗粒化是物理作用的结果，与反应器中的水力剪切 力有密切关系。高的水力剪切力更有利于形成结实紧密的颗粒污泥，但形成的颗 粒污泥相对较小【2 6 ，卸，并使得胞外聚合物的产生量增加闭。 ( 2 ) 内在条件 1 菌种的类型：由于厌氧颗粒污泥和好氧颗粒污泥，包括了很多的菌种， 如产甲烷茵、酸化菌、硝化菌、反硝化菌、好氧异养菌等，这使得研究者们开 始推测污泥的颗粒化并不是某些特定微生物的作用，而是反应器运行条件作用 的结果1 。 2 微量元素：颗粒污泥中的灰分，特别是由f e 和c a 等形成的不溶性物质对 保持厌氧颗粒污泥的稳定性起着重要作j 黾 2 s l 。t s u n e x l a 等人 2 9 1 通过试验发现，小 颗粒污泥的含f e 量明显高于大颗粒污泥的含f e 量，并且f e 主要集中在颗粒污泥 的核心；高的f e 投加量更有利于颗粒污泥的形成，并由此提出了硝化颗粒污泥的 形成机理。 3 胞外聚合物：e c p ( e x t r ac e l l u l a rp o l y m e r ) 是微生物分泌的一种胞外多糖 类大分子有机物。普遍认为颗粒污泥的形成与e c p 的产生有关，e c p 对细菌附着 的影响也就是对污泥颗粒化的影响。e c p 在细菌的黏附和生物膜的形成过程中起 着非常重要的作用。e c p 能改变细菌的表面电荷，导致细菌的絮凝。此外，e c p 中含有的大分子有机物易于与水中金属离子螯合，从而使得金属元素在颗粒污泥 中富集1 3 0 1