（环境工程专业论文）基质限制条件下好气硝化颗粒污泥的稳定性及热力学研究.pdf

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i r 2 3 2 2 3 6z e t ap o t e n t i a l 2 3 2 2 3 7c o n t a c ta n g l e 2 3 2 2 3 8o t h e rm e t h o d s 一2 4 2 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 5 2 3 1m l s sa n de s s 2 5 v i 2 3 2c y c l et e s t 2 7 2 3 3s o u r 2 9 2 3 4s e m 3l 2 3 5p a r t i c a ls i z ed i s t r i b u t i o n 3 3 2 3 6e p s 3 5 2 3 6 1q u a n t i t a t i v ec h a n g e 3 5 2 3 6 2q u a l i t a t i v ec h a n g e 3 6 2 3 7f t - i r 3 7 2 3 8d l v o 3 9 2 3 8 1c o n t a c ta n g l ea n dz e t ap o t e n t i a l 3 9 2 3 8 2t h e r m o d y n a m i c s 4 0 2 3 8 3d l v o 4 2 2 4c h a p t e rs u m m a r y 4 3 c h a p t e r3s t a b i l i t ya n dt h e r m o d y n a m i c so fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e su n d e ri n o r g a n i c n i t r o g e nl i m i t i n gc o n d i t i o n s 4 5 3 1o v e r v i e w 4 5 3 2m a t e r i a l sa n dm e t h o s d s 4 5 3 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 5 3 3 1 几s sa n de s s 4 5 3 3 2s o u r 4 6 3 ：；3p a r t i t a ls i z ed i s t r i b u t i o n 4 7 3 3 4e p s 4 8 3 3 5f t - i r 4 9 3 3 6d l v o 5 0 3 3 6 1c o n t a c ta n g l ea n dz e t ap o t e n t i a l 5 0 3 3 6 2t h e r m o d y n a m i c s 5l 3 3 6 3d l v o 。5 2 3 4c h a p t e rs u m m a r y 5 4 c h a p t e r4c o n c l u s i o n sa n do u t l o o k 5 5 r e f e r e n c e s 5 6 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 2 l 山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，好氧颗粒污泥技术得到了越来越多的重视与关注。然而，好氧颗粒污 泥较差的稳定性仍然是限制其实际应用的重要因素。尽管人们已认识到诸多因素在 颗粒污泥的形成和稳定性中的重要作用，但对于颗粒污泥微生物之间的相互作用仍 缺乏定量的描述；对颗粒污泥的解体机制还缺乏深入的研究和透彻的理解。本研究 通过z e t a 电势和接触角两种表面热力学指标的测定，以及比耗氧速率、粒径分布、 e p s 、三维荧光、傅里叶红外、扫描电镜等多种分析手段，结合d l v o 理论计算方法， 深入探讨微生物之间的相互作用及其对好氧颗粒污泥稳定性的影响。本研究不仅可 以丰富对微生物作用机制的理解，而且对于预测好氧颗粒污泥稳定性的变化具有着 重要意义。本论文对于硝化菌大量富集、稳定性良好、能同时除碳脱氮的好氧硝化 颗粒污泥在基质限制条件下稳定性和热力学特性进行了研究。主要研究内容和结果 如下： ( 1 ) 研究了有机碳源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥稳定性及热力学性质的变 化。结果表明，基质碳源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥中的异养微生物的活性逐 步受到抑制。由于失去了异养微生物的竞争，自养硝化菌a o b 和n o b 的活性明显提 高。好氧硝化颗粒污泥中e p s 含量升高但不明显，p n p s 值明显降低。三维荧光结果 表明，e p s 中荧光物质以类蛋白质类物质为主。随着时间的增长，e p s 中的蛋白质的 结构发生了轻微的改变。颗粒污泥表面的官能团结构发生了改变，羟基和氨基数量 增多，导致颗粒污泥亲水性增强。颗粒污泥表面热力学性质发生了改变，微生物之 间结合所需跨越的斥力势垒由最初的6 8 0 k t 上升为1 9 5 0 k t ，从而微生物之间的絮凝 性能下降，导致颗粒污泥稳定性变差。吉布斯自由能计算结果表明，微生物之间的 作用由一开始的强吸附作用逐渐演变为最后的强排斥作用。最终位于颗粒污泥表层 的微生物在外界水利剪切力作用下脱落，并随出水排出系统，导致出水悬浮固体浓 度升高。粒径分布结果表明，系统中颗粒由以2 3 6 3 3 5 m m 大颗粒为主转变为以 1 0 0 1 1 8 m m 的小颗粒为主。综上，系统达到了新的平衡，好氧硝化颗粒污泥由先前 的混合型转变为完全自养型。整个过程中，颗粒污泥破裂现象少有发生，说明本研 究所应用的颗粒污泥强度很高，抑制颗粒污泥中的异养菌株的活性对颗粒污泥的结 山东大学硕士学位论文 构完整性并没有明显的影响。 ( 2 ) 研究了氮源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥稳定性及热力学性质的变化。 结果表明，基质氮源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥中的自养硝化菌在失去了氮源 的供应后很活性大幅降低，同时异养茵的活性提高。自养硝化菌活性的衰弱使得颗 粒污泥的结构强度下降，很快部分较大的颗粒便出现了破裂现象，并且随着时间的 增长越来越多的颗粒污泥解体，在第5 0 天左右反应器中的悬浮固体浓度已降低到一 个相当低的水平。最后，系统中颗粒污泥由以粒径范围2 3 6 3 3 5 m m 的大颗粒为主变 为以粒径范围0 4 3 0 8 5 的颗粒碎片和絮体为主。颗粒污泥表面羟基和氨基数量下降， 而羰基等不饱和疏水性基团增多，导致颗粒污泥疏水性提高。然而，由于e p s 含量 大幅降低，颗粒污泥微生物间的粘合作用逐渐减弱甚至消失。根据所得结果，d l v o 理论无法合理解释氮源限制条件下颗粒污泥解体的热力学机制，有必要将e p s 的影 响考虑到d l v o 理论计算过程中，对结果进行重新拟合。 ( 3 ) 综上，去除进水中有机碳源后，d l v o 理论能很好的预测颗粒污泥的稳定性 的变化；而当去除进水中无机氮源后，d l v o 理论却无法解释颗粒污泥解体的原因。 这主要是因为氮源限制条件下，颗粒污泥胞外聚合物含量快速下降，微生物之间粘 合作用减弱，颗粒污泥结构性变差，在外界水力剪切力条件下，颗粒污泥发生破裂。 而d l v o 理论并没有将这一部分因素考虑进去，从而使其不能准确预测氮源限制条 件下好氧硝化颗粒污泥稳定性的变化。 关键词：好氧硝化颗粒污泥；稳定性；基质限制：热力学 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dc o n c e r nh a db e e nt a k e no nt h ea e r o b i c g r a n u l a rs l u d g et e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h ep o o rs t a b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a s s t i l la ni m p o r t a n tf a c t o rl i m i t i n gt h e i rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a l t h o u g hi th a db e e n r e c o g n i z e dt h a tm a n yf a c t o r sc o u l da f f e c tt h ef o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo ft h eg r a n u l a r s l u d g e ，b u tt h e r ew a ss t i l ll a c ko fq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m i c r o o r g a n i s m si nt h eg r a n u l a rs l u d g ea n di n d e p t hr e s e a r c ha n dt h o r o u g hu n d e r s t a n d i n g o ft h ed i s i n t e g r a t i o nm e c h a n i s mo ft h eg r a n u l e s i nt h i ss t u d y ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n m i c r o o r g a n i s m sa n dt h e i ri n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fg r a n u l e sw a ss t u d i e dt h r o u g ht h e d e t e m i n a t i o no fz e t ap o t e n t i a l ，c o n t a c ta n g l e s ，s o u r ( s p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e ) ，e p s ( e x t r a c e i l u l e rp o l y m e rs u b s t a n c e s ) ，t h r e e - d i m e n s i o nf l u o r e s c e n c es p e c t r a ，f t - i r ( f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e d ) ，s e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) a n dt h ed l v ot h e o r y t h i s s t u d yc o u l de n d c ht h eu n d e r s t a n d i n go fm i c r o b i a li n t e r a c t i o nm e c h a n i s m sa n dc o n t r b u t e t op r e d i c tt h ec h a n g e si n g r a n u l e ss t a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，s y s t e m a t i cr e s e a r c ho n - t h e ， c h a n g e so f t h ea e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e si ns t a b i l i t ya n dt h e r m o d y n a m i c su n d e rd i f f e r e n t s u b s t r a t el i m i t i n gc o n d i t i o n sh a db e e nm a d e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sw e r e 勰f o l l o w s ： ( 1 ) s t a b i l i t ya n dt h e r m o d y n a m i c so fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e su n d e ro r g a n i c 。 c a r b o ns o u r c el i m i t i n gc o n d i t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h ec a r b o n s o u r c el i m i t i n gc o n d i t i o n s ，t h ea c t i v i t yo fh e t e r o t r o p h i cm i c r o o r g a n i s m si nt h ea e r o b i c n i t r i f y i n gg r a n u l e sg r a d u a l l yd i s a p p e a r e d d u et ol o s so f c o m p e t i t i o no f t h eh e t e r o t r o p h i c + 二 m i c r o o r g a n i s m s ，t h ea c t i v i t y o ft h ea o b ( a m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) a n dn o b ( n i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h ec o n t e n to fe p si n c r e a s e ds l i g h t l y ， b u tt h ev a l u eo ft h ep n p sr e d u c e d t h er e s u l t so ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c e s h o w e dt h a tt h ef l u o r e s c e n ts u b s t a n c e si nt h ee p sw e r ep r o t e i n - l i k et h i n g s a st i m e g r o w s ，t h es t r u c t u r eo ft h ep r o t e i ni nt h ee p sc h a n g e dl i t t l e t h es u r f a c ef u n c t i o n a l g r o u p so fg r a n u l a rs l u d g eh a dc h a n g e d t h en u m b e ro fh y d r o x y la n da m i n og r o u p s i n c r e a s e d ，l e a d i n gt ot h ee n h a n c e m e n to ft h eh y d r o p h i l i c i t yo ft h eg r a n u l e s s u r f a c e t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so ft h eg r a n u l a rs l u d g ec h a n g e ds i g n i f i c a n t l y t h er e p u l s i v e b a r r i e rt h a tm i c r o b e sn e e dt oj u m pa c r o s sf o rc o m b i n a t i o nr i s e df r o mt h ei n i t i a l6 8 0 k t f o r19 5 0 k ti nt h ee n d t h u st h ef l o c c u l a t i o np e r f o r m a n c eb e t w e e nt h em i c r o o r g a n i s m s w a sd e g r a d e d ，r e s u l t i n gi nt h ed e t e r i o r a t i o no ft h e s t a b i l i t yo fg r a n u l a rs l u d g e t h e c a l c u l m i o nr e s u l t so fg i b b sf r e e e n e r g y s h o w e dt h a tt h e f o r c eb e t w e e nt h e m i c r o - o r g a n i s m se v o l v e db yt h es t r o n gg r a v i t a t i o nt ot h es t r o n gr e p u l s i o nd u r i n gt h e p r o c e s s f i n a l l ym i c r o - o r g a n i s m sa tt h es u r f a c eo fg r a n u l a rs l u d g ef e l lo f ff r o mt h e s u r f a c eo ft h eg r a n u l e su n d e rt h ee f f e c to fs h e a rs t r e s sa n dd i s c h a r g e dw i t ht h ee f f l u e n t ， 3 山东大学硕士学位论文 r e s u l t i n gi nt h e i n c r e a s e m e n t o fe s s ( e f f l u e n ts u s p e n d e ds o l i d s ) c o n c e n t r a t i o n 1 1 1 e r e s u l t so ft h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ns h o w e dt h a tt h ep a r t i c l e si nt h es y s t e mc h a n g e d f r o mm a i n l yc o n s i s t i n go f 2 3 6 - 3 3 5 m ml a r g ep a r t i c l e si n t ot h em a j o r i t yo fs m a l lp a r t i c l e s o f1 0 0 一1 18 m md i a m e t e r i ns u m m a r y ，t h es y s t e mr e a c h e dan e we q u i l i b r i u m t h e a e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e sc h a n g e df r o mt h ep r e v i o u s h y b r i do fh e t e r o t r o p h i ca n d a u t o t r o p h i ck i n d st ot h ec o m p l e t e l ya u t o t r o p h i ct y p e t h r o u g h o u tt h ee x p e r i m e n t ，l i t t l e g r a n u l a rs l u d g ew a sr u p t u r e d ，i n d i c a t i n gt h a tt h ea e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e su s e dw e r e s t r u c t u r a ls t r o n g t h ei n h i b i t i o no ft h ea c t i v i t yo fh e t e r o t r o p h i cs t r a i n si nt h eg r a n u l a r s l u d g eh a d n os i g n i f i c a n te f f e c to nt h e i rs t r u c t u r a li n t e g r i t y ( 2 ) s t a b i l i t ya n dt h e r m o d y n a m i c so fa e r o b i cn i t r i l y i n gg r a n u l e su n d e ri n o r g a n i c n i t r o g e ns o u r c el i m i t i n gc o n d i t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h em a t r i x n i t r o g e nl i m i t a t i o nc o n d i t i o n ，t h ea c t i v i t yo ft h ea u t o t r o p h i en i t r i f y i n gb a c t e r i ai nt h e a e r o b i cn i t r i f i c a t i o n g r a n u l a rs l u d g e d e c r e a s e dt oav e r yl o wl e v e l q u i c k l y ，a n d s i m u l t a n e o u s l yt h ea c t i v i t yo ft h eh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i ai n c r e a s e d t h ed e c r e a s e m e n to f t h ea c t i v i t yo ft h ea u t o t r o p h i eb a c t e r i ac a u s e dt h ew e a k n e s so ft h es t r u c t u r a ls t r e n g t ho f t h eg r a n u l a rs l u d g e s o o na f t e rt h eb e g i n n i n go ft h er e s e a r c hs o m eo ft h el a r g e rg r a n u l e s d i s i n t e g r a t e d a st i m eg r o w s ，m o r ea n dm o r eg r a n u l a rs l u d g ew a sr u p t r u e d a tt h ef i f t i e t h d a y ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d e ds o l i d si nt h er e a c t o rh a sb e e nr e d u c e dt oav e r yl o w l e v e l f i n a l l y ，t h eg r a n u l e si nt h er e a c t o rc h a n g e df r o mm a i n l yc o n s i s t i n go f2 3 6 - 3 3 5 m ml a r g ep a r t i c l e si n t ot h em a j o r i t yo f0 4 3 - 0 8 5 m md e b r i sa n df o e s t h en u m b e ro f h y d r o x y la n da m i n og r o u p so nt h es u r f a c eo fg r a n u l a rs l u d g ed e c l i n e d t h eh y d r o p h o b i c g r o u p sl i k eu n s a t u r a t e dc a r b o n y li n c r e a s e d a l lo f t h o s ec a u s e dt h eg r a n u l a rs l u d g et ob e m o r eh y d r o p h o b i c h o w e v e r ，d u et os i g n i f i c a n t l yr e d u c eo fc o n t e n to ft h ee p s ，t h e b o n d i n ge f f e c tb e t w e e nt h eg r a n u l a rs l u d g em i c r o o r g a n i s m sg r a d u a l l yd i s a p p e a r e d t i l e d l v ot h e o r yc a nn o tr e a s o n a b l ye x p l a i nt h et h e r m o d y n a m i cm e c h a n i s mo ft h e d i s i n t e g r a t i o no f t h eg r a n u l a rs l u d g e i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ei m p a c to ft h ee p s i n t ot h ed l v o t h e o r yt of i t t e dt ot h ed a t a ( 3 ) i nt h ee n d ，a f t e rt h er e m o v a lo fo r g a n i cc a r b o nf r o mt h ew a t e rs o l u t i o n ，c h a n g e s i nt h ed l v ot h e o r yc o u l dp r e d i c tt h es t a b i l i t yo ft h eg r a n u l a rs l u d g ew e l l b u tw h e nt o r e m o v et h et h ei n