（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥的培养、维持及应用的基础研究.pdf

摘要 , i i 皇曼曼曼曼曼曼曼量皇曼皇曼皇量 摘要 本课题对好氧颗粒污泥的培养和维持，好氧颗粒污泥的形成机理，好氧颗粒 污泥同步脱氮除磷以及生物吸附阴离子偶氮染料的能力进行了基础性试验研究。 在长沉淀时间条件下，在不同曝气量，不同高径比以及不同横截面形状的5 个反应器( r 1 、r 2 、r 3 、r 4 、r 5 ) 中对好氧颗粒污泥的形成进行了研究。结果 表明，在高高径比( 1 0 ：1 ) 的r l 、i 匕和r 3 中，曝气量分别为o 0 3 一h 、o 0 6 m 3 h 和0 1 2 m 3 h 的情况下，均能形成好氧颗粒污泥；r 1 在形成颗粒后膨胀，系统崩 溃；r 2 膨胀后添加适量碱度( 0 5 9 l ) ，膨胀得到抑制；r 3 较为稳定。r 4 曝气 量与l u 相同，高径比低( 为4 ：1 ) ，不能形成好氧颗粒污泥。r 5 高径比低，且反 应器横截面为方形，曝气量为o 0 3 m 3 h ，并辅以搅拌剪切力，不能形成好氧颗粒 污泥。试验结果表明沉降时间较长时，只有在高高径比的反应器中才能通过高曝 气量的方式培养获得好氧颗粒污泥。 以实际生活污水为底物，在3 个相同的反应器中分别施以不同的曝气量来培 养好氧颗粒污泥，其中r l 为高曝气量，i 也为由高至低的曝气量，r 3 为低曝气 量。r 1 、r 2 在较短时间内培养好氧颗粒污泥，r 1 稳定运行8 0 天，但最终破碎； r 2 反应器稳定运行3 0 0 余天；r 3 培养好氧颗粒污泥较慢，但也能够长期稳定维 持。实验结果表明对低浓度实际生活污水而言，低曝气量启动并长期运行是最佳 方式，证明了曝气量在好氧颗粒污泥培养和稳定维持中的重要作用。 利用扫描电镜、细菌凋亡荧光染色以及e p s 染色技术对5 种不同底物废水 培养出的好氧颗粒污泥进行观察，结果表明杆菌为5 种好氧颗粒污泥的主要菌 种，碳源的不同会影响球菌的生长：活细菌分布与粒径大小以及颗粒内部结构有 关，死细菌则均匀分布；蛋白质是最重要的胞外多聚物，p d 吡喃葡萄糖与新生 长的活细菌有关，a 吡喃葡萄糖、a 甘露糖和少量脂类则与衰老的细菌相关，糖 类的含量和分布可以指示好氧颗粒污泥是否正常，保持适量的糖量可以维持好氧 颗粒污泥的稳定，避免膨胀。 为了考察好氧颗粒污泥同步脱氮除磷( s i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l ，s n p r ) 能力，以及在低温条件下的适应情况，采用2 个s b r 反应器 以厌氧好氧方式处理实际生活污水，历时2 5 4 d 。2 个反应器均在2 0 d 培养获得 好氧颗粒污泥，从第4 2 d 开始加入不同附加碳源( 分别为丙酸钠+ 乙酸钠和葡萄 糖) ，均获得了夏秋季4 个月长期稳定的s n p r 效果；在低温的影响下，2 个反 应器效果有所降低，但分别经3 5 d 、4 9 d 逐渐恢复了稳定的s n p r 效果，2 个反 应器在夏秋季稳定期以及低温恢复后阶段的出水效果均达到g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 一级 排放标准。硝化作用决定着s n p r 的反应速度和最终效果 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 利用荧光原位杂交技术( f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 、多重荧光 染色技术以及扫描电镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 对具有同步脱氮除 磷能力的2 种好氧颗粒污泥的菌群、活死细菌和e p s 的分布以及颗粒外部形态 等进行了观察和分析，结果表明2 种颗粒对氮、磷的去除机理没有明显区别，受 碳源影响较小；2 种好氧颗粒污泥的活细菌多位于外层，而死细菌均匀分布； 2 种好氧颗粒污泥中的蛋白质和脂类均分布均匀，不受碳源的影响，而多糖( 口吡 喃葡萄糖、a 甘露糖和p d 吡喃葡萄糖) 的分布及含量与外加碳源有着密切的关 系；碳源会对好氧颗粒污泥的外层细菌，主要是球菌产生影响，并且与最终的去 除效果相关，以丙酸钠+ 乙酸钠为外加碳源更容易维持稳定的去除效果。 对具有同步脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥系统周期中d o 、p h 值和o r p 的 变化规律进行了研究，得到可以指示厌氧阶段反硝化结束、厌氧放磷结束、好氧 吸磷结束以及氨氧化结束的4 个特征点，可以用来控制周期的进行。同时考察了 系统中聚磷菌的分类及其对脱氮除磷及控制参数的影响，系统的好氧颗粒污泥中 存在反硝化聚磷菌，因此在好氧条件下能够在颗粒内部进行反硝化除磷。 利用好氧颗粒污泥生物吸附阴性偶氮染料c i a c i dr e d1 4 ( a r1 4 ) 。系统考 察了p h 值、吸附剂用量、初始a r1 4 浓度、n a c i 浓度以及温度对生物吸附的 影响。结果表明初始p h 值是影响a r1 4 吸附的最重要因素，最佳值为2 0 。吸 附能力随着染料浓度的增加而增加，而随吸附剂浓度和n a c l 浓度的增加而减少。 好氧颗粒污泥吸附a r1 4 的等温线、动力学模型、热力学分析以及f t i r 分析表 明好氧颗粒污泥可以作为一种低价的吸附剂来去除阴性偶氮染料。 关键词好氧颗粒污泥；曝气量；同步脱氮除磷；多重荧光染色；生物吸附 a b s t 凡c t ,li i 皇皇皇曼曼皇曼量! 曼曼曼曼曼皇曼量曼鼍曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼曼曼曼曼曼量量曼皇曼曼量曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼蔓量 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec u l t i v a t i o n , m a i n t e n a n c eo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ( a g s ) w e r e s t u d i e d ，a n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m sw a sa n a l y z e d 谢t 1 1t h ed i s t r i b u t i o no fb a c t e r i a a n de x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) i na g s ，s o m ee x p e r i m e n t sa b o u tt h e c a p a b l i l i t yo ft h es i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a la n da d s o r p t i o n a n i o n i cd y e sc a p a c i t yo f a g sw a sc o n d u c t e d t h ef o r m a t i o no fa g sw a ss t u d i e di nf i v ed i f f e r e n tr e a c t o r sw i t hd i f f e r e n t c o n d i t i o n g s ，a sa e r m i o nr a t e ，r a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e r , c r o s ss e c t i o no fr e a c t o r , b u t w i t hs a m el o n gs e t t l i n gt i m e t h cr 1 ，r 2a n dr 3w i t hh i g h - d i a m e t e rr a t i o0 0 ：d c u l t i v a t e da g s ，a e r a t i o nr a t i oo ft h r e er e a c t o r sw e r e0 0 3 m 3 ho 0 6 l n 3 也0 12 i n 3 h r e s p e c t i v e l y , f i l a m e n t o u sb u l k i n go c c u r r e di nr ia n dr 2 ，r 2r e c o v e r e da r e rb ea d d e d 丽t ha l k a l i n i t yb u tr 1d i d n t ，r 3r e m a i n e ds t a b l e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h a e r a t i o nr a t ew a sb e t t e rf o rs t a b l eo fr e a c t o r t h ea e r a t i o nr a t eo fr 3a n dr 4w e r e s a m e ，b u tt h eh i 曲一d i a m e t e rr a t i oo f r 4w a s4 ：1 ，t h e r ew a sn o a g sw a sc u l t i v a t e di ni t n ea e r a t i o nr a t eo fr 5w a s0 0 3 m 3 h ，a n dt h es h e a rs t r e s sw a si n c r e a s e db ys t i r r i n g ， b u tn oa g si ni t 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h es e t t l i n gt i m ew a sl o n g ，t h ea g s c o u l db ec u l t i v a t e do n l yi nr e a c t o ro fh i g hh i g h - d i a m e t e rr a t i o ，a n dt h eh i g h e ra e r a t i o n r a t ew a sb e t t e r 硼1 ei m p a c t i o no fa e r a t i o na m o u n to nf o r m a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fa g s 、析血t h e a c t u a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rw a ss t u d i e d n 圮a e r a t i o na m o u n t so ft h r e es a m er e a c t o r w e r ed i f f e r e n t ，a e r a t i o na m o u n to fr 1w a sh i g h , t h ea e r a t i o na m o u n to fr 2d e c r e a s e d a f t e rs t a r t - u po fa g s ，a e r a t i o na m o u n to fr 3w a sl o w r 1s u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e da g s a n do p e r a t e d8 0d a y s ，b u tf a i l e du l t i m a t e l y ；r 2a c h i e v e das t a r t u po fa g sa n dt h e m a i n t e n a n c eo f3 0 0d a y s ；r 3a l s oc u l t i v a t e da g ss u c c e s s f u l l ya n dm a i n t a i n e d 1 0 n g t e r m 1 f l l er e s u l mi n d i c a t e d1 0 wa e r a t i o na m o u n tw a sb e t t e rf o rf o r m a t i o na n d m a i n t e n a n c eo fa g sw i t he f f l u e n to fl o ws u b s t a n c e s ，s h o w e dt h a tt h ea e r a t i o na m o u n t p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nc u l t i v a t i o na n dm a i n t e n a n c eo f a g s a g sw a sc u l t i v a t e dw i t hd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s t h es u r f a c es t r u c t u r eo fa g s w a so b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，r e s u l t ss h o w e dt h a tb a c i l l u s w a st h em a i ns p e c i e so fa g s ，c o c c iw a sa f f e c t e db yd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e ；l i v ea n d d e a db a c t e r i ao fg r a n u l e sw e r ef l u o r e s c e n ts t a i n e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt i l e d i s t r i b u t i o no fl i v eb a c t e r i aw a si n f l u e n c e db ys i z ea n dt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fa g s ， d e a db a c t e r i ad i s t r i b u t e du n i f o r m l y ；t h ed i s t r i b u t i o no fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c h i 北京工业大学工学硕士学位论文 s u b s t a n c e s ( e p s ) w a sa n a l y z e db ym u l t i - f l u o r e s c e n c es t a i n i n g ，r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p r o t e i ni st h em o s ti m p o r t a n te p s ，p - dg l u c o p y r a n o s y lw a sp r o d u c e db yn e wa n dl i v e b a c t e r i a , a - g l u c o p y r a n o s y l ，a - m a n n o s ea n dl i p i d sw a sp r o d u c e db ya g i n gb a c t e r i a , t h e c o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o no fc a r b o h y d r a t ew e r er e l a t e dw i t hs t a t eo fa g s ，k e e p i n ga l l a p p r o p r i a t ea m o u n to fc a r b o h y d r a t ec o u l dp r o t e c ta g sf r o ms w e l l i n g t h es i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ( s n p r ) f r o mr e a ld o m e s t i c w a s t e w a t e ru s i n ga g sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ec h a n g e so n t h es n p ro fa g sw a sa l s os t u d i e d t w ol a b - s c a l es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r s ) ， n a m e d 嬲aa n db ，w e r eo p e r a t e df o r2 5 4d a y si na l t e r n a t i n ga n a e r o b i c - a e r o b i cm o d e t h ea g sw a sc u l t i v a t e di n2 0d a y su s i n gs e t t l i n gt i m ea ss e l e c t i o np r e s s u r e f r o mt h e 4 2 n dd a yo n w a r d s ，a d d i t i o n a lc a r b o n ( a c e t a t ea n dp e p t o n ef o ra ，g l u c o s ef o rb ) w e r e a d d e dt om a k et h er a t i oo fc o d ：n ：pa s3 6 0 ：6 0 ：6 t h es n p rb ya g sw e r ea c h i e v e d f o r4m o n t h s t h e n , t h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e dt o9 - 13 ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t e dt h e e f f i c i e n c yo fs n p r t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs n p ro fr e a c t o raa n dbw a s r e c o v e r e da f t e r3 5a n d4 9d a y s p a o sa n dd n p a o st o g e t h e r c o m p l e t e dt h e p h o s p h o r u sr e m o v a la n dm a d ep h o s p h o r u sr e m o v a lf a s t e rt h a nn i t r o g e nr e m o v a l n i t r i f i c a t i o nw a st h el i m i t i n gs t e pf o rs n p r b a c t e r i a , e p sd i s t r i b u t i o n , m o r p h o l o g ya n ds 仃u c t u r eo fa g s 、i t l ls i m u l t a n e o u 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 lw e r eo b s e r v e db yf i s h ，e p sa n ds e m t h er e s u l t s s h o w e dt h a tb o t hi na & bt h ea m m o n i u m - o x i d i z i n gb a c t e r i am a i n l ys t a y e da tt h eo u t e r o ft h eg r a n u l e s ，a c c o u n tf o r12 ，a n dp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m ss t a y e di n t h e i n t e r i o ro ft h eg r a n u l e ，a c c o u n tf o r4 0 ；t h ec o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o no f p o l y s a c c h a r i d e ( i n c l u d ea - p o l y s a c c h a r i d e sa n d1 3 - p o l y s a c c h a r i d e s ) o fe p si na g s w e r ei n f l u e n c e db yd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s ，b u tt h ec o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o n so f 。 p r o t e i na n dl i p i d sw e r en o t , t h ec o n t e n to fp r o t e i nw a st h el a r g e s ti ne a c hg r a n u l a r ； d i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e se f f e c t e dt h ek i n do fb a c t e r i a ( t h en u m b e ro fc o c c ii nr e a c t o rb i sh i g h e r ) ，a n dt h ef i n a lr e m o v a le f f e c t ( s o d i u mp r o p i o n a t e + s o d i u mb u t y r a t ea r e b e t t e r ) ，b u th a dn oe f f e c t so nt h em e c h a n i s mo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l 1 1 1 ec h a n g el a w so fd o ，p ha n do r pi nc y c l e so fr e m o v a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s i m u l t a n e o u s l y 诚也a g sw e r ed e t e c t e d ，a n df o u n dt h ee n do fd e n i t r i f i c a t i o na n d p h o s p h o r u sr e l e a s e i na n a e r o b i cs t a g e ，t h ee n do fp h o s p h o r u sa b s o r p t i o na n d a m m o x i d a t i o ni na e r o b i cs t a g e ，t h ef o u rp o i n t sc a nb eu s e dt oc o n t r o lt h ec o n d u c to f t h ec y c l e k i n d so fp a o sa n di t si m p a c t i o no nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw e r e a l s od e t e c t e d ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m se x i s t e n ti nt h i ss y s t e m , t h e r e f o r e ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lh a p p e n e di na e r o b i cc o n d i t i o n i v a b s t r a c t t h ef e a s i b i l i t yo ft h eu s eo fi n a c t i v ea g sa sab i o s o r b c n tf o rr e m o v i n gc i a c i d r e d14 ( a r14 ) ，a l la n i o n i ca z od y e ，f r o ma q u e o u ss o l u t i o nw a ss t u d i e d t h ee f f e c t s o fp h ，b i o s o r b e n td o s a g e ，i n i t i a la r14c o n c e n t r a t i o n ，n a c ic o n c e n t r a t i o na n d t e m p e r a t u r eo nt h eb i o s o r p t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n i t i a lp h w o u l db et h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ra f f e c t i n ga r14b i o s o r p t i o na n dt h eo p t i m a l p hw a s2 0 t h eb i o s o r p t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e d 、析t 1 1 a ni n c r e a s ei ni n i t i a l d y e c o n c e n t r a t i o n , b u td e c r e a s e d 、析t ha ni n c r e a s ei nb i o s o r b e n td o s a g ea n dn a c l c o n c e n t r a t i o n t h ei s o t h e r m s ，k i n e t i cm o d e l ，t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sa n df t i r a n a l y s i si n d i c a t e st h a ti n a c t i v ea g sc o u l db ee m p l o y e da sal o w - c o s ta n da l t e r n a t i v e b i o s o r b e n ti nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tf o rt h er e m o v a lo fa n i o n i ca z od y ea r14 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 ；a e r a t i o nr a t e ；s i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ；m u l t i - f l u o r e s c e n c es t a i n i n g ；b i o s o r p t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 繇华峰吼学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第l 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题目的和意义 第1 章绪论 污水处理方法中最为常见的活性污泥法与生物膜法均为好氧生物处理技 术，都存在各自不同的优缺点【h l 。活性污泥法在处理污水的过程中能够根据水 质、水量的变化进行调整，较为灵活，易于自动化操作，因此在处理城市污水 中得到最广泛的应用：但其容积负荷较低，占地面积大，沉降性能差，会产生 含量较高的悬浮污泥和大量的剩余污泥。与活性污泥法相比，生物膜法具有单 位体积中生物量大的特点，抗冲击负荷能力强，其出水悬浮物较少，净化程度 更高，生物膜中存在的层状结构可以处理特殊的废水，如印染废水或高氮磷浓 度废水等；但是生物膜法需要为生物附着提供载体，而作为载体的填料等物质 造价较高，并且载体上生物膜的脱落与再生的控制对于反应器的运行增加了难 度，灵活性较活性污泥法差。 好氧颗粒污泥是一种自我凝聚形成的特殊生物膜，具有沉降性能好、生物 量大、生物活性强等优点。与普通好氧絮状污泥相比，好氧颗粒污泥不仅能够 更好地处理高负荷有机废水，还具有更好的抗冲击负荷能力，其沉降速度较快， 可以大大减少沉淀池的体积，降低反应器的建设成本，并且具有生物膜的层状 结构特点，因此在去除高氮磷废水等方面也有较大的优势：与生物膜法相比， 好氧颗粒污泥法不需要载体，因此可大大降低成本和控制的难度，灵活性较高。 因此，如何利用好氧颗粒污泥处理生活污水【5 1 、高氮磷废水【6 】、有毒有害污水1 7 j 等污水的研究成为了国内外研究的热点，掌握其培养和运行以及处理各种污水 时的条件、规律，非常重要的意义。 1 1 2 好氧颗粒污泥的发展和研究现状 好氧颗粒污泥的形成是依靠生物体的自我凝聚，这种不依赖于载体的生物 体聚集方法最早源于厌氧颗粒污泥的形成，1 9 8 0 年1 e t t i n g a 等嗍第一次在升流 式厌氧污泥床( u a s b ) 中培养获得厌氧颗粒污泥，这种工艺被迅速推广并且 成功地应用于各种污水处理的领域。 1 9 9 7 年，m o r g e r t r o t h 等9 1 在好氧s b r 反应器中保持系统的低沉降时间，在 北京工业大学工学硕士学位论文 4 0 天左右获得了大量的好氧颗粒污泥，并在运行1 3 0 天时获得较好的c o d 去 除效果。1 9 9 9 年，b e u n 1 0 l ，p e n g 1 l 】等也都在s b r 反应器中成功培养了好氧颗 粒污泥。自此，国内外的研究者开始关注好氧颗粒污泥的研究，j i a n g 1 2 】、m o y 【1 3 】、 t a y u 4 】等分别以高浓度有机废水、氮磷废水以及有毒有害废水为底物对好氧颗粒 污泥的形成以及性能进行了试验，结果说明了好氧颗粒污泥在去除以上几种有 机废水时有较为明显的优势。 随后， r a y t l 5 1 、t s u n e d a t l 6 1 、l i u 1 7 1 等对好氧颗粒污泥形成的机理，碳源、曝 气量、有机物负荷等条件对好氧颗粒污泥形成的影响进行了研究；而p e n g 1 1 】、 t a y t l s j 、w i l d e r e r 掣1 9 】贝0 对好氧颗粒污泥的生物、物理、化学性质，如颗粒表面 强度，颗粒结构和层次，颗粒的大小和稳定性，颗粒的沉降速度以及颗粒与有 机物质、贵金属的反应等进行了研究。 好氧颗粒污泥的第一个实际工程由荷兰t u d e l f t 设计建造，并且为其取名 为n e r e d a 工艺。 1 2 课题来源 国家自然科学基金项目( 5 0 5 0 8 0 0 1 ) ；北京市教育委员会科技发展计划面上 项目( k m 2 0 0 5 1 0 0 0 5 0 2 0 ) ；北京市科技新星计划项目a 类( 2 0 0 6 a 1 0 ) ；北京市自 然科学基金项! 三i ( 8 0 8 2 0 0 7 ) 。 1 3 好氧颗粒污泥研究的主要内容 从好氧颗粒污泥的最早研究至今，只有十余年的时间，目前好氧颗粒污泥 的研究的主要方向为好氧颗粒污泥的培养，好氧颗粒污泥系统形成和运行机理 的研究，以及好氧颗粒污泥的应用等内容。 1 3 1 好氧颗粒污泥的培养 1 1 3 。1 1 沉淀时间( 选择压) 对好氧颗粒污泥培养的影响 在s b r 反应器中，周期末端污泥的沉降是为了与出水分离，较短的沉降时 间使得沉降速度较快的污泥( 菌体) 保留下来，而沉降能力较差的污泥则连同 出水一起排出系统外。2 0 0 4 年q i n 2 0 】等的研究指出只有在沉降时间低于5 r n i n 的s b r 系统中才能够培养获得好氧颗粒污泥，而在其他些研究者的试验中， 第1 章绪论 好氧颗粒污泥的沉降时间常常设定为l m i n 。选择压的变化还可以在短沉降时间 的基础上调节反应器的出水高度【2 l 】获得，而随着选择压的增加，颗粒的稳定性 也随之增加田】。利用短沉降时间获得好氧颗粒污泥是目前最为广泛的一种培养 手段，短沉降时间不仅有利于好氧颗粒污泥的培养，并且能够使得整个系统的 运行变得更加地有效率。但是启动初期的短沉淀时间往往造成了污泥的大量流 失，使得污泥量增加的过程较长，影响系统的去除效果，因此如何更快地生成 好氧颗粒污泥，并且在前期避免污泥的大量损失，还有待进一步研究。 1 3 1 2 接种污泥对好氧颗粒污泥培养的影响 好氧颗粒污泥最常见的接种污泥为普通活性污泥，在最早的好氧颗粒污泥 研究中，也有对厌氧颗粒污泥进行纯氧或者空气驯化而获得好氧颗粒污泥的。 接种污泥影响好氧颗粒污泥形成的主要性质包括接种污泥的沉降性能、表面特 征和性质，如较高的表面疏水性和较低的表面电荷密度，以及微生物的相互作 用。虽然在早年厌氧颗粒污泥培养的试验中，研究发现接种污泥的性质会对厌 氧颗粒的形成产生较大的影响，但接种污泥对好氧颗粒污泥的影响在已有的试 验中没有表现出明显的特征，因此认为不是好氧颗粒污泥形成和维持的重要因 素【2 3 1 。 1 3 1 3 底物对形成好氧颗粒污泥培养的影响 在国内外对好氧颗粒污泥进行的实验中，底物的选择往往是多种多样的，葡 萄糖、醋酸、乙醇、苯酚、淀粉、蔗糖【1 7 ，2 4 - 3 0 】等物质的人工废水均能作为好氧颗 粒污泥的底物；而以实际的污水【3 1 - 3 3 】作为底物培养的研究也有报道；研究者通常 用含酚废水来研究好氧颗粒污泥处理有毒有害物质的能力瞰铘】。尽管国内外的研 究者利用各种碳源作为底物均获得了好氧颗粒污泥，但不同底物培养的好氧颗粒 污泥在外形以及细菌组成等方面呈现出不同的特点，如b e u n ( 1 0 和p e n g 1 1j 等的研 究中，以葡萄糖为碳源培养的好氧颗粒污泥会产生丝状菌而以醋酸培养的则不 会。底物中氮磷含量较高的废水培养得到的好氧颗粒污泥通常具有脱氮、除磷的 能力，甚至在简单的运行条件下能够进行同步脱氮除磷。在t s u n e d a 3 8 】等的试验 中，以接种的硝化细菌并添加无机碳源的方式同样也获得了好氧颗粒污泥。虽然 不同底物培养好氧颗粒污泥已经有了一定的研究，但是底物如何影响好氧颗粒的 形成过程，使得不同的底物颗粒产生不同的结构和组成特点，还有待进一步研究。 1 3 1 4 有机负荷对好氧颗粒污泥培养的影响 在厌氧颗粒污泥的研究和实践中，通常认为高有机负荷是系统运行的重要 北京工业大学工学硕士学位论文 影响因素，而好氧颗粒污泥则与此不同。好氧颗粒污泥的有机负荷( c o d 浓度) 最低可低至1 0 0 0 m g i , 以下，最高能达到1 5 0 0 0 m g l 左右，范围相对来说较为 宽泛，因此有机负荷对好氧颗粒污泥的培养并不是最重要的影响因素，但是有 机负荷的不同对于好氧颗粒污泥的外形等物理性质能够产生不同的影响，在l i u 等【1 3 】的试验中，系统的有机负荷从3 0 0 0 m g l 增加至9 0 0 0 m g l ，好氧颗粒污泥 的粒径随之从1 6 r a m 增长至1 9 r a m ，这个结果与厌氧颗粒污泥培养的规律较为 相似。l i u p g 等又发现高有机负荷虽然能够使得好氧颗粒污泥系统中的细菌增长 较快，但是对颗粒的强度则会产生相反的影响。城市污水处理厂的进水有机负 荷往往较低，如何在低负荷状态下培养好氧颗粒污泥目前研究还较少，需要进 一步进行研究。 1 3 1 5 水流剪切力对形成好氧颗粒污泥培养的影响 s h i n 等人【4 0 j 的试验中证实在高剪切力的条件下，系统更容易生成厌氧颗粒 污泥。好氧颗粒污泥培养的系统中，水流剪切力主要由曝气量提供，t a y 等人 研究认为s b r 系统中曝气产生的表面气速大于o 0 1 2 m s 4 1 , 4 2 时，才能培养出好 氧颗粒污泥，表面气速达到0 0 1 4 0 0 2 m s 时，形成的好氧颗粒污泥不够稳定w ， 表面气速越大，好氧颗粒污泥结构越稳定。d u l e k g u r g e n l 4 训的研究中则认为曝气 产生的表面气速达到0 0 0 8 7 m s 时反应器可以生成好氧颗粒污泥。北京大学倪 晋仁】的试验中，表面气速在0 0 0 4 7 m s 0 0 0 5 6 m s 的范围内即培养出了好氧颗 粒污泥。绝大部分的研究者认为水力剪切力以及曝气量是生成好氧颗粒污泥非 常重要的因素，因此，可以考虑在避免过低的沉淀时间导致污泥流失的同时， 利用曝气量来培养好氧颗粒污泥。 1 3 1 6 反应器的形态对好氧颗粒污泥培养的影响 在以往的好氧颗粒污泥培养研究中，试验所用的反应器通常都采用升流式， 而b e u n 1 0 j 等人的试验中认为反应器的形态对于污泥和水体的流态会产生一定 的影响。升流式反应器和完全混合式反应器在对细菌与细菌之间，细菌和物质 之间产生的作用完全不同，升流式反应器会使得反应器内部的液体形成较为均 匀的环形流，而环形流施加在污泥聚集体上的力使其反应器的高径比( i - i d ) 越高，环形流越明显。高景峰【4 5 】等人研究中三种不同高径比的反应器均培养获 得了好氧颗粒污泥，而高高径比的反应器形成颗粒的时间最短。因此，高径比 在好氧颗粒污泥培养的过程中起到非常重要的作用。s b r 反应器的高高径比不 仅更利于好氧颗粒污泥的培养，并且一旦运用于实际操作，高高径比能够节省 占地面积，使得反应器经济性程度增加。 第1 章绪论 1 3 2 好氧颗粒污泥形成机理的研究 好氧颗粒污泥是由大量的细菌以及细菌之间的物质相互作用而形成的，在 上面讨论的对好氧颗粒污泥的培养产生较大影响的条件主要有沉降时间、水流 剪切力、反应器高径比等，而碳源则会对好氧颗粒污泥的菌种和形态产生影响。 1 3 2 1 形成机理的探讨 根据厌氧颗粒污泥的研究得到，在细菌团聚物中，细菌和细菌之间的胞外 多聚物( e s p ) ，主要为蛋白质等物质，对于团聚物的形成起到非常重要的作用 【伯 47 1 。好氧颗粒污泥的形成过程可以看作是一个微生物与微生物之间通过胞外 多聚物相互连接，相互作用，共同聚集的过程，并且不需要依靠任何载体就可 以完成。 2 0 0 2 年l i u 和t a y 掣1 7 j 提出了好氧颗粒污泥形成的假说，把形成过程分成 4 个部分： 第一部分：微生物与微生物之间受水流的作用、扩散作用、重力作用或热 力学作用而互相接触，开始团聚； 第二部分：微生物与微生物之间受到物理作用( 范德华力，相反电荷，热 力学作用) ，化学作用( 离子对，三重离子配对以及颗粒内部的连接作用) 或 生物化学作用( 细胞膜融合，细胞受体的互相吸引，细胞表面的脱水作用) 等 作用的影响而相互吸引，形成聚集体的。 第三部分：成簇的细菌和分泌的e p s 相互之间的作用而聚集。 第四部分：好氧颗粒污泥通过水力剪切力来维持空间结构。 其中第三和第四部分为形成好氧颗粒污泥的关键。 沉淀时间是影响好氧颗粒污泥形成的重要因素，以生物进化理论作为依据， 沉降时间的长短直接影响了作用在污泥上的水力选择压的大小，不适应这个选 择压的细菌被淘汰出系统，能够适应的细菌则保留下来，并且进一步演化，分 泌出更多的e p s ，团聚成好氧颗粒污泥，以达到更快的沉降速度，而避免被排 出s b r 反应器以外。 污泥的饥饿状态也被认为是好氧颗粒污泥形成过程中起到重要作用的因 素。s b r 反应器的一个周期包括进水、曝气、沉淀和出水几个阶段，其中曝气 阶段为整个周期的最重要阶段。t a y 1 8 ，2 3 】等人的研究认为好氧阶段也可以分为 两个部分，即好氧颗粒污泥对物质的降解阶段和好氧颗粒污泥的饥饿阶段，在 饥饿的条件下，细菌的疏水性增加。b o s s i e r 和v e r s t r a e t e h 8 l 在1 9 9 6 年的研究报 告中指出：饥饿条件下，细菌疏水性的增加有助于细菌之间的粘附和聚集，因 此，曝气阶段中的饥饿阶段是好氧颗粒污泥形成的重要阶段。 北京工业大学工学硕士学位论文 曝气产生的较大的水