（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥对氮磷的去除效率研究.pdf

缝堡生_ j l 咖1 1 l l o l l l l 0 吣ll l l l m l l l 哪1 1 1 1 1 1 1 1 111|：itillilllliiittli1llii 。_ _ _ - _ _ _ - - _ - - _ - - - - - _ - _ - - _ _ _ _ - _ - - - _ 。_ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ - - 一 l l i i l - i i i i | 1 1 1 - i | 1 - i - i | l i 1 1 - l i y 2 118 15 1 论文题目：好氧颗粒污泥对氮磷的去除效率研究 学科名称：环境工程 研究生：白凯 指导教师：刘玉玲教授 签名：业 签名：蠲丛丛 摘要 随着社会发展，污水处理行业中对脱氮除磷有了更加严格的要求。目前主流 脱氮除磷工艺是以活性污泥为基础，控制构筑物中溶解氧含量，形成好氧厌氧 环境，最终达到脱氮除磷的功效。好氧颗粒污泥是近几十年发展的污水处理新技 术。与活性污泥相比，好氧颗粒污泥自身存在好氧厌氧环境，同时还有更好的 沉降性能。 本次研究在自制的s b r 反应器中，培养好氧颗粒污泥。实验接种污泥为西 安市某污水处理厂氧化沟中的活性污泥，进水为人工配置。本文研究成果主要有： 1 控制表面上升气流速度1 5 2 0 c m s 之间，p h 值在7 7 5 之间，d o 为 3 m g l 左右，水力停留时问为1 6 h ，温度在3 0 左右等外界条件，通过4 5 天左 右的培训，成功培养出成熟的好氧颗粒污泥。 2 好氧颗粒污泥具有密实而规则的结构，其结构特征主要为外层好氧、中 问层缺氧以及内部厌氧；好氧颗粒物污泥中含有丰富的微生物相，同时对废水 中污染物质有很好的去除效果。 3 分别当温度为3 0 、c o d 负荷为7 1 、氨氮负荷为0 1 1 3 、t p 负荷为 0 0 4 9 、p h 值控制在7 5 8 左右的时候，好氧颗粒污泥对污水中污染物质的去除 效果达到最佳。 4 从能耗与效率分析，成熟好氧颗粒污泥曝气时间控制在9 0 分钟左右脱氮 效果最佳。 关键词：好氧颗粒污泥，脱氮除磷，生物相，结构特性，去除率 a b s t r a c t t i t l e ：t h er e t e n t i o ne f f i c i e n c ys t u d yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw i t h a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e m a j o r ：e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g n a m e ：k a ib a ls i g n a t u r e ：白：匦： s u p e r v i s o r ：p r 0 ly u - l i n gl i u s i g n a t u r e ：屿 a b s t r a c t zi 改 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，t h e r ea r em o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t sf o rt h e r e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si ni n d u s t r ys e w a g e t h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g y o fn i t r o g e na n dp h o s p h o i u sr e m o v a li sb a s e d0 1 3a c t i v a t e ds l u d g e ，c o n t r o ld i s s o l v e d o x y g e ni ns t r u c t u r e s ，t op r o d u c ta e r o b i c a n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，u l t i m a t e l y t o a c h i e v et h el e v e lo 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 t h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei s t h ed e v e l o p m e n to fs e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g i e si nr e c e n td e c a d e s c o m p a r e dw i t h a c t i v a t e ds l u d g e 。a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e i se x i s t e n c eo fa e r o b i c | a n a e r o b i c e n v i r o n m e n t ，a sw e l la sm o r ee f f i c i e n ts e t t l e m e n tp e r f o r m a n c e i nl a b o r a t o r y ，w ec u l t i v a t ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew i t hh o m e m a d es b rr e a c t o r e x p e r i m e n t a li n o c u l a t i o ns l u d g ei s ah ig h a c t i v i t ya c t i v a t e ds l u d g eo fas e w a g e t r e a t m e n tp l a n to x i d a t i o nd i t c hi nx i a n w a t e rf o rm a n u a lc o n f i g u r a t i o n ，s i m u l a t e d d o m e s t i cs e w a g e t h eu l t i m a t eg o a lo ft h ee x p e r i m e n t a li st op r o v i d ea ne f f e c t iv e t h e o r e t i c a lb a s i sf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ee x p e r i m e n t a lf i n d i n g sa r e ： 1 u n d e r c o n t r o l l i n g t h e s p e e d o ft h es u r f a c e u p d r a f t b e t w e e n 1 5 2 0c t t l $ ，p hv a l u eb e t w e e n7a n d7 5 ，d oa ta b o u t3m g l ， h y a r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f16h , t e m p e r a t u r ea ta b o u t3 0 a n do t h e r e x t e r n a lc o n d i t i o n s ，w ec o u l dc u l t u r e dm a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e s u c c e s f u l l yt h r o u g h4 5 d a y so ft r a i n i n g 2 a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a sad e n s ea n dr e g u l a rs t r u c t u r e ，t h em a i n s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa r et h eo u t e r1 a y e ro fa e r o b i c ，i n t e r m e d i a t el a y e r h y p o x i aa n di n t e r n a la n a e r o b i c t h ea e r o b i cs l u d g ep a r t i c l e sc o n t a i nr i c h m i c r o b i a lp h a s e ，w h i c hc a nr e m o v a lt h ep o l l u t a n t si nw a s t e w a t e rw e l l 3 i fy o uw a n tt om a k et h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e i nw a s t e w a t e rp o l l u t a n t st oa c h i e v et h eb e s te f f e c t ，y o um u s tm a k es u r e t h a tt h et e m p e r a t u r eo f3 0 ，t h ec o dl o a do f7 1 ，a m m o n i an i t r o g e n l o a do f0 1 13 ，t h et pl o a do f0 0 4 9 ，t h ep hv a l u ew h i c hw a sc o n t r o l l e da t a b o u t7 5t o8 4 w i t ht h ea n a l y i so ft h ee n e r g ya n de f f i c i e n c y ，t h en i t r o g e nr e m o v a le f f e c t i sb e s tw h e nt h em a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea e r a t i o nt i m ew a s 西安理i = 人学硕士学位论文 e o n t r o l l e da ta b o u t9 0m i n u t e s 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 ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，m i c r o b i a l m o r p h o l o g y ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，s t r a i n a w a yr a t e 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 水环境现状 2 0 世纪6 0 年代以来，世界上的水体污染已经达到了极为严重的程度。据统计，全世 界每年至少有4 2 0 0 x 1 0 8 m 3 以上的工业废水排入水体，致使l 3 的淡水受到不同程度的污 染。美国每年排放工业废水达1 5 0 0 x 1 0 8 m 3 ，全国5 2 条主要河流和五大湖都遭受了污染， 有的成为“臭河”，有的成为“死湖”。同本全国4 7 条主要河流已有2 3 条受到了严重污染， 第一大湖琵琶湖沿岸的5 0 0 多家工厂的废水竞使蓄水量2 7 5 x 1 0 8 m 3 的湖的湖水有时变绿， 有时变红，有时发臭【1 1 。加之同本近海地区特别严重的污染，使同本列岛真正成为了“公 害列岛”。i j f 苏联废水的年排放量超过1 0 0 0 x 1 0 8 m 3 ，每年饮水污染造成的经济损失高达6 6 亿美元之多。占世界淡水储量l 5 的贝加尔湖，最深处1 5 0 0 米，也受到了污染2 。黑海、 里海由于受到沿岸石油工厂工业废水的污染而成了名副其实的“黑海”3 1 。 我国以水体富营养化为标志的水体污染状况同益严重，湖泊富营养化比例从2 0 世纪 8 0 年代后期的4 1 上升到9 0 年代后期的7 7 ，这主要是由于过量的氮磷等营养物质进入 水体所致川。中国存在着较重的地表水污染，比较突出的是湖泊水体富营养化，七大水 系以及近海岸的浅水区也有着轻度污染【5 1 。 2 0 0 9 年，全国废水总排放量为5 8 9 2 亿吨，同比增长3 个百分点：c o d 总排放量为 1 2 7 7 5 力吨，同比下降3 3 个百分点；n h ，一n 总排放量为1 2 2 6 万吨，同比下降3 5 个 百分点1 6 1 。 我国长期以来的低用水率，不仅浪费大量有限的水资源，同时也造成了有限水资源的 严重污染，使我国优质水资源同趋短缺和锐减，严重影响人们生活的质量和身体健康【6 】。 水体营养化的危害很大，可破坏水体的自然生态平衡，导致一系列影响深渊的恶剁7 1 。 水体富营养化不仅在给渔业生产等方面造成经济上的损失，而且危害人类健康。在富营养 化水体中会过渡繁殖各种藻类，使得藻类成为水体中的优势种群，同时藻类分布在水体表 面，因而水体复氧受到严重影响，最终使得水体呈现缺氧状态。在此状态下的水体会逐渐 发黑、发臭，最终使得水体感官大大下降；在富营养化湖泊表层，藻类可以获得充足的阳 光，并从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用，由于表层有密集的藻类，使得阳光难 以进入湖泊深层，所以严重的限制了深层水体的光合作用，因而溶解氧的来源也就随之减 少，另外，死亡藻类不断地向湖底沉积并腐烂分解，这也会消耗深层水体中大量溶解氧， 严重时使深层水体呈厌氧状态，这种情况就会导致富营养水体的恶性循环；营养化对水质 的另一个影响是许多藻类能够分泌释放有毒有害物质：富营养化会严重破坏水体的生念平 衡。 以上资料显示，我国不断加大了水资源保护力度同时取得部分成果，尤其是七大水系 两安理i j 大学硕士学位论文 水质的持续改善，但随着人们生活水平的提高以及工业的发展，污水排放量、污染程度同 样也在增加。湖泊富营养化、海水赤潮等现象严重，因此研究发展污水净化脱氮除磷对今 后改善水质有着重大意义。 1 1 2 水污染控制技术 由于上述水体污染状况以及改善水质的意义，人们开始不断尝试各种方法使得废水中 的污染物质被分离出来，或者将其转化成无害的物质。目前处理废水的方法主要有：物理 法、化学法、生物法以及它们的复合工艺【引。废水处理技术发展到现在已经有1 0 0 多年的 发展历史。伴随着社会的发展，人们的生活水平也越来越高，污水中的污染物质种类也朝 着多元化发展、污水排放总量也在逐年递增。社会发展要求必须有严格的污水排放标准， 因此，污水处理技术也在迅猛发展。但由于各种技术的局限性和废水中污染物的差别性， 导致各种处理工艺都有一定的缺陷。 本文仅以氮、磷污染物的去除进行研究。影响氮、磷去除效果的主要构筑物为二级处 理( 生物处理) 过程的各个因素。目前主要的废水生物处理技术有：好氧处理系统、厌氧 处理系统等。 ( 1 ) 好氧处理技术 活性污泥法是目自订应用最广泛的一种生物技术。它是将空气连续鼓入含有大量溶解 性有机物的废水中，经过一定时间后，水中即形成生物絮凝体一活性污泥，在活性污泥上 栖息、生活着大量的微生物，这种微生物以溶解性有机物为食物，获取能量，并不断增长 繁殖，从而使废水得到净化。目前应用活性污泥的主要工艺有：普通活性污泥法、渐减曝 气法系统和逐步曝气法、完全混合活性污泥法、接触稳定活性污泥法以及延迟曝气活性污 泥法等【9 1 。 氧化沟是在活性污泥法的基础上发展起来的。控制水力停留时间为1 0 2 4 h ，污泥龄 为2 0 3 0 d ，采用延时曝气，根据不同的进出水位置等因素，最终完成硝化反硝化过程【l0 1 。 氧化沟系统的类型较多，按其构造和运行特点，当l j 比较常用的氧化沟系统可以分为以下 几种类型：o r b a l 氧化沟、c a r r o u s e l 氧化沟、v r 型氧化沟、d e 型氧化沟和r 型氧化沟 竺 寸o a b 活性污泥法是吸附一生物降解工艺的简称。通常a b 法也具有脱氮除磷的净化功 能，其总磷去除率约为5 0 - 7 0 ，总氮的去除率约为3 0 * , , - - 4 0 。随着对城市废水及工业 废水出水水质要求的提高，其出水水质已不能满足排放标准规定的要求，即不能满足对水 体富营养化控制所规定的水质要求。因此需要出现了a b 法的改进工艺：a b 法的a 段加 上a o 系统( 缺氧好氧系统) 的b 段组成了具有硝化反硝化功能的a b 法，即在a 段后， 将b 段改为设有前置反硝化过程的生物脱氮工艺；a b 法中的a 段中微生物大量增值， 增加了对磷的吸收，此外，由于聚磷菌的存在，对磷进行吸收，这时溶解氧对聚磷菌的吸 2 绪论 收具有显著影响，将b 段改成a o 系统，组成具有较强除磷功能的a b 法工艺，即将b 段改成a o 系统后，能使污泥中的含磷量显著增加，除磷效果可提高到7 0 8 0 ：将a b 法工艺中的b 段设为a 2 o 即厌氧缺氧好氧复合系统工艺，连同a 段，即构成具有同时 脱氮除磷功能的a b 法工艺。 序批式活性污泥法，简称s b r 。在s b r 反应器中曝气池和沉淀池合二为一，废水分 批次进入反应器，然后按照顺序进行反应、沉淀、排出上清液和闲置过程，进而完成一个 运行周期。通过对s b r 系统循环周期中诸多工序的运行程序的适当改变和组合，就能实 现生物脱氮除磷功能。进水过程中进行搅拌，在厌氧条件下，聚磷菌释放磷，d o 维持在 小于0 2 m g l ：曝气过程中，在好氧条件下，对碳有机物进行好氧生物氧化过程，与此同 时n h ，一n 和有机氮在硝化细菌的作用下，进行着硝化作用、聚磷菌在好氧条件下迅速且 大量的吸收污水中磷，在这个过程中d o 维持在大于2 m g l ，h r t 一般大于4 h1 9 】；在沉 淀过程中主要是反硝化细菌进行反硝化反应，从而达到去除 ，的目的。 传统的s b r 工艺形式在工程应用中存在一定的局限性。首先是进水流量较大的情况 下，对反应系统需要进行调整，但这样相应会加大投资；对脱氮除磷有严格要求时，需要 对s b r 工艺进行适当的调整。因而在工程应用中，逐渐发展形成了各种新型的s b r 工艺。 目前s b r 变型工艺主要有：间歇式延时曝气活性污泥法( i c e a s ) 工艺、循环式活性污 泥法( c a s s ) 工艺、一体化活性污泥法( u n i t a n k ) 工艺、l u c a s 工艺、改良型序批 式生物反应( m s b r ) 工艺、交替式内循环活性污泥( a i c s ) 工艺等【。 o c o 工艺是一种新颖构造的活性污泥工艺技术，o c o 池被分为三个区。废水经预 处理后直接进入o c o 池的厌氧区( 整个工艺流程不设初沉池，节省了基建费用和土地面 积) ，而后废水进入缺氧区与好氧区，在这些区内分别对b o d 5 、c o d 、n 、p 等污染进 行生物降解，最后废水进入终沉池进行固液分离后外排，整个工业流程十分简单紧凑，处 理工艺流程如图1 1 所示。o c o 曝气池内分为紧密关联的三个区，均设置有浸没式搅拌 器，促使水流水平向流动，最外圈的那个区内设有空气扩散装置，对废水进行曝气充氧。 进水格栅沉砂池出水 图! - 1o c ojl ：艺处理污水流科 f i g1 1t h eb a s a lr u n n i n gc h a r ta b o u to c op r o c e s s 废水连续流经固体填料( 碎石、塑料填料等) ，在填料上就会生成污泥状的生物膜，生物 膜繁殖着大量单位微生物，起到与活性污泥同样的净化效果。生物膜法有多种处理构筑物， 3 西安理j ：人学硕十学位论文 其中有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化和生物流化床等。 生物滤池一般由五部分组成：填料床、池壁、布水投配系统、排水系统和空气通风系 统。填料床提供微生物附着生长所需表面。介质可以是砾石、木板条和新型滤池采用的各 种类型和形状的合成塑料填料。在生物滤池内部主要以好氧反应为主，但是在一些特定的 条件下比如生物膜厚度过大使得氧气无法到达膜内层，在这种情况下出现缺氧或者厌氧的 情况，反硝化细菌就回在这种环境下发生反硝化反应，但是由于其发生条件比较困难，所 以这种反应的强度一般不会很剧烈【1 2 - i3 l 。 滤床的上部主要去除有机物，也有硝化反应，但水平很低，硝化反应主要发生在底部， 产生硝酸盐。当滤池有回流时，滤床上部才会发生反硝化反应。生物滤池法系统基本上由 初沉池、生物滤池，二次沉淀池组合而成，其组成形式有单级运行和多级运行系统。目前 多采用塔式生物滤池，其特点有：水力负荷和有机物负荷都很高：淋水均匀、通风良好、 废水和生物膜接触时间长；生物膜的生长、脱落和更新快。 生物转盘是一种利用许多等间距组装的旋转圆盘片，固着生长生物膜与废水接触，进 行有机物的去除，达到废水净化的目的。盘片的上半部分敝露在空气中，而下半部分则浸 没在水槽中。当盘片转动时，盘片上的生物膜就不段与水槽中的废水接触，吸收、消耗溶 解氧。这样，盘片上的生物膜的个部分就不断交替和废水、空气接触，使有机物的吸附、 稳定过程不断进行。其工艺特点主要有：所用的机械设备简单，维护管理方便；工艺不复 杂，同常操作工作量少：对能耗要求需求低，只需要转动转盘：它在制造上已标准化，设 计、施工均较为方便：对水质及负荷较为敏感，对于负荷和运行条件的变化，在运行调节 上的灵活性较少；占地面积大，转盘上的生物膜易被冲刷，需要加以保护。 生物接触氧化法是一种介于活性污泥与生物滤池之f b j 的生物膜法。在池中填装各种挂 膜介质，全部滤料浸没在废水中，在滤料支撑下部设置曝气管，用压缩空气鼓泡充氧，废 水中的有机物被吸附于滤料表面的生物膜上，被微生物分解氧化。其特点为：有较高的微 生物浓度和丰富的生物相，除了固定滤料表面的固定化微生物外，在滤料孑l 隙之问有悬浮 生长的微生物：具有较高的氧气利用率；具有较强耐冲击负荷能力；剩余污泥量少，没有 污泥膨胀现象，比较容易去除难分解或分解速度慢的物质：滤料问水流较慢，接触时间长， 水力冲刷力小，生物膜只能自动脱落；剩余污泥往往恶化处理水质：动力费用高等。 生物流化床是以砂、焦炭、活性炭等颗粒填料为载体，载体表面附着生物膜。充氧废 水自下而上以一定速率流动，使载体处于流化状态，生物膜与废水充分接触，并降解废水 中的有机物。其特点有：固体载体的颗粒十分细小，可以提供巨大的比表面积为微生物附 着生长，使反应器内维持很高的生物量；传质性能良好：三相的剧烈翻转，促使生物膜的 形成、生长、成熟与脱落过程加剧，致使膜活性强、更新快；不足之处是，能耗较高，反 应器内部易出现分层以及技术要求较高等。目前生物流化床的主要工艺有空气流化床工 艺、纯氧流化床工艺、三相流化床工艺和厌氧兼性流化床工艺。 ( 2 ) 厌氧处理技术 4 绪论 在缺氧或者厌氧条件下，以兼性厌氧菌以及专性厌氧菌为主的微生物经过自身生化反 应，对污水中有机物进行分解和吸收，这就是通常情况下所阐述的厌氧生物处理。以下是 对部分主要厌氧处理技术的分析以及说明。 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 中，废水由池底进入反应器，通过反应区经气体分离后 混合液进入沉淀区进行固液分离。澄清后处理过的水由出水渠排出，沉淀下来的微生物固 体，即厌氧污泥靠重力自动返回到反应区，集气室收集的沼气由沼气管排出反应器。u a s b 反应器内部不设搅拌装置，上升的水流和产生的沼气可以满足搅拌要求，反应器内不需要 填料，构造简单，易于操作运行，便于维护管理。需要注意的是u a s b 反应器处理废水 一般不加热，充分利用废水本身的水温，可在常温下运行，以降低运行成本，但反应器必 须有一定的保温措施；在寒冷地区，为了达到一定的反应温度，必须进行加热，同时必须 保温【4 1 。 厌氧生物转盘是近年来研究的一种新型厌氧生物膜法，其优势主要有：厌氧生物转 盘主要用于处理高浓度有机污水：反硝化脱氮和除磷；硫酸盐的还原脱硫等。厌氧生物 转盘还可以用于处理含悬浮物固体浓度较高的污水，并能承受较高的有机物负荷。无需 提升污泥和处理水回流，因而节能，便于操作。转盘转动时作用在生物膜上的剪切力使 老化的生物膜不断脱落，因而生物膜可以保持较高的生物活性。可采用多级串联的运行 方式。 折流式厌氧反应器( a b r ) 内设置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室， 水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床，进水中的底物与微生物充 分接触，从而达到污染物降解的功能。虽然在结构上a b r 可以看作是多个u a s b 的简单 串联，但工艺上与单个u a s b 还是有显著不同，u a s b 可以近似的看作是一种完全混合 反应器，而a b r 则是更接近于推流式反应器。a b r 的推流式特点可确保系统拥有更优的 出水水质，同时反应器的运行也更加稳定，对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的 缓冲作用【1 5 】。但是，a b r 与u a s b 相比，在同等总负荷的条件下，a b r 第一格不得不承 受远大于平均负荷的局部负荷。 厌氧条件下，在反应器内部填充上各种填料，其填料作为微生物的载体为微生物提供 生存环境，利用微生物的生化反应对污水进行生物处理的方法，称为厌氧生物滤池法。污 水经过填料后其中的污染物质被微生物分解。在发生生化反应的同时会产生大量沼气，而 这些沼气经过收集装置后，可以作为能源被从新利用。反应器的进水方式主要有上部进水、 下部进水。特殊的进水方式使得反应器内微生物分布有着明显的分层结构，这种分层结构 使得反应器对污水有很着很强的耐冲击能力。在此值得说明的是厌氧生物滤池对特殊种类 的污水有着很好的去除功能【i6 1 。 1 1 3 问题的提出 在好氧处理技术当中，微生物菌落附着在絮状的污泥上，虽然絮状污泥有较大的比表 5 曲安理i ：人学硕士学位论文 面积，但是由于本身结构松散导致容易发生污泥膨胀，进而使得处理效果变差、出水水质 不能达到排放标准。好氧生物膜上微生物附着于各种填料，在废水处理的过程中始终要保 护生物膜的性能，以保证较高的去除效果，同时在生物膜处理过程当中还要承担相当大的 运行费用。厌氧处理工艺中，u a s b 反应器的运行稳定、处理效率高，经过进一步研究发 现：反应器中出现了具有优良沉淀性能和很高产甲烷活性的厌氧颗粒污泥。其特点有：污 泥颗粒化可以提高其沉淀性能，防止污泥流失，是反应器中有很高的污泥浓度的保证：颗 粒污泥能长期停留在反应器中，具有很长的s r t ，因此可以缩短h r t ，进而提高污水的 处理效率；厌氧颗粒污泥中主要包含产酸菌、产甲烷菌以及水解发酵菌，这些微生物生存 在厌氧颗粒污泥中且处于不同的位置，因此使得厌氧颗粒污泥有着一定的耐冲击能力；厌 氧颗粒污泥中各种不同的厌氧细菌通过一定作用可以构成一种稳定的生态系统。 由于好氧活性污泥的种种不足以及厌氧颗粒污泥的各种优点，使得人们不断尝试- ，是 否可以培养出好氧颗粒污泥。通过探讨厌氧颗粒污泥的形成条件，研究各种边界条件，不 断改变污泥负荷、水力剪切作用、p h 、温度等因素，以寻求培养好氧颗粒污泥的控制因 素和方法。因此，好氧颗粒污泥的研究对今后废水处理技术有着不可忽视的意义，值得深 入研究。 1 2 好氧颗粒污泥研究进展 8 0 年代以后随着氮磷污染问题的同趋尖锐化以及公众环境意识的加强，越来越多的 国家和地区制定了相当严格的污水氮磷排放标准。尤其是最近2 0 - - 3 0 年问氮磷的排放标 准越来越严格，允许排放的数量和浓度也越来越低【l7 1 。废水的除氮脱磷技术已经成为废 水处理领域罩研究开发和应用的热点。 不同的环境、基质可能出现不同的微生物，而这些微生物的生化特性决定着它们之问 的竞争、茅盾关系。以传统工艺为例：硝化细菌有着比较长的世代周期，而在除磷过程中 污泥中磷含量的决定因素又是污泥龄：在生物脱氮除磷过程中，反硝化细菌、聚磷菌对碳 源有着很大的竞争关系，在厌氧条件下反硝化反应对碳源的吸收优先于聚磷菌放磷过程， 从而使得聚磷菌释磷的过程受到抑制；在好氧条件下，存在过量碳源的情况下，异养细菌 会大量繁殖，使得水体中d o 含量下降，最终影响硝化反应速度；污泥回流的过程中，难 免会使得部分d o 进入厌氧环境，聚磷菌释磷又需要严格的厌氧环境，同时回流污泥还会 附带一定含量的n 0 3 一n ，这也会使得聚磷菌释磷受到一定的阻碍等。 好氧颗粒污泥属于微生物的自固定化技术，主要是细胞之问的相互作用。它们是由无 数不同的细菌形成的微生物聚合体，同传统的絮状污泥相比，好氧颗粒污泥有规则的外形、 结构密实以及优良的沉淀能力。好氧颗粒污泥本身结构满足好氧缺氧厌氧环境，同时， 好氧颗粒污泥有很高的生物活性，同时使得反应器中有较高的生物浓度，因此对提高反应 器处理能力，改善水质，实现脱氮除磷，奠定了孥实的基础。 6 绪论 1 2 1 国内外研究进展 同活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有很大的优势，比如具有结实而紧凑的结构、光 滑规则的外观、较高的污泥浓度以及很好的污泥沉淀性能等。早在1 9 9 1 年，m i s h i m a 1 8 】 等学者就利用升流式好氧污泥床反应器，以纯氧曝气、底部进水，成功培养出粒径为 2 - 8 m m 的好氧颗粒污泥，然而由于反应过程中要求纯氧曝气，因此在后来的研究中没有 进一步发展。p c n g 1 9 】等人以添加了醋酸钠的城市污水作为进水。在s b r 反应器中对好氧 颗粒污泥进行了培养，培养过程中溶解氧控制在0 7 1 0 m g l ，成功培养出好氧颗粒污泥 之后，通过显微镜观察可以发现：颗粒污泥形状近似球形、粒径在0 3 - - o 5 m m 之间同时 颗粒轮廓清晰。d ek r e u k i 2 0 】等以絮状污泥为接种污泥，直接以城市生活污水为进水，在 s b a r 反应器中对其进行驯化培养。实验表明：在低有机负荷( 1 0 k g ( m 3 摩d ) ) 的情况下， 反应器中没有形成好氧颗粒污泥；缩短运行周期、同时提高有机负倚( 1 5 k ( m 3 幸d ) ) 的 情况下，经过2 0 天的培养，反应器中出现平均直径1 1 m m 的颗粒污泥。与人工酉己水形成 的好氧颗粒污泥相比较，该颗粒表面含有大量丝状菌且形状各异。迟寒【2 i 】等以乙酸钠和 蔗糖为有机碳源，同时不断增加进水中城市尘活污水所占比例，最终培养出m l s s 维持 在2 0 0 0 - - 3 5 0 0 m g l ，s v i 为3 5 5 0 m l g 的颗粒状活性污泥。李军【2 2 】等筛选出城市污水处 理厂曝气池中的好氧颗粒污泥并对其进行分析，分析表面这些好氧颗粒污泥直径约为 0 2 0 8 r a m ，占污泥总量的0 1 0 5 ，沉淀速度为l o , - 4 2 m h ，比耗氧速率( s o u r ) 为 1 4 2 1 8 9 m g ( g ) ，挥发性物质占总固体的量与活性污泥基本相1 以。王芳等2 3 1 对好氧颗 粒污泥的特性进行了相关研究，实验中主要以乙酸钠、蔗糖作为碳源，观察不同碳源对好 氧颗粒污泥的形成的影响，最终结果表明：经过长时丑j 培养以乙酸钠为碳源的反应器中出 现了表面比较光滑的好氧颗粒污泥；而以蔗糖为碳源的反应器中相当较快的出现了好氧颗 粒污泥，但颗粒污泥表面附着有大量丝状菌。结果表明，两种不同的碳源都可以成功培养 出好氧颗粒污泥，但颗粒污泥的表面会出现不同的物理结构。t a y 和l v a n o v1 2 4 等研究发 现要想使好氧颗粒污泥中含有较多的好氧微生物，其粒径不应大于1 6 0 0 脚愀，相当于从好 氧颗粒表面到内部厌氧层距离的两倍。e t t e r e r 2 等控制c o d 负荷为3 6 k g c o d m 3 ，利用 交替的好氧和厌氧环境，成功培养出好氧颗粒污泥，其平均粒径为3 o n l m 。t a y1 2 6 1 在实 验过程中控制上升流速分别为0 3 c m s 、1 2 c m s 、2 4 c m s 在3 个s b r 反应器中培养好 氧颗粒污泥，经过一段时洲的培养在2 、3 号反应器中出现了好氧颗粒污泥，而l 号反应 器中没有形成好氧颗粒污泥：同时发现，好氧颗粒污泥中细胞多糖含量会e 匕普通絮状污泥 高3 倍左右。b e u n 2 等控制c o d 负荷为2 5 k g c o d m 3 ，在s b a r 反应器中经过一段时 间成功培养出好氧颗粒污泥，污泥平均粒径为2 5 r a m ，分析其原因主要为颗粒粒径增大 沉淀速度变大，最好选择出稳定的好氧颗粒污泥。 好氧颗粒污泥与污泥絮体有着截然不同的结构。好氧颗粒污泥为层状结构，颗粒表 面为好氧区，内部为缺氧区和厌氧区。以目前主要运行的污水处理工艺为对j 照，缺氧好 氧环境满足了对氮、磷等污染物的去除。卢然超等2 通过s b r 反应器，在实验室条件下 7 西安理i ：人学硕- ：学位论文 以模拟生活污水为进水，对好氧颗粒污泥的形成过程以及去磷效果进行了研究，实验表明： 当进水c o d z 7 v 值为2 6 4 4 、c o d t p 值为5 8 2 5 时，控制反应器温度在2 2 以及污泥龄 为l o d 的条件- f 可以很好的形成好氧颗粒污泥，同时颗粒污泥对磷也有着很好去除效果。 白晓慧眨帅在实验中控制h r t 、d o 等条件，培养出好氧颗粒污泥，其颗粒污泥具有很好 的沉淀性台邑，在彳艮大程度上改善了曝气池的处理效率，同时曝气池中还可以实现同步硝化 反硝化过程，在文章中还对好氧颗粒污泥的形成过程、微生物相以及硝化反硝化的实现进 行了分析、探讨。对实现同步硝化反硝化的途径、颗粒污泥的培养方法及构成颗粒污泥的 微生物进行了阐述。阮文权等乃伽研究发现当反应液中氨氮浓度为2 0 1 m g l 时，6 h 反应 周期内氨完全被氧化，出水中检测不到n 0 2 _ n ，残留的n 0 3 n 仅为2 m g l ，可见硝化 和反石肖化两个过程完成了脱氮反应，颗粒污泥中存在硝化细菌和反硝化细菌。安鹏等3 研究发现好氧颗粒污泥的粒径大小对反硝化有较大影响。“u 3 2 等研究发现，在n c 比 含量高的情况下培养出来的好氧颗粒污泥内部呈现蘑菇状的微观结构，分析其原因，可能 是生长速率缓慢的面肖化菌对营养物质的需求进而演变出的一种结果。高景峰 等以具有 良好石肖化功能的絮状污泥为接种污泥，分别利用s b r 和s b a r 反应器处理生活污水，控 制表面气速以及不断缩短沉淀时问，实验稳定后s b r 和s b a r 系统中的全程硝化均转化 为短程石肖化，出水n 0 2 n o 。- 均维持在9 8 7 和8 5 6 ，氨氮的降解速率提高2 - 4 倍。杨 麒等3 4 采用人_ - k 配伟i j 的模拟生活污水，通过对运行条件的调控，在序批式反应器( s b r ) 中培养出了高活性的好氧颗粒污泥，反应器对于c o d 、n h 3 - n 的去除率分别在8 3 ，6 9 2 8 和8 2 3 - - - 9 8 5 之问。试验结果表明：由于好氧颗粒污泥的存在，s b r 反应器内 发生了同步石肖化反石肖化( s n d ) 反应，而不是通常所认为的顺序式硝化反硝化( s q n d ) 反应。 黄玉【3 5 l 等研究发现好氧颗粒污泥具有良好的同步硝化反硝化和去除c o d 的功能，控制反 应器中m l s s 为7 8 9 l ，进水c o d 浓度控制在8 0 0 - - 2 2 0 0 m s l 。氨氦浓度控制在5 5 1 5 0 m l ，实验表面好氧颗粒污泥对c o d 、氨氮的去除率分别达到了9 6 、8 5 左右。m o s q u e r a c o r r a l 等3 6 j 研究发现，当反应器中颗粒污泥含量保持在6 8 以上时，反应系统对有机物 有稳定的去除效率，同时伴随的稳定的脱氮除磷效果。苟莎等乃”利用异养硝化菌接种成 功培养出好氧颗粒污泥，实验表面有机负荷、曝气量、沉降时自j 以及进水水质都对颗粒的 培养起着关键作用。在一定负荷条件下，颗粒污泥对t n 的玄除率可以达到8 5 左右，对 氨氮的去除率达至u9 9 以上，对c o d 的去除率稳定在9 7 以上。l i u 3 s 】等以模拟废水培 养成功的好氧颗粒污泥为接种泥，在s b r 反应器中对低浓度的城市生活污水进行了驯化、 处理。以减j 、运行周期，增加有机负荷等办法进行调整，最终在系统稳定后，出水氨氮小 于5 m g l ，其对氨氮的去除率达到9 0 以上。张割”】等基于泳动床与好氧颗粒污泥结合 的方式处理f 氐浓度d 、区生活污水，成功培养出好氧颗粒污泥后，稳定运行期i - 日j 对c o d 、 氨氮的去除率分别达到了9 0 1 和9 8 3 高景峰4 0 1 等在冬季低温条件下通过静态实验观测了颗粒污泥中聚磷菌的组成。实验发现， 以氧作为电子受体的聚磷菌能够去除总磷酸盐的1 4 1 9 ；以氧和n 0 3 n 作为电子受 b 绪论 体的聚磷菌能够去除总磷酸盐的7 4 3 2 ：以氧、n 0 3 n 和n 0 2 - n 作为电子受体的聚磷 菌能够去除总磷酸盐的1 1 4 7 在好氧条件下好氧颗粒污泥可以实现同时硝化、反硝化、 好氧吸磷和反硝化吸磷。 好氧颗粒污泥的结构特性决定了在污水处理行业中的重要地位，因此好氧颗粒污泥 的其他特征( 比如胞外聚合物、扩散系数等) 都受到了广大学者的广泛关注。王超等4 对不同剪切应力下4 个序批式反应器( s b r ) 中好氧颗粒污泥的形态结构、比耗氧速率 ( s o u r ) 以及胞外聚合物进行了对比分析。结果表明，好氧颗粒污泥具有稳定的基本形态 特征，其微生物主要由杆菌、球菌和丝状菌组成；其中杆菌能承受高剪切作用，是剪切应 力为0 3 7 7n m 2 时的优势菌群。4 个反应器中污泥粒径分布范围分别为0 2 0 5 、0 5 1 5 、 0 5 - 1 5 和o 3 0 5m m ；s o u r 分别为3 4 5 4 、4 0 0 8 、4 6 2 6 和4 6 4 2m g ( g h ) ，胞外多聚糖 分别为5 9 7 l 、6 6 8 1 、8 0 8 8 和1 0 9 9 9m g g ，胞外蛋白质分别为9 2 9 、9 8 0 、1 2 3 5 和1 7 0 2 m g g 。卢园等刀利用s b r 反应器对好氧颗粒污泥的扩散系数进行了研究：实验发现， 好氧颗粒污泥培养初期，其扩散系数并无明显变化特征，在颗粒培养成熟之后，当进水 c o d 增大时颗粒污泥的扩散系数增大，当污水盐度减小时颗粒污泥的扩散系数增大。 经过学者们的不断钻研发现好氧颗粒污泥对会属离子有很好的吸收作用。杨学耀等 h 进行了利用好氧颗粒污泥吸附重金属c d ( i i ) 的研究，发现当c d 2 + 的浓度5 1 0 m g l ， 吸附时l 日j 为4 h ，颗粒污泥的最大吸附容量为6 9 7 m g g ，最大去除率可以达到9 5 9 。 h u ix u 1 等研究了好氧颗粒污泥对n i + 的去除作用：实验过程中不断调节p h 值，同时不 断改变n i + 浓度。最终发现，好氧颗粒污泥对n i + 吸收的最适p h 值可能在6 左右。 工业污水不同于生活污水，其成分相对更复杂。学者们针对各种工业废水以好氧颗粒 污泥为基础进行了相关实验。a r r o j o 等以絮状污泥为接种污泥，采用s b r 反应器处理 乳品工业废水，6 0 天后系统中出现颗粒污泥，稳定运行期间，颗粒平均粒径为3 5 m m ，s v i 为6 0 m l g 。s c h w a r z e n b e c k l 4 6 】等同样接种絮状污泥，利用s b r 工艺培养好氧颗粒物污泥， 并用来处理乳品工业废水，实验期i 目j 好氧颗粒污泥表面滋生大量丝状菌，实验人员通过缩 短沉降时间、改变进水p h 等方法最终使得丝状菌消失，实验装置稳定运行期i 日j 对c o d 、 t n 、t p 的去除率稳定在9 0 、8 0 、6 7 。s u 47 】等以絮状污泥为种泥，利用s b r i 艺对 豆制品生产废水进行了处理，最终取得良好的除污效果。w a n g 4 8 1 等同样以絮状污泥为种 泥，利用s b r 工艺对啤酒生产废水进行了处理，最终也取得良好的除污效果。2 0 0 4 年，蓝 惠霞4 9 5 0 等人研究了好氧颗粒污泥对造纸类污水的去除作用，污水取自亚铵法制浆过程 中的废水，结合好氧颗粒污泥与污水特性，提出了较好的处理方案。实验过程中发现好氧 颗粒污泥对c o d 、n h ，一n 等污染物质有良好的去除作用。研究还发现高浓度的硫酸盐 和亚硫酸舱对整个工艺有一定的抑制作用，同时还在实验过程中提出了消除抑制的方法。 荷兰d h v 公司及代尔夫特理工大学从1 9 9 9 年丌始研究好氧颗粒污泥技术，在2 0 0 5 年在荷 兰e d e 污水处理厂进行了世界上好氧颗粒污泥的第一例工程应用，在稳定运行期问m l s s 可以达到8 1 2 9 l ，同时占地面积为传统工艺的2 0 3 0 ，运行总费用比传统活性污泥法 9 两安理i ：人学硕十学位论文 低7 1 7 1 5 lj 。 1 2