（环境工程专业论文）好氧硝化颗粒污泥的性能及储存与解体后的自修复行为研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 好氧颗粒污泥是一种用于废水处理的新型微生物聚集体，是微生物在各种选择压的 作用下自发凝聚而形成的结构致密、沉降性能良好、生物协作性强的生物颗粒。好氧颗 粒污泥具有能够同时去除废水中的c o d 、n 和p 的特殊性能，是一项很有应用潜力的 废水生物处理技术。本论文采用逐步提高选择压的培养策略，成功的培养了硝化菌大量 富集、稳定性良好、能同时除碳脱氮的好氧硝化颗粒污泥，系统考察了好氧硝化颗粒污 泥的培养形成过程、储存过程和解体过程，研究了储存和解体后恢复颗粒污泥性能的自 修复行为，并验证了好氧硝化颗粒污泥处理高氨氮催化剂废水的可行性。主要研究内容 如下： ( 1 ) 研究逐步提高底物n h 4 + n 浓度选择压的培养策略的优势和形成的好氧硝化颗 粒污泥的性能。结果表明，在底物n i - h + - n 浓度为2 0 0m g l 的条件下无法完成好氧颗粒 化过程；而底物n h 4 + - n 浓度为5 0m g l 条件下培养的好氧颗粒污泥以异养菌为主，结 构松散，丝状菌大量繁殖，稳定性差，反应器运行1 3 1 天颗粒污泥就开始解体。将底物 n h 4 + - n 浓度从5 0m g l 逐步提高到2 0 0m g l 的培养策略使颗粒污泥内的硝化菌逐渐富 集，最终形成了能同时去除c o d 和n h 4 + - n 并具有定反硝化能力的好氧硝化颗粒污 泥。逐步提高选择压的培养策略使好氧硝化颗粒污泥的性能得到逐步改善，反应器内污 泥浓度( m l s s ) 和颗粒粒径逐步提高，颗粒沉降性能和硝化反硝化活性逐步得到强化。 同时，硝化菌的大量富集抑制了丝状菌的生长，形成的好氧硝化颗粒污泥以杆菌为主， 颗粒结构紧凑、稳定性能良好，反应器运行2 8 3 天未出现明显颗粒解体现象。在进水 c o d 和n i - 1 4 + - n 浓度分别为5 0 0 和2 0 0m g l 时，c o d 、n h 4 + - n 和总氮( t n ) 平均去 除率分别达到8 2 、9 8 和5 0 。 ( 2 ) 考察短期储存2 个月对好氧硝化颗粒污泥的影响，并研究储存后的自修复阶 段的操作条件对硝化菌活性恢复的影响。结果表明，储存2 个月对好氧硝化颗粒污泥的 物理性能和结构稳定性都没有明显影响。采用储存前的操作条件进行活性恢复，即较低 的剪切力( o 9c m s ) 和循环时间( 4h ) 条件下，异养菌活性恢复最快，5 天后c o d 去 除率基本恢复并稳定在8 0 以上；而亚硝酸菌和硝酸菌的比耗氧速率( s o u r ) 只能分 别恢复至储存前的8 8 和8 2 ，n h 4 + - n 去除率仅在8 0 9 0 之间；第4 l 天剪切力提 高至1 8c m s 后，亚硝酸菌活性完全恢复，n h 4 + - n 去除率达到9 8 以上，但硝酸菌的 s o u r 仍只有储存前的9 2 ；第6 5 天将循环时间延长至6h ，硝酸菌活性完全恢复。 ( 3 ) 研究好氧硝化颗粒污泥长期储存7 个月过程中的性能、结构和菌群衰减变化 以及储存后的自修复行为。结果表明，长期储存使好氧硝化颗粒污泥的v s s s s 值下降， 好氧硝化颗粒污泥的性能及储存与解体后的自修复行为研究 沉降性能恶化，颗粒表面出现较多孔穴和褶皱，但颗粒污泥并未发生明显解体现象，仍 保持其形态结构的稳定性。好氧硝化颗粒污泥储存后，硝化菌和异养菌的活性都有明显 的衰减，但硝化菌的衰减速度较慢。在储存阶段，微生物首先利用胞外聚合物( e p s ) 和混合液中残留的溶解氧( d o ) 进行代谢生长，随后分泌越来越多的e p s ( 尤其是多 糖) 。好氧硝化颗粒污泥内硝化菌的衰减速度慢以及e p s 的大量分泌是其在长期储存阶 段能保持形态结构稳定性的重要原因。在自修复阶段，好氧硝化颗粒污泥的物理性能和 微生物活性都迅速恢复，经过1 个月的时间，其结构、v s s 含量、沉降性能等都完全恢 复甚至优于储存前的水平。在剪切力为1 8c ：m s ，循环时间为6h 的条件下，好氧硝化 颗粒污泥内的硝化菌和异养菌活性分别经1 1 天和1 6 天即可完全恢复。 ( 4 ) 对好氧硝化颗粒污泥的解体机制进行系统研究。结果表明，随着好氧硝化颗 粒污泥粒径的增长，颗粒污泥内部底物和d o 的传质限制是导致颗粒解体的根本原因。 解体过程主要包括以下三个阶段：颗粒污泥内部底物和d o 的传质通道被堵塞，中心 空穴区域逐渐扩大，最终颗粒污泥形成明显的中空结构；反硝化以及有机物厌氧分解 产生的气体在颗粒内部难以排出，颗粒内部产生较大气压，从而导致颗粒外层出现裂痕； 颗粒碎片沿颗粒裂痕处脱落，颗粒污泥完全解体。 ( 5 ) 考察加入新的活性污泥促进解体好氧硝化颗粒污泥完成自修复的可行性。结 果表明，解体颗粒污泥的空穴能逐渐吸附新加入的活性污泥，并与之形成一个有机的整 体。大约3 周时间，解体颗粒污泥完全修复，被修复后的颗粒污泥结构规则，微生物相 致密，颗粒污泥的沉降性能和强度都得到了极大的改善。剩余活性污泥在各种选择压的 作用下形成新的颗粒污泥。由修复的和新形成的颗粒污泥组成的系统对c o d 和n h 4 十- n 都具有高效稳定的去除效果，在进水c o d 和n h 4 + - n 浓度分别为5 0 0 和1 5 0m g l 时， c o d 、n h 4 + n 和t n 去除率分别稳定在9 0 、9 9 和5 0 左右。 ( 6 ) 研究好氧硝化颗粒污泥处理高氨氮催化剂废水的可行性。结果表明，好氧硝 化颗粒污泥适合处理高氨氮催化剂废水，而且具有很好的抗冲击负荷能力。在循环时间 为4h ，n h 4 + - n 浓度为6 0 0m g l 时，n h 4 + - n 容积负荷达到1 8k g m 3 d ，n h 4 + - n 去除率 达到9 8 以上。在模拟废水盐度为1 5 l ，c o d 和n h 4 + - n 浓度分别在1 0 0 4 0 0m g l 和3 0 0 6 0 0m g l 之间波动时，c o d 去除率在7 5 9 0 之间，n h 4 + n 去除率在9 7 以上，出水都能达到污水综合排放标准( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级标准的要求。 关键词：好氧硝化颗粒污泥；稳定性；储存；解体；自修复 大连理t 大学博士学位论文 p e r f o r m a n c eo fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e sa n ds e l f o r e m e d i a t i o n b e h a v i o r sa f t e rg r a n u l es t o r a g ea n dd i s i n t e g r a t i o n a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l e s 硒s e l f - a g g r e g a t e db i o - p a r t i c l e sb ym i c r o o r g a n i s m su n d e rc e r t a i n s e l e c t i o np r e s s u r e s ，h a v ec o m p a c ts t r u c t u r ea n dg o o ds e t t l i n ga b i l i t y i ti sb e l i e v e dt h a t a e r o b i cg r a n u l a t i o nw o u l db ean o v e la n dp r o m i s e db i o t e c h n o l o g yf o rs i m u l t a n e o u sr e m o v a l o fc o d na n dpi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 。i nt h i ss m d a e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e sw e r e s u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e du n d e rs t e p w i s ei n c r e a s e d s e l e c t i o np r e s s u r e a e r o b i cn i t r i f y i n g g r a n u l e s ，w h i c hw e r ee n r i c h e dw i t hn i t r i f y i n gb a c t e r i a , h a de x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dw e r ea b l et o s i m u l t a n e o u so r g a n i co x i d a t i o n , n i t r i f i c a t i o n , a n dp a r t i a ld e n i t r i f i c a t i o n t l l i ss t u d yd e t a i l e d i n v e s t i g a t e dt h ec u l t i v a t i o n , s t o r a g e ，a n dd i s i n t e g r a t i o np r o c e s so fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e s ， t h es e l f - r e m e d i a t i o nb e h a v i o r sa f t e rg r a n u l es t o r a g ea n dd i s i n t e g r a t i o n ，a n dt h ef e a s i b i l i t yi n s y n t h e t i ch i 曲a m m o n i a - n i t r o g e nc a t a l y t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 1 1 1 em a i ne x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r el i s t e da l sf o l l o w s ： ( 1 ) 删ss t u d ye v a l u a t e dt h eu t i l i t yo fac u l t i v a t i o ns t r a t e g yo fs t e p w i s ei n c r e a s e d s e l e c t i o np r e s s u r ef o ra e r o b i cg r a n u l a t i o na n di n v e s t i g a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fa e r o b i c n i t r i f y i n gg r a n u l e s r e s u l t ss h o w e dt h a ta e r o b i cg r a n u l e s f a i l e dt ob ed e v e l o p e du n d e r s u b s t r a t en h 4 + - no f2 0 0m g l h e t e r o t r o p h sd o m i n a t e da e r o b i cg r a n u l e sf o r m e du n d e r s u b s t r a t en i - 1 4 十- no f5 0m e g lw e r ef l u f f ys t r u c t u r e da n du n s t a b l ed u et ot h eo m g r o w t ho f f i l a m e n t o u sb a c t e r i aa n dt h e yw e r eq u i c k l yd i s i n t e g r a t e df r o md a y131 n i t r i 蜘n gb a c t e r i a w e r eg r a d u a l l ys e l e c t e da n de n r i c h e di na e r o b i cg r a n u l e sb ya d o p t e dac u l t i v a t i o ns t r a t e g yo f s t e p w i s ei n c r e a s e ds u b s t r a t en i - h + _ n 缸o m5 0t o 2 0 0m g l f i n a l l y , a e r o b i cn i t r i f y i n g g r a n u l e sc a p a b l eo fs i m u l t a n e o u so r g a n i co x i d a t i o n ，n i t r i f i c a t i o n ，a n dp a r t i a ld e n i t r i f i c a t i o n ， w e r es u c c e s s f u l l yf o r m e d t h i sc u l t i v a t i o ns t r a t e g ys t e p w i s ei m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f a e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e s ，s u c ha sm l s s ，g r a n u l e ss i z e ，s e t t l e a b i l i t y , a n dn i t r i f y i n ga n d d e n i t r i f y i n ga c t i v i t i e s e n r i c h m e n to fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa l s os u p p r e s s e df i l a m e n t o u sg r o w t h a n df u r t h e ri m p r o v e dt h es t a b i l i t yo fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e s d u r i n g2 8 3d a y s o p e r a t i o n , n oe v i d e n c eo fg r a n u l ed i s i n t e g r a t i o nc o u l db ef o u n d t h er e s p e c t i v ec o d ，n h 4 + - n ，a n dt o t a l n i t r o g e n ( t n ) r e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e d8 2 ，9 8 ，a n d5 0 w h e n t h es u b s t r a t ec o da n d n h 4 + nc o n c e n t r a t i o nw e r e5 0 0a n d2 0 0m e l ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) as h o r t t e r ms t o r a g eo f2m o n t h s o nt h ep e r f o r m a n c eo fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e s a n dt h ee f f e c to fo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so nt h er e a c t i v a t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r e i n v e s t i g a t e d t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r es t a b i l i t yo fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e s i i i 好氧硝化颗粒污泥的性能及储存与解体后的自修复行为研究 h a dn o ts i g n i f i c a n t l yc h a n g e da f t e rs h o r t - t e r ms t o r a g e a ts h e a rf o r c eo f0 9c m sa n dc y c l e t i m eo f4h ，h e t e r o t r o p h sr e a c t i v a t e dq u i c k l ya n dt h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yr e c o v e r e da n d s t a b i l i z e da b o v e8 0 a f t e r5d a y s w h i l et h er e s p e c t i v es p e c i f i co x y g e nu t i l i z a t i o nr a t e ( s o u r ) o fa o b a n dn o br e c o v e r e d8 8 a n d8 2 a st h a to fb e f o r es t o r a g ea n dt h en h 4 + - n r e n l o v a le f f i c i e n c yw a so n l yb e t w e e n8 0 9 0 w h e nt h es h e a rf o r c ew a si n c r e a s e dt o1 8 c m so nd a y41 ，a o bw a sf u l l yr e c o v e r e da n dn h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e da b o v e 9 8 ，w h i l et h ea c t i v i t yo fn o b r e c o v e r e do n l y9 2 d u r i n gt h i sp e r i o d u n t i ld a y6 5w h e nt h e c y c l et i m ew a sp r o l o n g e dt o6 也n o bw a sf u l l yr e a c t i v a t e d ( 3 ) t h ee v o l u t i o no fp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r e ，a n dp o p u l a t i o nd e c a yo fa e r o b i c n i t r i f y i n gg r a n u l e sd u r i n gal o n g - 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t e r ms t o r a g e d u r i n gs e l f - r e m e d i a t i o np e r i o d ，t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm i c r o b i a l a c t i v i t i e so fa e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e sw e r eq u i c k l yr e c o v e r e d a f t e ro n em o n t h ，t h e i r s t m c t 删e ，v s sc o n t e n t ，a n ds e t t l e a b i l i t yw e r eb o t hr e a c t i v a t e da n de v e nb e c a m eb e t t e r u n d e r s h e a rf o r c eo f1 8c m sa n dc y c l et i m eo f6h ，h e t e r o t r o p h sa n dn i t r i f y i n gb a c t e r i ac a nb yf u l l y r e c o v e r e dw i t h i n16a n d1 1d a y s ，r e s p e c t i v e l y ( 4 ) t h i ss t u d yd e s c r i b e dt h ed e t a i l e dd i s i n t e g r a t i o nm e c h a n i s mo fa e r o b i cn i t r i f y i n g g r a n u l e s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fg r a n u l es i z e ，t h eu l t i m a t er e a s o nf o rd i s i n t e g r a t i o no f a e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e sw a sm a s st r a n s f e rl i m i t a t i o no fs u b s t r a t e sa n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) t h ed e t a i l e dd i s i n t e g r a t i o np r o c e s sc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s f i r s t l y ，g r a n u l e s e x h i b i t e dd i s t i n c tv o i ds 仃u c t u r eb e c a u s et h ec h a n n e l sp r e s e n t e dw i t h i ng r a n u l e sw e r e e v e n t u a l l yp l u g g e da n dc a v i t ys t r u c t u r ei nt h ec e n t e ro fg r a n u l e sw a se n l a r g e d s e c o n d l y ，g a s p r o d u c e db yd e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nc a m ei n t ob e i n gp r e s s u r e sw i t h i n g r a n u l e sa n df u r t h e rl e dt oa p p e a r a n c eo ff i s s u r e so nt h eg r a n u l a rs h e l l s f i n a l l y , f r a g m e n t s b r o k e no f fa n dg r a n u l e sw e r ec o m p l e t e l yd i s i n t e g r a t e d ( 5 ) t h ef e a s i b i l i t yo fa d d i n g 舶s ha c t i v a t e ds l u d g ef o rs t i m u l a t i n gs e l f - r e m e d i a t i o no f d i s i n t e g r a t e dg r a n u l e sw a se v a l u a t e di nt h i ss t u d y r e s u l t ss h o w e dt h a t 眈s ha c t i v a t e ds l u d g e w a sg r a d u a l l ya d s o r b e di n t od i s i n t e g r a t e da n dc a v i t yg r a n u l e sa n dt h e nc o m b i n e dt o g e t h e r i v 大连理工大学博十学位论文 w i t hg r a n u l e s d i s i n t e g r a t e da e r o b i cg r a n u l e sw e r ef u l l yr e m e d i e da f t e ra b o u t3w e e k s r e m e d i e dg r a n u l e se x h i b i t e dr e g u l a ra n dc o m p a c t 咖c h l r e g r a n u l es e t t l e a b i l i t ya n ds t r e n g t h w e r eb o t hi m p r o v e dp r o f o u n d l yd u r i n gs e l f - r e m e d i a t i o n b e s i d e st h o s ea c t i v a t e ds l u d g eu s e d f o rb i o r e m e d i a t i o n , t h er e s tf o r m e df l e s ha e r o b i cg r a n u l e sf i n a l l y r e a c t o rs y s t e r nw h i c hw a s c o m p o s e do fb i o r e m e d i e da n df l e s hg r a n u l e se x h i b i t e de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h er e s p e c t i v e r e m o v a le 伍c i e n e yo fc o d ，n h 4 + na n dt nw e r es t a b i l i z e da ta b o u t9 0 ，9 9 a n d5 0 w h e nt h es u b s t r a t ec o da n dn h 4 + 。nc o n c e n t r a t i o nw e r e5 0 0m g la n dl5 0m l ， r e s p e c t i v e l y ( 6 ) t 1 1 i ss t u d ya l s oi n v e s t i g a t e da n dc o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo fa e r o b i ci l i t r i 伽n g g r a n u l e si ns y n t h e t i ch i 曲a n a m o n i a n i t r o g e nc a t a l y t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a tc y c l et i m eo f 4 ha n dn i - 1 4 1 。nc o n c e n t r a t i o no f6 0 0m g l t h ew o l u m e t r i cl o a do fn h 4 + na c h i e v e d1 8 k g m 3 da n dt h en h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c ye x c e e d e d9 8 n l es y s t e mh a dah i g hc a p a c i t yi n r e s i s t a n c et os h o c kl o a d i n g t h er e m o v a le 伍c i e n e yo fc o dw a sa b o u t7 5 t o9 0 w h e nt h e c o dc o n c e n t r a t i o nw a sf l u c t u a t e db e t w e e n10 0m g la n d4 0 0m g l m e l lt h en h 4 + n c o n c e n t r a t i o nw a sf l u c t u a t e db e t w e e n3 0 0m g la n d 6 0 0m g l n h 4 nr e m o v a le 衔c i e n c y w a sb a s i c a l l ya b o v e9 7 t h ee f f i u e n tr e a c h e dt h ef i r s te l a s si n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g e s t a n d a r d ( g b8 9 7 踮19 9 6 ) k e yw o r d s ：a e r o b i cn i t r i f y i n gg r a n u l e s ：s t a b i l i t y ；s t o r a g e ；d i s i n t e g r a t i o n ； s e l f - r e m e d i a t i o n v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：! 兰二兰二一 大连理工人学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：弘牟 翩躲颦丝盘 大连理- t 大学博士学位论文 引言 污水的好氧生物处理设备或设施通常由曝气池( 生化反应器) 和二沉池( 污泥浓缩 池) 组成，最终实现污水净化的目的，需要具备三个基本条件：( 1 ) 微生物具有良好 的活性和较强的降解底物能力，同时要求反应器内具有适宜的污泥浓度和污泥负荷，对 污水中的污染物进行生物转化处理；( 2 ) 良好的微生物生长环境，如溶解氧( d o ) 、 p h 、温度、营养物质等工艺条件；( 3 ) 生物污泥具有良好的絮凝沉降性能，便于泥水 分离。因此，生物处理的研究重点主要集中在以下几个方面：( 1 ) 高效菌种的筛选、 培养、驯化和应用；( 2 ) 提高生物膜的固载或污泥的絮凝沉降性能，使污泥停留时间 ( s i 汀) 与水力停留时间( h i h ) 解偶联，提高反应器的容积负荷，快速泥水分离，减 少二沉池或浓缩池的容积。 根据微生物的生长形态和存在形式，污泥可以分为三类：絮体污泥，其中活性污 泥是其典型代表；生物膜，其主要特征是微生物附着生长在惰性固态载体的表面，如 生物滤池、生物接触氧化、生物移动床和生物流化床；颗粒污泥，其特征是微生物通 过自我凝聚形成颗粒状，具备很高的生物活性和优异的沉降性能，如u a s b 、e g s b 、 i c 厌氧反应器等的厌氧颗粒污泥。目前我国大部分污水处理厂采用传统的活性污泥工艺 和生物膜工艺。传统污水处理工艺存在的主要缺点是：( 1 ) 曝气池污泥浓度低、容积 负荷小，需要较大污泥回流比和较大的池容积；( 2 ) 泥水分离效率低、停留时间长、 所需二沉池容积大，剩余污泥脱水困难；( 3 ) 处理构筑物占地面积大、所需风机和泵 数量多、基建投资大、能耗高、运行成本高。 好氧颗粒污泥是微生物固定化技术的一种特殊形式，是近年来兴起的新型废水生物 处理技术。好氧颗粒污泥具有结构致密、沉降性能好、生物密度大、微生物种群多样化、 污泥活性高、抗冲击负荷强等优点，无需二次沉淀池和污泥回流系统，工艺简单、操作 灵活、占地面积小、投资和运行成本低，因此好氧颗粒污泥已成为国内外的研究热点。 自从2 0 世纪9 0 年代首次出现好氧颗粒污泥的报道以来，关于好氧颗粒污泥的形成机理、 培养条件、脱氮除磷特性、微生物种群结构和特性以及稳定性影响因素等方面已有大量 研究报道。可以预见，好氧颗粒污泥废水处理工艺的发展和广泛应用，将成为水处理技 术发展史上的又一次飞跃，在未来的水工业技术领域将占有重要的位置。 然而，目前关于好氧颗粒污泥的研究仍停留在实验室和中试阶段，还有许多关键技 术有待解决。特别是如何提高好氧颗粒污泥的稳定性，如何实现好氧颗粒污泥同时除碳 脱氮，如何应对实际应用时的批量化生产、储存、运输等问题，以及好氧颗粒污泥不稳 定而解体后如何进行修复等必将成为今后的研究重点。论文结合上述关键技术问题的研 好氧硝化颗粒污泥的性能及储存与解体后的自修复行为研究 究，取得了以下研究成果：( 1 ) 通过采用逐步提高选择压的方法，成功地培养了硝化 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；( 2 ) 系统考察了好 氧硝化颗粒污泥的培养形成过程、储存过程和解体过程，并研究了储存和解体后恢复颗 粒污泥性能的自修复行为；( 3 ) 研究了好氧硝化颗粒污泥处理高氨氮催化剂废水的可 行性。 大连理工大学博士学位论文 1 好氧颗粒污泥研究进展 1 1 微生物颗粒化技术 微生物颗粒化是细胞通过生物、物理以及化学的作用相互结合的一种现象，是指在 特定的工艺条件下，反应器中的微生物与载体或微生物之间相互作用形成大而密实的颗 粒状的污泥聚集体。微生物通过自凝聚形成的生物颗粒是一种由不同菌种形成的密实颗 粒，这些不同菌种在降解成分复杂的废水中发挥着不同的作用。同传统的活性污泥相比， 颗粒污泥的主要特征有以下几个方面【l 捌： ( 1 ) 外观呈规则、光滑的球性或拟球形，边界清晰，具有致密、强韧的结构，不 易因水流剪切、内部产气的压力而破碎造成污泥流失； ( 2 ) 具有优良的沉降性能，使得系统中可以截留较高浓度的污泥，由此促进处理 水量的加大和处理效果的改善以及固液分离效果的提高； ( 3 ) 具有致密的结构与较大的粒径，由于传质限制的存在可以在颗粒内部维持一 个相对较为稳定的微环境，因此对于冲击负荷以及毒性有机物质及重金属具有较高的耐 受能力； ( 4 ) 具有降解难降解污染物质的能力，难降解污染物质的完全降解涉及多种菌群 的相互作用，而颗粒污泥是多种微生物共存的微生态系统，这意味着颗粒污泥中污染物 质的传递是快速而高度浓缩的，因此大量的污染物质可以在紧凑的系统中得到处理。 根据颗粒化过程中是否投加载体，可分为载体型颗粒污泥和生物自凝聚颗粒污泥； 而根据代谢过程中电子受体的不同，又可分为厌氧颗粒污泥和好氧颗粒污泥【3 】。 1 1 1 厌氧颗粒污泥技术 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微生物自凝聚体，具 有相对规则的球形或椭球形外观，成熟的厌氧颗粒污泥表面边界清晰，通常是黑色或灰 色。颗粒粒径在0 1 4 7 01 1 1 1 1 1 ，颗粒污泥的密度约在1 0 3 0 1 0 8 0k g m 3 之间。通过显微 镜观察，可以发现颗粒污泥表面有一些空隙，这些空隙被认为是营养物质传递的通道， 厌氧颗粒污泥产生的甲烷气体等也通过这些空隙逸出【4 】。各种不同类型的细菌以微小群 落的形式随机分布在颗粒污泥中，颗粒污泥的孔隙率在4 0 8 0 之间。 厌氧颗粒污泥于1 9 7 6 年在荷兰最早被发现，多年来对于厌氧颗粒化技术各国学者 己做了大量的研究工作，其中研究较多的是上流式厌氧污泥床( u a s b ) 中污泥的颗粒化。 u a s b 是由荷兰瓦格林根农业大学的l _ 启t t i n g a 等于2 0 世纪7 0 年代末开发的厌氧反应器， 被认为是第二代废水厌氧生物技术，它成功运行的关键就在于能够培养出具有良好沉降 一3 一 好氧硝化颗粒污泥的性能及储存与解体后的自修复行为研究 性能的高活性厌氧颗粒污泥，如今用于工业化污水处理的u a s b 厌氧生化装置己在世界 范围内应用 5 , 6 1 。但u a s b 存在占地面积大、污泥负荷高时污泥易流失等缺点，因此在 2 0 世纪9 0 年代出现了第三代厌氧生物处理工艺，主要包括厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 、 厌氧内循环反应器( i c ) 、升流式厌氧污泥床过滤器( u b f ) 等高效厌氧反应器，这些新型高 效反应器也已经得到了广泛应用【_ 7 。9 1 。 但是厌氧颗粒污泥系统也有着一些自身无法克服的缺点：如系统启动时间长、运行 温度要求严格、没有脱氮除磷能力等，而且其主要针对高浓度有机废水时处理效果才最 为显著，处理较低浓度的有机废水优势并不明显，甚至还存在诸多的不便【1 0 】。近年来， 随着好氧污泥颗粒化现象的发现，关于好氧颗粒污泥的研究迅速成为了水污染控制领域 的研究热点和重点之一。 1 1 2 好氧颗粒污泥技术 在厌氧污泥颗粒化的基础上，人们发现在好氧状态下微生物也有自凝聚现象。好氧 颗粒化是生物膜生长的一种特殊形式，它是微生物在好氧条件下自发形成的细胞自身固 定化颗粒。与厌氧颗粒污泥技术相比，好氧颗粒污泥技术具有独特的优势： ( 1 ) 系统启动时间短，通常只需要1 5 4 0 天就可以形成好氧颗粒污泥，相对于厌 氧颗粒污系统启动需要3 6 个月，好氧颗粒污泥系统的启动时间大大缩短； ( 2 ) 没有严格的操作温度限制，厌氧颗粒对于温度比