（环境工程专业论文）胞外蛋白在好氧污泥颗粒化过程中的作用研究.pdfVIP

b y ， l vm e i l e s u p e r v i s e db y p r o f x ux i a n g y a n g 4d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o z h e ji a n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) c o l l e g eo f e n v i r o n m e n t a l & r e s o u r c es c i e n c e s ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g z h o u ，p r c h i n a j a n u a r y2 0 1 3 论文作者签名： 指导教师签名： 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 ： 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 金塑熬拯澎逛盆丕境堡塑銎堂珏窒遮i 土瞳 委员1 ： 史枣益塾援浙江太堂 委员2 ： 翅室兰副数援浙江太堂 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v l s o r 7 ss i g n a t u r e ： t h e s i sr e v i e w e r1 ： ! q 鱼墨墨q 墨e 廷! 丛旦q 旦g 墨壁曼望g 圣h 自i 堑g鱼q 旦g 墨h 垫gi 也i y 曼! 墨i 鲤 t h e s i sr e v i e w e r2 ： 里! q 鱼墨墨q ! s 鲤i y 垫 圣h 自i 垫g i y 曼堡i 鲤 t h e s i sr e v i e w e r3 ： 里! q 鱼墨墨q ! 圣旦匡鎏辽q i 坠g c h a i r ： 圣h 自i 垫g 蔓堕i y 曼坚i 鲤 p r o f e s s o rj i nj u n e n v i r o n m e n t a ls c i e n c er e s e a r c h & d e s i g , ni n s t i t u t eo f z h e j i a n gp r o v i n c e c o m m i t t e e m a n1 ： 里! q 鱼墨墨q ! s 旦堕旦匦i 圣丝坐g 圣h 自i 堑gl 也i y 曼竖i 鲤 c o m m i t t e e m a n2 ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rh ub a o l a n 圣h 自i 垫gl 地i y 曼堡i 鲤 d a t eo f o r a ld e f e n c e ： m 堑吐! q ，2 q ! 兰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝垄盘堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名： 毒巧胡签字日期： 洳l ； 年 3 月1 ) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 吕构忌 导师签名： 勿红倍 签字日期：劲f ；年3 月彦日 签字日期：二b 笋 3 月够日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 致谢 回顾两年半的硕士生涯，心中感慨万千。本论文是在许许多多人的无私帮 助下完成的，在此谨对他们表达我最诚挚的谢意! 首先，感谢导师徐向阳教授在我读硕期间的悉心指导。徐老师孜孜不倦的 敬业精神、严谨求实的治学态度使我受益匪浅。在此，谨对导师的悉心指导与 谆谆教诲表示最真挚的感谢! 感谢朱亮老师两年半来给予的无私帮助和指导，在课题研究和论文撰写过 程中都提出了许多宝贵的意见! 师兄严谨缜密的逻辑思维、刻苦钻研的科学精 神、兢兢业业的工作作风是我学习的榜样。祝师兄事业蒸蒸日上，家庭幸福! 感谢课题组刘钢、邢硕、冯丽娟、徐京、丁炜、孔赞、阮赞杰、俞言文、 何俊杰、戚韩英、戚姣琴、程慎玉、金建、徐剑、戴昕、周佳恒、苏航、顿春 伟、杨广凤、杨圮、高凯拓、姚灿等兄弟姐妹在我的工作、学习上给予的无私 帮助和关怀。感谢彭程、刘奇、申小兰、周娅等好友在生活和学习上的关心和 鼓励，与你们相处的两年半将是我此生最美好的回忆! 最后，感谢我的父母及 家人在我多年求学生涯中所给予的物质及精神支持，你们的鼓励和支持是我锐 意进取、勇攀高峰的力量源泉! 浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 好氧颗粒污泥因其具有沉降性能优异、运行污染负荷高、抗冲击能力强等 优点，正在工业废水、城镇污水处理方面展现巨大的应用潜力。胞外多聚物 ( e p s ) 是好氧颗粒污泥的重要组分，在颗粒形成和结构稳定中具有重要作用， 但有关关键组分与作用机制仍不明确。论文结合光谱分析、p c r - d g g e 、双向 电泳( 2 - d e ) 等技术，开展絮体污泥和颗粒污泥e p s 组分差异、好氧污泥颗粒 化和有毒物胁迫过程胞外蛋白( p n ) 演变等研究，并从污泥胞外蛋白角度分析 工艺优化对颗粒污泥结构稳定的影响。获得以下主要研究结论： 1 、以普通絮体污泥、好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥为研究对象，比较污泥 絮体和颗粒的松散结合型e p s ( 1 0 0 s e l yb o u n de p s ，l b e p s ) 和紧密结合型e p s ( t i g h t l yb o u n de p s ，t b e p s ) 含量和组分差异。研究发现，好氧颗粒污泥和 厌氧颗粒污泥l b e p s 、t b e p s 中p n 含量分别为3 3 6 士9 7 和9 6 8 士11 9 、 2 7 1 士2 8 和6 1 6 士4 2m g g v s s ，均明显高于絮体污泥的8 5 + 1 5 和4 3 1 士2 7 m g g 1 v s s ；三种污泥的胞外多糖( p s ) 含量则基本在3 0m g g - 1 v s s 左右，低 于其p n 含量。分析污泥表面电荷发现，其与污泥e p s 中的p n 含量呈线性相 关，表明p n 在颗粒污泥中的重要作用。结合三维荧光光谱分析( e e m ) 和聚 丙烯酰胺凝胶电泳( s d s p a g e ) 研究发现，絮体污泥p n 分子量主要集中在 1 4 3 6 6 2k d a ，而颗粒污泥p n 分子量则集中在2 0 1 9 7 4k d a ，相比而言其大分 子p n 所占比例较多；其中，颗粒污泥中存在大量芳香类和色氨酸类蛋白物质， 推测其是维持颗粒结构稳定的关键p n 组分。 2 、以好氧颗粒污泥反应器为平台，研究了好氧污泥颗粒化与有毒物对氯苯 胺( 4 - c 1 a ) 胁迫下颗粒污泥特性与p n 演变。结果表明，污泥颗粒化过程p n 含量由6 9 4 士8 1m g g - 1 v s s 增至2 8 1 5 + 1 6 0m g g - 1 v s s ，其中分子量为4 4 3 - 9 7 2 k d a 的大分子p n 含量增加尤为明显。在进水4 - c 1 a 有机负荷逐步提升至0 3 6 k g m - 3 d - 1 时，颗粒污泥维持稳定，p n 含量由2 1 3 0 - 土1 0 2 6m g g 。v s s 增至 3 9 0 9 士6 0 5m g g 。v s s ；随着4 - c 1 a 负荷进一步增至0 4k g m - 3 d ，颗粒污泥逐 渐解体，p n 含量迅速降至1 7 1 土1 2 6m g g - 1 v s s 。s d s p a g e 和傅里叶红外光谱 ( f t i r ) 分析发现，大分子p n ( 4 4 3 6 6 4k d a ) 、3 - t u r nh e l i x 和b - s h e e t 蛋白质 二级结构a m i d ei 以及天冬氨酸和酪氨酸芳香族等蛋白类物质大量或只存在于 浙江大学硕士学位论文摘要 稳定好氧颗粒污泥中，是颗粒结构稳定的关键组分。分析好氧颗粒污泥菌群结 构发现，4 - c 1 a 胁迫下的解体颗粒污泥菌群微生物丰度较低，o r n i t h i n i c o c c u s 。 k i n e o s p h a e r a l i m o s a ，d i a p h o r o b a c t e r 等具有抗毒性、产e p s 和同步硝化反硝化 能力的优势菌群的减少或消失，可能是导致颗粒污泥解体的原因。 3 、针对好氧颗粒污泥工艺长期运行易失稳的问题，通过水力停留时间 ( h r t ) 、污泥沉降时间等主要参数的联合调控，研究工艺优化过程系统性能与 p n 变化。结果表明，h r t 由1 7 2h 缩短到1 1 4h 后，污泥沉降性能和m l s s 均有所提升，但颗粒化仍不踞显。将污泥沉降时间由3r a i n 延长至1 0r a i n ，系 统4 - c 1 a 和c o d 去除率均达9 9 以上，污泥浓度维持在6 0g l ，颗粒结构趋 于稳定。通过f t i r 和2 - d e 分析发现，工艺优化过程污泥p n 含量由1 5 9 7 + 0 1 m g g - 1v s s 增至3 0 0 士1 3 0m g g - 1v s s ，且p n 具体组分发生明显演替，利于污泥 颗粒化的b - s h e e t 蛋白质二级结构a m i d ei 有所增多。分析工艺优化前后反应 器运行周期内污染物去除、污泥性能和e p s 变化发现，工艺优化后污泥p n 可 作为好氧饥饿期微生物可利用碳源与能源，增强细胞表面疏水性、降低表面电 荷，从而利于颗粒污泥结构稳定。 关键词：好氧颗粒污泥；胞外蛋白；结构稳定；微生物菌群；工艺优化 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h ea p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h e b i o l o g i c a lt r e a t m e n to fm u n i c i p a la n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e r sd u et o i t se x c e l l e n t s e t t l e a b i l i t y , h i g hp o l l u t a n tr e m o v a lc a p a c i t y a n ds t r o n gr e s i s t a n c et o t o x i c i t y e 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 ) ，a st h ep r e d o m i n a n tc o m p o n e n t s ，p l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e h o w e v e r ，t h e k e yc o m p o n e n t sa n dm e c h a n i s mo fe p so nt h e a e r o b i cs l u d g eg r a n u l a t i o ni ss t i l l u n c l e a r t h ed i f f e r e n c e si ne p s c o m p o n e n t sb e t w e e nf l o c sa n dg r a n u l e s ，v a r i a t i o no f e x t r a c e l l u l a rp r o t e i n ( p n ) d u r i n gt h ea e r o b i cs l u d g eg r a n u l a t i o na n dt o x i cs t r e s s ， a n do p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o n a lc o n d i t i o nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp na r e i n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y , v i at h ec o m b i n a t i o no fs p e c t r o m e t r i ca n a l y s i s ，p c r - d g g e a n dt w o d i m e n s i o n a le l e c t r o p h o r e s i s ( 2 - d e ) m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 、a c t i v a t e ds l u d g e ( f l o c s ) ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n da n a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e ( g r a n u l e s ) w e r es t u d i e d ，a n dt h ec o n t e n t sa n d c o n s t i t u e n t so fl b e p s ( 1 0 0 s e l y b o u n de p s ，l b e p s ) a n dt b e p s ( t i g h t l yb o u n de p s ，t b e p s ) w e r ea n a l y z e d i t w a sf o u n dt h a tp nc o n t e n t si nl b e p sa n dt b e p so ft h ea e r o b i ca n da n a e r o b i c g r a n u l e s w e r e3 3 6 士9 7a n d9 6 8 + 11 9 ，2 7 1 土2 8a n d6 1 6 + 4 2m g g v s s ， r e s p e c t i v e l y ，w h i c hw e r em u c hh i g h e rt h a n8 5 + 1 5a n d4 3 1 士2 7o f t h ef l o c s ；w h i l e e x t r a c e l l u l a rp o l y s a c c h a r i d e ( p s ) c o n t e n t si nt h e s et h r e es l u d g e sw e r ea l la b o u t3 0 m g g v s s ，q u i t el o w e rt h a np nc o n t e n t s t h ea n a l y s i so fs l u d g es u r f a c ec h a r g e i n d i c a t e dt h a ti th a dal i n e a rc o r r e l a t i o nw i t hp nc o n t e n t ，w h i c hs u g g e s t e dt h e i m p o r t a n c eo fp ni ng r a n u l e s t h es t u d yo f t h r e e - d i m e n s i o n a lf u o r e s c e n c e ( e e m ) a n ds o d i u md o d e c y ls u l f a t ep o l y a c r y l a m i d eg e le l e c t r o p h o r e s i s ( s d s - p a g e ) f u r t h e r d e m o n s t r a t e dt h a tp nm o l e c u l a rw e i g h ti nf l o c sw a sm a i n l yd i s t r i b u t e di n1 4 3 6 6 2 k d aw h i l ei tw a s2 0 1 - 9 7 4k d ai ng r a n u l e s a n dt h ep r o p o r t i o no fp n 谢mh i g h m o l e c u l a rw e i g h t ( h m w ) b e c a m el a r g e r ；t h ea r o m a t i cp r o t e i n - l i k ea n dt r y p t o p h a n p r o t e i n l i k es u b s t a n c e sl a r g e l ye x i s t e di ng r a n u l e s ，s u g g e s t i n gt h e yw e r e t h ek e yp n c o m p o n e n t si nt h es t r u c t u r a lm a i n t e n a n c eo fg r a n u l e s 2 、b a s e do nt h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g er e a c t o r ，t h ev a r i a t i o n so fg r a n u l e 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c sa n dp ni nt h ep r o c e s so fa e r o b i cg r a n u l a t i o na n d4 - c h l o r o a n i l i n e ( 4 - c i a ) s t r e s sw 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 td u r i n gt h ea e r o b i cg r a n u l a t i o n ， p nc o n t e n ti n c r e a s e df r o m6 9 4 + 8 1 m g g v s s t o2 81 5 士16 0 m g t g 1 v s s a c c o m p a n i e db yam o r eo b v i o u sg r o w t ho fp nw i t hh m w i n4 4 3 - 9 7 2k d a s t e p i n c r e a s i n gt h ei n f l u e n t4 - c 1 al o a d i n gt o0 3 6k g m - 3 d ，t h eg r a n u l e sk e p ts t a b l ea n d p ni n c r e a s e df r o m2 1 3 0 m 0 2 6m g 9 1 v s st o3 9 0 9 士6 0 5 m g g 1 v s s ；b u tt h e g r a n u l a rs l u d g ed i s i n t e g r a t e dw h e nt h el o a d i n gw a so v e r0 4k g m - 3 d ，a n dp n d e c r e a s e dt o1 7 1 士1 2 6m g 分1v s sr a p i d l y s d s - p a g ea n df o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 口t i r ) r e s u l t sf u r t h e ri m p l i e dt h a tm a c r o m o l e c u l a rp n ( 4 4 3 6 6 4k d a ) ，p r o t e i ns e c o n d a r ys t r u c t u r ea m i d e1w i t h3 - t u r nh e l i xa n d1 3 - s h e e t ， a s p a r t a t e l i k ea n dt y r o s i n em a t e r i a l sl a r g e l yo ro n l ye x i s t e di nt h es t a b l eg r a n u l e s ， s u g g e s t i n gt h e yw e r et h ek e yc o m p o n e n t si nt h es t r u c t u r a ls t a b i l i t yo fg r a n u l e s 。t h e a n a l y s i so fm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r ef o u n dt h a tt h em i c r o b i a la b u n d a n c e d e c l i n e di nt h eu n s t a b l e g r a n u l e su n d e r4 - c 1 as t r e s sa n dt h ed i s a p p e a r a n c eo f d o m i n a n tb a c t e r i ao r n i t h i n i c o c c u s , k i n e o s p h a e r al i m o s a , d i a p h o r o b a c t e rr e l a t e dt o t o x i c i t yr e s i s t a n c e ，e p sp r o d u c t i o na n ds i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n m i g h tc a u s et h eb r e a k d o w no fg r a n u l e s 3 、a i m i n ga tt h es t a b i l i t yl o s so ft h ea e r o b i cg r a n u l e si nl o n g - t e r mr u n n i n g ，t h e v a r i a t i o n so fs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp nd u r i n gt h ep r o c e s so p t i m i z a t i o nt h r o u g h t h eu n i t e da d j u s t m e n to fm a i np a r a m e t e r sl i k eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a n d s l u d g es e t t l i n gt i m e t h er e s u l t ss h o w e da f t e rr e d u c i n gh r tf r o m17 2ht o11 4h ， b o t ht h es l u d g ec o n c e n t r a t i o na n d s e t t l e a b i l i t yi m p r o v e d ，b u tt h eg r a n u l a t i o nw a sn o t o b v i o u s i no r d e rt op r o m o t et h es l u d g er e t e n t i o n ，t h es l u d g es e t t l i n gt i m ew a s p r o l o n g e df r o m3m i nt o 10m i n , a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f4 - c 1 aa n dc o d r e a c h e da b o v e9 9 ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o nk e p ta t6 0g - l f t i ra n d2 - d er e s u l t s s h o w e dt h a tp ni n c r e a s e df r o m15 9 7 4 - 0 1 m g 9 1v s st o3 0 0 士13 0m g g 1v s s s i g n i f i c a n t l yd u r i n gt h ep r o c e s so p t i m i z a t i o n ，w h i l et h es p e c i f i cc o m p o s i t i o n si np n a p p e a r e dt oh a v eaa p p a r e n ts u c c e s s i o na n dt h ep r o t e i ns e c o n d a r ys t r u c t u r ea m i d e1 w i t h1 3 - s h e e tw h i c hf a v o r e dt h es l u d g eg r a n u l a t i o ni n c r e a s e d t h es t u d yo ft h e p e r i o d i cc h a n g eo fp o l l u t a n tr e m o v a l ，s l u d g ep r o p e r t i e sa n de p sc o n t e n t sb e f o r ea n d 堂兰奎堂堡兰堂焦笙茎a b 。t m c t 一一 ： a f t e rt h ep r o c e s so p t i m i z a t i o ns h o w e dt h a tp ns e r v e d a st h ec a r b o ns o u r c ea n d e n e r g ys o u r c ef o rt h em i c r o b e si nt h ea e r o b i cs t a r v a t i o np h a s e ，c o u l di m p r o v et h e c e l ls u r f a c eh y d r o p h o b i c i t ya n dr e d u c et h es u r f a c ec h a r g e ，t h u sf a v o r i n gt h e s t a b i l i t y o fg r a n u l a rs l u d g eu n d e rt h e o p t i m i z e dc o n d i t i o n k e y w o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；e x t r a c e l l u l a r p r o t e i n ；s t r u c t u r a ls t a b i l i t y ； m i c r o b i a lc o m m u n i t y ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n v 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章文献综述一1 弓j 1 1 1 好氧颗粒污泥技术研究进展1 1 1 1 颗粒特性1 1 1 2 好氧颗粒污泥形成机理2 1 1 3 好氧污泥颗粒化工艺应用3 1 2 胞外多聚物对颗粒污泥形成的影响研究一4 1 2 1 基质类型和负荷4 1 2 2 水力剪切条件。5 1 2 3 水力停留时间。5 1 2 4 污泥停留时间。5 1 2 5 污泥沉降时间6 1 2 6 多价金属离子6 1 2 7 其他影响因素7 1 3 污泥胞外蛋白研究进展7 1 3 1 胞外蛋白种类7 1 3 2 胞外蛋白在微生物聚集体中的分布一8 1 3 3 对污泥絮凝和沉降性能的影响9 1 3 4 新型蛋白分析技术的发展1 0 1 4 研究意义及主要内容1 2 1 4 1 研究意义1 2 1 4 2 主要研究内容1 3 1 4 3 技术路线1 4 第二章絮体污泥和颗粒污泥e p s 组分差异分析1 5 引言一1 5 2 1 材料与方法1 5 2 1 1 污泥样品1 5 2 1 2 分析方法1 5 2 。2 结果与分析1 7 2 2 1 不同结构污泥e p s 含量和表面特性1 7 2 2 2 不同结构污泥e p s 组分分析1 9 浙江大学硕士学位论文目录 2 3 小结2 2 第三章污泥颗粒化和有毒物胁迫过程胞外蛋白演变2 4 引言2 4 3 1 材料与方法2 4 3 1 1 实验装置和运行参数2 4 3 1 2 分析方法2 6 3 2 结果与分析2 8 3 2 1 污泥颗粒化过程污泥特性和p n 变化2 8 3 2 2 有毒物4 - c i a 胁迫过程颗粒污泥反应器性能和污泥特性变化3 0 3 3 小结3 7 第四章颗粒污泥工艺优化过程胞外蛋白作用3 9 引言3 9 4 1 材料与方法3 9 4 1 1 反应器运行3 9 4 1 2 分析方法3 9 4 2 结果与分析4 0 4 2 1 工艺优化过程污泥性能变化4 0 4 2 2 工艺优化过程污泥p n 变化4 1 4 2 3 工艺优化前后反应器运行周期内e p s 变化4 4 4 3 小结4 9 第五章主要研究结论与展望5 0 5 1 论文主要研究结论5 0 5 2 论文创新之处5 1 5 3 论文的不足与展望5 2 参考文献5 3 硕士期间发表论文一6 4 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 引言 自1 9 9 1 年好氧颗粒污泥在好氧反应器中首次被发现以来，受到研究者广泛 关注【1 1 。好氧颗粒污泥是微生物自凝聚作用下形成的一种具有特殊结构的生物 膜。相比于普通絮体污泥，其结构致密、沉降性能优异、抗负荷冲击能力强， 正广泛应用于工业废水、城镇污水处理 2 , 3 1 。目前，有关好氧颗粒污泥形成机理 是该领域研究热点，而胞外多聚物( e p s ) 作为好氧颗粒污泥的重要组分，在 颗粒污泥形成及结构稳定中具有重要作用m 7 】。 1 1 好氧颗粒污泥技术研究进展 好氧颗粒污泥工艺是一项极具应用前景和发展潜力的废水生物处理革新技 术【8 1 。国内外研究者已在好氧颗粒污泥理化特性、影响因素、形成机理和工艺 应用等方面开展了大量研究 9 ，1 0 】。 1 1 1 颗粒特性 ( 1 ) 形态结构 好氧颗粒污泥通常呈橙黄或浅黄色，具有清晰和平滑的外表，形状为圆形 或椭圆形，平均粒径介于0 2 5m m 【1 1 】。有文献报导，粒径大于2 0 0 岬的污泥 占其中总质量的1 0 ，即认为污泥实现颗粒化1 2 】。污泥的粒径大小跟培养基质、 基质浓度、水力剪切力等相关，而粒径的大小又会影响污泥的沉降、d o 和营 养物质的扩散等。如l i 等【1 3 1 发现粒径小于0 4m m 的好氧颗粒不存在基质与 d o 的内扩散限制，但当颗粒粒径大于0 5m m 时，溶解氧就成为微生物代谢活 动的主要限制因素；h u a n g 等【1 4 1 运用动力学模型和经验模型表明基质去除率受 内扩散影响，且颗粒粒径宜小于2 5m m 。 ( 2 ) 污泥沉降性能 好氧颗粒污泥的沉降速度( 3 0 7 0m h 1 ) 是普通絮状污泥( 8 1 0m h j ) 的 三倍以上。因此，可增大反应器污泥持留量，提高泥水分离效果。研究表明， 通过控制较短的污泥沉降时间可实现好氧污泥颗粒化”，1 6 】。而颗粒粒径等因素 会影响污泥的沉降速率【1 7 1 。l i u 等【1 8 1 建立了好氧颗粒污泥沉降速率与污泥体积 指数( s v i ) 、污泥浓度和颗粒粒径间的关系模型，为工艺的设计和操作提供依 1 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 据。 ( 3 ) e p s 组成 胞外多聚物( e 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 ) 是指特定环境下由细 菌代谢分泌出的、包裹在细胞壁外的高分子聚合物，通常由蛋白质、多糖、d n a 、 腐植酸、糖醛酸及无机成分组成【6 1 。其主要成分为糖类( p s ) 和蛋白质( p n ) ， 两者的t o c 占整个e p s 的7 0 8 0 。e p s 呈流变性双层结构，分为松散结合 型( l b e p s ) 和紧密结合型( t b e p s ) 1 9 。其中，l b e p s 粘液层无明显边缘， 其结构疏松、密度小，具有一定流动性；而t b e p s 与细胞紧密结合，稳固地 附着在细胞壁外。近年来，e p s 被认为是絮体、生物膜、颗粒污泥等微生物聚 集体的重要组成部分，在微生物聚集体的形成和结构稳定中起到关键作用5 ，7 1 。 ( 4 ) 凝胶特性 好氧颗粒污泥通常具有平滑的表面和稠度，具有水凝胶的流变学性质【2 0 1 。 这一特性主要源于胞外物质的存在，包括一些大分子物质。w l o k a 等【2 1 1 研究表 明，生物膜胞外聚合物的粘弹性( v i s c o e l a s t i c ) 和藻酸钙凝胶的性质相似。s e v i o u r 等【1 伽发现一些胞外多糖具有凝胶形成能力，并以此解释好氧颗粒污泥和絮体污 泥的区别。通过酶解法减少胞外蛋白含量，发现颗粒污泥的这种凝胶特性也跟 着明显减弱【2 0 1 。 1 1 2 好氧颗粒污泥形成机理 关于好氧污泥颗粒化机理，l i u 等 2 2 提出了好氧颗粒污泥形成主要由以下 四步完成：1 、凭借物理作用力如水流推动力、扩散力等，使细菌间相互靠拢或 细菌向惰性无机以及有机物运动；2 、物理、化学和生物之间的作用力促进细菌 与细菌之间以及细菌与固体表面之间相互吸附，形成微生物聚合体；3 、微生物 分泌的e p s 具有生物凝胶特性，增强细胞之间吸引，微生物聚合体逐渐形成； 4 、在水力剪切力下，形成结构稳定的好氧颗粒污泥。基于此，学者们提出了如 下几种颗粒污泥形成假说。 ( 1 ) 微生物自凝聚假说 t a y 等2 3 1 认为好氧颗粒污泥的形成源于微生物在水力和静电斥力作用下的 自凝聚作用。细胞之间的相互作用促使微生物相互聚集，从而形成紧密的三维 网状结构。每个颗粒污泥包含成千上万个不同的细菌，细菌间的相互黏着促进 浙江大学硕士学位论文第一章文献综述 了污泥的好氧颗粒化，最终形成具有形状规则、结构紧密的微生物聚集体。 ( 2 ) 选择压驱动假说 选择压包括水力选择压( 水力剪切力) 和生物选择压( 沉降时间、污泥停 留时间等) 。在s b r 反应器中，通过控制污泥沉降时间，沉降速率快、污泥性 能好的颗粒污泥能在反应器内保存下来，而沉降性能较差的就会洗出反应器1 6 1 。 t a y 掣2 4 1 研究表明，当表面气速1 2c m s 。时，s b r 反应器才会形成好氧颗粒污 泥。但近年来，陆续有研究发现好氧颗粒污泥能在低水力剪切条件下培育出来 【2 5 1 。水力选择压影响污泥颗粒形成主要是通过影响颗粒粒径大小、传质速率、 e p s 含量等。 ( 3 ) 胞外多聚物( e p s ) 假说 如上所述，e p s 作为微生物分泌于细胞外的大分子黏性物质，在颗粒污泥 的形成和稳定中起重要作用【2 6 1 。e p s 可以通过多种方式影响微生物聚集体的形 成和稳定，如改变细胞表面性质，在饥饿条件下作为能源和碳源供微生物体利 用，与一些多价金属离子c a 2 + 、m 9 2 + 等结合形成多聚物网络结构，影响颗粒的 凝胶特性掣2 6 - 2 8 。目前，这一假说被越来越多研究者接受。 b r i d g ：i n g 警娟 图1 - 1 颗粒污泥胞外多聚物假说 f i g 1 - 1t h eh y p o t h e s i so f e p s f o rg r a n u l a rs l u d g e 1 1 3 好氧污泥颗粒化工艺应用 好氧污泥颗粒因具有良好的沉降性能、抗负荷能力以及污染物去除性能， 已在实验室规模或实际工程中应用于城镇污水生物脱氮除磷、有毒有机物高效 处理。m o y 等【2 9 1 研究发现，进水基质负荷为1 5k g c o d m - 3 d 。1 条件下，c o d 去 除率为9 2 ，颗粒沉降速度高达8 4m s 。j a n g 等【3 叫发现好氧污泥颗粒内部富 含微生物硝化菌群，脱氮效率达9 7 。w u 等【3 1 1 培养的好氧颗粒污泥具有生物 强化除磷能力，平均磷去除率高达9 4 3 以上，并且小颗粒污泥对磷的去除效 果较大颗粒污泥要好。y i l m a z 等【3 2 1 驯化出的颗粒污泥对屠宰场废水中可溶c 、 2 渐江大学硬圭学位论文 第一章文献综述 n 和p 的去除率分别达到8 5 、9 3 和8 9 ，实现了它们的同步去除。另外， 好氯颗粒污混技术也逐渐应用于有毒难降解废水的