（环境工程专业论文）胞外多聚物对好氧颗粒污泥形成与结构稳定化的影响研究.pdfVIP

浙江大学硕士学位论文 摘要 好氧颗粒污泥是一种特殊的生物聚集体，因具有沉降性能优异、多功能微生物分区 定殖、抗污染负荷能力强等特点，在高浓度有机废水处理，脱氮除磷及有毒物质降解等 方面具有极大的应用潜力。然而，目前好氧颗粒污泥的形成机制尚不清楚，且在长期运 行过程中结构易失稳，一定程度上限制了该技术的工程化应用。本论文鉴于胞外多聚物 ( e p s ) 在生物聚集体的形成与结构维持中的重要作用，重点研究好氧颗粒污泥形成过 程e p s 的变化规律，并在此基础上解析不同水力剪切条件下e p s 对好氧颗粒污泥结构 稳定性的影响，主要结果如下： 1 、通过综合比较6 种不同的物理、化学提取方法的e p s 提取效率及对细胞的破坏 程度发现，甲酰胺、甲醛等化学提取方法对e p s 组分及t o c 含量测定干扰较大；热碱 提取法可获得较高的e p s 提取量，但其对细胞的破坏程度最大，相应e p s 定量及定性 分析误差大；相比6 0 。c 水浴3 0 m i n ，8 0 。c 水浴6 0 m i n 可提取较多的e p s ，然而其造成的 细胞破坏程度显著增加。为此，最终优选6 0 。c 水浴3 0 m i n 污泥e p s 提取方法。此外， 比较不同提取方法下获得的两种污泥样品e p s 主要成分胞外蛋白( p n ) 和胞外多糖( p s ) 发现，好氧颗粒污泥的e p s 含量高于活性污泥，且p n 是其e p s 中的优势组分。 2 、低水力剪切条件下启动序批式气提生物反应器( s a b r ) ，有机污染物得到完全 去除，但s a b r 运行半个月后发生污泥膨胀；通过有机负荷及水力剪切条件的联合调 控，污泥膨胀得以有效控制，最终反应器实现完全颗粒化，污泥浓度明显增加、沉降性 能有效改善。 在好氧颗粒污泥增殖阶段( 阶段i i i ) ，e p s 各组分含量均显著增加，尤其是p n 由 6 1 8m g g v s s j 增至1 4 7 7m g g v s s ，同时s d s p a g e 结果表明污泥e p s 的p n 条带明 显增多；在之后的阶段i v ，e p s 中p s 含量相对增加，p n p s 比值最终稳定在1 p 1 4 。 推测污泥e p s 中p n 含量与种类的增加可能对好氧颗粒污泥初期形成具有重要作用，而 合适的p n p s 比通过影响微生物表面电荷与疏水性，调控微生物的聚集状态，促进好 氧污泥颗粒化进程与维持其聚集性结构。 3 ，水力剪切力对好氧颗粒污泥结构稳定性与e p s 产生的影响研究表明，低水力剪 切条件( 表面气速为o 5c m s 以) 下启动的r 1 反应器在运行期间污泥p s 含量下降，而 p n 含量与p n p s ( 最高达3 0 1 ) 比明显增加，随之颗粒污泥迅速瓦解；而在较高水力 剪切条件( 1 5c m s 以和3 5c m s d ) 下启动的i 毪、r 3 反应器，运行过程污泥p n 、p s 均 浙江大学硕士学位论文 有所增加，但p n p s 比相对稳定在1 3 9 1 8 1 和1 1 5 1 3 9 ，其颗粒污泥的结构也较为稳 定；相比而言，更高水力剪切条件下获得的低p n p s 比值更有利于好氧颗粒污泥的结 构稳定性。周期内e p s 监测结果表明，高水力剪切条件下基质消耗较快，产生的p s 在 相对较长的饥饿期内被微生物代谢利用，最终获得的适当p n p s 比有利于维持颗粒污 泥的结构稳定性。颗粒污泥原位荧光染色结果进一步揭示，p s 主要分布在颗粒污泥的 茵胶团之间，而p n 在整个颗粒污泥中均有分布，推测污泥e p s 中p n 、p s 共同构建了 好氧颗粒污泥框架结构，控制合适的p n p s 比有利于颗粒污泥结构的维持。 对3 组反应器内污泥进行p c r d g g e 分析发现，不同水力剪切运行条件下微生物 群落演替显著，微生物分属b e t a p r o t e o b a c t e r i a ，a l p h a p r o t e o b a c t e r i a 、f l a v o b a c t e r i a l e s 等类群，其中低水力剪切条件与高水力剪切条件下污泥优势菌分别与c h r y s e o b a c t e r i u m s p 和b a l n e i m o n a ss p 具有较高的同源性，分析认为不同菌株直接影响e p s 组分含量， 进而影响污泥的絮凝性能与好氧颗粒污泥的结构特性。 关键词：好氧颗粒污泥；胞外多聚物；结构稳定性；水力剪切力 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a t i o n , an o v e le n v i r o n m e n t a lb i o t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，w a si n c r e a s i n g l y d r a w i n gi n t e r e s ti nt h ea r e ao fb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，i tw a se x c i t i n gr e s e a r c hw o r k t h a te x p l o r e db e y o n dt h el i m i t so fa e r o b i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts u c ha st r e a t m e n to fh i g h s t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e r s ，r e m o v a lo fn i t r o g e n ，p h o s p h a t e ，a n db i o r e m e d i a t i o no ft o x i c a r o m a t i cp o l l u t a n t s b u tt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fa e r o b i cg r a n u l ei su n c l e a r , a n da c c o r d a n t v i e w p o i n ti st h a tt h ef o r m a t i o no fg r a n u l ei sr e l a t e dt oe 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 ) t h ee f f e c to fe p so nf o r m a t i o na n ds t a b i l i z a t i o no fa e r o b i cg r a n u l ew e r ed i s c u s s e di n t h ep a p e r r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 s i xd i f f e r e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lm e t h o d sw e r ec h o s e nf o re x t r a c t i n ge p sf r o m a c t i v a t e d s l u d g e a n d g r a n u l a rs l u d g e t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i n ge x t r a c t i o n e f f i c i e n c ya n dd e s t r u c t i o no fc e l l sa b o u td i f f e r e n te x t r a c t i o nm e t h o d s ，6 0 w a t e r - b a t h i n g w a sf i n a l l yc h o s e nf o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fe p s a n a l y s i sf o re p se x t r a c t i o nb yd i f f e r e n t m e t h o d ss h o w e dt h a tq u a n t i t yo fe p si na e r o b i cg r a n u l e sw a sh ig h e rt h a nt h a to fa c t i v a t e d s l u d g e ，a n dp r o t e i n sw e r e m o r ed o m i n a n tt h a np o l y s a c c h a r i d e si na l ls l u d g es a m p l e s 2 t h es a b rr e a c t o rw a ss t a r t e du n d e rl o wh y d r a u l i cs h e a rs t r e s s ( s t a g ei ) u n d e rt h e c o m b i n e dr e g u l a t i o no fh y d r a u l i ca n dl o a d i n gs e l e c t i o np r e s s u r e s ，t h ec o n t r o lo ff i l a m e n t o u s s l u d g eb u l k i n g ( s t a g ei i ) a n dm u l t i p l i c a t i o no fa e r o b i cg r a n u l e s ( s t a g e l i i ) w e r ee f f e c t i v e l y r e a l i z e d e v e n t u a l l y ，t h et i n ya n dh o m o g e n e o u sa e r o b i cg r a n u l e sw e r ef o r m e dw h e nt h ec n r a t i ow a sa d j u s t e df r o m16t o2 8 ( s t a g ei v ) a e r o b i cg r a n u l a t i o np r o c e s sw a sa c c o m p a n i e d b yt h ei m p r o v e m e n to fs e u l i n ga b i l i t y ，i n c r e a s e so fb i o m a s sc o n c e n t r a t i o n ，a n dd e c r e a s eo f s l u d g el o a d i n gr a t e m o r ea e r o b i cg r a n u l e sw e r ef o u n di ns t a g ei i i ，a n dt h ee p sc o n t e n ti n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ， e s p e c i a l l yp nc o n t e n tw h i c hw a sr a i s e df r o m6 1 8m g g v s s t o1 4 7 7m g g v s s t h e p r o c e s sw a sa c c o m p a n i e dw i t 量l t h ei n c r e a s i n gl a n e si nt h es d s - p a g e i ns t a g ei v ，t h e r e l a t i v ec o n t e n to fp sw a si n c r e a s e d ，a n dc o m p l e t eg r a n u l a t i o nw a so b t a i n e di nt h er e a c t o r ， w i t hp n p sd e c r e a s e d t h eg r a n u l a rr e a c t o ro p e r a t e dv e r yw e l lw i t ht h ep n p sr a t i o n c o n t r o l l e db e t w e e n1 0a n d1 4 t h u s ，i tw a se x p e c t e dt h a tt h ei n c r e a s eo fp nc o n t e n ta n d p r o t e i n sv a r i e t i e sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n i t i a lf o r m a t i o no ft h eg r a n u l e ，t h ep n p s r a t i oh a da ng r e a ti n f l u e n c eo nt h es u r f a c ec h a r g ea n dh y d r o p h o b i c i t yo fa e r o b i cg r a n u l e ，a n d c o u l de f f e c t i v e l yr e g u l a t ea g g r e g a t i o nm o r p h o l o g yo ft h em i c r o o r g a n i s m ，a p p r o p r i a t ep n p s c o u l de n h a n c es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo ft h eg r a n u l e s 3 t h eh y d r a u l i cs h e a rs t r e s sh a dag r e a ti n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r a ls t a b i l i t yo fa e r o b i c g r a n u l e sa n dp r o d u c t i o no fe p s w h e nr 1w a so p e r a t e du n d e rl o w e rh y d r a u l i cs h e a rs t r e s s ( s u r f i c i a lg a sv e l o c i t yw a s0 5 e r a s ) ，t h ep sc o n t e n tw a sd e c r e a s e d ，h o w e v e r ，t h ep nc o n t e n t w a si n c r e a s e d ，w i t ht h er a t i oo f p n p ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dr e a c h i n ga sh i g ha s3 01 ，w h i c h i 浙江大学硕士学位论文 w a sa c c o m p a l 3 i e db yr a p i dd i s i n t e g r a t i o no ft h eg r a n u l e s w h e nr 2a n dr 3w e r eo p e r a t e d u n d e rh i g h e rh y d r a u l i cs h e a rs t r e s s ( s u r f i c i a lg a sv e l o c i t yi nr 2a n dr 3w e r e1 5 c m sa n d 3 5 c m s ，r e s p e c t i v e l y ) ，p na n dp sw e r eb o t hi n c r e a s e dt os o m ed e g r e e ，ar e l a t i v e l ys t a b l e r a t i oo fp n p sw a so b t a i n e di n 也et w or e a c t o r s a c h i e v e d1 3 9 - 1 81a n d1 ，15 - 1 3 9 r e s p e c t i v e l y ，a tt h es a m et i m et h eg r a n u l e s t r u c t u r ew a sm a i n t a i n e di nt h et w or e a c t o r s m o r e o v e r , c o m p a r e dr 2w i t hr 3 ，i tw a sf o u n dt h a tr e l a t i v eh i g h e rc o n t e n to fp s ，t h e nl o w e r p n p sr a t i oi ne p sc o u l di m p r o v et h es t r e n g t ho fa e r o b i cg r a n u l e st oe n s u r et h a tm o r e g r a n u l e sw e r eo b t a i n e d t h u s ，a p p r o p r i a t er a t i oo fp n p sw a si m p o r t a n tf o r t h em a i n t e n a n c e o fg r a n u l es t r u c t u r e ，w h i l el o w e rp n p sr a t i ow a sb e n e f i c i a lt ot h es t a b i l i t ya n dr e i n f o r c e m e n t o fa e r o b i cg r a n u l e s i nas i n g l eo p e r a t i o np e r i o d ，p sw a ss i g n i f i c a n t l yc o n s u m e du n d e rh i g h e r h y d r a u l i cs h e a rs t r e s s w h e nt h e r ew a sal o n g e rs t a r v a t i o nt i m e ，t h ep r o d u c t i o n a n d c o n s u m p t i o no fp sm i g h tb er e s u l t e db ym i c r o b e s r e s i s t a n c et o h o s t i l ee n v i r o n m e n t a l t h r o u g hc o n t r o l l i n gt h e i re n e r g ym e t a b o l i s m t h ep r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o no fp sk e p tt h e p n p sr a t i ow i t h i nap a r t i c u l a rr a n g ed u r i n gt h eo p e r a t i o np e r i o dt or e a l i z et h es t a b i l i t yo f g r a n u l es t r u c t u r e t h ei n - s i t uf l u o r e s c e n c es t a i n i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tp n w a sd i s t r i b u t e di n t h ew h o l ez o o g l o e a ，a n dp sw a sm a i n l yd i s t r i b u t e da m o n gt h ez o o g l o e a s op na n dp sw e r e e x p e c t e dt ob u i l dt h eg r a n u l es t r u c t u r eb yj o i n t i n gt o g e t h e r ，a n df o r m e dt h eb a c k b o n eo ft h e w h o l e g r a n u l ew i t he m b e d d e dc e l l st os u p p o r tt h em e c h a n i c a ls t a b i l i t yo fg r a n u l e s p c r d g g ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tm i c r o b i a lp o p u l a t i o nd i f f e r e do b v i o u s l yi n a l lt h r e e r e a c t o r s ，w h i c ho p e r a t e du n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cs h e a rs t r e s s p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tb e t a p r o t e o b a c t e r i a ，a l p h a p r o t e o b a c t e r i a ，f l a v o b a c t e r i a l e sw e r et h ed o m i n a n t c l a s s e si nt h et h r e er e a c t o r s ，a n dt h ep r e d o m i n a n tb a c t e r i a si nl o wa n dh i g hh y d r a u l i cs h e a r s t r e s sc o n d i t i o n sw e r ec l o s e l yr e l a t e dt o c h r y s e o b a c t e r i u ms p a n d b a l n e i m o n a s s p r e s p e c t i v e l y i tw a se x p e c t e dt h a tf l o c c u l a b i l i t yo ft h es l u d g ew a sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ee p s ， w h i c hf i n a l l yd e t e r m i n e dt h em a i n t e n a n c eo ft h eg r a n u l es t r u c t u r e 。 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 rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ；s t r u c t u r a ls t a b i l i t y ； h y d r a u l i cs h e a rs t r e s s 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝江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： 国毛、嗡 签字目期：2 0 i o 年口弓月门e t 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鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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： 围毛、弋角 导师签名： 签字日期：加l o 年p 弓月1 1e l 签字日期：7 幻。年多月f 矿 浙江大学硕士学位论文 致谢 时光在不知不觉中转瞬而逝。在浙江大学环资学院，我真切感受到这里严谨的科研 作风，浓厚的学术氛围，也让我深深地意识到自己的差距与不足。过去的两年半是我二 十几年的学习生涯中至宝贵的财富，感谢这里的学习生活所给予我的一切，也感谢身边 给予我帮助的每一个人。 首先感谢我的导师徐向阳教授，老师勤勉的工作精神、开阔的视野及严谨的治学态 度皆让学生深受裨益，敬佩不已。两年半的学习生涯中对老师严厉而精准的教诲深刻铭 记，也感动于老师对学生的指导和鼓励。在今后的学习、工作中，定当谨记老师的教诲， 督促自己不断进步。在此谨向徐老师致以最真挚的感谢! 感谢郑平教授、胡宝兰副教授的指导与帮助! 感谢实验室的兄弟姐妹，特别感谢师兄朱亮博士在实验开展及论文撰写过程中所给 予的帮助与耐心指导，感谢林海转师姐、李炳智师兄的关心和帮助，与你们相处的点点 滴滴都是我存留心底的美好回忆。感谢课题组刘钢、黄可谈、邢硕、冯丽娟、丁炜、徐 京、俞言文、阮赞杰、孔赞、戚韩英、何俊杰等兄弟姐妹，是你们让我感受到了这个大 集体的温暖。 感谢室友刘晶静，周欲飞，李仪，及硕士班同学汪彩华，姜晨竞、臧丽丽，李津津， 史琳娜、余一等，感谢这些日子里你们所给予的快乐与砥砺。 田志娟 2 0 1o 年1 月 于浙江大学华家池校区 浙江大学硕士学位论文 1 1 好氧污泥颗粒化技术 第一章文献综述 好氧颗粒污泥是好氧污泥微生物通过自身固定而形成的一种特殊生物聚集 体形式，其颗粒化过程涉及了生物、物理、化学等过程。与普通活性污泥相比， 好氧颗粒污泥结构密实，具有规则的外形与良好的沉降性，微生物种群丰富，持 留较高的生物量，同时去除高浓度c o d 、n 、p 污染物及承受高负荷冲击等优点， 克服了传统活性污泥本身的工艺缺陷，业已成为废水生物处理领域的研究新热点 ( b e u ne ta 1 ，19 9 9 ；b e u ne ta 1 ，2 0 0 2 ；a d a ve ta 1 ，2 0 0 9 a , b ，c ) 。自m i s h i m a 和 n a k a m u r a ( 1 9 9 1 ) 在连续流好氧生物反应器发现污泥颗粒化以后，国内外研究 者在颗粒污泥结构特性、微生物组成、形成机理、模型模拟等方面开展大量研究 ( m o r g e n r o t he ta 1 ，1 9 9 7 ；b e u ne ta 1 ，2 0 0 2 ；l i ua n dt a y ，2 0 0 7 ) ，并被应用于有机 废水处理，n 、p 以及有毒有机污染物的降解等( j i a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ；m o ye ta 1 ，2 0 0 2 ； a d a ve ta 1 ，2 0 0 9 c ) 。 1 1 1 好氧颗粒污泥理化特性 1 、颗粒外观形态 好氧颗粒污泥一般呈规则的球形或椭球形，具有清晰的边界。因所含无机元 素的种类差异，呈现橙黄色、浅黄色等不同的颜色。 好氧颗粒污泥粒径分布较广，平均粒径为0 5 5 0 m m ( l i ua n dt a y , 2 0 0 2 ) ， 其大小通常与细胞生长、水力剪切力等因素有关。有研究表明，颗粒污泥大小影 响反应运行的性能，颗粒太小易被洗出反应器，且难以形成厌氧或缺氧区，污泥 微生物种类相对较少，影响废水处理效果；而颗粒粒径太大易发生解体现象，主 要与传质限制、结构松散等因素有关( t o he ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 2 、污泥沉降性能 污泥沉降性能决定了废水生物处理系统的泥水分离效果，是重要的工艺指 标。好氧颗粒污泥的含水率一般为9 7 - 9 8 ，低于普通活性污泥( 9 9 以上) 。其 具有良好的沉降性能，沉降速率为2 5 7 0m h 1 ，s v i 小于5 0m l g s s ，与厌氧颗 浙江大学硕士学位论文 粒接近，而普通活性污泥沉降速率为8 1 0m - h ，s v l n1 0 0 1 5 0m l g s s 以( a d a v e ta 1 ，2 0 0 8 b ；q i ne ta 1 ，2 0 0 4 a ) 。好氧颗粒污泥良好的沉降性使得反应器持留较高 的污泥量，可有效提高废水处理性能，维持反应器的稳定运行。好氧颗粒污泥的 沉降性与颗粒直径和结构密切相关，为此，l i u 等( 2 0 0 5 ) 建立好氧颗粒沉降速 率与污泥沉降指数、平均粒径及颗粒污泥浓度的模型： ，2 忙a e - p x 二l ( 1 ) s v i 其中：v s 为沉降速率，助污泥浓度，幽为颗粒污泥直径，a 为常数，s v i 为污泥沉降指数。该模型的建立有望为颗粒化反应器调控提供依据。 3 、颗粒机械强度 颗粒机械强度对于好氧颗粒污泥具有非常重要的作用，较高的颗粒机械强度 可维持颗粒污泥稳定的结构，有效抵抗外界的冲击( y a n ge ta 1 ，2 0 0 5 ) 。好氧颗 粒污泥的机械强度通常由抗压强度和抗剪切强度表征，其中抗压强度定义为颗粒 污泥破裂时单位表面积所受到的最大的挤压力( 郑煜铭，2 0 0 6 ) ；抗剪切强度则 为颗粒污泥在不同强度搅拌或涡旋后的结构完整程度，以完整性系数( i n t e g r i t y c o e f f i c i e n t ，i c ) 来表示( g h a n g r e k a r , e ta 1 ，19 9 6 ) ： i c t = k 竖1 1 0 0 ( 2 ) i 瓯l 其中：s s o 为总污泥量，s s , 为涡旋f 分钟后上清液中的污泥含量。 好氧颗粒污泥的机械强度主要取决于菌胶团之间的相互作用力，受d l v o 作 用力、e p s 与阳离子间的吸附架桥作用、微生物菌群结构等影响( l i ue ta 1 ，2 0 0 9 ) 。 此外，还与颗粒污泥密度、大小、表面形状等物理指标密切相关。z h e n g 等( 2 0 0 6 ) 对粒径范围在1 - 4 m m 的颗粒污泥抗压强度研究发现，粒径为2 m m 颗粒污泥的抗 压性能最好，可承受0 2 4n m m - 2 的压力。有研究表明，细菌为优势菌群的好氧颗 粒污泥具有高度密实的结构，机械强度高，其颗粒污泥抗剪切强度为9 6 8 ；而 真菌为优势菌属的颗粒污泥抗剪切强度仅为8 6 9 ( t a ye ta 1 ，2 0 0 4 b ；x i a oe ta 1 ， 2 0 0 8 ) 。r e n 等( 2 0 0 8 ) 对不同钙组分含量的颗粒污泥机械强度比较发现，钙离子 含量为8 6 8 1 5 1 1 m g g v s s 、2 5 4 0 0m g g v s s 。1 的两种颗粒污泥抗压强度分别 为o 1 6 o 4 2n m m 乞、0 0 0 3 - 4 ) 0 4n m i i l ，揭示钙离子的沉积可增强好氧颗粒污 2 浙江大学硕士学位论文 泥的抗压强度。 4 ，颗粒多孔性和渗透特性 一系列显微镜与电镜照片揭示，好氧颗粒污泥除了具有光滑规则的外表面 外，其内部还分布大量的多孔结构。大量孔洞的存在有效增大好氧颗粒污泥的比 表面积，并- 9 营养物质传输、代谢产物外排以及颗粒活性密切相关( z h a n ga n dy u ， 2 0 0 7 ；l e m a i r ee ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 c h e n 等( 2 0 0 7 ) 采用微电极、共聚焦显微镜( c l s m ) 等技术对好氧颗粒污 泥内部结构进行分析，发现颗粒污泥的层状结构及多孔性。z h a n g 和y u ( 2 0 0 7 ) 分别以聚乙烯二醇、蒸馏水分别为溶质和流动相，利用排阻色谱法( s e c ) 研究 了好氧颗粒污泥的多孔性和渗透特性，发现好氧颗粒污泥的孔隙率在6 8 9 3 之 间；其排阻极限与颗粒污泥大小有关，小粒径颗粒污泥( o 2 o 6 m m ) 的限渗入 分子量大小为1 3 7 k d a ，粒径分别为0 6 0 9 m m 、0 9 1 5 m m 的颗粒污泥的排阻极 限分别为7 6 k d a 、2 9 k d a ，表明颗粒污泥粒径越小其排阻极限越高。 m u 等( 2 0 0 8 ) 基于多孔性与渗透性提出颗粒污泥的阻力系数计算方法，并 比较分析了好氧颗粒污泥、厌氧颗粒污泥、光滑刚性球体以及附着生物膜颗粒的 阻力系数( 图1 1 ) ，发现两种颗粒污泥均具有较好的渗透性，有利于营养物质渗 入颗粒内部；进一步研究发现，厌氧颗粒污泥胞外多糖、胞外蛋白含量较高的产 氢颗粒污泥，其空隙率( 分形维数为1 7 8 ) 明显小于产甲烷颗粒( 分形维数为2 8 3 ) ( m ue ta 1 ，2 0 0 6 a ，b ；z h a n ga n dy u ，2 0 0 7 ) ，揭示颗粒污泥内部孔洞的堵塞可能是 造成成熟颗粒污泥解体的直接原因。 r 寥 图1 1 颗粒污泥、光滑刚性球体与附着生物膜的阻力系数比较 ( m ue ta 1 2 0 0 8 ) 浙江大学硕士学位论文 5 、疏水性与表面电荷 细胞表面疏水性及表面电荷是促进细菌聚集的重要因素，在细胞自身固定化 过程中具有重要的作用。热力学分析结果表明，细胞表面疏水性的提高导致细胞 表面多余g i b b s 自由能减少，促使细胞的聚集，最终形成生物聚集体( l i ue ta 1 ， 2 0 0 4 b ) 。研究发现好氧颗粒污泥的疏水性比普通絮体污泥高2 倍，细胞表面疏水 性可能是好氧颗粒污泥形成的原始动力( l i ue ta 1 ，2 0 0 4 a ) 。但有关细胞表面疏水 性对好氧污泥颗粒化的作用机理并不明确。而细胞表面电荷较低时污泥粒子间的 静电斥力减小，有利于污泥粒子问相互接近聚集形成稳定的颗粒污泥结构。研究 发现好氧污泥颗粒化过程伴随着污泥表面电荷的下降，成熟好氧颗粒污泥的表面 电荷低于接种絮体污泥( z h a n ge ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 此外，有研究者结合胞外多聚物( e p s ) 分析发现，微生物在生长过程中分 泌大量e p s ，其中脂类、蛋白质、腐殖酸、核酸等疏水性物质增加了细胞的表面 疏水性，细胞表面电荷下降，好氧颗粒污泥得以快速形成( t s u n e d ae ta 1 ，2 0 0 3 ； z h a n ge ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 6 、流变性 流变性是指在一定的机械应力作用下物体的变形情况，在污泥结构表征中主 要用以反映其非牛顿特性。近年来，污泥悬浮体系流变学特性研究日益受到研究 者的关注( d e n t e l ，1 9 9 7 ；s e y s s i e c qe ta 1 ，2 0 0 3 ；p e v e r ee ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 研究表明，活性污泥属于非牛顿流体，具有剪切稀化的特性；传氧能力、沉 降与脱水性能等均与其流变学特性有一定的相关性；污泥脱水性能反映了污泥流 变性能，污泥调理是改变其流变性能的手段，絮凝与超声是污泥调理的方法，可 有效改变污泥流变性，减小污泥与水的亲合力( c h ue ta 1 ，2 0 0 1 ；薛向东等，2 0 0 6 ； 张新瑜等，2 0 0 8 ) 。 好氧颗粒污泥独特性质影响废水生物处理系统的水动力状况、物质传输、能 量需求等，研究其流变特性有助于解析颗粒污泥性质。s u 和y u ( 2 0 0 5 ) 对不同 粒径好氧颗粒污泥的流变学特性开展了系统研究，发现颗粒污泥呈粘塑性，当屈 服应力超过一定值时颗粒发生流变，其流动曲线与h e r s c h e l - b u c k l e y 方程相吻 合： r = 研+ 矽 ( 3 ) 4 浙江大学硕士学位论文 其中：r 为剪切力，i y 为屈服应力，y 为剪切率，k 和m 为常数。 同时，研究还发现好氧颗粒污泥呈剪切稀化的特性，污泥浓度一定时，污泥 s v i 越小、比重越高，其表观粘度越小( 表1 1 ，s ua n dy u ，2 0 0 5 ) 表1 - 1 三种颗粒污泥样品的特性 幸温度为2 5 。c ，污泥浓度为2 5 9 l 以 在此基础上，s e v i o u r 等( 2 0 0 9 a ) 研究发现好氧颗粒污泥具有粘弹性固体特 性，可将颗粒视为水凝胶( h y d r o g e l ) ；在p h 7 、温度2 2 。c 条件下分析了颗粒污泥 流变性，发现其冥律指数为o 9 2 ，符合典型聚合物凝胶的性质。比较颗粒污泥和 絮体污泥流变特性发现好氧颗粒污泥胞外多糖的流变特征使颗粒污泥具有强凝 胶特征，这是好氧颗粒污泥有别于活性污泥絮体的特征之一( s e v i o u re ta 1 ， 2 0 0 9 b ) 。 7 、储存稳定性 为好氧颗粒污泥技术应用于实际工程中，研究短期或长期储存对颗粒污泥结 构、活性的影响十分重要。z h u 和w i l d e r e r ( 2 0 0 3 ) 研究发现以葡萄糖和蛋白胨为 基质培养的好氧颗粒污泥，厌氧保存7 n 后颗粒污泥外部形态无明显变化，比耗 氧速率在重新启动反应器l 周后即恢复。w a n g 等( 2 0 0 8 ) 发现好氧颗粒污泥低温 厌氧保存7 个月后，颗粒污泥的形态、脱氮性能、c o d 去除性能在2 周后即得到恢 复。a d a v ( 2 0 0 7 ) 等发现2 0 。c 储存可最好地保持好氧颗粒污泥的结构稳定性和 活性。厌氧或厌氧好氧交替条件下，活性污泥微生物具有较低的衰变速率( l ue t a 1 ，2 0 0 7 ) 。但p i j u a n - 等( 2 0 0 9 ) 发现与厌氧储存相比，厌氧好氧交替条件下好氧 颗粒污泥e p s 降解较快，其结构稳定性变化较大，两种储存条件下，氨氧化细菌 活性分别降低了2 0 、3 6 ，但颗粒污泥形态、活性可在反应器重新启动1 周、3 周后得到恢复。已有研究均表明好氧颗粒污泥具有较好的储存稳定性，好氧、厌 氧条件均适宜好氧颗粒污泥的储存。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 好氧颗粒污泥微生物学特性 众多研究表明，好氧颗粒污泥内微生物相十分丰富，除普通活性污泥中常见 的细菌外，还有好氧硫化菌、球衣菌属以及一些厌氧菌等。好氧颗粒污泥外部附 着生长一些丝状菌，具有类似于网络架桥功能，包裹和吸咐细菌和其它一些微生 物( l i ua n dt a y , 2 0 0 4oj i a n g 等( 2 0 0 4 a ) 从成熟好氧颗粒污泥优势菌有中分离 出1 0 种菌株，其中6 株属于f l - p r o t e o b a c t e r i a 类群，3 株属于a c t i n o b a c t e r i a 类群，1 株属于7 - p r o t e o b a c t e r i a 类群，而苯酚降解菌- 与p r o t e o b a c t e r i a 类群中的细菌具有较 高的同源性。w h i t e l e y 和b a i l e y ( 2 0 0 0 ) 对降解苯酚颗粒污泥的微生物种群分析 发现，大部分细菌属于- f l - p r o t e o b a c t e r i u m 和y - p r o t e o b a c t e r i u m 。 好氧颗粒污泥微生物种群空间分布上区域化、层次化特征性明显。研究发现 专性好氧的氨氧化菌n i t r o s o m o n a ss p p 主要分布在颗粒表层7 0 1 0 0 “m 区问，距颗 粒表层8 0 0 n 9 0 0 ”m 区间分布了厌氧微生物，而8 0 0 1 0 0 0 肚m 区间则主要为死细胞。 t a y 等( 2 0 0 2 d ) 、y a n g 等( 2 0 0 3 ) 推测好氧颗粒污泥内部的厌氧或兼氧微生物在 生长代谢过程中产生的一些有机酸及气体，可能导致好氧颗粒污泥结构的破坏或 解体( t o he ta 1 ，2 0 0 3 ；t a ye ta 1 ，2 0 0 2 d ；y a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 w e b e r 等( 2 0 0 7 ) 综合运用s e m 、f i s h 及c l s m 等技术，研究处理啤酒厂废 水好氧颗粒污泥反应器内的微生物种群结构与分布发现，颗粒污泥由细菌、真核 生物组成；细菌是主要的微生物相，而真核生物可能在好氧颗粒形成过程起到了 骨架作用( 图1 2 ) ；颗粒污泥内部含有大量丝状菌，f i s h 结果揭示大部分丝状菌 属于- t h i o t h r i x 或s p h a e r o t i l u sn a t a n s 。n i 等( 2 0 0 8 ) 通过数学模型构建描述了s b r 好氧颗粒污泥内自养菌和异养菌的生长状况，揭示自养菌主要在颗粒内部，而异 养菌则在整个颗粒中均有分布，其比例受进水基质及氨氮浓度的影响。 6 浙扛大学碗士学证论立 霸 浙江大学硕十学位