（环境工程专业论文）生物强化膜生物反应器处理溴氨酸废水的研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 本论文的研究目的是考察用一株鞘氨醇单胞菌( s p h i n g o m o n a sx e n o p h a g aq y y ) 强化 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 处理溴氨酸废水的降解特性、污泥特性、菌群 生理状态和群落变化，并推测该系统降解溴氨酸的途径。通过揭示反应器宏观特性和微 观结构之间的内在关系为实际废水处理提供理论依据。 对活性污泥连续式m b r 系统处理溴氨酸进行了研究，考察了驯化期、稳定运行期、 预生物强化期三个阶段的特性。发现驯化过程中，活性污泥浓度下降；脱氢酶活性下降 并保持在较低的水平；胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 中蛋白质和多 糖浓度则有所升高；驯化期结束后，活性污泥对溴氨酸的脱色率和c o d 去除率分别达 9 0 和5 0 以上。核糖体基因间隔序列分析( r i b o s o m a li n t e r g e n i cs e q u e n c ea n a l y s i s ， r i s 显示活性污泥群落呈现动态变化，生物多样性下降。在稳定运行期，当进水浓度 增加后，出现黄色产物，导致脱色率下降。上清液和膜出水的脱色率分别约为5 0 和 6 5 ，相应的c o d 去除率分别约为2 5 和5 0 。脱氢酶活性和e p s 浓度均呈现先降低 后升高的趋势。在此基础上，投加菌株q y y 进行预强化，结果表明投菌后在进水负荷 增加的条件下，上清液和膜出水的溴氨酸脱色率、c o d 去除率同投菌前基本保持一致； 脱氢酶活性和胞外聚合物浓度略有波动，但是运行一段时间后即恢复到投菌前水平。通 过r i s a 进行群落分析推测菌株q y y 和原系统中的优势菌为同种，可以在系统中稳定 存在，并且不对原始菌群结构造成较大影响。 考察了生物强化连续式m b r 的启动期特性及不同操作参数对降解特性、污泥特性、 菌群生理状态和群落结构的影响。结果表明采用生物强化可以使m b r 迅速启动并稳定 运行。在启动期，污泥浓度下降；沉降性和絮凝性变好：脱氢酶活性下降并稳定在一个 较低的水平上；e p s 中蛋白和多糖含量略有上升；启动期末，膜出水脱色率可达9 0 以 上，c o d 去除率可达6 0 左右。r i s a 指纹分析表明污泥系统多样性减少，形成了降解 溴氨酸的功能群落。通过考察不同参数的影响得出：在溴氨酸浓度3 5 0 m g l ，不控温， 曝气量0 8 l m i n ，h r t1 4 5 h ，p h = 7 时可以达到较好的处理效果和较低的能耗。r i s a 表明随着这些参数的变化，菌群微观结构发生动态变化，其变化可以很好的解释系统相 应的宏观特性的变化。 通过对连续运行的降解机理分析，针对连续运行产物易聚合的缺点，提出了更合理 的间歇运行模式。生物强化间歇式m b r ( s m b r ) 也可以很快启动成功并稳定运行。在增 加进水溴氨酸浓度为3 5 0 m g l 的情况下，上清液和膜出水脱色率仍能达到9 0 以上，且 未发现黄色出水产物；上清液和膜出水的c o d 去除率也能分别达到5 2 和6 2 左右； 邢林林：生物强化膜生物反应器处理溴氨酸废水的研究 脱氢酶活性下降并维持在一定水平；e p s 呈逐渐上升并趋于稳定：沉降性能和絮凝性能 均逐渐变好。采用r i s a 进行群落分析表明生物强化间歇式m b r 从启动到稳定运行， 系统群落发生巨大变化，变化趋势和连续运行模式下相似。形成的溴氨酸降解功能菌群 多样性下降。 利用紫外可见光谱、液相色谱质谱等手段对生物强化m b r 降解溴氨酸的机理进行 了研究，发现菌群较纯菌降解溴氨酸机理更复杂。间歇运行模式和连续运行模式下迸水 溴氨酸浓度较低时，溴氨酸在菌群的作用下首先发生羟化和开环，然后不含取代基的一 端完全被矿化，生成带氨基( 或羟胺) 、羟基、磺酸基、溴的苯环物质和其他小分子物质； 但是在连续运行模式下进水滇氨酸浓度较高时，推测上述产物易发生聚合。 对出水产物进行后处理，发现臭氧一光催化( t i 0 2 u v 0 3 ) 联用技术对于出水产物处理 效果最好，基本可将出水产物完全矿化。形成了一套生物强化m b r - 臭氧一光催化联用工 艺。 关键词：生物强化；膜生物反应器；溴氨酸；核糖体基因间隔序列分析；污泥特性 人连理工大学颂士研究生学僦论文 s t u d y 0 1 1t h et r e a t m e n to fb r o m o a m i n ea c i dw a s t e w a t e rb yt h e b i o a u g m e n t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oi n v e s t i g a t et h ed e g r a d a b i l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c so f a c t i v a t e ds l u d g e ，t h ep h y s i o l o g i c a ls t a t ea n dt h es t r u c t u r eo fm i c r o b i a lc o m m u n i t yi nt h e m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r lb i o a u g m e n t e dw i t ht h e s t r a i ns p h i n g o m o n a sx e n o p h a g aq y y t r e a t i n gb r o m o a m i n ea c i d ( b a a ) w a s t e w a t e r 。a n dt h ep o s s i b l em e t a b o l i cp a t h w a yo f b a ai n t h e s y s t e m i st r i e dt ob e p r e s u m e d f i n a l l y t h e i n h e r e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m a c r o s c o p i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em i c r o c o s m i cs t r u c t u r ei st r i e dt og a i nt op r o v i d et h e t h e o r e t i c a le v i d e n c ef o rt h ea c t u a li n d u s t r i a lw a s t e w a t e r 耵l em b rw i t ha c t i v a t e ds l u d g ei su s e dt ot r e a tb a aw a s t e w a t e r n ec h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g t h e p h a s e s o fa c c l i m a t i o n ，s t a b l e o p e r a t i o n ，p r e - b i o a u g m e n t a t i o n a r e s t u d i e d ， r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a td u r i n gt h ea c c l i m a t i o np h a s e 、t h ec o n c e n t r a f i o no f a c t i v a t e ds l u d g ed e c r e a s e s ，t h ed e h y d r o g e n a s ea c f i v i t yd e c l i n e sa n dk e e p sa ta1 0 wl e v e l ， h o w e v e rt h e p r o t e i n a n d c a r b o h y d r a t ec o n c e n t r a l i o n si nt h ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) b o t hi n c r e a s e a f t e rt h ea c c l i m a t i o n ，t h er e m o v a l so fb a aa n dc o dr e a c h 9 0 a n d5 0 ，r e s p e c t i v e l y r i b o s o m a li n t e r g e n i cs e q u e n c ea n a l y s i s ( r i s a ) s h o w st h a tt h e r e a r ed y n a m i cc h a n g e si nt h em i c r o b i a lc o m m u n i t ya n dt h eg e n e t i cd i v e r s i t yo ft h ea c t i v a t e d s l u d g ec o m m u n i t yi sd e c l i n e d d u r i n gt h e s t a b l ep h a s e ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n _ f l u e n t c o n c e n t r a t i o n ，t h ee f f i u e n tp r e s e n t sap r o d u c tw i t hy e l l o wc o l o r ，w h i c hr e s u l t si nad e c l i n eo f d e c o l o r a z a t i o nr a t eo fb a a n l cd e c o l o r a z a t i o nr a t e so f s u p e m a t a n ta n dt h ee m u e n ta r e5 0 a n d6 5 ，r e s p e c t i v e l y a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o dr e m o v a l sa r ea b o u t2 5 a n d5 0 ， r e s p e c t i v e l y 刀泔d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fp r o t e i na n dc a r b o h y d r a t e i ne p sb o t hd e c r e a s ef i r s ta n dt h e ni n c r e a s e p r o b i o a u g m e n t a f i o ni sc a r r i e do u to nt h eb a s i s a b o v e t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e ri n o c u l a f t o n t h ed e c o l o r i z a t i o nr a t ea n dt h ec o dr e m o v a l a l es i 商j a rt ot h o s eo ft h es y s t e mb e f o r eb i o a n g m e n t a t i o nw i t ht h ej n f l u e n ti o a di n c r e a s e t h e d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fp r o t e i na n dc a r b o h y d r a t ei ne p sf l u c t u a t e s l i g h t l ya f t e ri n o c u l a t i o n ，a n dt h e nc o m eb a c kt ot h ep r e v i o u sl e v e la f t e rap e r i o do fo p e r a t i o n r i s as h o w st h a tt h ei n o c u l a t e ds t r a i nq y yc a ns t e a d i l ys u r v i v ei nt h es y s t e ma n dd o e sn o t a f f e c tt h ei n d i g e n o u sp o p u l a t i o n so f t h em i c r o b i a lc o m m u n i t y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a r t u pp h a s e ，t h ee f f e c t so fv a r i o u so p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so nt h e s y s t e ma r ei n v e s t i g a t e di nt h ec o n t i n u o u sb i o a u g m e n t e dm t 3 r t h er e s u l t si n d i c a t et h a t b i o a u g m e n t a t i o nc a na c c e l e r a t es t a r m po ft h em b ra n dm a i n t 撕nr e l a t i v e l ys t a b l eo p e r a t i o n 邢林林：生物强化膜生物反应器处理溴氨酸废水的研究 d u r i n gt h es t a r t u pp h a s e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ed e c r e a s e s ，t h es e t t l ea n d f l o c c u l a t i o na b i l i t ya r eb e c o m i n gb e t t e r , t h ed e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yd e c l i n e sa n dk e e p sa ta l o wl e v e l ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fp r o t e i na n dc a r b o h y d r a t ei ne p si n c r e a s e a tt h ee n do f t h es t a r t u pp h a s e ，t h ed e c o l o r a z a t i o nr a t eo fb a ai so v e r9 0 ，a n dt h ec o dr e m o v a li so v e r 5 0 r i s as h o w st h a tt h eg e n e t i cd i v e r s i t yo ft h em i c r o b i a lc o m m u n i t yd e c r e a s e s t h eb a a d e g r a d i n gf u n c t i o n a lc o m m u n i t yi sd e v e l o p e d t h eo p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r eg a i n e d b ys t u d i n gt h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so nt h es y s t e m ：b a ac o n c e n 廿a f i o n3 5 0 m g l ，w i t h o u tt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a e r a t i o na m o u n t0 8l m i n ，h r t1 4 5h ，p h = 7 r i s a s h o w st h a tt h ed y n a m i cc h a n g e so ft h ec o m m u n i t ys t r u c t u r ea r ca p p e a r e da st h eo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r sc h a n g i n g ，w h i c hc a nw e l le x p l a i nt h ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e so fm a c r o s c o p i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ed e g r a d a t i v em e c h a n i s mo ft h ec o n t i n u o u so p e r a t i o n ，t h e s e q u n c i n go p e r a t i o n a lm o d ei sp u tf o r w a r da i ma tt h ep o l y m e r i z a t i o no ft h ep r o d u c t s t h e b i o a u g m a n t e ds e q u n c i n gm b r ( s m b 鼢c a na l s os t a r t u pr a p i d l ya n do p e r a t es t a b l y w h e nt h e b a ac o n c e n 仃a t i o ni su pt o3 5 0m e j l ，t h ed e c o l o r i z a f i o nr a t e so fs u p e m a t a n ta n de f f l u e n ta r c b o t hm o r et h a n9 0 a n dd oy e l l o wp r o d u c ti sf o u n d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o dr e m o v a l s a r e5 2 a n d6 2 ，r e s p e c t i v e l y t h es e t t l ea n df l o c c u l a t i o na b i l i t ya r eb e c o m i n gb e r e r t h e d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yd e c l i n e sa n dk e e p ss t a b l e a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fp r o t e i na n d c a r b o h y d r a t ei ne p sa r ci n c r e a s e da n dt e n dt os t a b l et o o r i s as h o w st h a tt h ec o m m u n i t yi n s m b rc h a n g e sal o ta n dh a sas i m i l a rn n da st h ec o n t i n u o u sm b r t h eg e n e t i cd i v e r s i t yo f t h em i c r o b i a lc o m m u n i t y f i n a l l ya p p e a r e di nt h es m b r d e c l i n e s t h em e t a b o l i cp a t h w a yo fb a ad e g r a d a t i o nb yt h eb i o a u g m e n t e dm b ri si n v e s t i g a t e db y u v v i s ，h p l c m a s s ，e t c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o b i a lc o m m u n i t yh a sam o r e c o m p l e xd e g r a d a t i v em e c h a n i s mt h a nt h a to ft h e s t r a i n q y y u n d e rt h es e q u n e i n g o p e r a t i o n a lm o d e o rt h ec o n t i n u o u sm o d ew i t hl o wi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o l l ，t h ea n t h r a q u i n o n e r i n go fb a a i sc l e a v e d ，t h ep o r t i o nw i t h o u ts u b s t i t u e n ti sm i n e r a l i z e d ，a n dt h ep r o d u c t s 谢t 1 1 t h es t r u c t u r eo fab e n z e n er i n gw i t hg r o u p so fa m i d o ，b ra n ds u l f o n i ch y d r o x y lo ro t h e rs m a l l m o l e c u l e sa r ep r o d u c e d h o w e v e r ，t h ep r o d u c t st e n tt op o l y m e r i z eu n d e rt h ec o n t i n u o u sm o d e w i t hh i g hc o n c e n 订a t i o no fi n f l u e n t t h ee f f l u e n ti st r e a t e db yt h ec o m b i n e dp h o t o e a t a l y s i sa n do z o n a t i o n ( t i 0 2 u v 0 3 ) p r o c e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c t sc a nn e a r l yb em i n e r a l i z e dc o m p l e t e l yb yt h et i o 姗 0 3 p r o c e s s a na p p r o p r i a t ep r o c e s sc o m b i n e do fb i o a u g m e n t e dm b r , p h o t o c a t a l y s i sa n d o z o n a t i o ni sp r o p o s e df o rt r e a t m e n to fb a aw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：b i o a u g m e n t a t i o n ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；b r o m o a m i n ea c i d ；r i b o s o m a l i n t e r g e n i cs p a c e ra n a l y s i s ；c h a r a c t e r i s t i c so f a c t i v a t e ds l u d g e 独创性说明 作者郑重声明：本硕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： 大连理工大学硕士研究生学位论文 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 导师签名： 生星互塾坠 要u 坐堕年上月j 至目 3 v # 鲤t 大学硕士研究生学位论文 引言 染料废水的颜色会降低水体的透光性，影响水体生物的生长生存和环境美观。随着 国家对环境问题的重视，染料废水的处理越来越成为一个倍受关注的问题。已经研究出 的染料脱色的物理和化学方法包括炭吸附、化学沉淀、絮凝、过氧化氢氧化( 芬顿反应) 、 u v 技术、臭氧氧化作用和离子萃取等，但是每种方法都存在局限性【”。而生物处理较以 上方法具有能耗小、处理效率高、二次污染小的特点，是处理染料废水的更好方法。然 而关于染料生物脱色的研究多集中在偶氨染料，对于更难处理的蒽醌染料及其中间体的 研究报道甚少。溴氨酸是生产蒽醌型分散染料、活性染料及酸性染料的主要中间体脚， 在染料中间体工业中占有重要地位，因此其降解研究逐渐引起人们关注【m 】。 印染废水以其水质复杂、可生化性差、色度高和颜色多变而成为一类难处理废水， 导致传统的活性污泥法驯化期长，降解速率低，最终处理效果较差，限制了传统生物处 理方法的应用。通过向原有体系中投加高效菌种( 即生物强化) 可以迅速有效地降解目标 污染物，提高处理效果，弥补了这一不足。因此，生物强化技术日益受到关注睁8 】。然 而关于生物强化的报道多集中于强化效果，而关于强化体系内的污泥特性、生理状态、 群落结构及生物强化对原有系统影响的研究并不多见，而这些恰恰是影响生物处理效果 的内在因素。因此揭示复杂的生物强化系统微观结构与宏观功能之间的内在联系更需深 入研究。近年来分子生态技术在环境领域得到广泛应用，为以上研究提供了有效的方法。 本文就此问题进行深入研究，旨在为指导实际废水处理中的生物强化提供理论依据。 但是，生物强化过程中投加的高效菌容易流失，导致处理效果变差，因此控制高效 菌的流失成为生物强化的关键。而m b r 可以将菌体截留在反应器中。于是结合生物强 化和m b r 各自的优势，建立的生物强化m b r 将是一个更为有效的处理系统。m b r 是 膜分离和生物处理的结合，由于膜截留和因曝气而在膜表面产生的剪切力、高污泥浓度、 低的f m ，使得m b r 中的污泥特性、菌群生理状态、群落结构等生物因素不同于常规 活性污泥法，探索m b r 内生物状况己成为近年来国外学者的研究热点。 本文所要解决的问题就是揭示生物强化m b r 处理溴氨酸废水的生物相特征，包括 降解特性、污泥特性、菌群生理状态和群落变化：并推测该系统降解溴氨酸的途径。通 过揭示反应器宏观特性和微观结构之间的内在关系为实际废水处理提供理论依据。 邢林林：生物强化膜生物反应器处理溴氨酸废水的研究 1 绪论 1 1 活性污泥特性及其群落分析 活性污泥是环境工程里的独创名词，它也是废水生物处理的主力军。活性污泥的特 性和群落结构与水处理的效果密切相关，因此对活性污泥特性和群落结构进行分析是非 常必要的。以下综述了活性污泥的特性和群落特征、它们对废水处理的影响及其分析方 法。为活性污泥特性考察和指导废水生物处理提供了理论和实践依据。 1 1 1 活性污泥特性 ( 1 ) 生物量、污泥产率和泥龄 生物量 活性污泥生物量是决定活性污泥处理能力的最直接的因素，也是生物处理中最常考 察的指标。通常活性污泥生物量是以混合液悬浮固体浓度( m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ， m l s s ) 和混合液挥发性悬浮固体浓度( m i x e dl i q u o rv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ，m l v s s ) 来 表示的。前者包括无机和有机两种成分，后者只包括有机成分，更能体现有效生物量。 常用的m l s s 测定方法有以下两种：a ) 取一定体积的污泥混合液，经定量滤纸过 滤后，在1 0 5 。c 烘干至恒重，称取污泥和滤纸总重量减去滤纸自身重量即污泥干重。b ) 取一定体积的污泥混合液，离心去上清，将剩余污泥在1 0 5 。c 烘干至恒重，称取污泥和 离心管总重量减去离心管自身重量即污泥干重。 m l v s s 的测定方法如下：将一定体积的污泥混合液在烘箱烘干后，放在坩埚内， 于马弗炉内5 5 0 左右灼烧至恒重后，称重。总重量减去坩埚自身重量及挥发性悬浮固 体重量。 污泥产率 生物法处理废水不可避免地会产生剩余污泥。污泥的处理处置费用较高，成为污承 处理厂的沉重负担，致使大量污泥不经处理直接任意排放，造成了严重的二次污染。污 泥产率是影响剩余污泥的直接因素，降低污泥产率必定会减少污泥的处理处置费用，因 此，降低污泥产率是将来废水生物处理发展必须要解决的问题。 实验中污泥产率的计算通常是通过考察活性污泥浓度和排泥量的变化来获得的。一 种是固定污泥浓度，通过测定每天排泥量来获得。另一种是不排泥，通过污泥浓度的增 加来获得。 泥龄 大连理工大学硕士研究生学位论文 泥龄( s l u d g e a g e ) 又称污泥停留时间( s o l i d r e t e n t i o n t i m e ，s r t ) ，细胞平均停留时间 ( m e a nc e l lr e t e n t i o nt i m e ，m c r t ) ，泥龄魄定义为反应器中的活细菌总量与每日从系 统中流走的活细菌总量之比。它是活性污泥设计、运行和研究中一项十分重要的技术参 数。活性污泥的泥龄反映了活性污泥系统中微生物的生长状态、生长条件、世代期等一 系列基本特性；且对活性污泥系统的运行状况如出水水质、产泥量、需氧量都有重大影 响。一般认为泥龄越长，微生物在曝气池中停留时间越长，微生物降解有机污染物的时 间越长，对有机污染物降解越彻底，处理效果越好；另一方面，泥龄长短对微生物种群 有选择性，因为不同种群的微生物有不同的世代周期，如果泥龄小于某种微生物的世代 周期，这种微生物还来不及繁殖就排出池外，不可能在池中生存，为了培养繁殖所需要 的某种微生物，选定的泥龄必须大于该种微生物的世代周期【9 1 。泥龄的表达式见式f 1 1 ) 。 o o ：芸 ( 1 i ) z 、 式中巩为污泥龄( 生物固体停留时间) ，d ；v 为反应器( 曝气池) 容积，一；j 为m l s s 质量浓度，m g l ：z 为每日污泥排放量，k g d 。 ( 2 ) 活性污泥混合液特性 沉降性 良好的污泥沉降性能是活性污泥工艺正常运行的先决条件之一。如果发生污泥沉降 性能的恶化，从而造成泥水分离困难，严重时微生物甚至随出水大量流失。污泥的沉降 性能一般以污泥沉降比( s v 3 0 ) 和污泥容积指数( s v r ) 表征，污泥沉降l p ( s v 3 0 ) 是指定量 的曝气池混合液静置3 0 m i n 后，沉淀污泥与原混合液的体积比( 用百分数表示) 。s v i 指 曝气池混合液经3 0 m i n 沉淀后，l g 于污泥所占有沉淀污泥容积的毫升数。 絮凝性 在活性污泥系统运行过程中，一个重要的方面是生物固体与被处理废水之间的分 离。生物絮凝作用是指微生物细胞形成絮凝体的过程。较差的生物絮凝作用通常会导致 较差的污泥沉降性和部分悬浮颗粒物被排放到环境中，另外也可导致污水处理厂本身无 法正常运行。污泥的絮凝性能以出水悬浮固体浓度p s s 表征或以出水浊度表示1 1 0 l 。 脱水性 活性污泥法处理城市污水时产生的大量剩余污泥，由于含水率很高( 约9 9 5 ) ，为 了减少污泥体积及运输费用，必须进行脱水处理r l l l 。常用的污泥脱水性测定方法有以下 两种。 a ) 真空过滤脱水：将1 0 0 m l 经沉降浓缩2 4 h 的污泥加入到2 5 0 m l 的烧杯中，再加 入定量的表面活性剂，快速搅拌l m i n ，慢速搅拌5 m i n 后，加入经计量的三氯化铁( 以 邢林林：生物强化膜生物反应器处理溴氨酸废水的研究 浓度为2 0 的水溶液加入) 和氧化钙( 以浓度为1 0 的水溶液j j 日a ) ，再快速搅拌l r n i n ， 慢速搅拌5 m i n 后，倒入脱水装置的布氏漏斗中，在5 0 k p a 真空度下脱水，测定滤饼的 含水率。 b ) 离心脱水：操作同过滤脱水，只是将化学药剂处理过的污泥倒入离心筒中，在 2 0 0 0 r m i n 下离心l m i n ，测定上清波的体积。 粘度 在工业废水和生活污水处理实践中，好氧或兼氧方法成功的关键在于体系内微生 物、氧气及营养物质三者之间的协调与统一。氧气及营养物质得要通过扩散或对流才能 到达微生物表面。其扩散或对流传质速率的高低将直接影响到微生物的活性。影响氧气 及营养物质扩散或对流传质速率的因素主要是体系中流体流动状态，而体系的流变行为 对体系流动状态及传递边界层结构有极大的影响1 1 2 】。而粘度是表征流体流动状态的最基 本的参数，因此，研究活性污泥混合液的粘度可为生化法中的氧气、污染物传递过程计 算和生化反应器设计提供理论基础。粘度的测定采用粘度计。 ( 3 ) 活性污泥絮体特性 污泥絮体形态结构 污泥絮体密实还是疏松，也是影响污泥絮凝和沉降性能的重要因素，从而影响出水 质量。并且，污泥絮体的形态还和污泥中的微生物组成有关，丝状菌的大量繁殖，通常 会造成污泥絮体疏松，沉降与絮凝性能变差。污泥形态主要通过光学显微镜和电子显微 镜来观察。 粒径分布 要保证活性污泥反应器有较好的运行性能，就必须使反应器内的厌氧污泥具有良 好的沉降性能。两当单独的颗粒的密度基本相同时，污泥颗粒的沉降性能仅与颗粒自身 的粒径有关，一般较大的颗粒沉降性能较好。正因为此，分析污泥颗粒的粒径分布就能 间接地反映反应器的运行状况。同时不同构型的反应器因为反应器内流态的差异，也会 使得颗粒污泥的粒径分布产生一定差异；同一反应器内也会因进水负荷和基质的改变， 在不同阶段，反应器内颗粒污泥的粒径分布也会产生变化 1 3 1 。因此，研究反应器内颖粒 污泥的粒径分布可以很直观地反映出水力条件、基质类型、基质浓度等对颗粒污泥产生 的影响，对于深入研究颗粒化的形成、研究影响污泥颗粒化的物理化学因素和如何将反 应器维持在良好状态有着特殊的作用。污泥粒径大小的测量及粒径分布有以下方法。 a ) 沉降速率计算法 沉降速率计算法一般是在水溶液中使污泥颗粒沉降，间接测定污泥颗粒的沉降速 率，再根据斯托克斯公式计算出颗粒大小的一种方法。 大连理工大学硕士研究生学位论文 b 1 湿式筛分析法 湿式筛分析法是最常用的粒径测试方法。工艺控制与其它方法相比也最为方便，它 遵循简单的极限量规原理，以颗粒能否通过标准筛的网眼来测定粒径的大小。 c ) 显微镜法 显微镜法是测定颗粒粒径大小、观察颗粒形貌最常用、最直接的方法。它从正上方 观察散布在载玻片上的颗粒，通过颗粒的投影来确定粒径的大小和形貌，采用计数的原 理统计出不同粒径区间的颗粒个数，以确定颗粒粒径的分布。 d ) 激光粒度测定法 激光粒度测定法是根据夫琅禾费衍射和m i e 散射的原理，结合现代计算机技术发 展起来的快速测定方法。它通过测量颗粒群的空间频谱，来分析其粒度分布，可迅速完 成整个测试过程，打印出最大粒径、平均粒径、最小粒径及颗粒的频率分布、累积分布 等图表。 密度 污泥颗粒的密度也被认为是影响污泥性能的主要因素之一。它主要影响活性污泥的 沉降性，并且可以间接表征活性污泥中有机和无机成分的比例。常用的颗粒密度测量方 法有两类，一类是根据沉速和体积的大小，按s t o k e s 公式计算；另一类是把颗粒加入一 定密度的标准溶液中，能保持稳定悬浮，则颗粒的密度与溶液密度相同。溶液的选择是 比较重要的，它必须与颗粒之间无物质转移。 ( 4 ) 活性污泥表面特性 污泥表面电荷和f 电位 微生物在水溶液中的行为与胶体物质大体一致，由于表面的离子基团使微生物或强 或弱带有电荷，这些电荷直接影响活性污泥的凝聚性能。按照库伦定律，两个带相同电 荷的胶体颗粒之间有静电斥力，它与颗粒间的距离的平方成反比，相互越接近斥力越大。 两个颗粒表面分子还存在范德华力，即吸引力，其大小与分子间距离的六次方成反比。 两种力的合力决定着胶体颗粒是否稳定。通常用f 电位来描述胶体颗粒之间的电力现象。 当带电微粒在液体中运动时，附着于微粒表面的离子层与液体之间的电位差进行调整， f 电位常作为判定胶体颗粒之间相互作用以及凝聚的辅助值。有研究表明，一般活性污 泥的f 电位在- 1 2 - 2 0 m v 之间，在这个范围内，悬浮的活性污泥凝聚性好，且容易粘附 到气泡上，随气泡一起上浮。当活性污泥的f 电位达到一3 5 4 5 m v 时，污泥的凝聚以及 与废水的分离均受影响，甚至难以分离 1 4 】。e p s 中蛋白质与总糖的比值更能表现污泥表 面正电荷与负电荷中和的结果。蛋白质中含有的氨基基团带有正电荷能够中和多糖、糖 醛酸及d n a 中的羧酸和磷酸基团产生的负电荷，因此可以降低污泥表面的负电荷。污 邢林林：生物强化膜生物反应器处理溴氨酸废水的研究 泥表面电荷的测量可以采用胶体滴定方法测定u “，污泥表面电荷表示为污泥单位m l s s 中含有负离子等价物( m e q gm l s s ) 。f 电位可以采用f 电位测定仪进行测定【”j 。 污泥疏水性 污泥疏水性增加可以增强细胞间的亲和力，是微生物聚集的重要的推动力1 1 ”。 污泥胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e t r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 中蛋白质与总糖的比值与污泥 表面疏水性呈正相关。e p s 中蛋白质的氨基酸组成大部分为疏水性氨基酸如甘氨酸、丙 氨酸，它们对污泥表面疏水性起到重要作用。酸性糖中含有较高比例的亲水性基团如羧 基，使污泥表面具有较多的亲水性。污泥的疏水性是各种基团综合作用的结果，因此， e p s 中蛋白质与总糖的比值更能准确地表现污泥的疏水性。胞外多聚物中蛋白质与总糖 的比值是影响颗粒污泥的重要因素。二者比值的增加影响污泥表面性质，进而促进污泥 粒子间的凝聚和维持颗粒结构。 污泥疏水性测定方法：可以通过烃对微生物的吸附进行污泥相对疏水性测定测定。 乳化前后水相中污泥浓度分别表示为m l s s i 和m l s s e ，相对疏水性表示为( 1 一 m l s s e m l s s i ) 1 0 0 1 7 】。此外污泥絮体的疏水性还可以通过接触角来表示，接触角可 以用特定的接触角测定仪来测定。 胞外聚合物和溶解性微生物产物 微生物产物主要指胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e t r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 和溶解性微 生物产物( s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ，s m p ) 。s m p 指微生物在代谢过程中排出或分泌的物 质，包括u a p ( s u b s t r a t eu t i l i z a t i o na s s o c i a t e dp r o d u c t i o n ) ：微生物在分解基质产生能量， 进行自身生长繁殖的同时产生；b a p ( b i o m a s sa s s o c i a t e d p r o d u c t i o n ) 微生物细胞内源呼 吸过程中，伴随细胞解体释放的。它的重要性在于它们普遍存在，并且是生物处理过程 中出水c o d 和b o d 的重要组成部分。 e p s 在污水和污泥处理中发挥着重要作用。a ) 胞外聚合物的空间结构和组成在较大 程度上决定了基质在生物膜内传质阻力的大小，因此，若要提高废水的处理效率，首先 应对胞外聚合物展开细致的研究；b ) 在利用生物法处理含金属离子废水过程中，一些 研究结果表明，胞外聚合物是生物膜中能有效地去除金属离子的关键成分；c ) 在膜生物 反应器中，胞外聚合物是造成膜污染的重要的因素；d ) e p s 与污泥絮凝有关，细菌在加 速生长期主要排泄的是低分子聚合物，这些物质由于链长不够，一般不能产生有效絮凝， 而在减速生长期和内源呼吸期主要排泄