（环境工程专业论文）厌氧好氧sbr中颗粒污泥胞内储存及脱氮除磷特性.pdf

摘要 摘要 本论文以絮状污泥为接种污泥，采用特殊运行方式的厌氧好氧s b r 系统( 厌氧后捧 水) ，在葡萄糖( g ) 、葡萄糖一乙酸钠( g a ) 及乙酸钠c a ) 基质条件下先后培养出了稳定 的聚糖菌颗粒污泥：g 、g a 及a 污泥均里细状颗粒外观，光镜及环境扫描电镜下污泥星球 形或拟球形，密实且轮廓清晰，平均粒径分别为8 9 6 、8 0 2 、1 1 5 3 t u n ，最大粒径可达2 0 0 0t a n 。 三种污泥均具有良好的沉降性能，s v i 为2 0 - - 3 0m l g 通过考察污泥颗粒化进程及颗粒污泥理化、微生物学特性，提出颗粒污泥形成周期模 型即：絮状污泥、絮团状污泥、小颗粒出现、颗粒污泥生长、颗粒污泥占据优势、颗粒污 泥成熟、颗粒污泥老化一更新。此外，分析认为颗粒污泥形成的主要原因是选择压、日，s 及 无机物作用：以临界沉降速度为选择压提供了物理作用上的选择优化，而e p s 及无机物通 过改变菌体及生物聚集体的表面特性，起到了稳定颗粒结构和加快颗粒化进程的作用，并 指出基质种类、运行方式、有机负荷，进水时闻等因素对于颗粒污泥的形成、特性及稳定 性具有一定影响 在三种基质条件下，通过对典型周期有机物、磷酸盐、胞内糖原及p i - i b 变化的测定分 析。证明有机基质的种类对于聚糖菌能量利用模式、有机物吸收速率及胞内储存物质种类 具有显著的影响。此外，污泥初始胞内糖原水平是有机物吸收数量及吸收速率的关键影响 因素：当糖原水平低于0 0 5g g s s 时，厌氧有机物去除率与糖原水平直接相关；而糖原水 平高于0 0 5g g s s 时，厌氧有机物去除率趋于稳定不同糖原水平污泥厌氧吸收有机物的 速率具有明显差异，在厌氧初期有机物快速吸收阶段，有机物厌氧吸收速率随胞内糖原水 平升高而增加。 聚糖菌颗粒污泥厌氧一好氧批式实验表明，聚糖菌颗粒污泥具有较强的同步硝化反硝化 ( s n d ) 能力，t o c n 分别为5 0 ，4 0 ，2 8 时，s n d 效率分别9 6 4 、9 5 3 及9 6 2 ， 而周期总氮去除效率随着碳氦比降低而降低，分别为6 6 o 、6 1 j 及5 6 3 。此外，以硝 酸盐及亚硝酸盐为初始氮源的厌氧一缺氧及厌氧一好氧批式实验表明，与聚磷菌类似，聚糖 菌也具有反硝化能力，在聚糖菌颗粒污泥s n d 过程中，污泥以厌氧阶段储存于胞内的多聚 物p h b 作为反硝化碳源，并且反硝化聚糖菌是系统中反硝化能力的来源 以具有一定s n d 能力的聚糖菌颗粒污泥为接种污泥，经过4 l 天的培养获得了具有同 步硝化反硝化除磷能力的颗粒污泥，在单级厌氧一好氧颗粒污泥s b r 中实现了有机物及氮、 磷的同步去除。培养末期颗粒污泥粒径6 0 0 - 1 0 0 0 t u n ，s v i 为4 8m l g ，周期t o c 、氨氨、 总氮及磷酸盐去除率分别为9 0 o 、9 9 3 、8 5 5 及9 5 ，6 通过批式实验证明颗粒污泥脱 氮除磷过程中，s n d 过程以胞内储存物质p h b 为反硝化碳源，利用了反硝化聚磷菌与反硝 化聚糖菌的代谢能力，而磷的去除是由聚磷菌与反硝化聚磷菌共同完成的。 关键词：聚糖菌，厌氧一好氧颗粒污泥，胞外聚合物，胞内储存物质，同步硝化反硝化，反 硝化聚糖菌，同步硝化反硝化除磷 摘要 a b s t r a c t g r a n u l e s m a i n l yc o n t a i n i n gg l y c o g e na c c u m u l a t i n gm 掣m i s m s ( g a o s ) w c u l t i v a t e d s u c c e s s i v e l ya n ds t a b l ye x i s t e di nt h r e es e q u e n e i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r ) ，i n o c u l a t e db yf l o c l i k e a c t i v a t e ds l u d g ea n df e dw i t hg l u c o s e ( g ) ，o u c o s e - a c e t 砒e ( g a ) a n da c e t a t e ( a ) o r g a n i cs u b s h a 把 r e s p e c t i v e l y , b ym e f l mo fs p e c i a ls b e r n a t i n ga n a e r o b i c - a e r o b i co p e r 吐i n bm o d e ，i e w i t h d r a w a l a f t e ra n a e r o b i cp e r i o da n ds l u d g ea 枷0 nd u r i n ga e r o b i cp e r i o dt os u p p r e s st h ea c t i v i 母o f p h o s p h a t ea c o n m u 蜥n go i 硝b i s l i l s ( p a o s ) o p t i c 面a n de n v i r o m n e n ts 啪e l e c t o nm i c r o s c o p e o 【a n 蛳i s h o w e dt h a tt h em o r p h o l o g yo fg r a n u l e sw e r en e a r l ys p h e r i c a l0 1 e l l i p t i c a lw i t h d e n s e 蚰 u c t u r ea n dc l e a ro u t l i n e n ”a v e r a g ed i a m e t e r so fg g aa n dag r a n u l a rs l u d g ew e r e 8 9 6 、8 0 2 、1 1 5 3 p m ”s 弦娟v c l y , a n dt h em a x i m a ld i a m e t e rw a su pt o2 0 0 0 t a - i lg , g aa n da g r a n u l a r s l u d g e h a d e x c e l l e n ts e t t l e n b i l i t y , a n ds v l w e r ea b o u t 2 0 - 3 0 m l g c o n s i d e r i n gs l u d g eg r a n u l a t i o np r o c e s sa n dp h y s i c o c h e m i c a l , b i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f g r a n u l a rs l u d g e am o d e lf o rt h es l u d g eg r a n u l a t i o nw s sp r o p o s e a c o n s i s t i n go f t h ef o l l o w i n g s t e p s ：f l o c l i k es l u d g e ，d e n s ef l o c l i k es l u d g e , a p p e a r a n c eo fi n i t i a lg r a n u l e s ，g r o w t ho fg r a n u l e s ， d o m i n a n c e o f g n m u l a rs l u d g e ，g r a n 妇s l u d g e m a r i n e a n d g r a n u l a rs l u d g e d i s i m e g r a t i o u - r e g e n e r a t i o 礼m o r e o v e r , i tw a ss u g g e s t e dt h a tm a i nf a c t o r sc o m 同m 血i gt o 掣舡i l l l 缸 s l u d g ef o r m a t i o nw e 砧s e l e c t i v e 皿馏s i ，咖c e l l l l l 缸p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) a n di n o r g a n i c s u b s t a n c e s t h e r e n t os e l e c f i v ep r e s s o r e , c r e a t e db yc r i t i c a s e t t i n gv e l o c i t y , p l a y e d 粗e x t e r i o r r o l ei ns e l e c t i n gg r a n u l e s ( f a s ts e t t i n gb i o m e s s ) a n df i l a m e n t sa n df l o e s ( s l o ws e t t i n gb i o m e s s ) a n d e p sa n di n o r g a n i cs u b s t a n c e sm a i n t a i n e dt h es t r u c t u r a li l i 蛔晰a n da c c e l e r a t e dt h es l u d g e g r m m l 啦i o np i “：c 鼹b ym 黜o fc t m g 堍蜘舨e h a r a c t e r i g t i c so fb 篁i c t e r ha n dm i c r o b i a l a g g r e g a t e s i na d d i t i o n , o r g a n i cs u b s u a l ec o m p o s i t i o n , a n a e r o b i cf e a s ta n da e r o b i c 自m i i l e o l 蒯1 1 1 0 d e ，o r g a n i cl o a d i n gr a t ea n di n t e r m i t t e n tf e e d i n gs t r a t e g ya l s oa f f e c t e dt h eg r a n u l a r s l u d g ef o r m a t i o na n d i t sc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l 咄 m e a s u r i n g 锄da n a b 础t h ev a r i a t i o no fp h o s p h a t e , o r g a n i cs u b s u b t e 。i n t m c e l l u l a rg l y c o g e n dp h bi nt y p i c a lc y c l ei nt h r e es b r s , i t v e r i f i e dt h a tf a es o r to fo r g m t i cs u b s t r a t ew a s s t r o n g l yi n f l u e n c e dt h e e i 科u t i l i z a t i o nm o d e ，o r g a n i c su p t a k er a t ea n d 咖l l u l a r 蚰r a g e p o l y m e rc o m p o n e n to fg a o s m o r e o v e r , r e s u l t ss h o w e di n t r a c e l l u l a rg l y c o g e nc o n t e n t a st h e l 【e yf a c t o ri n f l u e n c e da n a e r o b i co r g o n i c su p t a k ea m o t m ta n du p t a k er a t e i f i n t r a c e l l u l 口g l y c o g e n c o n t c n tw b e l o w0 0 5g g s s a n a e r o b i co r g a n i c su p t a k ee t t i c i e n c i e sa p p e a r e dt ob ea e p e u d e n t o ug l y c o g e nc o n t e 毗a n do r g m d c su p t a k ee f f i c i e n c i e sr e a c h e ds t e a d ys t a t ea sg l y c o g e nc o n t e n t w a sh i g h e rt h a n0 0 5g g s s i na d d i t i o n , a n a e r o b i co r g a n i c su m k er a t ew a si ng r e a td i f f e r e n c e w i t hd i f f e r e n tg l y c o g e nc o n t e n t a n a e r o b i co r g a n i c su p t a k er a t ew a si n c r e a s e dw i t hi n t r a c e l l u l a r g l y c o g e nc o n t e n ti n c r e a s e dd u r i n gf a s tu p t a k ep e r i o di ni n i t i a la n a e r o b i cs t a g e 栅b i e - a e r o b i cb a t c hl e s t so fg a o sg r a n u l a rs l u d g ew e q r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t ei t s s i m u l t m e o n sn i t r i f i c a t i o na n dd 曲蹦f i c 砒i 伽( s n d ) p e r f o r m a n c e st m d e rd i f f e r e n t 卫) ( 抹，r e s u l t s s h o w e dg a o sg r a n u l a rs l u d g eh a dh i g hs n da c t i v i t y , s n de f f i c i e n c i e sw e 9 6 4 , 9 5 3 删 9 6 2 r e s p e c t i v e l ya st o c n w e l e5 0 ，4 0a n d2 8 ，a n dt h et o t a ln i n o g e nr e m o v a le f f i c i e n c i e s , d e c r e a s e dw i l ht o c nd c c r m s c d ，w e r e6 6 0 6 1 2 a n d5 6 3 r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , r e s u l t s 摘要 o fa n a e r o b i c - a n o x i ca n da n a e r o b i c - a e r o b i cb a t c ht e s t sw i t hn i t r a t ea n dn i t r i t ea d d i t i o n d e m o n 衄t e dg a o s , s i m i l a rt op a o s w i t h 蚀ba b i l i t yo f d e n i u i f i c a t i o n , a n di n m r e l l u l a xs t o r a g e p o l y m e rp i - i bw a su s e d c a r b o ns o t o fd e n i t r i f i c a f i o na n dd e n i 仃i f y i n gg l y c o g a c c u m u l a t i n g0 r ；g a i l i s l s 0 ) 0 a o s ) w e r er e s p o n s i b l eo r g a n i s m sf o rt h ed e n i t r i f i c a t i o na c t j v 时 d u r i n gs n dp r o c e s so f g a o s g r a n u l a rs l u d g ew i t ht h ea b i l i t yo fs i m u l t a n c o mn i t r i f i c a t i o n , d e n i t r i f i c a t i n na n dp h o s p h a t e r e m o v a lw c u l t i v a t e db ys e e d 堍g a o sg r a n u l a rs l u d g ew i t hs n dp o t e m i a l t h u ss i m u l t a n e o u s o r g a n i c s ，n i n o g e na n dp h o s p h a t er e m o v a lw e l - e a c h i e v e di n s i n g l ea n a c r o b i c - a c x o b i cs b r c u l t i v a t e dg r a n u l a rs l u d g ew a s6 0 0 - - 1 0 0 0 1 u ni nd i a m e t g t , s v lw 砧4 8 m l g , a n dt o c a m m o n i t m a n i t r o g e n , t o t a ln i n o g e na n dp h o s p h a t er e m o v a le 伍c i 即d w e , r e9 0 0 ，9 9 3 ，8 5 5 a n d9 5 6 f p e c 吐v e l y f u r t h e rb a t c ht e s t sr e s u l t sd e m o n s t r a t e di n t r a c e l l u l a rp h b w a su s e d c a t i o ns o i l r c e o fd e r d u i f i c a d o na n dd e n i l r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m a l a t i n go r g a n i s m s ( d p a 0 s ) a n dg l y c o g e n a c c m n u l a f i n go r g a n i s m s ( d g a o s ) w c i er e s p o n s i b l ef o rt h ed e n i t r i f l c a t i n na c t i v i t y 蛐gs n d p r o c e s s i na d d i t i o n , t h e s er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tp h o s p h a t er e m o v a lw a sa c c o m p l i s h e db yp a o s a n dd b 气o s k l “w o r d s ：g l y c o g e n “m m l 撕n go r g a n i s m s ( o a o s ) ；a n a e r o b i c - a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ； e x w 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 k e p s ) ；i n t r a c e l l u l a rs t o r a g ep o l y m e r ；s i m u l t - m c o u sm m f i c a t i a n dd e u l t r i f i c a t i o n ( s n d ) ；蛐i f y i n g g l y c o g e na c c u m u l a t m go r g a n i s m s ( d o a o s ) ； s i m u l t a n c o u sn i t r i f i c a t i o n , d e n i 血- i f i c a t i o na n dp h o s p h a t er e m o v a l n i 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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘鲎或其他教育机构的 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了谢意。 学位论文作者签名： 乏p 窆 签字日期：2 拐年易月；ie t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权盘洼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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 镰 名期签日师字导签日 皇一， 9 多 一七月 b 名年 雠浙 文期论日位字学签 第一章绪论 第一章绪论 1 1 好氧颗粒污泥技术 1 1 1 生物聚集体的形态结构 根据生物聚集体的形态结构，污水生物处理技术主要分为活性污 泥、生物膜及颗粒污泥技术。其中，活性污泥系统由于活性污泥絮体 的结构松散、沉降性能较差从而不易在系统中滞留足够的生物量，因 此为了满足出水要求，通常需要较大的构筑物体积。生物膜系统由于 微生物附着在填料或载体表面生长从而克服了活性污泥系统容积负荷 低、污泥易于膨胀、抗冲击负荷能力差等缺点，但因为需要投加填料 或载体从而构筑物体积稍大且投资费用较高【l - 3 1 。而颗粒污泥则被看作 一种无需投加任何惰性载体的特殊生物膜 4 - 6 】，是微生物自固定形成的 近似球形的生物聚集体，其具有沉降速度快、反应活性高、耐冲击负 荷能力强等特点，其在任何反应器中出现往往意味着较短的水力停留 时间( h r t ) 和较长的固体停留时间( s r t ) ，以颗粒污泥为主体的污水生 物处理系统一般均具有高处理能力、高出水水质以及耐冲击负荷等特 点。因此，自上个世纪七十年代l e t t i n g a 首次在u a s b ( u p f l o w a n a e r o b i c s l u d g eb e d ) 中发现污泥颗粒化现象以来【7 】，国内外学者对颗粒污泥的 研究一直处于方兴未艾的阶段。 1 1 2 颗粒污泥技术 颗粒污泥是具有自我平衡能力的微生态系统，颗粒污泥的形成实 际上是微生物固定化的一种形式，但是颗粒污泥不同于其它类型的微 生物固定化，它的形成与存在不依赖于任何惰性载体 8 - 1 0 】。颗粒污泥 是在适当的条件下微生物自固定形成的一种近似球形的微生物聚集 体，这一聚集体具有相对较大的形态( 粒径大于o 5 m m ) 1 0 】，与絮状污 泥在沉淀阶段可以在短时间内形成较大的絮体不同，颗粒污泥的形态 相对稳定，在混合或沉淀阶段均为相对独立的单体。 与松散的活性污泥絮体相比，颗粒污泥具有以下特点1 1 1 】： ( 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，使得系统中可以存留较高浓度的污泥，由此 第一章绪论 带来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。 颗粒污泥技术分为厌氧颗粒污泥与好氧颗粒污泥技术。迄今为止， 厌氧颗粒污泥技术已经得到了广泛的研究与应用，目前开发出的以厌 氧颗粒污泥为主体的处理系统有u a s b 、e g s b ( e x p a n d e dg r a n u l a r s l u d g eb e d ) 、i c ( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 、u b f ( u p f l o wb l a n k e tf i l t e r ) 及 a s b r ( a n a c r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 等。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、不适于处理低浓度污水、没有脱氮除磷能力等。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。 好氧颗粒污泥的研究建立在厌氧颗粒污泥的基础之上，早期研究 主要在连续流升流式反应器b a s ( b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n ) 、 a u s b ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g eb l a n k e t ) 中进行，通常需要在培养过程中 添加惰性载体 1 2 - 1 4 l 或者采用纯氧曝气，运行条件苛刻 1 5 , 1 6 。 1 9 9 7 年m o r g e n r o t h 在s b r ( s e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r ) 反应器中发现 了好氧污泥颗粒化现象【9 】。p e n g ( 1 9 9 9 ) 在s b r 中以乙酸为碳源，在低溶 解氧( d 0 0 7 - 1 0 r a g l ) 条件下形成具有良好活性的颗粒污泥1 1 7 1 。 b e u n ( 1 9 9 9 ) 指出，s b r 反应器中控制沉淀时间可以洗出絮状污泥，这是 影响好氧颗粒污泥形成的主要因素；较短的水力停留时间有助于形成 好氧颗粒污泥；并指出c o d 负荷和水流剪切力对好氧颗粒污泥形成的 作用与其在b a s 反应器中对生物膜的作用类似，但需要进一步的研究 和证实，并指出在特定的情况下采用间歇式的反应器进行好氧颗粒污 泥的研究具有独特的优势【1 引。近年来关于好氧颗粒污泥的研究多采用 间歇式反应器，主要包括s b r 、s b a r ( s e q u e n c i n gb a t c ha i r l i f tr e a c t o r ) 及a a a ( a l t e r n a t i o na n a e r o b i c a e r o b i cp r o c e s s ) 等，其中后两种均为s b r 的变型【1 1 1 。 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： 2 第一章绪论 ( 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( 甚至更长) ，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较敏感，通常需要 严格控制温度( 3 5 5 5 ) 才能形成稳定的厌氧颗粒污泥，而且前的研 究表明温度对于好氧颗粒污泥的形成没有太大的影响： ( 3 ) 处理范围广，有机负荷对于厌氧颗粒污泥的形成与稳定具有较大影 响，因此厌氧颗粒污泥较适合处理高浓度有机废水，而好氧颗粒污 泥可以在很广的有机负荷范围内形成，因此其适用范围更广； ( 4 ) 具有脱氮除磷能力，厌氧颗粒污泥以产酸菌、产甲烷菌为主，不具 有脱氮除磷能力，而好氧颗粒污泥是多种、不同功能微生物共生的 微生态系统，可以单独或同时具有脱氮除磷能力。 1 1 3 好氧颗粒污泥技术应用前景 简而言之，污水生物处理效率主要依赖于微生物聚集体的新陈代 谢功能和形态结构。前者属于生物处理的本质问题，只有依赖强大的 代谢能力才能将废水中的污染物质转化为新生物体或无害的最终产 物；后者则是处理系统有效运行的保证，即要求微生物群体以适当的 形态结构存在，以便从泥水混合液中分离出来，在得到澄清出水的同 时使微生物存留在处理构筑物中。而颗粒污泥最为显著的特征即具有 良好的沉降性能，一方面这将使系统中可以存留大量的污泥，从而带 来处理水量的增加及出水水质的提高，另一方面，由此带来的良好固 液分离效果可以大大降低污泥沉淀系统的体积( 连续流系统) 以及在总 循环时间不变的情况下增加反应时间( 间歇式系统) 。由此看来，好氧颗 粒污泥技术具有广阔的应用前景。 ( 1 ) 高浓度有机污水处理h 9 ： 好氧颗粒污泥具有致密的结构、良好的沉降性能，从而可以在反 应器中留存大量的污泥，当s b r 体积交换率为5 0 时污泥浓度可以高 达6 - 1 2 9 l ，因此与其它好氧处理系统相比，具有处理高浓度污水的潜 力。m o y ( 2 0 0 2 ) 通过逐步增加有机负荷研究颗粒污泥对于有机负荷的耐 受程度，试验结果表明当有机负荷由6 0 逐步提高至l5 0k g c o d m3 d 时，颗粒污泥依然可以稳定存在并且c o d 去除率达到9 2 以上 ( 2 ) 有毒有机废水处理【l l l ： 第一章绪论 颗粒污泥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，因此对于毒性有机物 质具有较高的耐受能力。l i u ( 2 0 0 4 ) 考察了在抑制物苯酚存在的条件下 好氧颗粒污泥对于乙酸盐的利用情况，对于苯酚浓度由0m g l 变化到 5 0m g l 时颗粒污泥对于乙酸盐的消耗动力学进行研究，结果显示苯酚 存在时颗粒污泥对于乙酸盐的利用率满足零次反应动力学。 ( 3 ) 难降解有机废水处理 2 0 , 2 1 】： 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。j i a n g ( 2 0 0 2 、2 0 0 4 ) 研究好氧颗粒污泥对于苯酚的降解能力， 试验结果表明当进水苯酚浓度为5 0 0 m g l 时出水浓度仅为o 2 m g l 。 ( 4 ) 重金属的去除 2 2 - 2 4 】： 重金属离子广泛存在于多种工业废水之中，鉴于重金属具有较高 的毒性，其排放标准较为严格研究者们尝试采用多种生物材料( 如真 菌、剩余活性污泥、消化污泥等) 来吸附重金属。颗粒污泥具有强韧的 物理结构与较大的比表面积，因此可以作为一种良好的吸附剂。并且 其具有良好的沉降性能，吸附饱和后易于实现固液分离。l i u ( 2 0 0 2 、2 0 0 3 ) 探索了以颗粒污泥作为吸附剂吸附工业废水中z n 2 + 和c d 2 + 的可行性， 试验结果表明颗粒污泥对于重金属离子有较强的吸附能力与较大的吸 附容量。 ( 5 ) 生物脱氮【2 】【8 】【2 5 。3 i 】： 颗粒污泥具有致密的结构与较大的粒径，由于传质限制的存在在 颗粒污泥沿传质方向有明显的好氧区、缺氧区、厌氧区之分，能够做 到外部硝化，内部反硝化，因此可以利用颗粒污泥实现同步硝化反硝 化，使单级生物脱氮过程成为可能。b e u n ( 2 0 0 0 、2 0 0 1 ) 发现在s b a r 反应器中存在同步硝化反硝化现象，并对不同溶氧条件下s b a r 中颗粒 污泥s n d 效果进行研究。杨麒( 2 0 0 3 ) 在s b r 反应器中培养出具有同步硝 化反硝化能力的好氧颗粒污泥。谢珊( 2 0 0 4 ) 研究了不同运行模式和不 同碳氮比下颗粒污泥对于氨氮、总无机氮的去除情况。阮文权( 2 0 0 3 、 2 0 0 4 ) 在好氧s b r 反应器中培养具有s n d 能力的好氧颗粒污泥，并且对 c o d 、d o 对于好氧颗粒污泥s n d 效果的影响以及c o d n 、d o 对s n d 4 第一章绪论 过程中n 2 0 产生的影响进行研究。 ( 6 ) 生物除磷 3 2 - 3 6 】： 竺建荣( 1 9 9 9 ) 利用a a a 工艺研究生物除磷过程中，发现了好氧颗 粒污泥的自凝聚现象，研究了在此条件下好氧颗粒污泥的培养和理化 特性，并指出好氧颗粒污泥具有较高的耗氧速率和代谢活性。卢然超 ( 2 0 0 1 ) 研究了s b r 反应器不同运行条件对于好氧污泥颗粒化及生物除 磷效果的影响。王景峰( 2 0 0 3 ) 进行生物除磷研究时发现了聚磷菌污泥颗 粒化现象。l i n ( 2 0 0 3 ) 研究进水p c o d 对于生物除磷的影响对发现污泥 变成了颗粒状，并且指出随着p c o d 的增加，颗粒污泥粒径减小但结 构更加致密。 1 2 胞内储存物质理论 早在上世纪五、六十年代，就有研究者提出一部分吸收入细胞的 有机物会转化为某种多聚物储存于污泥絮体的微生物细胞内，其中被 分辨出的最常见的胞内储存多聚物是多羟基链烷脂( 盐) 类 ( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ，p h a s ) 和碳水化合物【”j 。这些物质最初引起人 们关注仅是在生物除磷范围内 3 8 3 9 l ，直到c e c h 等人( 1 9 9 3 ) 首次发现了 同样能积累p h a s 和糖原的“g 细菌”【4 们，研究者们开始意识到活性 污泥胞内多聚物的重要性，对它的研究不断深入。 1 2 1 胞内储存物质的种类 目前已见报道的有机储存多聚物主要有：p h b ( p o l y b h y d r o x y b u t y r a t e ) 、糖原和脂类哪l 。其中最引人兴趣、被研究最多的是 p h b ，这是因为许多基质在细胞中的降解都以乙酰辅酶a 为中间产物， 而p h b 就直接来源于此中心代谢物，所以它最有可能作为储存物质在 细胞内积累。而糖原似乎只有在进水中含有糖类物质或糖原在细菌代 谢中有重要作用时才会形成。关于脂类多聚物，目前还了解甚少。 ，2 2 胞内储存能力的产生 l o o s d r e c t ( 1 9 9 7 )出将营养物质以多聚物的形式储存于细胞内是 微生物固有的一种代谢能力，然而在完全稳态的环境中却通常没有内 部多聚物的形成，只有当稳态被破坏，改为间歇投加基质后，储存才 第一章绪论 表现得尤为突出【37 1 。可以说是环境刺激激发了微生物的这种潜在能 力。已有人提出储存反应是细胞对环境( 基质浓度) 变化最为快捷的适 应性调节( 4 1 】。在饱食一饥饿周期变化条件下( a l t e r n a t i n gf e a s ta n d f a m i n ec o n d i t i o n ) ，如果不能储存基质，微生物就不得不在较短饱食时 间里( 进水初期) 动用大量能量来快速生长，而在饥饿期由于没有可利 用基质，只能耗损自身物质来维持基础代谢，终至于不能将正常的细 胞结构保持到下一个周期的饱食阶段。在此环境下，某些可以通过代 谢调节对变化的环境产生适应性的细菌便逐渐显示出竞争优势。它们 以较快的速率在饱食状态下吸收有机物，由于生长速率，即基质消耗 速率并不直接与吸收速率同步增长，细胞便将吸收的多余基质转化为 某些多聚物( p h a 或糖原) 储存于体内，当外部基质耗尽、进入饥饿期 时，将储存物质作为碳源和能源进行进一步转化或用于合成代谢。由 此维持一个相对较低、接近稳定的生长速率，摆脱外界基质浓度变化 的干扰，平衡自身生长 4 2 , 4 3 。 总之，关于胞内储存多聚物形成的原因除细胞固有的内在因素外， 如同c a r u c c i ( 1 9 9 7 ) 所指出，是瞬时的环境条件( 非稳态) 促进了基质储 存，使微生物可能用较少的能量来快速吸收有机物。这决不是某些细 菌( 如聚磷菌) 的特有能力，而是s b r 下的典型特征【4 “。 2 3 储存过程中的能量来源 显然，储存胞内多聚物的过程需要消耗能量其中除了细菌维持 基本生命活动的消耗外，主要是基质进入细胞的运输耗能和在细胞内 转化、合成多聚物耗能。在好氧或缺氧条件下，有机物的吸收与胞内 多聚物储存过程所需的能量可能来自于部分溶解性有机基质以氧或硝 酸盐为电子受体的代谢过程【4 “。而厌氧条件下有机物吸收、胞内储存 的能量来源则更为复杂，关于厌氧一好氧系统中厌氧有机物吸收、胞内 储存的能量来源的研究经历着不断更新、深入的发展历程，至今仍说 法不一，甚至有所冲突。总的来说，根据基质种类、运行方式等的不 同，细菌有可能选用不同的能源进行有机物的厌氧吸收，同时采用不 同的代谢途径【4 ”。综合大量文献，简单总结有以下两种 4 5 - 5 3 l ： 聚磷菌( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，p a o s ) 机制：在强化生 物除磷( e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，e b p r ) 系统中， 利用多聚磷酸盐水解释放能量厌氧吸收有机物，并储存p h a s 。 6 第一章绪论 夺聚糖菌( g l y c o g e na c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，g a o s ) 机制：在非e b p r 系统中，利用糖原酵解释能进行有机物厌氧吸收，同时储存p h a s 或糖原等胞内多聚物。 然而随着研究的深入，即使对已被普遍接受的e b p r 能量来源的解 释也有了新的发展，基本否定了多聚磷酸盐是唯一能量来源的论断。 而对非e b p r 系统中微生物物质和能量代谢的研究结果更为复杂。 c a r u c c i ( 1 9 9 9 ) 研究发现在非e b p r 系统中葡萄糖基质被厌氧吸收后并 没有合成p h a s ，而是直接转化为糖原作为储存物质，由此提出可能存 在除多聚磷酸盐水解及糖原酵解以外的其它厌氧吸收供能途径 4 5 1 。 1 3 胞外聚合物理论 胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e rs u b s t a n c e s ，e p s ) 是微生物在特 定环境条件下产生的高分子物质1 5 4 ，它与生物聚集体( 活性污泥絮体 和生物膜) 的构造、组成、性能以及微生物生态都有紧密联系，对e p s 的深入研究和透彻理解可能会导向揭示生物处理的本质，因而随着近 来国内外对污水生物处理中起着关键作用的生物聚体的研究不断深 入，也尤其注重关于e p s 方面的研究。甚至有学者提出除了微生物和水 分外，e p s 应算是污泥絮体中的第三种成分【5 5 】。 1 3 1e p 8 的化学成分及来源 简单的说，e p s 主要以两种形式存在于泥水混合液中：一种是附着 于细胞壁上的荚膜多聚物( c a p s u l a re p s ，c e p s ) ，二是与细胞松散连接 或完全脱离细胞、以胶体或溶解状态存在于液相主体中的粘质多聚物 ( s l i m ee p s ，s e p s ) ”j 。e p s 的主要成分包括糖类和蛋白质，此外还有核 酸，脂类，腐殖酸，糖醛酸或氨基糖，以及无机成分【5 7 】。污泥种类不 同，其e p s 成分中各物质的相对含量也不尽相同。 从成分分析入手，研究者们推测e p s 的来源可能有两种：其一，污 泥所处的基质环境，即废水种类对于e p s 的各组分含量会有一定的影响 1 5 4 儿5 8 】；其二是微生物细胞本身的新陈代谢和自溶1 5 卵1 59 1 。 1 3 2 影响污泥e p s 含量的因素 从理论角度分析，在某种环境下活性污泥e p s 浓度应该是合成和 消耗两个动态过程共同作用的结果。 7 第一章绪论 e p s 合成量的变化与污泥絮体环境中的营养物质水平和细胞内部 能量水平有关【6 m 。碳素与氮、磷、硫等元素的比例；钾、钙、镁、铁 等元素含量；温度和溶解氧浓度都在相当程度上影响e p s 的产生。就微 生物生长周期而言，p a v o n i ( 1 9 7 2 ) 和l i ( 1 9 9 0 ) 分别从正反两方面论证了 内源呼吸期和低速生长阶段细胞通过分泌或自溶产生e p s 的说法1