（环境工程专业论文）mg2对好氧颗粒污泥培养的影响及其除磷机理研究.pdf

摘要 好氧颗粒污泥是近几年发现的在好氧条件下自发形成的细胞自身固定化颗 粒。由于其具有规则的、密实的、坚固的微生物结构，良好的沉降性能，较高的 微生物量，以及较强的抗冲击负荷能力，能够实现同步脱氮除磷等优点，具有较 好的研究价值和应用前景，受到了国内外学者的广泛关注。 本课题立足于国内外好氧颗粒污泥的培养的最新研究成果，在三个s b r 系统 中分别投加0 、1 0 和1 0 0m g l 的镁离子，以研究镁离子对好氧颗粒污泥形成的影 响。在成功培养出具有同步除磷脱氮功效的好氧颗粒污泥后，研究了其对氮、磷 及有机物的去除效果，探讨稳定运行阶段好氧颗粒污泥实现同步除磷脱氮的微生 物机理。 结果表明，镁离子的添加有利于颗粒污泥的形成，促进了各种微生物的生长， 使得污泥浓度比未添加的要高，并且促进了胞外多糖的生成。1 0m g l 的m 9 2 + 更 有利于颗粒污泥的形成和成长，其颗粒化程度高且平均粒径大，使颗粒污泥的启 动时间从3 2 天缩短到1 8 天，而1 0 0m g l 的m g ”对颗粒污泥的促进不如1 0m g l 的明显。 为实现同步除磷脱氮，以好氧颗粒污泥为研究对象，通过对s b r 反应系统运 行参数进行调控，在温度为2 5 、p h 值为7 8 ，厌氧反应9 0m i n 、好氧反应2 4 0 m i n 的运行条件下进行了研究。该系统连续运行8 5 天的结果表明，系统处于稳态 时，好氧颗粒污泥对氮、磷和有机碳具有非常稳定的去除效果。当进水氨氮、磷 和c o d 浓度分别为2 5 5 0m g l ，5 2 5m g l 和3 7 0 5 0 0m g l 时，经颗粒污泥系 统处理后，颗粒污泥对总无机氮、磷、c o d 的平均去除率分别达到9 1 、9 4 和 9 0 。同时大量反硝化聚磷菌与硝化菌在颗粒污泥中共存并富集，反硝化聚磷菌 占全部聚磷菌的比率达到8 3 3 。更为重要的是反硝化聚磷菌在吸磷的同时可以 进行反硝化脱氮，利用其体内p h b 的“一碳两用 来实现同步除磷脱氮，不仅解 决了反硝化细菌和聚磷菌对碳源需要的矛盾，达到了节省废水中的有机碳源和节 省能源的双重目的，而且减少了剩余污泥量，这对低c n 比废水的同步除磷脱氮 是非常有利的，无疑会对污水生物除磷脱氮的工程实践产生深远影响。 关键词：好氧污泥颗粒化；添加镁离子；s b r ；同步除磷脱氮；反硝化聚磷菌 i i 硕仁学位论文 a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei sak i n do fs e l f - i m m o b i l i z e ds l u d g e ，w h i c hi sf o u n d r e c e n t l yu n d e rt h ea e r o b i cc o n d i t i o n i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c h e r sh a v eg i v e nm o r e i n t e r e s t si ni tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sr e g u l a r ，d e n s ea n ds t r o n gm i c r o b i a l s t r u c t u r e ，g o o ds e t t l i n ga b i l i t y , a n dh i g hb i o m a s sr e t e n t i o n ，t o l e r a n c et oh i g ho r g a n i c l o a d i n gr a t e t o x i cs h o c k sa n ds y n c h r o n o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c hf i n d i n g so na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei nb o t hd o m e s t i c a n da b r o a d ，t h r e es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r sw e r ec o n c u r r e n t l yo p e r a t e dt oe x a m i n e t h ee f f e c to fm g 钟a u g m e n t a t i o no na e r o b i cg r a n u l a t i o n w h e ns i m u l t a n e o u sn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sa c h i e v e db ya e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c a n dm e c h a n i s mo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lw e r ee x p l o r e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t m 9 2 + e n h a n c e dt h es l u d g e g r a n u l a t i o np r o c e s si nt h es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r m 9 2 + - f e dg r a n u l e sh a dah i g h e r b i o m a s sc o n c e n t r a t i o na n d h i g h e rp o l y s a c c h a r i d ec o n t e n t s i tw a sf o u n dt h a t a u g m e n t a t i o nw i t h10m g lm 9 2 + b e n e f i t e dg r a n u l a rs l u d g ef o r m a t i o na n dg r o w t ha n d s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dt h es l u d g eg r a n u l a t i o nf r o m3 2dt o18d t h ea v e r a g es i z eo f g r a n u l e sw i t ht h ea d d i t i o no f10m g lm g z + w e r el a r g e rt h a nt h a to ft h eo t h e rt w o c o n c e n t r a t i o n s h o w e v e r ，t h ee f f e c to fm g z 十a tt h ec o n c e n t r a t i o no f10 0m g lw a sn o t o b v i o u sa st h a to f10m g lm 9 2 + s i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lw a sa c h i e v e db ya e r o b i cg r a n u l a r s l u d g ei ns i n g l es b rs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e2 5 c ，p h7 - 8 ， a n a e r o b i cr e a c t i o nt i m e9 0m i n ，a n da e r o b i cr e a c t i o n2 4 0m i n a ts t e a d yo p e r a t i o n ，t h e a n a e r o b i c a e r o b i cs i n g l es b r s y s t e ms h o w e dav e r ys t a b l ep h o s p h o r u s ，n i t r o g e na n d o r g a n i cc a r b o nr e m o v a lp e r f o r m a n c e t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ef o rt o t a li n o r g a n i c n i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n dc o dr e a c h e d9i ，9 4 a n d9 0 ，r e s p e c t i v e l ya tt h e i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fn h 4 + - n2 5 5 0m g l ，p 0 4 3 - p5 - 2 5m g la n dc o d 3 7 0 5 0 0 m g l s i g n i f i c a n ta m o u n t so fp h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( p a o s ) c a p a b l eo f d e n i t r i f i c a t i o nc a nb ea c c u m u l a t e da n de n r i c h e di nt h ea e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e c o e x i s t i n gw i t hn i t r i f i e r su n d e ra p p r o p r i a t eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s ，a n dd e n i t r i f y i n g p a o sa c c o u n t e df o r8 3 3 o ft o t a lp a o s w h a ti sm o r ei m p o r t a n t t h ed e n i t r i f y i n g p a o st a k eu pa n ds t o r ep h o s p h a t eu s i n gn i t r a t ea se l e c t r o na c c e p t o r ，t h e nt h eo r g a n i c c a r b o ns u b s t r a t ec a nb e u s e ds i m u l t a n e o u s l yf o rb o t h p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n i i i r e m o v a l t h i si so fs i g n i f i c a n c es i n c eo r g a n i cc a r b o nc o n t e n ti nm o s tm u n i c i p a l w a s t e w a t e r si st o ol i m i t e di no r d e rt oa c h i e v eb o t hp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l e m p l o y i n gd e n i t r i f y i n gp a o si nt h eb i o l o g i c a ln u t r i e n tp r o c e s s e sa l s om a k e si t p o s s i b l et or e d u c es l u d g ep r o d u c t i o na n da e r a t i o nd e m a n da n dt h i sw i l lm a k ea s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s sf r o mw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a t i o n ；m a g n e s i u ma u g m e n t a t i o n ；s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r ( s b r ) ；s i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u s a n d n i t r o g e nr e m o v a l ； d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s i v 插图索引 图1 1 环向运动和随机运动中所形成的颗粒污泥的形状的比较8 图1 2 多价阳离子的连接作用1 0 图2 1 聚磷细菌厌氧放磷生化模式1 5 图2 2 聚磷细菌好氧( 缺氧) 吸磷生化模式1 6 图2 3a o 工艺流程图1 8 图2 4a 2 o 工艺流程图19 图2 5p h o s t r i p 工艺流程图2 0 图2 6p h o r e d o x 工艺流程图2 1 图2 7 反硝化吸磷阶段物质转变示意图2 l 图2 8a 2 n s b r 工艺流程图2 4 图2 9d e p h a n o x 工艺流程图2 5 图2 1 0b c f s 工艺流程2 6 图2 1 l 好氧颗粒污泥体内反应区划分一2 7 图3 1 试验装置示意图3 0 图3 2r 2 内污泥形态变化3 2 图3 3 好氧颗粒污泥粒径分布3 3 图3 4 反应器内污泥浓度( s s ) 变化3 4 图3 5 反应器内污泥沉降比( s v i ) 的变化3 4 图3 6 三个反应器内c o d 的去除率3 5 图3 7 多糖和蛋白质浓度的变化3 5 图4 1 试验装置3 9 图4 2 亚硝化工艺实验装置示意图一4 0 图4 3c o d 浓度变化及去除效率4 2 图4 4t i n 浓度变化及去除率4 2 图4 。5 磷酸盐浓度变化及去除率一4 2 图4 6 好氧颗粒污泥脱氮除磷过程4 4 图4 7 好氧颗粒污泥在好氧、缺氧条件下吸磷比较一4 4 硕士学位论文 附表索引 i x 叶 0 l 5 1 3 4 4 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 例 比 r 1 j 的 一 一菌 磷 一 聚 i 、 一 一 总 占 一其 用 一及 应 率 及成成速 法组组磷方水水吸 种废废菌各拟拟磷的模模聚磷工工种除人人三 1 1 l 2 乙 王 乱 乱表表表表 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：孙 赢债日期：) ，c r o 莎年1 ) - - 月2 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：副 轰 肖 导师签 日期：, , 0 0 彦年7 2 月孕e 1 日期：碱年f 凋中日 硕上学位论文 第1 章绪论 颗粒污泥是一种特殊形态结构的生物聚集体，也是具有自我平衡能力的微生 态系统。颗粒污泥的形成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i l 弓j ，并且这种近似 球形的微生物聚集体通常具有相对较大的粒径。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，这也是颗粒污泥的重要特征【4 娟】。 根据颗粒污泥中参与代谢活动的微生物种类，颗粒污泥技术分为厌氧颗粒污 泥技术与好氧颗粒污泥技术。厌氧颗粒污泥的研究开始得比较早，到目前为止， 关于厌氧颗粒污泥的研究和应用都发展得比较完善，厌氧颗粒污泥最早出现于升 流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 中【_ ，如今厌氧颗粒污泥技术已经得到了广泛应 用。然而，厌氧颗粒污泥也有许多不足之处，比如：启动时间长、操作温度高、 对于低负荷有机废水处理效果不甚理想【8 j 。随后许多研究者利用s b r 反应器都培 养出了好氧颗粒污泥，并将其应用于处理高浓度有机废水或含氮、磷及有毒物质 的废水。 1 1 好氧颗粒污泥的国内外研究进展 好氧颗粒污泥的研究是在厌氧颗粒污泥研究的基础上发展的，国内外学者在 好氧颗粒污泥的研究方面做了大量的工作。研究好氧颗粒污泥的初始阶段是人们 刚刚开始认识到在好氧环境下污泥也可以颗粒化，而不仅仅局限于厌氧环境，并 认为污泥颗粒化是生物膜生长的一种特殊形式。 1 1 1 国外好氧颗粒污泥的研究进展 8 0 年代末期至9 0 年代，研究者开始在连续流的气升式生物膜反应器( b i o f i l m a i r l i f ts u s p e n s i o n ，b a s ) 中对好氧污泥的颗粒化进行研究，一般要在培养过程中 添加载体。如d e b e e r 等对硝化细菌，v a n d e rh o e k 等对反硝化细菌，v a nb e n t h u m 等对好氧异养细菌进行了颗粒化的研究【9 1 1 1 。9 0 年代初，s h i n 等和m i s h i m a 等开始 利用连续流好氧升流式污泥床反应器( a e r o b i cu p f l o ws l u d g eb l a n k e t ，a u s b ) 对好 氧活性污泥自凝聚现象进行研究，但运行条件苛刻，须用纯氧曝气才能形成，且 得到的颗粒污泥没有除磷脱氮能力1 1 2 - 1 3 】。 1 9 9 7 年，m o r g e n r o t h 等【5 】在s b r 反应器中，利用较短的停留时间和排水时间排 除沉降性能差的污泥，而沉降速度大的颗粒污泥却停留在反应器内。在曝气期间 反应器内的溶解氧浓度保持在2m g l 以上，经过4 0 天的培养，虽然有少量絮状污 泥存在，但在反应器中颗粒污泥占主体。 1 9 9 9 年，b e u n 等【1 4 】证实了较短的水力停留时间和较大的水力剪切力有利于污 泥的颗粒化，其中沉淀时间是污泥颗粒化的主要影响因素，并认为在特定情况下 采用s b r 反应器进行好氧颗粒污泥的研究具有独特的优势。 2 0 0 0 年，b e u n 等【4 】还对相同负荷、相同表面上升气体流速和相同操作周期下， 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 ) 反应器、s b r 反应器和b a s 反应器中产生 的好氧颗粒污泥进行了比较研究，并在s b a r 反应器中发现存在硝化和反硝化过 程。 2 0 0 1 年，t a y 等【l5 】分别以葡萄糖和醋酸钠为单一碳源在两个相同规格的s b r 反应器中培养出了好氧颗粒污泥，实验结果表明好氧污泥颗粒化是一个从接种污 泥到聚集体，再到颗粒污泥的过程。 2 0 0 3 年t a y t l6 1 、l i u t l 7 1 等系统地研究了好氧颗粒污泥的多孔结构，并将它作为 生物吸附剂吸附重金属离子，并建立了好氧颗粒污泥吸附c d + 、c u 2 + 、z n 2 十等的模 型。除了研究好氧颗粒污泥的吸附性能外，人们还研究了好氧颗粒污泥对氮磷的 去除情况。l i n t 硌】等在s b r 反应器中，研究了在不同的p c o d 条件下好氧颗粒污泥 的聚磷性能。t s u n e d a 1 9 】等研究了在好氧升流式流化床反应器中颗粒污泥的硝化 性能。 2 0 0 4 年，y a n 9 1 2o 】等研究了氨对好氧颗粒污泥形成的抑制作用，研究表明只有 当氨浓度低于2 3 5m g l 时好氧颗粒污泥才能形成。q i n 等t 2 l 】提出了“选择压”的 概念，研究了水力选择压对好氧颗粒污泥培养的影响。并且研究了沉淀时间对好 氧颗粒污泥形成的作用，研究表明较短的沉淀时间对于改善细胞多糖的产生，细 胞表面疏水性和细胞活性有重要意义。 2 0 0 5 年，s c h w a r z e n b e c k l 2 2 j 等将好氧颗粒污泥应用于牛奶厂废水的处理，为了 使悬浮物能够更好的去除，处理过程加了二次沉淀过程，反应器的反应周期为8h ， 换水体积率为5 0 ，此时c o d 去除率可以达到9 0 、t n 的去除率可以达到8 0 ， t p 的去除率可以达到6 7 ，出水c o d 值稳定在1 2 5m g l 左右。 1 1 2 国内研究进展 国内学者对好氧颗粒污泥的研究始于1 9 9 5 年，对好氧颗粒污泥的研究重点主 要是好氧颗粒污泥的脱氮除磷性能。 1 9 9 6 年，管运涛等1 2 3 j 运用正交试验方法，以c a ( o h ) 2 为人工诱导剂，对其在 好氧污泥颗粒化中的可行性和条件进行了研究。试验结果表明，好氧污泥颗粒化 生物钙法条件的最优水平组合为：水力停留时间6h ，c a ( o h ) 2 浓度5 0 0m g l ，间 歇投碱( 少量n a 2 c 0 3 ) ，其中，水力停留时间为关键控制因素。 2 硕十：学位论文 1 9 9 9 年，清华大学竺建荣等 2 4 1 研究厌氧一好氧交替工艺中好氧颗粒活性污泥 的培养和理化特性。在普通好氧曝气条件下，反应器内培养出了好氧颗粒污泥， 颗粒直径o 5 1 5m m ，比重1 0 0 7 左右，含水率9 7 一9 8 ，m l s s4 0 4 6 8 8g l ， s v i2 0 4 5m l g 。颗粒污泥受阻沉降层的均匀沉降速度约2 1 5c m m i n ，临界浓度 时沉降速度值约0 3 5c m m i n 。颗粒污泥的耗氧速率( o u r w ) i 2 7m g g m i n 优于普通 的活性污泥。 2 0 0 1 年，卢然超等【2 5 1 采用模拟生活污水，研究了循序间歇反应器工艺在不同 运行条件下好氧污泥颗粒化和生物除磷效果的影响。 2 0 0 2 年，浙江大学白晓慧【2 6 】在活性污泥工艺中，通过控制水力停留时间、溶 解氧和曝气量，培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥，它可明显提高曝气池的处 理能力，有效改善固液分离效果并实现同步硝化反硝化。 2 0 0 3 年，杨麒等【27 j 采用人工配制的模拟生活污水，通过对运行条件的调控， 在序批式反应器中培养出了高活性的好氧颗粒污泥。试验结果表明：由于好氧颗 粒污泥的存在，s b r 反应器内发生了同步硝化反硝化( s n d ) 反应，而不是通常所 认为的顺序式硝化反硝化( s q n d ) 反应。 2 0 0 4 年，王荣昌等1 2 8 j 在新型悬浮载体生物膜反应器内研究好氧颗粒污泥的形 成机理时发现所形成的好氧颗粒污泥为白色绒球状，平均粒径为2 3m m ，最大可 达5m m 左右，相对密度在1 12 1 14 之间，沉速为2 9 7 4 6 0m h ；反应器内的微生 物以附着生长型为主，生物量( s s ) 为5 o 1 5 0g l ，好氧颗粒污泥在总生物量中所 占的比例较小( 约为1 1 0 ) 。蓝惠霞等1 2 9 】提出了采用好氧颗粒污泥工艺处理亚铵法 制浆废水，并对其进行可行性分析。研究表明，好氧颗粒污泥工艺在降解c o d c r ， 去除n h 3 n 方面具有明显优势，还分析了高浓度硫酸盐、亚硫酸盐对该工艺的抑 制作用，并提出了消除抑制的方法。 2 0 0 5 年，大连理工大学王芳、杨凤林等1 3 0 】人研究出利用混合型进水碳源解决 了由丝状异养菌过度繁殖引起的好氧颗粒污泥不稳定问题；并且通过考察在不同 水力循环时间下好氧颗粒污泥特性的差异，认为在实验条件下，培养好氧颗粒污 泥的水力循环时间在6h 左右为宜。 2 0 0 6 年，安鹏等将培养好的颗粒污泥筛分成粒径分布为0 5 1 0m m ，1 o 1 5 m m 和1 5m m 以上三组，考察了不同粒径分布的好氧颗粒污泥的性状和去除效果。 三种不同粒径的好氧颗粒污泥对c o d ，n h 4 + - n 的去除率均在9 0 以上，但对总氮 的去除率差异明显，粒径在1 0 1 5m m 的颗粒去除效果明显优于其他两组。其他 两组颗粒污泥，对反硝化反应存在抑制作用，并不是颗粒越大越好。 m 9 2 + 对好氧颗粒污泥培养的影响及其除磷机理研究 1 2 好氧颗粒污泥的基本特点 1 2 1 好氧颗粒污泥的形态 好氧颗粒污泥颜色一般为橙黄色，具有相对规则的圆形或椭圆形外观，成熟 的好氧颗粒污泥有光滑的表面，边界清晰。在厌氧一好氧交替工艺( a l t e r n a t i o no f a n a e r o b i c a e r o b i cp r o c e s s ，a a a ) 中，颗粒直径大多在0 5 1 5m m 之间 3 zj 。经过 适度冲洗淘洗后的好氧颗粒污泥直径多在lm m 左右，未经淘洗的颗粒污泥的全粒 度分析表明，粒径在0 5m m 以上的颗粒占全部污泥微粒的2 0 ，在保证良好沉降 性的同时，又能保证在曝气时污泥具有良好的悬浮性和透气性。而在s b r 反应器 中，颗粒直径大多在1 9 4 6m m 之间，稳定状态下形成的颗粒光滑、致密，颗粒 直径为4 6m m 。颗粒污泥的形状系数稳定在0 4 5 ，纵横比为o 7 9 。这些参数与沉 降速率、表面气体流速和h r t 等操作条件无关。但有研究表明粒径不同，好氧颗 粒污泥经历一系列的形态和物理变化，从而影响到反应器的操作【32 1 。颗粒粒径与 物理特性如s v i 、s v 、表面疏水性、颗粒强度、总固体含量以及结构特性都有关 系。忽略粒径，颗粒表面的生物量较高，或细胞质在颗粒表面边缘存在，而死细 胞延伸到颗粒内部，这种生物量的分层证明了当颗粒污泥长大时其物理特性在发 生变化：颗粒粒径增大时，颗粒比重以及生物密度都在增加，但与颗粒粒径不成 比例，但颗粒强度、s v 以及表面疏水性却在降低【2 们。因此颗粒污泥特性与颗粒粒 径有很大的关系，适宜的颗粒粒径在1 0 3 0m m 左右。颗粒粒径不仅是一个污泥 生长的表征参数，而且影响到物质的扩散和传递。有研究表明由于颗粒污泥存在 一个物质扩散限度，细胞只存在于有限的颗粒污泥表层，并且小颗粒具有更加密 实的结构，而大颗粒结构则相对松散。颗粒污泥由生物量、胞外多聚物、无机成 分以及包裹水和孔隙组成，由于存在物质扩散限制，内部细胞得到的营养物质较 少，因此饥饿的细胞开始消耗胞外多聚物来维持其生长，它们的代谢产物如抑制 素等有毒物质在颗粒内部积累对生物的生长有不利影响，因而颗粒内部的孔隙较 多【3 3 1 。 1 2 2 密度、沉降性能和强度 好氧颗粒污泥具有相对较大的密度。在多数情况下，s b r 中形成的颗粒污泥 的相对密度为1 0 0 6 8 1 0 0 7 2 9g c m 3 ，稳定操作条件下的污泥浓度维持在3 2 6 8 8 g l t ”j 。而在s b a r 反应器中，污泥相对密度稳定在1 0 0 8g c m 3 。有研究认为， 大多数情况下颗粒污泥的密度随直径的增大而降低。 颗粒污泥有良好的沉降性能，污泥沉降性能常用污泥沉降指数和沉降速度表 达。单个颗粒污泥沉降速率在1 8 3 5m h ，颗粒污泥的s v 为1 4 3 0 ，s v i 在 2 0 3 4 - 9 3 7 5m l g 之间( 一般在3 6 左右) 【3 5 】，颗粒直径和沉降速率间呈正相关【5 1 。 4 硕_ l 学位论文 颗粒污泥的强度也是其重要性质之一。较小的颗粒强度会增加颗粒的破裂或 剥落的程度，不能使颗粒化污泥很好地长大，形成的颗粒污泥直径小、沉降性能 兰【3 6 】 z 1 二 o 1 2 3 好氧颗粒污泥的活性 好氧颗粒污泥的活性可以用污泥的耗氧速率( 定义为o u r w ) 来表示，耗氧速率 是指单位重量的微生物单位时间对氧气的吸收量，反映了微生物新陈代谢过程的 快慢即微生物活性的大小，以及对有机物的降解能力。在较高的氧利用速率下， 好氧颗粒污泥的新陈代谢会加快，废水中的有机物更多的被氧化为二氧化碳而不 是合成生物质，o u r w 值通常会随着水力剪切力的增大而增加，这可能是由于高 剪切力促进了水体和好氧颗粒污泥之间氧的传递，进而提高了好氧颗粒污泥的呼 吸作用。 当废水里含有毒性化学物质如苯酚时，对o u r w 值的监测利于了解好氧颗粒 污泥的生理学变化、污泥成长和有机物去除等情况，并可估计出最高允许负荷。 因此，o u r w 是评估好氧颗粒污泥处理能力的重要参数。 1 2 4 化学组成及生物学特征 一般用v s s 表示污泥中的有机物的量，并以此估计污泥中的细胞量。通常情 况下v s s 占污泥总量的7 0 9 0 ，v s s 主要由细胞组成，细胞成分与废水水质、 运行温度以及颗粒污泥所处的生理阶段等因素密切相关【3 7 1 。颗粒本身的生物相极 其丰富，主要是形态各异的细菌，有球菌、长短不一的杆菌等【3 引。以普通活性污 泥为接种污泥的启动初期，好氧颗粒污泥反应器中形成含有大量真菌的颗粒，这 种颗粒不稳定，容易解体成碎片；随后生成的颗粒主要由细菌组成，含有部分丝 状菌14 1 。p e n g 等【3 9 】观察到颗粒污泥主要由杆状细菌组成，并无丝状菌的存在。 m o r g e n r o t 等【5 】发现好氧颗粒污泥由结合着细菌的酵母构成，构成丝状结构的酵母 主要为g e o t r i c h u m s p 。在较大的好氧颗粒污泥颗粒表面和周围还存在大量的原生、 后生动物，附着生长大量钟虫，如等枝虫等【3 引。胞外多聚物是颗粒污泥的另_ 种 重要的化学组成部分1 4 0 1 。在透射电镜下多聚物主要以纤维状相互缠绕成絮状体， 或形成高密度状的颗粒基质，在细胞间起明显的黏连作用，这种黏连作用在污泥 颗粒化初期有助于初生颗粒的形成，并对颗粒污泥的稳定做出贡献。 颗粒污泥中可含有c a c 0 3 ，其含量随废水中c a 2 + 浓度的增加而升高。少量 c a 2 + 在废水中的存在有利于形成颗粒污泥并提高污泥的沉降性能和增加其机械强 度，但过高的c a 2 + 导致颗粒污泥中灰分过高，使颗粒污泥的活性降低【38 1 。m 9 2 + 和其他一些金属离子也可能以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐或硫化物的形式存在于颗 粒污泥中l 蝎】。 m 9 2 + 对好氧颗粒污泥培养的影响及j e 除磷机理研究 1 3 好氧颗粒污泥形成的影响因素 1 3 1 反应器的类型 反应器的操作方式、类型直接影响好氧颗粒污泥的大小、形状和形成时间。 在2 0 世纪7 0 年代中期，美国曼哈顿大学的j e r i 等人研究了颗粒污泥的生物膜流 化床反应器( b f b ) ，继b f b 之后，各国学者分别在上流式污泥床( u a s b ) 、气提式 内循环反应器( b a s ) 等反应器中成功培养出了好氧颗粒污泥【4 1 1 。相对于连续式反 应器，序批式反应器设计和操作简单，可以承受较高的容积负荷及冲击负荷。一 般认为反应器较高的h d ( 高径比) 可保证水流在反应器中会经过更长的流程，有 利于污泥之间的相互碰撞，从而形成颗粒污泥【l4 1 。目前，对于不同反应器的h d 对形成颗粒污泥的影响还不是十分清楚。 1 3 2 接种污泥 一般来说，培养好氧颗粒污泥可选两种接种污泥，分别是厌氧颗粒污泥和好 氧絮状污泥。卢然超1 25 】等利用厌氧颗粒污泥成功培养出具有除磷特性的好氧颗粒 污泥。但是由于我国厌氧颗粒污泥资源比较缺乏，因此采用普通絮状污泥作为接 种污泥将更加具有应用前景。到目前为止，很多研究者都采用普通絮状污泥培养 出了高活性的好氧颗粒污泥。杨麒等采用污水处理厂二沉池的活性污泥作为接种 污泥培养出了可实现同步硝化反硝化的好氧颗粒污泥【2 7 】。同时，也有少数研究者 采用好氧颗粒污泥作为接种污泥培养出了好氧颗粒污泥。利用好氧颗粒污泥作为 接种污泥缩短了颗粒污泥的形成时间，但是少量颗粒污泥作为诱导形成大量颗粒 污泥的机制尚不清楚，另外，接种量对缩短启动周期的影响尚无明确的定论。 t u b a h t 4 2 】等以厌氧好氧混合污泥作为接种污泥培养混合颗粒污泥获得了成功， 这种混合颗粒污泥具有好氧、厌氧颗粒污泥的优点，同时还可以在处理过程中产 甲烷，耗氧率也较低，因此可以节约能源，减少运行费用。 1 3 3 有机负荷 由于传质阻力的影响，相对于絮状污泥而言，颗粒污泥生长较慢。维持较高 的c o d 负荷有助于克服传质阻力，但负荷过高，也易引起丝状菌大量生长，从 而阻碍污泥沉淀并最终导致反应器出水的恶化和反应器运行状况的不稳定。如果 在较高的c o d 负荷情况下提高水流剪切力，丝状菌易于破碎并随反应器出水排 出，则有利于形成较为紧密而边界清晰、沉降性能较好的颗粒污泥。 卢然超1 4 3 1 比较了c o d 负荷对污泥颗粒化和除磷效果的影响，发现当c o d 为 2 5 0 3 5 0m g l ，污泥仍然维持絮状，s v i 值在l0 0 左右；当负荷提高到3 5 0 5 0 0m g l 后，污泥完全变为浅黄色，逐渐形成了粒径在o 1 0 2m m 的小颗粒，污泥的沉降 性能明显变好；当负荷进一步提高到6 0 0m g l 后，污泥的粒径约为o 2 1 0m m ， 6 硕i ：学位论文 最大的达到了2m m ，s v i 值也降低到5 0m l g 。 大量实验结果表明，在很大一个有机负荷范围内都可以形成好氧颗粒污泥 ( 2 5 1 5k g c o d m 3 - d ) 1 4 引。虽然在一定范围内有机负荷的高低对颗粒污泥的形成没 有直接的影响，但会影响颗粒污泥的形状和物理结构，在3 9k g c o d m 3 - d 之内， 好氧颗粒污泥的粒径随着有机负荷的增大从1 6m m 增大到1 9m m 【4 5 1 ，但是太高 的c o d 负荷容易引起丝状菌极度生长，y u m i n gz h e n g 在c o d 为6k g c o d m 3 d 的条件下培养颗粒污泥，污泥粒径快速增大，丝状菌极度生长，当颗粒污泥粒径 达到1 6m m 后，污泥解体，s b r 反应器瘫痪1 4 6 1 。而当污泥有机负荷太小的情况 下，基质向微生物体的传质动力较小，不利于颗粒污泥与悬浮体型污泥争夺营养 物。同时，太高或者太低的有机负荷也不利于颗粒污泥的稳定。因此，有人建议， 在污泥培养成功后应保证有机负荷提高到0 6k g c o d m 3 d 【4 7 1 。 1 3 4 水力剪切力 在c o d 负荷一定时，水力剪切力的变化会导致颗粒污泥直径的变化。较高 的水力剪切力会形成粒径较小的颗粒污泥，而较低的水流剪切力会形成粒径较大 的颗粒污泥，最终在水力剪切力和颗粒污泥粒径之间达到动态平衡。过高的水力 剪切力会引起反应器中大量好氧颗粒污泥的解体并随出水排放而洗出，导致反应 器中m l s s 下降。t a y 等【4 引的研究表明，水力剪切力的变化会引起细胞e p s 含量 的变化和细胞表面疏水性的变化。e p s 具有支持微生物聚合并维持结构完整性的 生理功能，它通过架桥作用使微生物群体形成三维结构，这样微生物相互之间可 以更好地发生生化反应，同时生成的微生物颗粒结构更坚固，更能适应在较大的 水力剪切环境下生存。当水力剪切作用增强时，胞外多聚物的数量随之增加。 除了水力剪切力的大小会对颗粒化过程能否顺利进行产生影响外，反应器内 流体运动模式也会对该过程起到推动或阻碍作用【4 9 1 。这是因为水流和细胞间的相 互作用对形成颗粒化污泥非常关键。总的来讲，颗粒在反应器中的运行方式主要 有两种，分别是环向运动和不规则的随机运动( 图1 1 ) ，根据热力学原理，环向运 动将使颗粒形成规则的球状，使物体具有最小的表面自由能，对形成稳定的颗粒 污泥可以起到积极作用；而处于随机运动中颗粒，由于处于水流以及其他颗粒的 不断任意冲撞中，所以真正意义上的颗粒污泥较难形成，即使能形成颗粒也具有 不规则形状【50 1 。全混式曝气池和柱状升流式反应器内的流体流动方式就存在明显 的差别：前者主要呈现自由的随机运动方式，而后者的流体流动方式以环状周期 运动为主。因此在典型全混式曝气池中形成颗粒化污泥的报道极为少见，而几乎 1 0 0 颗粒污泥的报道是在柱状升流式反应器中的完成的。 7 环状周期运动下 形成的颗粒 随机运动下 形成的颗粒 图1 1 环向运动和随机运动中所形成的颗粒污泥的形状的比较 1 3 5 沉降时间 s b r 反应器中，控制沉降时间可以洗出沉降性能较差的细小分散污泥和絮状 污泥，因而是影响形成好氧颗粒污泥的主要因素。沉降时间用于强化活性污泥的 沉降速率，并在颗粒污泥( 快速沉降) 和悬浮或絮状污泥( 慢速沉降) 间作出选择。l e i 等 2 1 , 5 1 】在4 个s b r 反应器中将沉降时间分别控制在2 0 ，1 5 ，1 0 ，5m i n 来研究选择 压对污泥颗粒化的影响，并考察了e p s 的多糖与蛋白质比、疏水性、微生物活性、 沉降性能及重金属离子含量等的变化。结果显示，沉降时间的缩短，将导致低s v i 值、高细胞疏水性、高多糖与蛋白质的比值、高微生物活性，细胞内钙离子含量 要远高于其他重金属离子的含量。分析原因认为，细胞表面疏水性升高及胞外多 聚物分泌变多是微生物在高的水力选择压情况下，通过微生物间的自絮凝作用来 适应外界环境的变化；短的沉降时间能加速微生物的呼吸作用，提高微生物活性： 微生物为了避免洗出反应器，通过钙离子的聚集来提高沉降性能。当反应器运行 稳定时，将沉降时间为2 0m i n ，1 5m i n ，1 0m i n 的反应器的沉降时间分别缩短为5 m i n ，2m i n ，1m i n ，2 周后，各反应器均实现颗粒化。可见，反应器中污泥的颗 粒化是由沉降时间的缩短形成的选择压引起的。 王芳等| 5 2 1 关于污泥接种量的研究中指出，颗粒污泥形成的直接影响因素不是 沉降时间，而是污泥的自由沉淀空间。较少的污泥接种量能提供较大的自由沉淀 空间，使污泥能够实现重力分层，进而排除悬浮不沉降污泥，利于污泥颗粒化。 沉降时间长短决定着反应器中污泥的颗粒化是否完全，沉淀时间的缩短使自由沉 淀空间增加，从而影响了絮状污泥的颗粒化进程。 1 3 6 进水基质类型 到目前为止，大多数研究者采用葡萄糖、醋酸钠、蔗糖等为碳源的人工配水 作为进水基质，极少数采用城市污水。研究表明，不同的进水碳源所培养的好氧 颗粒污泥其外部形态、颗粒化速度及污泥特性等方面均有所不同。研究表明，以 硕士学位论文 蔗糖为碳源易于形成好氧颗粒污泥，但低负荷时容易滋生大量的丝状菌；以乙酸 钠为碳源时，虽然运行条件易于控制，但污泥颗粒化程度不好，颗粒污泥周围包 有大量絮状污泥而使颗粒污泥呈絮团状；以蔗糖与乙酸钠为混合型碳源物质时， 形成的好氧颗粒污泥表面光滑，无丝状菌存在，且颗