（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥的培养及其在工业废水处理中的应用研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 山东大学硕l 学位论史 摘要 本论文针对工业废水行业多、水质复杂且大部分难以降解的特点，将好氧污 泥颗粒化技术以不同的方式用于工业废水处理。通过间歇吸附孔雀石绿模拟印染 废水试验，探讨好氧颗粒污泥作为生物吸附剂的可行性；通过以2 争二氯酚与葡 萄糖共代谢培养好氧颗粒污泥，揭示其对目标污染物的降解特性与机理，对于解 决氯酚类化工废水的新型高效生物反应器开发提供范例；采用啤酒废水实现好氧 污泥颗粒化，研究颗粒化的过程特性及脱氮特性，以期为颗粒化反应器从实验室 小试到工业废水处理应用提供理论依据。 试验结果表明好氧颗粒污泥作为生物吸附剂可有效吸附去除溶液中的孔雀 石绿，在孔雀石绿初始浓度在8 0m g l 时，好氧颗粒污泥的最大吸附容量为8 2 m g gs s 。溶液p h 对吸附效果有较为明显的影响，在碱性环境中，孔雀石绿的 去除率较高。 以2 , 4 - d c p 为目标污染物，以葡萄糖作为共代谢底物，在s b r 反应器中通过 降低沉降时间、提高有机负荷等造成选择压，最终培养获得能够降解去除2 ，4 - d c p 的好氧颗粒污泥，实现了污泥颗粒化反应器运行过程中，2 , 4 - d c p 的浓度控制 在5 0m g l ，反应器运行第8 天出现细小的颗粒污泥，第2 3 天时，颗粒污泥成为反 应器的主体，2 , 4 - d c p 的浓度从5 0m g l 渐次提高到1 0 0m g l 。颗粒污泥粒径不断 增大，最终颗粒污泥的m l s s 和s v i 值分别稳定在4 ，gg 几和2 3m l g 左右。在好氧 污泥颗粒化之后，对2 , 4 d c p 和c o d o 的去除率均达到9 0 0 6 以上。2 , 4 - d c p 的平衡 浓度随初始浓度的增大而增大，去除率贝f j 随初始浓度的增大而减小用h a l d a n e 方程可以很好地拟合抑制性基质2 ，4 - d c p 对好氧颗粒污泥的影响。 利用啤酒废水成功培养出了好氧颗粒污泥。反应器运行9 周后，可以得到粒 径在2 - 7 m m 之间的好氧颗粒污泥。随着好氧颗粒污泥的形成，s v i 值从8 7 5m l g 降至3 2m l g 。所颗粒污泥沉降速度大于9 1m h 。好氧颗粒污泥形成以后，在体 积交换率5 0 * 、反应周期6h 的情况下，可获得商效稳定的c o d 和n h 4 + - n 去 除率，分别是8 8 7 5 和8 8 9 0 6 ，反应器出水c o d t 和c o d s 平均值分别是2 1 2 和 1 3 4m g ，l ，n h 4 + n 平均值低于1 4 4m g l 。 关键词：好氧颗粒污泥，培养，吸附，2 ，4 二氯酚，啤酒废水 山东人学帧i 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 nf o rt h et r e a t m e n to fv a r i a b l ea n dc h a n g e a b l ei n d u s t r i a l w a s t e w a t e rw a si n v e s t i g a t e d t h eb a t c hb i o s o r p t i o no fm a l a c h i t eg r e e n ( m g ) o n t o a e r o b i cg r a n u l ew a sc o n d u c t e dt oe v a l u a t et h ef e a s i b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l ea sa b i o s o b c n t a e r o b i cg r a n u l a t i o nf o r2 , 4 d i c h l o r o p h e n o l ( 2 , 4 d c p ) b i o d e g r a d a t i o nw i t h g l o c u s ea sac o s u b s t r a t ew a se x a m i n e dt oe x p l o r et h e2 , 4 d c pb i o d e g r a d a t i o n p r o p e r t y a n dm e c h a n i s m a e r o b i cg r a n u l a t i o nw i t hb r e w e r yw a s t e w a t e rw a s d e t e m i n e dt op r e d i c ti t sf u l l s c a l ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h er e s u l ts h o w st h a ta e r o b i cg r a n u l e sc u l t i v a t e dw i t hs y n t h e t i c 旧s k 啊倍t e f e x h i b i tl a r g ec a p a c i t yf o rt h eb i o s o r p t i o no fm gf r o ma q u e o u ss o l u t i o n s ，w h i c hi s8 2 m g ，gs s a lt h ei n i t i a lc o n c e n 仃a t i o no f8 0m # l p hv a l u eh a sg r e a te f f e c to i l b i o s o r p t i o np r o c e s s t h ei n c r e a s i n go r g a n i cl o a d i n g sa n dd e c r e a s i n go fs e t t l i n gt i m em s u l t a di nt h e s e l e c t i v ep r e s s u r et oe n h a n c et h ef o r m a t i o no fg r a n u l a rs l u d g e t h ea e r o b i cg r a n u l e s h a dac l e a r l yd e f i n e ds h a p ea n da p p e a r a n c e , d e m o n s t r a t e dh i g hs e t t l i n gv e l o c i t i e s r e s u l t i n gi ng o o dl i q u i ds e p a r a t i o n , h i g hb i o m a s sr e t e n t i o na n da b i l i t yt ow i t h s t a n d c o d c fa n d2 ，4 - d c p t h em i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d s ( m e s s ) a n dt h es l u d g e v o l u m e t r i ci n d e x ( s v i ) w e r ea b o u t4 8 扎a n da b o u t2 3m l g ，r e s p e c t i v e l y t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d oa n d2 4 - d c pb o mr e a c h e d9 0 t h ek e ys t e po ft h e b i o d e g r a d a t i o no f2 ，4 一d c pw a sd e c h l o r i n a t i o n t h eb i o d e g r a d a t i o nk i n e t i c sw a sa l s o i n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e s e n c eo f 2 ，4 - d c pa tt h ec o n c e n t r a t i o no f1 0 5 m e , a - i n h i b i t e dt h eb i o d e g r a d a t i o nr a t eo f2 , 4 d c pa n dt h ei n h i b i t i o ni n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo f 2 ，4 - d c pc o n c e n t r a t i o n a f t e r9 - w e e ko p e r a t i o n , s t a b l eg r a n u l e sw i t hs i z e so f2 - 7r f f f nw e r eo b t a i n e dw i t h b r e w e r yw a s t e w a t e r 。w i t l lt h eg r a n u l a t i o n t h es v iv a l u ed e c r e a s e df r o m8 7 5t o3 2 m l g t h eg r a n u l eh a da ne x c e l l e n ts e t t l i n ga b i l i t y 谢t l lt h es e t t l i n gv e l o c i t yo v e r9 1 m h a e r o b i cg r a n u l ee x h i b i t e dg o o dp e r f o r m a n c ei nt h e o r g a n i c sa n dn i t r o g e n r e m o v a lf r o mb r e w e r yw a s t e w a t e r a f t e rg r a n u l a t i o n , h i 【g ha n ds t a b l er e m o v a l 2 坐垄盔兰堡! ：兰堡丝塞 e f f i c i e n c i e so f8 8 7 c o d b8 8 9 n r - nw e r ea c h i e v e da t t h ev o l u m d r j c e x c h a n g er a t i oo f5 0 a n dc y c l ed u r a t i o no f6h t h ea v e r a g ec o d ta n dc o d so ft h e e f f l u e n tw e r e2 1 2a n d1 3 4m g ，l ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ea v e r a g ee f f l u e n ta l 姗o l l i 啪 c o n c e n t r a t i o nw a sl e s st h a n1 4 4m g ，l k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l e , c u l t i v a t i o n , b i o s o r p t i o n , 2 ，4 - d i c h l o r o p h e n o l ，b r e w e r y w a s t e w a t e r 山东大学硕f 。学位论文 1 1 本研究的目的和意义 第1 章引言 随着我国现代化建设进程的加速，水资源短缺将是今后最突出的资源与环境 问题。水资源短缺问题不仅表现在水量的匮乏，而且突出表现在因水质污染所造 成的功能性短缺。近年来，水质安全问题业已导致居民生活、生产用水的高度紧 张，具体事例不胜枚举。随着工农业的迅速发展和城镇人口的剧增，大量工业废 水不经处理或处理不达标而直接排放，使得我国湖泊与流域氮磷富营养化现象以 及持久有机物污染现象日趋严重。尽管我国在水污染防治方面做了大量的工作， 但是由于一些废水处理工艺本身存在结构复杂，处理效率低下，运行维护费用高 等缺点而导致工业废水无法得到有效处理。 在生物处理系统中，处理效能的高低由微生物特性所决定，反应器内生物量 越大，活性越高，沉降性能越好，单位体积反应器的处理效率也就越高。为了提 高反应器内的微生物浓度，研究人员进行了各种研究和探索，并开发出了生物接 触氧化池、生物滤池等反应器，这些反应器虽然在一定程度上提高了反应器的微 ， 生物浓度，但是由于填料的存在，使得反应器的有效体积减小。直到上世纪8 0 年代，荷兰农业大学的l e t t i n g ag 成功开发出能培育厌氧颗粒污泥的u a s b 反 应器，才出现了真正意义上的可提高反应器内生物浓度而不会减小反应器有效容 积的生物处理系统。近年来，研究人员为进一步提高污水生物处理的效能，已开 始尝试结合好氧生物处理反应器内微生物高效氧化特性与厌氧消化反应器中厌 氧颗粒污泥的高生物浓度和良好沉降性能，而开发好氧颗粒污泥污水处理技术。 自从m i s h i m a 等人于1 9 9 1 年首次在好氧升流式污泥床反应器内培养出好氧颗粒 污泥以来，大量研究者开始从事好氧颗粒污泥的研究，并且在实验室小试规模的 s b r 中培养出了好氧颗粒污泥，并且对其一些特性也进行了初步研究，但是目 前将好氧污泥颗粒化技术应用于工业废水处理还鲜有尝试，因此开发并完善以工 业废水处理为导向的好氧污泥颗粒化技术体系不仅是解决好氧污泥颗粒化技术 由实验室走向工程实际应用的关键，也为解决当前工业废水污染的提供了新的理 念与战略思路。 因此本论文的目的是针对工业废水行业多、水质复杂且大部分难以降解的特 s 山东人学顾卜学位论文 点，将好氧污泥颗粒化技术以不同的方式用于工业废水处理。通过间歇吸附孔雀 石绿模拟印染废水试验，探讨好氧颗粒污泥作为生物吸附剂的可行性；通过以 2 , 4 - 二氯酚与葡萄糖共代谢培养好氧颗粒污泥，揭示其对目标污染物的降解特性 与机理，对于解决氯酚类化工废水的新型高效生物反应器开发提供范例；采用啤 酒废水实现好氧污泥颗粒化，研究颗粒化的过程特性及脱氮特性，以期为颗粒化 反应器从实验室小试到工业废水处理应用提供理论依据。 1 2 文献综述 颗粒污泥是生物处理工艺中一种特殊的污泥微生物组织结构形式，有关厌氧 颗粒污泥的形成与机理，国内外研究者已做了大量深入的研究【l , 2 1 ，为u a s b 、 e g s b 等高效厌氧反应器的应用与开发奠定了技术基础。鉴于颗粒化污泥的特殊 分层结构、高密度、多样化微生物代谢菌群共存与协同偶合、稳定性和抗逆性等 特性，9 0 年代中后期国外研究者先后研究发现在具有兼氧好氧环境、高气液接 触界面和良好水力剪切力的u s b 、s b r 等反应器中也可形成具有去碳、脱氮、 除磷功能的好氧颗粒污泥，并对颗粒污泥的形成条件、理化特性与功能菌群分布 等方面进行了研究【3 d 9 1 ，国内近几年也有好氧污泥颗粒化研究报道卿。 好氧颗粒污泥的发现为提高反应器污泥活性与浓度、减少剩余污泥外排量、 维持微生物群落多样性及系统稳定性等方面提供了一项技术革新，有望解决普通 好氧活性污泥处理工艺运行过程中泥水分离困难、容积负荷率低等问题。 1 2 1 好氧颗粒污泥的定义 一直以来研究者对好氧颗粒污泥没有严格的定义，2 0 0 5 年在德国慕尼黑工 业大学召开了世界水协会( i w a ) 第一届好氧颗粒污泥研讨会，给好氧颗粒污泥 作了如下定义【捌： g r a n u l e sm a k i n gu pa e r o b i cg r a n u l a ra c t i v a t e ds l u d g ea r et ob eu n d e r s t o o da s a g g r e g a t e so f m i c r o b i a lo r i g i n , w h i c hd on o tc o a g u l a t eu n d e rr e d u c e dh y d r o d y n a m i c s h e a r , a n dw h i c hs e t t l es i g n i f i c a n t l yf a s t e rt h a na c t i v a t e ds l u d g ef l o c s 1 2 2 好氧颗粒污泥的理化特征及微生物结构 1 2 2 1 颗粒形态 好氧颗粒一般呈圆形或椭圆形，具有清晰、光滑外廓，通常其形状系数与纵 6 山东大学硕t 学位论文 横比分别大于o 5 、0 7 ，平均颗粒粒径在0 2n l l n 5 0m n l 之间【3 8 l ；可见好氧颗粒 污泥的粒径分布范围较广，其三维结构、沉降性能和微生物分布等方面均存在明 显差异，已有研究发现好氧颗粒的最优粒径应为颗粒表面至内部厌氧层距离的两 倍，殷小于1 6 蛳，而颗粒粒径的进一步增大，将导致颗粒内外层结构的改 变以及颗粒强度、表面疏水性、s v i 等指标的下降1 9 , 1 0 1 。 好氧颗粒污泥一般呈橙黄或浅黄色，但由于接种污泥和进水基质的不同也可 能出现不同颜色，如当颗粒污泥中含大量钙元素时呈白色【9 l 。 1 2 2 2 颗粒密度与强度 好氧颗粒污泥比重一般在1 0 0 4 1 0 6 5 ，含水率小于9 7 ( 低于普通絮状污泥 的9 9 ) ，高密度、低含水率的好氧颗粒的形成可提高反应器污泥浓度，减少剩 余污泥外排量1 卜1 3 1 。同时，好氧颗粒污泥具有较高的物理强度，能够抵挡反应器 运行过程中高磨损和水力剪切，一般高于9 5 ，与厌氧颗粒物理强度相近【7 】。 1 2 2 3 污泥沉降性能 污泥沉降性能一般以污泥体积指数( s v d 和污泥最小沉降速率两个指标来表 示。已有研究表明，好氧颗粒污泥s v i 远低于传统絮状污泥，一般在5 0m l g 以下；其污泥最小沉降速率平均在3 0m h - 7 0m h ，远高于普通絮状污泥( 8m h - i o m h ) 【1 0 ，1 4 1 。从工程应用的角度来看，通过实现好氧污泥颗粒化面明显活性污泥的 沉降性能，为实现混合液泥水快速分离提供可能，可确保好氧反应器在高水力负 荷条件下仍能持留大量活性污泥，系统性能和稳定性得到提高【l 卯。 2 0 0 5 年l i u 等建立了一个好氧颗粒沉降速率模型，揭示了颗粒沉降速率( 、，0 与s v i 、颗粒粒径( 和污泥浓度o l p 之间的关系，在不同条件下获得的实测值与 计算值拟合良好；当颗粒粒径足够小时，模型可以转化为众所周知的v e s i l i n d 方 程【1 6 1 。 ，2 矿：上旦p 彬 5 1 8 as 玎 1 2 2 4 胞外多聚物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 ) 胞外多聚物( e p s ) 通常由多糖( p s ) 、蛋白质( p n ) 、糖蛋白、核酸、磷脂和腐 殖酸等组成，是生物絮体、生物膜和生物颗粒的主要成分，尤其在生物膜和生物 颗粒的形成过程中起重要作用；已有研究表明，胞外多糖( p s ) 的产生可加强细胞 问的絮凝和附着，有助于维持自絮凝颗粒的结构完整性f 1 7 l ；结合已有关于颗粒 7 山东大学硕t + 学位论文 污泥e p s 含量及其组分的研究发现，不同的e p s 提取方法所获得的e p s 含量存 在明显差异，且p s p n 比值范围较广，一般在o 1 5m g m g i s 9 1 。 m c s w a i n 等对形成絮状污泥( 沉降时间1 0m i n ) 和颗粒污泥( 沉降时间2m i n ) 的两组好氧反应器污泥e p s 组分进行了定量研究，结果表明两组反应器污泥样 品e p s 中p n 含量均较高，分别为( 5 0 5 ) m g g v s s 和( 7 3 5 ) m g g v s s ，而p s 含量分别为( 8 - - + 2 ) m g g v s s 和( 1 l 2 ) m g g v s s ，可见颗粒污泥e p s 中的p n 比 絮状污泥高5 0 以上1 1 8 1 。蔡春光等发现好氧颗粒污泥形成前后，e p s 中p s p n 比值增加了近2 5 倍，颗粒表面电荷比活性污泥絮体减少约1 2 ，疏水性由4 2 增加到6 5 ，可见p s p n 与污泥表面负电荷、疏水性等具有一定相关性【1 9 】。 1 2 。2 5 表面疏水性 细胞表面疏水性作为细胞自絮凝过程中重要的亲合力，根据热力学理论，表 面疏水性的增强将导致表面剩余g i b b s 自由能的减少、细胞自絮凝能力的增强和 致密结构的形成，因此在好氧污泥颗粒化过程中起至关重要的作用伫1 刀】。好氧颗 粒污泥的表面疏水性一般在4 0 7 5 ，约为传统絮状污泥的两倍，并随着水力 剪切力的增强和污泥沉降时间的缩短而提高【阁。 1 2 2 6 耗氧速率 在环境工程领域，一般用比耗氧速率( s o u r ) 来表征微生物活性。好氧颗粒 污泥s o u r 一般大于4 0m g d o gv s s - h ，随着水力剪切力的增大，固液界面d o 传质作用和微生物呼吸作用得到加强，s o u r 相应提高阳o t l 2 1 。 l i u 等研究发现在内源呼吸阶段，颗粒污泥与絮状污泥的耗氧速率相差不大， 分别为1 0 0 7 、8 3 6m g d o g m l s s - h ，而在基质降解过程中耗氧速率分别高达 4 1 9 0 、1 8 3 2m g d o g m l s s h ，为内源呼吸阶段的4 倍和2 倍，可见好氧颗粒污 泥的形成大大提高了微生物活性。 1 2 2 7 颗粒结构与微生物分布 在废水生物处理系统中，系统处理效率与反应器内微生物组织结构形式、功 能降解菌的持留量、污泥微生物相的多样性和稳定性等密切相关。因此，应用现 代分子生物技术等方法，如基于c l s m 的寡核甘酸探针杂交、特殊荧光染色等， 对不同操作条件下好氧颗粒污泥内部微生物结构进行研究，有助于我们确定合适 的好氧污泥颗粒化策略 1 2 , 2 5 - 3 0 l 。 在好氧颗粒结构特性研究方面，t o h 等将反应器稳定运行阶段粒径范围在o 3 8 山东大学硕t 学位论文 m m - 5 0m i l l 的好氧颗粒污泥分为5 大类，随着颗粒粒径的增加，颗粒污泥的s v 、 表面疏水性分别由3 5 9 9m h 、2 4 6g m g v s 提高至8 0 8 3m h 、5 9 2g l g v s ，但 颗粒v s t s 、强度、s v i 却由8 8 1 6 、9 9 2 2 、3 4 9 0i n l i g 1 下降至7 4 3 5 、8 9 5 1 、 6 6 0 2m l f 1 ，可见颗粒污泥的理化性质与颗粒粒径明显相关；c l s m 结果表明， 颗粒表层结构较致密( 约( 6 0 0 士5 0 ) m 厚) ，活细胞仅存在于颗粒表层，均与粒径大 小无关f 2 5 1 。b e u n 等发现好氧颗粒内部存在明显的d o 和基质扩散限制，d o 和 基质( 醋酸钠) 的扩散距离分别为1 7 p m - 2 0 i _ t m 和1 1 5 1 a m - 5 2 0 1 t m ，故颗粒外层 ( o 4 r a m ) 微生物生长快、活性高、结构较为致密，而颗粒内层( 1 7 m m ) 结构相对松 散，但未发现空隙 9 1 。m c s w a i n 等对颗粒污泥e p s 原位染色发现，活性细胞和胞 外多糖( p s ) 主要集中在颗粒外层，颗粒内核大多由蛋白质构成，推测颗粒的形成 和稳定依赖于非细胞的蛋白核【1 8 1 。l m 等发现在高n c o d 底物条件下好氧颗粒 呈蘑菇形状，说明细菌对营养基质存在趋化性，在混和培养环境中蘑菇状结构可 促进硝化菌群与营养基质的接触，形成最适、稳定存活的高复杂菌群分布结构 1 2 0 l 。 鉴于好氧颗粒污泥特殊的层状结构，颗粒外层和内部构成同步实现硝化和反 硝化的微观环境【翊，已有大量研究集中在好氧硝化，反硝化颗粒污泥的结构与菌 群分布等方面。t a y 等研究发现好氧氨氧化菌n i t r o s o m o n a se 融主要分布在颗粒 表层7 0i m l 1 0 0 邺范围内，距颗粒表面8 0 0i 衄舢l u n 处以厌氧菌b a c t e r o i d e s s p p 为主，而在8 0 0i m a - 1 0 0 0 岬处则为死细胞层2 删。j a n g 等发现颗粒内部微 生物以杆状菌为主，结合微电极和f i s h 技术( 真细菌探针e 1 l b 3 3 8 、氨氧化菌 探针一n s m l 5 6 ) 同样发现氨氧化菌主要分布在颗粒表层，大多数硝化反应也发生 在颗粒污泥表层3 0 0 1 m a 范围内例。e t t e r e r 等研究还发现距颗粒表面3 0 0r t m - 5 0 0 i n n 处孔隙率最大，这些通道和气孔的存在有利于溶解氧和营养基质的输入和代 谢产物的输出i 1 此外，m e y e r 等在厌氧好氧交替运行的s b r 反应器内获得与 生物除磷有关的聚糖原菌( 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 ) 颗粒污泥，f i s h 与 c l s m 分析结果表明，c o m p e t i b a c t e r 分布在整个污泥颗粒内( 8 0 2 5 呦，但其代 谢活性主要在颗粒表层1 0 0 “m 范围内例。 9 山东人学硕i ：学位论文 1 2 3 好氧污泥颗粒化过程影响因素 1 2 3 1 基质组成及有机负荷率 已有研究表明，好氧颗粒污泥可在以葡萄糖、乙酸盐、乙醇、苯酚及一些工 业废水为基质的好氧反应器内形成【4 ，印) 1 书j 。颗粒结构、微生物种群及分布等与 进水基质种类密切相关，有关研究发现以葡萄糖作为唯一碳源形成的好氧颗粒平 均粒径为2 4m l n ，以球菌为主，颗粒表面存在部分杆状菌，并由丝状菌缠绕， 而以乙酸钠作为唯一碳源获得的颗粒污泥平均粒径较小，为1 1m m ，以杆状菌 为主，其结构相对较为致密1 7 1 。 反应器在高有机负荷率下有助于克服基质的传质阻力，在相应较高的水力剪 切力下可形成结构致密、沉降性能优异的好氧颗粒污泥。已有报道s b r 反应器 在有机负荷2 5k g ( c o d ) m 3 - d l5k g ( c o d ) m3 , d 条件下均能发生好氧污泥颗粒化， 形成的好氧颗粒粒径在1 6m m - 1 9i n m ，颗粒密度、强度、s v i 以及颗粒的三维 结构等均与有机负荷率相关p ”6 1 。t a y 等在有机负荷对好氧污泥颗粒化影响研究 中发现，当有机负荷为lk g ( c o d ) m 3 d 和2 k 甙c o d ) m 3 - d 时反应器均未发生污泥 颗粒化，而当有机负荷高至8k g ( c o d ) m 3 d 时反应器运行1 8 d 出现颗粒污泥，但 形成的颗粒污泥性状不稳定，最终多数被洗出反应器，只有在有机负荷4 k g ( c o d ) m 3 d 的s a s b r 反应器内最终获得成熟颗粒污泥，颗粒比重大( 1 0 6 3 ) 、 强度高( 9 9 5 o ) 、细胞疏水性强( 7 3 ) 、p s p n ( 5r a g r a g ) 值大，连续运行8 0 d 后 s c o d 去除率稳定在9 9 以上，可见有机负荷率的高低直接影响好氧颗粒污泥的 形成及其特性1 3 4 - 3 5 1 。z h e n g 等人网研究发现以蔗糖为碳源，在有机负荷为6 k g ( c o d ) m 3 d 时，培养的好氧颗粒污泥是不稳定的，容易引起丝状菌的滋生问题。 1 2 3 2 接种污泥 已有报道好氧颗粒污泥反应器的接种污泥主要为普通絮状活性污泥和厌氧 颗粒污泥 3 , 4 , 6 a , 3 & 3 鲫。以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥颗粒化进程较为缓 慢，对有机负荷、污泥沉降时问等操作条件要求较高，稍有不慎就会导致大量污 泥洗出、反应器颗粒化启动失败；而接种厌氧颗粒污泥的好氧反应器颗粒化过程 中，解体的厌氧颗粒可作为好氧污泥颗粒化过程中关键的聚集核，一定程度上可 缩短污泥颗粒化进型删。 山东人学硕j 。学位论文 1 2 3 3 反应器构型 不同反应器如柱形上流式反应器和全混流反应器对液体流态、微生物絮集结 构等方面均有一定影响。已有的好氧污泥颗粒化研究表明高径比( h ，d ) 较大的序 批式反应器有利于结构致密的颗粒污泥的形成( 7 ，1 啦。b e u n 等研究发现与 b s a r ( 气提式生物膜反应器) 相比，相同有机负荷、表面气速等操作条件下 s b a r ( 序批式气提反应器) 形成的好氧颗粒污泥密度较大，推测可能是进水方式 的不同，造成序批操作下底物可传递至颗粒表面5 0 0 岫处，而连续操作的b s a r 仅渗透到2 0 岬1 ，加上s b a r 的h ，d 较高，提高了对不同沉降速率污泥的选择 性，从而导致其形成的颗粒污泥具有致密的颗粒结构【9 1 1 2 3 4 反应器操作参数选择 水力剪切力 水力剪切力由液体流、空气流和固相粒子问的摩擦引起( 通常以表面气速来 表征) ，在好氧污泥颗粒化过程中作为重要的水力选择压，对颗粒污泥的形成及 其结构特性具有重要的影响 已有研究表明，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， 在此条件下水力剪切力与颗粒污泥的e p s 含量、s o u r 、表面疏水性、比重的提 高呈正相关性，表明水力剪切力在好氧颗粒污泥的结构和代谢方面起着重要作用 瞰1 瑚捌。p c n g 等在低d o 浓度( o 7m g l 1 0m g 下获得高活性好氧颗粒污泥， 随着曝气量由1 0 0i a l d n 提高至3 0 0l m i n 时，反应体系内d o 浓度基本不变，但 有机物降解活性明显提高嘲；d i l a c o n i 等在序批式生物膜反应器( s b b r ) 内研究发 现，低水力剪切力( 1 d y n c m ) 条件下，载体表面迅速形成多孔结构、低附着强度 的生物膜，当水力剪切力突然增大到初始的l o 倍后，生物膜脱落形成表面光滑 的颗粒污泥，颗粒密度与水力剪切力呈正相关【3 2 1 污泥沉降时间 沉降时间对于微生物群落来说是一个重要的水力选择压，其与颗粒污泥 s v i 、粒径等主要理化参数之间具有高相关性1 3 4 】通过选择适当的沉降时间，可 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。使难沉降的絮 状污泥在较短的沉降时间内被洗出，沉降速度大的微生物絮体在一定剪切力下逐 渐形成结构致密的颗粒污泥持留在反应器内川 m o r g c n r o t h 等首次在较短的h r t 和污泥沉降时间条件下实现s b r 反应器好 山东夫学硕t 学位论文 氧污泥颗粒化，获得的好氧颗粒污泥最小沉降速度2 3 0i n m l 3 l 。l i u 等基于好氧颗 粒的沉降速率建立的关于污泥沉降时间的新模型，该模型理论上揭示了污泥沉降 时间与s v i 、粒径和污泥浓度之间的关系，有助于在污泥颗粒化过程中根据污泥 形状的改变( 如粒径、s v l ) 来调控污泥沉降时间提供理论依据【r n 。该模型在q i n 等以污泥沉降时间作为选择压培育好氧颗粒实验中得到了证实，四组反应器的污 泥沉降时间分别为5 m i n 、1 0 m i n 、1 5 m i n 和2 0 m i n ，污泥沉降时间2 0r a i n 的s b r 反应器未能形成好氧颗粒污泥，污泥沉降时间 溶解氧 根据已有的好氧污泥颗粒化研究，溶解氧( d o ) 浓度大于0 5m 叽的s b r 反 应器内均可形成好氧颗粒污泥 6 , 2 4 1 ，可见d o 浓度并不是好氧颗粒污泥形成的决 定性因素，但由于传质阻力的存在，颗粒外层d o 浓度较高，结构紧凑、密实， 而颗粒内部d o 存在明显的浓度梯度( 不同的d o 浓度在颗粒内部渗透距离各不 1 2 山东人学硕l 学位论文 相同，一般在5 0 岬1 0 0 0t u n ) ，较外层大大降低甚至为零，从而导致颗粒内部结 构较为松散，并可能存在厌氧区、死细胞层或空隙，因此d o 浓度对d o 渗透距 离及颗粒内部微生物结构、菌群分布、代谢途径等均有一定影响 3 0 - 3 1 , 4 3 1 。 b e u n 等研究发现随着d o 饱和度从2 0 0 , 6 升高到4 0 ，反应器脱氮效率从8 2 增至9 0 左右，之后随着d o 饱和度的提高脱氮效率逐渐下降至7 3 ，可见反 应器脱氮效率与d o 饱和度相关m 。y a n g 等研究发现当d o 浓度从0 5m g l 升 高至o gm g l 时，颗粒污泥的反硝化活性受到明显抑制，总氮去除率降至5 0 以下t 1 2 1 。 1 2 4 好氧颗粒污泥形成机理 好氧颗粒污泥实际是一种特殊的生物膜形式，研究者通过对好氧颗粒理化特 性、微生物结构与颗粒化过程操作工艺条件等方面的研究，提出了丝状菌三维框 架结构模型、诱导核模型、二价阳离子架桥结构模型等，但迄今为止对其形成机 理的研究尚不深入p 5 】。目前多数学者对以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥 颗粒化机理达成比较一致的观点是，反应器启动阶段首先由丝状菌缠绕成初始框 架，在普通絮状污泥中占主导地位的真菌附着于丝状菌框架上形成结构较为松散 的菌团，之后球菌、杆菌等微生物在作为固定化载体的菌团与丝状菌框架上不断 繁殖、生长、絮集；在较短的污泥沉降时间、较高的水力剪切力和较高的有机负 荷率等多重选择压下，沉降性能较差的絮状污泥不断从菌团表面洗脱而被洗出反 应器，反应器内逐渐形成密度大、沉降性能好的颗粒污泥；随着反应器的持续运 行，好氧颗粒粒径逐渐增大( 5m m 6m m ) ，大颗粒内部受到基质和溶解氧等传 质限制，颗粒内核分解，解体的菌团作为自凝聚内核，细菌不断附着在其表面， 最终与水力剪切力等操作条件达到动态平衡从而形成结构致密、沉降性能好、抗 冲击负荷能力强的好氧颗粒污泥( 见图1 1 ) 。 山东人学坝f 学位论文 i n e c u l a u o n t b o o o i m m “s c i t h z f o m m m 跨袋卜荔 挚 。瓣戏。 。絮舔稍 w a e r o m b i c 蝻 m 卿m u m 。o a f 哪u l 。 图1 1 以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥颖粒化过程 1 2 5 好氧污泥颗粒化技术的应用 1 2 5 i 好氧颗粒污泥在脱氮方面的应用 考虑到好氧颗粒污泥的特殊的层状结构，具有一定粒径的颗粒污泥由于d o 浓度梯度的存在，其内部依次形成好氧缺氧或厌氧区，在好氧条件下可在颗粒 污泥外层和内部构成同步实现硝化和反硝化的微观环境；同时，鉴于硝化反应是 废水生物脱氮过程的控速步骤，反应器内好氧颗粒污泥的形成可持留大量生长速 率较慢的硝化反硝化细菌，确保反应器在高氨容积负荷条件下高效、稳定运行 刚2 , 4 3 - 4 4 。 t s u n e d a 等基于已有将硝化细菌选择性培养在生物膜上的研究，在好氧流化 床反应器( a u f b ) 内培养获得好氧颗粒污泥，反应器连续进水浓度为5 0 0 g n i 山+ - n m 3 ，随着水力停留时间的缩短，氨容积负荷高达1 5 k g - n m 3 d ，远高于 传统活性污泥法的运行负荷( o 4k g n m 3 d - 0 5k g n m 3 。d ) ，反应器氨去除率稳定在 9 8 1 2 s 。j a n g 等在好氧兼氧交替s b r 反应器内培育出粒径为l 士0 3 5 衄 1 3 士o 4 5m l n 、具有硝化与反硝化活性的颗粒污泥，硝化效率和c o d 去除率分别 达到9 7 和9 5 1 2 9 1 。国内阮文权等成功获得具有同步硝化与反硝化( s n d ) 功能的 好氧颗粒污泥，其c o d 、氨氮去除率分别为9 0 、1 0 0 t 3 8 l 。 由于硝化细菌的生长速率较慢，微生物群落结构与基质n c o d 比密切相关， l i u 等发现通过控制n c o d 比可实现好氧颗粒内硝化细菌的选择性培养，随着 反应器进水n c o d 比的增加( 5 1 0 0 3 0 1 0 0 ) ，稳定运行获得的好氧颗粒粒径逐渐 由2m l t l 减小至o 5r a i n ，颗粒污泥比生长速率下降至d 1 2d - 1 ，颗粒污泥内硝化， 反硝化细菌活性大大增强，污泥颗粒稳定性显著提高 2 0 1 。 4 固羁 山东大学硕t - 学位论文 1 2 5 3 , 好氧颗粒污泥在除磷方面的应用 众所周知，强化生物除磷工艺( e b p r ) 在厌氧好氧交替运行下具有较高的除 磷效果，相比化学除磷工艺来说具有经济、处理效果好等特点，但仍存在工艺运 行不稳定、占地面积大等问题；已有研究表明，污泥颗粒化技术作为一种特殊的 生物强化技术，形成的好氧颗粒结构致密、性能稳定，反应器高径大、占地面积 小，故在生物除磷方面具有一定应用前景。1 9 9 9 年竺建荣等在s b r 反应器内成 功培养获得具有一定除磷功能的好氧颗粒污泥，c o d 、磷去除效率均在9 0 以 上【1 3 1 。卢超然等发现适当t n ，r p 比( 2 3 6 ) 条件下可形成具有良好除磷效果的颗粒 污泥，而当t n t p 比由2 3 6 提高至4 0 时，除磷效率即由8 5 o 下降到5 4 1 1 4 0 1 。 l i n 等在p c o d 比在1 1 0 0 1 0 1 0 0 的s b r 反应器内均成功地培育出富含聚磷菌 的好氧颗粒污泥，颗粒粒径随p c o d 的增加呈下降趋势，但颗粒结构更为致密， 颗粒平均磷吸收率远高于普通e b p r 工艺的除磷污泥，在1 9 0 1 4 - 9 3 之间【4 习。 z e n g 等在厌氧- 好氧交替运行的s b r 反应器内，通过控制d o 浓度( 0 5r a g l ) 实 现短程硝化反硝化及反硝化除磷，使有机物及n 、p 得以同步去除【4 6 】。 1 2 5 3 有机废水处理 颗粒污泥结构致密、沉降性能优异、污泥产率低，可确保反应器承受相对较 高的水力负荷而无需担心大量污泥被洗出反应器 2 2 1 ，大大提高了反应器处理效 率和抗冲击负荷能力，已被研究者应用于实际有机工业废水处理中。2 0 0 5 年 s c h w a r z c n b c c k 等人 4 7 1 首次采用乳品废水在s b r 反应器中培育出了好氧颗粒污 泥，在污泥颗粒化之后，总c o d 、t n 、t p 的去除率分别为9 0 、8 0 0 1 4 、6 7 。 s u 等人 4 s l 采用豆制品加工废水成功实现了好氧污泥的颗粒化，在有机负荷为6 k gc o d m 3 d 时，c o d 去除率高达9 9 0 1 4 ；所培养的好氧颗粒污泥具有分形特征， 分形维数为1 8 7 士0 3 4 。 1 2 5 4 好氧颗粒污泥作为生物吸附剂在重金属废水处理中的应用 由于好氧颗粒污泥具有结构密实、沉降速度快、易于固液分离的特点，新加 坡南洋理工大学l i u 等首次将好氧颗粒污泥作为一种新型除锌剂，用于水体中 锌的生物吸附去除。研究表明，在z n 2 + 初始浓度为1 0 0m e , n 时，好氧颗粒污泥 对z n 2 + 的m 大吸附容量为2 7 0m g g 。同时l i u 掣删研究发现在c d 2 + 初始浓度为 1 0 0m g l 时，好氧颗粒污泥对c d 2 + 的最大吸附容量为5 6 6m g g ，表明好氧颗粒 污泥可以作为一种大吸附容量生物吸附剂用于重金属废水的处理。 l s 山东大学硕l 。学位论文 1 2 5 5 好氧颗粒污泥在有毒有机物降解方面的应用 结合好氧颗粒污泥的稳定性和抗冲击负荷能力，新加坡南洋理工大学t a y 等新近报道了以苯酚为唯一碳源，在高苯酚负荷( 2 5k g m 3 d ) 条件下获得结构致 密的好氧颗粒，反应器污泥浓度维持在( 8 2 士0 8 ) g s s l ，t o e 和苯酚去除率分别 大于9 8 0 和9 9 9 ，苯酚降解速率大于o 5 5gp h e n o f g v s s d s l 】。y i 等人则以硝 基酚( p n p ) 和葡萄糖共基质培养出好氧颗粒污泥【5 2 l ，其p n p 最大比降解速率 为1 9 3m