（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥的培养及颗粒污泥膜生物反应器的研究.pdf

ab s tr a c t ab s t r a c t a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e w a s c u l t i v a t e d i n s e q u e n c i n g b a t c h re a c t o r ( s b r ) b y u s i n g fl o c c u l a r a c t i v a t e d s l u d g e a s s e e d i n g s l u d g e . i n t h e s b r s y s t e m , w e re d u c e d s l u d g e s e t t l i n g t im e a n d i n c r e a s e d c o d l o a d i n g r a t e in o r d e r t o f o r m s e l e c t i v e p re s s u r e a n d w a s h o u t s m a l l s c a t t e r e d fl o c c u l e n t s l u d g e , a n d fi n a l l y e n h a n c e t h e g ro w t h a n d a c c u m u l a t i o n o f g r a n u l a r s l u d g e . t h e n t h e o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r w e re s t u d i e d a n d c o m p a r e d w i t h g e n e r a l a c t i v a t e d s lu d g e m e m b r a n e b i o re a c t o r . e x p e r i m e n t a l re s u l t s s h o w e d t h a t u s i n g t h e s e t t l 吨 t i m e t o g e t p r o p e r s e l e c t i o n p re s s u re c o u l d p r o m o t e t h e f o r m a t io n o f g r a n u l a r s lu d g e . t h e g r a n u l e s c u l t i v a t e d i n 山 e e x p e r i m e n t w e re n e a r l y s p h e r i c a l o r e ll i p t i c a l i n m o r p h o l o g y , w i t h d e n s e s t r u c t u r e a n d c le a r o u t l i n e . t h e d i a m e t e r o f g r a n u l a r s l u d g e w a s i n t h e r a n g e o f 0 . 5 - 1 .0 m m , a n d ml s s a n d s v i w e re 6 5 0 0 m g / l , 3 5 .2 re s p e c t i v e l y . s l u d g e g r a n u l a t i o n p r o c e s s i s c o m p o s e d o f t h e f o ll o w i n g s t e p s : fl o c c u l a r s l u d g e 一d e n s e fl o c c u l a r s l u d g e 一i n i ti a l a p p e a r a n c e o f g r a n u l e s g ro w t h o f g r a n u l e s m a t u re o f g r a n u l e s - a g i n g a n d r e n e w i n g o f g r a n u l a r s l u d g e . b a s e d o n t h e s t u d i e s o f p h y s i c o c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e g r a n u l e s , it c o u l d b e c o n c l u d ed 山 a t t h e f o r m a ti o n m e c h a n i s m o f g r a n u l a r s l u d g e w a s t h e e n t a n g l e m e n t o f f i l a m e n t o u s b a c t e r i a a n d j o i n t z o o g l e a . i n t h e s tu d y , ae r o b i c g r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n e b i o re a c t o r w a s c o m p a r e d w it h g e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r u n d e r s i m i l a r o p e r a ti o n a l c o n d i t i o n s . a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r d e m o n s t r a t e d a m o re s t a b l e a n d e x c e l l e n t e ff l u e n t q u a l i t y t h a n t h a t o f g e n e r a l a c ti v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o re a c t o r i t s e ff l u e n t c o d a n d n w- n c o n c e n t r a ti o n w e re 4 6 .6 m g / l a n d 4 . 8 m g / l o n a v e r a g e , m u c h l o w e r t h a n t h a t o f g e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( 8 6 . 8 m g / l a n d 1 4 . 9 m g / l ) u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s . c o m p a r e d w i t h t h e a c ti v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o re a c t o r , t h e a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e m e m b r a n e b i o re a c t o r h a d b e t t e r p e r f o r m a n c e . i t a c h i e v e d h i g h e r re m o v al e ff i c i e n c y t h a n g e n e r a l a c t i v a t e d s l u d g e m e m b r a n e b i o r e a c t o r w i t h 5 . 8 % a n d 2 8 . 8 % o f c o d a n d n 可 - n r e s p e c t i v e l y . i n 1 1 ab b i 花d a d d i t i o n , 山 fl u x r e d u c t i o n o f a e r o b i c g r a n u l a r m u c h l o w e r t h a n t h a t o f g e n e r a l a c t i v a t e db i o r e a c t o r . w 日 s t b e i n t r o d u c t i o n o f a e r o b i c g r a n u le s i n t o t h e m e m b r a n e b i o r e a c t o r s y s t e m w a s t o c o n t r o ll i n g m e m b r a n e f o u l i n g . k e y w o r d s : a e ro b i c g r a n u l a r s l u d g e , p h y s ic o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , a e r o b i c s l u d g e m e mb r a n e b i o r e a c t o r i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、 使用学位论文的规定， 同意 如下各项内 容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本; 学校有 权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或 其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供本学 位论文全文或者 部分的阅 览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文 的复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前提下， 学校可以 适当复制论文 的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授 权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 年、河少于 5 年 ) 功年 可 少 手1 0 年 ) 2 0 斌 句 少 手2 0 牵) 川 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行研究 工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成 果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 第一章 概论 第一章 概论 随着我国经济高速增长， 城市化水平不断提高，水污染问 题日 趋严重。全 国污水排放总量，国 家环保总局的 统计是， 2 0 0 1 年为4 2 8 亿吨， 2 0 0 4 年为4 8 2 亿吨， 3 年增长t 1 2 . 6 %; 水利部的统计是， 2 0 0 1 年为6 2 6 亿吨， 2 0 0 4 年为6 8 0 亿吨，3 年增长了8 . 6 %。尽管两个部门对绝对量的统计不完全一致，但都显示 污水排放呈较快增长趋势。因此，我国目 前迫切需要一批能满足处理效果好、 基建和运行成本低，废物产量少、营养损失小的可持续发展污水处理技术和工 艺。 废水生物处理技术是指利用自 然界广泛存在的大量依靠有机物生活的微生 物氧化降解废水中污染物的方法，它是现代生物工程技术的一个组成部分，是 水环境保护和废水治理工程领域的一个得到广泛应用并长期以来发挥着十分重 要作用、经济有效的工程技术方法。自1 9 1 4 年在英国建成世界上第一个活性污 泥法废水生物处理厂以 来，经过近00年的研究， 其应用得到了快速的发展，并 开发了许多更经济合理、处理能力更强、运行更为稳定地处理工艺技术，以成 为废水处理领域的主导技术。 但目 前存在的污水生物处理技术有许多问题:( 1 )污水处理工艺流程长、 构建体积大、基建投资大和运行成本高;( 2 )污泥产大、污泥难以沉降，需要 额外的 沉降池， 并且其成本占总投资的1 / 3 1 / 2 ; ( 3 ) 多数生物处理系统同时脱 氮除磷效果差等。 同时传统的废水生物处理工艺多以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目 标，而对废水中的氮、磷等营养物质的去除率则比较低，残存的大部分氮、磷 将随出 水排放到受纳水体，汇同其他来源的氮、磷营养物质对水体的污染和富 营养化危害依然存在并呈上升趋势。 随着氮、磷污染问题的尖锐化及公众环境意识的增强，越来越多的国家和 地区制定了相当严格的污水氮、磷排放标准和不同等级的实施规划。德国除要 求到1 9 9 5 年有8 5 % 的污水处理厂达到三级处理标准外， 还要求到1 9 9 5 年污水厂 每2 h 取样的混合水样中至少有8 0 % 满足总无机氮-1 2 的生物二级处理厂的出水 当 总 氮 去 除 率 7 5 % 时， 出 水 无 机氮 浓 度 可 达2 5 m g / l 表1 . 2中 华 人民 共 和国 污 水 氮 磷 排 放 标 准 (v . n 制定时间 排放标准 ( m a )备注 1 9 9 6 年 磷 ( 以 磷计) 磷酸盐-0 . 5以及排放标准 一级排放标准 a 标准 沪尹-护沪 2 0 0 2 年 氮 ( 以 氮计) 氨氮i s 总氮-1 5 氨氮- 5 ( 8 ) 总氮-2 0 氨氮(8 ( 1 5 ) 总磷(l 总磷-0 . 总磷簇l 总磷1 2 时的 控制指标: 括号内 数值为水温-1 2 时的 控制指标 适用于2 0 0 5 年1 2 月3 1 日 前建设的污水处理厂 适用于2 0 0 6 年1 月1 1 日 前建设的 污水处理厂 因此，无论是从国际发展趋势来看，还是我国现实水污染状况出 发，控制 水体污染，防治水体的富营养化，探索适合我国国情且经济有效的污水处理工 艺和方法，加强污水在生后合理的回用，己成为当今我国污水处理行业的一大 研究课题。 一 r 第一章 概论 第一节 膜生物反应器的研究进展 膜生物反应器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r , m b r ) 是高效膜分离技术和传统话性 污泥法的结合，几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的 生物污泥浓度提高， 理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的 有机污染物含量降 到最低， 能有效地去除 氨氮， 对难降解的工业废水也非常有效. 2 0 世纪8 0 年代 以 来， 该技术已 成为研究的热点 之一， 我国 对m b r 的研究始于1 9 9 3 年。 m b r 是 在污水排放标准越来越严格和水资源短缺问题日益突出的背景下应运而生的， 作为一种新型高效的生物处理技术，由于其处理效率高、出水水质稳定、管理 操作简便等优点，得到了 人们越来越多的重视。 1 . 1 . 1 m b r 的研究历程 国外有专家把膜技术的发展称为 “ 第三次工业革命” ，作为 2 1世纪最有前 途的高新技术之一， m b r 在水处理领域中的应用得到了 全世界界范围内的广泛关 注 m b r 污 水处 理工 艺的 研究 始于2 0 世纪6 0 年 代， 1 9 6 6 年 美国 的d o r r o l i v e r 公司首先 在美国 化学 会议上发表了 该项研究结果 囚 。 但当 时由 于受膜生 产技术所 限， 膜的使用寿命短、 价格昂贵， 使其在投入实际应用中 遇到了障碍。 2 0世纪 7 0年代后，日 本开始重视膜分离技术在废水处理与回用中的应用，并组织日 本 的大学、研究所、企业开始了 全面的研究，使膜生物反应器开始实际应用.71 2 0 世纪8 0 年代以 后， 随着膜制造技术的发展、 膜分离工艺的 完善、 膜清洗方法 的改进及污水厂出水水质要求的提高，膜生物反应器在污水处理行业受到青睐。 目 前，在世界范围内，实际运行的m b r系统已 超过了5 0 0 套，同时许多工程正 在计划或者建设中， m b r 的发展己 涉及化工、 制药、 食品、畜产和生活废水处理 等行业。 1 . 1 . 2 m b r 的分类 根据膜材料的不同，膜主要分为无机膜、有机膜两类。 有机膜价格较便宜， 但易于污染; 无机膜能在恶劣的环境下工作，使用寿命长，但价格较贵。 根据膜组件在m b r 中的作用可将m b r 反应器分为三种类型: 分离m b r 、 无泡 曝气m b r 和萃取m b r ， 其中又以 分离m b r 的应用最广 1 。在分离式m b r 中，根据 第一章 概论 膜组件的设置位置，又可分为分置式和一体式两类。分置式 m b r的膜组件设置 在生物反应器外，两者通过回流泵及管线相连; 一体式 m b r的膜组件设置在生 物反应器内。分置式 m b r有利于膜的清洗和更换， 但回流泵的高速旋转会影响 微生物的活性:一体式 m b r占地省，造价及运行成本低，膜污染缓慢，但膜的 化学清洗困难。 无泡曝气 m b r采用透气性膜对生物反应器无泡供氧，氧的利用 率可达 1 0 0 % ，因此不形成气泡， 可避免水中某些挥发性的 有机污染物挥发到大 气中。 用于污染物萃取的 m b r是由内 装纤维束的硅管组成， 这些纤维束的 选择 性将工业废水中的有毒污染物传递到好氧生物相中而被微生物吸附降解。 1 . 1 . 3 m b r 的工艺特点 m b r反应器作为一种新型高效的废水生物处理技术，与传统的生化处理相 比，具有以下主要特点: ( 1 ) 膜组件能够有效的分离悬浮固体，因此可以 最大限度地将活性污泥截留 在生物反应器内. 传统活性污泥法的m l s s 最高在5 g / l 左右， 而m b r 系 统的m l s s 最高可达到2 0 g / l 左右，从而可以 带来比 传统法更高的有机 物去除率。 ( 2 ) 传统法污泥浓度低， 污泥产量高，剩余污泥的处置费用占 到废水处理总 成 本的5 0 % 左右， 。 m b r 系统在 低f / m 条 件下 运行， 污 泥产率远低于 传统 法，从而使剩余污泥的处置费用大幅度降低， 进而降低废水的整体处理 成本。 ( 3 ) 污泥停留时间的 大幅度延长，可使硝化及亚硝化菌等世代时间较长的微 生物有效的保留在生物反应器内，从而使 m b r系统具有比传统法更好的 脱氮除磷的能力。 ( 4 ) 由于膜生物反应器所需体积小且无需设置二次沉淀池， m b r 系统的占 地面 积较之传统法大大缩小，在一些土地使用紧张的地区较之传统法建设可 行性高。 ( 5 ) 与传统法比较， 膜污染一直是 m b r系统中一个难以克服的问题。它使膜 的阻力增加，透水率逐渐下降，严重影响了 m b r系统的处理效果，成为 了限制m b r 系统广泛应用的一个主要障碍。 1 . 1 . 4 m b r 在水处理系统中的应用及研究成果 第一章 概论 自1 9 6 5 年美国 人s 汕t h 首次报道了 活性污泥生物法和超滤结合处理城市污 水的方法以 来，膜生物反应器技术在水处理中的 应用研究取得了 显著的 成效。 国外对膜生物反应器的研究起步较早， 现在己经进入实用阶段。 表 1 .3 列出了国 外膜生 物反 应器在水处 理中的 主要研穷成 果 1 1 0 ， 表1 .4 及表1 .5 分别为m b r处 理生 活 污 水 和 工业 废 水的 一些 试 验参 数 1 1 . 1 2 1 国内 虽然对膜生物反应器技术的研究水准不高， 但近年来也出 现了许多应用 膜生物反应器工艺处理工业废水的中试研究， 现在正处于推广阶段。但国内的 研究水平与国外相比 还有很大的差距，应用于水处理的膜生物反应器技术装备 与规模、产品质量、应用研究与示范装置开发等方面都比较落后，膜生物反应 器在我国仍未进入实用阶段。因此在今后一定时间内，国内对膜生物反应器技 术在水处理中的应用研究会有长足的发展。 1 . 1 . 5膜生物反应器的发展趋势 综合了生物反应器和膜处理技术特点的膜生物反应器是一种新型的水处理 系统，由于具有占地少、能耗低等技术优势，在水处理特别是工业废水处理及 中水回用上极具潜力。但膜生物反应器中膜组件的价格、污染以及使用寿命等 依然是该技术需要解决的难题。故膜生物反应器技术应在以下几个方面有所发 展( l3 ( 1 )对膜生物反应器中膜组件制造工艺的 进一步改良。 ( 2 ) 目 前单独的膜处理技术己经比 较成熟，如何利用膜处理技术的成熟经验 制造出适合膜生物反应器的膜，使膜组件经济实用。 ( 3 ) 虽然对膜污染的机理研究已 有一定的成效，也有许多效果较好的防治措 施，但膜污染仍然是影响膜过水通量、工作周期及使用寿命的重要因素， 所以对膜污染机理的进一步研究及有效防治措施的探讨还是膜生物反应 器技术研究重点。即开发低成本、高性能的耐污染膜，根据不同的水质 及处理要求，用不同的膜及膜组件与各种好氧和厌氧生物废水处理技术 相结合，开发处理能力更大、耐污染能力更强、运行更经济的新型膜生 物反应器。 此外，对膜生物反应器中菌种的驯化研究也是膜生物反应器 今后的研究方向。 第一章 概论 表1 . 3国 外膜生物反应器在水处理中的应用 研究 应用研究学者 s m i t h h a r d t s h e l f g r e t h l e i n y a m a m a t o w o n g y - - - t o 年份 1 9 6 9 1 9 7 0 1 9 7 2 1 9 7 8 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 s a t o 1 9 9 1 t o n e l l i k o l e g a c h a i z e 1 9 9 1 1 9 9 1 1 9 9 1 y u i c h i h o g e t s u 1 9 9 2 1 9 9 2 ki a t p i l l a y 1 9 9 2 1 9 9 c h i e m c h a i s r i 1 9 9 1 k r a u t h s c o t t r o n a l d h i d e k i a r a i u e d a z h a n g n a g a o k a c h o o 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 4 1 9 9 4 1 9 955 1 9 9 6 用超涟膜代替二沉池，将活性污泥法和超滤结合处理城市污水 超滤和活性污泥法结合处理c a d 为2 3 0 0 0 m g / l 的高浓度废水 研究了 厌氧型膜生物反应器 利用厌氧消化池结合膜系统处理生活污水 研究了 将中空纤维膜直接浸于曝气池内的 一体式生物反应器 研究了中空纤维膜的物理排列与堵塞的 程度关系 进行了s b r 工艺与中空纤维超滤膜组件构成的 膜生物反应器处理制 革废水的研究 研究了 膜通t与活性污泥浓度、溶解性 c 加、 污泥猫度的动力学关 系 研究了 处理汽车制造厂含有污水的膜生物反应器系统 研究了中空纤维微滤系统去除细菌和病毒的能力 研究了污泥产f.稳态下悬浮固体浓度、s r t 和 f i r t 对膜生物反应 器的影响 进行了 活性污泥加微滤膜生物反应器脱氮的 研究 进行了固定床厌氧消化器与管式中空纤维膜组件组合处理羊毛清 洗废水的研究 进一步研究了中空纤维膜间污泥积累 机制及其最佳设计密度 对微滤系统凝胶层形成过程、影响因素、条件控制及模型预测进行 了研究 研究了在中空纤维膜下部装射流曝气装里以 增加膜通量的微滤生 物反应器 考察了 加压活性污泥法与超滤膜构成膜生物反应器 进行了消除膜污染方法的研究 研究了膜生物反应器处理含大量油脂及重金属的废水 对厌氧消化器与板框型超滤组件组合处理高浓度有机颗粒废水进 行了实验 评估了中空纤维膜组件对一体式膜分离活性污泥法的影响 利用中空纤维膜组件进行了处理城市污水一体式膜分离活性污泥 法的工业化试验 对膜生物反应器与传统活性污泥法， 在微生物种群和细菌活性的对 比方面进行了研究 对细菌胞外聚合物 ( e p s ) 和污泥粘滞度对膜过滤阻力的影响， 进行 了 动力学分析。 对厌氧消化液组份对膜渗透性能的影响 进行了 研究 月0月0行b 909 990口 曰.二j.二.1 第一章 概论 表1 . 4姗r 处理生活污水 膜材料 膜面积 ( 矿) 透膜压力 ( k p a) 印d( m g / l ) 进水/ 出水 陶瓷膜 膜孔径 ( um ) 3 0 0 0 0 0 0 . 0 4 膜通量 ( l / m h ) 7 5 - 1 5 0 2 0 0 0 0 0 . 8 8 4 加8 5 0 / 1 0 9 5 -6 5 2 / 5 s s ( m g / l ) 进水/ 出水 3 0 0 6 0 0 / 0 5000 j.二.二 3 0 0 0 0 1 . 0 2 0 . 4 5 2 5 3 5 0 . 0 1 12 . 35 0 - 1 2 0 0 . 0 3 2 . 0 0 . 0 6 5 3 . 5 1 0 . 4 6 0 - 3 5 0 . 2 2 1 21 6 . 70 . 8 - 1 . 3 7 2 - 2 3 5 / 1 1 6 0 3 7 八. 3 1 5 2 - 4 3 3 / 3 0 3 3 -1 4 9 / 0 1 2 1 - 3 0 7 8 / 1 5 - 3 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 - 7 0 0 / 6 0 4 0 0 8 0 0 / 0 3 6 6 . 4 / 1 3 . 1 pan吃pvcpepp 项目 啤酒 表1 . 5姗r 处理工业废水 废水 食品毛印印染港 口制药印染 pe44 pp pe panl2 膜材料 膜面积 ( m ) 膜孔径 ( p . ) 膜通量 ( l / m h ) 膜面流速 ( 口 / s ) 陶瓷膜 0 . 0 2 2 0 . 0 3 5 5 0 0 0 0 0 . 1 0 . 20 . 1 6 0 - 7 03 5 - 4 5 9 . 1 - 1 2 6 . 23 . 5 1 . 3 - 3 . 6 ， 表示截留 分子2. p s 聚砚， p x聚醚讽， p a n 聚丙烯晴， p v d f 聚偏氛乙 烯， p p 聚丙烯， p e 聚乙烯 第一章 概论 第二节 好氧颗粒污泥技术的研究 1 . 2 . 1好氧颗粒污泥研究概况 好氧颗粒污泥的研究是建立在厌氧颗粒污泥研究的基础上的。自 从上世纪 提出上流式厌氧污泥床反应器 ( u a s b )概念，因其能够形成沉降性能良 好、产 甲烷活性高的厌氧颗粒污泥，在世界范围内迅速发展起来.研究表明可形成颗 粒污泥的并不仅仅局限于甲 烷菌， 在连续运行系统内酸化菌、硝化菌、反硝化 菌及好氧异养菌也能形成颗粒污泥。而对好氧颗粒污泥早期的研究主要在连续 流的b a s ( b i o - f i l m a i r l i f t s u s p e n s i o n ) 反应器中 进行， 需要在培养过程中添 加污 泥载体， 如d e b e e r 等 ， ， 对硝化 细菌， v a n d e r h o e k 等对反 硝化细菌， t i j h u i s 等1 1 5 1和v a n b e n t h u m 等116 1 对好氧异养 细菌进行的 研究。1 9 9 1 年， s h i n h s 等1 1 7 1 和m i s h i m a 等 is 开始利用连续流a u s b ( a e r o b i c u p f l o w s l u d g e b l a n k e r ) 反应 器对好氧活性污泥自 凝聚现象进行研究，但运行条件苛刻，需用纯氧曝气才行， 且无 脱氮除 磷的能 力. 1 9 9 7 年起， m o r g e n r o t h 等利用间 歇式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 应器对好氧颗粒污泥的自 凝聚现象进行了 研究1 10 1 . p e n g等 在 s b r反应器中， 以 醋酸钠为碳源， 在低溶解氧( d o 0 . 7 - 1 . 0 m g / l )情况下形 成具有良 好生物学性能的 好氧 颗粒 污泥12 01 . b e u n 等证实 在s b r反应 器中 较短的 水力停留时间和较大的水流剪切作用有助于形成好氧颗粒污泥， 沉淀时间的选 择是影响好氧颖粒污泥菌群的主要因素， 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a 11 . b e u n等还对相同 负 荷、 相同 气体表 面 速 率 和 相 同 操 作 周 期 情 况 下 ， s b a r ( s e q u e n c i n g b a t c h a i r l i f t r e a c t o r ) 反 应器、 s b r反应器和b a s反应器中产生的不同好氧颗粒污泥进行比较， 并在s b a r 反 应器中 发现存在硝化 和反硝化过程m. e t t e r e r等w 1 对在不同 操作 条件下所 形成的好氧颗粒污泥的形状进行了系统研究， 并提出了有关研究方法。 我国 竺建荣等w . 25 1 研究了 在厌一 好氧交替工艺( s b r的 一种变型 )中 好氧活 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 粒活性污泥， 颗粒直径0 . 5 - 1 . 5 m m ，比 重1 . 0 0 7 左右，含水率9 7 % -9 8 %, m l s s 4 . 0 4 - 6 . 8 8 g / l , s v i 1 2 0 - 4 5 m l / g ， 一 般约为3 0 m l / g . 卢然超 等， ， 研究t s b r反 应器工艺在不同条件下对好氧污泥颗粒化和生物脱氮除磷效果的影响。结果表 明，反应器中形成了同时具有脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥，对c o d 和p 的去除 一 卜 第一章 概论 率分别为9 0 %和8 5 %左右;n h , - n 和t n 去除率分别达到9 0 %和8 0 %;颗粒污泥的 s v i 值约为5 0 ， 并且出 水水质好。 白 晓慧m认为， 通过控制水利停留时间、溶解氧、曝气量在活性污泥工艺 中可培养出 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。 1 . 2 . 2好氧污泥颗粒化反应器 对于好氧颗粒污泥颗粒化反应器来说， 一般均采用间歇式反应器，如s b r , s b a r 和b a s 均可作为颗粒化的反应器，其实后两种均为s b r 的变形。相对于连续 流反应器， 间歇式反应器有如下优点: 设计和操作简单;污泥沉淀发生在反应器 中， 不需要额外的沉淀池; 反应器有较高的 h / d ( 反应器高/ 直径) 比， 占 地面积小; 可以 积景高浓度的污泥， 承受较高的容积负荷及冲击负荷。间歇进水可以改善污 泥沉淀性能， 通过沉淀时间的选择可以在反应器中获得颗粒污泥。沉降速率是反 应器主要的操作参数， 较高的h / d 比有利于颗粒化过程。由于具有良 好沉降性能 的活性污泥沉淀时间 较短， 反应周期中的大部分时间可以 用于反应国。 有研究表明， 在相同的操作条件下，s b r 反应器中污泥密度为1 2 . o g / l( 活 性污泥量/ 颗粒污泥) ， 远低于s b a r 反应器中的 4 8 . o g / l ( 活性污泥量/ 颗粒污泥) ; 而s b r 反应器中颖粒平均直径 ( 2 . 0 . n ) 大于s b a r 反应器中的颗粒平均直径 ( 1 . o .) 。 这主要是由于s b r 反应器中的水利剪切力分布较s b a r 中均匀， 在s b a r 反应器中 较高的水利剪切力导致污泥较大的密度和较小的颗粒直径 . . 在s b r 反 应器中可以 观察到好氧颗粒分层现象。 在反应器的上部颗粒污泥的数量小于反 应器下部的颗粒污泥数量，导致在上部的颗粒污泥的快速生长，产生颗粒较大 和密度较小的颗粒污泥， 这种污泥易解体，导致不稳定3 u 1 . 2 . 3培养接种污泥 对于接种的 污泥， 好氧颗粒污泥反应器可采用不同 接种污泥， 已 有的报道包 括: ( 1 ) 以 普 通的 絮状活性 污泥为 接种污 泥(1 9 1= 1 2 1 . 2 37 ， 此为 丝状菌和小颗粒的 混合 物， 接种污泥占 反应器体积2 5% 左右;( 2 ) 以去除c o d 为主的悬浮、不沉降的细胞 为 接种污泥 13 17 ， 接种污泥占 反应 器体积5 % 左 右;( 3 ) 直接采用厌氧颗粒 污泥进 行驯化/7 4 . 2 3 . _ j . 直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化的方法简便且成功率高; 而以 第一章 概论 普通絮状活性污泥为接种污泥， 启动时间长， 控制难度较大。直接采用厌氧颗粒 污泥进行驯化的方法简便且成功率高，主要原因认为是厌氧颗粒污泥提供了好 氧颗粒污泥的形成核心， 厌氧颗粒内的微生物逐步培养和转化， 新生的微生物 在核心周围 互相交 错缠 绕， 而聚集成 颗粒污泥国。 另 外， 采用 普通活性污泥时， 进水中加适量c a o 也可以 提高颗粒化成功率和进程。 c a o 在水中形成c a ( o h ) , ，与 微生物活动产生的col反应形成细小的c a c o 3 颗粒或胶体，成为诱发颗粒化的核 fn :。 之所以 采用c a 盐， 是因为 其最容易 被微生 物所利用， 使微生物能够迅 速凝 聚到所形成的核的周围。 1 . 2 . 4好氧颗粒污泥产生的条件 好氧自 身固定化颗粒污泥形成的两个先决条件是适当的水流剪切作用和高 浓度的溶解氧。好氧系统中为实现自 身固定化一般要求外界提供比较缓和的水 流剪切作用，这种作用可有布水过程设计中 产生， 也可在系统中设置必要的搅 拌装置。 目 前在纯氧条件下己 成功地培养出 颗粒污泥， 在缺氧和常规曝气体系中也 观察到好氧颗粒污泥。在用纯氧曝气的条件下，因为高浓度的溶解氧会引起微 生物生态系统的变化和代谢途径的改变，因此易形成絮体密度比较大的活性污 泥，这在纯氧活性污泥法中得以证明。由于采用纯氧供气，颗粒污泥的粒径相 对较大，好氧微生物在单个污泥颗粒中所占的比重也大。常规曝气体系和缺氧 曝气体系的颗粒污泥有比 较强的硝化、反硝化功能，能 在同 一生物处理单元中 同时进行硝化、反硝化作用。在充氧过程中，为保证反应器内水力环境利于颗 粒污泥的形成，防止因气泡而造成大的搅动，在充氧时最好采用体系外充氧， 也可采用体系内的微孔曝气，为提高溶解氧浓度可采用加压充氧的方式供气。 好氧颗粒污泥的形成与下面三个因素密切相关: ( 1 )处理装置中应维持适中的 速度梯度，以 提供必要的剪切作用和微生物 的选择作用，产生较为紧密的颖粒污泥。 ( 2 ) 为维持颗粒污泥的形态，污水中应具有高浓度的溶解氧，既利于满足颗 粒深处溶解氧的要求，也利于提高好氧污泥的絮凝性能。 ( 3 ) 丝状菌的自 缠绕构成了好氧颗粒污泥的外框架， 硫酸盐还原菌的存在降 低了生物系统中的氧化还原电位，提供了一个比较好的自 凝聚的生境。 第一章 概论 好氧颗粒污泥形成的现象从微生物角度来讲还有必要更进一步地对这一共 生体系进行研究。 1 . 2 . 5好氧颗粒污泥颗粒化影响因素闻 不同来源的颗粒污泥其特性不同。 s b r 反应器中， 好氧颗粒污泥的形成与底 物负荷、水流剪切力和沉淀时间等密切相关。 1 . 2 . 5 . 1进水碳源的影晌 许多碳源都能培养出好氧颗粒污泥，如葡萄糖、醋酸盐、乙醉、苯酚和合 成废水等。但是不同类型的碳源将影响好氧颗粒污泥的构成菌种及其结构。如 用葡萄糖做碳源可使好氧颗粒污泥的表面生成较多的丝状菌;而用醋酸盐做碳 源的好氧颗粒污泥主要是由杆状菌构成，结构也更加紧密;利用无机碳源形成 的硝化颗粒污泥主要由 硝化细菌构成， 其具有极强的硝化能力网. 1 . 2 . 5 . 2有机负荷的影响 c o d负荷的变化会影响到活性污泥的积累， 在高负荷情况下会产生大量污 泥。 在其他条件( 最小沉降速率、 表面气体流速和h r t ) 最优情况下， 活性污泥会 累积，导致反应器中污泥浓度增加。较高的c o d 负荷容易引起丝状菌大量生长， 从而阻 碍污 泥沉降并导 致反 应器操作状态的 不稳定 【3 4 1 。 但如果 较高的c o d负荷 伴随着较高的水流剪切力， 则会形成紧密、沉降性能好的颗粒污泥13 5 1 . 有研究 表明 cx 7 c o d 负 荷在一定范围内 对颗粒化过程并无直接影响， 但它影响到颗粒污泥 的最终形状。 另外有研究ca n 表明， 有机负荷率对好氧颗粒污泥的物理特性有很大的影响。 低有机负 荷下形成的好氧颗粒污泥表面蓬松， 主要有絮状体构成; 高有机负荷下 形成的好氧颗粒形状规则，表面有裂缝、褶邹和凹坑。相比较，在乙酸下形成 的好氧颗粒污泥较密实，有较好的沉降性能和强度，但乙酸下好氧颗粒污泥在 高负荷时容易解体。乙酸进水形成的好氧颗粒污泥致密的结构阻止了营养物质 向颗粒内部的传递。 1 . 2 . 5 . 3沉降时间及沉降速度 s b r 反应器中， 控制沉降时间可以洗出絮状污泥， 这是影响好氧颗粒污泥形 第一章 概论 成的主要因素。控制沉降时间可用于强化特定颗粒的沉降速率，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，较短的沉降时间最终会 选择出具有较高沉降速率的颗粒污泥而使其留在反应器中，而悬浮和絮状等沉 降 较慢的 污 泥就 会随 排 水而 被 洗出 3 1 ， 沉淀时间 过长就 不能 对颗 粒污 泥 进行有 效的选择。 沉降速度由 沉降高度与沉降时间之比 来确定。当 最大沉降高度确定 时，改变沉降时间用于强化临界沉降速度。较长的沉淀时间会形成絮状污泥， 而较短的沉淀时间则不能在反应器中积累大量的污泥。 1 . 2 . 5 . 4进水水质 己 有的 研究 结 果in ) 表明， 可以 在 很广的 进水 有机物 组成 范围内 形 成颗 粒污 泥，而并不局限于特定的微生物种群。但进水中的含氮量过高或过低都会使反 应器中污泥的颗粒化程度下降，己有的颗粒污泥逐渐解体，向絮状转化，并带 有丝状絮体，污泥沉淀性能变差。所以，进水中较高的c o d / t n 比、c o d / t p 比、 合适的t n / t p比是影响污泥颗粒化的重要因素。 表1 . 6不同 基质中好氧颗粒污泥特性 基质种类 供氧方式 l k 加 状态 生活废水合成废水 纯氧曝气 颗粒化时间 / d 粒径大d / m m 污泥浓度/ g 空气曝气 好氧一缺氧 1 0 2 -1 0 1 3 . 6 生活废水 纯氧曝气 好氧 9 2 - g 8 . 2 淀粉废水 纯氧曝气 好氧 1 6 0 . 3 1 2 . 1 1 0 . 5 好氧 5 2 . 5 - 5 1 8 1 . 2 . 5 . 5水利剪切力 气体流量是反应器中水利剪切力的 主要产生原因。 在较高的表面气体流速 下( 0 . 0 4 1 m / s ) ，好氧颗粒污泥表面多余的丝状菌脱落，导致形成较光滑的颗粒 污泥。 脱落的 微生物因为沉淀较慢而被洗出。 在较高的表面气体流速( 0 . 0 4 1 m / s ) 下， 沉淀时间适当延长，负荷可增至 7 . 5 k g / 拭 d ) 。 而较低的 表面气体流速 ( 0 . 0 1 4 或0 . 0 2 0 m / s ) 并 不 能 形成 稳定的 颗粒 污泥侧。 另外，水利剪切力对细胞多聚物、比 重和细胞表面疏水性有影响别 .高水 利剪切力易于形成大量的胞外多聚物，形成的好氧颗粒污泥具有较高的耗氧速 率和细胞表面疏水性，较高的表面疏水性可以加强细胞之间的相互作用，是污 泥颗粒化主要的作用力，细胞表面疏水性的增加使其表面自由能降低而有利于 第一章 概论 固液分离，加强细胞之间的作用力是细胞保持稳定致密的结构，细胞疏水性是 细胞固定化的主要亲和力。胞外多聚物的 产生有利于好氧颗粒污泥形成稳定的 结构并且保持结构完整性，胞外多聚物对细胞自 身固定化具有重大的贡献; 较高 的水利剪切力刺激微生物分泌更多的胞外多聚物，从而使在特定的水利环境中 生物结构达到一个平衡; 胞外对聚物与生物膜密度之间有重大关系。在生物反应 器中，由 水利剪切力而产生的水流作用或颗粒碰撞时影响细胞固定群体形成、 结构及稳定性的主要因素。较高水利剪切力下形成的生物膜具有较高的强度， 而低水利剪切力下形成的生物膜具有多孔的、脆弱的结构。微生物的新陈代谢 与其电子转移活性关系密切，而较高的水利剪切力使细胞的耗氧速率提高，产 生更多的胞外多聚物，因此水利剪切力提高时，微生物的新陈代谢速率加快以 维持一个平衡。 1 . 2 . 5 . 6细胞表面疏水性 细胞疏水性是细胞自 身凝聚的非常重要的亲和力阁. 异养菌颗粒和硝化菌 颗粒的形成与细