（模式识别与智能系统专业论文）异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo na g g r a n d i z e m e n to f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e d e n i t r i f i c a t i o nb y h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o nb a c t e r i a b y l i a n gl i n b e ( t i a n j i ni n s t i t u t eo fu r b a nc o n s t r u c t i o n ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a a i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m u n i c i p a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs e n i o re n g i n e e rl iz u p e n g ，a s s o c i a t ep r o f e s s o rl ih u i l i m a y , 2 0 1 1 36 舢358 删8iiiiy 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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： 录膦 1 日期：归1 1 年 月7 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，即：学校 有权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。本人授权兰州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，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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 杰蛹 f 日期： 汐i1 年月7e 1 日期：沙lf 年占月7 日 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景l 1 1 1 水中氮元素的来源l 1 1 2 水中氮元素的存在形态及危害。2 1 2 好氧颗粒污泥技术2 1 2 1 颗粒污泥的优点3 1 2 2 颗粒化影响因素4 1 3 生物脱氮技术。7 1 3 1 传统脱氮工艺的缺点7 1 3 2 生物脱氮技术研究的新方向7 1 3 3 同步硝化反硝化生物脱氮工艺9 1 4s b r 污水处理技术1 1 1 5 课题的提出及研究内容1 2 1 5 1 课题提出1 2 1 5 2 研究内容13 第2 章实验材料与方法。1 4 2 1 实验材料1 4 2 1 1 实验用水1 4 2 1 2 接种污泥1 4 2 1 3 实验装置1 4 2 1 4 实验中用到的主要仪器设备1 6 2 2 实验方法1 6 2 2 1 实验装置运行方式l6 2 2 2 实验分析方法1 7 第3 章好氧颗粒污泥的培养1 9 3 1 好氧颗粒污泥的培养1 9 3 1 1 准备阶段污泥变化1 9 3 1 2 选泥阶段污泥变化2 0 3 1 3 成泥阶段污泥变化2 0 3 2 结果与讨论2 1 3 2 1 出水c o d 、n h + - n 、t n 和p h 及污泥沉降时间变化2 l 3 2 2 运行方式对好氧颗粒污泥形成的影响分析2 2 3 2 3 好氧颗粒污泥性质分析2 3 异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究 3 2 4 污泥形态变化及生物相演变2 4 3 2 5 好氧颗粒污泥的沉降速率分析2 5 d 、结2 6 第4 章异养硝化颗粒污泥脱氮性能研究2 8 4 1 异养硝化颗粒污泥脱氮效果分析2 8 4 1 1 一个周期内好氧颗粒污泥对各污染物的去除情况2 8 4 1 2 好氧颗粒污泥培养期间各污染物质去除率变化2 9 4 1 3 异养硝化颗粒污泥与普通颗粒污泥除污效果对比2 9 4 2 异养硝化颗粒污泥脱氮方式分析2 9 4 3 异养硝化颗粒污泥脱氮模式的简单探讨3 1 4 3 1 异养硝化颗粒污泥的结构及其微观环境3 l 4 3 2 异养硝化颗粒污泥中的脱氮微生物3 2 4 4 异养硝化颗粒污泥的优点3 3 本章小结。3 4 结论与展望。3 6 l 砉论3 6 展望3 7 参考文献3 8 致谢z 1 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录4 3 硕士学位论文 摘要 好氧颗粒污泥与普通活性污泥相比，具有污泥结构紧密，微生物含量高，对 水质水量突变抵抗性能好，可处理有毒废水，沉降性能良好，出水分离纯化过程 简单，污水处理工艺可以省去二沉池和污泥回流设备，占地面积小，投资和运行 管理费用低等优点。 异养硝化菌完成硝化反应的底物既可以是有机氮也可以是无机氮。大部分异 养硝化菌能在低溶解氧和较高有机碳浓度的环境中同时进行异养硝化作用和好氧 反硝化作用，释放出n 2 、n o 或n 2 0 等。因此，脱氮过程中没有硝化作用产n 0 2 。 和n 0 3 的积累，异养硝化细菌可以保持较高的活性，脱氮效果好。 本实验在s b r 反应器中进行，进水采用人工模拟生活污水( 啤酒为碳源， n h 4 c i 为氮源) ，接种污泥采用兼性菌居多的活性污泥，通过不断降低污泥沉降时 间制造选择压的培养好氧颗粒污泥。为使异养硝化菌在污泥系统中占优势，实验 前期以厌氧和好氧交替运行的方式筛选富集兼性细菌。并根据异养硝化菌生长的 需要，控制进水c o d 、n h 4 + - n 浓度及系统溶解氧( d o ) 分别为l0 0 0 m g l 、2 0 0 m g l 、 2 0 m g l ( 成泥阶段暂时提高到6 0 m g l ) 。最终形成的好氧颗粒污泥的粒径大多 数在0 5 3 5 c m 之间，污泥容积指数( s v i ) 在2 5 m l g 左右，混合液悬浮固体 浓度( m l s s ) 在5 9 0 0 m g l 左右。 本实验培养的好氧颗粒污泥以异养硝化菌为优势菌，且好氧颗粒污泥结构较 疏松、孔隙率较高。颗粒污泥的特殊结构及其优势菌的特殊脱氮途径，强化了其 同步硝化反硝化的效果。好氧颗粒污泥性能稳定后，系统对c o d 、n h 4 + - n 和t n 的去除率分别达9 6 1 、9 5 4 和8 5 7 。本实验培养的好氧颗粒污泥对c o d 和 n h 4 + - n 的去除率与普通好氧颗粒污泥相同，对t n 的去除率明显优于普通颗粒污 泥。 关键词：好氧颗粒污泥；异养硝化菌；s b r 反应器；同步硝化反硝化 异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a v et h e a d v a n t a g eo fs l u d g ec o m p a c t ，r i c hm i c r o o r g a n i s m ，w e l lp e r f o r m a n c et or e s i s ta b o u t w a t e rm u t a t i o n s ，i tc a nh a n d l et h et o x i cw a s t ew a t e r , w e l ls e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c e ， s i m p l ep r o c e s so ft h ew a t e rp u r i f i c a t i o n i tw i l lh e l pu sl e a v eo u tt h ee q u i p m e n t so f t h es e c o n dp o n da n dt h er e t u r ns l u d g ed u r i n gt h es e w a g et r e a t m e n t ，c o v e rs m a l la r e a ， e v e nr e d u c et h ee x p e n s e so ft h ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nm a n a g e m e n t m o s to ft h e h e t e r o t r o p h i c n i t r o b a c t e r i u m s i m u l t a n e o u s l y c o n d u c t st h e h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n da e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o ni nt h es u r r o u n d i n g so ft h el o w d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) a n dh i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cc a r b o n i nt h i sp r o c e s s ，i t i s a c c o m p a n i e dw i t ht h e r e l e a s eo fn 2 、n oo rn 2 0 ，e t c t h es u b s t r a t eo ft h e h e t e r o t r o p h i en i t r i f i c a t i o nc a nb et h eo r g a n i cn i t r o g e no rt h ei n o r g a n i c b e c a u s eo ft h e e x i s t e n c eo ft h eh e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n dt h ea e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o na tt h es a m e t i m e ，t h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i f i c a t i o np r o d u c t ( n 0 2 a n dn 0 3 。) ，b a c t e r i a lh a v eh i g h a c t i v i t y , a n db e t t e rd e n i t r i f i e a t i o ne f f e c t t h i se x p e r i m e n ti so p e r a t e di nt h es b r r e a c t o r , b yu s i n gt h em a n u a ls i m u l a t i o n d o m e s t i cs e w a g e ( b e e rf o rc a r b o ns o u r c e ，n h 4 c ia sn i t r o g e ns o u r c e ) ，t h ed o u b l e b a c t e r i u ma c t i v a t e ds l u d g ea st h ei n o c u l a t es l u d g e c u l t i v a t et h ea e r o b i cg r a n u l a r s l u d g eb yr e d u c i n gt h es e t t l i n gt i m e o ft h es l u d g e t om a k et h eh e t e r o t r o p h i c n i t r o b a c t e r i u md o m i n a n ti ns l u d g es y s t e m ，f a c u l t a t i v eb a c t e r i u mi se n r i c h e db yt h e w a y o fa l t e r n a t ed u r i n gt h ea n a e r o b i ca n do x y g e nb e f o r et h ee x p e r i m e n t a c c o r d i n gt o t h en e e do ft h eg r o w i n go ft h eh e t e r o t r o p h i cn i t r o b a c t e r i u m ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c o d ，n h 4 na n dt h es y s t e md i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i ni n f l o wa r ec o n t r o l l e da r o u n d 10 0 0m g l ，2 0 0 m g la n d2 0 r a g l ( t h ef o r m e dm u di m p r o v e dt o6 0 m g lf o rt h e m o m e n t ) t h ef i n a l l yf o r m e da e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a st h eg r a i ns i z eb e t w e e n o 5 c ma n d3 5c m t h es l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v i ) i sa b o u t2 5 m l g t h em i x e dl i q u o r s u s p e n d e ds o l i d s ( m l s s ) i sa b o u t5 9 0 0 m g 1 h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n b a c t e r i ai st h ep r e d o m i n a n tb a c t e r i ao fa e r o b i c g r a n u l a rt r a i n e di nt h i se x p e r i m e n t a l t h eg r a n u l a rs l u d g eh a sl o o s es t r u c t u r ea n dh i g h p o r o s i t y t h es p e c i a ls t r u c t u r eo fg r a n u l a rs l u d g ea n dt h es p e c i a ld e n i t r i f i c a t i o nw a y o fi t s p r e d o m i n a n tb a c t e r i a e n s u r ei t ss i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c y w h e nt h es l u d g eh a v eas t a b l ep e r f o r m a n c e ，t h er e m o v a lr a t eo ft h e i i 硕：卜学位论文 c o d n h 4 + - na n dt na r e9 6 1 、9 5 4 a n d8 5 7 t h er e m o v a lr a t eo fc o da n d n h 4 + - no fa e r o b i cg r a n u l a rt r a i n e di nt h i se x p e r i m e n t a li ss i m i l a rt ot h eo r d i n a r yo n e ， b u tt h er e m o v a lr a t eo ft ni so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h eo r d i n a r yo n e k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；h e t e r o t r o p h i cn i t r o b a c t e r i u m ；t h es b rr e a c t o r ； s i m u l t a n e o u sn i t r if i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n i i i 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水中氮元素的来源 水体中的氮元素的来源是多渠道的，其中主要包括城市生活污水、工农业生 产废水和含氮化肥的旋用【lj 。 城市生活污水中的氮素主要来自厨房洗涤、厕所冲洗、沐浴、洗衣及城市垃 圾的渗滤液。随着我国城市化水平的不断提高，城市居民的人口数不断增加，城 市居民生活水平不断提高，对含氮日用品和含氮食品的需求在数量和质量方面都 不断增加。于此同时城市中各种浪费现象日益增多。因此城市排放的含氮污水和 含氮垃圾的数量和质量都呈迅速上升趋势。现阶段我国城市垃圾的渗滤液均含有 较高的氨氮。据统计垃圾填埋渗滤液每升的含氮量高达数百甚至数千毫克，每吨 垃圾约产生0 0 7 2 2 吨渗滤液。 工农业生产废水是水体中氮素来源的一个主要方面。许多工业生产都能排放 出大量含有较高的氮素污染物的废水。如，食品加工也、皮革制造也、石油化工 也及合成氨工业。其中，人工合成的含氮化肥是水体中氨氮营养元素的主要来源。 许多农业生产也能产生大量的含氮素污染物。如农业灌溉、禽畜养殖及农产品加 工业。其中，畜禽养殖废水中也含有大量氮素污染物，如动物新鲜尿液中氨氮可 高达1 2 0 0 m g l ，猪场废水中氨氮浓度达4 0 0 m g l 。 现代集约化农业促使土壤中有机质与氮过多损耗，因此必须施用大量的化学 肥料。此外，现代农业也促使了大量农药的使用，而大部分农药含有有机氮。氮 肥进入土壤以后，通常认为被当季植物吸收的量不会超过5 0 ，可被后季植物所 利用的量约为2 5 , - - - , 3 5 ，而损失到大气或随水流失的部分约占总量的2 0 以上。 农药中仅有1 0 - - 2 0 吸附在作物上，有8 0 9 0 的农药会流失在土壤中，随 雨水冲淋、农业排水和地表径流进入河道等水体中。因此，由施用化肥和农药而 排入水体中的有机氮量非常大。 除此之外，自然固氮也是水体中氮元素的一个重要来源，闪电能使空气里的 氮气转化为一氧化氮，常温下一氧化氮很容易氧化为二氧化氮，并随降雨进入水 体。大气中的氮通过降雨会降解到水体，也可以通过生物固氮作用进入水体。除 通过豆科植物根瘤菌的固氮作用外，水体自身尚有许多能固氮的微生物，例如某 些固氮菌和蓝绿藻，在光照充足的情况下能将大气中的氮固定下来并进入水体。 异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究 1 1 2 水中氮元素的存在形态及危害 氮元素在水中的存在形态主要为分子态氮、有机态氮和无机态氮，其中有机 氮又包括蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等含氮有机物。生活污水中氮元素主要以 有机氮、n h 4 + - n 、n 0 2 。n 和n 0 3 - n 四种形态存在【2 】。这四种形态的氮在生活污 水中所占的比例如下：有机氮占4 0 5 6 0 、n h 4 + - n 占5 0 - 6 0 、n 0 2 - n 和 n 0 3 - n 占0 5 。这几种形式的氮元素在一定条件下也可以互相转化。在未经 过处理的生活污水中，氮元素主要以有机态氮和氨态氮为主要的存在形式；而经 过生化处理后出水中以氨氮和硝态氮氮为氮的主要存在形式。 水体中氮元素含量的增加，主要造成水体的富营养化。水体富营养化【3 】是指 富含氮磷和其它植物营养素的水在光照和其它环境条件适宜的情况下促使藻类过 量生长，随后藻类死亡并伴随着异养微生物的代谢，于是水体中的溶解氧很快被 耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏。富营养化还会破坏水体的食物 链结构，改变水生动植物的栖息环境，严重时会导致一些物种的灭绝。水体富营 养化破坏景观，也损害了水体的美学价值。 硝酸盐和亚硝酸盐( 直接排放或由氨转化而来) 也是严重威胁人类健康的有害 物质，广泛地存在于自然界中，尤其是在气态水、地表水和地下水中以及动植物 体与食品内，受到公共卫生部门的高度关注。硝酸盐和亚硝酸盐之所以受到公共 卫生部门的高度关注，是因为它们能诱发高铁血红蛋白血症( 蓝儿症) 和胃癌。水 体中各种氮素的造成的危害见表1 1 。 表1 1 氦素污染的不良环境效应1 氮化物环境效应 氨( n h 3 、n h 4 + ) 羟胺( n h 2 0 h ) 硝酸盐( n 0 3 ) 亚硝酸盐( n 0 2 。) 氧化氮( n o ) 氧化哑氮( n 2 0 ) 毒害水生生物，消耗溶解氧，诱发水体富营养化，影响饮用 水氯化消毒 对生物剧毒，形成亚硝酸 诱发水体富营养化 致癌，与红血球结合，消耗水体溶解氧，诱发水体富营养化 引起酸雨，破坏臭氧层 为温室气体，引起酸雨，破坏臭氧层 1 2 好氧颗粒污泥技术 好氧颗粒污( a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ) 泥技术是近期污水生物处理技术研究的 热点。好氧颗粒污泥是普通污泥絮体在好氧条件下为适应环境变化而自发形成的 硕1 ：学位论文 细胞自身固定化颗粒。好氧颗粒污泥因为其微生物固着生长而且以颗粒形式存在 于反应器中。所以其沉降性能好、污泥浓度高，因此可以用来降解高浓度有机废 水物或难以生物降解的复杂物质。提高系统的处理能力和适应性。好氧颗粒污泥 优越的固液分离性能使系统可以实现污水和污泥的单独控制，便于提高污水处理 效率，降低污水处理成本，而且因为其维护管理简单，必将成为废水生物处理工 艺的主导。 1 2 1 颗粒污泥的优点 合理的设计反应器结构，科学的控制运行条件，可以促进反应器中微生物自 然凝聚现象的发生。因为好氧颗粒污泥的特殊性能，使得好氧颗粒污泥反应器中 可以保持较高的微生物浓度，缩短水力停留时间，减少污泥回流装置。此外，好 氧颗粒污泥还具有微生物相密集，活性高、易于实现固液分离、适用于处理含有 有毒有害物的处理、降低污水处理成本等优点： ( 1 ) 微生物相密集，活性高。好氧颗粒污泥由于自身结构特点和传质限制的 存在。由外向内依次形成了适合不同菌种生存的微环境。因此在颗粒的不同位置 上，形成多样的微生物种群，这种立体结构不但增加了好氧颗粒污泥中微生物的 类别和数量，也缩小了好氧颗粒污泥的体积，从而增大了反应器中的生物量浓度。 另外在这种复杂的环境中各不同种群存在共生和互生的关系，从而对目标污染物 的降解提供更多样的途径，使得中间产物扩散距离缩短，从而提高了好氧颗粒污 泥的活性。 ( 2 ) 易于实现固液分离。好氧颗粒污泥由于呈颗粒状生长，颗粒污泥密度大、 含水率低，因此其密度与水相比较大。因此易于固液分离。而良好的固液分离性 能使好氧颗粒污泥处理系统的污泥不易流失，使得反应器中低生长速率的微生物 的数量能保持在较高的浓度。如，硝化菌的生长增殖速度就比较低，以往为了使 反应器中微生物的浓度保持在较高的水平，都需要通过严格控制进水的营养比例， 和采用足够大的污泥龄( s r t ) 。若将其固定成为好氧颗粒污泥，则可以通过保持 较长的污泥龄，为硝化细菌的增值提供足够的生长周期，从而使反应器中富集足 够浓度的硝化菌。 ( 3 ) 适用于处理有毒有害物质。好氧颗粒污泥自身可以分泌较多的胞外聚合 物，这些胞外聚合物集中在好氧颗粒污泥外表面，成为好氧颗粒污泥的保护膜。 另外，还由于颗粒污泥密度较大，使得在废水性质突然变化时，反应器中能维持 一个相对稳定的微生物生长和作用的微环境，从而能够较大程度地抵抗冲击负荷。 从而提高了其对毒性有机物质和重金属物质的耐受力。使反应器运行的安全性得 到大大的提高。尤其当利用经驯化筛选富集后的微生物培养好氧颗粒污泥来处理 此类废水时，与传统工艺相比具有明显的优势。 异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究 ( 4 ) 降低污水处理成本。好氧颗粒污泥与普通絮状污泥相比有更好的理化特 性，具体见表1 2 。较大的比重和较低的含水率，使相同生物量的好氧颗粒污泥 体积减小。从而减小反应池的体积以减少基建投资。较大的m l s s 和较低的s v i 有利于提高了反应器中微生物的总量，提高了反应器的处理效率，减少污水的停 留时间，从而减少反应器需要的个数以减少投资。较快的沉降速度和良好的固液 分离效果，可以减少出水s s 浓度，提高出水水质，从而省去污泥回流和沉降分 离设备，减少污水处理成本。 表1 2 好养颗粒污泥与普通絮状污泥理化特性比较 1 2 2 颗粒化影响因素 由于好氧颗粒污泥时污泥内微生物自身固定化的结果，凡是能够影响污泥内 微生物的因素都可以影响好氧颗粒污泥的形成，具体如下： ( 1 ) 接种污泥 现阶段研究者多以普通活性污泥为或厌氧颗粒污泥为培养好养颗粒污泥的接 种污泥。因为普通活性污泥中微生物数量充足，微生物种类多样，因此以其为接 种污泥形成的好氧颗粒污泥微生物多样，能耐受和快速适应各种废水水质。微用 厌氧颗粒污泥为接种污泥培养好氧颗粒污泥时，由于颗粒污泥内核的存在，培养 难度小，颗粒污泥性状容易控制，好氧颗粒污泥短培养周期短。 不但接种污泥的种类影响好养颗粒污泥的形成，接种污泥的浓度也是好氧颗 粒污泥形成的一个重要的限制因素。较高的污泥浓度能菌体的碰撞几率从而影响 好氧颗粒污泥的形成。而较少的污泥接种量能够提供给菌体足够的的自由沉淀空 问，从而为好氧颗粒污泥的形成提供有利条件。翟风敏等【5 】。在研究污泥接种量 对s b r 反应器中好氧污泥颗粒化的影响时发现，接种污泥的浓度影响好氧颗粒污 泥的颗粒化程度和颗粒污泥尺寸。在沉淀时间为1 0 m i n 的情况，污泥接种量为2 5 是能够形成数量较多、粒径较大、沉降性能较好的颗粒污泥，而5 0 和7 5 体积 的污泥接种量只能形成少量细小的颗粒污泥。 ( 2 ) 进水方式 目前为止，研究者培养好氧颗粒污泥时多以间歇进水和连续进水两种方式培 养。间歇式进水有利于好氧颗粒污泥的形成。大多数研究者都在s b r 或其改良的 反应器中培养好氧颗粒污泥。主要是因为s b r 或其改良的反应器中，污泥存在贫 4 硕士学位论文 富营养机制。微生物在贫营养状态下，由于缺少新陈代谢所需的营养物质，细胞 的疏水性明显变大，因此细菌自发凝结在一起以适应不良外界环境；而在富营养 状态下，充足的营养物质加快了细菌的新陈代谢，加快了细菌的生长。细菌生长 后的交联作用是颗粒污泥更加紧密。另外，细菌新陈代谢时分泌的各种胶体也起 到了稳定颗粒污泥的作用。 ( 3 ) 进水底物 研究表明，好氧颗粒污泥能够适应2 5 1 5k g c o d m 3 d 的c o d 负荷的变 化范围【6 】。有机负荷的变化对好氧颗粒污泥的形成的影响并不大，但是有机物浓 度可以影响好氧颗粒污泥的形成。如，较高的有机负荷，有利于丝状菌的生长。 而丝状菌大量繁殖，不利于形成结构稳定沉降性能好的好氧颗粒污泥。 除有机负荷外，营养物质的比例也是影响好氧颗粒污泥形成的重要因素。卢 然超等【| 刀采用人工配制的生活污水，在s b r 反应器内培养硝化颗粒污泥的过程中 研究不同c n 对形成颗粒污泥的影响。结果发现，c n 在5 1 0 0 - 3 0 1 0 0 范围内 都可形成好氧颗粒污泥。但是，较高的c n 下培养的好氧颗粒污泥的粒径较小， 较小的粒径有利于硝化细菌的快速富集生长。 另外采用普通活性污泥为接种污泥时，在进水中加入适量c a o 可以提高好氧 颗粒污泥培养的成功率。主要是因为c a o 在水中形成c a ( o h ) 2 ，c a ( o h ) 2 与微生 物代谢产生的c 0 2 反应形成细小的c a c 0 3 颗粒。因为c a 盐最容易被微生物所利 用的元素，而c a c 0 3 颗粒的存在使微生物能够迅速凝聚到c a c 0 3 颗粒的周围，从 而促进颗粒污泥的形成。 ( 4 ) 水力剪切力 s b r 反应器中促使微生物菌群粘合聚集成颗粒的的主要剪切力是底部曝入的 空气向液面溢出时对微生物菌群的冲刷力。研究表明剪切力的强度直接影响到好 氧颗粒污泥的形成与否。只有当污泥表面气体上升流速大于1 2 c m s 时，才能形 成结构致密、轮廓清晰的颗粒污泥【8 】。主要是因为只有在较高的剪切力作用下， 才能促使沉降性能差的菌体从菌胶团表面脱离排除，并保留沉降性能较好颗粒密 度较大的菌体，从而为颗粒污泥的形成创造了条件。另外，较大的剪切力下增大 了流体与颗粒，颗粒与颗粒之间的摩擦力，使培养的好氧颗粒污泥更加致密、光 滑，但又由于致密的颗粒污泥增大了营养物质的传质阻力，不利于营养物质的摄 取和传递，使好氧颗粒污泥内部由于得不到充足的营养活性被抑制。 另外，较大的剪切力能都促使细菌分泌出更多的胞外聚合物( e p s ) 。e p s 能 促使微生物细胞粘结在一起，从而增大微生物细胞间的吸引力，阻止外界对悬浮 细胞的破坏。另外，细胞的疏水性是微生物细胞颗粒化过程最初的主要作用力， 它能加强细胞间的连接，诱导产生坚固的微生物群体结构【9 】。而较大的剪切力可 以增强细胞的疏水性。 异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究 ( 5 ) 沉降时间及沉降速度 大多数研究者培养好氧颗粒污泥时，都是通过减少污泥的沉降时间来制造选 择压。以较短的沉降时间作为选择压，可以洗刷出降性能较差的微生物，使其在 排水阶段排出系统。而沉降性能较好的微生物则可以被保留下来继续增值。另外， 较短的沉降时间可以使污泥细胞表面的疏水性增大、促进细菌生成更多胞外多聚 物。q i n 等【1 0 】在s b r 反应器中以不同的沉降时间( 2 0 m i n 、1 5 m i n 、1 0 m i n 和5 r a i n ) 来培养好氧颗粒污泥。结果表明在1 5 m i n 、1 0 m i n 和5 m i n 的沉降时间下都形成了 好氧颗粒污泥，但是较短的沉降时间下培养出的颗粒污泥的直径较大大。 ( 6 ) 反应器的循环周期 反应器采用较短的循环周期的可洗出部分沉淀性差的絮状污泥，有利于培养 好氧颗粒污泥。但若循环周期过短，微生物流失过多，不利于沉淀性较好的颗粒 污泥的扩增和累积，对好氧颗粒污泥的形成不利。另外，太长的循环时间使细胞 长期处于饥饿状态，生长缓慢，不利于颗粒的形成，而太短的循环时间不利于细 胞的凝聚。因此，在颗粒化培养过程中，应选择恰当的循环时间。l i u 等【l l 】在s b r 反应器中通过采用不同循环周期培养硝化颗粒污泥。结果表明，在水力循环时间 为2 4 h 时无法培养出好氧颗粒污泥，在水力循环时间为3 h 时硝化污泥流失严重， 在水力循环时间为6 h 和1 2 h 时形成了平均粒径为0 2 5 m m 、体积质量1 0 1 4 9 e m 的硝化颗粒污泥，并且可以稳定运行。 ( 7 ) 污泥龄 污泥龄( s r t ) 不但影响好氧颗粒污泥的形成密而且还能影响培养出的好氧颗 粒污泥的形状。相同的有机负荷下，采用较短的泥龄时，颗粒污泥没有足够的时 间长大，所以形成的颗粒污泥粒径较小。较小的颗粒污泥比表面积大，有助于提 高反应器的处理能力。卢然超等【1 2 】在研究颗粒污泥除磷效果时发现，较短的 s r t ( 1 0 d ) 更有利于形成颗粒污泥，只是短s r t ( 1 0 d ) 条件下形成的颗粒粒径比长 s r t ( 1 6 d ) 的小。 ( 8 ) p h 为促进颗粒污泥中硝化细菌和反硝化细菌的正常生长，一般p h 控制在6 o 8 0 之间。z h e n g 等 1 1 研究表明，在较高的p h 值下，细菌细胞分泌的e p s ( 胞外 多糖) 的量较多，而p h 值为8 4 时最少。主要是因为p h 值超出8 0 - - 8 4 的范围后 好氧颗粒污泥为了抵御p h 值的突变对污泥内部细胞代谢平衡的冲击分泌出更多 e p s 在细胞表面形成保护层，减少其对好氧颗粒污泥的破坏。 ( 9 ) 溶解氧 溶解氧( d o ) 浓度并不是好氧颗粒污泥形成与否的关键因素。只要是在d o 浓 度大于o 5 m l 的s b r 反应器内都可以形成稳定的好氧颗粒污泥。t a y 等【1 3 】以厌 氧颗粒污泥为接种污泥在微好氧条件下( d o 为0 2 m g l o 7 m g l ) 培养出粒径在 6 硕七学位论文 o 5 m m - 3 0 m m ，比重1 0 2 9 c m ，s v i 值1 8 1 4 7 m l g 的好氧颗粒污泥。 1 3 生物脱氮技术 1 3 1 传统脱氮工艺的缺点 随着人们对水环境破坏现象的关注度的提高，对废水处理也提出了越来越高 的要求。传统的硝化一反硝化生物脱氮工艺以不能适应废水处理的发展。传统的 脱氮工艺由于硝化过程和反硝化分开进行，其主要存在着以下问题【1 4 , 1 5 】： ( 1 ) 随着硝化反应的不断进行，硝化产物不断积累，系统酸度不断增加。为维 持系统正常运行，需要加碱将其中和，增加了处理费用。另外，由于硝化过程需 要在有氧条件下完成的，因此大量的有机物也在此阶段得到去除，所以后置反硝 化工艺中还需要外加碳源来维持反硝化反应的进行。 ( 2 ) 由于硝化菌群的生长速度较慢，为了使系统中能够维持较高的生物浓度， 必须延长系统的水力停留时间，同能加大行污泥和硝化液的回流量。水利停留时 间的降低造成了有机物的多度消耗不利于下一阶段反应的进行。回流量的增加增 加了运行成本。 。 ( 3 ) 由于硝化反应和反硝化反应都必须在特定的环境中发生。进水中氨氮和亚 硝酸盐的浓度过高都会抑制硝化菌的生长。因此系统对进水水质突变的耐受能力 较弱。 1 3 2 生物脱氮技术研究的新方向 近年来一些可以进行硝化反应的细菌的发现及好氧条件条件下反硝化现象的 发现，为生物脱氮的研究提供了新的方向。对这些微生物脱氮新理论的深入研究 也成为了我国科研人员研究的热点。科研人员们成功分离富集出了多种异养硝化 茵和好氧反硝化菌，并对其反应途径、底物、产物和生物酶系统等进行了深入研 究并不断取得突破。同时科研工作者们还将这些菌种用载体进行固定或制成生物 菌剂用于实际废水的处理。另外科研人员还研究了这些微生物的菌群分布。 1 好氧反硝化 堵国成等【l6 】从活性污泥系统中筛选分离得到多株脱氮菌，并将其扩增为微生 物菌群。发现这些微生物菌群可以在好氧条件下将n h 4 + - n 分解为n 0 2 后继续进 行好氧反硝化将n 0 2 - - n 转化为n 2 。微生物菌群在7 1 0 的p h 范围内，3 0 h 后对 n h 4 + - n 去除达9 9 ，并且没有中间产物n 0 2 。积累现象的发生。证明了好氧反硝化 菌的存在和其具有高效快速的好氧反硝化能力，为好氧反硝化的工程应用提供了 可能。 李慧颖等【1 7 】研究了从生物滤塔中分离出的一株好氧反硝化菌。对从生物滤塔 中筛选分离出的一株好氧反硝化菌进行研究。发现只有在营养物质充足即c n 6 时好氧反硝化菌才能利用碳源以硝酸盐或亚硝酸盐和氧气为电子受体进行协同呼 7 异养硝化菌强化好氧颗粒污泥脱氮实验研究 吸，完成好氧反硝化，并且亚硝酸盐呼吸要较硝酸盐呼吸更容易进行。同时发现 在2 o m g l 1 1 2 m g l 的范围内都可以进行好氧反硝化，且溶解氧变化不影响亚 硝酸根还原酶的活性，且在2 4 h 内对n h 4 + - n 的去除率都可达到9 0 以上。说明 好氧反硝化菌对环境有足够的适应性，能够满足污水处理的要求。 何伟等f 1 8 】将从污水处理厂曝气池中分离筛选出的好氧反硝化细株、蛋白质降 解菌和氨氮脱除菌按比例混合制成的菌剂，用于水产养殖废水的处理。发现0 1 6 7 m g l 的菌剂就可以将0 3 5 m g l n 0 2 n 和0 4 m g l n h 4 + - n 的混合液完全去除。完 成了将好养硝化菌应用于实际污水处理，实现了好氧反硝化菌的使用价值，改变 了传统的脱氮观念。另外，微生物菌剂处理效果好，处理周期短，适合用于处理 突发事件和小规模局部污水的处理。 蔡昌凤等【1 9 】将已经培养成熟的硝化细菌菌液和好养反硝化细菌菌液按1 0 8 和 1 0 1 2 个m l 的数量级混合制成混合液。分别将混合菌液和0 5 的p v a - 麦秸粉末和 直径为5 0 c m 的圆形活性炭纤维膜混后，制成固化菌球和固定化菌膜，并用于焦 化污水的处理。这种固定化球和固定化膜将硝化细菌和好氧反硝化细菌固定在同 一载体上，迫使硝化作用和好氧反硝化作用同时发生，实现了同步硝化反硝化。 另外由于p v a 麦秸粉末和活性炭纤维膜的特殊结构，促使了硝化反应和好氧反硝 化反应产物间的传质，从而解除了二者因反应产物的积累而导致的活性降低。充 分发挥了好氧反硝化菌的脱氮优势，实现了同步硝化反硝化。但由于固定化球和 膜的稳定性较差，还不能应用于实际中。另外此实验也证明了利用好氧硝化细菌 强化脱氮效果的可行性，提高了好氧硝化细菌的利用价值。 李永智【2 0 】分别用选用功率为1 0 5 0 w 、脉冲频率为2 4 5 0 m h z 的微波炉和波长 为2 5 4 n m 、功率3 0 w 的紫外灯对好氧反硝化菌悬液进行不同时间的辐照。然后对 突变体进行筛选、活化和培养得到性能稳定的好氧反硝化菌新品种。并将新品种 用于污水处理，发现新品种的适应性更好，处理效率更强。诱变实验的成功为培 养功能强大的菌种提供了可能。将来无论是将其制成固定化膜或生物菌剂还只应 用于污水处理厂都将能提高污水的脱氮效率。另外还可以针对一些特殊的废水采 用特殊的处理手段。 2 异养硝化 陈赵芳等【2 1 】通过对异养硝化菌株在实验是培养研究发现，当温度为3 0