（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥的形成与运行稳定性的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 污泥颗粒化技术是一种极具潜力的污水处理方法。然而，该技术往 往因颗粒化进程慢、运行过程易发生丝状膨胀、成熟污泥易解体、遇恶 劣环境系统不能及时恢复而导致整个运行崩溃等一系列问题，从而限制 了它的推广及工业化应用。本课题旨在通过成功培养好氧颗粒污泥，进 一步研究不同形态污泥的性能、丝状微生物在颗粒化过程中的作用以及 控制丝状膨胀的一般方法，同时考察进水碳氮比对颗粒污泥形成及稳定 性的影响，初步探讨了有机物降解与污泥生长动力学规律，将好氧颗粒 污泥技术应用于处理豆类废水。课题的研究为好氧颗粒污泥反应器能够 长期稳定运行以及该技术在实际工业中应用提供一定的理论基础。 首先经过sbr 反应器接种絮状活性污泥，通过调控各工艺条件使丝状 膨胀现象得到有效控制，最后培养出好氧颗粒污泥。实验表明，丝状微 生物在颗粒形成和稳定性维持中具有至关重要的作用。在丝状膨胀期， 污泥的沉降性能和有机物降解能力低，但丝状膨胀与否，对n h3 n 、t p 的去除效果影响不明显，仍具有较好的去除能力且较为稳定。研究表明， 增加反应器内的水力剪切力和控制温度对丝状膨胀污泥形成絮团有一定 的效果，而缩小c n 比，均衡进水营养可从根本上解决污泥膨胀问题。 实验通过进水c n 比变化，研究了c n 比对好氧颗粒污泥的影响。结 果表明，c n 比过高或过低对污泥颗粒化的过程均有影响，不利于系统稳 定。对有机物的去除受进水c n 比影响不明显，颗粒初步形成后c o d c ，的 去除率基本维持在8 7 0 0 左右；在c n 比6 6 7 2 8 6 之间时，除磷效果较 好，平均去除率稳定在8 0 0 0 以上；进水c n 比对nh3 n 的去除效果影响 明显，c n 比为10 时，好氧颗粒污泥具有良好的脱氮效果，n h3 一n 的j l 均 去除率达9 0 59 ，但低c n 比能抑制硝化菌和反硝化菌的活性，当进水c n 比由5 降低至2 时，反应器对nh3 n 的去除率由6 5 2 3 下降到38 7 7 。 在表观上升气速1 6 c m s ，水温2 2 士3 ，进水有机物浓度l3 0 0 m g l ， 并保持c ：n ：p 为l0 0 ：l0 ：2 的条件下，s br 反应器内接种絮状活性污泥运行 至35 d 最终形成成熟的好氧颗粒污泥。成熟颗粒污泥具有优良的沉降性能 及除污效果，平均沉降速率基本为7 0 8 0 m h ，c o d c ，、n h 3 n 及t p 去除 率分别达到9 4 、9 6 及9 7 。 采用稀释豆类废水逐步替换人工模拟废水的方法对成熟好氧颗粒污 泥进行驯化。结果表明，在驯化初期，基质的替换对反应系统造成了一 好氧颗粒污泥的形成与运行稳定性的研究 定的冲击。然而，随着培养时间的延长，颗粒污泥逐渐适应了新的培养 环境，最终驯化完成，s v i 、污泥浓度基本稳定在50 m l g 、4 2 0 0 m g l ， c o d c ，、n h 3 n 和t p 的去除率分别基本稳定在8 8 、7 5 、9 4 。 利用污泥在不同有机物浓度下进行有机底物的批式降解实验，监测 降解过程巾有机底物利用及挥发性有机物的含量。通过图解法对成熟的 好氧颗粒污泥与活性污泥进行基质降解和污泥生长动力学研究，得到好 氧颗粒污泥的半饱和速率常数k 。、最大比降解速率v m 。分别为活性污泥 的3 4 倍、8 2 倍，而好氧颗粒污泥产率系数y 低于普通絮状活性污泥，分 解系数b 高于活性污泥，从理论上说明了好氧颗粒污泥技术优于传统活性 污泥法的原因。 关键宇：s br ；好氧颗粒污泥；稳定性；理化性能；豆类废水；动力学 n a b s t r a c t s i u d g eg r a n u l a t i o nt e c h n o l o g y w a sap r o m is i n g m e t h o do fs e w a g e t r e a t m e n t h o w e v e r ，t h et e c h n o l o g yh a v es o m ep r o b l e m ss h c h a st h es l o w l y g r a n u l a t i o np r o c e s s ，f i l a m e n t o u sb u l k i n g ，a n d i tw a se a s yt od l s i n t e g r a t ef o r m a t u r es l u d g es o a st on or e c o v e r y f o rt h es y s t e mt i m e l y ， a n ds oo n , e v e n t u a l l yt h e s ew 川c a u s et h ee n t i r er u nc r a s h t h e r e f o r e ，ap r o m o t l o n a n d i n d u s t r i a la p p i i c a t i o n o ft h et e c h n o l o g y c a nb el i m i t e d t h e a e r o b i c g r a n u i a r s l u d g e w e r ec u l t i v a t e ds u c c e s s f u l l ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e d i f f e r e n tf o r m so fs l u d g ea n dt h er o l eo ff i l a m e n t o u sm i c r o o r g a n l s m s l nt n e g r a n u l a t i o np r o c e s s a n dt h eg e n e r a lm e t h o d so fc o n t r o le x p a n s l o n w e r e s t u d i e df u r t h e ri n t h i s p r o j e c t m e a n t i m e ，t h e i n f l u e n c eo ni n f l u e n t c a r b o n - n i t r o g e nr a t i ot o t h eg r a n u l a rs l u d g ef o r m a t i o na n ds t a b l l l t y w e r e i n v e s t i g a t e d t h ek i n e t i c s o fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n a n db i o m a s sg r o w t h v v e r ea 1s or e s e a r c h e d ，a n dt h e n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g et e c h n o l o g y w a s a p p l i c a t e di nt r e a t m e n to fs o y b e a nw a s t e w a t e r t h er e s e a r c h o ft h i sp r o j e c w o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o rl o n g 。t e r m s t a b l eo p e r a t l o no ft h e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g er e a c t o ri np r a c t i c a l i n d u s t r i a la p p l l c a t l o n 。 f i r s t l v ，f l o c c u l e n ta c t i v a t e ds l u d g ew a si n o c u l a t e d t h r o u g ht h es b r r e a c t o r s f i l i f o r me x p a n s i o np h e n o m e n a t ob ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e dt h r o u g n t h e r e g u l a t i o n o fv a r i o u sp r o c e s s c o n d i t i o n s a tl a s t ， a e r o b l cg r a n u l a r s l u d g ew a sc u l t i v a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf i l a m e n t o u sm l c r o o r g a n l s m p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nf o r m a t i o na n dm a i n t a i n s t a b i l i t y o fa e r o b l c g r a n u l a rs l u d g e s e t t l e a b i l i t yo fa e r o b i cg r a n u l e sa n d t h er e m o v a le f f i c l e n c y o fo r g a n i cp o l l u t i o nb e c o m e sp o o r i nf i l a m e n t o u sb u l k i n g ， b u tw h e t h e r f i l a m e n t o u sb u i k i n go rn o t ，t h er e a c t o rh a dl i t t l ei m p a c t o nt h er e m o v a lr a t e o fp h o s p h o r o u sa n da m m o n i an i t r o g e n ，a n dt h e y a l ls h o wh i g ha n ds t a b l e r e m o v a le f f i c i e n c y s t u d i e sh a v es h o w nt h a t ，i n c r e a s e dt h eh y d r o d y n a m l c s h e a rf o r c eo nt h ec o n t r o l l i n go ff i l a m e n t o u sb u l k i n gh a sc e r t a l ne f f e c t s a n d d e c l i n e dt h ec nr a t i oi ns e e dw a t e r ，b a l a n c e dn u t r i t i o nc a n t u n d a m e n t aj l y r e s o l v et h ep r o b l e mo ff i l a m e n t o u sb u l k i n g b vc h a n g i n gt h ei n f l u e n tc nr a t i o ，t h e e f f e c to nc nr a t i oo fg r a n u l a r s l u d g ew a ss t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dc n r a t i ow i t ht o oh i g ho rt o ol o w i i i 好氧颗粒污泥的形成与运行稳定性的研究 a l la f f e c t st h es l u d g eg r a n u l a t i o np r o c e s s i tw o u l dn o tb ec o n d u c i v et ot h e s t a b i l i t vo ft h es y s t e m t h ei n f l u e n tc nr a t i oh a d1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h e r e m o v a lo fo r g a n i s m ，a n dt h ec o d c fr e m o v a lr e m a i n e d a ta b o u t8 7 0 0 a f t e r s l u d g ep a r t i c l e s f o r m e d p r e l i m i n a r i l y t h ea v e r a g ep h o s p h o r u s r e m o v a le f f i c i e n c yr e m a i n e da b o v e8 0 0 0 w h e n c nr a t i 0w a sb e t w e e n 6 6 7a n d2 8 6 w h i l et h el o w e ro rh i g h e rc n r a t i oc o u l dr e s u l ti np o o r 2 r a n u i a t i o na n dt h el a c ko fm i c r o e n v i r o n m e n t ，t h e s ew e r en o tu s e f u lf o rt h e p h o s p h o r u sr e m o v a l o nt h eo t h e rh a n d ，t h ei n f l u e n c eo fi n f l u e n tc n r a t i o o nt h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a so b v i o u s a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g eh a dg o o ds i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c e s ， a n dt h ea v e r a g en h3 - nr e m o v a lc o u l dr e a c h9 0 5 9 w h e nc nr a t i ow a s10 h o w e v e r ，w h e ni n f l u e n tc nr a t i ow a sd e c r e a s e df r o m5t o2i nt h er e a c t o r ， t h ea c t i v i t i e so fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r ei n h i b i t e d o b y i o u s l y ，t h en h3 nr e m o v a lr a t er e d u c e df r o m6 5 2 3 t o3 8 7 7 t h er e a c t o rw a so p e r a t e da t2 2 士3 t h es u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yw a s 1 6c m s t h ei n f l u e n to r g a n i s mc o n c e n t r a t i o nw a s13 0 0 m g l ，a n dr e t a i n e d c ：n ：pw a s10 0 ：10 ：2 a f t e r3 5d a y so p e r a t i o n ，t h es l u d g ef l o ci nt h er e a c t o r w a sc o m p l e t e l yg r a n u l i z e d m a t u r eg r a n u l a rs l u d g e w i t h g o o ds e t t l i n g a b i l i t ya n dd e c o n t a m i n a t i o ne f f e c ta n da v e r a g es e t t l i n gr a t e f r o m7 0 m ht o 8 0 m h t h er e m o v a lr a t eo fc o d cr ，n h 3 na n dt p c o m eu pt o9 4 ，9 6 a n d 9 7 ，r e s p e c t i v e l y t h es y n t h e t i cw a s t e w a t e r w a sg r a d u a l l y r e p l a c e db y t h ed i l u t e d s o y b e a nw a s t e w a t e rw h i c ha c c l i m a t e d a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e i ne a r l y o p e r a t i o np e r i o d ，t h ec h a n g eo fs u b s t r a t ec a u s e dc e r t a i ni m p a c tt o r e a c t i o n s y s t e m s a sa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eg r a d u a l l ya d j u s t t ot h en e wc u l t u r e e n v i r o n m e n t 。t h ea c c l i m a t i z a t i o no fs l u d g ew a sa c h i e v e df i n a l l y t h es v i a n dm l s si nt h er e a c t o rw e r es t a b l ea t5 0 m l ga n d4 2 0 0 m g l ，t h er e m o v a l r a t eo fc o d c r ，n h 3 na n dt pr e a c h e d8 8 ，7 5 ，a n d9 4 ，r e s p e c t i v e l y t h es e q u e n c i n gb a t c ht e s tt h a tu s i n gs l u d g ed e g r a d e do r g a n i cs u b s t a n c e i nt h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cm a t t e r t h ec o n t e n to ft h es u b s t r a t e u t i l i z a t i o na n dv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d sw e r e m o n i t o r e dd u r i n gt h e p r o c e s so fd e g r a d a t i o n f o rt h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n da c t i v a t e ds l u d g e ， t h ek i n e t i c so fs u b s t a t ed e g r a d a t i o na n db i o m a s sg r o w t hw e r ed i s c u s s e db y g r a p h i cm e t h o d s t h er e s u l ts h o w nt h a tt h eh a l f - s a t u r a t i o nc o n s t a n t ( k s ) a n d m a x i m u ms p e c i f i cd e g r a d a t i o nr a t e ( v m a x ) o fa e r o b i cg r a n u i a rs l u d g ew a s i v 硕士学位论文 3 4t i m e sa n d8 2t i m e st h a na c t i v a t e ds i u d g e b u ty i e l dc o e f f i c i e n t ( y ) l o w e rt h a na c t i v a t e ds l u d g e ，c o n t r a r yt od e c o m p o s i t i o nc o e f f i c i e n t ( b ) i t t h e o r e t i c a l l ye x p l a i n e dt h a t a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g et e c h n o l o g y w a s s u p e r i o rt ot r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e k e y w o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ；a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e ；s t a b i l i t y ： p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t y ；s o y b e a nw a s t e w a t e r ；k i n e t i c s v 硕二 = 学位论文 刖吾 第1 章绪论 污泥颗粒化技术是一种极具潜力的污水处理方法【1 ，2 】，是一种特殊的 微生物固定化技术，无需任何外加载体，细胞之间通过生物、物理、化 学及外界环境条件的作用，自发凝聚、增殖而形成的结构紧密、沉降性 能良好、生物协作性强的高活性微生态系统1 3 - 5 j 。因此，颗粒污泥是微生 物体自固定的产物，颗粒污泥中的微生物群体形成了一个任何微生物都 难以单独胜任的高效代谢网络【6 】。污泥颗粒化按照微生物代谢过程中电 子受体的不同，颗粒污泥可分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥两类【7 】。 好氧颗粒污泥( a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，a g s ) 的研究是建立在厌氧颗 粒污泥基础上。19 7 4 年荷兰l e t i n g a 等人开发出升流式厌氧污泥床反应器 ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，u a s b ) ，此反应器的出现是厌氧生物 处理技术发展史上的一个重要的里程碑，这项污水处理新技术首次把颗 粒靠微生物固定化概念引入厌氧反应器中，并以处理效果好、占地面积 少、操作灵活简便、适应性强等优点引起研究者广泛关注。目前，厌氧 颗粒化技术已成功的用于各种废水的处理，然而厌氧颗粒污泥技术也存 在很多不足，比如工艺的启动一般需要2 8 个月才能完成，运行需在3 0 的中温条件下，需要较高的能耗且易受自然环境的限制1 7j 。此外，其处 理范围也比较狭窄，如不能处理低浓度有机废水，脱氮除磷效果不理想。 因此，自上世纪9 0 年代以来，研究人员己转向开发好氧颗粒污泥技 术。该技术与厌氧颗粒污泥相比，在水处理方面，以其启动周期短、可 在常温下运行、污泥活性高、消化速度快、运行连续性强、而广受研究 者的青睐【8 】。研究发现好氧颗粒污泥由于生物颗粒存在氧扩散梯度，同 时包括了好氧区、缺氧区及厌氧区1 9 ，在好氧条件下构成了有利于同步 硝化反硝化的微观环境；也为各种脱氮除磷有关的微生物种群提供了合 适的生存环境，使其实现同步脱氮除磷成为可能。而且由于颗粒污泥具 有高密度生物量【1 ，1 0j ，这就使得a g s 微生物系统耐冲击负荷能力强，对处 理高浓度有机废水、难降解的有机物及有毒物质有优势。另外由于a g s 具有较大的表面积且内部多孔，容易与水分离1 7j ，因此a g s 是理想的重金 属吸附剂。ag s 技术结合了传统和当代生物处理工艺的优点，对降低运 行和工程成本、更新传统工艺、提高处理效率有巨大贡献。与传统活性 污泥法相比，a g s 可高度的保留生物量p ，1 1j ，泥水分离不需要额外的沉淀 池，简化工艺流程从而减少污水处理系统的占地面积，降低投资和运行 好氧颗 帚污泥的形成与运行稳定性的研究 成本。可以预见，将好氧颗粒污泥技术应用于工业废水和城市污水处理 中，其前景乐观。 1 1 好氧颗粒污泥的特性 1 1 1 形态特征 好氧颗粒污泥的外观与絮状活性污泥截然不同，用肉眼可观测到。 好氧颗粒污泥有清晰的轮廓，外观较为规则，接近球形或椭球形【7 】，成 熟的颗粒污泥表面相对光滑，颗粒之间有明显的分界。颜色一般为橙黄 色或浅黄色，其主要受基质组分及菌群组成的影响1 7 】，例如以豆类废水 为基质培养的好氧颗粒污泥为黄红色【l2 】；当颗粒污泥中含有大量的钙元 素时，呈白色【l3 1 。颗粒表面有大量的孔隙，可深达表面下9 0 0 9 m 处，而 距表面30 0 50 0 l a m 处孔隙率最高，这些孔隙是氧、基质、代谢产物在颗 粒内部传递的通道。由于培养条件的不同，粒径范围较广，从0 3 0 m m 到 8 0 0m m 不等【7 1 。研究表明【7 ，8 ，1 4 ，15 1 好氧颗粒污泥的粒径大小直接影响其性 能。颗粒太小，由于其沉降速度慢易从反应器中排出，且由于粒径太小， 其孔隙率较高而形不成厌氧或缺氧区，进而影响颗粒内部的微生物群的 组成，最终影响对废水的处理效果；颗粒太大，比表面积减少，则代谢 产物、溶解氧、营养物质等不能顺利的通过通道传递，使颗粒中间内部 细胞自溶形成空腔，导致颗粒结构松散，降低好氧颗粒污泥的长期稳定 性，最终破裂解体。因此，要适当的控制粒径使其良性循环，t a y 等【1 叫 认为，好氧颗粒污泥的粒径最好保持在16 0 0 i t m 以内。 1 1 2 物理性质 1 1 2 1 密度、强度及含水率 好氧颗粒污泥具有相对较大的密度。一般在s b r ( s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r ) 反应器中形成的颗粒污泥的相对密度为1 0 0 6 8 1 0 0 7 9 9 c m3 ，而 在气升式间歇反应器( s b a r ) 中，污泥相对密度稳定在1 0 0 8 9 c m 1 7 j 。 而且颗粒污泥的密度随直径的增大而减小【7 j 。 颗粒污泥的强度也是其重要性质之一，用完整系数( 好氧颗粒经过 2 0 0 r m i n 、5 m i n 振荡后，完整颗粒和原颗粒总量之间的比值) 表征。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、沉降性能差：以葡萄糖和醋酸钠为基 质培养的好氧颗粒，其完整系数在9 5 以上。颗粒污泥的强度随粒径增 加面减小【7 ，博j 。 2 硕士学位论文 好氧颗粒污泥含水率一般为9 7 9 8 ，低于普通活性污泥( 含水率 9 9 以上) j 。这说明，对于相同干重的污泥，好氧颗粒污泥将比普通活 性污泥法的污泥量( 包括污泥浓缩、消化等处理单元) 至少减少一半， 这有利于污泥的处理与处置，从而节省成本，提高效益。 1 1 2 2 沉降性能 污泥沉降性能常用污泥体积指数( s l u d g ev o l u m ei n d e x ，s v i ) 和沉降 速度来表示。s v i 可反映体系内污泥整体的密实程度【_ 7 1 ，颗粒污泥的s v i 为l2 6 6 4 5m l g ，而普通活性污泥的s v i 在l0 0 15 0m l g 左右【15 1 。汪善 全等f 潍】进行灰色关联分析方法对好氧颗粒污泥的重要参数进行了关联影 响分析，结果表明，沉降速度对活性污泥的形态转变和颗粒化过程的作 用最明显。好氧颗粒污泥的沉速受其结构和粒径影响，一般沉速与粒径 成正比【l5 】；但当粒径大于4 0 m m 时，粒径增加反而会导致其沉降性能变 差【20 1 。好氧颗粒污泥的沉速可达3 0 7 0 m h ，这与厌氧颗粒污泥的沉速相 当，是絮状污泥沉速( 8 10 m h ) 的3 倍，这使反应器可承受较高的水力 负荷，提高运行的稳定性和效率【2 。 1 1 2 3 疏水性 好氧颗粒污泥是由于微生物自凝聚形成。该过程在很大程度上与细 胞表面的疏水性有关，即细胞表面疏水性可促进细胞之间相互贴附聚集 1 7 】。蔡春光【2 2 1 在实验中发现接种活性污泥的细胞表面疏水性为4 2 ，形 成颗粒污泥后细胞表面的疏水性增加到6 5 。在通常条件下，细胞表面 因带有负电荷而相互排斥，自凝聚难以发生；但是，当细胞表面的疏水 性较强时，自凝聚变得很容易。根据热力学理论，增加细胞表面的疏水 性将降低吉布斯自由能，进而促进细胞间的相互吸引，引起细菌的自固 定过程；同样，当自凝聚发生以后，自由能降低，系统更稳定【21 ，2 ”。如 下式所示： g 。d h = g o d h - - a r t1 1 1 芒 ( 1 1 ) 1 m 式中：g 。d h 、g o 。d h 一一分别为自凝聚前后自由能变化、标准自由能变 化( j ) ； g t 、r 、t 一一分别为正系数、气体常数、热力学温度； h m 一一微生物疏水细胞的相对比例( ) 。 从式( 1 1 ) 可以看出：h m 越大，g 。d h 越小，自凝聚越容易发生，即 污泥颗粒化过程越易进行。 因此，疏水性被认为是细菌间最重要的吸引力，高的疏水性能提高 好氧颗 征污泥的形成与运行稳定性的研究 细菌问的亲和力进而形成更加密实的结构。 1 1 2 4 比耗氧速率( s o u r ) 比耗氧速率( s p e c i f i co x y g e nu t i l i z a t i o nr a t e ，s o u r ) 是指单位质量 的微生物在单位时间内对氧气的消耗量，反映了微生物新陈代谢过程的 快慢即微生物活性的大小、微生物对有机物的降解能力【8 】。一般地，颗 粒污泥的s o ur 为1 2 7m g ( g m i n ) ，m o r g e n r o t 等【2 4 】在s b r 反应器中获得的 好氧颗粒污泥s o u r 甚至高达1 6lm g ( g m i n ) ，而普通活性污泥的s o u r 仅 为0 8m g ( g m i n ) 左右。由此可见，好氧颗粒污泥具有很高的活性i1 5 l 。好 氧颗粒污泥的s o u r 大小与水利剪切力以及基质成分有关。对s o ur 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s o u r 是评估好氧颗粒污泥处理能力 的重要参数l 2 1 j 。 1 1 3 化学性质 1 1 3 1 元素组成 通过c h n s o 元素分析仪和电感耦合放射光谱仪( i c p ) 对不同碳氮比 培养基和不同培养时间所得到的好氧颗粒污泥所含的大量元素分析结果 显示，好氧颗粒污泥的主要组成元素为c 、h 、o 、n 、s 、p 以及少量的 c a 、m g 、f e 等金属元素1 2 0 , 2 6 1 。 1 1 3 2 胞外多聚物( e p s ) 胞外多聚物( e 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 ，e p s ) 是微生物分泌 的一种多糖类大分子有机物，它含有多糖、蛋白质、腐植酸、脂类和核 酸等，对好氧颗粒污泥的形成、构架及稳定性有着重要的作用【7j 。t a y 等 【2 7 1 发现，在u s b r 中，好氧颗粒污泥的消失和e p s 的降低是紧密偶联的。 除此之外，研究还发现e p s 可以吸附和黏附污水中的有机物，实现污水 有机物向污泥中快速转移，从而推动有机物的迅速降解；在遇到恶劣环 境时，微生物的自我保护机制会刺激细胞大量分泌e p s 以抵制环境因素 对污泥的侵蚀，保护细胞免遭毒物的破坏；同时在营养物不足的情况下， e p s 又可转化为微生物可利用的碳源和能源【28 1 。通常认为，水力剪切力 的增加可促使e p s 的分泌。 1 2 影响好氧颗粒污泥形成和稳定性的因素 1 2 1 反应器类型 多数好氧颗粒污泥成功培养的例子均在塔式反应器中进行，推流式 4 硕士学位论文 的流态有助于絮体污泥颗粒化。a g s 反应器的结构及尺寸对于其中的液 体的流动形式及微生物的聚合形态有重要影响【”】。从水力学角度看，同 等条件下，塔式向上流反应器中气固一液三相相互作用的方式明显不同于 全混流模式。塔式气升式反应器高径比较大，使反应器内的介质可形成 长距离的环形流动，提高了气相停留时间，使反应器内保持了较高的气 含量，有利于传质，同时由絮体污泥转变成颗粒的过程中，水流、气流 对污泥微生物间的相互摩擦、剪切作用非常关键。从构型上来看，在相 同的表观气速，即相同的输入功率下，在细而高的反应器中混合更为迅 速 3 0 l ，这就决定了几乎10 0 颗粒污泥的报道是在塔式向流式反应器中 完成的】。s b r 反应器中由于其特有的进水、曝气、沉淀、排水、闲置 五个阶段，使得曝气反应阶段底物和微生物浓度是变化的，它的运行是 典型非稳态，可以很方便的形成微生物周期性的饥饿饱和期，促使污泥 颗粒化。 1 2 2 接种污泥 在好氧颗粒污泥的研究中，关于接种污泥对颗粒化过程的影响研究 不多，从理论上看，接种污泥为好氧颗粒污泥提供了菌种源，接种污泥 中微生物的种类、数量以及活性可影响颗粒内部的微生物群落结构、污 泥颗粒化的进程以及成熟颗粒污泥性能。培养好氧颗粒污泥所用的接种 污泥有普通絮状活性污泥，一般可采自城市污水处理厂二沉池的剩余污 泥，经驯化活性恢复后即可接种 3 2 , 33 】。也可采用厌氧颗粒污泥进行驯化 直接接种。h ul i n l i n 等【3 4 】在s b r 反应器内采用厌氧颗粒污泥接种，最终 培养出具有性能良好的好氧颗粒化污泥。a g s 培养启动时间较长，一般 为1 个月以上，甚至更长，相对较长的启动时间在一定程度上限制了颗 粒污泥技术的工业化。w i l e n 等1 3 5 】认为含有疏水性细菌数目越多的污泥 作为接种污泥时，可大大加速其颗粒化进程。为此，有部分学者直接用 成熟的好氧颗粒污泥或好氧颗粒污泥与普通絮状活性污泥的混合物接 种。宋志伟等13 6 在气升式内循环序批反应器中，取普通絮状活性污泥和 在絮状污泥中添加一定比例的好氧颗粒污泥分别为接种污泥，进行好氧 颗粒污泥的培养，探讨其对污泥颗粒化速度及生物降解性能的影响。结 果表明，接种污泥中适量添加颗粒污泥能使颗粒成熟时间由35 d 缩短为 28 d ，缩短了反应器启动时间，培养的成熟颗粒污泥具有较好的沉降和降 解性能。 1 2 3 微生物的生长条件 1 2 3 1 进水水质 好氧颗粒污泥的形成与运行稳定性的研究 根据以往研究表明，可以在较广的进水底物组成范围内形成颗粒污 泥。其中包括葡萄糖、乙酸钠、乙醇等其他各类实际废水，不同的进水 基质直接与污泥颗粒的微生物结构、菌群组成、颗粒污泥结构紧密相关， 而对颗粒化过程影响不大。如t a y 等口7 j 研究发现在同样以丝状菌为主体 的活性污泥接种的条件下，3 周之后，分别以醋酸钠和葡萄糖为基质的颗 粒污泥均达到成熟，形状规则呈球形，经扫描电子显微镜fs c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 观察发现，以葡萄糖为基质培养的颗粒污泥表 层蓬松、丝状菌较多，而醋酸钠为基质培养的颗粒污泥表层则杆菌较多， 结构也更密实。 进水c n 比、c p 比是影响好氧颗粒污泥形成及稳定运行的重要因 素，进水中的含氮量、含磷量过高或过低都会使反应器中污泥的颗粒化 程度降低，已有的污泥颗粒解体，向絮状转化，也有可能引发丝状膨胀， 污泥沉淀性能变差。好氧颗粒污泥由于其本身特殊的颗粒立体三维结构， 使得不同功能的菌群如异养菌、硝化菌及反硝化菌可分布在颗粒中的不 同区域中，适当的增加n c 比能够使硝化、反硝化菌由于异养菌生长 1 38 , 3 9 】。y ul i u 4 0 】考察不同c n 比条件下反应器中好氧颗粒的形成以及运 行情况。结果表明，底物c n 比率对选择好氧颗粒污泥中生长速率较慢 的硝化细菌很重要，合适的c n 比直接影响了颗粒污泥的稳定性。 y u c h u a n 等【4l 】研究发现在连续流反应器中培养好氧颗粒污泥，在低铵 盐、低磷酸盐的条件下，好氧颗粒污泥运行3 天便失去稳定，相反的在 高浓度铵盐的条件下可使好氧颗粒污泥稳定运行216 天，而且具有高效 的脱氮能力。 1 2 3 2 d o 、p h 、温度 溶解氧、p h 、温度等也是好氧颗粒污泥形成的影响因素。实验表明， 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 浓度并不是影响好氧颗粒污泥形成的关键 性因素：在相对较低和较高d o 氧浓度下都能成功培养出好氧颗粒污泥。 通过对比发现，在较高d o 浓度下( 或是纯氧曝气条件下) 形成的颗粒污 泥粒径较大；而当d o 浓度较低时，由于传质的限制，颗粒污泥的粒径相 对较小( 0 3 0 5m m ) 。由于绝大多数关于好氧颗粒污泥的研究都采用人 工配制的模拟废水，p h 值基本上处于中性，因此关于p h 值和碱度对形 成好氧颗粒污泥影响的研究还不是很充分；在p h 值6 9 范围内，好氧 颗粒污泥理化性状稳定，没有发生解体现象。颗粒污泥在形成与成熟期 都与温度有着密切的关系：竺建荣等1 42 j 发现随着温度的降低反应器的除 磷效率下降，出水越来越浑浊，反应器中大量污泥流失，污泥颜色变暗， 颗粒化结构不好，出现了由颗粒污泥向絮状污泥转变的过程。 6 硕士学位论文 1 2 4 工况条件 1 2 4 1 有机负荷 有机负荷会对好氧颗粒污泥的生理学性质和稳定性产生很大影响。 当有机负荷低于lk g m - 3 d 一时，无法培养出好氧颗粒污泥，当有机负荷由 3k g m - 3 d 。1 增加至9 k g m - 3 d 1 时，污泥平均粒径由1 6m m 增加至1 9 m m ，颗粒污泥的强度会随有机负荷增大而变弱【7 ，8 1 。y ul i u 等 4 3 1 研究发 现，颗粒污泥表面负荷与颗粒的生长速率及降解速率通过m o n o d 方程联系 起来： u s = us m a x生 ； l s + ks q s 邓m a 去 2 ， 式中：u 。、u 。m 。一一表面生长速率和表面最大生长速率； q 。、qs m a x 一一生物降解速率和生物最大降解速率； l 。一一颗粒表面c o d 负荷量( g m 。) ； k s 一一m o n o d 常数。 显然由式( 1 2 ) 可看出，随着c o d 负荷量的增大，颗粒的生长速率和 生物降解速率也在增大，但在较高的c o d 下，丝状菌容易在颗粒内部占 据优势而使颗粒膨胀，在颗粒污泥膨胀过程中，颗粒污泥会因内部传质 限制加剧而产生厌氧区，最后造成颗粒污泥解体并被淘汰出反应体系。 因此，为了增强好氧颗粒污泥的稳定性，有机负荷一般控制在2 4 k g m 一d 一之间。 1 2 4 2 水力剪切力 剪切作用是好氧颗粒污泥形成的又一重要因素。反应器中的剪切力 可来自于上升气流与污泥、水流与污泥之间的摩擦及污泥之间的碰撞1 7 。 在实验室中，一般通过调控上升气速来改变体系内的剪切强度。s b r 工艺 中，曝气反应是在进水结束后进行，因此剪切作用主要来自曝气过程所 激发的液体传动，其大小通常和反应器中表观气体上升流速成正比，这 是因为对于广义流体而言，剪切应力的大小为流体动力粘滞系数和速度 梯度的乘积1 2 8 , 4 4 】。如式( 1 3 ) 所示： f = r l 6 1 2 x ( 1 3 ) 咖 式中：t 一一剪切应力( 平行流动方向的单位面积上的内摩擦力) ； t 1 一一反映流体的内摩擦特性，常常称为广义的牛顿粘度； 幽，一一剪切速率( 垂直流动方向的流速梯度) 。 咖 7 好氧颗粒污泥的形成与运行稳定忭的研究 t a y 4 5 】等报道，上升气速较低时，s b r 反应器中没有发现颗粒污泥， 随着气速的增大，达到1 2 c m s 时，反应器中才出现了外形轮廓清晰的颗 粒污泥，且上升气速越大，所得的好氧颗粒污泥的密度和强度越高，外 观越规则。另一方面，增强反应体系的剪切力，可以促进细胞分泌更多 的e p s ，并提高细胞表面的疏水性能，因而有利于细胞相互聚集并形成 稳定的颗粒污泥。然而，并非上升气速越高越好，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，另外这在一定程度上加大了能 耗费用。而最近g u o 等【4 6 】研究发现，在低曝气量下也能够形成a g s ，在 培养的第一阶段，气速为0 0 7 c