（工业催化专业论文）好氧颗粒污泥处理城市生活污水.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 好氧颗粒污泥是在好氧废水处理系统中培养出来的颗粒状微生物自凝聚体。与传统 的活性污泥法处理废水相比，好氧颗粒污泥微生物结构紧密，沉降性能良好，生物存留 量较大，出水分离纯化过程简单，反应器结构紧凑，可以省去二沉设备和回流设备的使 用，占地面积小：可以抵抗不良水力影响和有毒物质；与厌氧颗粒污泥相比，好氧颗粒 污泥在处理低浓度有机废水时比较稳定，而且启动时间也比厌氧颗粒污泥短很多。 利用好氧颗粒污泥处理城市生活污水是基于在s b a r 反应器中培养出成熟好氧颗 粒污泥的基础上，将其应用于处理实际城市生活污水。每隔5 逐步增加进水c o d 中 由实际城市生活废水提供的比例，最后全部由实际城市生活污水作为进水。本实验考察 了整个改变过程中颗粒污泥对c o d 以及n h 3 一n 的处理效果，平均去除率分别达7 0 和9 0 。实验过程中反应器中不同阶段颗粒污泥的生物量浓度基本在2 0 0 0 3 5 0 0 m g l 范围内变化，且一直具有良好的沉降陛，污泥容积指数( s v i ) 为3 5 5 0 m 垤m l s s 。 还初步探讨了在利用好氧颗粒污泥处理实际城市生活污水过程中的同步硝化和反硝化 作用。 为了研究好氧颗粒污泥的稳定性，在s b a r 反应器中接种传统污水处理厂的活性污 泥，用模拟生活污水培养出成熟好氧颗粒污泥的基础上，逐渐加入实际生活污水作为进 水。在完成全部由实际生活污水进水后，通过提高有机负荷来研究好氧颗粒污泥的稳定 性。还研究比较了不同水力停留时间下好氧颗粒污泥的形成过程和对有机物以及营养物 质的处理上的差异。 关键词：好氧颗粒污泥；城市生活污水；s b a r 反应器；颗粒稳定性 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 t r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw i t ha e r o b i cg r a n u l e s a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l ei sg r a n u l a rm i c r o b i a ls e l f - a g g r e g a t ec u l t i v a t e di na e r o b i cw a s t ew a t e r t r e a t i n gs y s t e m c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ，t h ea e r o b i cg r a n u l eh a s s t r o n ga n dc o m p a c tm i c r o b i a ls t r u c t u r e ，i m p r o v e ds t a b i l i t ya n dh i g h e rb i o m a s sr e t e n t i o n ，t h e p r o c e s so fe f f l u e n ts e p a r a t i n gi ss i m p l e ，t h es t r u c t u r eo ft h er e a c t o ri sc o m p a c t ，w h i c hc a n l e a v eo u tt h es e c o n ds e t t l i n ga n dr e f l u e n c ed e v i c e ，t h eo c c u p i e da r e ai ss m a l l ；t h es y s t e mc a n w i t h s t a n dt h eu n f a v o r a b l eh y d r a u l i ce f f e c ta n dt o x i cs u b s t a n c e s ；c o m p a r e dw i t ha n a e r o b i c g r a n u l e s ，t h ea e r o b i cg r a n u l e sa r em o r es t a b l ew h e nu s e dt ot r e a tt h eo r g a n i cw a s t e w a t e ro f l o wc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h es t a r t u pp e r i o di sm u c hs h o r t e rt h a nt h a to f t h ea n a e r o b i cg r a n u l e s b a s e do nc u l t i v a t i n gm a t u r ea e r o b i cg r a n u l a ri ns b a r ，a e r o b i cg r a n u l ei sa p p l i e dt ot r e a t m u n i c i p a lw a s t e w a t e r 。t h er a t i os u p p l i e db yr e a lm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri ni n f l u e n tc o d i s i n c r e a s e dg r a d u a l l yb ye v e r y5p e r c e n t s ，f i n a l l y ，t h er e a c t o ri ss u p p l i e de x c l u s i v e l yw i t h m u n i c i p a lw a s t e w a t e r t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e st h er e m o v a lo fc o da n dn h 3 - nb ya e r o b i c g r a n u l es l u d g e ，w h i c hi sn e a r l y7 0 a n d9 0 i na v e r a g er e s p e c t i v e l y t h eb i o m a s sm l s s i n t h er e a c t o ri sc h a n g e di nt h er a n g eo f2 0 0 0 - 3 5 0 0 m g li nd i f f e r e n ts t a g e so ft h ee x p e r i m e n t t h es e t t l i n g a b i l i t yo ft h eg r a n u l e i s k e p th i g h ，t h es l u d g e v o l u m ei n d e x ( s v i ) i s 3 5 - 5 0 m l g ，m l s s t h e a u t h o ra l s od i s c u s s e st h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) i n t h ep r o c e s so f t r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw i t ha e r o b i cg r a n u l e s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t yo ft h ea e r o b i cg r a n u l e s ，b a s e do nc u l t i v a t i n gm a t u r e a e r o b i cg r a n u l a ri ns b a r ，a e r o b i cg r a n u l e sa r ea p p l i e dt ot r e a tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rb y i n o c u l a t i n gt h e a c t i v a t e ds l u d g eo ft h et r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rp l a n t a f t e rc o m p l e t i n gt h e p r o c e s so fm a k i n ga c t u a lm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra st h es o l eo r g a n i cs o u r c e ，t h es t a b i l i t yo ft h e a e r o b i cg r a n u l a ri si n v e s t i g a t e db yi n c r e a s i n gt h eo r g a n i c l o a d i n gr a t e t h ea u t h o ra l s o i n v e s t i g a t e sa n dc o m p a r e st h ed i f f e r e n c eo ft h eg r a n u l ef o r m a t i o np r o c e s sa n dt h et r e a t i n g a b i l i t yt oo r g a n i cs u b s t a n c e sa n dt h en u t r i m e n tu n d e rd i f f e r e n th r t k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l e ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；s b a rr e a c t o r ；g r a n u l es t a b i l i t y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垂叁日期：迎笪：之 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：堡塞 斯繇叠雠 蟹年由j r 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 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，具有 良好的沉淀性能、较高的生物存留量和在高有机负荷条件下降解高浓度有机废水的良好 生物活性。 1 1 好氧颗粒污泥的理化特性与形成 1 1 1 理化特性 成熟的好氧颗粒污泥一般呈球形或椭球形，成熟的颗粒表面光滑，污泥大体呈淡黄 色或白色，由于培养条件的不同，颗粒粒径范围比较广，从零点几毫米到几毫米。好氧 颗粒污泥的大小对其性能有重要的影响，颗粒太小，容易被冲刷出反应器，并且由于不 能形成厌氧或缺氧区，所含的微生物种类减少，影响对废水的处理效果，尤其影响对总 氮和磷的去除效果；如果颗粒太大，传质效果差，结构松散，不稳定，而且当达到一定 程度时，由于传质作用的限制，颗粒内部微生物数量减少，内部形成空洞，承受水力冲 击能力下降，导致颗粒的解体。有研究认为【l 】好氧颗粒污泥的最佳粒径大小为不大于1 6 m m a 与活性污泥相比，好氧颗粒污泥的密度大，s v i ( 污泥容积指数) 值小，含水率低，因 此在相同体积下，所含生物量大大增加，并且具有很好的沉降性能。好氧颗粒污泥与普 通活性污泥理化特性的比较如表1 1 所示【2 j 。 表11 好氧颗粒污泥与普通絮状污泥理化特性的比较2 1 t a b l e i 1t h ec o m p a r i s o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h ea e r o b i c g r a n u l e sa n dc o m m o n f l o e s 颗粒污泥有良好的沉降性能。单个好氧颗粒污泥沉降速率在1 8 3 5m h 。颗粒污泥 反应器中曝气停止时，迅速形成明显的泥水分界面，污泥以上为澄清层，以下为污泥层 ( 受阻沉淀层) 【2 1 。颗粒直径和沉降速率间呈正相关【3 1 。好氧颗粒污泥的含水率一般为 9 7 9 8 ，低于普通活性污泥( 含水率9 9 以上) ，即采用好氧颗粒污泥比普通活性污 泥的污泥量至少减少一半。 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 耗氧速率( o u r w ) 是指单位质量的微生物在单位时间内对氧气的吸收量，反映了微生 物新陈代谢过程的快慢，即微生物活性的大小、微生物对有机物的降解能力。从上表可 见，好氧颗粒污泥的生物学活性明显高于普通活性污泥。 1 1 2 微生物相 ( 1 ) 低倍光学显微镜下的污泥形态竺建荣、刘纯新等 2 】发现在较大的颗粒污泥颗 粒表面和周围存在大量的原生、后生动物，附着生长着大量钟虫，如等枝虫，这些等枝 虫凭借其长柄，伸展到颗粒周围的空间，并不停地吞食细菌和固体食物颗粒。颗粒周围 的液体中有很多草履虫、变形虫、水蚤、线虫和衣藻游动。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、长短不的杆菌等等。颗粒表面附着生长的种类繁多、 形态各异、数目巨大的原、后生动物，以及周围多种游泳型原后生动物，对于减少出水 中游离细菌的数目，提高出水水质，具有很重要的作用。而且，大量存在的原后生动物 可以吞食污水中细菌难以降解的、大颗粒的污染物，强化有机物的分解代谢反应，大大 提高反应器的处理能力和处理效率。更重要的是，丰富的微生物相、较高的生物量，提 高了反应器的处理负荷，增强了反应器的耐冲击能力。竺建荣 2 i 发现在颗粒表面有很多 丝状细菌和丝状真菌相互缠绕，并且向周围空间蔓延。黄玉峰 4 】等用扫描电镜观察，颗 粒污泥表面有很多空穴，这些空穴能够保证营养物质的传递，同时也利于有毒代谢副产 物排出颗粒污泥内部。 ( 2 ) 高倍光学显微镜下的污泥形态p e n g d a n g c o n g 等 5 】通过高倍显微镜观察发现： 颗粒污泥中含有大量杆状菌，没有发现丝状菌，并且各杆状菌的一端均指向颗粒污泥的 中心，形成有规律的结构。这一现象在厌氧颗粒污泥也曾被发现过。作者将这一现象解 释为：由于受溶解氧浓度和颗粒粒度的限制，好氧颗粒污泥的内部存在较大的缺氧区， 故其结构与厌氧颗粒污泥相似。采用光电扫描显微镜可观察到颗粒污泥是由酵母菌菌丝 及吸附于其上的大量细菌缠绕而成的【6 1 。经鉴定，该酵母菌属于地霉菌属，然而，该酵 母只是被当作好氧颗粒污泥的支架，还是对底物的降解有更多的作用，这还需进一步的 研究考证。 1 1 3 好氧颗粒污泥的形成机理 目前对于颗粒污泥形成机理的研究主要是针对生物膜以及u a s b 系统中厌氧颗粒 污泥进行的，对于s b r 系统内好氧颗粒污泥形成过程的研究还很少。 颗粒污泥的形成是一个包含物理、化学和生物作用的复杂过程，这个过程可以看作 是在流体动力条件下，微生物自固定作用所形成的生物体团聚现象。国内外学者提出的 微生物吸附污泥颗粒化的模型主要分为两大类【7 1 ：( 1 ) 基于颗粒污泥结构分析的结构模 大连理工大学硕士学位论文 型，其中包括惰性核模型、二价阳离子架桥模型、胞外聚合物键联模型、c a p e t o w n 模 型、s p a g h e t t i 模型以及互氧微菌落模型等； ( 2 ) 基于细菌细胞间相互作用的热力学考 虑的模型，包括二级最小粘附模型、局部脱水模型、表面张力模型等。虽然上述模型在 某种程度上能部分解释微生物吸附污泥颗粒化过程，但总的来说，颗粒污泥的形成是包 括水力剪切力、温度、p h 值等外界控制条件和细胞疏水性、胞外聚合物e p s ( e x o p o l y s a c c h a r i d e s ) 、微生物相中共生作用等多因素共同作用下的复杂过程，不能认 为是某一个或几个因素单独作用的结果。 好氧颗粒污泥的形成是微生物自身固定化的一种方式。现在普遍认为微生物固定化 是多种物理化学以及生物作用的复合过程，可以描述为以下四个步骤哺】： 第一步，物理位置的移动，也就是说最开始的细菌间相互接触或细菌吸附到载体表 面，其闻包括的作用力有水力、扩散力、重力、热力学力以及细胞运动；第二步，使细 菌固体表面稳定的初期吸引力，包括物理力、范德华力、异电荷吸引力、表面张力、疏 水性及化学力中的氢键等；第三步，微生物力使附着或聚合的细菌成熟，包括胞外多聚 物的产生和细胞簇的生长等；第四步，由水力剪切力形成的微生物聚合物的三维结构的 稳定阶段。 j i j b e u n 9 曾提出在没有载体存在时好氧颗粒污泥的形成过程，如图1 1 所示。 接种 。醣幂琴 -： 臼( r 臼 争 蛔匿群瓤艳 浒酋 溶氟陧期细茁种辫 图1 1 假设s b r 反应器中好氧颗粒污泥形成机理 f i g 1 1p r o p o s e dm e c h a n i s mo f g r a n u l a t i o ni ns b a r r e a c t o r 在接种活性污泥初期，反应器中容易形成菌球的沉降性能良好的真菌成为优势菌 种。而不具有这种特性的细菌几乎完全被冲出反应器。因此，在反应器启动时期，反应 器中微生物主要由丝状菌菌球组成。由于反应器内水流剪切力的作用，丝状菌吸附在菌 。凸o 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 球的表面，这样菌球也变得更加密实。但菌球生长到一定尺寸时，可能由于菌球内部氧 气的限制，小球内部开始出现溶菌现象。菌球似乎作为细菌得以生长的移动载体，当菌 球由于内部溶菌现象而分裂后，细菌的群落却得以维持，因为他们现在已经生长到足够 大，可以沉积在反应器内了。这些菌落进一步生长成颗粒污泥，最终导致了反应器内以 细菌为主的群体占了优势。 陈坚 1 0 】等还提出了选择压法培养好氧颗粒污泥的新概念。他以葡萄糖为底物，以普 通活性污泥为接种污泥，在s b r 反应器中通过控制沉降速率在不同沉降性能污泥之间 进行选择以造成选择压，对好氧颗粒污泥培育的可能性、污泥性质及其形成过程进行了 研究。 根据接种污泥不同，好氧颗粒污泥形成可主要经由以下两种途径： ( 1 ) 接种传统污水处理厂中的活性污泥 t a ye ta 1 使用蔗糖和乙酸钠两种不同碳源研究好氧颗粒污泥从种泥到形成颗粒 的全过程。接种的活性污泥结构松散、不规则，主要为丝状细菌。运行一周后，出现紧 密颗粒，乙酸钠碳源反应器中丝状菌逐渐消失，而蔗糖碳源反应器中仍有大量丝状菌存 在。 两周后，反应器中形成外表形状清楚光滑的颗粒污泥，乙酸钠碳源反应器中丝状菌 彻底消失，在蔗糖碳源反应器中仍占多数。运行3 周后，在两个反应器中好氧颗粒污泥 都进入了成熟期。在这个时期，两个反应器中颗粒外表面都呈现规则的圆形，蔗糖碳源 平均纵横比( a s p e c tr a t i o ) 为o 7 9 ，而乙酸钠为0 7 3 ，由于丝状菌占多数，与乙酸钠碳 源相比，蔗糖培养的颗粒外表面呈现出纤状，用扫描电镜观察进一步证实用葡萄糖培养 的好氧颗粒污泥微生物结构紧凑，其中细胞之间紧密相连，柄状菌占多数，几乎可以确 认好氧颗粒化过程是一个从种泥到紧密团聚体，再到颗粒污泥，最终成熟的过程。 ( 2 ) 接种厌氧颗粒污泥 w a n gj i a nl o n g 12 j 等人于2 0 0 3 年首次研究了在s b r 反应器中接种厌氧颗粒污泥培 养好氧颗粒污泥的可能性。他们考察了好氧颗粒污泥的形成和特性，研究结果表明，在 s b r 反应器中通过接种厌氧颗粒污泥可以培养出好氧颗粒污泥，而在颗粒化过程中，沉 降时间是一个关键参数，较短的沉降时间( 在该实验过程中采用1 0 分钟) 对颗粒化有 利。由于颗粒的形成，s b r 反应器中污泥浓度可以保持在5 酣，而s v i 保持在3 0 4 0 m l g ， 表现出良好的沉降性能。电镜观察发现，厌氧颗粒经历解体、重新团聚、成长一系列过 程后成为好氧颗粒污泥。在厌氧颗粒中细菌以球状为主，而培养出来的好氧颗粒污泥中 柄状及丝状菌占多数。与原来接种的厌氧颗粒污泥相比，形成的好氧颗粒污泥平均直径、 水分以及微生物组成都有所升高，但是沉降性能有所下降。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 影响颗粒化的因素 对于团聚的细胞群落来说，需要满足多方面条件，目前为止对好氧颗粒污泥的研究 也大多是围绕颗粒化的因素而展开的。下面将讨论可能影响好氧颗粒化的因素。， 1 2 1 底物组成 好氧颗粒污泥已经在多种底物中成功培养出来，其中包括葡萄糖、乙酸钠、乙醇、 苯和合成废水 5 1 1 朋1 ，然而，颗粒的微观结构和种类与碳源有关。正如前面提到 过的蔗糖和乙酸钠碳源培养出来的好氧颗粒污泥在优势菌种和外表形态上都有很大区 别。好氧颗粒污泥也曾经用硝化细菌和无机碳源培养出来1 6 “7 1 ( t a ye ta 1 2 0 0 3 b ；t s u n e d a e t a l ，2 0 0 3 ) 。这些硝化颗粒表现出相互非常好的硝化能力。最近，好氧颗粒污泥在实验 室规模的s b r 中成功开发处理高有机微粒废水【1 4 ( s c h w a r z c n b e c ke ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 分别以醋酸盐、葡萄糖为碳源做平行试验( 只是碳源不同，其他操作条件多相同或 相似) 发现j ：对形成颗粒污泥来说醋酸盐相较葡萄糖是更佳的碳源。曝气两个星期后， 前一反应器中，丝状菌几乎已经不存在，而以葡萄糖为碳源的反应器中，丝状菌还占主 导地位。这证实了c h u d o b a i8 】的观点：大分子的碳水化合物有利于丝状菌的生长。三个 星期后，在两种底物的反应器中均形成了成熟的颗粒污泥，但以两种碳源进水的微生物 种类不同，葡萄糖为碳源的颗粒污泥表面有明显的绒毛，通过扫描电镜观察发现，以醋 酸盐为碳源的颗粒污泥比另种颗粒污泥致密得多，且前者由杆状菌构成，而后者内层 主要是球状菌，外层由杆状菌和丝状菌构成。葡萄糖和醋酸钠碳源培养的好氧颗粒污泥 的不同特性列表如下j ： 表1 2 葡萄糖和醋酸盐碳源培养的好氧颗粒污泥的不同特性 t a b l e1 ，2c h a r a t e r i s t i c so f g l u c o s e a n da c e t a t e f e dm a t u r ea e r o b i cg r a n u l e s 葡萄稽醋酸盐 平均直径( m r i l ) s v i ( m l g ) 沉降速率( n l h 。) 污泥浓度( g l 。) 颗粒密度( g l 。) 2 4 5 1 - 8 5 3 5 5 9 4 1 2 1 1 5 0 8 0 3 0 8 6 3 2 2 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 颗粒强度( ) 平均纵横比” s o u r ( m g0 29 1h 。) c o d 去除率( ) 9 8 2 0 7 9 6 9 4 9 7 9 7 1 o 7 3 5 5 9 9 8 注：1 ) 颗粒圆形度直线= 0 ，圆= i 1 2 2 有机负荷率( o l r ) 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。 水流剪切力一定时，当颗粒污泥的尺寸暂时还没有受到底物传质的限制时，颗粒粒 径将不断增加；当颗粒的尺寸过大，影响到底物的传质时，颗粒的内核开始分解，引起 颗粒强度的减弱和颗粒密度的降低，破碎的颗粒在水流剪切力的作用下逐渐洗出，只有 c o d 负荷和颗粒污泥的粒径之间达到动态平衡时，颗粒污泥系统才能维持稳定。 在高c o d 负荷情况下，反应器壁上容易形成生物膜。相对于颗粒污泥，生物膜传 质阻力小、生长速度较快，于是与颗粒污泥竞争底物，最后导致颗粒污泥数量减少和颗 粒污泥床絮状化。 t a y 1 9 】发现好氧颗粒污泥的形成、特性及稳定性与有机负荷率密切相关。当有机负 荷率为4 k g ( c o d ) m 3 , d 时，形成颗粒污泥平均直径为5 4 m m ，s o u r 为11 8 m g0 2 ( m g v s s h ) ，s v i 值为5 0 m l ( g m l s s ) - i ，平均c o d 去除率为9 5 ；当有机负荷率为8 k g ( c o d ) m 3 d 时，污泥形成较前一负荷条件下晚2 天，且混杂着一些絮状物质，所形成的污泥层不及 负荷为4 k g ( c o d ) m 3 d 时紧密，s v i 值为6 5 m l ( g m l s s ) ：当有机负荷率减少到 1 k g ( c o d ) m 3 d 时，反应器内不能形成颗粒状污泥，结构松散的絮状污泥占据了主导位 置，s v i 值为1 3 8m l ( g m l s s ) 。数据说明好氧颗粒污泥的形成和系统的稳定运行受 剪切力平衡理论的制约，当有机负荷率为4 k g ( c o d ) m 3 d 时，系统在曝气剪切力和有机 负荷率之间建立了平衡，在这种适宜的条件下颗粒污泥得以迅速形成。 与厌氧颗粒化相比，大量证据表明好氧颗粒在2 5 1 5 k g ( c o d ) m 3 d 的大范围内都 可以形成 2 “”】。似乎好氧颗粒化对o l r 并不敏感，尽管o l r 对好氧颗粒污泥形成的影 响并不显著，好氧颗粒污泥的物理特性取决于o l r 。好氧颗粒平均大小随o l r 从3 大连理工大学硕士学位论文 9 k g ( c o d ) m 3 d 变化为1 6 1 9 m m 【2 lj 。同样趋势也在厌氧颗粒化中发删。o l r 对显 微镜下观察的好氧颗粒污泥光滑度的影响并不明显，而不同o l r 下培养出的好氧颗粒 表现出相对不同的干生物浓度、比重和污泥容积指数( s v i ) ，好氧颗粒污泥物理强度 随o l r 增加而增强m1 6 】。同样，厌氧颗粒化中高o l r 会降低厌氧颗粒污泥稳定性：就 是说会在高o l r 下发生结构完整性部分损失和完全解体口3 。2 4 】。应该强调高o l r 会增加 生物生长速率，这就会降低微生物群体的三维结构的强度。 b y p 2 0 】研究了高有机负荷对好氧颗粒污泥物理性质的影响。两个圆柱型序批式 好氧颗粒污泥床反应器分别以葡萄糖和醋酸盐作为进水主要碳源，逐渐提升有机负荷， 从6 到9 ，1 2 到1 5 k g ( c o d ) m 3 d 。以葡萄糖为碳源的反应器可以承受最大测试的有机负荷， 在有机负荷较低时，颗粒污泥结构松散，主要由丝状菌构成。在有机负荷较高时，这些 颗粒污泥形状开始变得不规则，而且带有空穴。相比之下，醋酸盐碳源的颗粒污泥在有 机负荷率为6 到9 k g ( c o d ) m 3 d 时具有紧密的球状的外观，比相似有机负荷下的葡萄糖碳 源的颗粒沉降性能好，强度高。然而，醋酸盐碳源的颗粒不能承受较高的有机负荷率， 当有机负荷达到9 k g ( c o d ) m 3 d 时开始分解。醋酸盐碳源的颗粒由于具有紧密规则的外 形限制了有机负荷9 k g ( c o d ) m 3 d 的营养物质的传质。而葡萄糖碳源颗粒松散的丝状菌 微观结构，以及后来不规则的外观推迟了扩散限制的开始，可以达到较高的有机负荷率。 试验表明了好氧颗粒污泥可以处理较高有机负荷的废水。 1 2 3 水力剪切力 研究表明高水力剪切力对好氧颗粒污泥形成和稳定有利 2 l 】。好氧颗粒污泥的下限表 面上流空速为1 2 c m s ( 在柱形s b r 中) ，b e u n 也发现低空速不能形成稳定的好氧颗粒污 泥，高水力剪切力可以形成更规则、圆滑和密实的好氧颗粒污泥【z “。好氧颗粒污泥密度 和强度也与剪切力部分相关。观察结果也可能暗示好氧颗粒污泥结构也主要由反应器中 水力剪切力决定。然而，公认e p s 可以作为细胞连接和吸附的媒介，对维持固定细胞种 群的结构稳定性起关键作用。t a ye ta 1 2 h 报道e p s 的产生与剪切力紧密相关，好氧颗 粒稳定性被发现与e p s 产生有关【2 ”。e p s 与蛋白质含量的比率随水力剪切力增加而增 加。颗粒污泥中p s 明显大于p n 。好氧颗粒污泥的s o u r 与以表面上流空速表示的水 力剪切力呈准线性增加关系。因此，高水力剪切力某种程度上会刺激细胞分泌更多e p s 瞵 。事实上，生物膜中也发现有剪切力引发产生的e p s ，在高水力剪切力下增强的e p s 产生对形成紧密和结构牢固的好氧颗粒污泥有利。 t a y 2 1 1 为了验证水力剪切力对好氧颗粒化的作用，以葡萄糖作为碳源的s b r 反应 器用两个不同的空速启动，分别为o 0 0 8 和o 0 2 5 r n s 。发现当s b r 以较低空速o 0 0 8 运 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 行时，系统中没有发现颗粒污泥，只有菌胶团。然而，空速为o 0 2 5 时s b r 反应器中成 功的培养出了形状规则的颗粒污泥。b e u ne ta 1 ( 1 9 9 9 ) 咿j 也报道过较低空速为o 0 1 4 和 o 0 2 时在u s b r 中没有发现颗粒污泥在s b r 中形成，而当较高空速为o 0 4 1 时出现了颗 粒化现象，由于高剪切力强度，形成了光滑、紧密和稳定的颗粒污泥。 水力剪切力还会对污泥的生理活动产生影响。当水力剪切力较大时，新陈代谢产生 的能量主要被用于生理反应产生多糖，而非用于增加污泥的数量。多糖能够促成细胞问 的凝聚和吸附，对于保证颗粒污泥结构的完整性起到了关键的作用。当然，水力剪切力 也不宜太大，培养颗粒污泥时，应当控制适当的条件。 1 2 4 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， 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。较高的c o d 负荷有 利于颗粒污泥的生长；较长的沉淀时间会导致絮状污泥的积累，过低的沉降时间会使活 性污泥大量洗出，导致反应器中m l s s 的下降及c o d 降解能力的下降。在较高的c o d 负荷情况下，控制沉降时间以洗出沉降较慢的悬浮和絮状污泥，最终会选择出具有良好 沉降性能的颗粒污泥。 废水在s b r 系统连续几小时进行循环处理。每一周期结束时，在出水前污泥被沉 降。沉降时间对微生物种群起到主要水力选择压的作用。沉降时间短对选择培养沉降快 细菌有利，而沉降性差的污泥则随反应器出水被冲刷。q i ne ta 1 2 6 ( 2 0 0 4 ) 报道好氧颗 粒污泥只有在s b r 沉降时间为5 分钟时才占多数。而当沉降时间为2 0 、1 5 、1 0 分钟时， s b r 反应器中发现有好氧颗粒污泥和悬浮污泥的混合物。当沉降时间较短时，刺激了 e p s 的产生，而细胞表面疏水性也显著提高。这些发现表明好氧颗粒由选择压作为驱动 力，而颗粒的形成和特性就可以通过调节选择压来控制。因此，选择合适的沉降时间对 好氧颗粒化过程非常重要。 y ul i u 等【2 7 】分别在四个s b r 反应器中研究了水力沉降时间对形成好氧颗粒污泥的 重要作用。结果表明只有在沉降时间为5 分钟的反应器中成功的培养出了好氧颗粒污泥， 且占大多数，而沉降时间分别为2 0 、1 5 、i o 的反应器中为好氧颗粒污泥和悬浮污泥的混 合液。在达到稳定状态之后，分别减少沉降时间，从2 0 n 5 ，1 5 n 2 ，1 0 到1 分钟，结果 两周后颗粒污泥完全替代了反应器中的悬浮污泥。发现在沉降时间较短时，细胞表面疏 水性显著提高。 大连理工大学硕士学位论文 分析好氧颗粒污泥中金属离子的含量表明好氧颗粒中钙的积累与沉降性能有关，然 而，好氧颗粒中铁、镁、铝的总含量比钙含量少的多，而且基本维持不变。很明显，短 的沉降时间对好氧颗粒化有利，可以期待通过控制沉降时间来控制好氧颗粒污泥的形成 和特性。 1 2 ，5 水力停留时间( h r t ) 好氧颗粒化过程中，比重较轻且分散的污泥被冲刷，而相对重的颗粒得以保留。较 短的循环时间可以抵制悬浮固体的生长。然而，如果s b r 运行周期太短，因为不能够 补偿微生物的生长，就会发现污泥通过水力冲洗而大量流失。结果导致污泥的彻底冲刷 和微生物颗粒化的失败。因此，h r t 必须足够短来抑制悬浮物的生长，但是时间又要足 以让微生物得以生长和积累。 在b e u n 早期关于s b r 中好氧颗粒污泥的报道中就曾提出，h r t 为8 小时时不够短 以抑制反应器中悬浮生物的生长。当把h r t 降至6 7 5 小时后，就解决了这一问题，并 提高了反应器中好氧颗粒的稳定性。h r t 为8 h 时不能有效洗出悬浮微生物；当h r t 为6 7 5 h ，表面气体流速较低时，好氧颗粒污泥可以稳定存在，较低的h r t 有利于活性 污泥的颗粒化【2 。 w r i t z a n dd a g u e 也认为较低的水力停留时间有利于颗粒化的形成，洗脱掉沉淀性能 差的生物质，获得比较高的有机负载率，确保有足够的新的生物质形成【2 纠。 1 2 6 反应器与水流形式 到目前为止几乎所有的好氧和厌氧颗粒污泥都是在柱状的气体或液体升流的反应 器中形成，而且反应器比较大的高径( h d ) 比有利于颗粒污泥的形成。从流体动力学 上讲，柱状升流反应器在流体和微生物聚合体之间可以产生不同的相互作用形式。升流 可以创造沿反应器高度方向的类似环形流的水流方式，微生物聚合体持续地受到这种环 形水力的摩擦作用，根据热力学原理，这种摩擦力可以使微生物聚合体形成规则的颗粒 并具有最小的表面自由能。从这一方面看具有大的高直径比的柱状生物反应器可以提供 优化的流体与生物聚集体之间的作用形式，这可能就是几乎1 0 0 的颗粒污泥系统都采 用升流柱状反应器的原因口。 从水力学意义上看，圆柱形升流反应器和c m t r ( 全混流式反应器) 在流动和微生 物聚合( 凝聚) 的相互作用形式上有非常不同的水力学行为。圆柱形反应器的空气或液 体升流形式可以创造出在反应器高度范围内相对均匀的循环流动，而微生物聚合体持续 受这种循环水磨损作用。根据热力学，循环流动可以使微生物聚合体形成规则颗粒形状， 这使它有最低的表面自由能，很明显，圆柱形升流反应器中较大的高径比能保证较长的 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 循环流动轨迹，这就创造出对微生物聚合体更有效的水力磨损，然而，c m t r 中微生物 聚合体随分散流动向四处随机运动。这样，微生物聚合体受不同方向的水力剪应力和流 动轨迹及随机碰撞的共同作用。这种情况下，只有形状大小不规则的絮凝物，而不会形 成规则的颗粒，如图1 2 所示【3 0 ，这正如传统活性污泥曝气池中发生的情况一样，属于 典型的c m t r 。传统活性污泥法的运行支持了以上的分析结论，因为微生物颗粒化在过 去1 0 0 多年的运行中从未在c m t r 被报道过。 ? 一j f 、 i， 、? 环抗罔辩l 茜励r 瑶良助赢齄 图1 2 环向运动和随机运动中所形成的颗粒污泥的形状的比较 f i g 1 2 c o m p a r i s o nb e t w e e n t h es h a p eo f t h eg r a n u l a rs l u d g e i nc i r c u l a ra n dr a n d o m m o v e m e n t 序批式鼓泡塔( s e q u e n c i n gb a t c hb u b b l ec o l u m ns b b c ) 、生物膜气浮反应器( b i o f i l m a i r l i f ts u s p e n s i o nb a s ) 和序批式气浮反应i 器( 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 rs b a r ) = 种生 物反应器是对序批式反应器( s b r ) 的改进。j j b e u n 等对比了这三种生物反应器在相 同的c o d 负荷和表观气速等外部操作条件下好氧颗粒污泥的生长情况，见表1 3 。 表1 3 三种生物反应器中颗粒污泥特性比较 t a b l e l 3c o m p a r i s o no f t h eg r a n u l e si nt h r e ek i n d so f b i o l o g i c a lr e a c t o r s 一、霸。 忑 ， 嚣器 莒 雠 黎p 嚣 ， 大连理工大学硕士学位论文 由表1 3 可以看出：s b b c 的颗粒平均直径最大，但其生物量密度却最小，这可能 是因为s b b c 中水力剪切力分布较另外两种反应器更均匀的结果。s b a r 反应器底部水 力剪切力较大，而反应器底部又是颗粒污泥改变运动方向的部位，在剧烈的冲击下，所 形成的颗粒污泥直径就较小，但其生物量密度较大：b a s 反应器是三者之中唯一采用连 续进液的反应器，它的颗粒污泥多来自破碎的生物膜，连续进液方式可能在一定程度上 影响了颗粒污泥直径的增大【 “。 1 2 7 好氧营养物质匮乏 s b r 的运行是一个由迸水、曝气、沉降和排除上清液组成的循环过程。因此，s b r 中的微生物就生长在周期性变化的环境中。在运行周期中，已发现好氧营养物质匮乏是 一个重要阶段【l “。周期性的好氧饥饿有效的引发了反应器中的微生物絮凝，而微生物絮 凝是颗粒化重要的步骤。周期性的饥饿最终通过水力剪切力水流作用使絮凝体形成颗 粒。好氧运行的整个周期由两部分组成：在降解阶段，营养物被去除到最小浓度，而在 接下来的好氧“饥饿”阶段，没有外部的营养物质可以利用。在“饥饿”条件下，细菌 更加疏水，这有利于微生物之间的粘合1 。很有可能团聚就是细胞用来抵制饥饿的方式。 似乎微生物可以通过改变表面特性来面对“饥饿州2 1 1o 因此，在微生物团聚过程中，“饥 饿”起重要作用，并因此产生牢固、密实的颗粒。尽管s b r 中周期性“饥饿”对微生物 团聚很重要，其它运行条件的作用也不该忽略。 然而，一些研究表明“饥饿”对细胞疏水性变化有不利影响【9 1 。比如，从营养物质 丰富转到匮乏条件，细胞疏水性急剧下降，但是2 4 4 8 小时内恢复其初始值。s a i n 报 道【3 2 】：细胞疏水性在缺乏碳源条件下基本不变，然而当氮源匮乏时，细胞疏水性明显下 降。 1 2 8 进水中添加c a + 离子 j i a n ge ta 1 口3 】报道，添加c a + 加速好氧颗粒化进程，加入1 0 0 m gc a + l ，形成好氧颗 粒污泥需要1 6 天。而若不加入c a + 则需要3 2 天。絮凝c r 的好氧颗粒污泥表现出良好 的沉降性和强度特性，并且多聚糖含量较高。可以推测c a + 与细胞表面和e p s 分子上负 电荷相结合( 正常p h 条件下细菌细胞表面一般带负电) ，起到促进细菌团聚的桥梁作 用。 迟寒：好氧颗粒污泥处理城市生活污水 1 2 9d 0 、p h 和温度 溶解氧浓度是影响好氧污水处理系统运行的重要参数。好氧颗粒污泥在d o 低达 0 7 1 0 m g l 的s b r 中也可以形成口】，另外，好氧颗粒污泥在d o 浓度 2 m g l 已经成 功开发拉5 ，”j 。因此，似乎d o 浓度在好氧颗粒化过程中并不是决定因素。 a m o s q u e r a c o r r a l 等p5 j 在研究氧气浓度对好氧颗粒污泥脱氮效果的影响时发现， 短期的减少氧气( 从饱和浓度的1 0 0 到5 0 ，4 0 ，2 0 到1 0 ) 没有影响醋酸盐的 吸收率。在低氧浓度情况下好氧醋酸盐吸收的降低明显被厌氧醋酸盐吸收所补偿。氧气 浓度下降有助于氮的去除，在氧浓度最低时达到了3 4 。通过两个不同氧气饱和度( 1 0 0 和4 0 ) 研究了长期的影响。当氧气饱和度下降到4 0 时，氮的去除率从8 增加到 4 5 。然而颗粒开始解体，也发生了污泥的冲刷，他得出结论在这种降低氧浓度的情况 下不可能得到稳定的颗粒污泥。 如果溶解氧浓度过低，污泥内部将处于厌氧状态，从而抑制污泥颗粒的进一步增大， 所以溶解氧浓度的供给是颗粒污泥生长的限制因素。但是，p e n g d a n g c o n g 等【5 j 在研究 中发现：当d o 控制在0 7 1 o m g l 之间时，原有的微小颗粒逐渐解体，s v i 出显著上 升到15 0 2 0 0 m g l ，然而经过在低溶解氧条件下驯化一个月，颗粒化又逐渐恢复，s v i 值又下降为8 0 1 0 0 m g l ，同时系统保持了较强的硝化活性，氨氮和总氮去除率分别达 到9 5 和6 0 。 硝化作用对环境的酸碱度有严格要求。硝酸细菌和亚硝酸细菌合适的工作环境p h 是7 9 9 0 ，低于6 0 则受抑制。p