（环境工程专业论文）SBR系统中好氧颗粒污泥同步硝化反硝化特性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 水环境中氮元素的大量积累导致了水环境质量的严重恶化，采用有效的防治 措旌化解这一危害，是目前亟待解决的问题。固定化微生物处理技术是近几年发 展起来的废水处理新技术，它除了可以用于重金属废水、难降解有毒有机废水和 含磷废水的处理外，也可以有效地去除废水中的氨氮。利用固定化微生物技术中 的自身固定化技术培养好氧颗粒污泥，实现同步硝化反硝化脱氮具有其独特的优 越性和广泛的益处，己成为了生物脱氮研究的热点。 本课题立足于国内外生物脱氮研究的最新研究成果，以普通活性污泥作为接 种污泥，在序批式反应器中采用逐渐减少污泥沉降时间的方法造成选择压，培育 出了好氧颗粒污泥。在成功培养好氧颗粒污泥的基础上，研究s b r 系统中有厌氧 段和无厌氧段两种运行模式、不同c o d n h 一一n 比、不同溶解氧条件等因素对好 氧颗粒污泥脱氮速率的影响，深入探讨好氧颗粒污泥的脱氮特性。 实验结果表明通过逐步减小污泥沉降时间，提高污泥1 临界沉降速度的方法， 活性污泥可凝聚成团，形成沉降性能优越的颗粒化污泥。好氧颗粒污泥外观呈橙 黄色，粒径集中在0 5 0 8 m m 左右，污泥体积指数为1 1 7 m l g ，m l s s 高达9 4 9 l 。 颗粒污泥具有良好的水力强度，较高的容积负荷和良好的沉降性能，对生活污水 中的氮以及c o d 均有很好的去除能力。 有厌氧段和无厌氧段运行模式比较可以发现，无厌氧段的氨氮去除速度比有 厌氧段的要快得多。不同碳氮比实验的结果显示，碳氮比越大，总无机氮去除率 越高，当碳氮比由6 升高到1 4 时，总无机氮去除率由4 0 3 上升到7 4 5 。采 用分段函数的方法对不同碳氮比下的氨氮去除曲线进行分段拟和，发现其具有相 当好的线性化特征，且曲线斜率对应着该阶段的氨氮去除速率。减低平均溶解氧 值、采用问歇曝气代替连续曝气更有助于提高总无机氮去除率，节省曝气能源消 耗。 关键词：固定化微生物技术；好氧颗粒污泥；生物脱氮；同步硝化反硝化；运行 模式：碳氮比；溶解氧 s b r 系统中好氧颗粒污泥同步硝化反硝化特性研究 a b s t r a c t a c c u m u l a t i o no fa m m o n i ai nw a t e re n v i r o n m e n th a si n d u c e ds e r i o u sd e t e r i o r a t i o n t ot h eq u a l i t yo fw a t e re n v i r o n m e n t i ti sap r o b l e mt h a ts h o u l db es o l v e db yu s i n g p r o p e rm e a s u r et op r e v e n tt h ed e t e r i o r a t i o nw i t h o u td e l a y t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y w i t hi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mi san e wt e c h n i q u ed e v e l o p e dw i t h i n t h e s ey e a r s ，w h i c hc a rn o to n l yb eu s e dt od i s p o s et h ew a s t e w a t e rw i t hh e a v ym e t a l ， p o i s o n o u so r g a n i cw a s t e w a t e ra sw e l la st h ew a s t e w a t e rw i t hp h o s p h o r u s ，b u ta l s ob e a p p l i e d t or e m o v ea m m o n i a c u l t i v a t i n g a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e t or e a l i z e s 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 n b yu s i n g s e l f - i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s mt e c h n o l o g yi so fs p e c i a la d v a n t a g ea n dc o m p r e h e n s i v eb e n e f i t ，w h i c h h a sb e c o m et h eh i g h l i g h ti nt h eb i o l o g i c a ld e - n i t r o g e ns t u d y b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c hf i n d i n g so nb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a li nb o t h d o m e s t i ca n da b r o a d ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a sb e e nc u l t i v a t e dw i t ht h em e t h o do f d e c r e a s i n gs l u d g es e d i m e n t a t i o nt i m eg r a d u a l l y t op r o d u c es e l e c t i v ep r e s s u r eb yu s i n g n o r m a la c t i v a t e ds l u d g ea si n o c u l a t i n gs l u d g e a f t e rs u c c e s s f u l l yc u l t i v a t i n ga e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e ，w es t u d i e dt h er u n n i n gm o d e s ，c o d n h 4 一nr a t i o ，d oc o n d i t i o n a n dd i s c u s s e dt h e i re f f e c to nn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y ，t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co f n i t r o g e nr e m o v a lo f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei sg r e a t l ys t u d i e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o eo fa c t i v a t e ds l u d g ec a nf l o c c u l a t e t o g e t h e ra n df o r ma e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew i t hg o o ds e t t l i n gp e r f o r m a n e eb yr e d u c i n g t h es l u d g es e d i m e n t a t i o nt i m ea n de l e v a t i n gt h ec r i t i c a ls e d i m e n t a t i o nv e l o c i t yo f s l u d g eg r a d u a l l y t h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea p p e a r so r a n g e - l i k eg r a n u l ew i t ht h e a v e r a g ed i a m e t e rr a n g i n gf r o mo 5 m mt o0 8 m m ，t h es l u d g ev o l u m e t r i ci n d e x ( s v i ) a n dt h em i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d ( m l s s ) a r ea sh i g ha s11 7 m l ga n d9 4 9 l ， r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t hn o r m a la c t i v a t e ds l u d g e ，t h i sa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei s o f h i g h e rh y d r a u l i ci n t e n s i t y , v o l u m e t r i cc h a r g ea n d b e t t e rs e d i m e n t a t i o na b i l i t y ，a n d i tc a nr e m o v en i t r o g e na n dc o di nd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t hh i g he f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t hd i f f e r e n tr u n n i n gm o d e s ( w i t ha n dw i t h o u ta n a e r o b i cp h a s e ) i ti s f o u n dt h a tt h ea m m o n i ar e m o v a lr a t eo fp h a s em o d ew i t h o u ta n a e r o b i cp h a s ei sm u c h h i g h e rt h a nt h a to f t h em o d ew i t ha n a e r o b i cp h a s e t h et o t a li n o r g a n i cn i t r o g e n ( t i n ) r e m o v a le f f i e i e n c yh a sa l s ob e e ns t u d i e du n d e rd i f f e r e n tc o d n h 4 一nr a t i o s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e rt h ec o d n h 4 一nr a t i o t h eg r e a t e r t h et i nr e m o v a l e f f i c i e n c y w h i l et h ec o d n h 4 nr a t i o i n c r e a s e sf r o m6t o 14 ，t h et i nr e m o v a l i i e m c i e n c vt i s e sf r o m4 0 3 t o7 4 5 t h ep r o f i l e so fa m m o n i u m r e m o v a li nd i f f e r e n t r a t i o so fc o d n h 4 - n ( 6 ，1 0 ，1 4 ) i sp r o v e dt of i tq u i t ew e l lw i t ht h el i n e a rr e g r e s s i o n e q u a t i o n st h a ts i m u l a t et h ep r o c e s sb yd i v i d i n g t h ew h o l ea e r a t i o np e r i o di n t ot w o d h a s e s ：t h ef e a s ta n dt h ef a m i n ep h a s et h es l o p e so ft h e l i n e sc o r r e s p o n dt ot h e a m m o n i ar e m o v a lr a t e i nt h e s et w o p h a s e s r e d u c i n g d oa n d r e p l a c i n g t h e c o n t i n u o u sa e r a t i o nw i t hp e r i o d i ca e r a t i o nc a nb e n i f i tt i nr e m o v a le m c i e n e ya n d t h e e n e r g ys o u r c es a v i u gd u r i n g t h ea e r a t i o np e r i o d - k e vw o r d s ：i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mt e c h n i q u e ；a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e ； b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ；s 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 n ；r u n n i n g m o d e s ：c o d ，n h d - nr a t i o s ；d i s s o l v e do x y g e n i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 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： 韵才时 日期：沙一解f 月如日 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，同意学 校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 调言坍 私 日期：功碑年f 月扣日 嗍钟5 月如日 s b r 系统中好瓴顾粒污泥同步硝化反硝化特性研究 - _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ - _ - _ _ - _ _ 一i i i _ _ _ _ _ _ - - - - - _ - _ _ _ _ l 物理量名称及符号表 量的名称符号域的名称符号 硝化菌或反硝化茵的比 t f 的反硝化速率常数k t 增长速率 硝化菌或反硝化菌的最 m “ 进水硝酸氰浓度s n 0 3 1 入比增长速率 撮大产率系数 y m i x出水硝酸氮浓度s n 0 3 3 单位面积生物膜对硝酸盐 衰减常数 b f a n 0 3 的去除速率 生物膜反硝化过程中c o d 底物浓度 s k o v f ，c o d 的零级速率常数 生物膜反硝化过程中硝酸 硝化反应k o v f , n 0 3 盐的零级速率常数 氨氮的饱和常数 k s n h 4 生物膜厚度 l 有机物作为限制因素时反 氧的饱和常数 k s 0 2 r a c o d 硝化反应速率 硝化菌在t 下最大比硝酸盐是限制因素时反硝 芦m 且x ( 丁) r a n 0 3 增长速率化反应速率 考虑溶解氧的影响下硝 o 缸 流化床和生物膜模型 化菌的比增长速率 进水水量q l流化床最小流化速度 v m f 流化床载体颗粒的极限沉 迸水氨氮浓度c n h 4 1 v + 降速度 生物膜反应器内单位面 r a n h 4 液相传质系数 k i 积的氨氮去除率 生物膜反应器的有效貘 a 2 扩散系数 d w 面积 出水水量q 3当量液体厚度 l w 单位时间内通过单位面积 出水氨氮浓度c n h 4 3 j s 的传递量 氧和氨氨问的化学计算 2 n h 4 液相主体的基质浓度s s b 系数 v 氧消耗的速率常数 氨氮氧化的速率常数 生物膜内溶解氧的扩散 系数 生物膜内有机物的扩散 系数 氧和b o d 间的化学计 算系数 反硝化反应 硝酸盐饱平常数 有机物饱和常数 氧抑制的饱和常数 k 1 1 2 0 2 k m a n h 4 d 0 2 。2 k n k s k s 0 2 ( n 0 3 生物膜表面的基质浓度 有效扩散系数 v s s ； d e 第1 章绪论 随着人类生活水平的日益提高，各种新兴工业的飞速发展，产生了大量的生 活污水和工业废水，各种废水源源不断地排入江、河、湖、海，严重污染了人类 赖以生存的自然环境。目前广泛采用的污水生物处理技术主要是以活性污泥工艺 为主体的处理工艺，然而这种方法在处理重金属废水、难降解的有毒有机废水以 及含氮、磷的废水时，存在较大的局限。如何对以上活性污泥法难于处理的废水 采取有效的防治措施，是当前亟待解决的环境问题之一【l t 2 】。 固定化微生物处理技术【3 】是近几年发展起来的废水处理新技术，应用该技术 可以较好地解决上面的问题。固定化微生物处理技术的应用领域非常广泛，包括 废水的脱色、脱氮除磷、重金属废水和各种有机废水的处理以及微污染饮用水的 处理等f 扣 ，特别是用于生物脱氮除磷，采用固定化生物技术具有普通活性污泥法 难以企及的优势，目前已成为生物脱氮研究的新热点。 1 1 固定化微生物技术及其分类 固定化微生物技术是将微生物固定在载体上，使其高密度富集并保持其生物 活性，以满足废水处理之需的生物技术。通过将微生物固定，不但可以提高反应 器内活性微生物的浓度，加快固液分离，还能有效地延长污泥停留时间，使世代 时间长的某些有益微生物在反应器中得以保存。 微生物固定化方法多种多样，且尚无一个统一的分类标准，目前较常采用的 方法包括：表面吸附固定、交联( 键联) 固定、( 多聚体) 包埋固定和自身固定( 自 交联固定) 【3 】等。 1 1 1 表面吸附固定化 表面吸附固定化是指微生物吸附在载体表面而固定的方法。生物膜法中的生 物滤池、生物转盘以及生物流化床等工艺是表面吸附固定的典型例子。用于此类 固定化方法的载体多是性质稳定、机械强度高的无机材料，如煤渣、焦炭、活性 炭等。该方法操作简单，固定过程对微生物活性的影响小，但所固定的微生物数 量受所用载体的种类及表面积的限制。 1 1 2 交联固定化 交联固定法是利用两个或两个以上的功能基团，使微生物菌体相互连接成网 状结构，即使功能基团直接与微生物细胞表面的反应基团如氨基、羟基等进行交 联。形成共价键而达到固定化的目的。由于交联过程中，往往会对微生物细胞的 活性造成较大的影响，且适用于此类固定化的交联荆大多比较昂贵，因而该方法 在实际应用中受到一定的限制。 1 1 3 包埋固定化 包埋固定化是使微生物细胞包埋在半透明的聚合物或膜内，或使微生物细胞 扩散进入多孔性载体内部，小分子底物及反应代谢产物可自由出入这些多孔膜或 凝胶膜，而微生物细胞却不能移动。此法所用的包埋固定化材料通常有聚乙烯醇 ( p v a ) 、聚丙烯胺( a c a m ) 、琼脂、聚藻酸钙等。由于这种固定化方法能保持 多酶系统，且对微生物细胞的活性影响较小，是目前制各固定化微生物最常用、 也是研究最广泛的方法。 i 1 4 自身固定化 自身固定化是一种利用处理装置结构的合理设计、运行工况的良好控制及微 生物自身作用进行微生物固定化的方法。该过程是通过严格控制生物处理反应器 的运转负荷、处理过程中的影响因素，在一定水流条件下，依靠微生物自身的絮 凝作用而形成的固定化微生物( 通常称之为颗粒污泥) 。此法一般不需要使用人工 载体或包埋剂，所需固定化时间长且受环境因素的影响大。u a s b 反应器中厌氧 颗粒污泥的形成以及s b r 反应器中好氧颗粒污泥的形成即属于微生物的自身固 定化过程。表1 。l 列出了不同微生物固定技术的优缺点。 表1 1 各种圈定技术比较川 固定方法优点可能存在的缺点 方法简单，对细胞活性影固定初期受多种环境因素影响。细胞与载体 袭面吸附固定 响大，载体便宜且可再生问作用力较弱，故需较长时问完成固定化 受环境园素影响小。细胞 键联固定 可能改变细胞活性，费用较高 与载体间作用力强 细胞问白交联 交联紧密，可保留大部分 细胞活性。可选用的交联不适用于大分子底物系统，机械强度较弱 固定 剂多 没有对细胞产生化学修扩散阻力较大，准备工艺复杂，部分细胞失 多聚体包埋 饰。易围液分离，活，不适于大分子底物系统，机械强度较弱 孔网状载体截 对细胞活性没有影响，易 固液分离，对细胞有保护局部扩散阻力较火 陷固定 作用 i ，2 主兰堡墼兰 ： 1 2 固定化生物膜废水处理技术 生物膜是由微生物群体组成的粘状物，它生长于载体的表面，其中的丝状菌 相互缠绕并漫伸于水中，使其呈现出立体结构。它的形成和生长是一系列物理、 化学和生物过程综合作用的结果，经历了“生长一脱落再生”这样一个周期性 过程。目前，在生物膜技术的基础上发展起来了多种生物膜反应器工艺( 见表1 2 ) ， 它们被广泛地应用于废水处理的各个领域。 生物膜生物处理中使用的载体材料有无机类和有机类两大类。无机类载体主 要有沙子、碳酸盐类、陶瓷材料、矿渣、活性炭等。无机类载体普遍具有机械强 度高。化学性质稳定，比表面积较大等优点，其主要不足是密度较大，这限制了 它在悬浮生物膜反应器工艺中的应用。有机类载体主要有聚氯乙烯( p v c ) 、各类 树脂、塑料、纤维等它们均可根据处理工艺过程的要求，加工成各种形状，从 而尽可能地提高载体的比表面积。 寰1 2 新型生物馥反应矗工艺p i 固定床流动床 活性生物滤池生物流化床 厌氧生物转盘气提式生物膜反应器 淹没式生物滤池厌氧生物膨胀床 微孔膜生物反应器移动床生物膜反应器 1 3 固定化细胞废水处理技术 固定化细胞废水处理技术是废水生物处理技术由生物自然净化，发展到人工 培养微生物絮凝体( 活性污泥) ，再到人工强化高效高浓度微生物絮凝体( 微胶囊) 过程的必经阶段。根据被固定微生物种类的单一与否可以将固定化细胞技术分为 纯种固定化和混合种群固定化。 纯种固定化方法是指被固定且参与代谢活动的微生物是单独的某一种属或一 类，一般用于某种单一、特定的废水处理；混合种群固定化方法是指被固定的微 生物未经分离，多种微生物在环境因素的作用下自然地结合在一起。混合种群微 生物固定化又包括人工强化固定和微生物自固定。前者的固定方法与纯种细胞固 定基本相似，后者是利用微生物本身组成和环境选择促进作用形成的，一般称这 种类型的污泥为颗粒化污泥。表1 3 和表1 4 分别列出了纯种和混合种群固定化 细胞反应器的诸多类型和固定化细胞方法在废水处理中的诸多应用1 5 1 。 颗粒化污泥按照其对氧气的需求可分为厌氧颗粒污泥和好氧颗粒污泥。厌氧 颗粒污泥最初是在u a s b 反应器内培养和发展起来的，后来的研究表明能形成颗 s b r 系统中好巩焉杖污睨同步带化反酮化特性研究 粒污泥的不仅仅局限于产甲烷菌，其他细菌，如酸化菌、硝化菌、反硝化菌及好 氧异养菌等在连续运行操作条件下也能形成颗粒污泥。目前利用u a s b 工艺中的 厌氧颗粒污泥处理高浓度有机废水的成功案例已屡见不鲜，而与之相比，好氧颗 粒污泥是近几年来才发展起来的新型工艺，目前其研究还远不够深入。s b r 反应 器具有独特的厌好氧交替反应，反应器内气液二相均呈升流状态。在技术上s b r 工艺具有培养出颗粒污泥的潜在可行性。 表1 3 固定化细胞反应最的种类 搅拌槽式反应器( s t r ) 纯种固定化固定填充床反应器( f p b ) 细胞反应器 流化床反应器( f b r ) 膜生物反应器( m b r ) 厌氧颗粒污泥 升流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 混合种群固定化厌氧折流扳反应嚣( a b r ) 细胞反应器 序批式反应器( 8 b r ) 好氧颗粒污泥 气提式悬浮生物膜反应器( s b a r ) 表1 4 固定化细胞在污水处理中的应用i s l 废水类型微生物固定化方法 苯酚p h o d o c o e e u ss p 海藻酸钙包埋 难降解有机 苯、甲苯混合菌活性炭吸附法 废水 洗涤j f l il a s马i i l 化活性污泥p v a 包埋 含重金属 h 9 2 + 小球藻海藻酸钙包埋 废水 6 0 c 0 2 + 、5 4 m n 2 + 、6 5 z n 2 +小球藻藻朊酸盐固定 氨氮废水硝化菌p a m 包埋 废水脱氮 含磷废水以假单胞菌为主p v a 硼酸固定 除磷 氨氮废水好氧颗粒污泥细胞自身固定 污泥颗粒化具有以下优点： ( 1 ) 细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，构成颗粒污泥的生物相极 其丰富，不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成细菌适宜生长的环 境条件，对于减少出水中游离细菌的数目、提高出水水质也有着重要的作用；同 硕士学位论文 时大量存在的原生和后尘动物可以吞食水中难以生物降解的大颗粒污染物，强 化有机物的分解代谢反应，从两提高反应器的处理能力和处理效率； ( 2 ) 颗粒使细菌的中闯产物的扩散距离大大缩短，有利于其中的细菌对营养 物质的吸收，这对复杂有机物的降解具有重要的意义： ( 3 ) 在废水性质突然变化时，颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境，使代 谢过程继续进行。 1 4 本论文的研究对象与意义 水环境中氮元素的大量积累导致水环境质量的严重恶化已成为世界性的环境 问题，如何采用有效的措施化解这一危机，是目前亟待解决的问题。废水中氮的 去除方法有物理法、化学法和生物法三种，其中生物法脱氮因污染物转化的条件 温和，微生物来源广、繁殖快、对环境适应能力强，被公认为是一种经济、高效 和最有发展前途的方法【2 1 。在近3 0 年里，废水生物脱氮技术得到了长足的发展， 除了传统活性污泥法脱氮工艺、缺氧一好氧工艺( a o 工艺) 、厌氧一缺氧一好氧 工艺( a 2 o 工艺) 外，还发展了同步硝化反硝化( s 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 ) 、短程硝化反硝化( s h o r t c u tn 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 n ) 、 厌氧氨氧化( a n a c r o b i c a m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 等多种生物脱氮新技 术。它们在实际工程中得到了广泛的应用，取得了较好的效果。 实现同步硝化反硝化脱氮并达到硝化和反硝化过程的动力学平衡，可以大大 简化生物脱氮工艺，提高脱氮效率，节省投资与运行费用，因此吸引了众多研究 者的目光，成为了生物脱氮研究的热点。利用好氧颗粒污泥外部好氧、内部厌氧 的结构，实现同步硝化反硝化脱氮，不但可以利用其良好的沉降性能保持反应器 中较高的生物浓度，而且颗粒化污泥有利于实现世代时间较长的硝化菌和反硝化 菌的优势生长，同时，与其他固定微生物法相比较，好氧颗粒污泥天然的生物相 分布，确保了最佳的微生物反应效率，进而维持了高效的生物脱氮速率。另外， 由于颗粒污泥拥有高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性，还可以减 少反应器占地面积，降低投资，尤其在土地紧张的地区具有积极的意义。 近几年国内外科研人员借鉴厌氧颗粒污泥培养的成功经验，利用水力筛分的 方法，通过间歇进水改善污泥沉淀性能，选择合适的沉淀时间，在s b r 反应器或 其变型s b a r 反应器中均培养出了好氧颗粒污泥，与此同时，利用颗粒污泥去除 氨氮和磷的研究也开始见诸报道。 但是，目前利用好氧颗粒污泥实现同步硝化反硝化的研究还很不深入，对好 氧颗粒污泥系统去除氨氮的作用机理、微生物学特性、最佳运行模式和运彳亍参数 的研究还很不完善，其动力学模型都还完全没有建立。总之，还有大量的工作需 要完成。因此，本论文立足于国内外生物脱氮研究的最新研究成果，选择好氧颗 s b r 系统中好氧囊较污泥鼠步礴化反硝仡特性研究 粒污泥同步硝化反硝化脱氮作为研究对象是合适和恰当的。 硕士学位论文 , i i i i i _ _ _ _ _ e e 自自 ，口! = z | e 目_ - _ 日_ | _ _ - - _ _ _ e 日_ ，_ e _ _ - - | 目_ _ _ - - _ _ - _ 日_ e = - 目- _ e = = = = ! ! = = e 目_ e j = e j ! ! _ = ! # j j 昌 第2 章好氧颗粒污泥的培养方法、形成机理及用途 好氧颗粒污泥的早期研究是在连续流反应器中进行的，运行和培养条件比较 苛刻”。相对于连续式反应器，序批式反应器操作简单，可以承受较高的容积 负荷和冲击负荷，因而采用s b r 反应器进行好氧颗粒污泥的试验研究具有较好的 优势。1 9 9 7 年到现在，j j b e u n 、m c m v a nl o o s d r e c h t 、y ul i u 、卢然超等【1 2 - l 5 各国研究者对s b r 反应器中好氧颗粒污泥的形成过程、影响因素、污泥性质及形 成机理进行了广泛的研究，并尝试利用颗粒污泥去除废水中的氨氮、磷、有机酚、 重金属等，取得了较好的效果。 2 1 好氧颗粒污泥的培养方法 进行好氧颗粒污泥的培养可以采用不同的接种污泥；普通絮状活性污泥【1 6 1 8 】 和厌氧颗粒污泥【l 。直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化，简便且成功率高：以普通 絮状活性污泥为接种污泥，启动时间长，控制难度大，但有利于对颗粒污泥形成 过程的研究，以便为实现大规模工业化应用提供理论依据。这里主要讨论利用普 通絮状污泥培养颗粒污泥的方法。 试验研究发现：在s b r 反应器中。好氧颗粒污泥的形成与c o d 负荷、水流 剪切力和沉淀时间密切相关，合适的负荷、水流剪切力和沉淀时间有利于加快颗 粒污泥的形成。 2 1 1 沉淀时间和沉降速度 s b r 反应器中。利用沉降时间控制活性污泥的沉降速率，可以洗出沉降性能 较差的细小分散污泥和絮状污泥，促进颗粒污泥的形成。沉淀时间过长，会导致 絮状污泥的积累，而沉降时间过短，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。 王强1 2 卅采用减少沉降时间的方法在序批式反应器中培育出了好氧颗粒污泥， 他将此方法称之为选择压法( 系种群遗传学的术语) ，即将种群内的选择作用和物 理学上的压力相比，来表示种群内选择作用的大小。利用选择压的原理，建立高 度选择性的培养环境，使不适应该培养环境的微生物不能生长或极少生长，从而 筛选和富集培养专一类型的微生物。经过6 7 天的驯化，反应器中活性污泥完全颗 粒化，形成的颗粒污泥粒径大多在6 - 9 r a m 之间，m l s s 高达7 g g l 。作者进一步 分析了好氧颗粒污泥的理化性质，并与接种絮状污泥进行了比较，见表2 1 。 可以看出两者化学元素含量发生了一定的变化：与接种污泥相比，好氧颗粒 污泥中k 、c a 的质量分数分别增加了3 5 0 和5 0 ，而f e 、c u 、m n 、z n 等元素 的质量分数则大大降低。作者推测钙元素在好氧颗粒污泥形成过程中可能起到重 要的作用，而污泥颜色由黑褐色变为白色也可能与f e 、c u 、m n 、c o 质量分数的 减少有关。颗粒污泥形成前后，污泥的含水率由9 9 6 下降到9 9 0 1 ，颗粒污 泥的体积指数( s v i ) 为4 0 m l g ，约为普通絮状污泥的一半，即对于相同千重的 污泥，好氧颗粒污泥的体积仅为接种污泥的2 5 ，这可以大大减少反应器占地面 积，有利于降低污泥处理费用，节省基建投资。 表2 , 1 接种絮状污泥与颗粒污泥化学元素和物理性质的比较1 2 0 v s s 元素( m g g ) 含水率 t s s kc a m g f cc um nc oz n ( ) ( ) 絮状3 0 22 6 4 0 0 2 9 6 05 9 30 2 30 3 7 1 1 29 9 65 8 0 2 污泥00 4 颗粒4 3 54 5 7 o o l 2 5 80 7 60 0 6o o l0 1 79 9 0 l7 3 6 6 污泥 802 在j j b e u n t 3 l 的试验中，通过控制污泥沉降速度仅仅经过6 天的培养，反 应器中就出现了少数个体微小的污泥颗粒，第7 天污泥颗粒开始逐渐长大，3 0 天 后污泥的平均粒径增加到2 7 m m ，到第3 7 天混合液中几乎看不到有丝状菌和絮 状污泥的存在。整个颗粒污泥系统维持了长达1 4 0 天的稳定运行期。 2 1 2 c o d 负荷 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 负荷有助于克服传质阻力，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未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、生长速度较快并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。因此，在反应器运行过程中需要定期清洗反应器内部以 防止生物膜的积累。 卢然超【1 9 】比较了c o d 负荷对污泥颗粒化和除磷效果的影响，发现当c o d 为 硕士学位论文 2 5 0 - 3 5 0 m g l 。污泥仍然维持絮状，s v i 值在1 0 0 左右；当负荷提高到3 5 0 5 0 0m g l 后。污泥完全变为浅黄色，逐渐形成了粒径在0 1 0 2 m m 的小颗粒，污泥的沉降 性能明显变好；当负荷进一步提高到6 0 0m g l 后，污泥的粒径约为0 2 一1 0 r a m ， 最大的达到了2 m m s v i 值也降低到5 0 。 t a y 【2 4j 发现好氧颗粒污泥的形成、特性及稳定性与有机负荷率( o r g a n i c l o a d i n g r a t e ，o l r ) 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 ，球形度为1 2 5 ，氧气消耗速率为 1 1 8 m 9 0 2 ( m g v s s h ) ，s v i 值为5 0 m l ( g m l s s ) 一，平均c o d 去除率为9 5 ； 当有机负荷率为8k g c o d ( i n 3 d ) o 时，污泥颗粒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4k g c o d ( m 3 d ) 时紧密， s v i 值为6 5 m l ( g m l s s ) 一；当有机负荷率为减少到lk 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 8 m l ( g m l s s ) 一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 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。 2 1 3 水流剪切力 水流剪切力是曝气过程中表面升流气速所引起的，表面升流气速越大产生的 水流剪切力也越大在c o d 负荷一定的情况下，水流剪切力的变化会导致颗粒 污泥直接的变化。较高的水流剪切力会形成粒径较小的颗粒污泥，而较低的水流 剪切力会形成粒径较大的颗粒污泥，最终在水流剪切力和污泥粒径之间达到动态 平衡过高的水流剪切力会引起反应器中颗粒污泥的解体并随出水排放而洗出， 导致反应器中m l s s 下降。好氧颗粒污泥污泥机械强度、稳定性、与反应器中水 流剪切力有直接关系。 y ul i u 1 4 1 详细综述了水流剪切力在生物膜、好氧颗粒污泥以及厌氧颗粒污泥 形成过程中的作用，并从自固定微生物的结构、质量传递、胞外多糖的产生、能 量代谢以及分子生物学的角度分析了水流剪切力对自固定细胞的影响。据t a y 报 道1 2 1 , 2 2 1 ，在升流序批式反应器( u s b r ) 中，当表面升流气速仅为o 0 0 8 m s 时， 无法培养出颗粒污泥，而当升流气速提高到0 0 2 5 m s 后，成功地培育出了形状均 一、表面光滑、结构致密的污泥颗粒。当水流剪切力由o 0 0 3 m s 提高到0 0 3 6 m s 时，污泥体积指数( s v i ) 由1 8 0 m l g 下降到4 0 m l g 。 表面升流气速足够高将有利于微生物产生足够的细胞多聚物，而细胞多聚物 的产生将极大地促迸细菌闯的吸附和自固定过程。有利于颗粒化过程的实现1 2 6 1 。 v a n d e v i v e r e 和k i r c h m a n 2 3 1 的研究表明固定化细胞胞外多聚物的含量( 换算成蛋 白质含量) 比悬浮微生物多5 0 。甚至发现当操作失误导致颗粒污泥破碎、消失 时，细胞多聚物的浓度也伴随之降低。 水流剪切力还可以改变微生物细胞表面的疏水性，有研究证明颗粒污泥形成 后较形成前细胞表面的疏水性大大提高，而疏水性能越好，对细胞自固定化越有 利。另外，水流剪切力还可以刺激和促进微生物活性的发挥。通常微生物活性是 用比氧气利用率的大小( s p e c i a lo x y g e nu s a g er a t e ，s o u r ) 来表示，即每毫克 细胞蛋白质每小时所消耗的溶解氧的毫克数。t a y i “j 的试验发现水流剪切力与 s o u r 呈明显地线性关系，当水流剪切力增大时，s o u r 值也随之直线增大。可 以得出这样的结论：水流剪切力可以刺激微生物细胞的呼吸作用和代谢活动；另 一方面。代谢活力的增强又有利于形成稳定而强壮的微生物群落来对抗水流剪切 力的作用。 j il i f ， 、r 环状周期运动下 形成的颗粒 髓机运动下 形成帕鞭粒 图2 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i “i 除了水流剪切力的大小会对颗粒化过程能否顺利进行产生影响外，反应器内 流体的运动模式也会对该过程起到推动或阻碍作用这是因为水流和细胞间的相 互作用对形成颗粒化污泥非常关键f 】。总的来讲，颗粒在反应器中的运行方式主 要有两种，分别是环向运动和不规则的随机运动( 见图2 2 ) 【l ”，根据热力学原 理，环向运动将使颗粒形成规则的球状，使物体具有最小的表面自由能，对形成 稳定的颗粒污泥可以起到积极作用；而处于随机运动中颗粒，由于处于水流以及 其他颗粒的不断任意冲撞中，所以真正意义上的颗粒污泥较难形成即使能形成， 颗粒也具有不规则形状。全混式曝气池和柱状升流式反应器内的流体流动方式就 存在明显的差别：前者主要呈现自由的随机运动方式，而后者的流体流动方式以 环状周期运动为主。因此在典型全混式曝气池中形成颗粒化污泥的报道极为少见， 而几乎1 0 0 颗粒污泥的报道是在柱状升流式反应器中的完成的。 2 1 4 其他培养方法 以上三种方法是目前较常用的培养好氧颗粒污泥的途径，除了以上三种方法 外是否还有其他方法可以促进颗粒污泥的形成? 目前对于其他的培养方法暂时 硕十学位论文 研究得较少，仅仅有个别研究者提出了自己的观点。例如j i a n 9 1 2 5 1 的试验诚，# j 投 加c a ”可以促进污泥颗粒化过程。他通过向反应器投加1 0 0 m g 门的c a “离子， 颗粒污泥的形成时问由3 2 天减少到1 6 天，所形成的颗粒更加密实，其有更好的 沉降性能和强度，并能产生更多的多糖物质。然而，不同研究者得出的结论各不 相同，y l i u l 27 j 通过试验发现：不同碳氮比下形成的颗粒污泥中，细胞内钙元素 的含量较接种污泥中的更少，因而他得出结论钙元素不能促进污泥颗粒化。这两 种截然相反的结论使得我们对颗粒污泥培养的其他途径的研究仍须进一步深入。 2 2 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几乎没有，仅有 少量文章发表【2 3 2 引。在实际研究中颗粒污泥可以看成是具有球形结构的生物膜， 因此