（环境工程专业论文）生物膜工艺中剩余污泥产量影响因素的研究.pdf

摘要 摘要 作为目前国内外应用最为广泛的污水生物处理技术，活性污泥法最大缺点就 是剩余污泥产量大。基于此，2 0 世纪9 0 年代在剩余污泥资源化基础上提出了对 剩余污泥处置的新概念污泥减量化。近年来，国内外对基于微型动物捕食作 用的污泥减量技术研究越来越多，然而以污泥减量化为目的对整个活性污泥工艺 进行研究的并不多，对具有减量污泥功能的微型动物的研究，依然存在着减量程 度有限、减量的稳定性有待加强等问题。针对这种现状，本课题在对现有污泥减 量理论及工艺进行分析的基础上，采用生物膜工艺对剩余污泥进行减量化研究， 同时以传统推流式活性污泥工艺进行对比试验，考察了对剩余污泥产量的影响因 素，同时考察了具体微型动物( 红斑颓体虫) 对推流式活性污泥系统剩余污泥产 量的影响，以期能为现有污泥减量技术的研究提供部分技术支持。 试验结果表明，在平均进水有机负荷为0 1 0 0 2 9m g c o d ( m g v s s d ) 的范围 内，平均污泥表观产率系数y o b s 与进水有机负荷呈正相关；生物膜系统的平均 y o b s 比推流式活性污泥系统的低3 5 4 0 ；平均进水有机负荷为0 2 9 m g c o d ( m g v s s d ) 时，生物膜系统相对传统推流式活性污泥系统的减量比例为 4 0 ：随着进水有机负荷的增加，两反应器内污泥脱氢酶活性均增大，对有机物 的降解速率增大，两系统污泥表观产率系数增大，剩余污泥产量也随之增大。 选择最佳的运行条件( h r t 为1 4 h 、进水c o d 为3 4 3 - - , 4 2 4 m g l ) ，通过改变 填料的投加率，考察了不同填料投加率对生物膜系统剩余污泥产量的影响。在填 料投加率为2 0 * , , - 4 0 的范围内，生物膜系统平均y o b s 与填料的投加率呈负相关； 与同等运行条件( h r t 为1 4 h 、进水c o d 为3 4 3 , - , 4 2 4 m g l ) 下的推流式活性污 泥系统相比，生物膜系统在填料投加率为3 0 时的相对减量比率为4 0 ；随着 填料投加率的增加，剩余污泥产量的减少幅度降低。 采用直接接种红斑颗体虫的方法，考察了微型动物捕食作用对剩余污泥产量 的影响。培养底物的特性对红斑颞体虫体数量有明显的影响；在进水有机负荷小 于0 2 9 2 m g c o d ( m g v s s d ) 的情况下，随着进水有机负荷的增大，系统剩余污泥 产量增加，增幅逐渐减小：在进水有机负荷不变的情况下，随着红斑颓体虫密度 的增加，系统平均y o b s 降低，系统剩余污泥产量减少。 此外，还研究了还研究了生物膜工艺中污泥膨胀对剩余污泥产量的影响。生 物膜系统在h r t 为1 8 h 、进水c o d 为3 1 6 , - , 3 7 0 m g l 的运行条件下，发生了非丝 状菌粘性污泥膨胀。研究了污泥膨胀的发生原因及其对剩余污泥产量的影响，并 对污泥膨胀进行了控制。 关键词污泥减量；微型动物；捕食；污泥表观产率；生物膜反应器 a b s t r a c t a st l l em o s tp o p u l a rt e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s e sp r o d u c eal a r g en u m b f f ro fe x c e s ss l u d g e ，w h i c hi st h eb i g g e s td i s a d v a n t a g e o fm ep r o c e s s e s t h u s ，o nab a s i co fr e s o u r c ef r o me x c e s ss l u d g e ，an e wc o n c e p t ， s l u d g er e d u c t i o nh a sb e e np r e s e n t e di n19 9 0 s a l t h o u g h ，s t u d i e sa b o u tr e d u c t i o no f e x c e s ss l u d g et h r o u g hp r e d a t i o no fm i c r o - z o o nh a v eb e e nm o r ea n dm o r en o w a d a y s ， t h e r ea r ef e ws t u d i e so nt h ew h o l ep r o c e s s e so fs l u d g er e d u c t i o n ，a n ds t u d i e so nt h e t y p e so fm i c r o z o o nu s e df o rs l u d g er e d u c t i o ns t i l lh a v es o m ep r o b l e m s ，s u c h a sf i n i t e d e g r e e ，i n s t a b i l i t yo fr e d u c t i o na n ds o0 1 1 i nv i e w o ft h i ss t a t u s ，t h eb i o f i l mp r o c e s s w a sd e v e l o p e dt os t u d yf a c t o r so fe f f e c t i n ge x c e s ss l u d g ey i d do nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h et h e o r i e sa n dp r o c e s s e so fs l u d g er e d u c t i o n a n dt h e t r a d i t i o n a lp l u gf l o w p r o c e s sw a so p e r a t e dc o n t r a s t i v e l y t h ee f f e c to f m i c r o z o o n ，a e o l o s o m ah e m p f i c h i c i i , p r e d a t i o no ne x c e s ss l u d g ey i e l dw a sc o n c r e t e l ys t u d i e di np l u g - f l o w r e a c t o r i tw a st o b ce x p e c t e dt h a ts o m et e c h n i c a ls u p p o r t sc o u l db ep r o v i d e df o rs t u d i e so nr e d u c i n g s l u d g ep r o d u c t i o n t h er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ：w h e nt h em e a ni n f l u e n to r g a n i c l o a d i n gr a t ew a so 10 o 2 9 m g c o d ( m g v s s d ) ，t h em e a nc o e f f i c i e n to fs l u d g ey i e l d ( v o ) w a sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e d t oi n f l u e n to r g a n i cl o a d i n gr a t er e s p e c t i v e l y t h e m e a ny o b sw a sl o w e r3 5 0 0 - 4 0 i nb i o f i l ms y s t e mt h a nt h a ti np l u g - f l o ws y s t e mu n d e r t h es a m ec o n d i t i o n s w h e nt h em e a ni n f l u e n to r g a n i c l o a d i n g r a t ew a s 0 2 9 m g c o d ( m g v s s d ) ，t h em e a ny 。kw a sl o w e r4 0 i nb i o f i l ms y s t e mt h a nt h a ti n p l u g - f l o ws y s t e m t h ed e h y d r o g e ne n z y m ea c t i v i t i e so fs l u d g ei n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fi n f l u e n to r g a n i cl o a d i n gr a t e ，l e a d i n gt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fo r g a n i c m a t t e rd e c r e a s i n gi nb o l t ht w or e a c t o r so ne x c e s ss l u d g ey i e l di nt w o r e a c t o r s a sar e s u l 4 t h em e a ny o b sw a si n c r e a s e da n de x c e s ss l u d g ey i e l dw a si n c r e a s e da l s oi nt w o s y e t e m s c h o o s i n gt h eb e s tc o n d i t i o n ( h r tw a s14 ha n di n f l u e n tc o d w a s3 4 3 4 2 犀m g l ) ， t h ee f f e c to ff i l l e rd o s a g er a t eo ne x c e s ss l u d g ey i e l dw a ss t u d i e di nb i o f i l ms y s t e mb y c h a n g i n gf i l l e rd o s a g er a t e w h e nt h ef i l l e rd o s a g e r a t ew a s2 0 4 0 ，t h em e a ny o b s w a sn e g ：a t i v e l yc o r r e l a t e dt of i l l e rd o s a g er a t e u n d e rt h ec o n d i t i o no f3 0 f i l l e r d o s a g er a t e ，t h er e l a t i v es l u d g ey i e l dr e d u c i n gr a t i o i nb i o f i l ms y s t e mv a r i e di n p l u g f l o ws y s t e mw a sh i g h e r4 0 t h a nt h a ti np l u g 。f l o ws y s t e mu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ( h r tw a s l4 ha n di n f l u e n tc o dw a s3 4 3 4 2 4m g l ) t h ed e c r e a s i n gr a n g e i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 o fe x c e s ss l u d g ey i e l di nb i o f i l ms y s t e md e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff i l l e rd o s a g e r a t e t h ee f f e c to fm i c r o z o o n p r e d a t i o no ne x c e s ss l u d g ey i e l dw a ss t u d i e db y i n o c u l a t i n ga e o l o s o m ah e m p f i c h i c i i t h e r eh a do b v i o u se f f e c t so fc h a r a c t e r i s t i co f c u l t u r em e d i u mo nt h en u m b e ro fa e o l o s o m ah e m p f i c h i c i i w h e ni n f l u e n to r g a n i c l o a d i n gr a t ew a sl o w e rt h a n0 2 9 2 m g c o d ( m g v s s d ) ，a l t h o u g he x c e s ss l u d g ey i e l d i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi n f l u e n to r g a n i cl o a d i n gr a t e ，t h ei n c r e a s i n gr a n g eo f e x c e s ss l u d g ey i e l dd e c r e a s e d t h em e a ny o b si nt h es y s t e mw e r ed e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed e n s i t yo fa e o l o s o m ah e m p f i c h i c i iu n d e rt h es a m ec o n d i t i o no f i n f l u e n to r g a n i cl o a d i n gr a t e a sar e s u l t ，e x c e s ss l u d g ey i e l dd e c r e a s e di nt h es y s t e m i na d d i t i o n ，e f f e c to fs l u d g eb u l k i n go ne x c e s ss l u d g ey i e l dw a ss t u d i e d m c ah r tw a s l8 ha n di n f l o wc o dw a s316 3 7 0m g l ，n o n f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n go c c u r r e d i nt h eb i o f i l ms y s t e m r e a s o n so fn o n - f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n ga n di t se f f e c to ne x c e s s s l u d g ew e r ea n a l y z e d t h es l u d g e b u l k i n gw a sc o n t r o l l e da l s o k e yw o r d ss l u d g er e d u c t i o n ；m i c r o - z o o n ；p r e d a t i o n ；a p p a r e n ts l u d g ey i e l dr a t i o ；b i o f i l m r e a c t o r 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰霉过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料：与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盘垒蕴日期：盈殳幺竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京正业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，冒以采用影窜、缩霹或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：麦盆每 导师签名：霸期：垫! 星之 第l 章绪论 第1 章绪论 活性污泥法作为目前国内外应用最广泛的生物处理技术，有超过9 0 的城市 污水处理厂的核心工艺采用该方法。而活性污泥法最大缺点在于剩余污泥的产量 大，估计每去除l k g b o d 能产生1 5 1 0 0 l 剩余污泥( 含水量大于9 5 ) 【l - 2 j 。此 外，剩余污泥中通常含有有毒有害物质( 如病原微生物、重金属等) 以及未稳定 化的有机物。近年来，随着污水处理设施的普及、处理量的增加以及处理标准的 提高，污泥的产生量正在逐年增加。同时，污泥处理的投资和运行费用巨大，可 占整个污水厂投资及运行费用的2 5 6 5 嘣3 1 ，已成为城市污水厂所而临的沉重 负担。其次，污泥处理的通常作法是先经过浓缩、稳定、脱水等预处理后，进行 最终的处置，而目前常用的最终处置方法有：土地利用、卫生填埋和焚烧等。环 境标准的日益严格限制【4 】，使得常规处置方法变得非常困难，而且随着城市化进程 的发展，无论是填埋还是焚烧，选址也成为一大难题。此外，虽然近年来国内外 也发展了一些新的污泥资源化处置技术，但不容乐观。对剩余污泥的处理和处置 存在着经济性、有效性和安全性的问题。因此，目前对剩余污泥的研究，主要是 解决如何在污水过程中降低其产量，而不是在其生成后再进行处理和处置。 2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的新概念污泥减量化，它是在剩 余污泥资源化基础上进一步提出来的要求。污泥减量化技术指通过物理、化学和 生物等手段，使整个生物处理系统中污泥产量减少的技术，主要包括降低细菌合 成量的代谢解偶联技术、增强微生物隐性生长的各种溶胞技术以及强化微型动物 捕食细菌的技术。其中已经开发的工艺主要有o x i es e t t l i n ga n a e r o b i cs y s t e r m ( o s a ) z 艺、高浓度溶解氧工艺、解偶联活性污泥工艺以及臭氧联合活性污泥工 艺【卯，此外，利用臭氧氧化进行污泥减量已有实际工程应用。利用微型动物对剩 余活性污泥减量的研究目前国内外尚处于试验研究阶段。 1 1 国内外污泥减量化技术的研究现状 1 1 1 代谢解偶联技术 被称为“生物体内的流通货币 的a t p 不仅是能量的传递体，同时也是磷 酸基团的载体，从而成为分解代谢和合成代谢之间偶联的关键纽带，如图1 1 所 示。一般情况下，微生物的合成代谢通过呼吸速率控制与底物的分解代谢进行偶 联，当呼吸控制不存在，生物合成速率成为速率控制因素时，分解代谢和合成代 谢将会发生解偶联( u n c o u p l i n g ) 。此时，微生物在氧化底物的同时，分解代谢和 合成代谢之间的a t p 水平差异增加，用于合成代谢的能量减少，从而使得细胞 北京工业大学工学硕士学位论文 自身的合成速度减慢，表脱产率系数降低。 上t 底物、厂a t p 、厂w 生物体 人竺叭j 仙哪人竺叭底物 土t 图卜1 分解代谢和合成代谢的关系示意图 f i g 1 - 1r e l a t i o nb e t w e e nc a t a b o l i s ma n da n a b o l i s m r u s s e ta n dc o o k 6 】将解偶联定义为：化学渗透氧化磷酸化作用不能产生以 a t p 为形式的最大理论能量，即解偶联的氧化磷酸化作用。s t o u t h a m c r ( 1 9 7 9 ) t 刀 指出在以下五种条件下将会发生代谢解偶联：存在影响a t p 合成的物质( 投加化 学物质如解偶联剂等) 、存在过剩的能源( 高s o x 。条件) ，不适的温度( 提高温度) 、 存在限制性基质( 生长因子限制如氮源、磷源的限制) 、在过度时期生长( 非稳 态) ( o s a 工艺) 。其中第四种是从物质的角度抑制微生物的合成，而其他四种是 通过对氧化磷酸化作用解偶联实现的。以下对氧化磷酸化作用的解偶联分别加以 叙述： ( 1 ) 投加解偶联剂( u n c o u p l e r ) 解偶联剂( u n c o u p l e ro ru n c o u p l i n ga g e n t s ) j 恿过和h + 结合后使h + 能顺利通过 膜( 解偶联剂成为h + 的载体) ，降低质子梯度，使质子梯度不足以驱动a t p 合成 酶合成a t p 。解偶联剂通常是脂溶性的小分子如2 ，仁二硝基苯酚( d n p ) ，和 h + 结合使h + 容易跨过膜，虽然电子通过电子传递链的传递使h + 仍然被泵出膜外， 但由于解偶联剂同时又将h + 运回膜内，降低了质子梯度的形成，也就降低了氧 化磷酸化作用所合成的a t p 的量，电子传递产生的能量以热被释放掉1 5 , s - 9 1 。 研究表明，解偶联剂的投加，对微生物的( 污泥) 的表观产率系数会产生明显 的影响 8 - 1 1 l 。关于解偶联剂对微生物减量的研究，目前主要还是限于机理方面， 不同解偶联剂对微生物的减量效果不同，在各种已报道文献中，2 ，4 ，孓_ 三氯 苯酚( t c p ) 减量效果最为明显【1 2 1 。 投加解偶联剂，其最大优点是不需要对现有的污水处理工艺作太大改进，只 需投药装置即可，但用解偶联剂解偶联在实际应用中存在以下几个方面的问题： 所投加的解偶联剂在较长时间后由于微生物的驯化而被降解，从而失去解 偶联的作用： 较高氧的利用速度：当加入解偶联剂后，虽然污泥表观产率系数降低了， 但却需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而使氧的利用速度上升； 解偶联剂在污水中的用量较大，使用成本较高； 第l 章绪论 在实际应用，使用解偶联剂的最大问题是存在环境安全性问题，这是因为 解偶联剂通常是较难生物降解或对生物具有较大毒性的化合物，使得生物对解偶 联剂的降解不完全，从而给水处理带来额外的污染。 ( 2 ) 高s o x 。条件 在高s o x o ( 底物浓度污泥浓度) 条件下，分解代谢所产生a t p 的速率要大于 微生物在合成代谢中所消耗的速率( 由于其它的营养物相对缺乏) 。从而使得能量 的消散( e n e r g ys p i l l i n g ，即能量以热和功的形式散失到环境中) 和微生物产率系数 ) 的降低。在通常情况下，有机碳在污水处理中是限制因素，工程中过量的碳 源可通过提高f m 达到。 高s o x 。条件下解偶联还不能用于实际的污水处理，这是由于s o x 。相对 高的要求( f m 8 1 0 ) 远远大于实际活性污泥法处理污水( f m = 0 0 5 1 ) ；而且，在 高s o x o 条件下所产生的微生物不完全代谢产物还将使出水有机物浓度增加，从 而降低出水水质。 ( 3 ) o s a 工艺 环境的改变，特别是溶解氧的改变，可对微生物的生长造成影响，从而减小 微生物的总表观产率系数。o s a 工艺的基本原理是利用细菌在好氧条件下储存 能量，而在缺氧条件下被迫大量利用细胞内的a t p 作为基本生理活动的能量， 当细胞又回到食物充足的好氧段时，可供利用的能量增多，a t p 又大量生成。 o s a 工艺给微生物提供了一个交替好氧和厌氧的环境，使得在好氧段所得的a t p 并未立即大量用来合成新的细胞，而是在厌氧段作为维持细胞的能量而被消耗。 这样使得微生物的分解代谢和合成代谢相对分离，不再像通常条件下紧密偶联， 从而达到污泥减量的效果。 实验中【1 3 】污泥减量效果比较明显：污泥龄为5 天时，表观产率系数减少5 0 左右。污泥在经过厌氧段后的a t p 量是未经厌氧时a t p 产量的6 0 - - - 7 0 左右； 而o s a 与常规活性污泥处理系统相比，污泥产率系数在0 1 2 o 2 8 ，而常规活性 污泥处理工艺的污泥产率系数在0 2 9 - 4 3 4 7 ；同时，由于o s a 的流程与除磷的流 程相似，有利于除磷菌的生长，对磷的去除优于传统活性污泥法。 和常规活性污泥法相比，o s a 工艺虽然可以使污泥表观产率系数降低，但 其优越性是体现在进水有机物浓度较高的条件下的，如果进水有机物的浓度较 低，则o s a 工艺的污泥产率系数和常规活性污泥法相差不大。同时，由于o s a 工艺的水力停留时间较长( 是常规活性污泥法的两倍) ，使得在较低有机物浓度下 的处理和常规活性污泥法相比没有优势。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 提高温度 微生物生长温度的改变也能够影响微生物的新陈代谢。温度升高，使得污水 处理系统中有机碳含量降低，但氮的相对含量增加，说明在一定程度上提高温度， 可以使细菌新陈代谢加快，对有机碳的氧化增加，但对合成自身所需的氮的利用 却没有增加，表明细菌此时的合成代谢没有增加。这表明在温度升高后微生物首 先提高的是分解有机物的能力，而在合成代谢方面却没有随之提高到相应水平， 分解有机物增多而获得的能量并没有完全用于合成自身，从这一点看是微生物生 长解偶联，从而获得较低的表观产率系数。 s e n z e 等人【1 4 】实验得到在2 3 时污泥表观产率系数是0 3 5 ，而当温度升高 到4 0 8 时，污泥的表观产率系数降为0 0 1 。 但由于污水处理系统的复杂性，升高温度对污泥减量的原因不仅仅是能量解 偶联引起的，还与升高温度对细菌的选择、原生动物等对细菌的捕食等因素有关。 同时升高温度也使得微生物自身氧化率提高，这些都需要在研究中区分。在实际 污水处理中，由于提高温度所需要的能量较大，从而使得该方法的不可行性更加 明显。 从现阶段的研究来看，利用微生物氧化磷酸化解偶联这种从生物降解一开始 就控制污泥产量的方法还处于机理研究阶段，从已有的文献来看，虽然有不少基 于化学渗透假说的有关机理的推测，但说法不一，缺乏相应的证据。虽然解偶联 剂的投加在现阶段离实际应用还有较长的差距，但对微生物氧化磷酸化的机理研 究却有着不可替代的作用，一旦机理研究有所突破，其在实际工程中的运用有着 广阔的前景。 1 1 2 增强微生物隐性生长的各种溶胞技术 隐性生长( c r y p t i cg r o w t ho rd e a t h r e g e n e r a t i o n ) 是指细菌利用衰亡细菌所形成 的二次基质生长，它包括细胞溶解和二次基质被微生物利用两步，其中细胞溶解 为控制步骤【l5 1 。因此就需要利用各种溶胞技术，使细菌迅速死亡并分解为基质再 次被其他细菌所利用。如果在提高细胞死亡量的同时促进细胞破裂并水解，将形 成二次基质，而细胞残留物将减少。一方面，促进细胞溶解，可以认为是增大了 细胞衰减速率，从而达到降低剩余污泥的产量的目的；另一方面，人为强化细胞 死亡、破裂、水解过程，还可以提高污泥中有活性微生物所占比例，使得水处理 效果得以加强。 目前所报道的各种溶胞技术主要有： 施加机械压力( 如利用超声波、碾磨器、 高温( 4 0 1 8 0 0 0 ) ；酸、碱处理； 高速搅拌器等) 产生强大的压力破碎细 胞壁；冰冻和熔化；添加酶制剂；高级氧化( 臭氧和氯氧化) 以及这些溶胞 第l 章绪论 技术的联合应用，如：热化学处理、碱超声波处理等。其中，臭氧氧化已有 实际工程应用1 1 6 l ；将热处理和生物溶菌作用联合在日本也已经处于实际工程应用 阶段；而碱+ 热处理则能提高处理效掣1 7 】。 溶胞技术的应用，绝大多数是利用污泥回流过程中强化对细胞的溶解，因此， 在工程应用上极为容易实现，仅需在污泥回流线上增加相关的操作单元即可。因 此，具有技术实现简单：可对曝气池和沉淀池分别对待，有利于高有机含量的污 泥被生物再次利用：也可充分利用曝气池中的溶解氧，曝气量增加不大等优点。 1 1 3 强化微型动物捕食细菌的技术 微型动物的概念本身是一个模糊的界定，并不是像分类生物学中有严密定义 和科学考证的概念。在水生生物学中，微型动物主要指原生动物和部分在显微镜 下才能看到的后生动物。本研究所指的微型动物是指在水处理过程中能够摄食细 菌、有机颗粒物的原生动物和部分体型较小的后生动物( 如轮虫、线虫、大型无 脊椎动物如环节纲的蚯蚓和软体动物等) 。 活性污泥处理过程是模拟水体自净过程并对其进行人工强化，是一个人工生 态系统。其中通常包括细菌、原生动物和轮虫、线虫、寡毛类、昆虫幼虫等微型 后生动物【1 8 l 。污水中的溶解性有机污染物首先被细菌和真菌分解，而处于不同状 态的细菌，又被不同种类的微型生动物所捕食，这种捕食作用刺激了活性污泥中 微生物的增殖，进而加速了污水中污染物的消解过程【1 9 1 。图1 2 为活性污泥中的 食物网模型。 至 卜臣圃臣圃 图1 - 2 活性污泥中的食物网 f i g 1 2m o d e lo f f o o dw e bi na c t i v a t e ds l u d g e 由于低效的生物转换，能量在从低营养级( 细菌) 向高营养级( 原生动物和后生 动物) 的传递过程中发生损失。因此，理想状况下应该是能量损失总量最大和生 物产生量最小【2 0 l ，也即食物链越长，能量损失越大，则用来合成生物体的能量就 越少。所以，可根据生态学原理，在食物链中极大地促进捕食细菌的生物体生长， 北京工业大学工学硕士学位论文 以减少污泥中的生物量。 因此，理论上通过延长食物链或强化微型动物的捕食作用能够达到污泥减量 的目的。传统活性污泥法和生物膜法的对比可证明食物链原理在污泥减量中的有 效性。利用生物膜法处理污水所产生的污泥量要比传统活性污泥少很多，最主要 的原因是生物膜法给微型动物甚至苍蝇一类的昆虫提供了更适宜生长的环境，并 且由于其食物链长而复杂，使得生物膜处理系统内产生的污泥量比活性污泥法低 l 4 。 利用微型动物对污泥进行减量的可行性如下【2 i 】： 微型动物具有较大的捕食速度：如小口钟虫比增长速度1 8 d 。时，平 均每分钟可以吞食2 7 个粪产碱杆菌；四膜虫种群在指数生长期时，每个四膜虫 的捕食速度为5 0 0 6 0 0 个h 一，在种群相对稳定期时，每个四膜虫的捕食速度为 1 0 0 2 0 0 个h 。较大的纤毛虫则每小时可以消耗掉几千个细菌，每小时消耗的细 菌总量为自身体重的1 1 2 。 微型动物的捕食作用能提高细菌活性或增加有活性的细菌的数量：微型动 物和细菌之间的关系，除了捕食者和被捕食者的关系外，还有互利的关系。在污 水生物处理中，由于微行动物对细菌的捕食，使得大多数菌种保持在对数期，防 止细菌种群的退化。 微型动物能促进细菌的絮凝作用，提高絮状活性污泥的沉降性：微型动物 容易捕食游离细菌，同时由于水生态系中的原生动物可以有选择地摄取高碳水化 合物低矿物的碎屑，可以减少絮状污泥中的有机物含量，使得出水水质好。 影响微型动物繁殖的环境条件较多，最主要的是温度和食物。可适合微型动 物生存的温度范围很宽( o 6 0 ) ，但适合其生长的最适温度范围却很窄( 大多数 在2 5 3 2 c ) ，偏离了最适温度，其繁殖速率就会明显下降、停止甚至死亡【2 2 1 。 相对而言，微型动物的最适温度要低于细菌。食物的影响则表现在当食物( 细菌) 浓度低时，繁殖速率与食物浓度成正比，但当食物浓度到了一定程度后，食物浓 度再提高，繁殖速率也不再增加，如当细菌的浓度达到8 0 , - - 1 0 0 m g l 后，纤毛虫 的摄食速度不再增加。而当食物浓度太高时，繁殖速率反而会下降【2 3 1 。 微型动物导致的污泥减量化还与降解的基质有关【2 3 1 。在其他参数相同条件 下，比较了分别以甲醇和乙酸作为碳源的两阶段系统后发现，甲醇作为碳源时的 表观污泥系数为0 0 5 9 t s s g c o d ，而乙酸作为碳源时的表观污泥系数为o 1 7 g t s s g c o d 。主要原因是以甲醇作为碳源时，在第二阶段中的分散细菌更容易为 微型动物所捕食，而以乙酸作为碳源时，细菌更容易形成菌胶团【2 4 1 ，不利于微型 动物的捕食。还有文献认为【2 3 1 ，在菌胶团的形成上，氮源作为生长的限制因素可 能使得菌胶团更容易形成。实际上这也是通过食物进而影响到微型动物的生长的 例子。 第l 章绪论 影响微型动物繁殖的其他环境条件还有盐度、p h 、e h 、0 2 、c 0 2 、n h 3 、n h 4 + 、 h 2 s 、光照等。在污水处理中，b o d 5 负荷量是决定原生动物种群数量变化的重 要因子 2 4 1 。 微型动物的污泥减量作用其大小与微型动物的种类以及微型动物所处的环 境密切相关。据不同文献报道，微型动物对污泥的减量可以从1 0 0 旷9 0 不等【2 引。 对微型动物的研究主要为原生动物和后生动物。 原生动物( p r o t o z o a ) 是最原始最简单的单细胞( u n i c e l l u l a r ) 动物。与后生动物 相比，原生动物最大的优势就是数量大，生长速度快。原生动物在活性污泥中的 密度可达5 0 ，0 0 0 个l ，其干重约为活性污泥5 t 2 5 】。原生动物中7 0 左右为纤毛 虫 2 6 1 。在活性污泥中纤毛虫每6 , - 1 2 h 繁殖一代，其繁殖速度比附着型轮虫快l o 倍左右。依据纤毛虫的生息习性把纤毛虫分两大类：游泳型纤毛虫和附着型纤毛 虫。游泳型纤毛虫对水质净化等方面没有显著贡献，主要是附着型纤毛虫起主要 作用。无论是实验观察还是数学模型都证明了原生动物尤其是纤毛纲原生动物， 促进了污水的净化，提高了出水水质。对细菌的捕食作用是曝气池中的原生动物 促进污水净化的主要机制。原生动物的捕食减少了1 2 , - 4 3 的细菌生物量，从 而减少了污泥生成量【2 7 】。纤毛虫在活性污泥法中除了捕食游离细菌、净化水质、 分泌多糖类物质、促进颗粒物和细菌凝聚成团、加强沉淀效果外，还能控制丝状 菌的生长，从而防止污泥膨胀。 后生动物主要常见的是轮虫、线虫、红斑颗体虫。在常规活性污泥法中和生 物滤池中，常见的后生动物多为轮虫和线虫，其它的如寡毛纲的环节动物则相对 较少，但生物滤池的生物量则要多于常规活性污泥法。在膜生物反应器中，经过 接种，寡毛纲环节动物是可以大量繁殖的。 轮虫( r o t i f e r ) ：轮虫是但轮动物f ( t r o c h e l m i n t h e s ) 轮虫纲( r o t i f e r a ) 的微小动 物。因它有初生体腔，新的分类把轮虫归入原腔动物门( a s c h e l m i n t h e s ) 口引。在污 水处理中报道的主要是蛙态目和单巢目，其中单巢类轮虫主要是腔轮虫。与原生 动物纤毛虫相比，轮虫在污水处理中的数量不多，但由于体形相对较大，构造相 对复杂，特别是具有肌肉质发达的咽喉，高度硬化了的咀嚼器以及具有消化腺的 胃，可以较为灵活的移动，从污泥减量化角度更具主动性。而且，在显微镜下经 常能看到部分轮虫还能撕扯污泥絮体的碎片。轮虫个体消耗大量的细菌和固体颗 粒物可以补偿由于其数量不足的劣势。在活性污泥中的轮虫数量，据报道可达 4 5 0 0 i n d m l t 2 1 1 。轮虫在系统正常运行时期、有机物含量较低、出水水质良好时 才会出现，故轮虫的存在说明处理效果较好。然而有时处理系统因污泥龄较长、 负荷较低、污泥因缺乏营养而老化解絮，这时轮虫可因污泥碎屑增多而大量增殖， 数量可多至l m l 中近万个。这时，为污泥老化解絮的标志。污泥中常见的有玫 瑰旋轮虫和猪吻轮虫。 北京工业大学工学硕士学位论文 线虫( n e m a t o d a ) ：线虫也属于原腔动物门，喜欢在各种水体的碎屑中钻洞挖 掘，前端口器发达。线虫身体圆形，似打足气的轮胎，可吞噬细小的污泥絮粒， 在膜生长较厚的生物膜处理系统中常会大量出现。w o o m b s 等人在研究了生物滤 池中线虫的饲养能量摄食生长繁殖和呼吸后，发现线虫的需氧量仅占活性污泥中 总生物需氧量的0 0 3 2 7 ，对活性污泥的直接影响较小【3 0 1 。w o o m b s 在研究氧 化沟中线虫的能量贡献后发现线虫对细菌的捕食和分解是可以忽略不计的。线虫 的卵能抵抗常规处理，如延时曝气、污泥消化、堆肥。线虫在活性污泥法中不常 见的原因主要有两点：首先，悬浮并搅动的污泥絮体使得线虫的雌体和雄体的接 合不容易；其次，线虫的生长周期是污水中常见后生动物的两倍。这就使得线虫 的培养需要在有载体的条件下进行【3 2 1 。 寡毛纲环节动物( a n n e l i d a ) ：寡毛纲环节动物是具有体腔和体节的蠕虫，属 环节动物门。张绍园、魏源送以及r a s t a k 等人【3 4 l 对寡毛纲中的颡体虫科似印， s o m a t i d a e ) 和仙女虫科( n a i d i d a e ) 等进行了研究。蠕虫每天的食量是自身重量的几 倍。r a s t a k 对蠕虫的数量、大小与污泥减量的关系进行研究，每毫升污泥中蠕虫 的数量高于2 0 3 0 条时，污泥发生明显的减量。当污泥减量达5 0 时并不对水处 理效果产生明显的负面影响。而关于颗体虫科和仙女虫科哪种蠕虫在污泥减量中 起主要作用，各文献报道存在争议。 颗体虫身体分节，节间有刚毛伸出，以污泥碎屑、有机物颗粒为食料。在生 活污水处理厂中出水水质良好时亦可出现。出现在废水生物处理中的颞体虫 ( a e o l o s o m a ) 几乎都是红斑颗体虫似h e m p r i c h i ) ，本属的形态描述如下：形态上本 属是属于油蚯蚓科，长约l m m ，皮下含有红色黄色绿色等油滴。在体节上的背 腹各有2 对刚毛，以无性横分裂增殖，在生物处理中出现的红斑颞体虫其油滴呈 红色。生态上食物来源以摄食细菌类微小动物为主。已有资料说明，本属主要生 长在长时间曝气的活性污泥或生物膜中，其单寄生培养的比生长速率常数在适当 条件下是0 3 o 4 d _ l ，最适当温度是3 3 ，能在p h 值为6 8 的范围内增殖，且 在某些细菌下无法增殖，属于狭食性寡毛类。处理设备的细菌左右着颞体虫的出 现，呈优势化时则污泥呈红色。在红斑颓体虫与细菌的单寄生培养下，上清液呈 白浊状，若与其它微小动物共存可以获得良好水质【3 5 1 。 蚯蚓( e a r t h w o r m ) 首先在处理城市垃圾方面得到应用，在处理生活污水方面， 近年来在法国和智利发展起来的一项针对生活污水的处理技术生活污水的 蚯蚓过滤处理，这项技术是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物质 的分解转化等生态学功能而设计的。由于蚯蚓体内具有丰富的酶系统，使得被吞 食的物质经过2 3 小时体内酶的作用就形成了高度融合的有机无机复合肥 蚓粪【3 6 1 。蚯蚓食量较强，每天至少吞食和排泄相当于体重1 砣倍甚至高达1 0 倍。 国内利用蚯蚓处理生活污水方面的研究主要集中在蚯蚓生态滤池的研究上。近年 第l 章绪论 来，该工艺在上海成功的进行了中型实验和生产性规模的应用。蚯蚓养殖污水土 地处理还能显著提高土壤对n h 4 + 扩的吸附能力，蚯蚓负荷越大，吸附能力就越 强，达到了在提高污水脱氮效果的同时，增加了土壤肥效【3 7 】。 软体动物，如腹足纲( g a s t r o p o d a ) d g 淡水螺类( p h y s aa c u t a ) 也可以利用污泥作 为食物。 污泥减量所利用的微型动物包括原生动物中的纤毛虫类和后生动物中的寡 毛纲类，由于纤毛虫的个体较小，对其计数不便，而且其摄食的主要是游离细菌， 对污泥直接减量效果不明显。现阶段国内外利用微型动物减量污泥的研究主要集 中在寡毛纲环节动物的仙女虫、红斑颞体虫、颤蝴等体型较大的后生动物【3 引。 目前，利用微型动物的捕食作用进行污泥减量的手段主要包括直接接种微型 动物、蚯蚓生态滤床以及两段式工艺。 ( 1 ) 直接接种微型动物 直接向反应器中接种微型动物不仅能减少污泥产量，而且能提高c o d 的去 除效率、改善污泥的沉降性能。r e n s i n k 3 9 】等人在填料分别为炉渣和塑料的滴滤 池中处理污水厂的回流污泥，发现接种颤蚓( t u b i f i c i d a e ) 后，填料为炉渣的滴 滤池污泥减少量从1 0 * o - - 1 5 增加至1 0 - 5 0 ，填料为塑料的滴滤池污泥减少量 从1 0 增加至1 0 * , - - , 4 5 。他们在填料为塑料的c a s 中接种颤蚓，处理沉淀了的 生活污水，污泥产量从未借重的0 4 0 9 s s g c o d 下降到0 15 9 s s g c o d 。由于污 泥频繁地通过蚓类的肠道，污泥特征大大改变s v i 从9 0 下降到4 5 ，污泥的脱水性 提高了2 7 。翟小蔚等人【4 0 】利用两段式膜生物反应器作为原生动物的哺育系统， 然后将富含原生动物的污泥接种于半连续式c a s 中，发现接种原生动物后，污 泥沉降性能有很明显的改善，c o d 的去除效率和硝化作用均有所提高，污泥产 率由