（矿物加工工程专业论文）絮凝细菌对好氧污泥颗粒化影响的研究.pdf

i l uil i l l l l l l l l l1 l i ii tiiqi i i l lu l l 1y 18 0 17 0 9 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院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。 研究生签名：j 已迭起日 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签痘蝰燃名：辫日期：型q h、-lr 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 好氧颗粒污泥的研究建立在厌氧颗粒污泥基础上，颗粒污泥是微生物自 身固定化的一种形式，具有密度大、强度高、生物量丰富、沉降性能良好， 有较强的抗冲击负荷能力和同步脱氮除磷功能等优点，已逐渐成为废水生物 处理技术领域的研究热点。 本文借助气升式内循环序批反应器( s b a r ) 研究投加絮凝细菌对好氧污 泥颗粒化的影响，探讨了絮凝细菌最佳的投加量以及最佳投加方式；考查了 闲置期贮存条件对好氧颗粒污泥恢复性能的影响；研究了絮凝细菌对好氧颗 粒污泥处理模拟生活污水时基质降解动力学的影响。 探讨絮凝细菌投加量、投加方式对好氧颗粒污泥颗粒化的影响，结果表 明，絮凝细菌能够促进好氧污泥的颗粒化，颗粒污泥成熟时间由未投加时的 4 2d 缩短到3 5d ，絮凝细菌最佳投加量为1 0m l l ，s v i 稳定在4 0m u g 左右， 沉降速度达3 5 8 2m h ，c o d 、氨氮和总磷的去除率分别达到9 7 1 4 、8 4 4 9 、 8 7 5 9 ，提高了脱氮除磷效果。在此基础上，进行絮凝细菌投加方式的研究， 得出絮凝细菌的最佳投加方式为每5d 投加一次，2 8d 后颗粒污泥成熟，此 时污泥颗粒化效果与对照组相比更好，s v i 为4 0m u g 左右，沉降速度最大达 3 7 3 2m h 。c o d 、氨氮和总磷去除率分别达到9 6 5 5 、9 3 2 9 、8 7 2 9 。 探讨了颗粒污泥在清水与模拟生活污水两种条件下密封贮存后性能的恢 复情况，结果表明，好氧颗粒污泥在清水条件下封存更利于污泥性能的恢复。 通过对基质降解动力学的分析得出动力学常数以及动力学方程：怒珈菌= 1 0 7 2 6 m g l ，舻加苗= 0 1 4 4h 1 ：k s m = 8 2 1 9 8m g l ，甜舶= 0 1 3 5h 1 ；加菌培养的 颗粒污泥的基质降解动力学方程为：矿加菌= 0 1 4 4 s c o o ( 1 0 7 2 6 + s c o d ) ；未加菌 培养的颗粒污泥的基质降解动力学方程为：矿空白= 0 1 3 5 s c 0 0 ( 8 2 1 9 8 + s c o o ) 。 研究结果表明，经絮凝细菌培养后的好氧颗粒污泥对基质的降解能力略高于 空白样。 ：；关键词：好氧颗粒污泥；絮凝细菌：s b a r ；比生物絮凝因子；动力学方程 f 誓 ：； 眚 霉 霉 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sb a s e do na n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e g r a n u l a rs l u d g ei st h eb i o t e c h n o l o g ys e l f - i m m o b i l i z e d ，w h i c hh a ss t r o n ga n d c o m p a c t m 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 ，a n d a b i l i t yt ow i t h s t a n ds h o c kl o a d i n g s ，a b i l i t yt or e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h a t e s s i m u l t a n e o u s i nr e s e n ty e a r sr e s e a r c h e r sh a v eg i v e nm o r ei n t e r e s t si nt h e d e v e l o p m e n to fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e e n h a n c e m e n tt e c h n i q u eo fa e r o b i cg r a n u l a rw a ss t u d i e di ns e q u e n c i n gb a t c h a i r l i f tr e a c t o r ( s b a r ) i nt h i st h e s i s t h eb e s tq u a n t i t ya n dm e t h o d so fa d d i t i o n f l o c c u l a n tb a c t e r i ah a v eb e e nr e s e a r c h e d ；t h ei n f l u e n c eo fs t o r ec o n d i t i o nh a sb e e n i n v e s t i g a t e d ；a n dr e s e a r c h e dt h ed y n a m i c se q u a t i o no fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e w h i c hp l a n t e dw i t hf l o c c u l a n tb a c t e r i u m n er e s u l t ss h o w e dt h a tf l o c c u l a n tb a c t e r i u mc o u l dp r o m p tg r a n u l a t i o n p r o c e s s ，t h eb e s tq u a n t i t yw a s10 m l l ，a n ds v lw a sa r o u n d4 0 m l g ，s e t t l i n g v e l o c i t yr e a c h e d3 5 8 2 m h ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 4 + - n ，t po fm a t u r e g r a n u l a rs l u d g ew a s9 7 1 4 、8 4 4 9 、8 7 5 9 r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h a tr e s e a r c h t h em e t h o d so f a d d sf l o c c u l a n tb a c t e r i u l n t h er e s u l tw a so n c e5d i nt h i sc a s et h e a e r o b i cg r a n u l e sc o u l db es u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e d ，a n ds v lw a sa r o u n d4 0 m l g ， s e t t l i n gv e l o c i t yr e a c h e d37 3 2 m h ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 4 十- n ，t po f m a t u r eg r a n u l a rs l u d g ew a s9 6 5 5 ，9 3 2 9 ，8 7 2 9 r e s p e c t i v e l y r e s e a r c ht h eb i o d e g r a d a t i o ne f f e c ta n da b i l i t yo ft h ea e r o b i cg r a n u l e sw h i c h w e r es t o r e di no ro u to ft r o p h i cs u b s t a n c e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta d dt r o p h i c s u b s t a n c ew a sn o tn e c e s s a r y b a s e do nt h em o n o de q u a t i o n ，t h ek i n e t i c c o e f f i c i e n t so ft o wk i n d so fa e r o b i cg r a n u l e sw e r ea sf o l l o w s ：繇a d d _ 10 7 2 6m g m ， 辨a d d = o 1 4 4h - 。；繇眦= 8 2 1 9 8m g l ，圪蛾- 啪= 0 1 3 5 h 1 d y n a m i c se q u a t i o n s ： v 甜d = 0 1 4 4 s c o j ( 1 0 7 2 6 + s c 0 d ) ；= o 1 3 5 s c o j ( 8 2 1 9 8 + s c o d ) i tw a ss h o w e dt h a t a e r o b i cg r a n u l e sw h i c ha d d e df l o c c u l a n tb a c t e r i u mh a dh i g h e ro r g a n i cc o m p o u n d r e m o v a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；f l o c c u l a n tb a c t e r i u m ；s e q u e n c i n gb a t c ha i r l i f t r e a c t o r ( s b a r ) ；r e l a t i v eb i o f l o c c u l a t i o np a r a m e t e r ；d y n a m i c s e q u a t i o n i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 研究目的和意义1 1 1 2 课题来源2 1 2 颗粒污泥的性质2 1 2 1 颗粒污泥的特征。2 1 2 2 颗粒污泥的分类3 1 2 - 3 厌氧颗粒污泥与好氧颗粒污泥特征比较5 1 3 好氧污泥颗粒化过程5 1 3 1 好氧颗粒污泥的形成过程5 1 3 2 好氧颗粒污泥的形成机理6 1 3 3 好氧污泥颗粒化影响因素8 1a 好氧颗粒污泥国内外研究进展1 1 1 4 1 国内研究进展1 1 1 4 2 国外研究进展1 4 1 5 好氧颗粒污泥研究中存在的问题1 5 1 6 本文研究内容1 6 第2 章实验材料与方法1 7 2 1 实验装置17 2 2 实验材料18 2 2 1 实验用水18 2 2 2 接种污泥18 2 2 3 实验药品1 8 i i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 3 实验仪器1 9 2 4 分析项目及方法2 0 2 4 1 分析项目2 0 2 4 2 分析方法2 0 第3 章絮凝细菌对好氧颗粒污泥性能的影响2 4 3 1 反应器的启动运行。2 4 3 2 絮凝细菌投加量对好氧颗粒污泥影响的研究2 5 3 2 1 絮凝细菌投加方式2 5 3 2 2 絮凝细菌投加量对颗粒污泥理化性能的影响2 5 3 3 絮凝细菌投加方式对好氧颗粒污泥影响的研究3 2 3 3 1 絮凝细菌投加方式3 2 3 3 2 絮凝细菌投加方式对颗粒污泥理化性能的影响3 3 3 4 本章小结4 1 第4 章好氧颗粒污泥恢复性能的研究4 2 4 1 材料与方法4 2 4 2 贮存条件对颗粒污泥恢复性能的影响。4 3 4 2 1 颗粒污泥的结构和形态4 3 4 2 2 颗粒污泥粒径的变化4 5 4 2 3 颗粒污泥降解污染物质的效果4 6 4 3 本章小结4 9 第5 章好氧颗粒污泥基质降解动力学研究5 1 5 1 基质降解动力学理论基础5 1 5 1 1 米门方程与莫诺特方程5 l 5 1 2 降解动力学方程分析5 2 5 2 试验方案5 3 5 3 试验结果与分析5 4 5 3 1r 加苗颗粒污泥基质降解动力学模型5 4 v 黑龙江科技学院硕士学位论文 和意义 第1 章绪论 好氧颗粒污泥的研究是建立在厌氧颗粒污泥基础上的，在过去的二十多 年里，人们对厌氧颗粒污泥技术进行了大量研究，并应用于许多废水处理系 统。厌氧颗粒污泥由于其良好沉淀性能和高污泥浓度的特点，使反应器的容 积负荷较高，利于处理高浓度的有机废水。但是应用厌氧颗粒污泥技术也有 一些缺点：如较长的启动期、较高的运行温度、不能处理低浓度废水、不能 去除氮和磷等。与厌氧颗粒污泥相比，好氧颗粒污泥具有良好的沉淀性能、 较高的生物量和在高容积负荷条件下降解高浓度有机废水等优点 1 3 】，在废水 处理领域具有重大的应用价值。因此，好氧颗粒污泥技术受到了人们的关注， k m i s h i m a 等 4 1 首先在好氧上向流反应器中发现了具有良好沉淀性能的好氧 颗粒污泥。随后许多研究者利用s b r 反应器都培养出了好氧颗粒污泥，并将 其应用于处理高浓度有机废水或含氮、磷及有毒物质的废水。 传统的活性污泥污水处理系统大多存在缺点，如容易产生大量的剩余污 泥，对冲击负荷敏感、反应器体积庞大及容积负荷较低；极易引起丝状菌大 量生长，导致污泥膨胀，处理效率下降，甚至引起处理工艺瘫痪【5 】。然而在 生物法污水处理系统中，处理效果的好坏主要是由微生物的特性所决定的， 反应系统中生物量越大、活性越高、沉降性能越好，其单位体积的处理效率 也越高。好氧污泥的颗粒化，使反应器中存留了大量沉降性能良好的颗粒状 活性污泥，降低了对污泥沉淀系统的要求，减少了剩余污泥的排放，提高了 污水处理效率。 好氧颗粒污泥不仅能够承受较高的有机负荷，而且集好氧、兼氧和厌氧 微生物于一体，因此，可应用于工业废水中难降解有机物的去除。另外，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【6 j ，因而可减 少污水处理构筑物容积及占地面积，减少一定的基建投资，在经济效益方面 具有很重要的意义。因而受到广大学者的关注，然而近年来众多学者研究的 热点在于好氧颗粒污泥的培养条件、形成机理、结构特性及降解功能的研究， 但是，在研究中仍然存在一些问题：1 ) 启动时间较长。一般情况下要形成性 颗粒污泥是微生物的自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥，是一种利用生 物废水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发 生的微生物自然凝聚的现象。这种固定化通过严格控制生物处理装置的运转 负荷、处理过程中的影响因素，在一定水力条件下，依靠微生物自身的絮凝 作用而形成的固定化微生物群体，使其高度密集并保持较高的生物活性，有 利于提高生物反应器中微生物浓度，利于反应后的固液分离，缩短污水处理 所需时间。此外，还可以有效实现对氮、磷以及其他金属离子的去除。颗粒 污泥的主要特征有以下几个方面【8 ，9 】： ( 1 ) 微生物密集，维持反应器中的生物量浓度，反应器中生物量浓度越 高，则所需的反应时间越短，所需反应器的容积体积越小，从而有利于降低 污水处理设施的工程投资。 ( 2 ) 易实现固液分离，由于固定化微生物呈颗粒状生长，其密度比水大， 且微生物处于高度的密集状态，因而易于固液分离，有利于微生物的截留及 重复利用，并大大减少处理出水中s s 浓度，利于提高处理出水水质。良好的 固液分离性能在废水处理中应用还使得反应器中保持高浓度低生长速率的微 生物成为可能。 ( 3 ) 能够承受较高的毒物负荷，由于其高度密集或被自身分泌的高分子 物质所覆盖，因而当含有有毒有害的废水与之接触时，由于高度密集的强抵 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 抗能力或覆盖物的阻挡作用，削弱了有毒有害物对微生物的冲击作用，使反 应器工艺运行的安全性得到大大的提高。当利用经驯化后的颗粒污泥处理毒 物负荷较高的废水时，比传统工艺具有更大的优势。 1 2 2 颗粒污泥的分类 1 、厌氧颗粒污泥 厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体， 其良好的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床反应器成功的关键。厌 氧颗粒污泥的形成使u a s b 中有较高的生物相，从而确保厌氧生化过程稳定高 效地运行。许多学者对厌氧颗粒污泥进行了广泛的研究，到目前为止厌氧颗 粒污泥工艺已较为成熟，广泛应用于工业废水和生活污水的处理工程中。 厌氧颗粒污泥具有以下基本特性： ( 1 ) 厌氧颗粒污泥的形状大多数是具有相对规则的球形或椭球形。成熟 的厌氧颗粒污泥表面边界清晰，直径变化范围为0 1 1 4 5m m ，颗粒最大直径 可达7m r n 。 ( 2 ) 厌氧颗粒污泥的颜色通常是黑色或灰色，但贺延龄和k o s a d c t j o , 1 1 1 曾观察到白色颗粒污泥。颗粒污泥的颜色取决于处理条件，特别是与f e ，n i ， c o 等金属的硫化物有关。k o s a r i c 等【1 1 发现当颗粒污泥中的s f e 值比较低时， 颗粒呈黑色。 ( 3 ) 厌氧颗粒污泥的密度约在1 0 3 0 1 0 8 0k m 3 之间。密度与颗粒直径 之间的关系尚未能完全确定，一般认为污泥的密度随直径的增大而降低。用 扫描电镜观察颗粒污泥表面，可以发现许多孔隙和洞穴，这些孔隙和洞穴被 认为是基质传递的通道，气体也可经此输送出去【1 2 , 1 3 】。直径较大的颗粒污泥 往往有一个空腔【l ，这是由于基质不足而引起细胞自溶造成的，大而空的颗 粒污泥容易被水流洗出或被水流剪切成碎片，成为新生的颗粒污泥的内核【1 4 】。 厌氧颗粒污泥的孔隙率在4 0 8 0 之间，小颗粒污泥孔隙率高而大颗粒污泥 孔隙率低，因此小颗粒污泥具有更强的生命力和相对高的产甲烷活性【1 i j 。 ( 4 ) 厌氧颗粒颗粒污泥具有良好的沉降性能，s c h m i d t 等【”j 认为其沉降 速度范围为1 8 1 0 0m h ，典型值在1 8 5 0r n h 之间。 2 、好氧颗粒污泥 好氧颗粒污泥是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、较高的生物量和在高容积负荷条件下降解高浓度有机废水的 黑龙江科技学院硕士学位论文 良好生物活性。据研究认为【l 纠引，间歇式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 有利于好氧颗粒污泥的形成。 好氧颗粒污泥的基本特性如下： ( 1 ) 好氧颗粒污泥外观一般为橙黄色，呈球形或椭球形。成熟的好氧颗 粒污泥表面光滑。在厌氧一好氧交替工艺( a l t e r n a t i o no fa n a e r o b i c a e r o b i c p r o c e s s ，a a a ) 中，颗粒直径大多在0 5 1 5m n l 之吲1 9 1 。经过适度冲洗淘洗 后的好氧颗粒污泥直径多在1l l l r n 左右，未经淘洗的颗粒污泥的全粒度分析表 明，粒径在0 5n l m 以上的颗粒占全部污泥微粒的2 0 ，在保证良好沉降性的 同时，又能保证在曝气时污泥具有良好的悬浮性和透气性【2 0 1 。而在s b r 反应 器中，颗粒直径大多在1 9 4 6l n n l 之间，稳定状态下形成的颗粒光滑、致密， 颗粒直径为4 6m l t l 1 6 j 。颗粒污泥的形状系数( s h a p ef a c t o r ) 稳定在o 4 5 ，纵 横比( a s p e c tr a t i o ) 为0 7 9 。这些参数与沉降速率、表面气体流速和h r t 等操 作条件无关【2 l j 。但有研究表明【2 2 】，粒径不同，好氧颗粒污泥经历一系列的形 态和物理变化，从而影响到反应器的操作。 颗粒粒径与物理特性如s v i 、s v 、表面疏水性、颗粒强度、总固体含量 以及结构特性都有关系。忽略粒径，颗粒表面的生物量较高，或细胞质在颗 粒表面边缘存在，而死细胞延伸到颗粒内部，这种生物量的分层证明了当颗 粒污泥长大时其物理特性在发生变化：颗粒粒径增大时，s v 、颗粒比重以及 生物密度都在增加，但与颗粒粒径不成比例，但颗粒强度、s v 以及表面疏水 性却在降低。因此颗粒污泥特性与颗粒粒径有很大的关系，有研究【2 l 】认为， 好氧颗粒污泥包含好氧微生物和厌氧微生物，颗粒基质中的孔道有0 9 0 0m m 深，厌氧微生物在颗粒表面深0 8 0 0n i l 1 处存在，而好氧颗粒污泥的最佳粒径 大小为不大于1 6m i l l 。颗粒粒径不仅是一个污泥生长的表征参数，而且影响 到物质的扩散和传递。 有研究表明【2 3 j 由于颗粒污泥存在一个物质扩散限度，细胞只存在于有限 的颗粒污泥表层，并且小颗粒具有更加密实的结构，而大颗粒结构则相对松 散。颗粒污泥由生物量、胞外多聚物、无机成分以及包裹水和孔隙组成，由 于存在物质扩散限制，内部细胞得到的营养物质较少，因此饥饿的细胞开始 消耗胞外多聚物来维持其生长，它们的代谢产物如抑制素等有毒物质在颗粒 内部积累对生物的生长有不利影响，因而颗粒内部的孔隙较多。 ( 2 ) 颗粒直径和沉降速率间呈正相关1 2 4 】，单个好氧颗粒污泥沉降速率在 1 8 - 3 5m h 。好氧颗粒污泥的s v 为1 4 3 0 ，s v i 在1 2 6 - 6 4 5m l g ( 一般在3 6 左右) ，而普通活性污泥的s v i 在10 0 15 0m v g 左右。好氧颗粒污泥反应器中 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 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【2 0 j ( 受阻沉淀层) 。好氧颗粒污泥的含水率一般为9 7 0 0 , , 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【2 0 】。 ( 3 ) 在s b r 反应器中，稳定条件下的好氧颗粒污泥的浓度为 3 2 “8 9 l 【l 引，好氧颗粒污泥的污泥密度为1 0 0 6 8 1 0 0 7 2 9g l ，而普通活性 污泥则为1 0 0 2 - 1 0 0 6g l 瞄5 。颗粒污泥的o u r w 为1 2 7m e , ( g r a i n ) ，而普 通活性污泥的o u r w 大约在o 8m g ( g m i n ) 左右。可见，好氧颗粒污泥的 生物学活性明显高于普通活性污泥【2 5 l 。 1 2 3 厌氧颗粒污泥与好氧颗粒污泥特征比较 在废水处理系统中，好氧颗粒污泥法与厌氧颗粒污泥法相比较具有较大 的优点，主要体现在： ( 1 ) 好氧颗粒污泥形成所需时间短，反应器启动快。厌氧颗粒污泥培养 时间较长，一般需要3 “个月左右，而好氧颗粒污泥一般在7 1 5 天即可形成； ( 2 ) 好氧颗粒污泥在常温下就能形成，温度要求没有厌氧颗粒污泥严格。 厌氧颗粒污泥的培养温度较高，多数反应器在中高温( 3 5 5 5 ) 运行才能 形成性能良好的厌氧颗粒污泥； ( 3 ) 好氧颗粒污泥具有脱氮除磷的作用。厌氧颗粒污泥一般用于处理高 浓度有机废水和工业废水，由于在厌氧条件下运行，厌氧反应器没有脱氮除 磷作用。好氧颗粒污泥具有微生物菌群的多样性，能够同时脱氮除磷； ( 4 ) 在处理低负荷废水时，好氧颗粒污泥操作系统较厌氧颗粒污泥稳定。 厌氧颗粒污泥由于处理高浓度有机废水时，具有较高的降解效果，操作系统 稳定，但在低负荷下运行，系统稳定性差，好氧颗粒污泥则弥补了厌氧颗粒 污泥的不足。 1 3 好氧污泥颗粒化过程 1 3 1 好氧颗粒污泥的形成过程 好氧颗粒污泥的形成，即微生物在好氧条件下实现自身固定化的一种形 式，是微生物菌群中单个菌体表面之间通过生物、物理和化学相互作用的过 程。许多研究表明，这种相互作用过程不仅与微生物细胞表面行为有关，还 与其污泥化学特性及环境因素等密切相关。微生物固定化过程可表示为【8 】： 黑龙江科技学院硕士学位论文 悬浮微生物苎盟蚴选型堑屿可逆附着一专 不可逆附着_ 固定化微生物生长、固定化 微生物菌群单个菌体之间的相互碰撞主要是通过水力流态及各种扩散力 的作用发生的，其中包括微生物菌体在布朗运动、自身运动、重力及沉降作 用下完成的输送过程。由于微生物尺寸微小，通常在1 0m l r l 左右，属于胶体 颗粒的范畴，因而其具有胶体颗粒布朗运动的特性，这种布朗运动具有增加 微生物之间接触机会的作用，此外，微生物的浓度及由浓度差而产生的浓度 梯度也在促进其相互碰撞粘附的过程中具有不可忽视的作用，微生物之间相 互碰撞是其自身固定化的关键性一步。 微生物相互碰撞后，通过各种物理化学力的作用使微生物附着并固定， 由于微生物之间存在的各种作用力具有不同的特性，有的表现为促进附着和 固定的引力，而有的则表现为阻止其附着的斥力，这就使微生物在固定化过 程中出现不可逆和可逆两种情况。 微生物固定化过程中的可逆附着反映了在环境存在的水力学力( 对于特 定的生物反应器而言，指其所具有的水利流态特征及搅拌程度) 、微生物所 具有的布朗运动及其自身运动既是促进其相互之间碰撞也是使其重新返回悬 浮状态的力。一般而言，造成这种可逆吸附过程的力主要是物理及化学相互 作用的结果，有文献1 9 j 指出，在这个过程中，由于微生物增长而产生的生物 力并不起主要作用。 不可逆过程是可逆过程的延续，它由可逆附着过程中微生物分泌的勃性 代谢产物( 如多聚糖等) 所致。当废水中含有较多多糖类物质时，利于不可 逆附着过程的发生，并可缩短完成固定化所需要的时间。 微生物自身固定化的生长，经过不可逆附着过程并由此实现固定化后， 微生物将通过与主体液相中经外部扩散和内部扩散作用输送到周围的有机底 物相互接触，起到降解污染物的功能，同时其自身得到相应的生长繁殖。此 时，固定化后的微生物具有相对稳定的环境条件，并利于其逐渐生长成熟。 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。 1 3 2 好氧颗粒污泥的形成机理 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 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 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 2 6 1 ： ( 1 ) 基于颗粒污泥结构分析的结构模型，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 、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【2 7 】： 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，其间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。 接种 小球形成 口酥啊 - - 广r ql e 乡勺qo 黑龙江科技学院硕士学位论文 b e u n o s j 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 不。 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，丝状菌吸附在菌球的表面，这样菌球也变得更加密实。当菌 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，因为他们现在己经生长到足够大，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。陈型2 8 】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。 1 3 3 好氧污泥颗粒化影响因素 污泥颗粒化是一个复杂的物理、化学和生物过程的复合过程，其中包含 有各种物理化学和生物力。这一过程受到很多因素的影响，包括微生物本身 的性质和环境特征等方面。 l 、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。然而，颗粒的微观结构和种类与碳源有关，蔗搪 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。通过扫描电镜观察发现，以葡萄糖为碳源的反应器中，颗粒污泥表面有 明显的丝状绒毛；以醋酸盐为碳源的颗粒污泥光滑、致密。这是因为大分子 的碳水化合物有利于丝状菌的生长。对形成颗粒污泥来说醋酸盐相较葡萄糖 是更佳的碳源。 2 、c o d 负荷 不同的有机负荷对颗粒污泥的物理特性及微观结构影响较大。低有机负 荷下形成的好氧颗粒污泥表面蓬松，主要有絮状体构成，污泥颗粒表而以球 菌居多；高有机负荷下形成的好氧颗粒形状规则、结构紧密，表面有裂缝、 褶邹和凹坑，丝状菌已组成结实的菌体骨架。较高的有机负荷可以为微生物 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 提供充足的营养底物，使微生物细胞生长繁殖速率加快，产生大量的新生细 胞，相应的颗粒污泥粒径增长速度较大。 3 、温度j l l p h 硝化作用对环境的酸碱度有严格的要求。硝化细菌和反硝化细菌合适的 生存环境p h 值是7 9 , - - 9 0 ，低于6 0 则受抑制。正常情况下p h 值一般控制在 7 0 8 0 的范围内，以适应颗粒污泥中硝化细菌和反硝化细菌的生长。 己有研究发现【2 9 1 ，随着温度的降低，好氧颗粒污泥的除磷效果会显著下 降，出水变得浑浊、污泥含量增加，反应器中污泥浓度降低，颗粒化不好， 大多数为絮状污泥，污泥颜色变暗，沉降性能明显下降。除磷效果下降可能 的原因有：( 1 ) 低温影响污泥中的微生物生长，污泥浓度降低，活性下降， 除磷率不高；( 2 ) 低温影响发酵菌的产酸，影响放磷效率，使除磷效果下降； ( 3 ) 温度降低使硝化和反硝化作用明显下降，n 0 3 - n 的存在会抑制产酸菌的 厌氧发酵和挥发性脂肪酸的产生。 4 、沉降时间 s b r 反应器中，控制沉降时间可以洗出絮状污泥，这是影响形成好氧颗 粒污泥的主要因素。控制沉降时间可用于强化特定颗粒的沉降速率，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，较短的沉 降时间最终会选择出具有较高沉降速率的颗粒污泥而使其留在反应器中，而 悬浮和絮状等沉降较慢的污泥就会随排水而被洗出【2 8 】，沉淀时间过长就不能 对颗粒污泥进行有效的选择。沉降速度由沉降高度与沉降时间之比来确定。 当最大沉降高度确定时，改变沉降时间用于强化临界沉降速度。较长的沉淀 时间会形成絮状污泥，而较短的沉淀时间则不能在反应器中积累大量的污泥。 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 n 等t 3 6 1 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。 5 、溶解氧( d o ) 浓度 溶解氧( d o ) 浓度是影响好氧污水处理系统运行的重要参数。如果溶解 9 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。 6 、水力停留时间 较低的水力停留时间( h r t ) 将反应器中悬浮微生物洗出，减少反应器 中悬浮微生物的生长，促进颗粒污泥的形成。在s b r 反应器中，h r t 为8h 时 不能有效洗出悬浮微生物；当h r t 为6 7 5h ，表面气体流速较低时，好氧颗粒 污泥可以稳定存在【l 引。较低的h r t 有利于活性污泥的颗粒化。 7 、进水中添加c a 2 + 离子 j i a n g 3 2 】等报道，在进水中添加c a 2 + 可加速好氧污泥颗粒化进程。加a c a 2 + 浓度为1 0 0m g l 时，形成好氧颗粒污泥需要1 6 天；而若不力n a c a 2 + 则需要3 2 天。絮凝c e + 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n c a 2 + 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。 8 、n c o d l i u 3 3 】研究了通过选择慢生长硝化细菌改进好氧颗粒的可行性，并考察进 水n c o d l 匕率从5 1 0 0 ，3 0 1 0 0 变化的四个反应器中好氧颗粒的形成以及运行 情况。结果表明底物n c 0 d 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，随n c o d = l 率升高，生长速率和平均颗粒粒径下降，硝化菌群 数量增多。生长较慢的好氧颗粒污泥结构坚固、沉降性能好，以好氧颗粒污 泥尺寸衡量的比生长速率高度依赖于好氧颗粒污泥中硝化细菌的异养菌种的 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 分配。比如，好氧颗粒中丰富的硝化细菌是导致好氧颗粒在高进水n c o d 比 率下较低生长速率的主要原因。好氧颗粒不稳主要由于在好氧颗粒中占多数 的异养菌的生长，硝化细菌比异养菌生长慢，而硝化细菌物理结构更加牢固。 9 、细胞表面疏水性 细胞疏水性是细胞自身凝聚的非常重要的亲和力【3 4 】。异养菌颗粒和硝化 茵颗粒的形成与细胞疏水性有很重要的关系，并且颗粒污泥的表面疏水性比 普通污泥高出将近两倍，高水利剪切力【3 5 1 和水力选择压【3 6 】有利于提高颗粒污 泥的疏水性，而有机负荷率的变化对细胞疏水性没有太大的影响。细胞疏水 性可以引导和加强细胞之间作用力，因此是颗粒化的主要初始力。 细胞疏水性是颗粒化过程重要的推动力，主要是因为污泥颗粒化使其表 面自由能发生变化，细胞表面疏水性与其表面所带的电荷数成反比【3 7 】。细胞 疏水性代表吸引力，亲水性代表细胞间斥力，因此随着细胞疏水性的增加或 亲水性的减小，细胞之间的斥力变得越来越弱。与化学或生物过程相同，微 生物凝聚过程中表面自由能的变化随着过程阻力的增加而增加，随着微生物 凝聚过程推动力的增加而减小，可以假设微生物凝聚的自由能变化是过程推 动力和阻力之间的相互作用。 1 4 好氧颗粒污泥国内外研究进展 1 4 1 国内研究进展 国内学者对好氧颗粒污泥的研究始于1 9 9 5 年，国内对好氧颗粒污泥的研 究重点主要是好氧颗粒污泥的脱氮除磷性能以及稳定性能的研究。 2 0 0 1 年清华大学卢然超等人【2 9 】研究t s b r 反应器的脱氮除磷效果和污泥 沉降性能。结果表明，反应器中形成了同时具有脱氮除磷能力的好氧颗粒化 污泥，其对c o d 和p 的去除率分别为9 0 和8 5 左右；n h 3 - n 和t n 去除率分别 达到9 0 和8 0 1 颗粒污泥的s v i 值约为5 0 ，并且出水水质良好。同年，t a y 等【3 8 】利用脉冲进料形成的饥饿段、短沉降时间和高剪切力成功培养出好氧颗 粒污泥。 2 0 0 2 年浙江大学白晓慧【3 9 j 认为，通过控制水力停留时间、溶解氧、曝气 量在活性污泥工艺中可以培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥，它可明显提 高曝气池的处理能力、有效改善固液分离效果并实现同步硝化反硝化。 2 0 0 3 年，l i u 等【4 0 】研究好氧颗粒污泥作为新型生物吸附剂去除工业废水 黑龙江科技学院硕士学位论文 中c d 2 + 的可行性，进行了不同c d 2 + 浓度、好氧颗粒污泥浓度的间歇进水实验。 并建立动力学模型，描述好氧颗粒污泥对c d 2 + 的生物吸附。同年，l i n 等【4 1 】 研究了在不同的磷c o d 条件下，s b r 反应器中的好氧颗粒污泥的聚磷性能。 2 0 0 4 年，王荣昌等 4 2 1 研究了新型悬浮载体生物膜反应器内好氧颗粒污泥 的形成机制。试验发现，形成的颗粒污泥为白色绒球状，平均粒径为2 3i t l l n ， 最大可达5 姑右，相对密度在1 1 2 1 1 4k g m 3 ，沉降速度为2 9 7 4 6 0m h ； 反应器内的微生物以附着生长型为主，生物量为5 o 1 5 0g l ，好氧颗粒污泥 在总生物量中所占的质量比较小( 约为1 1 0 ) 。同年，王芳等【4 3 】研究出利用 混合型进水碳源解决由兹状菌过度繁殖引起的好氧颗粒污泥不稳定的问题； 并通过考察在不同水循环时间下好氧颗粒污泥特性的差异，认为水力循环时 间在6h 左右能较好地培养出好氧颗粒污泥。同年，蓝慧霞等晔j 在微好氧条件 下，以厌氧颗粒污泥为接种污泥，考察了培养过程中的混合液悬浮固体 ( m l s s ) 浓度污泥沉降比( s v ) 、污泥容积指数( s v i ) 、挥发性悬浮固体 ( v s s ) 浓度以及颗粒化污泥体积的变化。发现培养5d 后，厌氧颗粒污泥完 全解体，培养1 0d 后出现好氧颗粒污泥，培养4 0d 后污泥完全颗粒化各项指标 均优于普通活性污泥和常规曝气条件下培养的好氧颗粒污泥。