（环境工程专业论文）稀土元素对好氧颗粒污泥性能的影响研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 我国的稀土资源非常丰富，随着稀士资源不断挖掘及现代科技的发展，稀 土的应用领域也日益广泛，研究表明适宜浓度稀土元素具有提高细胞酶活性， 促进微生物生长等性质本文利用稀土元素对微生物的生物学作用，将其应用 于废水生物处理技术，探讨了稀土元素对活性污泥有关性质的影响，研究了稀 土元素对促进好氧颗粒污泥形成和改善好氧颗粒污泥性质的作用，并将稀土培 养的好氧颗粒污泥应用于啤酒废水处理中，得到了一套最佳工艺参数本文对 稀土元素作用于活性污泥性质的影响研究及其在废水生物处理技术的应用具有 一定的指导作用，并丰富了好氧颗粒污泥处理工业废水的理论知识。该课题的 主要研究内容如下： 1 ) 研究轻稀土中应用较为广泛的镧( l a ) 、铈( c e ) 两种元素对活性污泥 降解动力学、胞外多聚物分泌、微生物相等方面的影响，结果表明低浓度稀土 元素可提高污泥内微生物最大降解速度，对微生物酶有较强的激活作用，并可 促进微生物分泌胞外多聚物，提高胞外多聚物蛋白质，多糖比值，改善污泥表面 性质，刺激微生物生命活动，而高浓度稀土元素具有抑制性和毒性，致使酶结 构和活性的破坏，胞外多聚物中多糖含量明显增加，并对污泥菌胶团结构及原 生动物的生长产生破坏作用，不利于污泥沉降。 2 ) 在两套结构相同的s b r 反应器中。以啤酒废水为基质，按容积负荷和 曝气量分三个阶段培养好氧颗粒污泥，在培养过程中向其中一反应器内定期投 加i 丑3 + ，研究l a 3 + 对好氧颗粒污泥形成的促进作用。实验发现利用k 一培养的 颗粒污泥比普通方法培养的成熟时间要提前l 周左右：在培养第一阶段h + 作 用表现不明显，第二阶段表现最为明显，在该阶段两反应器的污泥形态、m l s s 、 s v i 、c o d 降解能力等都有较明显的差距。利用l a 3 + 培养的颗粒污泥处理c o d 、 t n 能力优予普通法培养，前者的比耗氧速率值比后者高2 0 ，含水率低o 5 ， 沉降速度快2 ，且前者较后者结构密实，菌种种类丰富，菌种体积小，数量多， 孔隙距小 3 ) 利用由l a 3 + 培养的好氧颗粒污泥处理啤酒废水，研究表明其处理效果良 好，出水水质可满足啤酒工业污染物排放标准( ( 3 8 1 9 8 2 1 0 2 0 0 5 ) 要求。通过 山东大学硕士学位论文 正交试验得出最佳的运行工况为限制性曝气进水、厌氧l h ，曝气4 h ：且发现溶 解氧、污泥浓度、进水p h 对处理效果特别是t n 去除有较大影响；通过周期反 应特性发现大部分c o d 及n h 3 - n 在曝气3 h 后已基本降解，此性质使反应周期 的剩余时间内微生物基本处于饥饿状态，这种周期性的饥饿状态可有效促进微 生物的聚集，有助于保持好氧颗粒污泥形态稳定。在曝气阶段n o _ 有所减少， 而n 0 7 并未大幅增加，表明在d o 充足下好氧颗粒污泥同样具有较强的同步硝 化反硝化能力。 关键词：稀土元素；活性污泥；好氧颗粒污泥；啤酒废水 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ei sa b u n d a n t “i 地e a r t hi no u rc o u n t r y , t h ef i e l dw h e r e “l r ee a r t hc 姐a p p l y t ob e c o m e sw i d e ra l o n gw i t ht h et e c h n i q u ed e v e l o p s r a r ee a r t hc a n 廿l h a n c 宅t h e a c t i v i t yo f e n z y m e ，i n c r e a s et h ea m o u n to f m i c r o o r g a n i s m t h em a j o rc o n t e n to f t h i s a r t i c l ec o m p r i s et h e ep a r t s ：t h ef i r s ti se f f e c to fr a r ee a r t ho na c t i v a t e ds l u d g e ，t h e s e c o n di se f f e c to f r a r ee a i ho nf o r m a t i o no f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，a n dt h el a s ti s s t u d yo ni n ：a t m e n to fb e e rw a s t e w a t e rb ya e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e t h ea r t i c l ec a l l l e a dt h er e s e a r c ht h a tt h ee f f e c to fr a r ee a r t ho na c t i v a t e ds l u d g ea n da p p l i c a t i o no f 残i i e a r t ho nb i o l o g i c a lt r e a t m e n t , a n di ti n c r e a s e dt h e o r yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e t r e a t i n go nt r e a t i n gh i g hs t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e r t h em a i nr e s e a r c h e si n c l u d e d a sf o l l o w s ： 1 ) t h ee f f e c to fr a r ee a r t ho nd e g r a d a t i o nk i n e t i co fa c t i v a t e ds l u d g e ，e p si n a c t i v a t e ds l u d g e ，a n dm i c r o b i a lm o r p h o l o g yw e r er e s e a r c h e d r e s u l ti n d i c a t e dr i g h t s t r e n g t ho f 勰e a r t hc a ni m p r o v ey 赢o fd e g r a d a t i o nk i n e t i c ，a 】l l a n c et h ea c t i v i t y o fe n z y m e , i n c r e a s et h ea m o u n to fe p s ，a m e n dt h er a t i oo fp r o t e i n a m y l o s e , i m p r o v es t l r f , eo fa c t i v a t e ds l u d g e ，s t i m u l a t el i f e o fm i c r o o r g a n i s m b u th i g h s t r e n g t h r a r ee a r t hw e r ei n h i b i t o r ya n dt o x i c i t y i tc a u s e de l l g y m ed e s t r o y e d , d e p r e s s e dt h ea c t i v i t yo f z y m e , r e d u c e dt h er a t i oo fp r o t e i n a m y l o s e ，w r e c k e d s t n l e m r eo f z o o g l o e a , a n di ti sb a dt os l u d g ed e p o s i t i n g 2 ) e f f e c to f r a r ee a r t ho nf o r m a t i o no f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei nt w os a m es b r w a ss t u d i e dw h i l el a 3 + w a sa d d e dt oo u es b r , t h en u 台i m e n tw a sb e e r 塌s k 啊强溉 t h ep i d 髂w a sd i v i d e dt ot h r e ep e r i o & a c c o r d i n ga i rf l o wr a t ea n dv o l u m el o a d i n g r e s u l ti n d i c a t e dt h a ta e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew h i c hl a 3 + w a sa d d e df o r m e d7 d a y s e a r l i e rt h a na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew h i c hw a sc u l t i v a t e dc o m m o n l y i nf i r s tp 嫡o d t h ee f f e c to fr a r ee a r t hi su n e o n s p i c u o u s ，h o w e v e ri ns e c o n dp e r i o di ti sm o s t c o n s p i c u o u s t h es h a p eo fs l u d g e ，m l s s ，s v i ，a b i l i t yo fc o d r e m o v a lb e c a m e m o r ed i f f e r e n tb e t w e e nt h et w os b rd u r i n gs e c o n dp e r i o d t h es o u ro fa e r o b i c g r a n u l a rs l u d g ec u l t i v a t e da d d i n gl a 3 + w a sm o r e2 0 t h a na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e 山东大学硕士学位论文 c u l t i v a t e dc o m m o n l y , t h ep e r c e n to f w a t e ri sl o w e ro 5 t h es p e e do f s e d i m e n t a t i o n i sf a s t e r 嬲a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec u l t i v a t e da d d i n g 矿w a ss o l i d e rt h a n c u l t i v a t e dc o m m o n l y , t h ek i n d so fm i c r o o r g a n i s mi sm o r l e ，t h ev o l u m eo f m i c r o o r g a n i s mi ss m a l l e r , t h ed i s t a n c eo f i n t e r s t i c ei ss h o r t e r 3 ) e f f e c to ft r e a t m e n to fb e e rw a s t e w a t e rb ya e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sg o o d , t h ee f f l u e n tw a t e r 啪m e e t d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rb e e ri n d u s t r y ( g b l 9 8 2 1 2 0 0 5 ) ”t h r o u g ht h eo r t h o g o n a lt e s t s ，t h eo p t i m a lt e c h n i q u ef o ro p e r a t i o n w a sf l o w i n gp r o c e s so fu n l i m i t e da e r a t i o n , a n a e r a t i o nt h , a e r a t i o n4 h d o m l s s a n dp hc a l li n f l u e n c et h ee f f e c to ft r e a t m e n to fb e e rw a s t e w a t e r , e s p e c i a l l yt n r e m o v a l i no n eo p e r a t i o nc y c l ec o da n dn h 3 - ni sr e m o v e dm o s t l ya f i 盯3 ho f a e r a t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i co fo p e r a t i o nc y c l es h o w e dt h a tm i c r o o r g a n i s mi sh u n g e r i nr e s i d u a lt i m ei no n eo p e r a t i o nc y c l e ，a n di th e l p e da e r o b i cg r a n u l a rs l u d g em o r e c o m p a c t i no n eo p e r a t i o nc y c l et h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 7w a sd 他蛾。h o w e v e r n 0 7w a s n ti n c r e a s e da b u n d a n t l y , i ti n d i c a t e dt h a ta e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eh a d t h e a b i l i t yo f 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 ( s n d ) k e y w o r d s ：托i i ；ee a r t h ；a c t i v a t e ds l u d g e ；a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；b e e rw a s t e w a t c y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在本文中以明确方式标明本声 明的法律责任由本人承担 论文作者签名：弛 日期：塑业。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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，缩印或其他手段保存 论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：岙鸥导师签名日期：应! 坦 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 稀土元素生物效应的研究进展 稀土元素是元素周期表第三副族中原子序数从5 7 至7 l 的1 5 个镧系元素 ( l a n o m i d e ，用l n 表示) ，即镧( l a ) 、铈( c c ) 、镨( p r ) 、钕( n d ) 、钷 ( p m ) 、钐( s i n ) 、铕( e u ) 、钆( g d ) 、铽( t b ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、 铒( e r ) 、铥( 1 h ) 、镱( y b ) 、镥( l u ) ，再加上与其电子结构和化学性 质相近的钪( s c ) 和钇( y ) ，共计1 7 个元素。除钪与钷外，其余1 5 个元素 往往共生 根据稀土元素间物理化学性质和地球化学性质的某些差异和分离工艺的要 求。学者们往往把稀土类元素分为轻、重两组或者轻、中、重三组。两组的分 法以钆为界，钆以前的镧、铈、镨、钕、钷、钐，铕7 个元素为轻稀土元素， 亦称铈组稀土元素：钆及钆以后的铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇等9 个元 素称为重稀土元素，亦称钇组稀土元素。尽管钇的原子量仅为8 9 ，但由于其离 子半径在其它重稀土元素的离子半径链环之中，其化学性质更接近重稀土元素。 在自然界也与其它重稀土元素共生，故它被归为重稀土组。如按稀土硫酸复盐 溶解度大小可分为：难溶性铈组即轻稀土组，包括镧、铈、镨、钕、钐；微溶 性铽组即中稀土组，包括铕、钆、铽、镝；较易溶性的钇组即重稀土组，包括 钇、钬、铒、铥、镱、镥。然而各组之间相邻元素间的溶解度差别很小，用这 种方法是分不净的。现在多用萃取法分组，例如用二磷酸二异辛酯可在钕钐间 分组，然后再在钝铽间分组等。这样区分镧、铈、镨、钕为轻稀土，钐、铕、 钆为中稀土，铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥再加上钇为重稀土【”。 1 1 1 稀元素性质及与钙比较 钙离子在生物体内对于维持正常的肌细胞功能、骨骼的生长发育、神经冲 动传导及对路的形成等有着十分重要的作用。稀土离子与钙离子性质及半径相 似，进入体内后将占据或取代钙的位置而影响一系列的生物功能。表1 - 1 为钙 离子与稀土离子的异同点【2 】。 山东大学硕士学位论文 由表1 1 可以看出其不同之处之一是的l n 3 + 电荷高于c a 2 + ，因而离子势大， 对以离子键为主的化合物，则l n 3 + 的结合稳定性要高于c a 2 + ；另外l n 3 + 还具有 特殊的够电子，能产生一系列的光、磁、电生物效应，能激发多种酶活性，促 进细胞生长。稀土离子与钙离子在更多方面表现出性质上的相似性，包括离子 半径相似，均属硬酸，具有亲氧性，配位数多等。基于上述稀土离子所具有的 性质，因而有人将稀土离子称为“超级钙”，它不但可以占据钙的位置与大分子 结合，而且还可取代已结合的c a 2 + 。 1 1 2 稀土元素对生物分子的作用 1 1 2 1 稀土元素与蛋白质的相互作用 蛋白质同金属离子有着密切的关系，金属蛋白质的配合物是生命科学领域 重要的研究课题，许多蛋白质的侧基和端基与大多数金属离子均有潜在的键合 能力。 i v k o v amn 吲研究发现稀土元素可加速天然胶原蛋白的凝胶化，而钙不能， 并且发现钐能阻止由胶原蛋白或胃蛋白酶水解产生的胶原蛋白所形成的纤维的 熟变形，而使稀土离子用于皮革加工时其耐热性增强。 李晓晶等1 4 1 模拟生理条件研究了稀土离子( 1 1 1 ) 与牛血清白蛋白( b s a ) 的结合性质，荧光光谱结果表明t b 与b s a 形成l ：2 配合物，用平衡透析法确 定p r 与b s a 结合的高亲合位点数为2 ，低亲合位点数大于6 。并且发现稀土与 b s a 络合后蛋白质体积膨胀，活动性增加。 朱兵掣5 1 研究了t 口+ 和e u 3 + 在p h 7 4 的条件下与乳铁蛋白及脱铁乳铁蛋白 2 山东大学硕士学位论文 的结合作用。结果表明n 尹及e u 抖可特异性地结合在脱铁乳铁蛋白的两个f e h 结合部位n 一在这两个位点结合时，蛋白质的构象发生变化，在1 r t ，与蛋白 质的浓度比低时，构象趋于紧缩，色氨酸残基进入疏水的环境；当i 护+ 结合得 较多时，构象转而开放，色氨酸残基转向亲水性环境。但无论哪种情况，n ， 与脱铁乳铁蛋白的结合都不影响蛋白的二级结构 刘会雪等 6 1 考察了l a 牲2 x 1 0 4 4 x 1 0 ； m o l l 浓度范围内对体外培养的肝细 胞株的生长和增殖的影响，结果表明低浓度的l a v - 对细胞有明显的促增殖作用， 为探讨促增殖的细胞是否正常，利用双向凝胶电泳技术对l a v 诱导增殖的细胞 和对照组正常细胞进行蛋白质分离和分析，发现两组细胞蛋白质的表达存在着 明显的差异，表示在稀土促进增殖下的细胞可能并非正常，并讨论了h 促进 细胞增殖的可能机制及其过程。 1 1 2 2 稀土元素与核酸相互作用 核酸是由许多核苷酸聚合而成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质 之一。核酸不仅是基本的遗传物质，而且在蛋白质的生物合成上也占重要位置， 在生长、遗传、变异等一系列重大生命现象中起决定性的作用，它可以与许多 化合物发生相互作用，进而影响到核酸的复制及断裂，稀土与核酸及其碱基的 作用机理及生物功能具有理论与现实意义。 涂华民等口】用n m r 谱研究了溶液中镧离子对苯丙氨酸转移核糖核酸结构 和构象变化的影响。研究表明l a 3 + 对t r n a p h e 亚胺质子范围的i h n m r 谱具有 特殊的影响，l a 3 + 引起t r n a 分子构象的交化并且导致一些谱峰向高场或低场 位移。 申治国埔l 等应用流式细胞术研究了稀土离子对大自鼠原代肝细胞和肝癌细 胞的影响。其结果表明，稀土离子可以增加原代肝细胞内d n a 含量，促进细 胞增殖，改变肝细胞周期时相，减少正常肝细胞凋亡，诱导肝癌细胞凋亡；钙 元素也能促进细胞内d n a 含量的增加，改变细胞周期时相。 黄德盈等凹探讨了b a l 3 1 核酸酶在无c a 2 + 体系中能否依赖稀土离子l a v , 从 两端降解线性d n a 分子，研究发现1 n m l o l l 的【a 3 + 能激活b a l 3 1 核酸酶，从 而快速酶解线性d n a 。表明了c a 2 + 并不是文献中所说的唯一能激活b a l 3 1 核酸 酶的离子，用液相色谱分别检测c a 2 + 、l a v - 体系的酶解产物，结果表明虽然后 山东大学硕士学位论文 者酶解c g 碱基对的速率只约为前者的6 0 ，但两体系对a t 碱基对的酶解速 度相近。 李枝等【1 川探讨了四种核苷酸及四种核苷与耐+ 相互作用的荧光光谱，发现 d n a 对t b ”的荧光增敏除与鸟嘌呤碱基有关外，还与磷酸基有关。进一步选择 了含有不同数目磷酸基的核苷酸g m p 、g d p 、g t p 及d g 研究磷酸基的作用， 其实验结果表明含有1 、2 、3 个磷酸基的g m p 、g d p 、g t p 三种核苷酸对1 分+ 的荧光增敏程度依次为g t p g d p g m p ，d n a 对1 妒+ 的荧光增敏是鸟嘌呤碱 基和磷酸基共同作用的结果。 1 1 2 3 稀土元素与酶的相互作用 当浓度较低时稀土元素对酶具有变构激活作用，而浓度高时对酶具有抑制 作用。作用位点大多在活性以外的变构位点，稀士金属离子与酶的变构位点结 合后，使酶的构象改变而影响酶的活性1 1 1 。李新民等习研究了镧、轧、镱及四 种配合物对c a 2 + a t p 酶活性的影响结果表明低浓度的l a 、g d 和y b 对肌质 网c a 2 + a t p 酶有激活作用，随着其浓度的增加，它们对酶活性的抑制程度增大。 李伟国【1 3 】研究了稀土离子及其离子配体对乳酸脱氢酶l d h 活性的影响，结果 表明稀土离子浓度小于3 p a n o f l 时对酶活性具有轻微的激活作用离子浓度增大 到6 1 a n o f l 后则开始表现出抑制作用。 稀土离子影响植物及微生物中的酶系。高永生等1 4 1 研究了盐胁迫下l a 3 + 对小 麦幼苗叶片抗氧化系统活性的调节作用，结果表明盐胁迫对小麦叶片造成了一定 程度的氧化伤害，适当浓度的k ，可促进小麦幼苗体内多种酶的活性，提高了盐 胁迫下小麦植株清除自由基的能力，减轻了盐分对小麦幼苗的伤害程度。张杰等 【1 5 1 以水稻种子为材料研究了稀土元素镧对水稻种子活力和幼苗生长的影响，结果 i j 1 - 2 0 m g l l a 5 + 处理能提高水稻种子的活力，提高蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的 活性，并能促进水稻茎、叶和根系的生长，当浓度超过3 0 r a c e 时，水稻种子萌 发和幼苗生长受到抑制。陈曦等【j 6 l 以体外培养的大鼠胰岛细胞为对象，利用放射 免疫检测技术、免疫组织化学技术及透射电镜观察低剂量p r c l 3 对胰岛b 细胞分泌 胰岛素功能的影响，当p r c b 浓度分别为0 0 1 和0 i m m o l l 时，培养液中胰岛素含 量及培养：f l 内1 3 细胞数目明显高于对照组，对体外培养的大鼠胰岛p 细胞分泌胰岛 素具有促进作用 山东大学硕士学位论文 稀土元素对细胞酶活性影响的规律性及其作用机理还有待迸一步研究。 1 1 3 稀土离子对微生物生长的影响 适宜浓度的轻稀土元素对微生物生长显著的刺激作用，但提高稀土元素的浓 度将对微生物的生长产生抑制作用，表现为菌落初生时问比对照延迟，菌落直径 减小。 陈声明掣1 。7 1 研究了九种浓度镧或钕的发酵液对棕色固氮菌3 4 2 菌株的海藻酸 发酵的影响，结果表明，两种稀土浓度都为1 0 0 p p m 时。能刺激其细胞生长、发 育和促进海藻酸的生成：抑制浓度分别大于2 0 0 和1 5 0 p p m 。其并在随后研究了不 同浓度的l a ? + 和n 护- 对红假单胞菌的细胞形态、生长、类胡萝卜素生成和固氮活 性的影响【嘲，结果表a 蝈l a c l 3 在2 5 和5 0 m g l 时对红假单胞菌的细胞生长有轻微刺 激作用；当浓度高于7 5 m g l 时有抑制作用，随浓度的提高而抑制作用增强，细 胞缩小；n d c l 3 在2 5 和5 0 m g l 时对该茵细胞生长有轻微抑制作用，高于7 5 m g l 时 抑制作用明显增强，细胞缩小。两种稀土元素在2 5 和5 0 m g l 时对该菌类胡萝h 素的生成有刺激作用，高于7 5 m g l 时则有抑制作用l a 3 + 在o - l o o m g l ，n d 3 + 在 o - 7 5 m g l 时对固氮酶活性有刺激作用，l a 3 + 年n n d 3 + 分别高于1 0 0 n l g ，l 和7 5 m g l 时 则有抑制作用，并随浓度的增高，抑制作用明显增强。 胡勤海掣1 9 1 通过实验室模拟培养试验，研究了稀土元素钐和钇对小球藻生长 的影响，结果表明，低浓度稀土元素在试验初期对小球藻的生长有刺激作用，随 着处理浓度的提高和处理时间的延长，小球藻的生长繁殖明显受到抑制。 葛新华等通过模拟培养实验，研究了不同质量浓度的稀土元素l a 3 + 和c e 3 + 对2 种产地的微囊藻以及月牙藻增殖的影响。结果表明：低质量浓度的【0 + 和c e ” 对2 种微囊藻的刺激作用明显大于对月牙藻的刺激作用。高质量浓度的& 卜和c e 3 + 对3 种藻均有抑制生长的作用。 王燕等【2 i l 研究了氯化亚铈对谷氨酸棒杆菌s 9 1 1 4 的生长及形态的影响。结果表 明，低浓度氯化驱钸在生长前期，对谷氯酸棒杆菌s 9 1 l 的生长有轻微的促进作用， 菌落和细胞大小略有增加；但随着处理浓度的提高和时间的延长，菌体的生长繁 殖受到抑制。当氯化亚铈浓度大于0 5 3 1 m m o l l 时，菌落和细胞明显变小，大部 分细胞的形态发生了改变。 山东大学硕士学位论文 1 1 4 稀土元素在农业上的应用研究 稀土元素在农业上的应用是近些年我国研究的重要课题之一。几十年来，我 国对稀土在农用技术、毒理卫生学、土壤学、植物生理学、农用分析以及农用产 品生产和应用等方面取得了丰硕成果。 研究表明，稀土元素对植物的一些主要生理活动都产生影响：在一定浓度范 围内，稀土元素能够促进土壤中微生物的生长并增强其活性，提高土壤的肥力水 平，改善土壤生态系统及其物质循环能力；促进作物的生长发育，增强作物的光 合作用及其中某些酸的活性，提高作物抗逆性，从而增加作物产量，改善产品品 质。薛爱芳等吲通过稀土微肥的不同配方及喷旅条件的选择，进一步考察了稀土 施用于魔芋的效果，并比较了在不同海拔高度对不同品种魔芋旄用的效果。试验 结果表明，魔芋施用稀土有一定的抗病、增产效果，为提高魔芋单产、改善品质、 抗病防害、增加效益提供了可靠的保证。于品华】在当归的盛叶期及根膨大期分 别喷施硼、锰及稀土微肥，结果表明，当归的单株产量及优质归率有显著的增加， 单株产量增幅达6 o 以上，尤以稀土微肥及硫酸锰的增产效应最为明显。 为合理使用稀土元素，我国学者在稀土元素的对农作物毒理性方面有一定的 探讨。张自立踟用欧洲经济合作发展组织提出的方法，在3 种土壤( 红壤、黄潮 土、黄褐土) 上进行了混合稀土( 浓度0 - 5 0 9 k g ) 对3 种作物( 水稻、油菜、大豆) 相对生长量影响的试验。从半效应浓度( e c 5 0 ) 值看，在供试条件下，混合稀土对 红壤上水稻和油菜以及黄潮土上大豆生长量的抑制作用较大，毒性相对也较强。 与h g ，c d ，p b ，a s 等重金属相比，混合稀土对作物的毒性很小。 1 2 好氧颗粒污泥技术的研究进展 好氧颗粒污泥的形成是微生物自凝聚( a u t o i m m o b i l i z a t i o n 或 s e l f - i m m o b i l i z a t i o n ) 的一种现象，自凝聚是是生物处理系统中，微生物在适当 环境条件下，相互聚合形成一种密度比较大，体积比较大，活住和传质条件都 比较好的微生物共生体颗粒的现象瞵】由于微生物本身具有凝聚或固定于其他 物体表面的能力，只要满足必要的条件，自凝聚现象会自然发生。微生物通过 自凝聚形成的生物颗粒是一种由不同菌种形成的密实颗粒，这些不同菌种在降 解成分复杂的废水中发挥着不同的作用。同传统的活性污泥相比，颗粒污泥具 6 山东大学硕士学位论文 有结构规则、密实、沉淀性能好等特点，这些特点可以使颗粒污泥具有高生物 裁留、耐高浓度废水、耐冲击负荷等特性。并为开发出高效、低耗的生物反应 器提供了可能条件。 1 2 1 影响好氧颗粒污泥形成因素 1 2 1 1 底物组成 迄今为止好氧颗粒污泥已经成功的在多种基质中培养出来p e n g 等跚以醋 酸钠为碳源在低溶解氧( o 7 - 1 o m 胡) 环境下培养出沉淀性能良好、颗粒直径 在o 3 0 5 m m 之间的好氧颗粒污泥。 r a y 等 2 7 1 分别以葡萄糖和醋酸钠为单一碳 源培养出了好氧颗粒污泥。k u i - z us u 等嘲利用大豆废水培养出了形态稳定的好 氧颗粒污泥。蓝惠霞等鲫等利用亚铵法制浆废水培养出了好氧颗粒污泥。 另外通过驯化其它基质培养出的好氧颗粒污泥，用于处理有毒物质时也可 以获得稳定的好氧颗粒污泥，如处理苯酚废水时【捌。 虽然在各种基质中都可以成功培养出好氧颗粒污泥，但是在不同基质中形 成的好氧颗粒污泥的微生物相是有区别的。例如，以葡萄糖为碳源培养出的好 氧颗粒污泥结构比较松散，以丝状菌为主；而以醋酸盐为碳源形成的好氧颗粒 污泥结构致密，以杆状菌为主【3 。 1 2 1 2c o d 负荷 相对较高的有机负荷可以促进u a s b 反应器中厌氧颗粒污泥的形成，而在 好氧颗粒污泥的研究过程中发现可形成好氧颗粒污泥的c o d 负荷变化范围较 宽，但好氧颗粒污泥的物理性质仍受有机负荷的影响。m o y 等p 2 1 研究了负荷为 6 、9 、1 2 、1 5 k g c o d m 3 d 对好氧颗粒污泥的物理性质的影响，发现低负荷条件 下形成的颗粒污泥则密度小、含水率高、沉降性能较差，但是高负荷下培养出 的好氧颗粒污泥的沉降性能较好，颗粒密实、含水率低。王芳等【3 3 】人也证实这 一观点，其在有机负荷分别为1 , 5 8 k g c o d m 3 d 和1 4 1 2 k g c o d m 3 d 的条件下培 养好氧颗粒污泥发现高负荷下培养出的好氧颗粒污泥的颗粒密实，而低负荷条 件下形成的颗粒污泥密度较小，并在运行后期出现了污泥膨胀的趋势。 山东大学硕士学位论文 1 2 1 3 水流剪切力 水流剪切力在好氧颗粒污泥的形成中起着关键作用，剪切力通过上升的水 流或者气流产生，好氧颗粒污泥的形成、结构以及生化特性都与流体剪切力有 着密切关系。t a y 等【3 4 j 研究了剪切力对好氧颗粒污泥的形成、结构和新陈代谢 的影响。结果表明水力剪切力对污泥中细胞多糖的产生、比耗氧速率、细胞表 面疏水性、比重等都有正影响并且只有当表面上升气速大于1 2 c i i l s 的条件下， 才能形成好氧颗粒污泥。c d ii a c 0 i l i 【3 5 j 等研究了在s b b r 反应器中水流剪切力 的计算方法，结果表明在s b b r 反应器中好氧颗粒污泥的生物量密度与水力剪 切力是线性增加关系。 1 工1 4 水力选择压及s b r 反应器沉降时问 在s b r 反应器中，废水通过交替的循环反应被处理，每个循环主要包括进 水、厌氧、沉淀、排水和闲置等过程。在每个排水前污泥混合液经过一定时间 的沉淀后上清液被排出反应器，污泥截留到反应器中。其中沉淀时间对s b r 反 应器中的微生物种群中起到了非常重要的水力选择压作用。选择压是最早用于 种群遗传学的术语，把种群内的选择作用和物理学上的压力相比，来表示种群 内的选择作用大小。q i n 等跚提出了在好氧颗粒污泥技术中“选择压”的概念。 研究了水力选择压对好氧颗粒污泥培养的影响。 在s b r 反应器中，短的沉淀时间意味着较快的沉降速度，所以短的沉淀时 间可以促使沉淀性能差的污泥不断被洗出，从而使得沉淀性能好的微生物得到 不断的生长。q i a 等口，1 研究了沉淀时间对好氧颗粒污泥形成的作用，研究表明 较短的沉淀时间对于改善细胞多糖的产生、细胞表面疏水性和细胞活性有重要 意义 1 2 1 5 反应器结构 反应器的类型与好氧颗粒污泥的形成有一定的关系，现阶段主要的反应器 为s b r 反应器，另外包括由s b r 演变的一些其它等反应器。b e u n 等口8 l 对相同 负荷、相同表面气体流速和和相同操作周期下，在s b a r ( s e q u e n c i n g b a t c h a i r l i f t r e a c t o r ) 反应器、s b r 反应器和b a s ( b a t c ha i r l i f ts u s p e m i o n ) 反应器中都形成 了好氧颗粒污泥。王荣昌等【3 9 l 在一种新型悬浮载体生物膜反应器培养出了好氧 8 山东大学硕士学位论文 颗粒污泥。 总结反应器的结构得出柱状上流式反应器最容易形成好氧颗粒污泥，这可 能因为柱状上流式反应器中的曝气和上流式进水使反应器内形成一个沿高度方 向的环流，这个环流将推动污泥运动并使其受到水流的摩擦作用，如果反应器 的高径比越大，环流的长度就越长，颗粒污泥受到的水流摩擦作用就越强，这 个摩擦作用将使颗粒污泥表面变得光滑并形成球型结构。然而在完全混合式反 应器内，由于是紊流状态，颗粒会受到不同方向的水流推力，其运动方向也变得 无规则并经常发生颗粒间的相互碰撞，在这样的环境里，无规则形状的絮状污泥 更易于形成【柚】。 1 2 1 6 其他因素 多种污泥都可形成好氧颗粒污泥，迄今为之，在普通的絮状活性污泥、以 降解c o d 为主的悬浮、不沉降的污泥及厌氧颗粒污泥都成功的培养出了好氧颗 粒污泥【4 ”。 水力停留时间也是好氧颗粒污泥形成的关键因素，反应器的水力停留时间 应抑制污泥的过量生长，又可使得污泥聚集。i h y 【4 2 1 分别在周期时间为2 4 h ，1 2 h ， 6 h ，3 h 条件下进行硝化细菌颗粒化的研究，发现当在周期时间为2 4 h 的条件下， 未发现污泥的颗粒化现象，而在周期时间为3 h 的条件下，硝化细菌被过量洗出。 但在周期时间为1 2 h 和6 h 条件下发现了硝化细菌的颗粒化现象。 1 2 2 好氧颗粒污泥的性质 1 2 2 1 好氧颗粒污泥的形态 通过显微观察，好氧颗粒污泥的形态与絮状污泥有很大区别，好氧颗粒污 泥是有着明显外形的球状体。颗粒污泥的粒径是表征污泥颗粒化的过程中重要 的参数。好氧颗粒污泥的平均粒径在o 。2 - 5 m m 左右，这主要是在较高的流体剪 切力作用下，污泥聚集生长和脱落达到一定平衡造成的。 1 2 2 2 沉淀性能 好氧颗粒污泥的沉淀性能决定着反应器中固液分离的效率，由于好氧颗粒 污泥呈密实的颗粒状存在，其s v i 值可达到5 0 m f g ，大大低于传统的絮状活性 山东大学硕士学位论文 污泥的s v i 值。好氧颗粒湾泥的沉降速率与其粒径有关。一般为3 0 7 0 m h ，而 传统的活性污泥的沉降速率为8 - 1 0 m h 。由此可见，好氧颗粒污泥有着良好的 沉降性能。沉降速度的提高，不仅可以缩短沉降的时间、减小沉淀池的体积， 而且可以提高反应器内微生物的浓度，微生物浓度提高可以获得较高的污染物 降解速率。从工程应用角度上看，沉淀性能良好的好氧颗粒污泥有着诸多优点。 1 2 2 3 密度和强度 好氧颗粒污泥的比重一般在1 0 0 4 1 0 0 8 左右。好氧颗粒污泥强度测定和表 示主要有两种方法：一是利用颗粒强度测定仪阮文权等【4 3 】利用颗粒强度测定 仪器测定好氧颗粒污泥所能承受的最大压力为2 3 2 3 6 n ，形变距离为1 2 5 0 m m 。 二是利用机械力对好氧颗粒污泥进行振动，然后通过测量水样的浊度进行间接 表征。j i a n g 等【“1 利用该法发现投加c a 2 + 反应器中好氧颗粒污泥经振动后的水样 浊度为3 3 0 + 1 4 n t u ，而未投加c a 2 + 反应器中的好氧颗粒污泥的水样浊度为6 7 1 8 n t u 。 1 2 2 4 比耗氧速率 比耗氧速率( s 0 u r ) 指单位重量的微生物在单位时间内消耗的氧气量， 它是评价污泥微生物代谢活性的一个重要指标。l i u 等嗍测得的接种污泥的 s o u r 值为1 8 3 2 9 0 2 m l s s d h ，而形成的好氧颗粒污泥的s o u r 值为 4 1 9 0 9 0 2 m l s s 1 h - 1 。 1 2 3 好氧颗粒污泥在污水处理的应用 由于好氧颗粒污泥具有高生物截留、高生物量、独特的微生物相、耐冲击 负荷等特性，其在中高浓度废水、难降解有机物、吸附重金属、脱氮除磷方面 的应用前景广阔。 1 2 3 1 处理中高浓度废水 王芳1 4 6 在高有机负荷下培养的好氧颗粒污泥相对于低有机负荷下沉降性能 较好，生物量大、颗粒密实、丝状菌少、颗粒稳定性较好，这些特点在对处理 中高浓度废水具有较大的优势。 2 0 0 5 年，s c h w 猢b e c k 4 7 l 等将好氧颗粒污泥应用于牛奶厂废水的处理， 山东大学硕士学位论文 为了使悬浮物能够更好的去除，处理过程加了二次沉淀过程，反应器的反应周 期为8 h ，换水体积率为5 0 ，此时c o d 去除率可以达到9 0 0 , 4 、t n 的去除率可 以达到8 0 ，p 的去除率可以达到6 7 ，出水c o d 值稳定在1 2 5 m g l 左右。 好氧颗粒污泥对中高浓度工业废水处理的工艺参数是好氧颗粒污泥的研究热 点 1 2 3 2 处理有毒及难降解有机物 含有难降解有机物的废水来源广、数量多、危害大，它的大量摊放给环境 带来了严重的污染，有害于人类健康及生物的生长繁殖。 蓝惠霞【4 町等针对亚铵法制浆中段废水的特点和好氧颗粒污泥工艺，提出了 采用好氧颗粒污泥工艺处理亚铵法制浆废水，并对其进行可行性分析。分析表 明，好氧颗粒污泥工艺在降解造纸中段水c o d 及n h 3 - n 方面具有明显优势 胁咀g 【4 9 l 发现在好氧颗粒污泥工艺中当进水中酚的浓度为5 0 0 m g l 时，好氧 颗粒污泥反应器的出水中酚的浓度可以稳定在不超过0 2 m g l 。1 5 0 1 在将酚按 0 、0 6 、1 2 、2 4 k g m 3 d 加入到好氧颗粒污泥，分析发现在0 - 1 2 k g m 3 - d 时酚对 好氧颗粒污泥无明显毒性，且对酚的去除效率较高。 蓝惠刮副】等利用厌氧污泥作为接种污泥，用五氯苯酚驯化并培养出好氧颗 粒污泥，其对五氯苯酚的去除率达到8 1 3 。 好氧颗粒污泥由于独特的结构，其颗粒中大量微生物较少接触到与废水中 一样高浓度的有毒有害物质，可减少有毒物质对其的危害。 1 2 3 3 吸附重金属离子 许多工业废水中含有重金属，其若排放到水体中去，则会给环境造成严重 的危害，重金属的去除是生态环境的重要研究领域，传统的处理方法大多采用 物理化学方法，如化学沉淀法、离子交换法吸附法、电解法、氧化还原法等， 但它们具有运行费用高，沉降速度慢，能耗大等缺点，近年来新兴的生物处理 方法由于原材料来源丰富、成本低，不仅吸附设备简单而且具有吸收速度快吸 附量大选择性好等优点，己较快的应用到重金属去除上生物吸附法就是利用 某些生物体本身的化学结构及成分特性吸附溶于水中的金属离子，通过固液两 相分离来去除水溶液中金属离子的方法【5 2 1 。 山东大学硕士学位论文 l i u 掣 】把好氧颗粒污泥作为锌的吸附剂，研究表明好氧颗粒污泥可以有 效的吸附z n 2 + ，并且可以应用于其它重金属的去除。2 0 0 3 年t a y 【 j 、l i u 5 5 5 6 1 等系统的研究了好氧颗粒污泥的多孔结构，并将它作为生物吸附剂吸附重金属 离