（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究.pdf

好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究摘要以一类细菌胞外多糖物质一细菌藻酸盐为研究对象，对好氧颗粒污泥中的细菌藻酸盐进行了提取和鉴定，采用紫外一可见光谱、红外和拉曼光谱、核磁共振谱、质谱、x 衍射、原子力显微镜、钌红染色一扫描电镜和透射电镜观察等先进的现代仪器分析技术，对好氡颗粒污泥细菌藻酸盐提取物的分子结构、特征基团、结晶度、超分子自组装特性等进行了全方位的剖析，证实细菌藻酸盐在好氧颗粒污泥中的含量可达到3 5 1 。它们化学测定式为c 6 h l o o 科8 ，是非结晶的、聚甘露糖醛酸残基和聚古洛糖醛酸残基比值为0 8 5 、部分0 乙酰化的、分子量较小的藻酸盐寡糖的混合物，是细菌藻酸盐裂合酶作用的产物。细菌藻酸盐提取物在c a 2 + 离子的诱导下可以发生分子自组装，聚集体由无规分布、粒径较小的球状体( 平均粒径5 0 r i m ) 向有序的三维网状体( 平均粒径 1 0 u m ) 转变。藻酸盐提取物与f e 3 + ，c a 2 * 和c u 2 + 等金属离子作用形成凝胶颗粒。它们具有与好氧颗粒污泥相近的比重和沉降速度。藻酸盐一金属凝胶构成了好氧颗粒污泥的骨架，在很大程度上决定着颗粒的形状、粒径、比重和沉降速度。钌红染色一扫描电镜和透射电镜多糖原位可视化研究表明，细菌藻酸盐在好氧颗粒污泥中广泛分布，以凝胶形式存在。它们的分子自组装特性不仅使污泥表面负电荷量下降、密度增加，粒径增大，而且显著提高了污泥的沉降速率，并使颗粒污泥的含水率远低于活性污泥的含水率，改善了污泥的沉降性能，提高了泥水分离能力。在好氧颗粒污泥中丝状菌大量增殖的时期，细菌藻酸盐凝胶核心的存在对于中制丝状菌膨胀现象的出现起到了重要作用。在综合分析细菌藻酸盐提取物的特性和对颗粒形成的作用的基础上，提出了好氧颗粒污泥以细菌藻酸盐为骨架的形成机制，即s b r 颗粒污泥反应器的周期性贫营养阶段诱导细菌藻酸盐的分泌，产生的细菌藻酸盐经异构酶和裂解酶作用后，成为含有一定量聚古洛糖醛酸残基的寡糖，在反应器中c a 2 * 等金属离子的诱导下，通过分子自组装最终形成细菌藻酸盐金属凝胶，使好氧颗粒污泥成为以细菌藻酸盐一金属凝胶为骨架的自固定化载体。微生物学研究方面，确立了好氧颗粒污泥中定量测定芽孢含量的方法，发现颗粒污泥干重的3 3 7 为芽孢。通过定性测定好氧颗粒污泥对不良环境的耐受力以及环境条件改善后活性的恢复与芽孢萌发的关系，证明了大量存在的芽孢增强了好氧颗粒污泥耐受低温、高温高压、紫外线的能力，是一种潜在的生命力。利用微生物学技术从好氧颗粒污泥中筛选出优势菌种，培育出纯培养好氧颗粒污泥。通过种属鉴定，证明蜡样芽孢杆菌具有分泌细菌藻酸盐，并形成好氧颗粒污泥的能力。纯培养好氧颗粒污泥具有与s b r 反应器中形成的好氧颗粒污泥相似的特性：规则的形状、密实的结构和良好的沉降性能。表现为s v i3 4m l g - l ，沉降速率1 8 - 3 9 m k 1 ，比重1 0 3 7 ，平均粒径0 1 l m m ，比耗氧速率2 8 3 m 9 0 2 g d h - 1 。对纯培养颗粒污泥中细菌藻酸盐的提取和分析不仅首次发现蜡样芽孢杆菌可以产生细菌藻酸盐，而且从微生物学方面证实了好氧颗粒污泥以细菌藻酸盐为骨架的机制。并将芽孢含量和细菌藻酸盐作为两个新的参数用以描述好氡颗粒污泥的特性。最后，将好氧颗粒污泥中藻酸盐的提取、鉴定和分析方法扩展到生物膜、活性污泥和厌氧颗粒污泥，发现这些微生物聚集体与好氧颗粒污泥一样，都含有一定量o - 乙酰化的藻酸盐寡糖的混合物。证实微生物聚集体中有很大一部分胞外糖类物质是分子量很小的寡糖，澄清了目前环境工程领域中认为胞外糖类聚合物都是高分子多糖的观念。关键词：好氧颗粒污泥；胞外多糖：细菌藻酸盐；纯培养颗粒污泥；蜡样芽孢杆菌。s t u d i e so nb a c t e r i a la l g i n a t e si na e r o b i cg r a n u l e sa b s t r a c tb a c t e r i a la l g i n a t e sw e r ee x t r a c t e df r o ma e r o b i cg r a n u l e s , i d e n t i f i e db yf a om e t h o d sa n dc h a r a c t e r i z e db yu v v i s i b l es p e c t r o s c o p y , i n f r a r e ds p e e 扭o s e o p y , s o l i ds t a t en u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r o s c o p y , m a s ss p e c t r o m e t r y , p o w d e rx - r a yd i f f r a e t o m e t r y , a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ,t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ya n de l e m e n t a lc o m p o s i t i o n a a g i n a t ec o n t e n ti na e r o b i cg r a n u l e si sd e t e r m i n e da s3 5 1 m gs o d i u p aa l g i n a t e gs s t h ee x t r a c t e db a c t e r i a la l g i n a t e sa r em i x t u r e so fp a r t i a l l y0 一a c e ! t y l a t e x l o l i g o s a c c h a d d e s 、；v i mm gr a t i oo 8 5 u n d e rt h ei n d u c e m e n to fc a c l 2 ，t h e yd e m o n s t r a t ed i f f e r e n tc o n f o r m a t i o n su n d e ra t o m i cf o r c em i c r o s c o p ya n a l y s i s ，t r a n s f e rf r o mr a n d o m l yd i s t r i b u t e dg l o b u l e s ，t or o d - l i k ea n df l o w e r - s h a p e da g g r e g a t i o n s ，f i n a l l yt oo r d e r e dw e b l i k en e t w o r k sa st h e i rc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s e d t h e ya r ec a p a b l eo ff o r m i n gg e lb e a d sw h e nd r o p p e di nm u l t i p l ec a t i o nm e m ls o l u t i o n s r u t h e n i u m 戚s t a i n i n gw a sa d a p t e di nt h es t u d yo ne x t r a c e l l u l a rp o l y s a e e h a r i d e sd i s t r i b u t i o ni na e r o b i cg r a n u l e s b o t hs e ma n dt e mo b s e r v a t i o n sm a n i f e s t e dt h ee x i s t e n c eo fw e b l i k ea l g i n a t eg e l t h es e l f a s s e m b l yp r o p o a yo fb a c t e r i a la l g i n a t em o l e c u l e sh a sp o s i t i v ee f f e c t0 1 1i n c r e a s i n gg r a n u l e s s p e c i f i cg r a v i t y ,p a r t i c l es i z ea n ds e t t l i n gv e l o c i t y 1 1 kb a c t e r i a la l g i m t eg e lm a t r i xi nt h ea e r o b i cg r a n u l en o to n l yc o n t r i b u t e st oi t si m p r o v e ds e t t e a b i l i t ya n de n h a n c e ds o l i d l i q u i ds e p a r a t i o nc a p a c i t y , b u ta l s oo f f e r sb a c t e r i at h es 锄ei n h a b i t a n c ya n dp r o t e c t i o na st h en 珀n m a d ea l g i n a t ei m m o b i l i z a t i o n sd o d u r i n gt h ep e r i o do ff i l a m e n t sp r o p a g a t i o n ,t h i sa l g i n a t em a t r i xa i d si nk e e p i n gh i 曲s e t t l i n gv e l o c i t ya n dp r e v e n t ss l u d g eb u l k i n g ap r o c e d u r ef o rs p o r eq u a n t i f i c a t i o ni na e r o b i cg r a n u l e sw a sd e v e l o p e d s p o r ec o n t e n tw a sd e t e r m i n e db ya n a l y z i n gd i p i e o l i n i ca c i d ( d p a ) e x t r a c t e df r o ma e r o b i cg r a n u l e s r e s u l t ss h o wt h a td p ac o n s t i t u t e s3 3 7m gp e rgs s ，m e a n i n gt h a ta b o u t3 3 7 m gp e rgs sw e r es p o r e s ，n o tt h en o r m a lv e g e t a t i v ec e l l s a e r o b i cg r a n u l e sc o u l dr e c o v e rt h e i rm e t a b o l i s ma c t i v i t yi nav e r ys h o r tt i m ea f t e rs t e r i l i z e da t1 2 1o c1 5 p s ii i if o r1 5 r a i n s ；f i o z e na t 2 lo cf o rt w ow e e k sa n de x p o s e dt ou vz i g h t ( 3 0 w ) w i t h i nt h ed i s t a n c eo f3 0c mf o r1h o u r , f o rt h el a r g ea m o u n to fs p o r e se x i s ti nt h ea e r o b i cg r a n u l e , w h i c ha l em o r ec a p a b l et os u s t a i nt h es e v e rc o n ( i f i o n st h a nt h en o r m a lv e g e t a t i v ec e l l s 1u r ec u l t u r ea e r o b i cg r a n u l e s , w i t ho u t s t a n d i n gl o ws v i ，h i g l ls e a l i n gr a t ea n ds p e c i f i cg r a v i t y ，w e r es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yc u l t i v a t i n gt h es t r a i ns e l e c t e df r o mt h em i x e dc u l t u r ea e r o b i cg r a n u l e s ，i ns h a k i n ge r l e n m e y e rf l a s kb ys e q u e n c i n gb a t c hw a y t h es w a i nw a sp h e n o t y p i c l y , b i o c h e m i c a l l ya n dg e n o t y p i c l yi d e n t i f i e db e l o n g i n gt ob a c i l l u sc e f e 埘a w i t ht h ea e r o b i cg r a n u l ef o r m a t i o nc a p a b i l i t ya n dp o p u l a r i t yi nt h ee n v i r o n m e n t , t h eg e n u sb a c i l l u sc e r e u sai sr e q u i r e dm o r ea t t e n t i o ni nb 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 td o m a i n i n v e s t i g a t i o n so nb a c t e r i a la l g i n a t ee x t r a c t e df r o mp u r ec u l t u r ea e r o b i cg r a n u l e sp r o v et h a ta l g i n a t eg e li st h em a i nc o m p o n e n to f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e b a c t e r i a la l g i n a t e sw e r ea l s oe x n f a c m df i o ma c t i v a t e ds l u d g ea n db i o f i l mc u l t i v a t e di ns b r , a n da n a e r o b i cg r a n u l e s r e s u l t ss h o wt h a ta c t i v a t e ds l u d g e ，b i o 矗t m , a n da n a e r o b i cg r a n u l e sa l lc o n t a i no e l t a l na m o u n to fb a c t e r i a la l g i n a t e s s i m i l a rw i t ha e r o b i cg r a n u l e s ，b a c t e r i a la l g i n a t e se x t r a c t e df z o mt h e ma r ea l s oo - a c e t y l a t e do l i g o s a c c h a r i d e sb l e n d s , w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tb a c t e r i a la l g i n a t e sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nb i o - a g g r e g a t i o n s r e s u l t so fb a c t e r i a la l g i n a t e sc h a r a c t e r i z a t i o n , s p o r ec o n t e n ti n o o d u c t i o na n db a c i l l u sc e r e u sa l g m a 钯s e c r e t i n gp r o p e r t yw i l lt h r o wl i g h to na e r o b i cg r a n u l e sf o r m a t i o nm e c h a n i s mi n v e s t i g a t i o n s k e y w o r d s ：a e r o b i cg r a n u l e s ；e x t r a e e l l u l a rp o l y s a c c h a r i d e s ；b a c t e r i a la l g i n a t e s ；p u r ec u l t u r ea e r o b i cg r a n u l e s ；b a c i l l u sc e r e u sa独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得日研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包名其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获雀逵! 翅邈直墓丝置噩挂型虚明鳆：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证二f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f 1了明确的说明并表示谢意。兰竺兰! 竺兰燮壁垒兰三三竺丑三一竺三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，有权保窿并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，瓦以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文刁解密后适用本授权书)学位论文作者签名：谚l 跃芬签字日期：沙7 年6 , e ly 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：邮编一日也饼月，6年纱节1 舻字斯签日师字导签好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究1 绪论1 1 好氧污泥颗粒化技术污泥颗粒化是微生物细胞之间通过生物、物理、化学及外界环境条件的作用，不需要添加任何载体的、自身固定的种特殊形式。颗粒污泥具有丰富的微生物相和较高的生物量，可分为厌氧和好氧颗粒污泥两大类。自2 0 世纪8 0 年代，厌氧颗粒化技术已经在许多污水处理厂中应用【1 埘。国内外学者们已成功证实了u a s b 反应器及其多种变型在去除有机物上的可行性和高效性【3 5 l 。基于厌氧颗粒污泥的成功开发与应用，近l o 年来，研究人员已转向开发好氧颗粒污泥技术 6 , 7 , 8 1 ，该技术尝试结合好氧微生物的高效氧化特性与厌氧消化处理系统中厌氧颗粒污泥的高生物浓度和良好沉降性能，是一种新型污水处理工艺。好氧颗粒污泥是生物处理系统中微生物在适当生活环境下相互聚合，形成传质条件好、生物活性高和沉降性能好的一种宏观粒状絮凝体。好氧颗粒污泥首次报道是在好氧连续流污泥床( a u s b ) 反应器中形成的 9 1 ，但运行条件苛刻，需纯氧曝气。自1 9 9 7 年起，国内外学者利用序批式反应器( s b r ) 成功培养出好氧颗粒污泥【l o 1 1 ，埘，用于处理含有机物、氮、磷等的高浓度废水，同时也用于有毒废水的处理。与传统活性污泥絮体相比，好氧颗粒污泥的优点可以归纳为以下几个方面：( 1 ) 好氧颗粒化可提高污泥沉降性能，从而降低对沉降系统的要求。( 2 ) 微生物形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，有利于形成细菌生长的生理生化条件，并利于有机物的降解。( 3 ) 颗粒污泥良好的沉降性能可以防止污泥流失，保持反应器中高的污泥浓度。( 4 ) 能承受较高的容积负荷及负荷冲击，具有高负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性【1 3 l ，从而使反应器具有很高的处理效能。因而，可减少反应器体积及占地面积，减少一定的投资，在经济方面具有重要的意义。与较先进的生物膜工艺相比，颗粒污泥的形成无需填加载体，而且具有更高的抗冲击能力。因此，好氧颗粒污泥反应器的出现将极大地改变传统工艺的运行6好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究和分离模式，推动活性污泥技术的新发展。1 2 好氧颗粒污泥技术研究概况1 2 1 好氧颗粒污泥的形成好氧颗粒污泥是在好氧条件下形成的具有规则形状、致密结构的微生物聚集体。早期的研究主要在连续流的上流式污泥流化床反应器( a u s b ) 中进行，需要在培养过程中添加污泥载体，如d eb e e r 等对硝化细菌，尉h u i s 等和v a nb e n t h u m 等对好氧异养菌进行的研究f 悼阍。因此，好氧颗粒污泥的形成被认为是生物膜的一种特殊形式【嘎1 7 1 。每一个好氧颗粒污泥都可以视为一个微生态系统，包含着数以万计的微生物个体。近年来，几乎所有好氧颗粒污泥的培养都是在序批式反应器( s b r ) 中进行的。 r a y 等利用显微镜技术对活性污泥形成好氧颗粒污泥的过程进行观察。好氧颗粒污泥分别在以葡萄糖、醋酸钠为主要碳源的两个s b r 反应器中进行培养。通过观察发现，接种的活性污泥结构松散且不规则，丝状微生物占主导。运行一周后，致密的微生物絮体开始出现，在以醋酸钠为底物的反应器中丝状菌逐渐消失。两周后，好氧颗粒污泥在两个反应器中均能形成。以醋酸钠为底物的颗粒污泥中，丝状菌则完全消失，但在以葡萄糖为底物的颗粒污泥中丝状菌仍占优势。运行三周后，两种类型的好氧颗粒污泥均趋于成熟。与以醋酸钠为碳源的颗粒污泥相比，葡萄糖为底物的颗粒污泥由于丝状菌的存在，表面结构蓬松。扫描电子显微镜的观察进一步表明，好氧颗粒污泥的形成是从接种污泥到致密的微生物絮凝体，进一步发展为初期的小颗粒状污泥，最后再发展为成熟颗粒污泥的渐迸的过程。1 2 2 好氧颗粒污泥的特征和结构1 2 2 1 颗粒污泥的物理特征好氧颗粒污泥的颜色多为橙黄色、棕色、灰褐色，也曾发现过白色 1 8 , 1 9 2 0 ；外观呈规则的球形或椭球形，成熟的颗粒污泥表面边界清晰，平均粒径多在0 2 5 0 m m 2 1 1 。这主要是由于作用于s b r 系统中较强的水力剪切力造成微生物生长与摩擦洗脱平衡所致0 2 2 2 。粒径是好氧颗粒污泥的一个重要特征参数，而水力剪切力在很多情况下被认为能够控制生物固体的优势尺寸矧。在显微镜下可观7好氟颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究察到颗粒污泥表面有一些大小不一、形状不规则的孔状结构，一般认为此结构为底物与营养物质传递的通道，也有利于溶解氧向内部的扩散。直径较大的颗粒污泥由于营养物质不能有效进入内部，内部细胞容易自溶形成空腔，使颗粒污泥易于破裂而形成小粒径的污泥碎片。好氧颗粒污泥的密度一般在1 0 0 4 1 0 6 5 9e m - 3 i s , 1 1 , 1 7 1 。污泥体积指数( s v i )一般低于5 0 m lg - i , 这相对于活性污泥絮体要低得多。颗粒污泥的形成极大改善了污泥的沉降性能，从工程角度考虑，这能使后续沉降系统得以减容。颗粒污泥沉降速度与其粒径、密度密切相关，一般在3 0 - 7 0 mk 1 之间。而u a s b 反应器中厌氧颗粒污泥的沉降速度在2 0 9 - 4 5 6 mh - 之问f 2 4 l 。活性污泥絮体的沉降速度一般为8 - 1 0 mh - i 。好氧颗粒污泥较高的沉降速度能使反应器承受较强的水力负荷，而不必担心污泥生物体的洗脱 2 5 , 2 0 1 。因此，好氧颗粒污泥化能使反应器中生物量浓度大大增加。从而增强反应器的处理能力和稳定性。高生物量浓度能确保污染物的快速转化、单位体积处理效率增加，从而减少反应器的占地面积。好氧颗粒污泥的物理强度是用强度系数表示，定义为：在2 0 0 r p m 下的摇床中震荡5 m i n后剩余颗粒污泥与总重的比值。以葡萄糖、醋酸钠为碳源的好氧颗粒污泥，强度系数高于9 5 2 5 1 。1 2 2 2 颗粒污泥的化学特性细胞表面疏水性是细胞间聚集和凝聚的重要亲和力【2 7 捌。细胞疏水性在好氧颗粒污泥形成中的作用尚不十分清楚。l i u 等】把异养、硝化颗粒污泥的形成与细胞表面疏水性相联系。好氧颗粒污泥的疏水性要比传统污泥絮体的高两倍多。在环境工程领域，微生物活性由比耗氧速率( s o u r ) 表征。文献报道的好氧颗粒污泥比耗氧速率值有较宽的范围( 2 0 1 0 0 m 9 0 2 g 1 h - 1 ) 0 0 , 2 5 , 3 0 1 。研究发现s o u r 值随水力剪切力的增加而增加，很显然，水力剪切力在很大程度上能够刺激微生物的呼吸速率【2 5 1 。但发现好氧颗粒污泥的s o u r 值与s b r 系统中水力选择压( 即沉降时间) 呈逆相关p 。这表明微生物为适应水力选择压的变化而试图改变其代谢途径。1 2 2 3 颗粒污泥的微观结构及生物种群的多样性在废水生物处理系统中，研究颗粒污泥的微观结构及多样性对于综合了解微生物种群至关重要。然而，此项研究非常复杂，在好氧颗粒污泥的生态系统中尤8好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究为如此。激光共聚焦显微镜技术已经被用于好氧颗粒污泥微观结构的研究 3 2 邓, 3 4 , 3 5 。在距好氧颗粒污泥表面7 0 - 1 0 0 1 z m 处发现专性好氧氨氧化微生物n i t r o s o m o n a ss p p ，且发现在好氧颗粒污泥表面有许多孔道穿透至距其表面9 0 0 t t m 处p 2 , 3 3 1 。这些孔道的存在有利于氧气、营养物质的扩散及代谢产物的排出。在距好氧颗粒污泥表面8 0 0 9 0 0 m 处能检测到厌氧微生物b a c t e r o i d e a 孵存在【3 珂。因此，为了充分发挥好氧颗粒污泥中微生物的作用，最优直径应该小于1 6 0 0 p m 。硝化微生物菌群主要位于距好氧颗粒污泥表面7 0 1 0 0 p m 处 3 2 1 。最近，l i u等3 q 报道在较高n c o d 比下，好氧颗粒污泥的结构类似蘑菇状。由于硝化细菌生长较慢，硝化颗粒污泥的蘑菇结构可能源于其对营养基质的需求。通过分子生物学技术，已经研究了好氧颗粒污泥微生物种群的多样性1 3 2 , 3 4 ,3 7 ，3 8 溯。在不同条件下培养的好氧颗粒污泥中，已发现硝化、反硝化、聚磷、聚糖原等微生物菌群的存在。微生物菌群的多样性与培养好氧颗粒污泥的进水基质密切相关。在好氧颗粒污泥中心发现有厌氧微生物及死微生物细胞体的存在口甜。厌氧微生物的存在可能导致有机酸和气体的产生，破坏或减弱好氧颗粒污泥的稳定性。1 2 3 影响好氧颗粒污泥形成的因素好氧颗粒污泥是生物处理系统中微生物通过相互作用而形成的一种宏观颗粒状絮凝体。微生物自身具有凝聚或固定于物体表面的特性，但必须在外部条件的诱导下这种现象才能发生。几乎所有的好氧颗粒污泥的培养都是在s b r 反应器内进行，说明s b r 反应器的运行模式适合好氧颗粒污泥的培养，但这并不是充分条件，形成好氧颗粒污泥还有许多其它因素。1 2 - 3 1 影响好氧颗粒污泥形成的物理因素1 2 3 1 1s b r 系统序批式进水方式s b r 系统每个运行周期包括进水、曝气、沉淀和排水四个阶段。间歇性的进水方式导致贫营养状态在每个运行周期内发生【研。在贫营养状态下，微生物细胞能够改变表面特性，使表面变得更加疏水，细胞间的粘附作用增强。作为抵抗饥饿的一种方式，微生物形成聚集体。t a y 等发现细胞表面疏水性与贫营养状态9好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究的时间正相判叼。因此，贫营养状态是影响好氧颗粒化的一个关键性因剥2 9 】。s b r 系统提供的是周期性贫，富营养交替状态，有利于细菌胞外聚合物的分泌，促进颗粒状絮凝体的形成【柏l 。最近，m c s w a i n 等开发了一套通过间歇进水增强好氧颗粒化的运行方案：即在s b r 系统中采用不同的进水时间来改变贫富营养交替的循环周期，发现s b r 反应器中脉冲式的迸水方式有利于好氧颗粒污泥的形成【4 1 1 。然而，尽管s b r 系统中周期性贫、富营养交替对好氧颗粒污泥的形成具有一定作用，但其它运行条件也不可忽略。1 2 3 1 2 水力剪切力在s b r 反应器中，水力剪切力主要由上升的气流所提供。研究表明，水力剪切力的强度与好氧颗粒污泥的形成及稳定性密切相关1 4 2 。t a y 等报道，当表面气体上升流速( o 0 0 8 m s ) 较低时，在s b r 反应器中未观察到颗粒污泥的形成嗍。相反，在较高的表面气体上升流速( 0 0 2 5 m s ) 下，则能培养出规则、致密的好氧颗粒污泥。b e u n 等也认为较低的气体上升流速不利于好氧颗粒污泥的形成。事实上，水力剪切力在生物膜及厌氧颗粒污泥的形成中都是关键的影响因素。在生物膜系统中，较高的水力剪切力会促进生物膜的形成。而当水力剪切力较弱时，生物膜则会不均匀、多孔且脆弱 4 3 4 4 1 。好氧颗粒污泥的密度、强度也与水力剪切的强度呈正相关瞵】。因此，可以推断好氧颗粒污泥的结构主要取决于反应器所应用的水力剪切力。t a y 等报道颗粒污泥中胞外多聚物的产量与水力剪切力的强度也密切相关，而其产量又进而影响好氧颗粒污泥的稳定性 4 5 1 。同时，也发现胞外多聚物中多糖与蛋白质的比值随剪切力的增加而增加。实际上，由水力剪切力所诱发的胞外多聚物产量早在生物膜系统中就有过报道。1 2 3 1 3 沉淀时问与水力停留时间在s b r 系统每个运行周期末，即排水前必须设有生物体沉降的时间。沉降时间也是好氧颗粒污泥形成的一个决定性因烈4 6 1 ，对微生物具有选择作用。通过选择适当的沉降时间，使难沉降的细小絮状分散污泥被洗出，而沉降速度高的微生物沉至排水口以下，在反应器中不断积累，积压成层，在一定剪切力的作用下形成性能良好的颗粒污泥。如果沉降时间太长，丝状菌等絮状菌体也在反应器中积累，颗粒污泥难以形成，结构松散、密度小、沉降及稳定性差的絮体胶团可能在反应器中出现。沉降时间太短，大量未及时沉降的细小颗粒流失，反应器中1 0好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究生物量增加缓慢，颗粒化进度变慢。q i n 等报道，在s b r 反应器中，好氧颗粒污泥仅在沉降时间为5 m i n 时能成功培养且占优势，而在沉降时间为2 0 m i n 、1 5 m i n和1 0 m i n 时，反应器中为颗粒污泥与絮状污泥的混合物1 3 1 1 。这些发现表明，好氧污泥颗粒化受作用于微生物群的选择压所驱动，且好氧颗粒污泥的形成和特性可以通过控制选择压而控制。因此，最优沉降时间的选择在好氧颗粒化过程中非常重要。在好氧颗粒化过程中，轻的、分散的污泥会被洗脱，而比重相对较大的颗粒污泥会停留在反应器内。s b r 系统循环的周期代表污泥固体随出水排放的频率，即洗脱频率，这与水力停留时间( m 江) 相关。较长的水力停留时间会降低悬浮、絮状污泥的洗脱频率，从而抑制颗粒污泥的形成。然而，如果水力停留时间过短，会导致大量污泥流失，从而致使颗粒化失败。因此，水力停留时间应短至能抑制反应器内絮状污泥的生长，但又足以使反应器内有大量微生物停留。1 2 3 1 4 反应器构型目前，大部分好氧颗粒污泥的培养都是在柱形上流式反应器中进行反应器构型对水体流动方式和微生物聚集体都有较大影响嘲。对于水流与微生物聚集体之间的相互作用，柱形上流式反应器的水力条件不同于完全混合曝气池。柱形反应器中，上升的气流或水流能产生相对均一、以反应器轴线为中心的涡流，且反应器内的微生物不断受到水力摩擦作用。这就迫使微生物聚集体最终形成表面自由能最低的颗粒污泥。在柱形反应器中，高径比( h m ) 较大时能够确保更长的流体轨道，从而为微生物聚集体提供更有效的水力摩擦。然而，在完全混合曝气池中，流态复杂，污泥絮体随水体流动方式随机向各个方向运动。水力剪切力、流体轨道及微生物絮体所受的摩擦力也在随机改变，且较复杂。在这样的环境条件下，仅能偶然形成形状不规则的、少量的颗粒污泥【1 2 ：l 。在实践应用中，当s b r反应器具有较高的h d 比时，利于通过污泥在沉降速度上的差别来增强对颗粒污泥的选择作用。同时，高的h d 比也能减少反应器的占地面积。1 2 4 影响好氧颗粒污泥形成的化学因素1 2 4 1 废水成分与浓度近年来，国内外学者们分别以葡萄糖、醋酸钠、乙醇、苯酚及复合成分废水好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究作为底物均能成功培养出好氧颗粒污泥【6 ，t 8 , 1 8 , 2 5 4 7 4 8 】。然而。微生物的微观结构和种类与进水基质有关。以葡萄糖为底物的好氧颗粒污泥，丝状微生物占优势。而醋酸钠为底物的则以杆状菌为主体，且结构相对致密。由氨氮和无机碳为底物可以培养出硝化颗粒污泥，且具有高效脱氮能力 3 7 删。最近，研究者们也报道了在实验室规模的s b r 反应器中，用富含有机颗粒物的废水、奶制品废水培养好氧颗粒污泥的成功实例 4 9 , 5 0 l 。因此，可以推断好氧颗粒污泥的形成与底物种类没有必然关系。进水有机负荷率或基质浓度在厌氧颗粒污泥形成中的关键作用已得到认可。相对高的有机负荷率利于u a s b 反应器中厌氧颗粒污泥的形成。相对于厌氧颗粒污泥的形成，研究证明好氧颗粒污泥的形成对有机负荷的敏感性不同于厌氧颗粒污泥。尽管有机负荷率对于好氧颗粒污泥的形成没有重要影响，但却很大程度上决定其物理特性。当有机负荷率从3 9l 1 d 1 增至9 9l 1 d 1 ，好氧颗粒污泥的平均直径随之由1 6 r a m 交化至1 9 r a m t 5 1 1 。好氧颗粒污泥的强度随着有机负荷率的增加呈降低趋势【4 酗。1 2 4 2 溶解氧、p h 值和温度溶解氧( d o ) 浓度是影响好氧生物处理系统运行的一个重要参数。p e n g 等在溶解氧浓度为0 7 - 1 o m g l 。1 的条件下形成好氧颗粒污泥【刀。此外，t a y 等和y a n g等在溶解氡浓度大于2m g l 1 时也成功培养出好氧颗粒污泥1 2 5 ，4 8 1 。可见，d o 浓度对好氧颗粒污泥的形成不是关键性的参数。p h 值和温度对于好氧颗粒化的影响至今尚未有相关报道。但大量的研究工作表明好氧颗粒污泥对p h 值和温度远不如厌氧颗粒污泥敏感。1 2 4 3 细菌胞外多糖在研究颗粒污泥形成生物化学条件时，众多的学者都提出了细菌过量分泌胞外多糖，是关键的化学条件。通过s e m 观察，t a y 和t s u n e d a 提出胞外多糖将细菌粘合在一起，是颗粒污泥形成的骨架期。t a y 等人测得好氧颗粒污泥中细菌胞外多糖的分泌量至少是活性污泥中细菌胞外多糖分泌量的2 倍 2 5 1 。w a n g等人使用特异性荧光染色剂c a l c o f l u c o rw h i t e 对颗粒污泥进行染色，并用激光共聚焦显微镜观察，发现以醋酸钠为底物培养的颗粒污泥中存在大量b d 吡喃型葡萄糖残基。颗粒污泥的结构是内部松散，外层包裹厚度是2 0 0 3 0 0i lmb - d -1 2好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究吡喃型葡萄糖残基【铷。c h e n 等人使用四种荧光染色剂对污泥颗粒染色，得到污泥颗粒内细菌、胞外蛋白质、胞外n 和b - d 吡喃型葡萄糖残基的分布数据【跏。他们发现由醋酸钠作底物培养的颗粒污泥，颗粒中心由蛋白质和1 3 d 吡喃型葡萄糖残基组成，而细菌和a d 吡喃型葡萄糖残基在颗粒外层积累。由苯酚作底物培养的颗粒污泥则主要由蛋白质组成，细菌、a 和b - d 毗喃型葡萄糖残基则分布在表面丝状细菌聚集层。上述研究结果证明了颗粒污泥的形成过程中，细菌分泌大量胞外多糖，多糖残基组成具多样化特性，这些多糖在颗粒污泥的形成过程中起到了黏附和聚集的作用。1 2 5 影响好氧颗粒污泥形成的生物因素在厌氧颗粒化过程中，有研究表明接种污泥的特性很大程度上影响厌氧颗粒污泥的形成及特性。好氧颗粒污泥反应器可用不同污泥进行接种，如以普通的絮状活性污泥为接种污泥嗍；或以去除c o d 为主的悬浮、不沉降的细胞为接种污泥1 6 ；还有直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化【1 9 1 。直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化的方法简便且成功率高，而以普通絮状活性污泥为接种污泥，启动时间长，控制难度较大【1 9 1 ，其原因可能是好氧颗粒污泥的形成开始必须先有微生物附着的母体，而厌氧颗粒污泥为好氧颗粒污泥的形成提供了微生物附着的母体。新生的微生物在母体周围互相交错缠绕，聚合成好氧颗粒污泥。可见，接种污泥的类型对好氧颗粒污泥的形成没有必然的影响，但不同类型的接种污泥形成好氧颗粒污泥所需时间不同。1 2 6 好氧颗粒污泥形成机制以上虽然讨论了好氧颗粒污泥形成的各种影响因素，但这些条件下好氧颗粒污泥的形成原因仍不清楚。至今尚未有一种较为完善的理论阐明好氧颗粒污泥形成的机理。l i u 和t 一1 2 , 2 5 4 6 1 。- - 。- - 量研究工作的基础上，假设好氧颗粒化过程的作用模式。他们认为好氧颗粒污泥的形成可分为4 个步骤。( 1 ) 首先是细胞的物理运动，即单个细胞转移到一个非菌落的惰性物质或其它细胞表面。这一过程中涉及到的影响因素包括水力动力学、扩散基质传递、重力作用、热力学效应及细胞自身的迁移。( 2 ) 其次是多个细胞间的黏附，即在物理化学力的作用下微生物细胞之间1 3好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究或对惰性物质之间发生吸附作用。这一过程的物理作用力包括范德华力、电荷引力、驱使表面自由能降低的热力学作用、表面张力、疏水性及丝状微生物的架桥作用，化学作用力和生物作用力包括细胞表面的脱水作用、细胞膜的溶合、细胞问信号作用、微生物群体的共同作用。( 3 ) 细胞聚集体的形成。胞外多聚物的产生、细胞群落自身的生长、代谢途径的变化及环境条件诱发的基因效应等进一步促进了具有高度组织结构细胞聚集体的形成。( 4 ) 最后，在水力剪切力作用形成具有良好三维结构的聚集体，即颗粒污泥的形成。细胞表面相对疏水性在好氧颗粒化过程中具有关键作用 2 9 1 。按照热力学理论，细胞表面疏水性的增加会导致表面自由能的降低，从而促使微生物聚集体的形成。许多研究者认为疏水黏附在细胞黏附作用中占重要地位【2 7 , 5 4 , 5 5 1 ，较高的细胞表面疏水性会增强细胞间的相互作用，促进致密聚集体的形成。胞外多聚物能够作为细胞黏附和聚集的媒介，且在维持固定化细胞结构完整性中起重要作用。颗粒污泥中胞外多糖的含量远高于活性污泥絮体中的含量【4 5 1 。胞外多糖的含量的增加能够极大促进好氧颗粒化。1 2 7 好氧颗粒污泥技术的应用好氧生物处理系统的性能极大地取决于活性生物量、生物降解总速率、反应器构型、污染物输送及溶解氧的传递速率。好氧颗粒污泥系统能够提高有机污染物的转化率、提高反应器的容积负荷、实现有效的固液分离，从而提高反应器的处理能力，使反应器最小化。对于不同废水的处理，可以通过对好氧颗粒污泥生态系统的调控来实现。1 2 - 7 1 高浓度有机废水的处理污泥颗粒化可以提高其沉降性能，防止污泥流失，能保持反应器中有高的污泥浓度。在s b r 反应器的体积交换率为5 0 的条件下，可以获得高达6 - 1 2 9l 1的生物量浓度【s 1 n 。m o y 等证明了应用好氧颗粒化技术处理高浓度有机废水的可行性。他们在保证c o d 去除率大于8 9 约两周的条件下，逐步提高有机负荷，来考察好氧颗粒污泥对有机负荷的承受能力。以葡萄糖为底物的颗粒污泥能承受的最大有机负荷为l s g l h d1 ，而c o d 的去除率高于9 2 。在较低负荷下，好氧1 4好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究颗粒污泥结构松散，丝状微生物在其表面占优势。随着有机负荷的提高，颗粒污泥逐步进化为光滑、不规则的形状，其表面有许多皱褶、裂缝。这些特征能够使营养物质更易扩散至颗粒污泥的内部。在高有机负荷下。营养物质的扩散程度也会由于高有机污染物浓度而增强。这些因素都能够使好氧颗粒污泥在不破坏其结构完整性的前提下，承受较高的有机负荷。1 2 7 2 同步硝化、反硝化的实现国内外许多学者利用好氧颗粒污泥系统，尝试在单一s b r 反应器内实现高效的c o d 与总氮的同时去除，即实现同步硝化、反硝化。硝化作用产生的硝酸根、亚硝酸根。通过反硝化菌的作用转化成氮气。y a n g 等1 4 8 l 利用好氧颗粒污泥系统同时去除c o d 和氨氮，发现异氧、硝化、反硝化微生物群落能够和谐共存于好氧颗粒污泥生态系统中，调查了不同n ，c o d 比对好氧颗粒污泥形成及其菌群变化的影响。在高进水n ，c o d 比条件下培养的好氧颗粒污泥，增加了硝化、反硝化、菌群的数量及活性，而异氧菌群的数量及活性在一定程度上受到抑制。b e u n 等1 5 日和j i a n g 等1 4 r l 也发现了类似的现象，且考察了溶解氧浓度对氨氮去除率的影响。谢珊等5 7 1 对s b r 系统中好氧颗粒污泥的脱氮特性进行了研究。1 2 7 3 苯酚废水的处理苯酚废水来源于燃料精炼、制药、杀虫剂等生产工艺中，是一种有毒物质，但也可以作为微生物的碳源。苯酚可能使污水生物处理系统中微生物的生长受到抑制瞪8 1 。在低浓度下，苯酚可以被微生物降解，而高浓度下则会对微生物产生抑制作用。j i a n g 等 4 7 1 利用好氧颗粒污泥系统降解含苯酚废水。发现颗粒污泥对苯酚的毒性具有较强的抵制作用，这可能是由于颗粒污泥为苯酚降解菌群提供了附着生长的机会，使得污泥龄增长，能够在反应器内停留。此外，颗粒污泥对苯酚可能还有一定的吸附作用。因此，好氧颗粒污泥表现出良好的去除苯酚的性能，进水苯酚浓度为5 0 0 m g l 1 ，出水则低于0 2 m g l 1 。对