水污染控制课件第四专题颗粒污泥

1 好氧颗粒污泥新一代的污水生物处理技术 2 厌氧颗粒污泥 生物颗粒污泥技术 好氧颗粒污泥 从上世纪80年代初开始发展 从上世纪90年代末开始发展 3 较长的启动周期 其形成约需3到8个月较高的操作环境温度不适应处理低浓度污水去除营养物质 氮和磷 污染效果不理想 厌氧颗粒污泥的主要缺陷 4 为什么要研究好氧颗粒污泥 好氧细菌的特点 生长迅速与厌氧菌比较 生长环境温度要求相对宽松在有机物浓度较低时也能生存 好氧颗粒污泥不仅具有厌氧颗粒污泥的优点 还避免了后者因自身厌氧菌组分所固有的缺陷 5 什么是好氧颗粒污泥 在好氧环境条件下 微生物通过自固定过程 最终形成结构紧凑 外形规则的密集生物聚合体 6 好氧颗粒污泥的优点及应用 相对结实的微观结构优良的沉淀性能较高浓度的污泥截留混合 多样的微生物种群 较好的泥水分离较高的生物反应器单位体积处理能力可以承受较高浓度的冲击负荷减少对二沉池的体积要求同时去除有机物和营养物质对高浓度有毒废水的独特适应和处理能力 7 絮体和颗粒的比较颗粒具有准球形的外观和紧凑的内部结构絮体具有不规则外形和松散的内部结构 8 a 9 好氧颗粒污泥的形成 10 好氧颗粒化是 接种污泥 结构紧凑的聚合体 颗粒状的污泥 成熟的颗粒污泥 一个逐渐的演化过程 11 光学显微镜观察结果 接种污泥的物理外观及形态 电子扫描显微镜观察结果 12 1星期后 B C D 2星期后 3星期后 种泥 13 污泥尺寸在三周内从0 1mm增长到1 7mm污泥沉淀性能显著改善 以污泥体积指数 SVI 来表示从200降到35mL g颗粒化过程后污泥量浓度增加到15g L 一个典型的颗粒化过程 实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥 15 中试反应器中形成的稳定好氧颗粒污泥反应器直径 20cm工作体积 40L 16 好氧颗粒污泥的特性 17 好氧颗粒污泥和传统活性污泥性质的比较 18 污泥絮体和不同尺寸颗粒污泥的外形 标尺长度 5mm A 污泥絮体 0 15mm B 颗粒污泥 0 15 0 5mm C 颗粒污泥 0 5 1 0mm D 颗粒污泥 1 0 2 0mm E 颗粒污泥 2 0 2 8mm 19 好氧颗粒污泥的微生物特性 20 表面微观结构 葡萄糖培养的好氧颗粒污泥 丝状菌占主导成分 醋酸根培养的好氧颗粒污泥 杆菌占主导成分 21 颗粒中的通道及孔状结构可由共焦激光扫描显微镜 CLSM 观察到 图中颗粒污泥直径为0 55mm 在颗粒表面下250 m处明显存在一多微孔层 颗粒边缘 颗粒中心 通道及孔状结构 22 微生物细胞和厌氧菌 Bacteroides 的杂交测试荧光分布图 曲线1 以杂交探针Eub338的荧光密度表示的微生物细胞在颗粒污泥中的分布曲线2 以杂交探针Bacto1080的荧光密度表示的颗粒污泥中厌氧细菌层 厌氧菌 Bacteroidesspp 存在在颗粒污泥表面下800um处 厌氧菌的存在 23 好氧颗粒污泥中的微生物分布 24 活细胞 绿色 和死细胞 红色 在不同尺寸颗粒污泥横切面上的分布Y轴 平均密度 以单位象素的荧光亮度表示 X轴 细胞在颗粒污泥中的位置 以离开颗粒表面的距离来代表 尺寸小于1mm的颗粒中 活细胞分布均匀 较大颗粒中 活细胞主要分布在从表面开始600 m左右厚的范围内 Size 1mm Size1 2mm Size2 3mm 25 用共焦激光扫描显微镜 CLSM 观察到的活 死细胞在颗粒中的分布 活细胞主要分布在颗粒外围地区 而死细胞主要分布在颗粒内部 图中 代表活细胞的绿色荧光 由Syto9染料染色代表死细胞的红色荧光 由propidiumiodide染料染色 26 影响好氧颗粒污泥形成的一些因素 27 底物组成 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感有机负荷率 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感水力剪切力 较高的剪切力有利于具有紧凑结构的颗粒形成沉降时间 较短的沉降时间有利于颗粒形成泥龄 维持系统一定泥龄 MCRT 对颗粒污泥的形成和稳定性非常关键水力停留时间 应选择一个恰当的水力停留时间 HRT 好氧营养匮乏 每个周期内在一定时段的营养匮乏期有利于颗粒的形成和稳定阳离子 具有正面效应加料 周期性 冲击式 加料有利于具有紧凑厚实结构的颗粒形成反应器形状 具有较大高度 直径比值 H D 的柱状反应器有利于颗粒形成 28 葡萄糖 醋酸根 苯酚 含磷化合物 氨氮化合物 不同底物培养的好氧颗粒污泥 29 1 5g L d 500mgCOD L 9 0g L d 3000mgCOD L 3 0g L d 1000mgCOD L 6 0g L d 2000mgCOD L 在不同有机负荷率下形成的好氧颗粒污泥 30 0 3cm s上升气流速度 2 4cm s上升气流速度 3 6cm s上升气流速度 1 2cm s上升气流速度 不同剪切力作用下形成的好氧颗粒污泥的外部形态 31 5天泥龄 20天泥龄 30天泥龄 10天泥龄 不同控制泥龄下形成的好氧颗粒污泥的外部形态 32 好氧颗粒污泥的储存 33 葡萄糖培养的颗粒污泥 醋酸根培养的颗粒污泥 颗粒污泥能被储存数月而无结构分解现象发生 开始曝气 加入营养后储存的颗粒污泥的生物活性很容易被恢复 使用的接种颗粒污泥性质 平均直径 1 28mm污泥体积指数 28mL g耗氧率 13 4mgO2 g h有机成分含量 51 2 储存时间 3个月 由储存的颗粒污泥接种并启动生物反应器 反应器启动好氧颗粒污泥使用量2 0L 相当于反应器工作体积的5 9 2 实现启动生物污泥浓度为1 03g L 接种污泥 经过3个月的储存 接种并在反应器中运行一天后 接种颗粒和曝气一天后颗粒的观察比较 以耗氧率表示的接种污泥在反应器中运行后其活性的变化 储存的颗粒能在接种并运行3天后完全恢复到储存前的活性 38 好氧颗粒污泥的形成机理 39 细胞自固定过程中的四个步骤 步骤1 细菌之间通过物理运动相互接触 促进这一反应的动力包括 流体动力物质扩散力重力沉降热力学动力 如布朗运动细胞的自我活动 40 步骤2 细胞间相互接触及稳定过程 促使细胞相互吸引的动力包括 物理吸引力 范德华力异性电荷吸引力热动力 包括表面自由能表面张力疏水性丝状细菌的搭桥效应化学及生化吸引力 细胞表面脱水细胞膜粘连细胞间信息传递及收集 细胞表面疏水性可能在诱发细胞间的粘结扮演一个关键的角色 41 细胞分泌产生胞外聚合物 比如胞外多聚糖等分泌物 步骤3 生物聚合体的成熟 促进这一过程的作用包括 胞外多聚糖可能对帮助维持颗粒污泥结构的完整性比较重要 细胞群的生长新陈代谢变化和由环境诱发的基因变化 这些变化促进了细胞之间的相互作用 进而导致具有高度组织性的微生物结构形成 42 在颗粒污泥内的细胞周围观察到的胞外多聚糖 43 选择压力 有利于形成并保持结构紧凑且具有较好沉降性能的颗粒污泥 步骤4 在流体剪切力作用下 最终形成稳定的具有三维微观结构的颗粒污泥系统 好氧颗粒污泥的应用 45 高浓度有机废水的处理毒性废水的处理有机和营养物质的同时去除对重金属离子的生物吸附基因转换形成的专效高能细菌的固定 46 高浓度有机废水的处理 好氧颗粒污泥 较高的污泥截留 高浓度有机废水的处理 耐受较高的冲击负荷 47 可处理有机负荷高达15 0kgCOD m3 d采用颗粒污泥作为生物工作介质 可缩小反应器体积 进而减少了系统对土地面积的需求 不同有机负荷时颗粒污泥的性质 48 苯酚废水的处理 悬浮污泥絮体的颗粒化 提高细菌对苯酚等毒性组分的忍耐能力 49 在苯酚引入系统3天后系统可在每个运行周期内将苯酚去除 系统稳定后 进水浓度为315mg L的苯酚可被生物降解到小于0 4mg L 研究表明 醋酸根培养的颗粒污泥可被用来培养处理苯酚的颗粒污泥 由醋酸根培养的颗粒污泥降解苯酚 50 醋酸根培养的颗粒污泥 醋酸根颗粒污泥 其表面则由杆菌占主导地位 引入苯酚培养30天后 丝状细菌生长在 苯酚颗粒污泥 的表面 苯酚引入系统前后颗粒污泥外形变化 51 由迁徙的基因片断判断 颗粒污泥中细菌种群的组成在30天内发生明显迁移 这个迁移对应了系统对苯酚的适应和处理的稳定过程 变性梯度凝胶电泳法 由于从环境样品中分离和培养细菌的困难 分子生物学方法已发展用来描述和鉴定微生物群落 近年来基于DNA方法的群落分析得到了迅速的发展 如PCR扩增技术 克隆文库法 荧光原位杂交法 限制性酶切片段长度多态性法 变性和温度梯度凝胶电泳法 DGGE已广泛用于分析自然环境中细菌 蓝细菌 古菌 真核生物和病毒群落的生物多样性 这一技术能够提供群落中优势种类信息和同时分析多个样品 具有可重复和容易操作等特点 适合于调查种群的时空变化 并且可通过对切下的带进行序列分析或与特异性探针杂交分析鉴定群落成员 DGGE分析微生物群落的一般步骤如下 一是核酸的提取 二是16SrRNA 18SrRNA或功能基因如可溶性甲烷加单氧酶羟化酶基因 mmoX 和氨加单氧酶 亚单位基因 amoA 片段的扩增 三是通过DGGE分析PCR产物 DGGE使用具有化学变性剂梯度的聚丙烯酰胺凝胶 该凝胶能够有区别的解链PCR扩增产物 由PCR产生的不同的DNA片段长度相同但核苷酸序列不同 因此不同的双链DNA片段由于沿着化学梯度的不同解链行为将在凝胶的不同位置上停止迁移 DNA解链行为的不同导致一个凝胶带图案 该图案是微生物群落中主要种类的一个轮廓 DGGE使用所有生物中保守的基因片段如细菌中的16SrRNA基因片段和真菌中的18SrRNA基因片段 rRNA原核生物有3种 5S 16S 23S真核生物有4种 5 8S 18S 28S 5S 聚合酶链式反应 PolymeraseChainReaction 简称PCR 又称无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术 DGGE的缺陷 只能分离较小的片段 使用于系统发育分析比较和探针设计的序列信息量受到了限制 在某些情况下 由于所用基因的多拷贝导致一个种类多于一条带 因此不易鉴定群落结构到种的水平 此外 该技术具有内在的如单一细菌种类16SrDNA拷贝之间的异质性问题 可导致自然群落中微生物数量的过多估计 DGGE是分析微生物群落的一种有力的工具 不过为了减少DGGE和其它技术的缺陷 建议研究者结合DGGE和其它分子及微生物学方法以便更详细的观察微生物的群落结构和功能 55 有机物和氮的同时去除 好氧颗粒污泥 一种同时去除有机物和氮的简单 方便工艺解决方案 56 在颗粒污泥中硝化 异养细菌的分布 57 化学需氧量和硝化曲线 可实现有机物和氮的同时去除 并且流程简单 操作维护容易 好氧颗粒污泥 异养 硝化 反硝化细菌群的共存体 58 磷的去除 悬浮污泥絮体的颗粒化 聚磷菌 PAO 容易得到分离 避免了经常发生在高效生物去磷系统中的污泥膨胀问题 好氧颗粒污泥中富磷含量可占总污泥重量9 3 COD PO4 P浓度 在一个SBR操作周期中的化学需氧量 COD 和磷的浓度变化曲线 减小了释放磷的二沉池反应器体积 59 聚磷好氧颗粒污泥的磷吸收曲线 研究展示了好氧颗粒污泥对磷具有优良的吸收能力 60 对重金属离子的生物吸附 悬浮污泥絮体的颗粒化 优良的沉淀性能便于泥水分离 优良的生物吸附 紧凑 多孔的空间结构 61 Cd2 生物吸附曲线 不同的颗粒污泥浓度下吸附量随时间的变化 实验用初始金属浓度为150mg L 50mg LO 100mg L 200mg L 不同的金属浓度下吸附量随时间的变化 实验用颗粒污泥浓度为10