好氧颗粒污泥培养课件

好氧颗粒污泥新一代的污水生物处理技术Director,InstituteofEnvironmentalScienceandEngineeringHead,DivofEnvironmentalandWaterResourcesEngineeringSchoolofCivilandEnvironmentalEngineeringNanyangTechnologicalUniversitySingapore1AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥Director,InstituteofE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2AR-ngwtt-c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3AR-ngwtt-c较长的启动周期：其形成约需3到8个月厌氧颗粒污泥的主要缺陷3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。4AR-ngwtt-c为什么要研究好氧颗粒污泥?好氧细菌的特点：好氧颗粒污泥不仅具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。5AR-ngwtt-c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，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6AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的优点及应用相对结实的微观结构絮体和颗粒的比较

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7AR-ngwtt-c絮体和颗粒的比较7AR-ngwtt-ca8AR-ngwtt-ca8AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的形成

9AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的形成9AR-ngwtt-c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:10AR-ngwtt-c好氧颗粒化是接种污泥一个逐渐的演化过程:10AR-ngwtt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11AR-ngwtt-c光学显微镜接种污泥的物理外观及形态电子扫描显微镜11AR-n

1星期后BCD2星期后3星期后种泥12AR-ngwtt-c1星期后BCD2星期后3星期后种泥12AR-ngwtt-c颗粒尺寸污泥体积指数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

13AR-ngwtt-c颗粒尺寸污泥体积指数污泥尺寸在三周内从0.1mm增长到实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥14AR-ngwtt-c实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥14AR-ngwtt-c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:40L15AR-ngwtt-c中试反应器中形成的稳定好氧颗粒污泥15AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的特性16AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的特性16AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥和传统活性污泥性质的比较葡萄糖培养的颗粒污泥活性污泥平均直径(mm)2.4±0.710.15污泥体积指数

(mL/g）

51-85150-250沉降速度

(m/h)

35±8.5<10反应器中的污泥浓度

(g/L)8.0-15.03.0-5.0密度

(g/L)41.1±6.9~颗粒污泥强度

(%)98±0.9较弱近圆率

(aspectratio)0.79±0.06外形不规则疏水性

(%)68.0±3.9~耗氧率

(SOUR,mgO2/g/hr）

69.4±8.8100COD去除率(%)96.6±1.690%17AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥和传统活性污泥性质的比较葡萄糖培养的颗粒污泥活性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)尺寸大小分类(直径,mm)平均直径(mm)近圆率(aspectratio)圆满度(roundness)%

污泥有机成分污泥体积指数(mL/g)<0.150.09--90.1(

1.6)178.3(

11.1)0.15-0.50.350.69(

0.15)0.88(

0.16)80.9(

1.4)104.8(

8.1)0.5-1.00.820.72(

0.13)0.77(

0.12)60.6(

3.2)32.4(

4.5)1.0-2.01.650.77(

0.14)0.74(

0.15)57.6(

4.2)34.4(

5.0)>2.02.540.82(

0.13)0.70(

0.15)74.1(

2.2)40.4(

5.2)18AR-ngwtt-c污泥絮体和不同尺寸颗粒污泥的外形(标尺长度:5mm)尺好氧颗粒污泥的微生物特性19AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的微生物特性19AR-ngwtt-c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20AR-ngwtt-c表面微观结构葡萄糖培养的好氧颗粒污泥：醋酸根培养的好氧颗粒污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21AR-ngwtt-c颗粒中的通道及孔状结构可由共焦激光扫描显微镜(CLSM)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22AR-ngwtt-c微生物细胞和厌氧菌（Bacteroides）曲线1：以杂交探好氧颗粒污泥中的微生物分布23AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥中的23AR-ngwtt-c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。

颗粒边缘Size<1mmSize1-2mmSize2-3mm24AR-ngwtt-c活细胞（绿色）和死细胞（红色）颗粒边缘Size<1mmS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25AR-ngwtt-c用共焦激光扫描显微镜（CLSM）观察到的活、死细胞在颗粒中的影响好氧颗粒污泥形成的一些因素

26AR-ngwtt-c影响好氧颗粒污泥形成的一些因素26AR-ngwtt-c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27AR-ngwtt-c底物组成:对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感27AR-ng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28AR-ngwtt-c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29AR-ngwtt-c1.5g/L/d(500mgCOD/L)9.0g/

:0.3cm/sO:1.2cm/s

:2.4cm/s∆:3.6cm/s

不同表面上升气流速度下污泥尺寸和污泥体积指数（SVI）随时间的演化。颗粒污泥只能在相当于表面上升气流速度大于0.3cm/s时的剪切力下形成，并在相当于表面上升气流速度大于1.2cm/s时的剪切力作用下维持稳定。在不同水力剪切力下形成的好氧颗粒污泥图中表面上升气流速度：没有颗粒的形成！30AR-ngwtt-c:0.3cm/s不同表面上升气流速度下污泥尺寸和污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31AR-ngwtt-c0.3cm/s上升气流速度2.4cm/s上升气流速度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32AR-ngwtt-c5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储存33AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的储存33AR-ngwtt-c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。34AR-ngwtt-c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35AR-ngwtt-c使用的接种颗粒污泥性质:由储存的颗粒污泥接种并启动生物反应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/L36AR-ngwtt-c反应器启动36AR-ngwtt-c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37AR-ngwtt-c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38AR-ngwtt-c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38AR好氧颗粒污泥的形成机理

39AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的形成机理39AR-ngwtt-c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40AR-ngwtt-c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分泌产生胞外聚合物,比如胞外多聚糖等分泌物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

步骤3:生物聚合体的成熟，促进这一过程的作用包括：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41AR-ngwtt-c化学及生化吸引力:细胞表面脱水细胞分泌产生胞外聚合物,比在颗粒污泥内的细胞周围观察到的胞外多聚糖细胞表面疏水性:

可能在诱发细胞间的粘结扮演一个关键的角色

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42AR-ngwtt-c在颗粒污泥内的细胞周围观察到的胞外多聚糖细胞表面疏水性:胞外好氧颗粒污泥的应用

43AR-ngwtt-c好氧颗粒污泥的应用43AR-ngwtt-c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44AR-ngwtt-c高浓度有机废水的处理44AR-ngwtt-c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45AR-ngwtt-c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葡萄糖培养的颗粒污泥醋酸根培养的颗粒污泥OLR(kgCOD/m3/d)OLR(kgCOD/m3/d)6.09.012.015.06.09.0平均直径(mm)2.7(±1.00)2.95(±1.25)3.06(±1.30)3.30(±1.30)1.96(±0.92)4.20(±0.10)近圆率

(aspectratio)0.69(±0.16)0.63(±0.17)0.64(±0.17)0.54(±0.18)0.72(±0.15)0.75(±0.14)沉降速度

(m/h)53(±12)65(±24)69(±15)84(±2.9)71(±18)112(±7)污泥体积指数

(mL/g）106(±38)85(±15)74(±8)31(±3)49(±12)42(±2)颗粒污泥强度

(%)93.0(±4.0)97.3(±0.5)97.5(±0.6)99.0(±0.1)97.7(±1.4)97.7(±1.4)COD去除率(%)93.0(±5.0)92.0(±4.0)89.092.0(±3.0)97.0(±0.1)97.0(±1.8)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46AR-ngwtt-c葡萄糖培养的颗粒污泥醋酸根培养的颗粒污泥OLR(kgCO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47AR-ngwtt-c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进水中苯酚浓度:500mg/L出水中苯酚浓度:<0.2mg/L苯酚降解速率:1.4g/gMLVSS/d（2倍大于驯化的接种污泥絮体）由于其独特的微生物和胞外分泌物形成的密实结构，颗粒污泥为相当数量的微生物提供了庇护和缓冲的功用。在例如含酚废水的处理过程中，减轻了毒性物质对微生物的直接影响，从而提高了污泥对毒性冲击负荷的忍耐力苯酚颗粒污泥对苯酚和总有机碳的生物降解48AR-ngwtt-c进水中苯酚浓度:500mg/L由于其独特的微生物和胞外分在苯酚引入系统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。050100150200250300350050100150200250300Time(min)Phenolconcentration(mgL-1)010020030040050060005101520253035Time(day)Phenolconcentration(mgL-1)Start-of-CycleEnd-of-Cycle由醋酸根培养的颗粒污泥降解苯酚49AR-ngwtt-c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。050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50AR-ngwtt-c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DGGE(denaturinggradientgelelectrophoresis)

16SrRNA部分基因片断图。道1:徙动标准道2和3:引入苯酚当天时的颗粒污泥道4和5:30天时的颗粒污泥道6:徙动标准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。51AR-ngwtt-cDGGE(denaturinggradientgel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52AR-ngwtt-c有机物和氮的同时去除好氧颗粒污泥:52AR-ngwtt-c在颗粒污泥中硝化、异养细菌的分布53AR-ngwtt-c在颗粒污泥中硝化、异养细菌的分布53AR-ngwtt-c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54AR-ngwtt-c化学需氧量和硝化曲线可实现有机物和氮的同时去除，并且流程简单磷的去除悬浮污泥絮体的颗粒化集磷菌(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％CO