（环境科学专业论文）厌氧颗粒污泥形成影响因素研究.pdf

上海师范大学硕士学位论文 摘要 工业的发展使废水处理领域面临越来越多的挑战，于我国的现状而言，生物 处理工艺应该是一种优先采纳的废水处理技术其中，厌氧处理工艺近年来得到 人们越来越多的关注，厌氧颗粒污泥技术得到了广泛的研究和应用 本文采用上流式厌氧污泥床反应器( 简称u a s b ) 接种城市污水处理厂厌氧 消化污泥培养出了良好的厌氧颗粒污泥，污泥床内m l s s 和m l v s s 分别达到 6 2 卿g ，l 和5 4 8 8 醪，污泥最大产甲烷速率为5 2 5 m l ( c m ) ( g v s s d 。 由于颗粒污泥的形成和性质受到多种因素的影响，本文研究了培养温度、反 应器负荷、接种污泥、进水碱度等几神因素对u a s b 反应器中颗粒污泥形成的 影响。研究发现： ( 1 ) 厌氧颗粒污泥的形成过程中水力剪切和气泡搅动起着重要的作用，尤 其是在负荷较低的开始阶段，产气的搅动对于泥水混合起着至关重要的作用。在 其它条件相同的前提下，高的水力负荷和产气量更有利于形成高活性、高沉降性 的颗粒污泥： ( 2 ) 使用中温( 3 5 ) 运行反应器中培养的颗粒污泥接种低温( 2 5 ) 运 行反应器，虽然温度有所改变，仍然可以大大缩短反应器的启动时间；在温度转 变的过程中，以颗粒状态存在的厌氧污泥能够比絮状厌氧污泥更好的保留生物活 性，但是在进一步的培养过程中，颗粒污泥的结构会在一定程度上延缓中温厌氧 菌的淘汰和低温厌氧菌的增殖： ( 3 ) 接种污泥中较高含量的惰性物质，在颗粒污泥的形成过程中能够起到 附着核心的作用，有效地减少活性细菌的流失，对于厌氧颗粒污泥的形成能够起 到积极的作用，稳定反应器性能，保证颗粒污泥较快地顺利形成； ( 4 ) 保证进水中足够的碱度对于厌氧颗粒污泥的形成是必要的。虽然实验 证明，对于成熟的颗粒污泥来说，较低的进水碱度不会影响反应器的稳定运行， 但是在颗粒污泥的形成阶段，足够的进水碱度是必需的。 关键词：厌氧；颗粒污泥：u a s b 上海师范大学硕士学位论文 a b s t r a c l t h e s ed a y s 。w a s t e w a t e rt r e a t m e n te n g i n e e r sa r ef a c i n gm o r ea n dm o r e c h a l l e n g ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y i nt h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h e b i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s ss h o u l db eap r i o r i t yt ot h ea d o p t i o no f w a s t e w a t e r t r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s a m o n g t h e m ，a n a e r o b i ct r e a t m e n t p r o c e s st or e c e i v em o r ea n dm o r ea t t e n ti o ni nr e c e n ty e a r s a n a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n da p p li e d i nt h i sp a p e r ，u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e tr e a c t o r ( u a s b ) a n a e r o b i cd i g e s t i o no fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ts l u d g e i n o c u l a t i o nt r a i n i n gag o o da n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e m l s sa n dm l v s s r e a c h e d5 4 8 8 9 1a n d6 2 0 7 9 lr e s p e c t i v e l y s l u d g el a r g e s tm e t h a n e p r o d u c t i o nr a t ef o r5 2 5 m i ( c h 4 ) ( g v s s d ) d u et ot h en a t u r eo fg r a n u l a rs l u d g ef o r m a t i o ne f f e c t so fav a r i e t y o ff a c t o r s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h et e m p e r a t u r er e a c t o r ，o l r ，i n o c u l a t e s l u d g e ， a n da l k a l i n i t ye t c f a c t o r sg r a n u l a r s l u d g ef o r m a t i o n f o u n d ： ( 1 ) i nt h ef o r m a t i o np r o c e s so fa n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e 。t h eb u b b l e m i xh y d r a u l i cs h e a rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e e s p e c i a l l yi nt h e b e g i n n i n gs t a g eo fl o w e rl o a d ，t h ea g i t a t i o nf o rc e m e n tm i x e dg a s p l a y sav i t a lr o l e i no t h e ru n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h eh y d r a u l i c c a p a c i t ya n dh i g hp r o d u c t i o nl e v e l sm o r ec o n d u c i v et ot h ef o r m a t i o n o fh i g ha c t i v i t ya n d h i g hs e t t l e m e n to fg r a n u l a rs l u d g e ： ( 2 ) t h eu s eo ft e m p e r a t u r e ( 3 5 。c ) o p e r a t i o no ft h er e a c t o rt of o s t e r g r a n u l a r s l u d g ew e r el o wt e m p e r a t u r e ( 2 5 。c ) o p e r a t i n gr e a c t o r h l t h o u g ht h et e m p e r a t u r ec h a n g e ，t h er e a c t o rc a ng r e a t i ys h o r t e nt h e s t a r t u pt i m e t e m p e r a t u r ec h a n g e si nt h ep r o c e s s ，a n a e r o b i cs l u d g e p a r t i c l e sc a ne x i s ti nt h es l u d g e l i k eb e t t e rt h a nt or e t a i n b i o l o g i c a la c t i v i t y h o w e v e r ，i nt h et r a i n i n gp r o c e s sf u r t h e r g r a n u l a rs l u d g ei nt h es t r u c t u r eo fac e r t a i nd e g r e et e m p e r a t u r e a n a e r o b i cd e l a yi nt h ee l i m i n a t i o na n dt h ep r 0 1 i f e r a t i o no f 4 上海师范大学硕士学位论文 ( 3 ) ( 4 ) l o w - t e m p e r a t u r ea n a e r o b i c ： s l u d g ew e r eh i g h e rc o n t e n to fi n e r tm a t e r i a li nt h ef o r m a t i o no f g r a n u l a rs l u d g ep r o c e s sc a np l a y ac o r er o l ei na t t a c h m e n t ， e f f e c t i v e l yr e d u c et h el o s so fa c t i v i t yo fb a c t e r i ma n da n a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g ec a np l a yap o s i t i v er o l ei nt h ef o r m a t i o no fs t a b l e p e r f o r m a n c eo ft h er e a c t o r ，e n s u r er a p i da n ds m o o t hf o r m a t i o no f g r a n u l a rs l u d g e g u a r a n t e ea d e q u a t ei n f l u e n ta l k a l i n i t yi sn e c e s s a r yf o r t h e f o r m a t i o no fa n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e a l t h o u g ht h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tm a t u r eg r a n u l a rs l u d g e ，l o wi n f l u e n ta l k a l i n i t yw i l ln o t a f f e c tt h es t a b i l i t yo fr e a c t o ro p e r a t i o n b u ti nt h ef o r m a t i v es t a g e o fg r a n u l a rs l u d g e ，e n o u g hi n f l u e n ta l k a l i n i t yi se s s e n t i a l k e l r w o r d s ：a n a e r o b i c ；g r a n u l a rs l u d g e ；u a s b 上海师范大学硕士学位论文 前言 环境保护是我国的基本国策世界经济发展的实践证明，为实现经济的持续 稳定发展，必须解决好发展与环境保护的矛盾。事实上，近代工业的飞速发展所 产生的严重的环境问题，已经直接或潜在地威胁着人类的生存和发展 我国水污染情况严重。全国七大水系近一半的河段污染严重，8 6 的城市河 段水质超标。海河、辽河、松花江和淮河流域的污染特别严重。尽管长江、黄河、 珠江等干流水质尚可，但都存在严重污染的河段其中某些地区，环境特别是水 域的污染己严重威胁人民的身体健康和工农业生产【。如何保护现有的水资源、 控制污染及发展废水处理技术已经成为当务之急。 对于我国的现状而言，生物处理工艺应该是一种优先采纳的废水处理技术。 与传统的好氧处理工艺相比，厌氧处理工艺具有如下优点： ( 1 ) 好氧工艺以氧气为主要的氧化剂分解有机物，提供微生物可利用的能 量。因此，好氧活性污泥法必须进行高强度的人工曝气，消耗大量的动力，运行 费用昂贵厌氧工艺则以代谢产物c 0 2 为主要的氧化剂，产物为c h 4 。厌氧过 程最终产物为沼气。由此可以看出，厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量 可利用的能源。 ( 2 ) 与好氧工艺相比，由于物质、能量代谢方式途径不同，厌氧工艺中仅 有相当于1 0 左右的底物当量用于合成生物细胞体，其余的底物除在细胞合成时 提供能量外，大部分转化为可资利用的沼气形态。而在好氧工艺中，则约有5 0 的底物当量直接转化合成新的细胞生物体。因此，厌氧工艺的剩余污泥量远少于 好氧工艺。污泥经过厌氧处理后，性质稳定，易于脱水，污泥处置费用低。 ( 3 ) 厌氧过程对营养元素要求低，在处理某些营养元素不平衡的工业废水 时，用于额外添加营养物( 如n 、p ) 的费用低。 ( 4 ) 适于处理高浓度废水处理效率高。 ( 5 ) 投资成本一般较低，运行管理费用也大大低于好氧工艺。 ( 6 ) 由于厌氧工艺中细菌组成的多样性，代谢途径的多样性，许多在好氧 工艺中难以降解的复杂有机物在厌氧工艺中可以顺利被降解。厌氧水解过程还有 助于提高废水的可生化性，常用于对工业废水进行预处理。 尤其是荷兰i ) e l f l 农业大学k 岫口g a 教授开创的u a s b 厌氧污泥颗粒化技 6 上海师范大学硕士学位论文 术，造就了一种与以往活性污泥和生物膜完全不同的处理工艺e 流式厌氧污 泥床( u p f l o w a n m b i cs l u d g cb l a n l 【e t ，简称u a s b ) 1 2 】，其特点包括： ( 1 ) 反应器内无特殊搅拌装置，均匀分布的迸水和厌氧反应产气可以在 u a s b 反应器内形成良好的搅拌作用： ( 2 ) 三相分离器能使颗粒污泥保留在反应器内； ( 3 ) 处理效率较常规的厌氧处理高出数倍 颗粒污泥的形成是u a s b 反应器成功运行的关键因素。从理论上讲，只要 条件合适，在各种废水和基质中都有可能培养出颗粒污泥。但是颗粒污泥的形成 和性质也受到多种因素的影响，本文研究了培养温度、反应器负荷、接种污泥、 进水碱度等几种因素对u a s b 反应器中颗粒污泥形成的影响。 目前，在欧洲的u a s b 工艺已普遍形成了颗粒污泥，这使得厌氧u a s b 工 艺在欧洲迅速得到了推广和普及。而我国的厌氧处理工艺开发的现状和国外的水 平仍然存在一定的差距【3 1 期望本文的研究成果能够支持与推动厌氧处理工艺在 我国的推广和应用。 7 上海师范大学硕士学位论文 第1 章厌氧颗粒污泥研究综述 1 1 废水的厌氧处理 1 1 1 废水的生物处理 环境污染包括多方面，水污染是其中一个很重要的方面。污水是生活污水、 工业废水和被污染的雨水的总称，生活污水的成份取决于居民的生活状况，其成 份的变化情况则与居民的生活习惯有关系。被污染的雨水主要是指初期雨水。工 业废水可分为生产污水与生产废水两类，其成份主要决定于生产过程中应用的原 料和化学品工业废水如发酵行业、造纸行业、食品行业是污水的重要来源。例 如，天津市1 9 9 9 年工业废水的排放量为4 3 2 1 0 3 5 万立方米，占全市污水排放总排 放量的5 6 4 4 ，另据对化学工业、酿造业、造纸、纺织印染业、食品制造、皮革 和制药业等七个行业调查，其工业废水排放量占全市工业废水排放量的2 9 9 2 ， 但c o d 排放量则占5 3 9 4 ，表明这七个行业是工业废水污染治理的重点。废水 中的有机物是造成水污染最重要的污染物，它是水域变质、发黑发臭的罪魁祸首。 废水有机物中也不乏有毒的化合物。另外，废水中的有机物还可能造成水体营养 富集化。因此在保护环境、控制污染的工作中，废水中有机物的处理是非常重要 的 去除废水中有机物的方法有多种，其中生物处理去除法是一种重要方法。废 水生物处理有两种，即好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧生物处理利用好氧微 生物进行处理，它需要不断向废水中补充空气或氧气，以维持其中好氧微生物生 长和代谢所需要的足够的溶解氧。厌氧生物处理利用厌氧微生物进行处理，在无 需提供氧气的情况下把有机物转化为无机物和少量的细胞物质。长期以来，厌氧 生物处理被认为是一种较慢的生物处理过程，而且仅仅适用于很有限的一些有机 物“1 。据统计结果表明：目前我国己经建成城市污水处理厂1 6 0 余座，处理工艺多 为好氧生物处理工艺“】。 然而，如前言所述厌氧生物处理是有其独到优势的。据报道，厌氧微生物的 生化转化能力是完全可以和好氧微生物的生化转化能力相比拟的，问题不在于厌 氧微生物的活性而在于厌氧微生物的世代时间“。由于厌氧生物处理对一些有 毒物质和一般工业废水中常见的污染物的降解能力己经得到证实，厌氧生物处理 b 上海师范大学硕士学位论文 己经在工业废水中得到了广泛的应用。厌氧生物处理中、高浓度废水作为已证实 的技术被人们所接受。废水的厌氧生物处理是一种低成本的废水处理技术，同时， 它又是把废水的处理和能源的回收利用相结合的一种技术。图卜1 是以厌氧处理 及其后处理技术为基础的环境保护、能源生产和综合利用的体系 图i - 1以厌氧处理及其后处理技术为基础的环 境保护、能源生产和综合利用的体系 1 1 2 厌氧生物处理的基本原理 厌氧处理又称为厌氧消化，是在无氧条件下，由多种微生物共同作用，使有 机物分解并生成c h c 0 ：，h 如，h ：s 和n h ，的过程“。有机物的厌氧消化过程可用 1 9 7 9 年b r y a n t 提出的三阶段理论来说明”1 。第一阶段：水解、发酵阶段，复杂的 有机物被微生物的胞外酶分解为小分子化合物后，进入发酵细菌( 即酸化菌) 的细 胞内，并在其中转化为更加简单的化合物，同时，细菌利用部分物质合成新的细 胞物质；第二阶段：产氢产乙酸阶段，由一类专门的细菌( 产氢产乙酸细菌) 将丙 酸、丁酸等挥发性脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、h ：和c 仉；第三阶段：产甲烷阶段， 由产甲烷的细菌利用乙酸、h a 铂c 如产生甲烷( c h ) 。以上三阶段中还可能存在含 硫化合物被硫酸盐还原菌还原的过程。厌氧处理属于一种串联代谢过程，其中最 慢步骤的特点在于限制步骤之前基质的积累。如果这种基质是以非酸性有机物形 式存在，如乙醇，则对整个微生物群体无不良影响。 微生物群体中生长最慢的组分常常是丙酸或乙酸利用菌，所以丙酸和乙酸的 积累会抵消系统中的碳酸氢盐碱度，这样的运行故障有可能使系统的p h 值降低， 9 上海师范大学硕士学位论文 进而对整个微生物群体产生不利的影响。而且低p h 值恰好会对引起这一问题的丙 酸和乙酸等有机酸的利用微生物产生较大抑制 1 2u a s b 厌氧处理工艺的现状与发展 上流式厌氧污泥床( u pf l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，简称u a s b ) 反应器 是荷兰w a g e n i n g e n 农业大学的l e t t i n g a 等人于1 9 7 3 - - 1 9 7 7 年间研制成功的1 2 1 。 我国于1 9 8 1 年开始了u a s b 反应器的研究工作，该技术在我国已得到了实际的推 广应用。u a s b 反应器是目前应用最为广泛的高速厌氧反应器，该技术在国内外 已经发展成为厌氧处理的主流技术之一扪。 1 2 1u a s b 反应器的基本构造和原理“1 ( 1 ) u a s b 反应器的构成 图1 2 是u a s b 反应器的示意图。u a s b 反应器的主体部分主要分为两个区 域，即反应区和三相分离区。其中反应区为u a s b 反应器的工作主体。 图卜2 懈b 反应蛊工作原理示意圈 ( 2 )u a s b 反应器的工作原理 在u a s b 反应器的反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥( 通常是颗粒污 泥) 形成的厌氧污泥床，污泥浓度可达到5 0 - l o o g a 或更高。废水由反应器底部 进入反应区，由于水的向上流动和产生的大量气体上升形成良好的自然搅拌作 1 0 上海师范大学硕士学位论文 用，并使一部分污泥在反应区的上方形成相对稀薄的污泥悬浮区，悬浮区污泥浓 度一般在5 4 0 鲫范围内。悬浮液进入分离区后，气体首先进入集气室被分离， 含有悬浮液的废水进入分离区的沉降室，污泥在此沉降，由斜面返回反应区，澄 清后的处理水溢流排出。 1 2 2u a s b 反应器的工艺特点 ( 1 ) 利用微生物细胞固定化技术一污泥颗粒化 u a s b 反应器利用微生物细胞固定化技术一污泥颗粒化实现了水力停留时 问和污泥停留时间的分离，从而延长了污泥泥龄，保持了高浓度的污泥颗粒厌 氧污泥具有良好的沉降性能和高比产甲烷活性，且相对密度比人工载体小，靠产 生的气体来实现污泥与基质的充分接触，节省了搅拌和回流污泥的设备和能耗； 也无需附设沉淀分离装置。同时反应器内不需投加填料和载体，提高了容积利用 率 ( 2 ) 由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用 在u a s b 反应器中，由产气和进水形成的上升液流和上窜气泡对反应区内 的污泥颗粒产生重要的分级作用这种作用不仅影响污泥颗粒化进程，同时还对 形成的颗粒污泥的质量有很大的影响。同时这种搅拌作用实现了污泥与基质的充 分接触。 ( 3 ) 设计合理的三相分离器的应用 三相分离器是u a s b 反应器中最重要的设备。三相分离器的应用省却了辅 助脱气装置。能收集从反应区产生的沼气，同时使分离器上的悬浮物沉淀下来， 使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内 1 2 3 应用研究现状 ( 1 )启动技术方面 k p i s m 等较早开展此方面的研究嘲。由于颗粒污泥是u a s b 技术的核心， 颗粒污泥的形成与否直接关系到u a s b 反应器运行的成败。许多研究集中在厌 氧颗粒污泥的培养上。迄今，对厌氧颗粒污泥的培养已取得了许多有益的经验。 我国吴允等向接种污泥内加入膨润土和非离子型聚丙烯酰胺，处理啤酒生产废 水，4 周内形成了稳定颗粒污泥床1 9 l 。郑平等研究了制药废水的厌氧处理启动技 末l l o l 。 1 1 上海师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 废水处理领域 k t t i n g a 博士和他的同事首先在实验室进行了容积为6 0 l 的u a s b 反应器 的试验研究结果表明，该处理装置的处理效果很好，其有机负荷率c o d 高达 1 0 k ( m 3 d ) ，此后进行了容积为6 m 3 3 0 m 3 及2 0 0 1 1 1 3 的半生产性试验研究，均取 得了良好效果 1 1 , 1 2 j 其后，荷兰、德国、瑞典、比利时和美国的研究者用u a s b 反应器进行了 土豆加工废水、蚕豆加工废水、屠宰废水、罐头制品加工废水、甲醇废水、乙酸 废水及纤维板废水的小试或生产性试验，都取得了较好的效果。据不完全统计， 至1 9 9 0 年，世界各地已有2 0 5 个生产规模的u a s b 系统投入运行，到1 9 9 3 年， 这个数字已增加到4 0 0 多p 1 。至今，在欧洲的u a s b 工艺已普遍形成了颗粒污泥。 u a s b 工艺在我国的应用从8 0 年代发展至今，应用越来越广泛从8 0 年 代末的处理酒厂、啤酒厂废水( 用单一u a s b 工艺) o - t 5 l ，到9 0 年代末期，与 其他工艺联合使用，如u a s b + a f 处理高浓度涤纶废水、p u a s b 加压处理制药 废水等【1 6 咄j 同时也已经成功应用于城市污水处理和生活污水的处理1 2 2 1 。 1 2 4u a s b 工艺的发展趋势 虽然u a s b 工艺在我国的应用已经有了较大发展，但与国外水平尚有差距， 应进一步加强在u a s b 反应器及其配套设备的设备化和工程应用上的探索和实 践。同时，在以下几个方面，u a s b 厌氧处理工艺也正在实现新的发展；低温 下u a s b 反应器的运行；高温厌氧处理；用于处理不积累或不产生新的颗粒 污泥的u a s b 反应器；处理含有高浓度毒性物质的废水；低浓度废水的厌氧 处理。随着研究的不断深入与发展，相信u a s b 厌氧处理工艺的应用前景是十分 广阔的。 1 3 厌氧颗粒污泥的性质和形成 1 3 1 厌氧颗粒污泥的性质“1 在u a s b 反应器形成厌氧颗粒污泥( 简称颗粒污泥) ，对反应器的启动和运行至 关重要颗粒污泥是微生物凝聚的结果，是一种特殊的生物膜。许多微生物嘲， 如细菌、酵母、霉菌和其它真菌等都能够发生凝聚作用，凝聚是一种普遍存在的 自然现象。微生物的这种凝聚对废水的生物处理是非常有用的。分散的单个菌体 上海师范大学顼士学位论文 在溶液中不稳定，由于它们体积微小、比重与水接近并带有负电荷等特性而很难 沉降，因而容易被冲洗出水处理设备凝聚使单个菌体吸附在一起，形成污泥， 能提高污泥的沉降性能，有利于其保留在设备中。污泥颗粒化不仅可大大增加污 泥的沉降性能，保证反应器中有效菌体保留，而且可改善污泥的生理条件，从而 有利于菌体生长和它们之间的相互作用。 颗粒污泥因所处理废水的组成、操作条件和分析方法等的不同而有所不同 阻嘲颗粒污泥的形成实际上是微生物固定化的一种形式，但与其它类型不同， 其形成与存在不依赖于任何惰性生物载体，惰性载体对颗粒污泥的形成和它的稳 定性都不是必须的a l p h e n a a r “。1 将颗粒污泥定义为具有自我平衡能力的微生态 系统的、其特性特别适宜于上流式废水处理系统的微生物聚集体。颗粒污泥的半 径一般为0 5 - 5 姗，通常用已酸化底物培育的颗粒污泥比用未酸化底物( 如葡萄糖) 小颗粒污泥的形状有球形、杆形、椭球形，以球形为主。颗粒污泥的颜色为黑 色或灰色，还有研究者观察到了白色的颗粒污泥嘲。颗粒污泥有两个重要特性： 良好的沉降性能和高比产甲烷活性。在u a s b 反应器中，颗粒污泥的沉降速度为 1 8 - 1 0 0m h ，一般为1 8 - 5 0m h 颗粒污泥根据其沉降速度可分三类：1 沉降性能 差的颗粒污泥( 其在u a s b 反应器中的沉降速度小于2 0 i n h ) ：2 沉降性能一般的颗 粒污泥( 其在u a s b 反应器中的沉降速度为2 旷5 0 m h ) ：3 沉降性能良好的颗粒污 泥( 其在u a s b 反应器中的沉降速度大于5 0 m h ) 嘲。 颗粒污泥主要由厌氧菌组成，如共生单胞菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷丝状 菌属等，但同时还存在一些好氧菌和兼性厌氧菌。甲烷菌在生物分类学上属于古 细菌，是绝对厌氧菌。 1 3 2 颗粒污泥的结构 人们运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对颗粒污泥的表面和内部结构 进行了观察。在颗粒污泥的表面通常可见许多洞穴，这些洞穴可能是物质传递的 通道嘲。颗粒污泥中存在的各种细菌和这些细菌之间的相互关系与废水的组成和 操作条件等都有直接关系。一般来说，简单废水所培育的颗粒污泥相对简单：而 复杂废水所培育的颗粒污泥相对复杂，其中没有清晰的内部组织。u a s b 反应器中 成熟的颗粒污泥有呈层次结构的，也有不呈层次结构的睁捌。研究者对一种颗粒 污泥的内部结构进行研究，提出了这种颗粒污泥的三层结构理论吼“。他们认为 上海师范大学硕士学位论文 颗粒污泥是一个中间为含细菌的洞穴核心，外面包围着一些明显成层的细菌的结 构。最外层大约为1 0 - 2 0 姗厚，含有整个颗粒污泥表面所观察到全部细菌如 m e t h a n o c o c c a l e s 、m e t h a n o s p i r i l l u m 次外层的厚度与最外层相似，也为 1 0 2 0 p r o ，主要由杆菌组成，还存在形幢i m e t h a n o b r e v i b a c t e 属的细菌和 s y n t r o p h o b a c t e r 属的细菌。最外层和次外层之间由一些自由空间分开，并通过 一些细小的丝状菌连接起来。最内层由一些大菌团组成，这些菌团主要由形似 m e t h a n o t h r i xc o n c i l i i 和m e t h a n o t h r i xs o e h n g e n i i 的弧状杆菌 ( 0 4 - 0 5 x l o - 1 8 肛m ) 等组成在这一层中还存在大量的洞穴这三层中所有细菌 都为胞外多聚物( e c p ) 所包裹。 一般地，一种废水所培养出的颗粒污泥的组织结构是降解这种废水有机物的 最佳结构。颗粒污泥中各种微生物之间存在着协同作用，缺少其中任意一种微生 物，颗粒污泥都不能形成，或形成的颗粒污泥不能完全降解废水中的有机物。例 如，颗粒污泥表面存在的m e t h a n o b a c t e r i u mt h e r 咐o u t o t r o p h i c u m 可以消耗水相 中存在的自由氢( 可能是其它微生物的代谢产物) ，从而可以防止氢向颗粒污泥内 部渗透，因而能够消除氢对其它微生物降解乙酸、丙酸等有机酸的抑制。如果缺 乏这种微生物，则水相中的自由氢将抑制其中某些微生物的活性，影响整个处理 过程 1 3 3 颗粒污泥的形成机理与过程 关于颗粒污泥形成的机理目前还处于研究阶段，研究者提出了种种假说，大 多数是根据观察颗粒污泥在形成过程中所出现的现象提出的，以下为几种有代表 性的假说“】： ( i ) g l e t t i n g a 等提出了晶核假说。他们认为颗粒污泥的形成类似于结晶 过程，在晶核基础上，颗粒不断发育，直到最后形成成熟的颗粒污泥。晶核来源 于接种污泥或在运行过程中产生的无机盐，如c a c o , 或其它颗粒物质。 ( 2 ) 不少研究结果表明，在多数成熟的颗粒污泥中很难找到晶核。颗粒污泥 的形成可不以晶核为基础而成长，而是完全靠微生物本身形成的，因而又有以下 观点： a 、电中和作用，m a h o n e y 等人认为，在厌氧污泥颗粒化过程中，c a 2 + 能中和 细菌细胞表面的负电荷，能减弱细胞间的电荷斥力作用，并通过盐桥作用而促进 1 4 上海师范大学硕士学位论文 细胞的凝聚反应： b 、胞外多聚物架桥作用，这是目前比较流行的假说。这一假说认为，颗粒 污泥是由于微生物( 细菌) 分泌的胞外多糖所细胞粘结在一起而形成的。 另外还有吴唯民等人提出的“包埋说”、z o u t b e r g 等人提出的“选择压作用说”、 m a c l e o d 等人提出的“分段形成说”和g r o t e n h u i s 等人认为的“二次核说”。 y g y e n 嘲等认为污泥颗粒化过程可分成三个阶段：即积累阶段、颗粒化阶段 和成熟阶段。大量初始颗粒污泥在反应器的底部形成并开始逐渐增长这种状态为 颗粒初始化。从反应器刚开始启动到颗粒初始化这段时间称为积累阶段。在此阶 段中，颗粒化过程进行的很慢。相应地，当用粒径表示的颗粒比生长速率急剧下 降时( 约为最大生长速率的2 0 或更低) ，颗粒成熟，这种状态称为颗粒成熟化。 颗粒化阶段对应于颗粒初始和颗粒成熟之间的那段时间。在成熟阶段，尽管颗粒 的平均大小仍然变化，但是成熟颗粒污泥较稳定，达到动力学平衡。周孟律等嘲 把u a s b 反应器中颗粒污泥的形成过程分为5 个时期，即絮凝污泥丝状菌增长期、 颗粒污泥亚单位生成期、亚单位聚集期、初生颗粒生长期和颗粒污泥生长和成熟 期。另外，s e h m i d t 等嘣1 总结前人的成果，则认为颗粒污泥的形成过程分为四步， 即：1 、细菌向惰性物质或其它菌体表面移动：2 、通过理化作用可逆地吸附在一起 或惰性物质上：3 、通过微生物附属物( 如e c p ) 的作用将细菌不可逆地粘附一起或 惰性物质上；4 、细菌的倍增和颗粒污泥的增大。 1 3 4 影响u a s b 反应器中颗粒污泥化的因素 由于u a s b 反应器成功运行的关键在于培养出沉降性能好、比产甲烷活性高的 颗粒污泥，所以颗粒污泥化对于u a s b 反应器去除废水有机物的效果和能力有着十 分重要的意义。影响颗粒污泥形成的因素有很多，如进水水质、进水浓度、p h 值、温度和负荷等“。“1 。 ( 1 ) 接种物及接种量 w e i g a n t 等啪1 的研究表明，以消化过的污泥、牛粪等为接种物均可生成颗粒 污泥，只不过经过厌氧消化的接种物可以较快地形成颗粒污泥。国内的研究“。“ ”也表明用阴沟污泥、厌氧消化过的猪粪、鸡粪、二沉池污泥、酒精废醪等为接 种物都可形成颗粒污泥。郑元景“1 认为，培养颗粒污泥并不需要特别的接种物。 吴唯民等1 还成功地在中温下用好氧活性污泥作接种物，培养出了性能良好的颗 上海师范大学硕士学位论文 粒污泥。陆正禹等“删则在常温下用好氧污泥作为种泥成功地启动了反应器。但 研究表明采用颗粒污泥为种泥，可加快颗粒化进程，缩短反应器的启动时间。接 种量以5 1 5 9 v s s l 为宜，较大的接种量可缩短启动的时间。对不同类型的废水和 接种物，适宜接种量可能有所差别“ 。 ( 2 ) 进水水质及有机物浓度 目前，人们已经成功地利用很多废水培养出厌氧颗粒污泥，如酿造废水、食 品工业废水、造纸工业废水和生活污水等等“1 “。厌氧消化所需的c o d ：n ：p 比值较高( 2 0 0 ：5 ：1 ) ，当废水中缺少n 、p 时，一般需要投加尿素、磷酸盐等来补 充n 、p 两种元素“”废水中营养不足时，一般难以形成颗粒污泥甲烷菌的 最适p h 范围为6 8 - 7 2 ，要培养出颗粒污泥，p h 值必须在这个范围内。通常在 p h 8 2 的环境中，甲烷菌的生命活动受到抑制，颗粒污泥难以形成。乙酸 浓度较高时，甲烷八叠球菌比增殖速率明显高于甲烷丝菌，成为优势甲烷菌：而 浓度较低时，甲烷丝菌则成为优势甲烷菌，易造成污泥膨胀。培养颗粒污泥的进 水c o d 浓度一般以1 0 0 0 - 5 0 0 0 m g l 为宜。高的进液浓度有利于底物向构成颗粒污 泥的细菌细胞内传递，因而有利于颗粒污泥的形成和生长“】。但浓度不能过高， 过高时细菌生长过快，形成的污泥结构松散、沉降性能差；过低会延长培养时间， 甚至难以形成颗粒污泥。颗粒污泥的平均直径随进液浓度上升而增大“，但达 一定大小后不再增大。 ( 3 ) 污泥负荷及有机容积负荷 颗粒污泥在负荷大于0 3 k g c o d k g v s s d 时才开始形成“4 删。在反应器内出 现颗粒污泥之后，污泥负荷应迅速提高到0 6 - 0 7 k g c o d k g v s s d 范围内，因为 在此范围内颗粒污泥的生长和成熟最快最好。培养颗粒污泥时， 0 3 - 0 5 k g c o o k g v s s d 有利于絮状污泥的生长和争夺营养，从而影响颗粒污泥 的增长速度，因而污泥负荷不宜停留在此范围内。m o r v a i 等“”发现颗粒污泥 的直径随负荷增大而增大。高负荷可使底物更多进入颗粒内部，从而允许大的颗 粒生长和存在。减少反应器负荷会导致颗粒污泥强度降低，负荷的波动会导致颗 粒污泥的破碎。y g y e n 等嘲认为以反应器中污泥的比产甲烷活性作为提高反应 器的污泥负荷的依据可以加速厌氧反应器的启动。实验研究表明根据污泥比产甲 烷活性平均值的6 0 - 一8 0 来逐步提高反应器污泥这种方法已证明对加速反应器的 上海师范大学硕士学位论文 启动和污泥颗粒化过程是合适的。 ( 4 ) 温度 人们己成功在常温( 2 0 - 3 0 ) 、中温( 3 3 - 3 7 1 2 ) 及高温( 5 0 - 5 5 ) 等温度下培 养出颗粒污泥“1 一般，其它条件相同时，温度升高，培养颗粒污混所需时问缩 短，高温较中温、中温较常温有利于培养颗粒污泥。w i e g a n t 等卿发现，中温下 污泥全部颗粒化需运行1 6 0 天，高温时则只需1 0 9 天。另外，不同温度对接种物要 求也不同，中温条件下须接种一定量颗粒污泥，而高温条件下接种物中含有 m e t h a n o t h r i xs p 利于颗粒形成。现有反应器通常采用两个温度范围：3 3 - 3 7 1 2 和 5 0 - 5 5 1 2 在上述范围内，温度的微小波动，不会明显影响污泥颗粒化，但如果 波动幅度过大，就对颗粒形成产生有害影响o “”。 ( 5 ) 水力负荷和气体上升速度 培养颗粒污泥需要一定的水力负荷，水力负荷大于0 2 5 m 3 2 h 可以把絮状 污泥与颗粒污泥完全分开h 札。水力负荷的作用是筛选沉降性能良好的污泥，淘汰 结构松散、沉降性能差的絮状污泥。在颗粒化初期，淘汰絮状污泥可避免与颗粒 污泥争夺营养，从而有利于颗粒污泥的生长呻1 。气体上升速度的作用与水力负荷 相似，主要也是筛选不同沉降性能的污泥，淘汰沉降性能差的污泥。提高气体上 升速度可以促进污泥的颗粒化、提商颗粒污泥的质量。但过高有害，会使形成的 颖粒污泥分散、沉降性能降低。气体上升速度可采用充氮来提高。w i j b e n g a 等“1 试验表明，提高气体上升速度可促进污泥的颗粒化。他们采用9 5 絮状污泥) j h 5 颗粒污泥作接种物来启动实脸用u a s b 反应器，开始产气少，气体上升速度小，进 料1 1 6 天时，还未出现污泥颗粒化。采用充氮提高气体上升速度，结果3 1 天后， 即完成了污泥颗粒化。但充氮会提高反应器运行成本和能耗。 ( 6 ) 微量元素及其它营养 s p e e c e “删认为甲烷菌需要下列营养：n ，s ，p ，f e ，c o ，n i ，m o ，s e ，v b 2 ，v b l 2 0 缺 少上述某一种营养，产甲烷过程仍会进行，但速率会降低。 m g ”是厌氧颗粒污泥灰分中重要组成成分，在厌氧污泥的灰分中含镁约为 3 4 m 嘲。在u a s b 中，m g ”参与甲烷菌的能量代谢过程，可以促进其生化反应的 进程，从而加速甲烷的产生。b l a y l o c k 等研究厌氧污泥中的巴氏甲烷八叠球菌 的甲基转移过程发现，m g ：+ 参与了催化以甲醇为甲基供体和以维生素b ：为甲基受 1 7 上海师范大学硕士学位论文 体合成甲基维生素b l ：的过程，而后者是合成甲烷的重要前体物之一( 对其它甲烷 菌可能也有类似作用) 。但是，当m g ”浓度不足时，不能起到催化和促进作用。另 外，m 9 2 + 会影响高温厌氧污泥的微生物特征，即影响污泥中各种微生物的相对数 量，改变其中的优势菌略嘲 c a 2 是影响颗粒化的一个重要因子随4 ，c 矿能增加颗粒污泥的比重、改 善污泥的沉降性能、提高颗粒污泥的稳定性适当浓度的c a ”可以提高u a s b 反应 器的c o d 去除率、促进u a s b 中污泥的颖粒化、改善颗粒污泥的稳定性、可以提前 颗粒污泥的出现。但c a 2 + 浓度过高时，颗粒污泥的活性会降低 f e 2 + 主要以f e s 的形式存在于厌氧颖粒污泥中f e “是催化许多厌氧反应必要 酶的重要组成成分。厌氧颗粒污泥的黑色主要就是由于f e s 之类硫化物沉淀存在 的缘故。据称f e s 所具有的较高表面张力和细菌的亲脂性可起到稳定细菌团粒的 作用“1 f e s 可能有助于稳定厌氧颗粒污泥中的菌团，从而对颗粒污泥结构的稳 定性具有一定作用。在前文提到已氏甲烷八叠球菌的甲基转移过程中，酶催化反 应的成分中除了前文提到的m g ”外，还有铁氧还蛋白及其它一些物质眦铘f e ”能 够加速u a s b 反应器中污泥的颗粒化，但高浓度f e 升对污泥颗粒活性存在一定的毒 性嗍。 f e “、c o ”和n i “对u a s b 反应器中颗粒污泥的形成起着重要作用嘛刚。f 矿、z n ”、 c 0 ”和n i “对厌氧微生物生长有促进作用，添加适量这些离子可大大缩短u a s b 反应 器中厌氧污泥颗粒化的时间。微量f e ”、c o “和n i ”能有效缩短厌氧消化时间，提 高基质降解速率和产气速率嵋町。 r e s p e e c e “1 认为f e 、c o 、n i 、w o ”、z n ”和m n 2 + 等二价金属离子对甲烷菌 的代谢过程有激活作用。n i 对甲烷菌是必要的微量金属离子，是细菌尿素酶的 重要成分 磷酸盐也可使颗粒污泥提前出现“。1 。缺乏磷时，产甲烷过程虽仍进行得非 常好，但是细胞增长减慢，不利于污泥顺粒化。在反应器的启动阶段中，使用相 对高浓度的氮和磷刺激细菌增殖，可加快污泥颗粒化，但是氮、磷浓度过高会影 响颗粒污泥的活性。 ( 7 ) 碱度 一般认为“刚对于以碳水化合物为主的废水，保持进水碱度：c o d 1 ：3 是 上海师范大学硕士学位论文 必要的在某些厌氧处理过程中控制一定碱度是培养颗粒污泥的关键。例如控 制进水碱度大于1 0 0 0g l ( 以c a c g 计) 处理北京啤酒厂常温1 6 2 0 中试 ( 6 7 m ，) u a s b 反应器内形成了性能良好的颗粒污泥。但颗粒污泥成熟以后，对进 水碱度要求有所降低，5 0 0 - 6 0 0 i i i g c a c o g l 以上即可满足需要阍 ( 8 ) 载体物质 污泥颗粒化与载体存在与否无关。但许多研究表明加入惰性细微颗粒如活性 碳踟，高炉粒状炉渣”( d o i m ) ，可大大改善颗粒形成问题，明显缩短启动时 间加细炉渣后，废水性质和物理因素基本上不影响颗粒污泥的形成，可在短时 间内完成造粒。试验表明，启动阶段投加细微颗粒似仅起着初期污泥晶核作用， 利用颗粒表面的性质，短期内加快那些易于形成颗粒污泥的细菌在颗粒表面上的 富集。这些颗粒