（环境工程专业论文）由厌氧颗粒污泥制备好氧颗粒污泥处理啤酒废水的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 好氧颗粒污泥的研究主要是来自于厌氧污泥的颗粒化，近些年国内外学者认 识到在好氧环境下，由于微生物的自凝聚性质，污泥也可以颗粒化。本论文在的 s b r 反应器中，利用人工配制的模拟废水，接种厌氧颗粒污泥培养好氧颗粒污泥。 通过控制c o d 有机负荷、水力停留时间、表面上升气体流速等条件，反应器在运 行4 5 d 后成功培养出了好氧颗粒污泥。 当c o d 负荷为3 9 5 4 0 6k g ( m 3 d ) 、表面上升气体流速为o 0 2 1 8 m s 、水力 停留时间为6 h 时，反应器内形成了成熟的好氧颗粒污泥。在培养过程中通过监测 出水c o d 、t n 、t p ，分析了反应器内污泥颗粒化过程中的生物降解能力的变化情 况。 好氧颗粒污泥比重为1 0 0 6 ，含水率为9 7 2 ，比耗氧速率为 1 9 0 0 9 0 2 k g m l s s 。h 一。利用光学显微镜对好氧颗粒污泥进行观察，发现好氧颗粒 污泥呈黄色，粒径2 - 5 m m ，结构密实，周围没有丝状菌生长。利用扫描电镜观察 好氧颗粒污泥微观结构发现好氧颗粒污泥主要由排列规则的球菌和杆菌构成，杆 菌的长为1 8 2 4i tm ，直径为ll a1 1 1 左右，球菌直径为0 6 o 9um 。 c o d 为2 0 0 0 m g l 左右的啤酒废水经处理，其出水c o d c r 低于1 5 0 m g l ，c o d 去除率稳定在9 l 左右。出水总氮浓度低于1 0 m g l ，总氮去除率达到8 4 以上； 出水总磷浓度在2 m g l 左右，总磷去除率达到8 6 以上。 关键词：好氧颗粒污泥；s b r 反应器；微生物相；啤酒废水 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n er e s e a r c ha b o u ta e r o b i cg r a n u l a rs l u d g em a i n l yc o m e sf r o mt h eg r a n u l a t i o no f a n a e r o b i cs l u d g e ，r e c e n t l yt h er e s e a r c h e rh a v eb e e nc o g n i z a n to ft h ea e r o b i cs l u d g e g r a n u l a t i o nb e c a u s eo ft h em i c r o b i a ls e l f - i m m o b i l i z a t i o n t h i sp a p e rc u l t i v a t e dt h e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei nt h es b rr e a c t o r sw h i c hi si n o c u l a t e da n a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g eu s i n gs y n t h e t i cw a s t e w a t e r t h es b r r e a c t o rs u c c e e d e di nc u l t i v a t i o no ft h e a e r o b i cg r a n u l a ra f t e rt h er e a c t o r so p e r a t e d4 5 db yc o n t r o l l i n gt h ec o do r g a n i cl o a d , h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a n ds u p e r f i c i a lu p f l o wa i rv e l o c i t y m a t u r eg r a n u l a rs l u d g ei sc u l t i v a t e dw h e nc o d o r g a n i cl o a di s3 9 5 卅0 6k g ( m 3 。 d ) ，s u p e r f i c i a lu p f l o wa i rv e l o c i t yi so 0 2 1 8 m s ，h r ti s6 h t h es b r r e a c t o r sb i o l o g i c a l d e g r a d a t i o na b i l i t yv a r i e t yi nt h ep r o c e s sw a ss t u d i e db ym o n i t o r i n gt h ec o d ， in ，a n d t po f t h ee f f l u e n t t h es p e c i f i cg r a v i t yo ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a s1 0 0 6 ，w a t e rc o n t e n to f g r a n u l a rs l u d g e i s 9 7 2 t h es o u ro ft h ea e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e i s 1 9 0 09 0 2 k g m l s s 一1 h 一n ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ss t r u c t u r ei sv e r yc o m p a c t n e s s t h ed e t a i lm i c r o s t m e t u r eo f t h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a r ee x a m i n e du s i n gs e m t h e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec o n s i s t so f r o u n d l i k ea n dr o d - l i k es p e c i e s ，t h ed i a m e t e ro f t h e r o u n d - l i k ei so 6 o 9um t h el e n g t ha n dt h ed i a m e t e ro f t h er o d - l i k es p e c i e si s1 8 2 4 1 1ma n dli tm r e s p e c t i v e l y t h eb e e rw a s t e w a t e rw h i c hc o di s2 0 0 0 m g li st r e a t e db ya e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ， t h ec o do fe f f l u e n ti sb e l o w1 5 0 m g l ，t h er e m o v a lr a t ei s9 1 ：t h et no fe f f l u e n ti s b e l o w1 0 m g l ，t h er e m o v a lr a t ei s8 4 ；t h et po fe f f l u e n ti s 2m g l ，t h er e m o v a lr a t e s i s8 6 k e y w o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；s b rr e a c t o r ；m i c r o b i a lm o r p h o l o g y ；b e e r w a s t e w a t e r 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：趁 日 期：论文作者签名：墼 日 期： 弘。j ，j 2 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、缩印或其他复制手段 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：兰墨生导师签名：弛 瓿：硎琅夸 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 帚一早三百下匕 1 1 污泥颗粒化生物处理技术 污泥颗粒化是细胞通过生物、物理、和化学的作用相互结合的一种现象，是 指在特定的工艺条件下，反应器中的微生物与载体或微生物之间相互作用形成大 而密实的颗粒状的污泥聚合体。根据颗粒化过程中是否投加载体，可分为载体型 颗粒污泥和生物自凝聚颗粒污泥；而根据代谢过程中电子受体的不同，又可分为 厌氧颗粒污泥和好氧颗粒污泥【l 】口 1 1 1 厌氧颗粒污泥技术 厌氧颗粒污泥于1 9 7 6 年在荷兰最早发现，它是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解 发酵菌等构成的自凝聚体，其良好的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床 反应器成功的关键。高活性的厌氧颗粒污泥使得厌氧反应器的处理效率大大增强， 为开发高效厌氧反应器奠定了基础。 ( 1 ) 厌氧颗粒污泥的基本性质 厌氧颗粒污泥具有相对规则的球形或椭球形外观，成熟的厌氧颗粒污泥表面 边界清晰，通常是黑色或者灰色，直径变化范围为0 1 4 7 m m 。颗粒污泥的密度 约在1 0 3 0 , - - 1 0 8 0k g m 3 之间。颗粒污泥有良好的沉降性能，沉降速度范围为 1 8 1 0 0 m h ，典型值在1 8 5 0 m h 之间，根据沉降速率可将颗粒污泥分为三类：第 一种沉速1 $ - 2 0 m h ，沉降性能不好；第二种沉速1 8 - 5 0 m h ，沉降性能满意；第三 种沉速5 0 1 0 0 m h ，沉降性能很好。颗粒污泥的干重( t s s ) 是挥发性悬浮物( v s s ) 与灰分( a s h ) 之和，v s s 主要由细胞和胞外有机物构成，通常情况下v s s 占污泥 总量的比例是7 0 - , 9 0 1 2 1 。 颗粒污泥中的化学元素分为主要元素和微量元素。主要元素为c 、h 、n ，其 比例大致为4 0 5 0 、7 、1 0 ，颗粒污泥中微量元素f e 、c a 、s i 、p 、s 均为 大量元素，m g 、f e 和其他一些金属离子可能以碳酸盐、磷盐、硅酸盐或硫化物的 形式存在于颗粒污泥中，基质中少量c a 2 + 对颗粒化过程的促进作用已达成识【孙。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 厌氧颗粒污泥的结构 颗粒污泥的结构是指各种细菌在颗粒污泥中的分布状况。利用扫描电镜可以 观察颗粒污泥的表面，利用透射电子显微镜可以研究颗粒污泥的内部结构，在颗 粒污泥内部经常可以观察到互营性细菌形成的微菌落。李宗义等 4 1 等利用扫描电子 显微镜和荧光显微镜技术对成熟厌氧颗粒污泥的结构及微生物群落等进行跟踪观 察，结果显示：颗粒表面有较多孔隙和空穴，这些孔穴是底物与营养物质进入颗 粒内部的通道，颗粒内部菌体产生的气体也从该通道逸出，各种不同类型的细菌 以微小群落的形式随机地分布在颗粒污泥中，颗粒污泥的孔隙率在4 0 8 0 之间， 一般小颗粒污泥孔隙率高而大颗粒污泥孔隙率低，因此小颗粒污泥具有更强的生 命力和相对高的产甲烷活性。 傅山岗等 5 】通过透射电镜对厌氧污泥颗粒内部结构进行系统的分析，研究其中 微生物的生态情况及分布特征，发现厌氧颗粒污泥由多种微生物但主要是丝状菌、 杆状菌和球状菌组成，这些菌群整体上以混栖分布的形式存在，菌体密度从外向 内由密交疏，呈递减式的梯度分布，由此可以看出厌氧颗粒污泥是一个微生态系 统，不同类型的细菌种群在系统中相互依存，形成互营共生体系，有利于细菌对 有机物的降解。 ( 3 ) 厌氧颗粒污泥的微生物相组成 厌氧颗粒污泥中的厌氧细菌可分为三类：第一类：水解发酵菌，对有机物进 行最初的分解，生成有机酸和酒精，主要为兼性及专性厌氧型异养微生物；第二 类：产乙酸菌，对有机酸和酒精进一步分解利用，产酸菌又可分为两种，一种是 产氢产酸细菌，该类菌产氢及乙酸，可供产甲烷菌利用，其生长过程需要吸收大 量能量，有赖于产甲烷细菌同化h 2 释放能量供其利用，因此两者形成共养关系。 另一种是同型产乙酸菌，该类菌是有机无机混合营养型的专性厌氧菌；第三类： 产甲烷菌，将i - 1 2 、c 0 2 、乙酸以及其它一些简单化合物转化成为甲烷，该类菌主 要包括氧化氢的产甲烷菌和利用乙酸的产甲烷菌。 利用m p n 方法，可以鉴定出颗粒污泥中微生物的类别【6 】，颗粒污泥中典型的 产甲烷菌包括：甲烷短杆菌、甲烷螺菌、甲烷丝菌、甲烷八叠球菌：互营性细菌 包括：互营杆菌( s y n t r o p h o b a c t e rs p p ) ，共养单胞菌( s y n t r o p h o m o n a ss p p ) 和暗 杆菌( p e l o b a c t e rs p p ) 。此外，颗粒污泥中还存在硫酸盐还原菌，如脱硫弧菌属 ( d e s u l o v i b r i os p ) 和脱硫叶菌属( d e s u f o b u l b u ss p ) 。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 厌氧反应器的发展 厌氧反应器大致经历了三个时代，第一代厌氧反应器是以普通厌氧消化池 ( c a d t ) ，厌氧接触工艺( a c p ) 为代表的低负荷系统，由于厌氧微生物生长缓慢， 世代时间长，足够长的停留时间是厌氧工艺成功的关键条件，由于厌氧消化池无 法分离水力停留时间和污泥停留时间，所以污泥消化池需保持足够长的停留时间， 但是这样大大降低了厌氧处理的效率。 高效率厌氧处理系统需要满足的条件之一就是反应器内必须保持大量的活性 厌氧污泥，依照这一原则人们成功开发了第二代厌氧反应器。第二代反应器是2 0 世纪6 0 年代末以在反应器内保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄为目标，利用 生物膜固定化技术和培养易沉淀厌氧污泥的方式开发出的。如厌氧滤器( a f ) 、厌 氧流化床( a f b ) 、厌氧生物转盘( a r b c p ) 、上流式厌氧污泥床( u a s b ) 、厌氧附着膨 胀床( a a f e b ) 等，这些厌氧反应器的一个共同特点就是可以将固体停留时间与水 力停留时间相分离，其固体停留时间可以长达上百天，这使得厌氧处理高浓度污 水的停留时间从过去的几天或者几十天缩短到几小时或者几天，其中u a s b 反应 器已经被广泛的应用于生产性的装置上。 高效厌氧处理系统需要满足的另一个条件，是使得进水和污泥之间的良好接 触，为此，人们首先应该确保在反应器布水的均匀性从而最大程度的避免短流。 而厌氧反应器混合可来源于进水的混合和产气的扰动这两方面，但是当进水无法 采用高的水力和有机负荷的情况下，由于在污泥床内的混合强度太低以致无法抵 消短流效应，因此这一问题的研究促使了第三代厌氧反应器的研发和应用，第三 代厌氧反应器是在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下，使固液两相 充分接触，目前研究较多的有：厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 、厌氧内循环0 c ) 、厌 氧膜生物系统( a m b s ) 、厌氧序批反应器( a s b r ) ，折流式厌氧反应器( a b r ) 、厌氧 迁移式污泥床反应器( a m b r ) 、上流式分段污泥床( u s s b ) 等1 7 1 。 1 1 2 好氧颗粒污泥技术 ( 1 ) 好氧颗粒污泥的基本性质 好氧颗粒污泥外观一般为橙黄色，圆形或椭圆形。成熟的好氧颗粒污泥有光 滑的表面，好氧颗粒污泥的平均粒径在o ，2 5m m 左右，颗粒污泥的形状系数稳定 山东大学硕士学位论文 在o 4 5 ，纵横比为o 7 9 。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 l g ，大大低于传统的絮状活性污泥的s v i 值。好氧颗粒污泥的沉降速率与 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 。好 氧颗粒污泥的比重一般在1 0 0 4 1 0 0 8 左右 9 1 。l i u 等测得的接种污泥的s o u r 值为8 3 69 0 2 k g m l s s 。h ，而形成的好氧颗粒污泥的s o u r 值为 1 0 0 7 9 0 2 k g m l s s 一1 h 一。 ( 2 ) 好氧颗粒污泥的结构 好氧颗粒污泥为层状结构，颗粒外部为好氧区，内部为缺氧或厌氧区，好氧 颗粒污泥表面以丝状菌为主体，相互缠绕，组成颗粒的框架，好氧区内层以好氧 细菌的集合体为主。 ( 3 ) 好氧颗粒污泥的微生物相组成 构成好氧颗粒污泥微生物的种属有贝氏硫细菌属、硫酸盐还原菌、好氧硫化 菌、球衣菌属、纤毛虫、吸管虫属、钟虫属等。杨凤林等1 1 1 研究发现好氧颗粒污 泥中生长多种菌属的脱氮细菌，其好氧和厌氧反硝化作用有很大的差别，多数为 兼性菌属，并且存在有异养硝化一好氧反硝化菌属特性的菌种，而反硝化菌可以 适应不同的氧气条件，这说明好氧颗粒污泥中微生物菌群存在多样性和较强的适应 性。 1 2 好氧颗粒污泥国内外研究综述 1 2 1 国内研究综述 国内学者对好氧颗粒污泥的研究始于1 9 9 5 年，国内对好氧颗粒污泥的研究重 点主要是好氧颗粒污泥的脱氮除磷性能的研究。 1 9 9 6 年，管运涛等1 2 】利用生物钙法对好氧颗粒污泥的形成条件进行了研究。 生物钙法好氧污泥颗粒化是通过加入c a ( o h ) 2 ，作为人工诱导剂而使微生物自身聚 集成颗粒状态的固定化微生物方法，运用正交试验的方法，对c a ( o h ) 2 在好氧污 泥颗粒化中的可行性和条件进行了研究。在试验过程中，有少量污泥颗粒产生。 试验结果表明，生物钙法好氧污泥颗粒化条件的最优水平组合为：水力停留时间 6 h ，c a ( o h ) 2 浓度5 0 0 m g l ，间歇投碱( 少量n a 2 c 0 3 ) ，其中，水力停留时问为关键 4 山东大学硕士学位论文 控制因素。 2 0 0 1 年，卢然超等【13 】采用模拟配制的生活污水，研究了循序间歇反应器( s b r l 工艺在不同运行条件下好氧污泥颗粒化和生物除磷效果的影响。发现进水中较高 的c o d t n 比( 2 4 6 6 ) 、c o d t p 比( 5 8 2 5 ) 、温度( 2 2 ) 和较低的污泥龄( 1 0 d ) 对生物 除磷和颗粒的形成有利。 2 0 0 3 年，国内学者对好氧颗粒污泥的硝化反硝化作用进行了研究。阮文权等 【“l 研究发现当反应液中氨氮浓度为2 0 1 m g l 时，6 h 反应周期内氨完全被氧化，出 水中检测不到n 0 2 - 一n ，残留的n 0 3 一一n 仅为2 m g l ，可见硝化和反硝化两个过 程完成了脱氮反应，颗粒污泥中存在硝化细菌和反硝化细菌。杨麒等采用人工 配制的模拟生活污水，通过对运行条件的调控，在序批式反应器( s b r ) 中培养出了 高活性的好氧颗粒污泥，反应器对于c o d 、n h 3 - n 的去除率分别在8 3 6 9 2 8 和8 2 3 9 8 5 之间。试验结果表明：由于好氧颗粒污泥的存在，s b r 反应器内 发生了同步硝化反硝化( s n d ) 反应，而不是通常所认为的顺序式硝化反硝化( s q n d l 反应。 2 0 0 4 年，蓝惠霞【16 1 刀等将好氧颗粒污泥应用于五氯苯酚和造纸废水的研究， 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。研究表明，好氧颗粒污泥工 艺在降解c o d 及去除n h 3 - n 方面具有明显优势，文中还分析了高浓度硫酸盐、 亚硫酸盐对该工艺的抑制作用，并提出了消除抑制的方法。卢刚等【1 8 1 研究了内循 环好氧颗粒污泥床硝化反应器氮亏损研究。基于双膜理论和热力学原理，构建了 氨逃逸的动力学模型，所建模型能够较为准确地预测反应器运行过程中的氮亏损。 2 0 0 5 年，朱亮等【1 靶研究了序批式气提生物反应器( s a b r ) 处理氯苯胺类( c a s ) 有机废水过程中好氧污泥的颗粒化现象，s a b r 运行1 5 d 后，反应器内出现细小污 泥颗粒，通过缩短循环时间与污泥沉降时间，并逐步提高c o d 与c a s 进水负荷， s a b r 运行4 8 d 后污泥颗粒化明显。王芳等 2 0 l 研究了反应器分别以蔗糖和乙酸钠 为进水碳源时好氧颗粒污泥的特性。实验结果表明：好氧颗粒污泥的形成特性与 进水碳源有很大的关系；以蔗糖为碳源时，好氧污泥颗粒化速度快，好氧颗粒污 泥表面被丝状物包裹；以乙酸钠为碳源时，污泥颗粒化速度慢，好氧颗粒污泥表 面光滑；不同碳源下形成的好氧颗粒污泥沉降性能差别不大；但好氧颗粒污泥胞 外多聚物的含量有很大差别。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究综述 好氧颗粒污泥的研究主要是建立在对厌氧颗粒污泥的研究基础上，人们在厌 氧条件下发现污泥颗粒化现象并进行深入研究后，发现在好氧条件下同样存在着 污泥颗粒化现象。1 9 9 1 年到1 9 9 7 年是研究好氧颗粒污泥的初始阶段，人们开始认 识到在好氧环境下污泥也可以颗粒化，而不仅仅局限于厌氧环境，并认为污泥颗 粒化是生物膜生长的一种特殊形式。这个阶段只是报道了好氧污泥颗粒化现象， 并未进行深入的研究。 1 9 9 1 年m i s h i m a 和n a k a m u r a b r a 2 1 第一次报道了利用连续流a u s b ( a e r o b i c u p f l o ws l u d g eb l a n k e t ) 反应器处理市政污水时，反应器内形成了直径2 s m m 的 颗粒污泥，这种污泥有着优良的沉淀性能。a u s b 是将微生物自凝聚原理应用于活 性污泥的一种生物处理方法，人们从这种反应器开始了好氧污泥颗粒化的研究。 1 9 9 2 年s h i n t 2 2 等利用两套搅拌速度不同的a u s b ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g e b l a n k e t ) 装置研究了好氧污泥的颗粒化，两套反应器在相同的c o d 负荷下运行 ( t k g m 3 d ) ，r 1 和r 2 分别在转速为3 r p m 和6 r p m 下操作，结果在r 1 中发生污 泥膨胀，而r 2 在启动5 天后形成了直径o 5 2 5n l l n 的巧克力颜色的好氧颗粒污 泥，试验揭示了颗粒化过程可以通过对污泥进行物理压力来控制。 1 9 9 7 年m o r g e a r o t h 等田】在实验室规模s b r ( s e q u e n c eb a t c hr e a c t o r ) 反应器 中在好氧状态下培养好氧颗粒污泥，通过缩短停留时间和排水时间排除沉降性能 差的污泥来提高颗粒污泥的生长速度，在曝气期间反应器内的溶解氧浓度保持在 2 m g l 以上，经过4 0 天的培养，虽然有少量絮状污泥存在，但在反应器中颗粒污 泥占主体，培养出的好氧颗粒污泥经过2 周的贮存未发生解体。 1 9 9 9 年到2 0 0 1 年，好氧环境下污泥的颗粒化开始引起人们的关注，在这个期 间，好氧污泥颗粒化( a e r o b i cg r a n u l a t i o n ) 被许多学者所报道，研究热点主要集中 于好氧颗粒污泥的形成的基本条件和影响因素。 1 9 9 9 年，p e n g 等在s b r 反应器中，以醋酸钠为碳源，在低溶解氧( o 7 1 0 r a g l ) 环境下培养出沉淀性能良好、颗粒直径在o 3 o 5 m m 之间的好氧颗粒 污泥，培养出的好氧颗粒污泥具有良好的沉淀性能，s v i 值为5 0 1 0 0 m l g 。同年， b e u n 等【2 5 】报道了在s b r 反应器中不同操作条件对好氧颗粒污泥形成的影响，证实 了较短的水力停留时间和较大的水力剪切力有利于污泥的颗粒化，其中沉淀时间 山东大学硕士学位论文 是影响污泥颗粒化的主要影响因素。 2 0 0 0 年，b e u n 等【2 6 j 利用s b a r 反应器在c o d 负荷为2 3k g c o d m 3 稳定运行 了5 0 d ，得到了表面光滑、直径为1 0 m m 、密度为4 8 9 l 的好氧颗粒污泥，通过较 短的停留时间来选择密实的颗粒污泥，只有沉降速度大于1 6 2m h 颗粒污泥被保 留，而沉降速度慢的颗粒污泥被洗出反应器。在不用优化任何反应过程的情况下， 反应器可以适应硝化和反硝化。在相同基质和相同的混合强度下，和s b b c 和b a s 反应器相比，在s b a r 中培养的颗粒污泥的粒径较小，密度更大。 2 0 0 1 年，e r e r e r 等【2 1 研究了好氧和厌氧交替运行状态下，s b r 反应器中颗粒 污泥的形成现象，反应器在3 6k g c o d m 3 负荷下运行，在试验的起始8 周内，颗 粒污泥的平均直径为3 2m l t l 。在接下来的第二阶段，开始交替的好氧和厌氧状态 开始应用于s b r 反应器，颗粒污泥的平均直径为3 0m m ，平均密度为1 0 4 4 1 0 4 8 g m l 。t a y 等【2 8 】分别以葡萄糖和醋酸钠为单一碳源在两个相同规格的s b r 反应器 中培养出了好氧颗粒污泥，利用图像分析和扫描电镜对好氧污泥的颗粒化过程进 行观察。结果表明好氧污泥颗粒化是一个从接种污泥到聚集体、再到颗粒污泥的 过程，以葡萄糖和醋酸盐为底物的所培养的好氧颗粒污泥在沉降速度、粒径大小、 形状、密度和生物活性方面有很多相似的特性，但是颗粒污泥微生物的种群与提 供的碳源有很大关系，在试验过程中发现饥饿阶段在整个操作循环过程中很重要， 周期性的好氧饥饿对于反应器内微生物聚集有着触发作用。t a y 等 2 9 1 利用4 个结构 相同的s b r 反应器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， 试验中上升的曝气引起的水力搅动作为主要的剪切力，结果表明水力剪切力与污 泥中细胞多糖的产生、比耗氧速率、细胞表面疏水性、比重等呈正相关关系，并 且只有当表面上升气速大于1 2c m s 的条件下，才能形成好氧颗粒污泥。 r a y 等【3 0 】 研究了细胞多糖在好氧颗粒污泥形成和稳定中的作用，试验中3 个s b r 反应器上 升流速分别为o 3c m s ，1 2c m s ，2 4c m s ，在第4 2 个循环时，在r 2 和r 3 中形 成的好氧颗粒污泥平均直径为o 3 7 m m 和0 3 5 m 但是在r 1 中未发现颗粒化现象， 污泥颗粒化以后i 也中的污泥体积指数为5 5m l g ，而r 3 中的污泥体积指数为4 6 m l g 。研究发现在好氧颗粒污泥的形成过程中，颗粒污泥中细胞多糖的含量比絮 状污泥高2 3 倍，为人们更好的理解好氧污泥颗粒化机理提供了依据。 从2 0 0 2 年到2 0 0 5 年随着好氧颗粒化技术的成熟，各国学者开始对好氧颗粒 污泥的培养条件、影响因素、脱氮除磷性质及其应用进行了深入的研究，并借助 山东大学硕士学位论文 现代生物分析手段对好氧颗粒污泥的组成和结构进行了分析和研究，有学者开始 将好氧颗粒污泥应用于工业废水的处理。 2 0 0 2 年，b e u n 等【3 1 l 在s b a r ( s e q u e n c i n gb a t c ha i r l i f tr e a c t o r ) 反应器中，当 c o d 负荷为2 5k g c o d m 3 时，经过一周培养出了好氧颗粒污泥，由于颗粒污泥的 沉降速度不同，密度大的颗粒污泥被选择出来，当达到稳态时好氧颗粒污泥的平 均粒径为2 51 1 1 1 1 1 ，沉降速度大于1 0m h 。t a y 等【3 2 】利用低核苷酸探针 ( o l i g o n u c l e o t i d e ) 、特定荧光染料( s p e c i f i cf l u o r o c h r o m e s ) 和荧光微粒( f l u o r e s c e n t m i c r o s p h e r e s ) 探测了好氧颗粒污泥的呈层状结构分布的好氧和厌氧微生物，发现 颗粒污泥的孔道渗入距离为9 0 0i tm ，厌氧细菌存在于距颗粒污泥表面8 0 0i tn l 处。 l i u 等【3 3 】研究了酚对以醋酸盐为基质的好氧颗粒污泥培养的抑制作用，平均粒径为 1 0 m m 的好氧颗粒污泥首先在s b r 反应器中被培养出来，然后在0 5 0 m g l 不同 酚浓度下，测定好氧颗粒污泥对醋酸盐的利用常数，试验在2 5 下进行，起始的 污泥m l s s 为1 0 9 1 8 6 m g l ，以醋酸盐为基质的c o d 浓度为1 8 5 3 0 0 m g l 。试 验结果显示：在酚存在的状态下，好氧颗粒污泥利用醋酸盐的过程遵循“零级” 反应动力学，以其实酚浓度与污泥浓度的比值作为酚对于好氧颗粒污泥的真实抑 制强度，当比值从o 增加到0 1 9 时，“零级”反应速率常数从1 1 5m g ( l m i n ) 降低 到0 3 8m g ( l m i n ) ，好氧颗粒污泥比耗氧速率也呈现出这种趋势，当酚浓度和污泥 浓度比值为o 1 9 时，c o d 的降解率是不添加酚的情况下的降解率的5 0 。l i u 等 刚把好氧颗粒污泥作为锌的吸附剂，研究表明好氧颗粒污泥对于z n 2 + 的吸附与 z n 2 + 和颗粒污泥的浓度相关，好氧颗粒污泥对于z n 2 + 的真实吸附动力是起始z l l 2 + 浓度与起始污泥浓度的比值，而不是单一的z n 2 + 浓度或者单一的污泥浓度，好氧 颗粒污泥对于z n 2 + 的最大吸附容量为2 7 0 m e c l 。m o y 等【3 5 】研究了高有机负荷对于 好氧颗粒污泥物理性质的研究。试验在两个柱状的好氧颗粒污泥反应器中进行， 其中一个以葡萄糖为碳源，另一个以醋酸盐为碳源，两反应器的有机负荷为6 、9 、 1 2 、1 5k g c o d m 3 d l ，试验发现以葡萄糖为碳源的好氧颗粒污泥可以承受住负荷的 提高，在低负荷下，以松散的絮状颗粒为主，在高负荷条件下，颗粒污泥变的性 状更加规则：而以醋酸盐为碳源的好氧颗粒污泥在有机负荷为6 和9k g c o d m 3 d - 1 时，有完整的颗粒形态，良好的沉降性能，但是不能承受高的有机负荷，当到达9 k g c o d m 3 d 1 时，颗粒污泥出现解体现象。 2 0 0 3 年t a y 3 6 1 、l i u 3 7 , 3 8 等系统的研究了好氧颗粒污泥的多孔结构，并将它作 山东大学硕士学位论文 为生物吸附剂吸附重金属离子，并建立了好氧颗粒污泥吸附c d 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 等 的模型。除了研究好氧颗粒污泥的吸附性能外，人们还研究了好氧颗粒污泥对氮 磷的去除情况。l i n 口9 】等在s b r 反应器中，研究了不同的p c o d 条件下好氧颗粒 污泥的聚磷性能。t s u n e d a l 4 0 | 等研究了好氧升流式流化床反应器中硝化细菌的颗粒 化过程，经过3 0 0 d 的培养，在反应器中形成了颗粒污泥。利用变性梯度凝胶电泳 技术研究发现出亚硝化单胞菌是颗粒污泥中氨氧化菌的主要菌种，经过荧光原位 杂交技术发现亚硝化单胞菌分布在颗粒污泥的外层。 2 0 0 4 年，y a n g t 4 l 】研究了氨对好氧颗粒污泥形成的抑制作用，试验利用5 个s b r 柱在不同的n c o d 比值下进行污泥颗粒化的研究，研究表明只有当氨浓度低于 2 3 5 m g l 时好氧颗粒污泥才能形成，当氨浓度大于1 0 m g l 时硝化作用被完全抑 制，当氨的浓度从2 5 增加到3 9 6 m g n l 时，异养菌和硝化细菌的比耗氧速率从5 降低到了2 5 ，由此可见氨可以降低细胞的疏水性同时抑制细胞多聚物的产生。q i n 等【4 2 】提出了“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。 q h a 等 4 3 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。l i u 等嗍从热力 学角度解释了好氧污泥颗粒化过程中的细胞疏水性问题，认为好氧污泥颗粒化是 微生物之问的自固定过程，在这个过程中，细胞疏水性是决定微生物之间相互作 用和颗粒污泥密实的决定因素，该作者从热力学角度给出了污泥颗粒化机理的更 深层次的解释。 2 0 0 5 年，z l k a n g 等【4 5 】研究了好氧颗粒污泥对于稀土元素的吸附作用，试验在 不同的铈和好氧颗粒污泥的浓度下进行，研究了好氧颗粒污泥的生物吸附动力学， 铈的最大吸附容量为3 5 7m g g ，吸附试验结束后，在重力沉降作用下1 分钟颗粒 污泥就可以沉降。l a n 等【帕】研究了好氧颗粒污泥在微氧环境下对于五氯酚的降解作 用，d o 保持在o 2 0 7m g l 。l i 等1 钉】建立了一维模型来同时模拟不同状态下s b r 反应器内基质和溶解氧的扩散过程。m o s q u e r a - c o r r a l 等【4 8 】研究了好氧颗粒污泥反 应器内溶解氧浓度对于n 去除的影响作用。s u 等【4 9 】利用大豆废水在s b r 反应器 中培养出了好氧颗粒污泥。s c h w a r z e n b e c k 等( 5 0 l 将好氧颗粒污泥应用于牛奶厂废水 的处理，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 、t n 的去 除率可以达到8 0 ，t p 的去除率可以达到6 7 ，出水c o d 值稳定在1 2 5m g l 9 山东大学硕士学位论文 左右。 1 3 好氧颗粒污泥的影响因素 好氧污泥颗粒化是一个物理、化学和生物过程的复合过程，其中包含有各种 物理化学和生物力的相互作用，污泥颗粒化这一过程受到有机负荷、水力剪切力、 进水水质等多种因素的影响。 1 3 1c o d 负荷 c o d 负荷在厌氧污泥颗粒化过程中的作用已经被人们所认识，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c o d 负荷的变化范围较宽，在2 5 1 5 k g c o d ( m 3 d ) 都可以形成好氧 颗粒污泥，所以好氧颗粒化对于有机负荷的变化不是很敏感，但好氧颗粒污泥的 物理性质仍受有机负荷的影响，如王芳等【5 1 i 在有机负荷分别为1 5 8 k g c o d ( m 3 m 和1 4 1 2 k g c o d ( m 3 d 1 的条件下，好氧颗粒污泥对c o d 、t n 和t p 的去除率均分 别可达9 0 、8 0 和9 0 左右，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，而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，并在运行后期出现了污泥膨胀的趋势。 1 3 2 沉降时间及沉降速度 在s b r 反应器中，控制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。在较短的停留时间下，胞外多聚 物被刺激产生，同时细胞表面的疏水性也被极大的提高，这些为在好氧条件下产 生颗粒污泥提供了有利条件。 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、 曝气、沉淀、排水和静置等过程。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 o 山东大学硕士学位论文 小。利用选择压的原理，通过建立高度选择性的培养环境，使不适应该培养环境 的微生物不能生长或极少生长，从而筛选和富集培养出目的微生物1 5 2 。 1 3 3 水力停留时间 在颗粒化过程中，较轻的污泥被不断洗出，而相对较重的污泥被截留在反应 器中。s b r 周期时间代表了污泥被洗出的频率，而这个频率和水力停留时间相关。 如果s b r 在非常短的周期时间下操作，污泥来不及聚集就被排出，从而引起污泥 的过量流失，导致颗粒化的失败。所以水力停留时间应该合适，既可以抑制污泥 的过量生长，又可以使得污泥聚集。t a y 掣5 3 】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 3 4 进水水质 好氧颗粒污泥已经在多种基质中被成功培养出来，如葡萄糖、醋酸盐、工业 废水、酿造废水，另外通过驯化其它基质培养出的好氧颗粒污泥。虽然在各种基 质中都可以成功培养出好氧颗粒污泥，但是在不同基质中对于好氧颗粒污泥的微 观结构和微生物种类还是有一定影响的。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。 1 3 5 流体剪切力 流体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，在较高的表面气体流速下好氧颗粒污泥表面多余的丝状菌脱落， 研究表明促使好氧颗粒污泥的流体剪切力有一最小值，即密实、规则的好氧颗粒 污泥的形成需要的表面上升气体流速在1 2 c m s 以上。污泥颗粒化与流体剪切力的 强度有着密切的关系，流体剪切力与胞外多聚物的产生、污泥s o u r 、细胞表面疏 水性以及颗粒污泥的比重呈萨相关的关系。高水力剪切力易于形成大量的胞外多 山东大学硕士学位论文 聚物，形成的好氧颗粒污泥具有较高的耗氧速率和细胞表面疏水性，疏水性使得 细胞之| 日j 的吸引力增强。 1 3 6 接种污泥 好氧颗粒污泥的形成可采用不同接种污泥，接种污泥主要包括以下几种：一 是以普通的絮状活性污泥为接种污泥，二是以降解c o d 为主的悬浮、不沉降的细 胞为接种污泥，三是以厌氧颗粒污泥为接种污泥进行驯化培养。 1 4 啤酒废水处理技术研究综述 1 4 i 啤酒废水的产生及其特点 制造啤酒的主要原料是大麦和小米，辅以啤酒花和鲜酵母。在大麦芽的制作、 发酵罐的刷洗及成品罐装时都会产生大量的高浓度有机废水，啤酒生产工艺的每 道工序都有麦芽生产过程的洗麦水、浸麦水、发芽降温喷雾水、麦槽水、洗涤水、 凝固物洗涤水；麦汁制备过程的糖化、过滤洗涤水；发酵过程的发酵罐洗涤、过 滤洗涤水；罐装过程的洗瓶、灭菌、破瓶啤酒及冷却水和成品车间洗涤水；另外 还有办公楼、食堂、宿舍和浴室的生活污水。啤酒厂生产啤酒过程中用水量很大， 特别是酿造、罐装工艺过程大量使用新鲜水，相应产生大量废水。啤酒的生产工 序较多，不同啤酒厂生产过程中的吨酒耗水量和水质相差很大。管理和技术水平 较高的啤酒厂如青岛啤酒( 马鞍山) 有限公司吨酒耗水量为8 - 1 0 t ，一般啤酒厂吨 酒耗水量为1 5 。2 0 t 。 酿造啤酒消耗的大量水除一部分转入产品外，绝大部分作为工业废水排入自 然环境。啤酒废水按其有机物含量可分为以下几类。 ( 1 ) 冷却水：冷冻机、麦汁和发酵的冷却水等，这类排水基本上只是受热污 染，而未受有机物污染。 ( 2 ) 清沈废水：如大麦浸渍废水、大麦发芽降温喷雾水、清洗生产装置用水、 漂沈酵母水、洗瓶机初期洗涤水、酒罐消毒废液和车l 日j 地面冲洗水等。这类废水 受到不同程度的有机污染。 ( 3 ) 冲渣废水：如麦槽液、热凝固物、酒花糟、剩余酵母、滤酒渣和残碱性 山东大学硕士学位论文 洗涤液等。这类废水中含有大量的悬浮型固体有机物。工段中将产生麦汁冷却水、 装置洗涤水、麦槽、热凝固物和酒花糟。装置洗涤水主要是糖化锅洗涤水、过滤 槽和沉淀槽洗涤水，此外，糖化过程中还要排除酒花糟、热凝固物等大量悬浮固 体。 ( 4 ) 装酒废水：在罐装酒时，机器的跑冒滴漏时有发生，还经常出现冒酒， 使废水中掺入大量的残酒。另外，由于用热水喷淋，啤酒升温引起瓶内压力上升， “炸瓶”现象时有发生，因此使大量啤酒进入喷淋排水中。 ( 5 ) 洗瓶废水：清洗新酒瓶及回收来的酒瓶时先用碱性洗涤剂浸泡，然后用 压力水清洗。清洗排水含有残余碱性洗涤剂、纸浆、染料、浆糊、残酒和泥砂等。 碱性洗涤剂定期更换，更换时若排入下水道可使啤酒废水短期里碱性。 与废水排放量一样，废水的水质在不同季节也有一定的差别，尤其是处于高 峰流量时的啤酒废水其有机物含量处于高峰。从全国平均水平，每制成1 吨成品 酒，排出的污染物为c o d e r 2 5 k g 、b o d5 1 5 k g 、悬浮物固体约1 5 k g 。 1 4 2 啤酒废水处理技术 啤酒废水处理在八十年代主要是用好氧处理技术，八十年代末发展到厌氧( 水 解) 好氧联合处理技术。十几年来通过实践不断改进、提高，啤酒废水的处 理技术从工艺到设备结构日渐成熟。现有啤酒废水处理主要采用厌氧( 水解) 一 一好氧处理方法。 1 4 2 1 厌氯( 水解) 法 随着厌氧技术的发展，厌氧处理从开始只能处理高浓度的污水，发展到可以 处理中低浓度的污水。八十年