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摘要 无基质匮乏下好氧污泥颗粒化研究 摘要 近来好氧颗粒污泥成为污水处理技术的研究热点，但其很多机理 尚不清楚，而且绝大多数的试验研究采用了人工配制污水。其中基质 丰富匮乏机制对好氧颗粒污泥影响的研究有助于理解好氧颗粒污泥形 成的机理和促进该技术的工业化应用。本研究分别采用人工配制污水、 生活污水、工业区污水在无基质匮乏下进行好氧颗粒污泥的培养。 人工配制污水在非基质匮乏条件下形成的好氧颗粒污泥质轻，s v i 高达1 3 0m l g ，调整为基质丰富一匮乏的运行方式后，s v i 降至3 5m l g 左右，说明基质匮乏并不是好氧污泥颗粒化的必要条件，但基质匮乏 有利于好氧颗粒污泥的形成和稳定。采用实际生活污水和工业区污水 在无基质匮乏条件下均培养出了高质量的好氧颗粒污泥，s v l 分别达到 3 0m l g 、2 6m l g 。 实验结果分析可以推测：缓慢降解的污水不需要基质匮乏条件也 能形成高质量的好氧颗粒污泥，主要原因可能是缓慢降解的污水处理 系统中生物缓慢增长并受到足够的剪切作用而形成质密和沉降效果好 的颗粒污泥；易降解的污水需要基质匮乏或加大剪切强度来提高颗粒 污泥质量。 关键词：好氧污泥颗粒化，基质，匮乏，生活污水，工业区污水 本研究得到国家自然科学基金项目( n o 5 0 8 7 8 1 9 5 ) 和浙江省重点科技计划项目( n o 2 0 0 8 c 2 3 0 8 3 ) 的资助。 浙江工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a t i o nw i t h o u tf a m i n e o fs u bs t r a t e a b s t r a c t i n c r e a s e da t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h er e s e a r c ho na e r o b i cg r a n u l a r s l u d g ef o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h em e c h a n i s m sr e s p o n s i b l ef o ra e r o b i c g r a n u l a t i o nh a v en o ty e tb e e nc l e a r l yd e s c r i b e d ，a n dt h ev a s tm a j o r i t yo f e x p e r i m e n t su s e ds y n t h e t i cw a s t e w a t e ra sr a ww a t e r s t u d yo nt h ei m p a c t o ff e a s t - f a m i n e r e g i m e o na e r o b i c g r a n u l a t i o n i sb e n e f i c i a lf o rt h e m e c h a n i s ma n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s y s t e mw a sf e dw i t hs y t h e t i c w a s t e w a t e r , d o m e s t i cw a s t e w a t e r a n di n d u s t r i a l p a r k w a s t e w a t e rf o r a e r o b i cg r a n u l a t i o nw i t h o u tf a m i n eo fs u b s t r a t ei nt h i ss t u d y i nt h er e a c t o r sf e dw i t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e ra n do p e r a t e dw i t h o u t f a m i n eo fs u b s t r a c t e ，l o o s eg r a n u l e sa n d13 0m l go fs v io c c u r r e d w h i l e t h er e a c t o r sw e r ec o n v e r t e dt of e a s t f a m i n eo fs u b s t r a t e ，s v io fb i o m a s s d e c r e a s e dt o35m l g i ti n d i c a t e dt h a tf e a s t f a m i n ei sn o ta p r e r e q u i s i t ef o r t h ef o r m a t i o no fa e r o b i cg r a n u l e s ，b u tf a v o r a b l et ot h ef o r m a t i o no fa e r o b i c g r a n u l e s ，a n de x t e n s i o no fa e r a t i o nt i m eh a dn os i g n i f i c a n te f f e c to nt h e a e r o b i cg r a n u l a t i o n h o w e v e r ，g o o dg r a n u l e sc o u l db eo b t a i n e di nr e a c t o r s f e dw i t hd o m e s t i cw a s t e w a t e ra n di n d u s t r i a lp a r kw a s t e w a t e rw i t h o u t f e a s t f a m i n eo fs u b s t r a t e ，a n ds v lw a sa b o u t30m l ga n d2 6m l g ， r e s p e c t i v e l y i tc a nb es p e c u l a t e d ：g o o dg r a n u l e sc o u l db ef o r m e ds i n c es l o w l y b i o d e g r a d a b l es u b s t r a t ec a u s e ds l o wg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m sa n de n o u g h s h e a r i n g f o r g e a n u l e s ，e v e nw i t h o u tf a m i n eo fs u b s t r a t e f a m i n e o f i i 浙江工业人学硕上学位论文a b s t r a c t s u b s t r a t eo ri n c r e a s ei ns h e a rs t r e n g t ht oi m p r o v et h eq u a l i t yo fg r a n u l a r s l u d g em i g h tb ef e a s i b l et ot r e a te a s i l yd e g r a d a b l ew a s t e w a t e r k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a t i o n ，s u b s t r a t e ，f a m i n e ，d o m e s t i c w a s t e w a t e r ，i n d u s t r i a lp a r kw a s t e w a t e r t h i s r e s e a r c hw o r kw a sf i n a n c i a l l y s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 8 7 819 5 ) ，a n db yt h ek e yp r o j e c t so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fz h e j i a n g ( n o 2 0 0 8 c 2 3 0 8 3 ) i i i 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 闺弛青 日期：必研年1 1 月i o 日 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，同意学校保 留并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。 本人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密1 7 ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名： 导师签 阀磐刍 j 日期：渺歹年1 1 月，。日 日期：巧年，月，) 日 浙江i 业大学碰学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 据统计，2 0 0 8 年全国污水排放总量为3 6 49 亿立方米，其中化学需氧量( c o d ) 排放总量为1 3 2 07 万吨。国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要提出了 “十一五”期问单位国内生产总值能耗降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少 1 0 的约采性指标。1 1 2 0 1 0 年，“十一血”污染减排的约束性指标化学需氧量l l 2 0 0 5 年下降1 0 ，即全国化学需氧量由2 0 0 5 年的1 4 1 42 万吨减少u 1 2 7 28 万吨。面对巨 大的环境压力，对于经济不够发达而污染急待治理的我国来说，迫切需要一批能 满足处理效果好、基建及运行成本低、废物产量少的可持续发展污水处理新技术 和新工艺。但是，中国现行的污水处理技术中存在污水处理工艺流程长、构建体 积大、基建投资大和运行成本高、污泥产量大等问题【2 - 4 ) 。 相比较而言，好氧颗粒污泥具有许多优点而成为近几年污水生物处理领域的 研究热点口4 ”。好氧颗粒污泥是好氧条件下微生物自身固定化形成的聚集体，是一 种没有载体的特殊生物膜，以颗粒状存在的污泥在反应器中可以积累大量的生物， 而且沉淀性能良好，泥水可以快速分离旧”】。因此，在好氧反应系统中实现污泥 的颗粒化，将使反应器中存留大量沉降性能蘸好的活性污泥，从而降低污泥沉淀 系统要求、减少剩余污泥的排放。另外，颗粒污泥捌有高容积负荷下降解高浓度 有机废水的良好生物活性，因而可减少反应器容积及占地面积，减少一定的投资， 在经济方面具有很重要的意义4 ，”】。由于好氧污泥颗粒化技术的特殊性质和卓越 ( a ) 活性污犍 鹫1 - 1 好氧污泥颗粒化 b ) 好氧颗粒污泥 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 的处理能力，世界各国的学者开始意识到该技术可能会像当年厌氧颗粒污泥技术 一样成为污水处理技术发展的重要转折点。 1 2 好氧颗粒污泥研究进展 好氧颗粒污泥的研究始于2 0 世纪9 0 年代初，基于厌氧颗粒污泥在u a s b 中的形 成模式，m i s h i m a 和s h i n 等【1 6 ，1 刀利用纯氧曝气，在好氧升流式污泥床反应器( a e r o b i c u p f l o ws l u d g eb l a n k e t ，a u s b ) 中接种活性污泥，成功地培养出了好氧颗粒污泥， 但反应器运行条件较为苛刻，需要纯氧曝气，且污泥没有去除氮磷能力。随后， d eb e e r 等【1 8 】在流化床反应器中，采用将进水在反应器外预先曝气的方法培养出了 硝化颗粒污泥。但反应体系的回流比高达4 7 ，溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 在 反应器约1m 的高度即被消耗完，其硝化能力只有o 3 6k g m 一d - 1 ，远低于当时气升 式反应器的1 8 1k g m - a d - 1 。t i j h u i s 等【1 9 l 和v a nb e n t h u m 等【2 0 1 在运行连续流生物膜气 升式悬浮反应器( b i o f i l m a i r l i f ts u s p e n s i o n ，b a s ) 的过程中也发现，生物膜颗粒 ( 有载体) 会分解形成硝化颗粒。但这些硝化颗粒需要以生物膜颗粒作为前体， 且只有利用降解速度较慢的基质( 如氨氮) 才能形成。由于此阶段好氧颗粒培养 方式的诸多局限，导致好氧颗粒污泥的应用研究，即使是在实验室范围内也受到 很大限制，所以这一阶段对好氧颗粒污泥的研究报道并不多见。 为好氧颗粒污泥研究发展带来革新动力的是2 0 世纪9 0 年代中期对污泥膨胀的 研究。k r i s h n a 等【2 1 】发现，聚- p - 羟基丁酸酯( p o l y - p - h y d r o x y b u t y r a t e ，p h b ) 等多 聚物在细胞内的累积，有利于提高污泥沉降性能：v 8 1 3 _ l o o s d r e c h t 等【2 2 】发现周期性 快速进水的序批式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，s b r ) 可以促进p h b 的累积。 m o r g e n r o t h 笔j ；1 5 】借鉴厌氧颗粒在s b r 中的培养，成功地以c o d 为基质在s b r 中培养 出了好氧颗粒污泥。s b r 培养模式为好氧颗粒污泥研究奠定了基础，为目前大多数 研究者所采纳。 p e n g 等t 6 】在s b r 反应器中，以醋酸钠为碳源，在低溶解氧( d o = 0 7 1 0m e l ) 情况下形成具有良好生物学性能的好氧颗粒污泥。b e u n 等【1 2 】证实在s b r 反应器中 较短的水力停留时间和较大的水流剪切作用有助于形成好氧颗粒污泥。沉淀时间 的选择是影响好氧颗粒污泥菌群的主要因素，并认为在特定情况下采用s b r 反应器 进行好氧颗粒污泥的研究具有独特的优势。b e u n 等【2 3 】还对相同负荷、相同气体表 2 浙江工业大学硕士学位论文第l 章绪论 面速率和相同操作周期情况下，序批式气提反应器( s e q u e n c i n gb a t c ha i r l i f t r e a c t o r ，s b a r ) 、s b r 反应器和b a s 反应器中产生的不同好氧颗粒污泥进行比较， 并在s b a r 反应器中发现存在硝化和反硝化过程。e t t e r e r 等【2 4 】对在不同操作条件下 所形成的好氧颗粒污泥的形状进行了系统研究，并提出了有关研究方法。b e a n 等 1 2 3 】、p e n g 等【6 】、t a y 等1 2 5 1 、j i a n g 等1 2 6 1 采用各种不同的基质( 葡萄糖、醋酸、乙醇、 酚、合成基质等) 在s b r 中都成功地培养出好氧颗粒污泥。s c h w a r z e n b e c k 等1 2 7 成 功地发展在实验室规模的s b r 来处理富含有机颗粒物的污水。l i u 等【2 8 】的总结认为： 好氧颗粒污泥的负荷率可以在很大的范围内2 5 1 5 k gc o d m 一d 1 ，这似乎显示出 好氧污泥颗粒化对有机负荷率并不是特别敏感；但有机负荷对颗粒的物理性质却 有影响。z h u 等1 2 9 j 的研究表明好氧颗粒污泥的活性高于普通活性污泥，并且颗粒污 泥可以储存较长时间后快速恢复活性。l i u 等【3 0 , 3 1 】试验结果表明好氧颗粒污泥具有 好的生物吸附作用，能有效吸附各种重金属。m c s w a i n 等【3 2 1 提出间歇进水的方式 有利于颗粒污泥的形成。c h e n 等【33 】研究了s b r 反应器中不同剪切力对好氧颗粒污 泥的培养，以及颗粒结构和稳定性的影响，结果发现当表观气速在2 4 3 2c m s 时， 才能形成稳定强健的颗粒污泥，且具有长时间运行的潜力。 在中国，最早竺建荣【3 4 】等研究了在厌氧好氧交替工艺( s b r 的一种变型) 中 好氧活性污泥的培养和理化特性。卢然超等【3 5 1 研究了s b r 反应器工艺在不同条件 下对好氧污泥颗粒化和生物除磷效果的影响。王强等【3 6 】验证选择压法培育好氧颗 粒污泥的重要性。杨麒等【3 7 】在s b r 系统中培养的好氧颗粒污泥有同步硝化反硝化 作用。王芳掣3 8 】在s b a r 中试验好氧污泥颗粒化并分析其特性。王暄等研究了好 氧颗粒污泥胞外聚合物提取方法。王琳等【4 0 】对好氧颗粒污泥系统快速启动进行了 试验。w a n g 等【4 1 】试验在酿酒废水中培养颗粒污泥。l i 等【4 2 1 将膜分离技术用于实现 颗粒污泥与处理水的分离。 1 2 1 好氧颗粒污泥的特性 1 2 1 1 颗粒形态与结构 活性污泥系统中的污泥或絮体，其外观不规则，它们之间没有明显的分界， 并且结构松散h 3 1 。但好氧颗粒污泥却有清晰的轮廓，外观较为规则，接近球形或 椭球形，颗粒之间有明显的分界。 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 好氧颗粒污泥的粒径也直接影响着它的一些物理性质。颗粒内部的传质限制 会随粒径增加而变强。传质限制增强会阻碍颗粒内部细胞的基质获取和代谢产物 的排出，因而会对内部菌群的新陈代谢和结构造成影响。当好氧颗粒较小时，其 沉降性能、密度和强度都会随着粒径变大而增加；但当粒径大于4 0m m 时，粒径 增加反而会导致其沉降性能变差，密度和强度也都会减小】。 为了克服好氧颗粒污泥密实结构对氧气和基质向内部传递的阻碍，颗粒污泥 中还分布有许多孔隙和通道。基质和氧气通过这些通道能够更好地向内层细菌扩 散。粒径越小的颗粒，其孔隙率越高，且孔隙和通道也越大。这些孔隙和通道， 最深能渗透至颗粒表层9 0 01 t m 以下，但其中大多数通道因为多糖层的阻隔，一般 只能渗透至颗粒表层以下3 0 0 5 0 0o m 。当孔隙和通道被完全堵塞时，颗粒污泥内 部会出现厌氧层。厌氧层的出现会降低好氧颗粒污泥的稳定性。因为厌氧层一方 面会造成部分细菌因无法利用基质而死亡，从而降低好氧颗粒污泥整体的活性； 另一方面，厌氧层内的厌氧菌代谢所产生的有机酸和气体也可能破坏颗粒污泥的 结构，或降低好氧颗粒污泥的长期稳定性。因此，t a y 等【4 5 】认为好氧颗粒污泥的粒 径最好保持在1 6m m 以内。 1 2 1 2 沉降性能 污泥的沉降性能与泥水分离效率紧密相联，它是污水处理系统设计的十分重 要的参数i 钓】。污泥的沉降性能通常用污泥体积指数( s l u d g ev o l u m ei n d e x ，s v i ) 和沉降速率来表征。s v i 可反映体系内污泥整体的密实程度。好氧颗粒污泥的s v i 一般低于9 0m l g ，有时甚至低于5 0m l g ，其远低于普通活性污泥的1 2 0 - 1 5 0m l g 。 好氧颗粒污泥的沉降速度通常可达2 5 7 0m h ，与厌氧颗粒污泥的沉降速度相当， 但要比活性污泥的沉降速度至少高3 倍【4 7 1 。活性污泥的沉降速度一般为7 1 0m h ， 在活性污泥的颗粒化过程中，伴随着污泥体积指数的减小、污泥粒径和沉速的增 大，反应器内的污泥浓度增加，从而提高了反应器的处理效能【4 8 1 。 好氧颗粒污泥在沉降性能上较活性污泥有更大的优势，可以更有效地提高反 应器截留污泥的能力和处理能力，同时缩小对沉淀池的体积需求。在培养初期增 大进水中c a 2 + 浓度，在序批式反应器中培养出的好氧颗粒污泥，s v i 可达到1 9 2 m l g ，好氧颗粒污泥中央的c a c 0 3 晶核使得颗粒具有较好的抗挤压能力 4 9 , 5 0 。 1 2 1 3 细胞表面疏水性与胞外多聚物 4 浙江工业大学硕士学位论文第l 章绪论 细胞表面疏水性( c e l ls u r f a c eh y & o p h o b i c i t y ) 可促进细胞之间相互贴附聚集。 细胞表面疏水性在好氧污泥颗粒化中的作用还不十分清楚。l i u 等【5 1 1 认为表面疏水 性是促进细菌形成好氧颗粒的主要驱动力。好氧颗粒污泥的疏水性大约是一般絮 体污泥的2 倍。提高水力剪切或增加水力选择压力，都可以提高细胞疏水性，但改 变基质浓度或负荷对细胞疏水性影响不大。 关于饥饿状态对微生物细胞表面疏水性的影响，已有的研究结果不尽一致， 甚至有相互矛盾的地方。例如，有研究表明饥饿状态会诱导细胞表面疏水性吲。 另有研究表明，饥饿对细胞表面疏水性有负面影响【5 3 】。也有研究者观察到，在碳 源饥饿状态细胞表面疏水性保持不变【5 4 1 。 胞外多聚物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 是微生物为抵抗外界 压力所分泌的粘性物质，它有利于细胞之间相互粘附、搭桥、聚集。因此，e p s 对好氧颗粒污泥的形成、构架及稳定性有着重要的作用。e p s 主要包含有蛋白质、 多糖、核酸、腐殖酸类及脂类等物质j e p s 可促进细胞聚集的观点已被广泛接受，但由于目前还没有测定好氧颗粒污 泥内e p s 的标准方法，人们对好氧颗粒污泥e p s 成份的比例及不同成份在好氧颗粒 化中的作用还没有统一认识。l i u 等【5 4 】认为多糖在颗粒化中起更重要的作用，在污 泥颗粒化过程中，多糖与蛋白质的比值会明显增加。而m c s w a i n 等【5 5 】却发现，好 氧颗粒污泥e p s 中蛋白质含量要高于多糖，蛋白质对污泥颗粒化可能起更大的作 用。此外，还有学者认为，颗粒化是由于e p s 被消耗，减小了细菌所带电荷，促进 细胞相互聚集而引起的【5 6 1 。 l 214 微生物多样性与分布 应用现代分子生物学技术和显微技术，如荧光原位杂交技术( f l u o r e s c e mi n s i t uh y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 、共聚焦显微镜( c o n f o c a ll a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p y ， c l s m ) 、变形梯度电泳( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ，d g g e ) 、d n a 测序及扩增核糖体限制性酶切片断分析( a m p l i f i e dr i b o s o m a ld n ar e s t r i c t i o n a n a l y s i s ，a r d r a ) 等技术，人们研究了好氧颗粒污泥的微生物学，结果发现好 氧颗粒污泥的微生物组成十分丰富陬5 引，包括异养菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷 菌，甚至还有酵母、真菌，这些微生物都能够形成好氧颗粒污泥。好氧颗粒污泥 中微生物菌群的结构主要由培养基质成分所决定。在大部分好氧颗粒污泥的内部， 5 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 因为传质限制，也存在厌氧茵和死菌。 周延年等【5 明对大粒径的好氧颗粒污泥内部结构的研究表明：污泥颗粒的内部 结构可以分为三层，第一层即颗粒污泥表面层，主要由异养生物组成，质地较密 实，厚度约为2 2 0 3 4 0 岫；第二层主要由自养生物组成，质地相对松散，厚度约 为3 8 0 5 5 0l m a ；第三层位于颗粒污泥中心，主要由无机成分组成，并存在明显的 空腔。 李军等【删对好氧颗粒污泥中细菌和e p s 的分布进行的研究表明：细菌主要分布 在颗粒污泥的表面；相对较少的细菌分布表面以下1 6 0u m 到4 0 0i t m 区域内，并且 是从外至内逐渐减少；颗粒污泥的内部主要是e p s ，且质地较疏松。 1 2 2 好氧污泥颗粒化的影响因素 好氧活性污泥颗粒化，是一个集物理、化学、和生物过程的复杂过程，这一 过程受到很多因素的影响。根据国内外专家们近年来的试验研究状况来看，影响 好氧颗粒污泥形成的因素有以下几方面： 1 2 2 1 基质组成与有机负荷率 已有研究表明，好氧颗粒污泥可在以葡萄糖、乙酸盐、乙醇、苯酚及一些工 业废水为进水基质的好氧反应器内形成，其颗粒结构、微生物菌群及分布等均与 基质种类密切相关1 4 ，1 6 ，5 7 ，5 3 1 。t a y 等研究发现，以葡萄糖作为唯一碳源形成的好 氧颗粒平均粒径为2 4m m ，以球菌为主、丝状菌缠绕，而以乙酸盐作为唯一碳源 获得的好氧颗粒粒径较小，为1 1m m ，以杆状菌为主，其结构相对致密；有机负 荷率2 5 1 5k g ( m 3 d ) 。1 条件下均能发生好氧污泥颗粒化，形成的颗粒粒径在1 6 1 9 m m 左右，颗粒强度、s v i 以及三维结构等均与有机负荷率相关；t a y 等t 6 2 ，6 3 1 研究发 现有机负荷率为1 2k g ( m 3 - d ) 。时，反应器均未发生污泥颗粒化，当有机负荷率达8 k g ( m 3 d ) 。1 时反应器运行1 8d 出现污泥颗粒，但形成的颗粒性状逐渐变差而被洗出， 只有在有机负荷率为4 蚝( m 3 d ) 。1 的反应器内成功获得成熟的好氧颗粒，可见有机 负荷率直接影响好氧颗粒的形成及其稳定性；y a n g 等t 6 4 】研究发现进水n c o d 在 5 1 0 0 3 0 1 0 0 时，s b r 反应器均可形成好氧颗粒，其中n c o d 为5 1 0 0 时形成的颗粒 粒径最大，达1 9m m ，随着n c o d 的提高，硝化反硝化细菌活性增强而异养菌活 性下降，可见颗粒特性、微生物群落结构均与进水n c o d 相关；j i a n g - 等 6 5 】以苯酚 为唯一碳源、进水负荷达2 0k g ( m 3 d ) 。1 条件下获得好氧颗粒，但苯酚负荷的进一步 6 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 增加导致污泥大量洗出。 1 2 2 2 水力剪切力 水力剪切力由液体流、空气流和固相粒子间的摩擦引起，通常以表面气速表 征，其在好氧污泥颗粒化过程中作为主要的水力选择压，对好氧颗粒的形成及其 结构特性影响明显。t a y 等脚1 发现，只有当上升气速达到1 2c m s 时，s b r 中才能形 成好氧颗粒污泥，且上升气速越大，所形成的好氧颗粒污泥的密度和强度越高， 外观越规则。增强反应体系的剪切力，可以促进细胞分泌更多的e p s ，并提高细胞 表面的疏水性能，因而有利于细胞相互聚集并形成颗粒【5 2 1 。此外，d ek r e u k 等眄刀 发现微生物生长速度越慢，其形成好氧颗粒所需的外界剪切力就越小。 1 2 2 3 选择压 沉淀时间不同意味着反应器对微生物的选择压不同。选择压最早是用于种群 遗传学的术语，将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 择作用大小。在微生物培养的过程中，可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 培养专一类型的微生物。 好氧颗粒污泥的形成需要对微生物进行选择，即沉降慢的污泥被淘汰，而沉 降快的微生物被截留。s b r 通过排泥来对微生物进行选择，而排泥的多少取决于换 水率和沉淀时间。当换水率一定时，沉淀时间越短，s b r 对微生物的选择压力越大。 研究【6 8 , 6 9 】发现，当沉淀时间为2 0m i n 时，反应器内不能形成好氧颗粒污泥；而沉淀 时间为1 0 1 5m i n 时，虽然能够培养出好氧颗粒污泥，但污泥絮体也始终存在于反 应器内；只有当沉淀时间为1 5m i n 时，污泥才几乎全部转化为好氧颗粒。同时， 缩短沉淀时间也可增强细胞表面的疏水性和微生物活性，且能促进细胞分泌更多 e p s 以加强颗粒化【7 0 1 。人们已普遍接受，短的沉淀时间( 一般为1 5m i n ) 是s b r 培养好氧颗粒污泥的必要条件。 1 2 2 4 其他因素 二价阳离子女u c a 2 + 的投加，可在污泥絮体表面形成c a 2 + 阴离子键并刺激产生 胞外多糖，通过架桥作用促进微生物絮集形成颗粒。有研究【4 9 ，5 0 】表明，s b r 反应 器在1 0 0m g lc a 2 + 存在下运行1 6d ，即形成强度高、沉降性能优异的好氧颗粒， 7 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 而不加c a 2 + 的反应器运行3 2d 始出现污泥颗粒。 d ek r e u k 等【7 u 在2 0 c 启动好氧颗粒化反应器，当环境温度逐渐降至8 c 后硝化 效率明显降低，但污泥颗粒仍能大量、稳定地持留在反应器内，推测随着环境温 度的下降d o 渗透深度相应增加，反应器仍能持留大量颗粒污泥并保持一定的去 碳、除磷效率，脱氮效率则可通过周期内操作参数的优化得以维持。 1 3 基质丰富匮乏机制的提出 1 3 1 基质丰富匮乏的概念 s b r 是由进水、曝气、沉淀和排水等组成的周期循环过程。其中曝气过程可以 分为两个阶段，( 1 ) 基质丰富期( 微生物饱食期) ：该阶段内污水中的基质被利用， 基质浓度逐渐降低至最小值；( 2 ) 基质匮乏期( 微生物饥饿期) ：基质浓度达到最 小值后，微生物不再利用外部的基质，而主要利用自身储存的营养物质进行内源 呼吸。因此，s b r 很容易形成周期性的基质丰富一匮乏环境。 1 3 2 基质丰富一匮乏对好氧污泥颗粒化研究的进展 c h i e s a 等人f 翻研究报道，污泥在间歇式进水模式下要比连续进水具有更好的沉 降性能，其原因主要是周期性好氧饥饿环境可以提高污泥的沉降性能，防止污泥 膨胀。 b o s s i e r 和v e r s t r a e t e t 7 3 1 的研究表明，饥饿环境会增强微生物的疏水性，进而提 高其黏附性和凝聚性。l i u 等【硎研究发现，基质匮乏会使好氧污泥的e p s 和疏水性 增加，造成表面剩余吉布斯自由能减少，细胞自絮凝能力增强，絮体污泥趋向于 形成致密结构。 l i u 等人【7 5 1 研究认为，好氧饥饿有助于微生物之间的黏附和聚集，这可能是污 泥颗粒化的最初驱动力。w a n g 等【7 6 】的研究中显示，在同样的有机负荷下，循环周 期为3h ( 形成1 4 0r a i n 好氧饥饿) 的反应器中形成好氧颗粒污泥比循环周期为1 2h ( 形成4 7 0r a i n 好氧饥饿) 的反应器中更快。 l i 等【7 7 】研究了基质匮乏对好氧颗粒污泥特性的影响，研究发现好氧颗粒污泥 的e p s 含量( 特别是其中p n 组分的含量) 与细胞表面电荷、疏水性等指标的相关 性较好。在好氧颗粒污泥的过程中，污泥e p s 中p n 、p s 分别从初始的1 8 0 、7 0 m g g v s s 降至5 8 、2 9m g g v s s ，相对疏水性从2 8 8 增至6 0 3 ，细胞表面电荷从 r 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 0 2 0 3 降低到o 0 2 3 m e q g v s s ，推测颗粒污泥特性受好氧饥饿阶段细胞代谢产生的 e p s 及其组分含量影响。 t a y 等【7 8 】认为，在基质匮乏的不利环境下，细菌通过增加疏水性，促进彼此间 的聚集来适应环境。w a t a n a b e 等人【7 9 】的研究认为细胞聚集可能是微生物应对饥饿 的一种生存策略。 l i u 和t a y 8 0 1 采用3 套s b r 分别在不同饥饿时间( o 8h 、3 3h 、7 3h ) 下进行好 氧颗粒污泥的研究。结果表明：饥饿时间为3 3h 的反应器中形成的好氧颗粒污泥 较密实和良好的长期稳定性；饥饿时间为0 8h 的反应器中可以形成好氧颗粒污泥， 但是有羽状的颗粒，运行1 6 0d 后反应器中的颗粒污泥分解；饥饿时间为7 3h 的反 应器的稳定性良好，但是在实际应用中不可取。因此，合理的饥饿时间对维持好 氧颗粒污泥的长期稳定性是必要的。 m c s w a i n 等【8 l 】研究了间歇式进水对好氧颗粒污泥结构的影响。采用三个系列 试验装置同时运行，各系列的沉淀时间、曝气量、容积负荷率等其他参数均相同， 唯一区别是进水方式不同。进水方式分别为：( 1 ) 厌氧不搅拌进水9 0r a i n ；( 2 ) 厌 氧不搅拌进水6 0r a i n 后，曝气混合搅拌进水3 0m i n ，( 3 ) 厌氧不搅拌进水3 0m i n 后， 曝气混合搅拌进水6 0m i n 。结果显示：三个系列的m l s s 浓度分别为9 0 、6 8 和3 2 g l ，s v l 分别为4 6 、6 0 、11 4m l g ，经显微镜观察发现，随着曝气进水时间的增加 ( 较弱的基质丰富基质匮乏环境) 则反应器内丝状菌的量迅速增加，且( 2 ) 、( 3 ) 形成的好氧颗粒污泥性能不稳定，仅( 1 ) 能够形成结构密实、平滑的颗粒污泥。 采用间歇式进水时，呈絮状的细菌对基质的吸收速率比丝状菌的吸收速率大。呈 絮状的细菌将吸收的基质贮存于体内且在基质匾乏时用贮存的基质来维持生长和 代谢，同时这种呈絮状的细菌在工艺运行的过程中易于使污泥实现颗粒化。由此 可见，在沉淀时间、曝气量、容积负荷率等参数不变时，较强的基质丰富基质匮 乏环境( 脉冲式进水方式) 有助于形成结构密实、光滑的好氧颗粒污泥，其主要 原因在于这种进水方式有助于选择呈絮状的微生物并抑制丝状菌的生长，最终实 现污泥的颗粒化。 1 3 3 基质丰富匮乏研究中存在的问题 l i u $ 1 t a y 4 7 】的研究表明，相对与长时间的好氧饥饿，较短时间的基质匮乏( 好 氧饥饿) 能更快的形成好氧颗粒污泥。i v a n o v 等【8 2 】进行的人工配制污水中研究却显 9 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 示出在无基质匮乏的环境下培养出了好氧颗粒污泥。 l i uy q 等采用污泥s v l 3 0 为7 7m l g 和4 3 3m l 儋的污泥在为接种污泥，初始 沉淀时间为2m i n ，在无基质匮乏下s b r 中运行7d 后，在反应器中出现了粒径大于 4 0 0m m 的好氧颗粒污泥，即在s b r 运行过程中基质没有完全降解，也可以形成好 氧颗粒污泥，但所形成的好氧颗粒污泥极不稳定。 w a n g 等t 8 4 】采用静态试验分别对好氧颗粒污泥的c o d 、n 、p 、k 的饥饿对细菌 疏水性、表面电位、e p s 、s o u r 以及微生物增长的影响做了研究，结果表明短期 性的c o d 、n 、p 、k 饥饿对好氧颗粒污泥产生负面影响，对颗粒污泥的稳定性没 有贡献。 综上所述，基质丰富匮乏机制对好氧污泥颗粒化的作用没有统一的结论8 5 - 8 7 1 ， 甚至有些试验结论相互矛盾。 1 4 本课题的提出 周期性基质匮乏( 饥饿) 对于好氧颗粒污泥形成的影响有待于进一步的研究， 而且基质丰富匮乏环境在好氧颗粒污泥技术的工程化和连续流工艺的应用中也是 需要解决的一个问题。先前有关好氧颗粒污泥的研究大多数采用人工配置污水， 以实际污水为原水进行好氧颗粒污泥的研究鲜见报道，研究结果缺乏广谱性和实 用性。基于此，本研究通过人工配制污水、实际生活污水、工业区污水在无基质 匮乏环境中进行好氧污泥颗粒化的研究，以期考察基质匮乏是否为好氧污泥颗粒 化的必要条件以及对好氧颗粒污泥稳定性的影响。 1 4 1 本课题的目的和意义 探讨好氧颗粒污泥形成机理 以人工配制污水、实际生活污水、工业区污水为原水，在不同基质情况下和 无基质匮乏环境中进行好氧污泥颗粒化的研究，进一步探究好氧颗粒污泥的形成 机理，为好氧颗粒污泥的后续研究提供有益的参考价值。 提供好氧颗粒污泥技术节能可行性 s b r 污水生物处理工艺中，曝气能耗约占系统总能耗的5 0 以上，而基质匮乏 阶段的时间较长，有的甚至占曝气过程6 0 左右的时间。因此，若基质匮乏不是好 l o 浙江工业人学硕上学位论文第l 章绪论 氧污泥颗粒化的必要条件，则可以省去或缩短基质匮乏期，从而大大降低好氧颗 粒污泥工艺的运行能耗。本研究中从人工配制污水( 以醋酸盐为碳源) ，到实际生 活污水，最后采用工业区污水，逐步的验证可行性。 提供好氧颗粒污泥技术工程应用的可行性 目前好氧污泥颗粒化的研究主要都采用了序批式反应器，很多人认为是基于 基质丰富一匮乏的原因。在连续流污水生物处理工艺中，特别是类似完全混合的工 艺( 如氧化沟、流化床等) 基本上不存在基质丰富匮乏周期交替的环境。好氧颗 粒污泥技术要进行实际的工程应用就不得不解决基质丰富匮乏对污泥颗粒化及其 稳定性的问题。为此，不同水质在无基质丰富匮乏环境中进行好氧污泥颗粒化的 研究，将解决这一问题提供有价值的参考。 1 4 2 本研究的主要内容 本研究中分别采用人工配制污水、实际生活污水、工业区污水三种污水为原 水，在无基质环境下进行好氧污泥颗粒化，其研究的主要内容如下： 人工配制污水无基质匮乏下好氧污泥颗粒化 采用两套s b r 系统，以人工配制污水( 以醋酸盐为碳源) 为原水，通过控制运 行参数使反应器在非基质匮乏( 保证一定量的外碳源) 条件下运行，以期考察基 质丰富匮乏是否为好氧污泥颗粒化的必要条件以及形成颗粒污泥的质量。同时考 察无基质匮乏下运行周期数对好氧污泥颗粒化的影响，以及存在基质丰富匮乏环 境下基质匮乏时间对好氧颗粒污泥特性的影响。 实际生活污水无基质匮乏下好氧污泥颗粒化 相对于快速降解的人工配制污水( 以醋酸盐为碳源) ，实际生活污水属于缓慢 降解性水质。因此，采用实际生活污水为原水，在无基质匮乏环境下考察好氧污 泥颗粒化及其颗粒化的稳定性和颗粒特性，并对结果进行分析。 工业区污水无基质匮乏下好氧污泥颗粒化 为进一步验证上述试验的结论，在污水处理厂现场采用工业区污水为原水在 无基质匮乏环境下进行好氧污泥颗粒化。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章人工配制污水无基质匮乏下好氧污泥颗粒化 第2 章人工配制污水无基质匮乏下好氧污泥颗粒化 本试验采用两套s b r 系统，以人工配制污水( 以醋酸盐为碳源) 为原水，通过 控制运行参数使反应器在非基质匮乏( 保证一定量的外碳源) 条件下运行，为考 察基质丰富匮乏对好氧污泥颗粒化的影响以及形成颗粒污泥的质量。同时考察无 基质匮乏下运行周期数对好氧污泥颗粒化的影响，以及存在基质丰富匮乏环境下 基质匮乏时间对好氧颗粒污泥特性的影响。 2 1 试验装置与方法 2 1 1 试验装置 试验采用两套相同的s b r ，分别命名为r 1 、r 2 ，其系统示意图见图2 1 ，现场 装置见图2 2 。s b r 反应器为圆柱形，材料为有机玻璃，内径d = 9 0m m ，高度h = 1 0 0 0 m m ，有效容积为6l 。反应器采用鼓风曝气，用转子流量计调节流量。采用液位计 控制进出水液位，出水采用蠕动泵。反应器在室温下运行，运行中进水、曝气、 沉淀、闲置等各个阶段均采用时间控制器进行控制( 见图2 3 ) 。反应器出水体积均 为有效容积的5 0 ，表面上升气速为3 5 0c m s 。 图2 1 试验装置示意 1 2 渐江i 业大学硕士学位论文第2 i 配制污木无基质匮乏下好氧污坭颗粒化 图2 2 试验装置现场 _ 二二】匝曼匝 。o ”o o 图2 3 时间r 动控制系统 重 _ 一目e 囝 浙江工业大学硕士学位论文第2 章人工配制污水无基质匮乏下好氧污泥颗粒化 2 1 2 试验用水 试验采用人工配制污水，以乙酸钠为碳源，n 山c 1 为氮源，l m 2 p 0 4 为磷源， 同时，为保证所培养的微生物生长、繁殖需要，加入适当微量元素作为补充。配 水水质见表2 1 、表2 2 。 表2 - 1 人t 配制污水的组成( m g l ) 2 1 3 分析项目及方法 试验中污泥浓度( m l s s ) 、污泥容积指数( s v l 3 0 ) 均采用国家水和废水检测 标准方法【8 8 】。c o d 采用快速消解分光光度法( d r 8 9 0 ，h a c h ) 测定，氨氮采用 纳氏试剂分光光度法，b o d 5 采用压力法测定( o x i t o pi s l 2 ，w t w ) 。其中试验中 所有水样采用中速定量滤纸过滤后测试c o d 水质指标。颗粒污泥的形状特性采用 m o t i c 生物显微镜拍照。颗粒化程度采用分离颗粒和絮体后的重量比来确定 2 1 4 运行方式 传统s b r 的运行方式决定了在反应初期微生物总是处于基质丰富状态。基质匮 乏指的是外碳源耗尽，微生物处于饥饿并逐渐消耗内碳源的状态。为考察基质丰 富匮乏是否为好氧污泥颗粒化的必要条件，通过控制运行参数使反应器在非基质 匮乏( 保证一定量的外碳源) 条件下运行，结果发现反应器中能形成颗粒污泥。 1 4 浙江i 业大学硕士学位论文 第2 章人工配制水无基质匮z t 好氧日馄颗粒化 但运行3 0 天后，好氧颗粒污泥不稳定，故将反应器调整为基质丰富一匮乏环境f 运 行，具体的操作方式如下： r 1 反应器采用了易生物降解人工配制污水，采用高c o d 浓度和较短曝气时间 的运行方式( 参见图2 - 4