（环境工程专业论文）低负荷下污泥的颗粒化及重金属对颗粒污泥的影响.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 针对我国目前城市污水有机物含量和浓度低 成分复杂 含有大量重金属和 有毒化学物质等抑制生物处理的有毒有害物质的现状 用模拟低浓度生活废水实 现活性污泥颗粒化 并对其形成过程及脱氮除碳的性能进行了较为详细的研究 初步分析了形成颗粒的生物群落特征和代谢活性 探讨了两种溶解性重金属离子 c u 2 和n i 2 对好氧颗粒污泥的水处理性能 微生物代谢活性及微生物群落功 能多样性等的影响 以期为好氧颗粒污泥处理低浓度生活废水提供理论基础 用模拟低浓度生活废水 进水c o d 浓度为2 2 0 3 2 0m g l 在低有机负荷 1 0 5 1 6 8k g c o d m 3 d t 实现了污泥颗粒化 试验中黄褐色的絮状污泥逐渐变 成黄色的丝状菌 到7 0 天左右 形成4 1 0m m 的黑色丝状菌颗粒 沉降速度在3 8 6 5 m h 远远高于活性污泥的沉降速度 s v i 值从2 2 8m l g 降至7 0m l g 好氧颗粒 污泥形成以后 c o d 和n i h n 去除率均稳定在9 5 以上 出水c o d 和n h 4 n 浓 度分别稳定在5m g l 和3m g l 以下 用b i o l o g 方法分析不同的微生物群落多样性 碳源平均颜色变化率 删c d 微生物丰富度 s 及多样性指数 日 都显示 颗粒污泥微生物代谢活性及生物群落多样性高于活性污泥 通过主成分分析 p c a 可以看出 不同的污泥微生物多样性都有显著差异 在s b r 反应器中 考察c u 2 和n i 2 对好氧颗粒污泥水处理性能和微生物群落 的影响 c u 2 严重抑制好氧颗粒污泥的增殖 大大降低 c o d 和n h 4 n 的去除 率 导致出水c o d 和n h 4 十 n 浓度高而且不稳定 同时n 0 3 n 浓度大大降低 n o z n 浓度在第5 2 9 天之间出现一个很大的峰值 n i 2 刺激好氧颗粒污泥的快速 增殖 对c o d 和n i h n 去除有轻微抑制作用 出水c o d 和n 时 n 略有升高 c u 2 严重抑制了脱氢酶的活性 而n i 2 从某种程度上刺激了脱氢酶活性 c u 2 和n i 2 十 均刺激e p s 含量的增长 通过p c a 可知 5 种污泥样品对碳源的利用种类 程度 出现差异 群落结构和功能多样性发生了较大变化 而g c u 2 对微生物群落的毒 性影响大于n i 2 对微生物群落的毒性影响 关键词 好氧颗粒污泥 s b r 重金属 b i o l o g 脱氢酶 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d o m e s t i cw a s t e w a t e rc o n t a i n sl o wo r g a n i cc o n c e n t r a t i o n c o m p l e xc o m p o s i t i o n al a r g en u m b e ro fh e a v ym e t a l sa n dt o x i cc h e m i c a l s w h i c hi n h i b i t sb i o l o g i c a l t r e a t m e n to ft o x i cs u b s t a n c e s t os o l v et h ep r o b l e m t h eg r a n u l a rs l u d g ew a st r i e dt o c u l t i v a t ew i t ht h e s y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e r d u r i n gt h eg r a n u l a t i o n t h e f o r m a t i o np r o c e s s a n dr e m o v a lm e c h a n i s mo fc o da n dn h 4 nw a ss t u d i e di nd e t a i l i n a d d i t i o n m i c r o b i a lc o m m u n i t yc h a r a c t e r i s t i c s a n dm e t a b o l i c a c t i v i t yw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to ft w os o l u b l eh e a v ym e t a li o n s c u 2 a n dn i 2 o na e r o b i c g r a n u l et r e a t m e n tp e r f o r m a n c e m i c r o b i a lm e t a b o l i ca c t i v i t y a n df u n c t i o n a ld i v e r s i t y o fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e sw a si n v e s t i g a t e d a e r o b i cg r a n u l a t i o nw i t h s y n t h e t i c l o w c o n c e n t r a t i o nd o m e s t i cw a s t e w a t e rw a sd e t e r m i n e dt o p r o v i d eat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h e 仃e a t m e n to fa c t u a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r a e r o b i cg r a n u l a t i o nw a sa c h i e v e da tl o wo r g a n i cl o a d i n gr a t e o l r 1 0 5 1 6 8 k g c o d m s d d u r i n g t h ep r o c e s s b r o w nf l o c c u l e n tb e c o m e y e l l o ws l u d g e f i l a m e n t o u sb a c t e r i aa tf i r s t t o7 0d a y s 4 10m mb l a c kf i l a m e n t o u sg r a n u l e sa p p e a r e d s l u d g ev o l u m ei n d e x s v i d e c r e a s e dt o7 0m l gf r o m2 2 8m l g t h eg r a n u l e s c o m p o s e do fav a r i e t yo ff i l a m e n t o u sb a c t e r i a h a da ne x c e l l e n ts e t t l i n g a b i l i t yw i t h t h es e t t l i n gv e l o c i t ya t38 6 5m h m u c hh i g h e rt h a nt h es e t t l i n gv e l o c i t yo fa c t i v a t e d s l u d g e a f t e rg r a n u l a t i o n r e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o da n dn i 1 4 nw e r eo v e r9 5 t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o da n dn i l nw e r es t a b i l i z e da t5m g la n d3m g l r e s p e c t i v e l y m i c r o b i a lc o m m u n i t yd i v e r s i t yw a sa n a l y z e db yb i o l o gm e t h o d s t h e r e s u l to fa v e r a g ew e l lc o l o rd e v e l o p m e n t a w c d s u b s t r a t er i c h n e s s a n d s h a n n o n sd i v e r s i t yi n d e x s h o w st h a t g r a n u l em i c r o b i a lm e t a b o l i ca c t i v i t yi s h i g h e rt h a nt h a to fs l u d g e t h er e s u l to fp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s p c a s h o w s t h a tm i c r o b i a lc o m m u n i t i e so fd i f f e r e n ts l u d g eh a v es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s t h ee f f e c t so fc u 2 a n dn i 2 o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p e r f o r m a n c e t h e h e t e r o t r o p h i cc o m m u n i t ya c t i v i t ya n dd i v e r s i t yo fa e r o b i cg r a n u l e sw e r ei n v e s t i g a t e d i i 山东大学硕士学位论文 i ns e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s b r t h r e ep a r a l l e ll a b s c a l es b rs y s t e m sw e r e o p e r a t e d o n ew a su s e da sac o n t r o lu n i t w h i l et h eo t h e rt w or e c e i v e d5m la n d15 m g lc u 2 a n dn i 2 i o n s r e s p e c t i v e l y c u 2 s e v e r e l yi n h i b i t e dt h ep r o l i f e r a t i o no f a e r o b i cg r a n u l e g r e a t l yr e d u c e dt h ec o da n dn h 4 nr e m o v a l r a t e r e s u l t i n gi nh i g h a n du n s t a b l ee f f l u e n tc o da n dn h 4 十 nc o n c e n t r a t i o n w h i l en 0 3 nc o n c e n t r a t i o n s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d a n dn 0 2 nc o n c e n t r a t i o na p p e a r e das i g n i f i c a n tp e a kd u r i n g t h e5 2 9d a y s n i 2 s t i m u l a t e dt h eg r o w t ho fa e r o b i cg r a n u l e a n ds l i g h t l yi n h i b i t e d c o da n dn h nr e m o v a le f f i c i e n c y c u 2 s e v e r e l yi n h i b i t e dt h ed e h y d r o g e n a s e a c t i v i t y d a w h i l en i 2 s t i m u l a t e dd a t os o m ee x t e n t c u 2 a n dn i 2 s t i m u l a t e dt h e g r o w t ho fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e rs u b s t a n c e s e p s t h r o u g hp c a i tc a nb es e e nt h a t s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e se x i s ti nt h ev a r i e t ya n dd e g r e eo fc a r b o ns o u r c eu t i l i z a t i o nb y t h ef i v ek i n d so fs l u d g es a m p l e s c o m m u n i t ys t r u c t u r ea n df u n c t i o n c h a n g ei n d i v e r s i t y t h er e s u l ts h o w st h a tt h et o x i ce f f e c to fc u 2 o nt h em i c r o b i a lc o m m u n i t y w a sg r e a t e rt h a nt h a to f n i 2 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 e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r h e a v ym e t a l b i o l o g d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y i i i 原创性声明 本人郑剿 所呈翅挣学隘蚊 是本人蝴的指导下 独立蝴 究所取得懈 除姊已经注明引用的内容外 本论艾和包分l 壬1 硅晰 或集体已经甓缸姑磐莸继俐嘲成果 对本文l 翔髋作出重要面蝴八和集 体 均已舀孜冲以明畹前式标明 本声明的法律责任由 耗心驰 论跏糍 盍函扛日期 趟 皇 宾占 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学徽留 使用学位论丈l 乎嘞啶 同意学使保留或 向国家有关部门或机构送变论文的复印件和电羽诧怠毓剑挠蝴和借阅 本人授权山东婀2 嫌淬掣位论如拖翁撒蝴内容编入有关数周萄撇 索 可仑摒凋影印 缩印刻尉嵫貅特锻保存沧翊硼豸衬哮位澈 主赫勰兰蛋期 型 z 1刀 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 1 1 1 水资源和水环境现状及发展趋势 随着人类社会的不断发展 城市规模不断扩大 城市的用水量和排水量都在 不断增加 加剧了用水的紧张和水质的污染 环境问题日益突出 由此造成的水 危机已经成为社会经济发展的重要制约因素 根据水利部门的预测 n 2 0 3 0 年我 国人口增至1 6 亿时 人均水资源将降低到1 7 6 0m 3 总缺水量将达至u 4 0 0 5 0 0 亿m 3 已经达到了世界公认的缺水警戒线 从地区分布情况来看 水资源总量的8 l 集 中分布于长江及其以南地区 其中4 0 以上又集中于西南五省区 就人均占有淡 水资源而言 南方最高地区和北方最低地区相差数十倍 西部比东部甚至高出五 六百倍 这些地区水资源短缺的现状将在一个相当长的时间成为难以解决的问题 1 o 据调查 我国每年约有1 3 的工业废水和9 0 以上的生活污水未经处理就排 入水域 全国有监测的1 2 0 0 多条河流中 目前8 5 0 多条受到污染 9 0 以上的城 市水域也遭到污染 致使许多河段鱼虾绝迹 符合国家一级和二级水质标准的河 流仅占3 2 2 日趋加剧的水污染 已对人类的生存安全构成重大威胁 成为人 类健康 经济和社会可持续发展的重大障碍 据世界权威机构调查 在发展中国 家 各类疾病有8 是因为饮用了不卫生的水而传播的 每年因饮用不卫生水至 少造成全球2 0 0 0 万人死亡 因此 水污染被称作 世界头号杀手 1 1 2 我国城市污水现状及面临的问题 我国污水处理事业的历史始于1 9 2 1 年 到改革开放的近二十年来取得了迅速 的发展 但仍然滞后于城市发展的需要 据统计 n 2 0 0 0 年底 全国己建设城市 污水处理厂4 2 7 座 其中二级处理厂2 8 2 座 这些污水处理厂的建设 极大地提高 了城市污水的处理水平 但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长 两者 之间的差距还有进一步拉大的趋势 2 0 0 6 年全国废水排放总量5 3 7 0 亿吨 比上 山东大学硕士学位论文 年增1 j n 2 4 化学需氧量排放量为1 4 2 8 2 万吨 比上年增长1 o 其中城镇生 活污水排放量2 9 7 5 亿吨 占废水排放总量的5 5 4 比上年增加5 7 l 根据2 0 0 6 年全国5 9 5 个城市 城考 统计结果 城市污水处理率为5 6 其中城市生活污 水处理率仅为4 2 5 5 2 0 0 个城市生活污水集中处理率为零 占 城考 城市总 数的3 3 6 l 全国城市水域功能区水质达标率不升反降 比上年下降7 2 4 2 据了解 中国一年洗衣污水量就将近2 2 亿吨 相当于3 4 个十三陵水库 7 6 个昆明 湖 大量未经过处理的污水排入水体中 造成了严重的环境污染 同时 污染正 由浅层向深层发展 生活污水对城市地下水和内陆湖泊的污染情况日益凸显 已 经对我们的生活和健康构成严重威胁 必须引起每个人的足够重视 3 今后 我国经济仍将持续快速增长 生态环境承受的压力将会更大 社会公 众对环境质量的要求也会更高 尽管近年来党和国家对水污染防治工作高度重 视 投入在逐步增加 全社会环境保护的意识普遍提高 但我国水环境恶化的形 势日益严峻 我国的污水处理事业的实际情况是污水处理率低 很多老城区的排 水管网甚至不成系统 城市污水处理能力增长缓慢和污水处理率低是造成我国水 环境污染的主要原因 由此导致了水环境的持续恶化 并严重的制约了我国经济 与社会的发展 为了保护水资源和生态环境 必须大力推进污水处理的产业化 1 1 3 重金属污染及其微生物毒性 在没有人为污染的情况下 水体中的重金属含量取决于水与土壤 岩石的相 互作用 一般很低 不会对人体健康造成危害 4 然而 随着城市化进程的加快 和工农业的迅猛发展 大量未经处理的城市垃圾 污染的土壤 工业和生活污水 以及大气沉降物不断排入水中 使水体悬浮物和沉积物中的重金属含量急剧升 高 导致城市水环境重金属的进一步污染 5 城市污水和工业废水中广泛存在的 锌 铜 镍 铬 镉等重金属 主要来源于电子和金属制造行业 而铅 钡 铁 银等金属多来源于印染 造纸 塑料 电池 合金 设备制造等行业 尽管传统 的污水处理厂能够去除溶解性和胶体有机物质 但是由于工业废水被允许排入市 政管网 重金属往往存在于市政废水中 6 1 而且污水处理厂越来越趋向于将工业 废水和市政废水结合处理 这就增加了市政废水被重金属污染的可能性 7 8 近 几十年的研究证实 含重金属污染物废水的排放对环境和公众健康造成了严重的 2 山东大学硕士学位论文 影响 水体中的重金属通过生态环境的食物链 如直接饮水 食用被污水灌溉过 的蔬菜和粮食等途径进入人体 在人体内累积 最终威胁人类的牛命健康安全 9 o 众所周知 重金属对大多数微生物来说都是有毒物质 该类物质能破坏微生 物的酶系统 抑制微生物的代谢活性 导致整个污水生物处理系统的崩溃 有研 究表明 溶解性重金属对活性污泥的影响最明显 具体的影响程度与进水重金属 浓度p h 值和污泥浓度等有关 但是 溶解性重金属对微生物的毒性可以通过进 一步驯化培养得到缓解和控制 1 1 4 我国水污染控制现状及发展 相对于工业废水而言 生活污水的水质较为稳定 浓度较低 也较容易通过 生物化学法进行处理 然而 我国城市污水处理能力增长缓慢 其主要原因可以 归结为 1 污水处理技术落后 始终存在效率低 能耗高 维修率高 自动化 程度低等缺点 2 资金短缺 投资力度不够 3 管理水平低 传统的处理技 术较复杂 我国目前操作人员的技术素质及管理水平不能适应 所以 我国水污 染控制和污水处理的任务异常艰巨 应根据城市生活污水的特点等实际情况选择 合适的简易 高效率 低能耗的处理方法 水污染控制包括污染源控制和污水处理及回用 污水处理在整个污染控制体 系中占有重要的位置 长期以来 城市生活污水多采用活性污泥法 它是世乔各 国应用最广的一种生物处理流程 其主要原理是利用在好氧条件下培养的悬浮型 微生物 活性污泥 吸附降解污染物 活性污泥结构及其沉降性能是保证处理效 果的关键 具有处理能力高 出水水质好的优点 尽管如此 活性污泥法始终具 有一些难以克服的缺点 如容易产生大量的剩余污泥 反应器容积负荷较低 一 般0 2 2 0k g c o d m 3 d 体积庞大 抗冲击负荷能力弱 极易引起丝状菌 大量生长 导致污泥膨胀 处理效率下降 甚至引起处理工艺瘫痪 活性污泥系 统处理单元冗长 占地面积大 增加了实际操作控制的难度 脱氮除磷的效率不 高 动力消耗过大等 因此 环境工程学家一直致力于研究发展高效低耗的废水 处理工艺 山东大学硕士学位论文 1 1 5 好氧颗粒污泥技术的发展现状 好氧颗粒污泥的出现有可能克服活性污泥的一些缺陷 因为在生物处理系统 中 处理效能的高低由微生物特性所决定 反应器内生物量越大 活性越高 沉 降性能越好 单位体积反应器的处理效率也就越高 上世纪8 0 年代 荷兰农业大 学的l e t t i n g sg 成功开发出能培育厌氧颗粒污泥的u a s b 反应器 真正实现了提 高反应器内生物浓度而不会减小反应器有效容积的生物处理系统 l 鉴于厌氧 颗粒污泥适用于高浓度有机废水 近年来 研究人员为进一步提高低浓度有机废 水污水生物处理的效能 已开始尝试结合好氧生物处理反应器内微生物高效氧化 特性与厌氧消化反应器中厌氧颗粒污泥的高生物浓度和良好沉降性能 而开发好 氧颗粒污泥污水处理技术 自从m i s h i m a 等人于19 91 年首次在好氧升流式污泥床 反应器内培养出好氧颗粒污泥以来 大量研究者开始从事s b r 反应器中好氧颗粒 污泥的研究 在不同的有机负荷下培养出了好氧颗粒污泥 并且对其一些特性也 进行了初步研究 但是目前直接用低浓度有机废水培养好氧颗粒污泥的颗粒化技 术还鲜有尝试 关于在s b r 反应器中重金属对好氧颗粒污泥水处理性能及微生物 的影响还未见诸报道 因此对用模拟低浓度生活污水 c o d 浓度2 0 0 3 0 0m g l 直接培养好氧颗粒污泥的探讨 及其重金属对颗粒污泥水处理性能及微生物影响 的研究 为当前解决市政废水的处理提供了新的思路及理论基础 1 1 6 本研究的意义 近年来 将生物自絮凝原理应用于好氧反应系统中 实现好氧污泥的颗粒化 在反应器中留存大量沉降性好的好氧颗粒状活性污泥 降低了对污泥沉淀系统的 要求 减少了剩余污泥的排放 好氧颗粒污泥不仅能承受高的有机负荷 而且集 多种微生物 好氧 兼氧和厌氧微生物 于一体 因此它可以同时应用于生活污 水和工业废水的处理中 1 2 1 7 1 国内外对好氧颗粒污泥的研究均处在起步阶段 有 很多问题尚需要进行研究和不断的证实 本论文以模拟低浓度生活废水培养好氧颗粒污泥 考察好氧颗粒污泥培养过 程及其形成机理 并对颗粒污泥水处理性能及其微生物系统结构进行试验研究 优化絮状活性污泥颗粒化的操作运行条件 探索好氧颗粒污泥微生态系统的结构 特征 通过试验研究的方法 探讨有机负荷下好氧颗粒化过程 好氧颗粒污泥基 4 山东大学硕士学位论文 本性质 脱氮除磷机理及微生物活性 为进一步研究好氧颗粒污泥对有毒有机废 水的适应性 针对重金属有机废水中 重金属离子对好氧颗粒污泥微生物稳态系 统性质特征的影响以及脱氮过程的影响机理 1 2 文献综述 1 2 1 颗粒污泥的形成过程及机理 颗粒污泥的形成是微牛物实现自身固定化的过程 是微生物菌群中单个菌体 之间经一系列物理 化学和生物作用相互作用的过程 许多研究表明 这种相互 作用过程不仅与微生物细胞表面行为有关 还与其污泥化学特性及环境因素等密 切相关 国内外研究者对好氧颗粒理化特性 微牛物结构与s b r 反应器操作工艺 条件等方面进行了广泛的研究 但迄今为止对其形成机理的研究尚没有产生统一 的理论 国内外学者提出了众多假设 1 8 1 真菌 丝状菌 假说 b e u n 等在s b r 反应器中培养好氧颗粒污泥时提出接种污泥中真菌 丝状菌 式反应器中的优势菌 19 1 真菌在较强的水力剪切力的作用下互相缠绕形成微生 物聚集体 为细菌的大量繁殖提供了栖居地 细菌由于密度较大留在反应器中进 一步发展成好氧颗粒污泥 见图1 1 口酶 q 臼 t 藩翱甓餐纽聊嚣 图1 1 好氧颗粒化的机理假设 2 晶核假说 l e t t i n g a 等提出了厌氧颗粒污泥的 晶核假说 原理刚 该原理认为在晶核 凸 懒 妇 翦 一臻一臻今错涿 山东大学硕士学位论文 的基础上 颗粒不断发育到最后形成成熟的颗粒污泥 这种晶核来源于接种污泥 或非溶解性无机盐 如c a c 0 3 后来 j i a n g 等证实了 晶核假说 原理也适 用于好氧颗粒污泥 2 1 1 3 自凝聚 a u t o i m m o b i l i z a t i o n 或s e l f i m m o b i l i z a t i o n 假说 自凝聚现象是生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下 相互聚合形成 一种密度较大 体积较大 活性和传质条件都较好的微生物同生体颗粒的现象 2 2 2 4 1 o 4 胞外聚合物假说 目前不少学者认为胞外聚合物 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 污泥颗粒的关键性因素 e p s 主要由多糖和蛋白质组成 影响着细菌表面的性质 和颗粒污泥的物理性质 细菌个体是带负电荷的 e p s 的产生可以改变细胞之间 的静电斥力 从而产生凝聚现象 r o s s 等提出细胞通过胞外多聚物的甲壳作用而 连接在一起 形成了颗粒污泥 2 5 1 s c h m i d t 等在总结以往研究成果的基础上提出 了一个基于胞外多聚物假说并综合其他假说的模型2 6 1 现在普遍认为以普通活性污泥为接种污泥的好氧污泥颗粒化机理是微生物 固定化的过程 2 7 1 可以描述为以下四个步骤 第一步 物理运动使细菌之间相互接触 也就是说细菌间通过水力流态及各 种扩散力的作用相互接触或细菌吸附到絮体表面 这一过程中的影响因素有流体 力学 扩散传质 重力 热力学和细胞活性等 第二步 微生物细胞间及细胞与混合液中的某些离子间的吸引作用 这些吸 引力包括物理作用力 化学力 生物力 包括细胞表面疏水性 等 使微生物在固 定化过程中出现可逆附着和不可逆附着两种情况 第三步 当废水中含有较多的多糖类物质时 有利于不可逆附着过程的发生 并可缩短完成固定化所需要的时间 微生物通过与液相主体经外部和内部扩散作 用输送到其周围的有机底物相互接触 产生胞外多聚物使细胞聚集体结构稳定 细胞簇生长 代谢改变 以及环境诱导影响细胞间相互作用 最后导致细胞结构 的高度紧凑 第四步 当基质负荷率和剪切力之间能达到一种良好的平衡关系时 一种平 6 山东大学硕士学位论文 滑 牢固的生物膜就形成了 从而通过水力剪切力形成完整的微生物聚集体的空 间结构 1 2 2 好氧颗粒污泥的理化特征及微生物结构 物理性质 好氧颗粒污泥是利用微生物自身具有絮凝或固定于物体表面的特征 在适当 的条件下形成的好氧颗粒 成熟的好氧颗粒污泥外观一般呈橙黄或浅黄色 表面 光滑 近似圆球形或椭圆球形 颗粒直径大多在0 2 7m m 之间 纵横比为0 7 6 形状系数稳定在0 4 5 比重为1 0 0 7 左右 含水率9 7 9 8 混合液悬浮固体 m i x e d l i q u i ds u s p e n d e ds l u d g e m l s s 为4 0 4 6 8 8g l 污泥体积指数 s l u d g ev o l u m e i n d e x s v i 值2 0 一4 5m l g 颗粒污泥的耗氧速率 o x y g e nu s a g er a t e o u r 为1 2 7m g g s s m i n 颗粒污泥的沉降速度与其大小和结构有关 一般在3 0 7 0 m h 之间 约为传统活性污泥 8 1 0m h 的三倍 1 2 2 8 1 与传统絮状污泥相比 好氧颗粒污泥具有良好的沉降性 能保持高污泥浓度 并能承受高有机负荷 可 间歇运行 重新启动时间短 污泥构成 好氧颗粒污泥是由相互聚集的 多物种的微生物构成的团体 每克污泥中含 有上百万的细菌 这些细菌在多种污染物质的降解过程中起到各不相同的作用 通过扫描电镜观察可以发现好氧颗粒污泥含有众多的孔隙 这些孔隙可以达到表 面以下9 0 0 岬处 而在表面以下3 0 0 5 0 0g m 处的孔隙率最高 这些孔隙有利于氧 和基质向颗粒内部传递并运出代谢产物 研究表明 在控制合适的溶解氧条件下 可使得颗粒污泥中多种微生物共存 颗粒污泥具有丰富的生物相 2 9 3 0 1 颗粒污泥 主要由异养菌和硝化菌组成 3 颗粒本身的生物相主要有球菌 长短不一的各 种杆菌等 显微镜观察发现 在同步脱氮的颗粒污泥外部主要由好氧的丝状菌构 成 并作为污泥的颗粒框架 周围附着椭球状菌体 颗粒污泥的内部丝状菌减少 球菌增多 观察还发现 颗粒污泥外部丝状菌结构紧密且污泥表面孔隙率小 颗 粒污泥内部结构相对松散 孔隙率较大 胞外聚合物 e p s 山东大学硕士学位论文 e p s 是细胞粘合的介质 通常由多糖 p s 蛋白质 p n 糖蛋白 核 酸 磷脂和腐殖酸等组成 是生物絮体 生物膜和生物颗粒的主要成分 尤其在 生物膜和生物颗粒的形成过程中起重要作用 已有研究表明 p s 通过架桥作用 连结e p s 和细菌而形成最初的三维微生物聚合体结构 在此基础上 细菌进一步 生长 并且在环境水力剪切力的作用下 逐渐形成颗粒状污泥 它对污泥颗粒的 形成与稳定性起着重要作用 3 2 3 3 1 m c s w a i n 等的试验结果表明颗粒污泥e p s 中的 p n 比絮状污泥高5 0 以上 3 4 蔡春光等发现好氧颗粒污泥形成前后 e p s 中 p s p n 比值增加了近2 5 倍 颗粒表面电荷比活性污泥絮体减少约1 2 疏水性由 4 2 增加到6 5 可见p s n 与污泥表面负电荷 疏水性等具有一定相关性 3 2 1 脱氢酶 污水生物处理的本质是酶促反应过程 污水中有机污染物在微生物酶的作用 下氧化分解 脱氢酶活性水平的高低直接关系到有机污染物的生物降解速度以及 废水处理构筑物的净化效果 测定脱氢酶活性可以通过加入人工氢受体 使之在 脱氢酶的作用下改变颜色 目前国内外应用比较多的人工氢受体是t t c 和i n t t t c 是一种无色的物质受氢后被还原为红色的三苯基甲脂 t f i n t 呈微黄色 受氢后变成紫色的i n t f t f 或i n t f 均不溶于水 以结晶形式存在于细胞内 因 此 试验中通常采用有机溶剂来破坏微生物的细胞壁及细胞膜 并从中萃取出 t f 或i n t f 由于这两种还原产物在波长4 8 5n m 附近有吸收峰 因而可以采用分 光光度法于4 8 5a m 处测定其光密度 进而计算还原产物生成量 h i t t c i n t 脱氢酶活性 3 5 3 刀 微生物相特征 营养物进入颗粒污泥内部需要克服传质阻力 溶解氧从颗粒外部经表面空隙 传递到颗粒内部 形成溶解氧梯度 在颗粒内部造成缺氧区 为兼氧和厌氧微生 物提供了适宜的生长条件 3 引 有利于丰富好氧颗粒的微生物相 有研究表明 在控制合适的溶解氧条件下 可使得在颗粒污泥中多种微生物共存 3 9 4 0 在低倍 镜下观察发现 好氧颗粒污泥结构致密 表面光滑 形状规则 在较大的颗粒污 泥颗粒表面和周围存在大量的原生 后生动物 附着生长着大量钟虫 累枝虫等 这些累枝虫凭借其长柄 伸展到颗粒周围的空间 并不停地在吞食细菌和固体食 物颗粒 颗粒周围的液体中有很多草履虫 变形虫 水蚤 线虫和衣藻游动 4 m 3 1 山东大学硕士学位论文 在不同的条件下好氧颗粒污泥的微牛物的主要构架可以是有杆菌 球菌或大量相 互缠绕的丝状菌等 4 4 4 7 而同步脱氮好氧颗粒污泥的外部通常由球菌或丝状菌组 成 杆菌主要分布在颗粒污泥的内部 且颗粒外部结构相对密实 内部结构较为 松散 但是颗粒污泥表面仍有很多空穴 这些空穴能够保证营养物质的传递 同 时也利于有毒代谢副产物的排出 1 9 4 3 a 8 1 3 重金属离子与污泥微生物的相互影响 众所周知 重金属不能被微生物降解并且对它们有毒害作用 但是微生物对 重金属又有一定的抗性和解毒作用 可以吸附和转化重金属 近年来 正是基于 微生物对重金属的积累和解毒作用 以净化有毒金属污染或回收有经济价值重金 属为目的的生物处理技术日益成熟 微生物是现代工业发展的坚强后盾 微生 物巨大的环境保护功能显得越来越重要 研究和运用微生物与重金属间的相互作 用将具有明显的生态效益 社会效益和经济效益 重金属是微生物生长代谢的必要元素 在微生物生长代谢过程中 除了k n a c a m g 等常量元素外 还需要一 些具有特殊生物学功能的微量元素 其中有一部分是重金属元素 例j t l f e 是细胞 中过氧化氢酶 细胞色素氧化酶的组分 c u 是多酚氧化酶的组分并维持羧化酶 的功能 z n 是乙醇脱氢酶 r n a 和d n a 聚合酶的组分 n i 是脲酶 氢化酶的组 分 并可刺激某些无机化能自养菌的生长 c o 参与维生素b 1 2 的组成及微生物与 植物的共生固氮作用 m o 不仅有利于微生物固氮 而且还是反硝化细菌中硝酸 盐还原酶的辅助因子等i 4 9 1 重金属对微生物的毒性 微生物能吸收和转化重金属及其化合物 但是 当环境中重金属的浓度增加 到一定程度时 它们就会抑制微生物的生长代谢作用甚至引起死亡 由于金属离 子可以和生物体中许多基团发生作用 它对生物体的毒杀作用也是多方面的 再 加上金属离子可以与生物体释放的各种有机物反应 改变了它们的状态 使得其 毒杀作用更加复杂 因而只考虑一种或几种因素来讨论它们的作用规律显然是不 合适的 大量的实验及研究基本上可以证实 重金属离子杀菌的作用方式是金属 山东大学硕士学位论文 离子可以迅速地 无选择地被细胞表面吸附 然后缓慢地渗入细胞内部 它们与 有机物形成的络合物或盐可以加速这种渗入 而进入细胞内部的金属离子可以干 扰各种酶的作用 使其失去应有的生物功能 最后导致细胞的死亡 5 啦5 2 1 微生物对重金属的抵抗和解毒机制 尽管重金属对微生物有毒 但是驯化能够使得他们适应并存活 原因是微生 物有其自己的抗重金属和解毒机制 即使在高金属浓度存在条件下 某些微生物 能通过细胞的表面富集于细胞膜成分的改变 减小毒性的破坏 由于活性污泥微 生物的多样性和环境因素的差异 对于重金属的抵抗和解毒机制的表现也不尽相 同 主要通过生物吸附 生物转化两种不同生物化学过程 5 3 1 1 生物吸附 真菌对重金属的吸附作用主要是指细胞成分对金属的消极吸附 其吸附的方 式主要有两种 一是细胞壁上的活性基团 如琉基 羧基 羟基等 与重金属离 子发生定量化合反应 如离子交换 配位结合或络合等 而达到吸收的目的 二 是物理性吸附或形成无机沉淀而将重金属污染物沉积在自身细胞壁上1 5 4 5 5 在真 菌细胞壁与金属离子结合的被动吸附过程中 细胞壁上的多糖等物质可以为结合 重金属离子提供大量的离子交换点 当这些结合点达到饱和时 真菌对重金属离 子的富集就得通过另外一种机制 络合作用 2 生物转化 生物转化是通过获得微生物细胞代谢伴随着能量消耗进行的一个主动过程 一部分为较缓慢的生物作用所吸收 最终积存在在细胞原生质内 一部分通过氧 化 还原 甲基化和脱基化作用而改变其毒性 从而形成了某些微生物对重金属 的解毒作用 大量的研究表明 微生物对重金属的抗性在很多情况下是由细胞中 染色体外的遗传物质一质粒 p l a s m i d 或转座子 t r a n s p o s o n 上的抗性基因决 定的 由抗性基因编码的金属解毒酶催化高毒性金属转化成为低毒形态 y e t i s 等人通过试验证实了微生物对重金属离子的去除过程分两个阶段进 行 第一个阶段是溶液中的重金属离子与微生物细胞壁的功能基团 o o h n h 2 n h 一s h o h 的结合过程 该过程反应迅速 所需时间较短 1 0 山东大学硕士学位论文 第二个阶段则是与功能基团所结合的重金属离子在细胞膜内的扩散过程 该过程 反应缓慢 所需时间较长 5 6 1 1 4 研究现状分析 好氧颗粒污泥技术的研究虽然得到了中外学者的热切关注 但仍存在一些尚 需要完善和探讨的问题 主要包括以下方面 1 有机负荷对好氧颗粒污泥培养的影响 现有的研究证实有机负荷是影响活性污泥颗粒化的重要影响因素 反应器 在高有机负荷率下有助于克服基质的传质阻力 在相应较高的水力剪切力下可形 成结构致密 沉降性能优异的好氧颗粒污泥 已有报道s b r 反应器在有机负荷2 5 k g c o d m 3 d 1 5k g c o d m 3 d 条件下均能发生好氧污泥颗粒化 形成的好氧颗 粒粒径在1 6m m 1 9m m 颗粒密度 强度 s v i 以及颗粒的三维结构等均与有机 负荷率相关阿5 9 1 在有机负荷低于2k g c o d m 3 d 的情况下实现污泥颗粒化的文 献还未见诸报道 2 颗粒污泥微生物方面 在废水生物处理系统中 系统处理效率与反应器内微生物组织结构形式 功 能降解菌的持留量 污泥微生物相的多样性和稳定性等密切相关 因此 国内外 学者应用现代分子生物技术等方法 如基于共聚焦激光扫描显微镜 c l s m 的 寡核甘酸探针杂交 特殊荧光染色等 对不同操作条件下好氧颗粒污泥内部微生 物结构进行研剜6 0 啦 t o h 等用c l s m 发现颗粒表层结构较致密 约6 0 0 j 5 0 岬 厚 活细胞仅存在于颗粒表层 均与粒径大小无关f 6 引 鉴于好氧颗粒污泥特 殊的层状结构 颗粒外层和内部构成同步实现硝化和反硝化的微观环境睇j 已 有大量研究集中在好氧硝化反硝化颗粒污泥的结构与菌群分布等方面 j a n g 等发 现颗粒内部微生物以杆状菌为主 结合微电极和f i s h 技术 真细菌探针一 e u b 3 3 8 氨氧化菌探针 n s m l 5 6 同样发现氨氧化菌主要分布在颗粒表层 大 多数硝化反应也发生在颗粒污泥表层3 0 0g m 范围内f 6 5 l i u 等发现在高n c o d 底 物条件下好氧颗粒呈蘑菇形状 说明细菌对营养基质存在趋化性 在混和培养环 境中蘑菇状结构可促进硝化菌群与营养基质的接触 形成最适 稳定存活的复杂 山东大学硕士学位论文 菌群分布结构阁 3 重金属对好氧颗粒污泥的适应性方面 众所周知 重金属对微生物的正常生长代谢有重要的影响 但是 研究也证 实驯化培养后的微生物对重金属具有很好的适应性 好氧颗粒污泥表面有很好的 空隙率和比表面积 并由多种微生物组成 同时分泌的胞外聚合物 不仅具有黏 质性 而且使得好氧颗粒污泥表面呈现负电荷 因此是很好的吸附剂 虽然 好 氧颗粒污泥可以吸附c u 2 z n 2 c d 2 等重金属离子 但是这仅是通过静态吸附 实验得到的研究结论 吸附重金属的好氧颗粒污泥性质是否发生变化 是否仍然 能保持稳定 不得而知 溶解性重金属离子广泛存在于城市污水和工业废水中 溶解性重金属离子对好氧颗粒污泥的影响紧密关系着好氧颗粒污泥工艺的运行 稳定 重金属可以是微生物生长必不可少的微量元素 也可能是微生物的毒性物 质 因此 本研究选择微生物生长必须微量元素中的c u 2 和n i 2 离子 进一步的 探讨和揭示溶解性重金属离子对好氧颗粒污泥基本特性的影响程度 对好氧颗粒 污泥微生物结构组成及其活性的影响规律 因此 进一步深入探讨溶解性重金属对好氧颗粒污泥水处理性能及生物活性 的影响机制 有利于促进该工艺的推广应用 1 5 本论文的主要研究内容 针对以上研究现状的分析 本课题的研究内容主要有以下几个方面 用合成生活废水在低有机负荷下培养好氧颗粒污泥 考察颗粒污泥的脱氢酶活性 用b i o l o g 方法对其微生物活性及多样性进行研 究 并探讨脱氮性能及机理 在s b r 反应器中考察重金属离子c u 2 n i 2 对颗粒污泥水处理性能及微生物 活性的影响 1 2 山东大学硕士学位论文 参考文献 1 2 0 0 6 中国环境状况公报 中国环境报 2 0 0 7 年6 月5 日 国务院环境保护委员会国 家环境保护局中国环境报社 2 2 0 0 6 全国城市环境管理与综合整治年度报告 二 中国环境报 2 0 0 7 年6 月l o 日 国务院环境保护委员会国家环境保护局中国环境报社 3 王晓燕 浅议城镇水污染状况及防控措施 科技情报开发与经济 1 0 0 5 6 0 3 3 2 0 0 7 31 0 2 9 5 0 2 4 常学秀 文传浩 王焕校 重金属污染与人体健康 云南环境科学 2 0 0 0 1 9 5 9 6 1 5 许嘉琳 杨居荣 陆地生态系统中的重金属 北京 中国环境科学出版社 1 9 9 6 6 d i l e kfb g o k c a ycf a n dy e t i su c o m b i n e de f f e c t so fn i i i a n dc r v i o na c t i v a t e d s l u d g e w a tr e sl9 9 8 3 2 3 0 3 3 12 7 t s a i ayp y o usj p a ity a n dc h e nkw e f f e c to fc a d m i u mo nc o m p o s i t i o na n dd i v e