好氧颗粒污泥培养

1、AR-ngwtt-c1好氧颗粒污泥好氧颗粒污泥新一代的污水生物处理技术新一代的污水生物处理技术Director, Institute of Environmental Science and EngineeringHead, Div of Environmental and Water Resources EngineeringSchool of Civil and Environmental EngineeringNanyang Technological UniversitySingaporeAR-ngwtt-c2厌氧颗粒污泥厌氧颗粒污泥生物颗粒污泥技术生物颗粒污泥技术好氧颗粒污泥好氧颗粒

2、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AR-ngwtt-c3 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AR-ngwtt-c4为什么要研究好氧颗粒污泥为什么要研究好氧颗粒污泥? ?好氧细菌的特点：好氧细菌的特点： . 生长迅速生长迅速 . 与厌氧菌比较，生长环境温度要求相对宽松与厌氧菌比较，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。AR-ngwtt-c5什么是好氧颗粒污泥什么是好氧

3、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。AR-ngwtt-c6好氧颗粒污泥的优点及应用好氧颗粒污泥的优点及应用v 相对结实的微观结构 v 优良的沉淀性能 v 较高浓度的污泥截留v 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AR-ngwtt-c7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AR-ngwtt-c8aAR-ngwtt-c9好氧颗粒污泥的形

4、成好氧颗粒污泥的形成 AR-ngwtt-c10好氧颗粒化是好氧颗粒化是接种污泥接种污泥 结构紧凑的聚合体结构紧凑的聚合体 颗粒状的污泥颗粒状的污泥 成熟的颗粒污泥成熟的颗粒污泥一个逐渐的演化过程一个逐渐的演化过程: :AR-ngwtt-c11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AR-ngwtt-c12 1星期后BCD2星期后3星期后种泥AR-ngwtt-c130369121501020304050Operation time (days)MLSS concentration (g/L)0.00.51.01.52.001020304050Operation time

5、(days)Size (mm)050100150200250300350SVI (mL/g)颗粒尺寸颗粒尺寸污泥体积指数污泥体积指数污泥尺寸在三周内从 0.1 mm 增长到 1.7 mm 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 35 mL/g颗粒化过程后污泥量浓度增加到 15 g/L一个典型的颗粒化过程 实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥AR-ngwtt-c15中试反应器中形成的稳定好氧颗粒污泥反应器直径: 20 cm 工作体积: 40 LAR-ngwtt-c16好氧颗粒污泥的特性好氧颗粒污泥的特性AR-ngwtt-c17好氧颗粒污泥和传统活性污泥性质的比较好氧

6、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)2.40.710.15污泥体积指数 (mL/g） 51-85150-250沉降速度 (m/h) 358.510反应器中的污泥浓度 (g/L)8.0-15.03.0-5.0密度 (g/L)41.16.9颗粒污泥强度 (%)980.9较弱近圆率 (aspect ratio)0.790.06外形不规则疏水性 (%)68.03.9耗氧率 (SOUR, mgO2/g/hr） 69.48.8100COD去除率 (%)96.61.690%AR-ngwtt-c18污泥絮体和不同尺寸颗粒污泥的外形 (标尺长度: 5 mm)A: 污泥絮

7、体污泥絮体 ( 0.15 mm)B: 颗粒污泥颗粒污泥 (0.15-0.5 mm)C: 颗粒污泥颗粒污泥 (0.5-1.0 mm)D: 颗粒污泥颗粒污泥 (1.0-2.0 mm)E: 颗粒污泥颗粒污泥 (2.0-2.8 mm)尺寸大小分类尺寸大小分类( (直径直径, , mm) )平均直径平均直径(mm)近圆率近圆率 (aspect ratio)(aspect ratio)圆满度圆满度 (roundness)(roundness)% 污泥有机成分污泥有机成分污泥体积指数污泥体积指数( (mL/g)2.02.540.82 ( 0.13)0.70 ( 0.15)74.1 ( 2.2)40.4 (

8、5.2)AR-ngwtt-c19好氧颗粒污泥的微生物特性好氧颗粒污泥的微生物特性AR-ngwtt-c20表面微观结构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AR-ngwtt-c21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0.55 mm，在颗粒表面下250 m处明显存在一多微孔层。颗粒边缘颗粒边缘颗粒中心颗粒中心通道及孔状结构通道及孔状结构AR-ngwtt-c22微生物细胞和厌氧菌（Bacteroides）的杂交测试荧光分布图曲线1 1：以杂交探针Eub338Eub338的荧光密度表示的微生物细胞

9、在颗粒污泥中的分布曲线2 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（Bacteroides spp.）存在在颗粒污泥表面下800um处厌氧菌的存在厌氧菌的存在AR-ngwtt-c23好氧颗粒污泥中的好氧颗粒污泥中的微生物分布微生物分布AR-ngwtt-c24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 1mmSize 1

10、-2mmSize 2-3mmAR-ngwtt-c25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propidium iodide染料染色AR-ngwtt-c26影响好氧颗粒污泥形成的一些因素影响好氧颗粒污泥形成的一些因素 AR-ngwtt-c27 底物组成底物组成: : 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感 有机负荷率有机负荷率: : 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感 水力

11、剪切力水力剪切力: : 较高的剪切力有利于具有紧凑结构的颗粒形成较高的剪切力有利于具有紧凑结构的颗粒形成 沉降时间沉降时间: : 较短的沉降时间有利于颗粒形成较短的沉降时间有利于颗粒形成 泥龄泥龄：维持系统一定维持系统一定泥龄泥龄(MCRT)对颗粒污泥的形成和稳定性非常关键对颗粒污泥的形成和稳定性非常关键 水力停留时间水力停留时间: : 应选择一个恰当的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 阳离子阳离子: : 具有正面效应具有正面效应 加料

12、加料: : 周期性周期性冲击式冲击式加料有利于具有紧凑厚实结构的颗粒形成加料有利于具有紧凑厚实结构的颗粒形成 反应器形状反应器形状: : 具有较大高度具有较大高度/ /直径比值直径比值（H/D）的柱状反应器有利于颗粒形成的柱状反应器有利于颗粒形成AR-ngwtt-c28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不同底物培养的好氧颗粒污泥AR-ngwtt-c291.5 g/L/d (500 mg COD/L)9.0 g/L/d (3000 mg COD/L)3.0 g/L/d (1000 mg COD/L)6.0 g/L/d (2000 mg COD/L)在不同有机负荷率下形

13、成的好氧颗粒污泥在不同有机负荷率下形成的好氧颗粒污泥AR-ngwtt-c30050100150200250300051015202530Operation time (days)SVI (mL /g): 0.3 cm/s O : 1.2 cm/s : 2.4 cm/s : 3.6 cm/s 00.10.20.30.40.5051015202530Operation time (days)Size (mm)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0.3 cm/s时的剪切力下形成，并在相当于表面上升气流速度大于1.2 cm/s时的

14、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！AR-ngwtt-c310.3 cm/s 上升气流速度2.4 cm/s 上升气流速度 3.6 cm/s 上升气流速度1.2 cm/s 上升气流速度不同剪切力作用下形成的不同剪切力作用下形成的好氧颗粒污泥的外部形态好氧颗粒污泥的外部形态AR-ngwtt-c325天泥龄20天泥龄 30天泥龄10天泥龄不同不同控制泥龄控制泥龄下形成的下形成的好氧颗粒污泥的外部形态好氧颗粒污泥的外部形态AR-ngwtt-c33好氧颗粒污泥的储存好氧颗粒污泥的储存AR-ngwtt-c340

15、204060800306090120150Storage time (days)SOUR (mg/g.h)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。使用的接种颗粒污泥性质: 平均直径: 1.28 mm污泥体积指数: 28 mL/g耗氧率:13.4 mgO2/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由储存的颗粒污泥接种并接种并启动生物反应器启动生物反应器反应器启动(1)好氧颗粒污泥使用量2.0 L，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1.03 g/L接

16、种污泥(经过3个月的储存)接种并在反应器中运行一天后94.538.713.4020406080100Microbial activity (mgO 2/g/h)Seed sludge 1 day after startup 2 day after startup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050100150200051015202530Time (days)SOUR (mg/g/h)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AR-ngwtt-c39好氧颗粒污泥的形成机理好氧颗粒污泥的形成机理 AR-ngwtt-c40细胞自固定过

17、程中的四个步骤细胞自固定过程中的四个步骤步骤步骤 1: : 细菌之间通过物理运动相互接触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步骤 2: : 细胞间相互接触及稳定过程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促使细胞相互吸引的动力包括: :物理吸引力物理吸引力: : 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AR-ngwtt-c41化学及生化吸引力化学及生化吸引力: : 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

18、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 步骤步骤 3 3: : 生物聚合体的成熟，生物聚合体的成熟，促进这一过程的作用包括：促进这一过程的作用包括：步骤步骤 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颗粒污泥系统AR-ngwtt-c42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 胞外多聚糖胞外多聚糖: :可能对帮助维持颗粒污泥结

19、构的完整性比较重要 选择压力选择压力: :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好氧颗粒污泥的应用好氧颗粒污泥的应用 AR-ngwtt-c44 高浓度有机废水的处理高浓度有机废水的处理 毒性废水的处理毒性废水的处理 有机和营养物质的同时去除有机和营养物质的同时去除 对重金属离子的生物吸附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基因转换形成的专效高能细菌的固定AR-ngwtt-c45高浓度有机废水的处理高浓度有机废水的处理好氧颗粒污泥好氧颗粒污泥较高的污泥截留较高的污泥截留高浓度有机废水的处理高浓度有机废水的处理耐受较高的冲击负荷耐受较高的冲击负荷 AR-ngwtt-c46葡萄糖培养的颗粒污泥醋酸根培养的颗粒污泥OLR (kg COD/m3/d)OLR (kg COD/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 (aspect ratio)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(1