好氧颗粒污泥培养及不同阶段除污性能的研究

以某味精污水处理厂厌氧池的厌氧颗粒污泥作为接种污泥,采用人工模拟配水,通过控制运行条件在序批式反应器(SBR)中成功培养出了好氧颗粒污泥。研究表明,该好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能及除污性能。好氧颗粒污泥的形成阶段的粒径为0.1～0.5 mm,成熟后的平均粒径为2 mm。形成阶段SBR中MLSS为5 000～6 000 mg/L,对COD和NH3-N的去除率分别达到了88.1%和87.6%。成熟后SBR中MLSS为10 000 mg/L左右,对COD和NH3-N的去除率分别达到了94%和97.5%。通过电镜分析可知,好氧颗粒污泥表面主要聚集了球状菌,中部主要以丝状菌和杆状菌为主,内部为无机核心。这种明显的分层现象,充分说明了好氧颗粒污泥沿半径方向由于溶解氧的梯度分布,微生物呈层状分布,这种层状分布的结构为好氧颗粒污泥同步硝化反硝化提供了可能。     

好氧颗粒污泥颗粒化影响因素及应用现状

好氧颗粒具有良好的沉降性能、较高的生物量和高容积负荷条件下降解高浓度有机废水的良好生物活性,是提高生物反应器效能的重要物质。文章综述了好氧颗粒污泥的形成机制、颗粒化过程的主要影响因素以及在污水处理中的应用现状等三方面国内外好氧颗粒污泥的研究成果,并提出了好氧颗粒污泥的研究方向及发展趋势。     

好氧颗粒污泥的研究进展

污泥颗粒化(granulation)是指废水生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下,相互聚集形成一种密度较大、体积较大、体质条件较好的微生物聚集体.按照微生物代谢过程中电子受体的不同,颗粒污泥可分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥两类.目前对污泥颗粒化的研究主要集中在两个方面:一方面是从宏观层面探讨颗粒化的形成模式,优化运行参数以达到更好的颗粒化效果;另一方面是从微观层面去研究颗粒化的机理、微生物菌群及其他化学成分在颗粒化过程中所起的作用.本文综述了好氧颗粒污泥近年来的研究进展,主要包括:好氧颗粒污泥的性质(形态及粒径、沉降性能、密度与强度、生物活性、细胞表面疏水性、胞外多聚物等)及结构,颗粒污泥的培养条件、形成机理及影响因素(有机负荷、基质成分、剪切力、沉淀时间、运行周期、进水模式、微生物饥饿期、反应器结构、溶解氧、温度等),以及颗粒污泥的应用(工业废水处理、城市污水处理、有毒污染物降解、脱氮除磷、重金属及放射性核素的去除等).此外,还介绍了全自养颗粒污泥,如硝化颗粒污泥方面的研究.分析表明,随着对好氧颗粒污泥研究的不断深入,将好氧颗粒污泥应用于实际废水处理得到越来越多的关注.好氧颗粒污泥的形成机理、颗粒污泥的微生物特性、颗粒污泥的长期运行稳定性及其工业化应用是今后需要重点关注的研究方向.     

沉降速率作为选择压对好氧颗粒污泥性质影响

在序批式反应器中以普通活性污泥驯化而得的好氧颗粒污泥为接种污泥,葡萄糖为碳源,研究作为选择压的沉降速率对好氧颗粒污泥性质的影响。结果表明:作为选择压的沉降速率与反应器中SV值和MLSS成反比关系;在沉降速率变化过程中,污泥龄、耗氧速率、胞外多聚物和COD去除率均产生变化。在本试验条件下,改变沉降速率,能改变反应器中生物量的洗出量并在一定程度上影响微生物群体的组成,从而影响活性的生物学性能;但生物相的改变限度在一定范围内,存在着动态平衡。污泥龄的波动与不同沉降速率下反应器中污泥中的胞外多聚物含量的变化有关。大量的胞外多聚物在颗粒污泥表面形成粘液层,对颗粒污泥形成保护。不同沉降速率下颗粒污泥的的胞外多聚物发生变化,进而影响颗粒污泥的稳定性。     

培养因素对好氧污泥颗粒化进程的影响

全面阐述好氧污泥颗粒化的影响因素,指出反应器构造和接种污泥是污泥颗粒化的两个基础性影响因素,污泥沉降时间、曝气量和有机负荷则是培养成败的关健性影响因素,而基质类型、有机负荷、饥饿期、含盐量、温度、pH值、多价阳离子或载体、循环时间、污泥龄、抑制物质只是一般性的影响因素。并对好氧颗粒污泥的研究方向进行了展望。     

SBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究

采用SBR反应器进行了好氧颗粒污泥的培养和脱氮除硫研究.结果表明,以厌氧颗粒污泥为种泥,通过控制运行条件,在30d内可培养出好氧颗粒污泥.好氧颗粒污泥粒径以1~2mm为主, SVI为30~40mL/g,微生物组成以短杆菌为主,外部包裹大量丝状菌.当COD和NH4+-N负荷分别保持在1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),硫化物负荷从0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.90kg/(m3·d)时,好氧颗粒污泥对硫化物、COD和NH4+-N的去除率分别>99%、>80%和>98%.在高硫化物浓度下,反应器仍然表现出良好的脱氮效果,可能是由好氧颗粒污泥的层状结构和硫化物能先于NH4+-N快速氧化的特点决定的.     

Ca2+在好氧颗粒污泥形成中的作用

通过运行序批式生物反应器与摇瓶实验相结合方法,在进水中投加不同数量Ca2+(0～200mg/L),考察了Ca2+在好氧颗粒污泥形成中的作用.当SBRⅠ、Ⅱ进水Ca2+含量分别为30、100mg/L,运行20d后,两反应器中均出现了好氧颗粒污泥.运行前50d,SBRⅠ中颗粒污泥浓度MLSS与污泥沉降指数SVI指标明显好于SBRⅡ;运行80d后,SBRⅠ、Ⅱ中污泥浓度MLSS均稳定在7.5g/L,SVI分别为46～48mL/g、45～47mL/g,差异很小.反应器运行90d后,SBRⅠ、Ⅱ中污泥Zeta(ζ)电位为-12.5～-12.6mV;摇瓶实验中,当进水Ca2+为0～200mg/L,运行至60d时,摇瓶中污泥Zeta电位为-14.1～-14.4mV;进水中Ca2+含量的增加对污泥Zeta电位影响很小,没有引起好氧颗粒污泥Zeta电位的明显差异,电中和在颗粒污泥形成过程中并不起重要作用.随着进水Ca2+浓度增加,颗粒污泥中的微生物数量与种类都逐渐丰富,Ca2+有助于促进污泥中微生物多样性.接种污泥及SBR中颗粒污泥的元素含量分析表明,好氧颗粒污泥Ⅰ、Ⅱ与接种污泥相比,颗粒污泥中Ca、Mg、K、Na含量均有所减少,Fe含量分别增加了4.42%、7.82%.具有良好絮凝作用的金属离子与EPS间形成的高分子生物聚合体可能是促进好氧颗粒污泥形成的主要原因.反应器运行期间,SBRⅡ对污染物的去除性能始终高于SBRⅠ,运行70d后,SBRⅠ、Ⅱ中颗粒污泥对NH4+、COD去除率较高达到90%以上,对TN、TP的去除率为65%～70%.     

好氧颗粒污泥快速培养影响参数及方法研究进展

针对好氧颗粒污泥培养速度慢、启动周期长等突出问题,通过综述好氧颗粒污泥的形成机理、颗粒化主要影响参数以及促进颗粒化的方法,发现调整反应器的水力剪切力、沉降时间、有机负荷、饥饿期等参数有利于诱导微生物分泌更多的胞外聚合物(EPS),促进初期微生物聚集体的快速形成,从而缩短好氧颗粒化时间。因此,当前快速颗粒化的方法基本上是基于诱导初期颗粒聚集体快速形成或直接投加聚集体的方法缩短好氧颗粒化时。最后,总结好氧颗粒快速培养过程中存在问题,并提出好氧颗粒污泥形成机理的明晰、好氧颗粒化的标准以及培养指标体系的建立是解决相关问题的关键,以及今后的研究重点。     

连续流膜生物反应器中好氧颗粒污泥的形成及机制探讨

为了探讨好氧颗粒污泥在连续流膜生物反应器(MBR)中的形成过程和机制,采用连续流试验的方法,研究了好氧颗粒污泥形成过程中膜反应器内污染物的去除效果和好氧颗粒污泥特性的变化,并对连续流MBR中好氧颗粒污泥的形成机制进行了探讨.结果显示,连续流MBR中好氧颗粒污泥的形成增强了MBR的运行稳定性和抗冲击能力.废水中微生物抑制物——黄连素的存在刺激了微生物胞外多聚物(EPS)的分泌,同时造成了稳定的环境选择压,促成了污泥的颗粒化并保证了好氧颗粒污泥的稳定运行.微生物抑制物造成的环境选择压是MBR中污泥颗粒化的主要驱动力.本研究对MBR中好氧颗粒污泥形成机制的探讨为好氧颗粒污泥的研究和应用提供了新的思路.     

利用好氧颗粒污泥持续增殖启动高性能亚硝化反应器

为了考察亚硝化颗粒污泥(NGS)的持续增殖能力,向柱状序批式反应器(SBR)内接种极少量种污泥,在130 d内,将氨氮容积负荷(NLR)从0.74 kg·(m~3·d)~(-1)提高到6.66 kg·(m~3·d)~(-1),成功使反应器内污泥浓度(MLSS)从0.1 g·L~(-1)增长至11.8 g·L~(-1),对应的亚硝态氮累积负荷从0.4 kg·(m~3·d)~(-1)升至4.9 kg·(m~3·d)~(-1).当NLR低于4.44 kg·(m~3·d)~(-1)时,反应器内粒径200μm的污泥数量明显增多,颗粒平均粒径大幅减小.当NLR继续提高时,颗粒平均粒径的增长过程遵循修正的Logistic模型,其比增长速率k值约为0.022 9 d-1.在运行期间,较高的游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)浓度能够对亚硝酸盐氧化菌(NOB)起到联合抑制作用,这使得出水中亚硝态氮累积率(NAR)始终高于80%.上述实验结果将为工业化高效NGS反应器的启动操作提供重要参考.     

厌氧氨氧化微生物颗粒化及其脱氮性能的研究

利用厌氧颗粒污泥作为种泥,启动SBR反应器,旨在培养厌氧氨氧化颗粒污泥以及研究其脱氮性能.结果表明,水力停留时间(HRT)是富集厌氧氨氧化微生物的1个重要控制因素,以HRT为30 d,第58 d时,SBR反应器就出现厌氧氨氧化现象,与此同时,颗粒污泥由灰黑色变为棕褐色,粒径减小.到第90 d时,成功培养出厌氧氨氧化颗粒污泥,NH⁺₄-N和NO^-₂-N同时被去除,最大去除速率分别达到14.6 g/(m³·d)和6.67 g/(m³·d).从第110　d开始,逐步降低HRT,以提高基质负荷促进厌氧氨氧化菌生长.到目前t＝156　d,HRT降到5　d,氨氮和亚硝酸氮的去除率分别达到60.6%和62.5%,亚硝酸氮/氨氮的比率为1.12.污泥也由棕褐色变为红棕色,形成红棕色的具有高厌氧氨氧化活性颗粒污泥,总氮负荷达到34.3 g/(m³·d).     

部分半硝化AGS-SBR工艺的启动及其种群结构分析

采用序批式污泥反应器(SBR),接种好氧颗粒污泥(AGS),以人工模拟低COD/N废水为进水水质,在pH 7.5~8.5,温度为30℃,DO浓度约为0.8 mg·L-1的条件下,通过逐步提高进水氨氮浓度的策略启动部分半硝化工艺.结果表明,通过逐步提高进水氨氮浓度方法,可在60 d内初步形成部分半硝化工艺.部分半硝化工艺运行期间,系统对NO_2~--N的积累率基本维系在80%以上,对TN的去除率平均为64.54%,出水亚硝态氮和氨氮(NO_2~--N/NH_4~+-N)比值平均达到1.16,符合厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应进水要求.同时,基于高通量测序技术分析了部分半硝化工艺启动后微生物种群结构组成,其主要优势菌属有:Candidate-division-TM7-norank(相对丰度68.63%)、Saprospiraceae-uncultured(8.26%)、Thauera(4.63%)、Denitratisoma(3.16%)、Anaerolineaceae-uncultured(1.63%)和Anaerovorax(1.39%).部分半硝化AGS-SBR系统中与脱氮功能相关的主要菌属为:Nitrosomonas、Thauera、Denitratisoma和Bacillus,该系统中存在自养脱氮、反硝化和厌氧氨氧化的多种脱氮途径.     

SFBR中好氧颗粒污泥的培养及特性研究

接种自行培养的活性污泥,以模拟废水为基质,采用连续进水、间歇出水及厌氧/好氧交替的运行模式,尝试了在SFBR中进行好氧颗粒污泥的培养,并研究了好氧颗粒污泥的特性及反应器对污染物的去除效果.结果表明,通过逐步缩短沉降时间,28 d时成功培养出好氧颗粒污泥,所形成的好氧颗粒污泥呈黄色、形状不规则,且粒径较小(平均粒径0.56 mm),正常情况下的SVI保持在70 mL·g-1以下,EPS在59 d时达到最大值(以MLVSS计)373.24 mg·g-1,较培养初期增加了约2.5倍,运行后期由于颗粒出现解体,导致EPS急剧下降;反应器在运行过程中未能保持较高的污泥量,中后期MLSS始终在3 000mg·L-1以下;在63 d的运行时间里,除异常波动外,反应器对COD的去除率基本维持在90%左右,正常情况下出水COD小于100 mg·L-1,反应器对NH+4-N、TIN的去除效果波动较大,去除率分别为44.45%~94.72%及43.87%~93.13%,反应器对TP的去除率在44.50%~97.40%之间,正常情况下TP去除率可维持在60%以上;限于自动控制水平,夜间长时间的好氧饥饿期容易造成丝状菌过度生长,使得AGS在生长竞争中处于劣势,最终导致了AGS的解体.     

絮凝细菌投加量对好氧颗粒污泥性能影响的研究

为研究絮凝细菌对好氧污泥颗粒化的影响,采用气升式内循环序批反应器,在培养好氧颗粒污泥过程中投加絮凝细菌,探讨其投加量对颗粒污泥的理化性能及生物降解效能的影响.结果表明,适量投加絮凝细菌能促进好氧颗粒污泥的形成,絮凝细菌投加量在0～20mL/L时,均可以培养出成熟的好氧颗粒污泥.絮凝细菌最佳投加量为10mL/L,此时颗粒化速度快,颗粒形成时间由未投加的42d缩短为35d,好氧颗粒污泥疏水性好,SVI稳定在40mL/g左右,沉降速度达35.82m/h,COD、氨氮和总磷的去除率分别为97.14%、84.49%和87.59%.而投加量为30mL/L时最终所形成的是白色污泥絮团,没有实现污泥颗粒化.     

膜序批式间歇反应器的膜污染特性及控制

采取厌-好氧交替运行、实验室人工配水的方式,连续运行300 d,研究膜序批式间歇反应器运行过程的膜污染特性及其控制.结果表明,在运行初期的75 d内,污泥处于絮体状,SVI值64.6～110.6 　mL·g^-1,膜污染呈快速指数增长趋势,TMP平均增长速率为0.309　kPa·d^-1,膜阻力变化在0.393×10¹¹～1.298×10¹¹ m^-1·d^-1之间,比膜通量从4.4 　L·(m²·h·kPa)^-1下降为0.52 　L·(m²·h·kPa)^-1,75　d时的临界膜通量为20 　L·(m²·h)^-1.从75～120　d对系统进行了调控,反应器培养出好氧颗粒污泥,SVI值逐渐下降,从170　d开始,SVI一直保持在40 　mL·g^-1左右,污泥粒径逐渐增大,220　d时污泥粒径分布大多在500～1 000　μm.120～300　d运行过程中的膜污染呈缓慢增长趋势,TMP平均增长率仅为0.062 　kPa·d^-1,膜阻力变化率在0.291×10¹¹～0.404×10¹¹m^-1·d^-1,比膜通量从4.4 　L·(m²·h·kPa)^-1下降为1.4 　L·(m²·h·kPa)^-1,220 d时的临界膜通量为40 　L·(m²·h)^-1.这些数据表明好氧颗粒污泥的培养对减缓膜污染发生具有极大作用.曝气强度为100 m³·(m²·h)^-1时,比膜通量最大,曝气强度为69 m³·(m²·h)^-1时,膜污染速率最小.     

SBAR中同步脱氮好氧颗粒污泥的菌种特性

采用气提式内循环间歇反应器进行好氧颗粒污泥培养,用分批培养法对好氧颗粒污泥中具有脱氮作用的菌种进行分离纯化.对各菌种进行了鉴别,通过培养过程中对氧气条件的控制,考察了各菌种反硝化生长特性和需氧性.结果表明,好氧颗粒污泥纯化培养可得到异养硝化-好氧反硝化菌以及兼性亚硝化菌和硝化菌,分离得到的反硝化菌在有氧反硝化条件下能够生长,因此好氧颗粒污泥中微生物具有多样性和较强的适应性,从侧面体现出好氧颗粒污泥微观结构的复杂性.