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.     

废水生物处理好氧污泥颗粒化研究进展

综述了好氧污泥颗粒化技术在废水生物处理中的研究进展,着重讨论了好氧颗粒污泥理化特性及微生物结构、污泥颗粒化主控因子、颗粒污泥形成机理及其应用潜力等方面的研究,旨在阐明多种工艺操作条件下好氧污泥颗粒化过程.好氧颗粒污泥是近年来发现的、在好氧条件下污泥自絮凝形成的固定化颗粒,其外形规则、结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强.污泥颗粒化过程取决于基质组成与负荷、适当的水力选择压和工艺操作参数等因素.     

不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点

为了探讨活性污泥好氧颗粒化过程对微生物种群的影响、不同底物及不同颗粒化方法培养的好氧颗粒污泥中微生物群落结构的差异,以接种污泥、模拟废水好氧颗粒污泥和分别投加粉末活性炭和硅藻土的实际生活污水好氧颗粒污泥为研究对象,利用PCR-DGGE对比分析了接种污泥和好氧颗粒污泥中的微生物群落结构.结果表明:活性污泥好氧颗粒化过程会减少微生物种群多样性,影响颗粒污泥稳定性的细菌被淘汰,而聚磷菌、反硝化菌、难降解有机物降解菌等污水处理功能微生物都在颗粒化过程中得到保留.活性污泥好氧颗粒化过程中能够实现亚硝化细菌(AOB)一定程度的富集.与接种活性污泥相比,好氧颗粒污泥中AOB的多样性指数与均匀性指数均有提高.好氧颗粒污泥中的优势菌群主要分布于变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和未培养菌(uncultured bacterium).其中AOB均属于β-Proteobacteria的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).     

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.     

运行调控方式对好氧颗粒污泥特性的影响

采用厌好氧交替的SBR反应器培养好氧颗粒污泥,研究不同运行调控方式形成的好氧颗粒污泥性质的差异。结果表明,通过进料负荷和沉降时间的调控,都可以实现好氧污泥完全颗粒化。通过进料负荷调控培养出的好氧颗粒,污泥浓度大,颗粒周围原后生动物丰富,颗粒存在核心,从中心到表面有明显分层;使用短沉降时间调控培养出的好氧颗粒污泥,颗粒粒径均匀,表面有丝状微生物伸出,污泥浓度较小,颗粒周围少见原后生动物,颗粒从中心到表面无明显分层。两种颗粒的微生物分布具有相似性,即颗粒表面多为杆菌,中心以球菌为主。两种颗粒形成过程中,污泥浓度变化很大,但污泥均保持较高的沉降性,污泥良好的沉降性是形成好氧颗粒污泥的必要前提。     

预加不同比例不同粒径好氧颗粒对SBR中好氧颗粒污泥形成的影响

在SBR反应器中以好氧颗粒和絮状活性污泥的混合污泥为接种污泥,分两阶段进行好氧颗粒污泥的培养.第一阶段在3个SBR反应器中分别接种10%、15%和20%的颗粒;第二阶段在3个反应器中分别接种未经筛分、粒径≤1 mm和粒径>1mm的颗粒,接种比例均为20%.在培养过程中对各反应器中污泥形态、粒径变化、完全颗粒化时间以及有机物的降解能力进行了比较研究并对快速培养的作用机制进行了探讨.结果表明,第一阶段培养,接种比例为20%的反应器完全颗粒化时间较短,仅为24 d;第二阶段培养,接种未经筛分颗粒的反应器完全颗粒化时间较短,仅为30 d.两次培养的好氧颗粒均具有良好的沉降性能和去污效果,SVI稳定在40 mL.g-1以下,COD去除率保持在90%以上.预加好氧颗粒后好氧颗粒的形成过程分为两个阶段:好氧颗粒加速解体阶段和好氧颗粒解体与快速形成阶段.     

高浓度Vc生产废水培养好氧颗粒污泥的试验研究

采用高浓度难降解的Vc生产废水可以在SBR反应器中培养出好氧颗粒污泥.转化母液反应器中污泥实现完全颗粒化,得到的好氧颗粒污泥粒径为0.2～1 mm,平均沉降速度为31.2 m·h^－１;精制或提取母液反应器中污泥部分颗粒化,得到的颗粒粒径为0.5～2.5 mm,平均沉降速度为26.3 m·h^－１.由于形成好氧颗粒污泥,反应器系统表现出良好的运行性能,在进水COD 1 000～1 500　mg·L^－１时去除率达到80%左右.如果反应器进水中补充加入一定浓度的易降解有机物,处理系统的去除效率还可进一步提高并能缩短启动时间.通过观察和比较不同进水反应器中的生物相发现,好氧颗粒污泥中出现的原后生动物种类及生物相丰富程度不仅与反应器运行状态有关,更重要的是取决于反应器中的进水水质.实验中好氧颗粒污泥的形成过程经历了污泥复活、污泥驯化和污泥颗粒化3个阶段.在运行控制过程中通过将沉降时间作为培养好氧颗粒污泥的一个关键控制参数,它既可以去除反应器中沉降性差的污泥还可以在短时间内调节反应器中的运行负荷,从而促进反应器中好氧污泥快速实现颗粒化.     

基于模糊数学方法的好氧污泥颗粒化过程综合评价

在传统模糊综合评价法的理论基础上,建立了好氧污泥颗粒化过程的综合评价体系。依据成功培养了好氧颗粒污泥的实验室规模反应器的实测数据,以污泥SVI₅/SVI₃₀、比重、圆度、长径比、形状因子、分形维数、密实度7个参数作为评价指标,构建隶属函数和隶属矩阵,结合层次分析法与熵权法构建权重矩阵,将好氧污泥颗粒化过程划分为絮体阶段、初始颗粒化阶段、快速颗粒化阶段和完全颗粒化阶段4个过程。建立模型验证组,通过验证组不同时间点的监测数据,基于所建立的评价体系,对系统运行过程中不同时间点的污泥颗粒化阶段进行预测。该综合评价体系能够为好氧颗粒污泥培养系统中,污泥实时所处的颗粒化状态做出准确、客观的判断,且能够及时发现系统异常情况,对维持系统的稳定性具有重要意义。     

不同培养方式下絮状污泥颗粒化特性和灰色关联度分析

为探索好氧颗粒污泥形成机理,开展了不同培养方式下絮状污泥颗粒化特性研究.选取3种培养方式:人工配水培养、海藻酸钠强化培养和农村模拟污水培养,利用灰色关联分析法,对比3种不同培养方式下,污泥颗粒化过程中各影响因素灰色关联度系数,筛选好氧颗粒污泥培养的关键因素.研究发现,人工配水培养方式下经过40 d成功出现好氧颗粒污泥,投加海藻酸钠强化培养方式下经过20 d出现好氧颗粒污泥,农村模拟污水经过55 d培养出好氧颗粒污泥.3种培养方式下出现的好氧颗粒污泥均具有密实的结构和较好的沉降性能,同时可实现对污染物的高效去除.利用数据处理系统(Data Processing System,DPS)对各影响因素的灰色关联度进行分析,发现不同培养方式下污泥颗粒化过程中起主导作用的影响因素并非唯一,水力停留时间和胞外聚合物在各培养方式中均具有较高的关联度系数,对好氧颗粒污泥的形成具有关键作用.     

厌氧出水培养好氧颗粒污泥及其微生物多样性分析

以处理黄连素废水的厌氧折流板反应器(ABR)出水为进水基质,在序批式反应器(SBR)中培养好氧颗粒污泥,反应器运行80 d后形成粒径在2~10 mm间的成熟稳定的颗粒污泥。采用扫描电镜(SEM)和聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对好氧污泥颗粒化进行分析,考察微生物形态、群落演替和多样性,并对优势菌种进行了分析。DGGE图谱表明,好氧污泥颗粒化进程中,微生物种群呈明显演替变化,好氧颗粒污泥菌群多样性较强。克隆测序结果表明,好氧颗粒污泥反应器优势菌群主要为未分类bacteria、CFB group bacteria和Bacteroidetes。     

好氧污泥颗粒化中胞外聚合物（EPS）的动态变化

在SBR中分别运行普通活性污泥和好氧颗粒污泥工艺,考察普通絮体污泥颗粒化过程中EPS的组分变化和分布情况.结果表明,通过减少沉淀时间可以获得质量高的颗粒污泥,污泥系统中的EPS可划分为紧密结合型、松散结合型和溶解性3种;普通污泥期、颗粒污泥初期和颗粒污泥稳定期的EPS含量均以紧密结合型EPS为主,颗粒污泥中总EPS和溶解性EPS含量均高于普通污泥,且颗粒形成初期溶解性EPS增长明显;颗粒污泥中紧密结合型EPS含量相对稳定,松散结合型EPS在不同污泥中含量很低,一个典型反应周期中蛋白质和多糖的变化趋势普遍是先降低后上升,普通污泥和颗粒污泥EPS中蛋白质含量均高于多糖,颗粒形成初期EPS中蛋白质含量有明显上升;普通絮体污泥中EPS和细菌分布均匀,颗粒污泥的表层聚集大量的细菌、内部主要成分是EPS.     

进料负荷调控培养好氧颗粒污泥的试验研究

采用厌好氧交替的SBR反应器,以进料负荷（即进水浓度）作为主要控制参数,研究了好氧颗粒污泥的关键培养技术.结果表明,在30 min的较长污泥沉降时间下,通过进料COD 0～900 mg·L^-1的负荷调控,可以有效控制反应器内污泥生长.初始接种污泥的沉降性能对颗粒污泥产生很重要,SVI值保持在20～50 mg·L^-1才能有助于颗粒污泥形成和培养.应用“空曝”这种强力负荷调控方式可大大改善污泥沉降性能,并促进颗粒污泥的形成.通过进料减负荷运行可很好实现污泥的“完全颗粒化”培养.颗粒化转变出现在进料浓度COD 400～500 mg·L^-1,污泥浓度约8～10 g·L^-1.“完全颗粒化”污泥的性能优异,粒径约1.0 mm,SVI值25～35 mg·L^-1,最大沉降速率60 m·h^-1.污泥颗粒过程的发生可能决定于SBR的独特间歇式运行,即基质浓度的贫富交替,减负荷运行可强化基质贫富交替并增大颗粒化过程的驱动力.     

同步脱氮除磷好氧颗粒污泥培养过程微生物群落变化

本实验利用生活污水培养具有同步脱氮除磷(simultaneous nitrogen and phosphorus removal,SNPR)功能的好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS).采用Illumina Mi Seq PE300高通量测序对AGS培养过程中细菌群落变化进行了研究,以期揭示污泥好氧颗粒化成因.采用实时荧光定量PCR对AGS培养过程中氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)、亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria,NOB)和聚磷菌(polyphosphate accumulating organisms,PAOs)的丰度变化进行了研究.结果表明:历时100 d培养出的AGS质地紧实,具有良好的SNPR效果.AGS胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)中多糖含量在培养过程中增加明显,而蛋白质含量保持稳定.AGS培养过程中,AOB的丰度略微下降,AOA的丰度明显下降,NOB的丰度无明显变化,而PAOs的丰度在AGS培养初期明显增加.在AGS培养过程中,细菌群落多样性呈现出先升高后降低的趋势,且细菌群落组成发生了明显的变化.持久型OTUs占样品总序列数的92.70%,其中变形菌门(Proteobacteria,31.07%~53.67%)、拟杆菌门(Bacteroidetes,6.70%~16.50%)和绿弯菌门(Chloroflexi,7.84%~13.36%)是AGS培养过程中的细菌优势门.Candidatus competibacter属在AGS培养过程中大量富集(由种泥中的0.11%增加到35.33%),其可能会分泌胞外多糖,形成黏性EPS,促进絮状污泥团聚成为AGS.     

Isolation and characterization of a strain with high microbial attachment in aerobic granular sludge

Aerobic granule is a special microbial aggregate associated with biofilm structure. The formation of aerobic granular sludge is primarily depending on its bacterial community and relevant microbiological properties. In this experiment, a strain with high microbial attachment was isolated from aerobic granular sludge, and the detailed characteristics were examined. Its high attachment ability could reach 2.34 (OD_600nm), while other low attachment values were only around 0.06-0.32, which indicated a big variation among the different bacteria. The strain exhibited a very special morphology with many fibric fingers under SEM observation. A distinctive behaviour was to form a spherical particle by themselves, which would be very beneficial for the formation and development of granular sludge. The EPS measurement showed that its PN content was higher than low attachment bacteria, and 3D-EEM confirmed that there were some different components. Based on the 16S rRNA analysis, it was identified to mostly belong to Stenotrophomonas. Its augmentation to particle sludge cultivation demonstrated that the strain could significantly promote the formation of aerobic granule. Conclusively, it was strongly suggested that it might be used as a good and potential model strain or chassis organism for the aerobic granular sludge formation and development.     

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...     

流体流速对好氧颗粒污泥快速培养的影响

针对好氧颗粒污泥的快速培养,研究了流体流速对好氧颗粒污泥形成特性的影响机制.由于反应器构型的差异,造成水力剪切力与流体特性的不同,从而对好氧颗粒污泥的形成产生较大影响.研究表明,在圆筒式SBR反应器中接种厌氧活性污泥,在36d时培养得到了成熟的颗粒,与挡板式反应器相比提前了4d左右,且MLSS提高了16.2%,达到5023mg/L;颗粒也更加致密,SVI达到45mL/g,远好于挡板式SBR反应器（序批式反应器）的SVI 63mL/g.原因是与挡板式SBR反应器相比,圆筒式SBR反应器的平均液相流速更高,气泡分布更均匀,水力剪切力更强.因此圆筒式SBR反应器培养好氧颗粒污泥的时间较短,污泥颗粒化的速度提高,得到的颗粒污泥更加紧凑密实.     

活性污泥颗粒化过程中理化性状及脱氮性能的研究

在SBR反应器中对活性污泥进行颗粒化培养,研究了活性污泥在颗粒化过程中的理化性状及脱氮性能.结果表明,活性污泥颗粒化过程可以分为颗粒形成、颗粒生长和颗粒成熟3个阶段.第1阶段SVI值迅速降低,在30 d内由接种时的110mL/g降低到23 mL/g;第2阶段颗粒粒径迅速增加,在15 d内由0.25 mm增加到0.82 ...