好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展

好氧颗粒污泥是微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊的生物聚集体,具有结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强、多功能微生物分区定殖等特点,其在废水强化脱氮除磷与难降解有机物去除方面具有明显的技术优势.针对目前工业和养殖废水及城镇生活污水等碳氮比低、处理出水总氮达标压力大等突出问题,综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺,介绍其脱氮机制及技术优势,阐明不同好氧颗粒污泥脱氮工艺的特点与颗粒污泥特性,同时总结各种工艺的启动条件及富集相应功能菌的好氧颗粒污泥的形成因素,评估不同工艺应用于实际废水生物处理的可行性.在此基础上进一步分析进水基质组成(不同碳氮比)、运行模式(连续曝气和间歇曝气)、运行条件(溶解氧浓度、温度和pH)等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮性能与稳定运行的影响.最后提出应进一步优化好氧颗粒污泥强化脱氮工艺的运行参数,解析好氧颗粒污泥微生物菌群功能,揭示好氧颗粒污泥形成与结构稳定的微生物学机理.     

好氧颗粒污泥特性、应用及形成机理研究进展

好氧颗粒污泥因具有良好的沉降性能、较高的生物量、对污染物较高的去除能力,以及在工程应用中占地面积较少和运行成本较低,近年来被广泛关注.本文综述了絮状污泥的颗粒化过程,好氧颗粒污泥形成的影响因素及其物理、化学和生物学特性.研究发现,好氧颗粒污泥在生活污水、高浓度有机废水和富含有毒有害物质的废水处理中均可发挥重要作用,可以高效去除污水中的氮磷污染物、工业废水中的有机物、毒性物质和重金属等.好氧颗粒污泥的形成机理存在4种假说,基于絮状污泥颗粒化过程中形成的胞外聚合物及其助凝作用被普遍认为是好氧颗粒污泥的形成机理.最后进行了问题分析和前景展望,认为突破培养过程相对漫长、培养条件相对严苛技术瓶颈的好氧颗粒污泥技术对废水处理效能的提升具有重要意义.图3参110     

群感效应与信号分子在污泥颗粒化过程中的作用研究进展

好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能和较好的污水处理效果等优点.本文综述好氧颗粒污泥的形成过程,重点分析在污泥颗粒化过程中群感效应和细胞信号分子的作用.研究发现,群感效应和细胞信号分子在污泥颗粒化过程中发挥着重要作用,群感效应可以加快污泥胞外聚合物合成和提高微生物表面附着能力,信号分子可以促进微生物分泌胞外聚合物并影响生物膜的形成.举例说明信号分子中的c-di-GMP作为第二信使在污泥颗粒化过程中的重要作用,c-di-GMP可以将细菌从单细胞游走型转变为多细胞黏附型——生物膜状态.投加钙离子会促进能够分泌c-diGMP的菌群生长从而加快好氧颗粒污泥的形成,投加锰离子会减少好氧颗粒污泥中c-di-GMP的含量导致好氧颗粒污泥解体.最后进行前景展望,认为从群感效应和信号分子的角度去解析好氧颗粒污泥形成机理,可为确立好氧颗粒污泥形成机制奠定理论基础,对其进一步的工程化应用具有现实意义.     

以黏土为载体的好氧颗粒污泥培养及其对番茄废水的处理

针对新疆番茄酱加工废水排放量大、有机物浓度高等问题,采用好氧颗粒污泥技术处理.为了解黏土对于污泥好氧颗粒化进程的影响,在SBR反应器中接种絮体污泥并投加黏土,以人工合成番茄酱加工废水为基质培养好氧颗粒污泥,并采用扫描电镜、激光共聚焦(CLSM)、死活细菌染色以及高通量测序等技术表征活性污泥的颗粒化过程.结果显示,在反应器中投加黏土运行20 d时获得平均粒径0.54 mm左右的好氧颗粒污泥.颗粒污泥成熟后,污泥沉降性能较好,COD、NH_4~+-N、PO_4~(3-)-P的平均去除率分别达到90%、85%、40%以上.扫描电镜下,颗粒污泥轮廓清晰,结构密实. CLSM显示,α-多糖、β-多糖和蛋白质作为胞外聚合物(EPS)的组成部分在颗粒中分布广泛,贯穿整个颗粒截面.添加黏土培养的颗粒污泥死活细菌染色显示其死细菌数量积累程度更高,活细菌多位于外层并包裹着死细菌.高通量测序结果显示,黏土投加后微生物多样性提高,Shannon指数由4.50增至4.79,动胶菌属和产黄菌属的相对丰度分别为37.87%和8.79%.本研究表明投加黏土可促进好氧颗粒污泥形成,维持体系稳定运行及有机物降解效果主要源于微生物群落的共同作用.     

降解五氯酚的微好氧颗粒污泥的培养及其微生物种群分析

在微好氧的条件下培养出颗粒污泥并用含五氯酚(PCP)的废水对颗粒污泥进行驯化,研究了培养过程中颗粒污泥的MLSS、SVI、粒径以及对COD和PCP处理能力的变化.颗粒污泥培养成熟后, PCP和COD的去除率分别达到85.3%和86.1%.用扫描电镜观察了颗粒污泥的结构,颗粒污泥内细菌种群丰富,大多数为短杆菌和球菌.同时采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对培养出的微好氧颗粒污泥以及用PCP驯化后的颗粒污泥中微生物的种群进行了初步分析和对比,用PCP驯化后的微生物种群发生了较明显的动态变化,新增了某些菌群,如不动杆菌(Acinetobacter)、变形杆菌(Proteobacterium)和硫酸盐还原菌等.图6表2参20     

好氧颗粒污泥胞外聚合物的产生及其分布

考察了不同操作条件和基质条件对好氧颗粒污泥中胞外聚合物(EPS)产生的影响及其在污泥和体系上清液中的分布.结果表明:随体系操作条件和基质条件的变化,好氧颗粒污泥内部和上清液中的EPS含量呈规律性变化.相对而言,好氧颗粒污泥中EPS含量的变化幅度较小,过多的EPS则释放到上清液中.大量EPS的释放只发生在颗粒污泥解体时,而酸性条件和不适当的C/N比不利于好氧颗粒污泥的形成及形态保持.体系溶解氧为4.5 mg·l-1,pH为中性,污泥负荷小于等于0.37kgCOD·kg-1MLSS·d-1,碳氮比为20∶ 1时,好氧颗粒污泥中EPS的含量约占污泥总质量的9%-12%,与厌氧颗粒污泥(0.6%-20%)相近,但远低于絮状活性污泥(80%),此时,EPS在上清液中的含量最低或接近最低,为14-26 mg·l-1.     

用三维荧光和红外技术分析好氧颗粒污泥形成初期胞外聚合物的变化

为了研究聚合氯化铝(PAC)的投加在好氧颗粒污泥培养初期的作用,本研究分别在污泥培养的第1—7天(R1)和第8—14天(R2)投加PAC,并采用三维荧光光谱(3D-EEM)和傅立叶红外光谱(FTIR)技术分析好氧颗粒污泥形成初期胞外聚合物(EPS)各组分的含量及变化规律.结果表明,PAC投加时间推迟后,污泥沉降性能良好,且反应器中胞外聚合物和蛋白质含量明显增多,松散附着的EPS(LB-EPS)中蛋白含量变化趋势明显,多糖含量保持在较小范围内波动,与溶解性胞外聚合物(S-EPS)和紧密黏附的胞外聚合物(TB-EPS)相比较,LB-EPS和污泥颗粒化有密切关系;三维荧光光谱分析结果显示,R2中荧光类蛋白物质(峰A和峰B)强度均大于R1,而腐殖酸类物质(峰C)强度小于R1,说明A和B这两种荧光类蛋白物质在微生物聚集体形成过程中的作用更加重要;红外光谱表明,1636 cm-1、1654 cm-1分别属于蛋白质二级结构中C=O伸长振动引起的,分别存在于S-EPS和LB-EPS、TB-EPS中,且在投加PAC的时间推迟后1654 cm-1处的吸收峰吸收较弱,和三维荧光分析共同表明LB-EPS中的蛋白类物质是好氧颗粒污泥形成初期加入PAC进行强化造粒的核心原因之一.     

好氧颗粒污泥耐受高碳氮负荷过程中的群体感应

为了探究好氧颗粒污泥耐受高负荷碳氮的生物学机制,对比分析了不同负荷条件下好氧颗粒对污染物的去除、形体结构和群体感应现象.结果表明,好氧颗粒污泥具有同时耐受高碳氮负荷的能力,当进水COD负荷为12.9 kg m-3 d-1时去除率为90%以上,NH4+-N负荷为0.455 kg m-3 d-1时去除率在80%以上.随着负荷的提高,颗粒的粒径不断减小,这可能增强颗粒的传质传氧作用.在进水负荷COD 8.9-10.9 kg m-3 d-1、NH4+-N 0.355-0.455 kg m-3 d-1时,AI-2活性较强,微生物之间相互交流比较活跃,并且保持较好的COD和NH4+-N去除效果.好氧颗粒污泥内部的AI-2活性高于出水溶液.研究表明,群体感应可能在好氧颗粒污泥同时耐受高碳氮负荷中发挥着重要的作用.     

废水处理系统中生物聚集体胞外多聚物研究进展

胞外多聚物(Extracellular polymeric substances,EPS)是废水生物处理系统中生物聚集体(包括絮体污泥、生物膜、颗粒污泥等)的重要组成部分,直接包裹于微生物细胞壁外,其理化性质及所处的特殊位置决定了它在生物聚集体中的重要作用.综述了EPS对废水生物处理系统污泥沉降性能、脱水性以及膜生物反应器膜污染影响的相关研究,分析认为EPS组成与结构特性改变污泥表面电位、疏水性等,进而影响污泥沉降与脱水性能、膜污染程度;以好氧颗粒污泥为典型的生物聚集体代表,总结了EPS组分含量与分布对颗粒污泥的形成与结构稳定性的影响,并在EPS提取方法标准化、现代理化技术与分子生物学技术综合分析等方面进行了展望,进一步的研究有望揭示生物絮凝体形成过程EPS的产生与调控机制.     

污泥造粒颗粒好氧培养特性研究

为了探究污泥造粒颗粒在曝气中培养过程中形态、粒径、含水率、污泥沉降比(SV)、污泥体积指数(SVI)、悬浮物固体含量(MLSS)的变化,以污水处理厂活性污泥为材料,进行人工造粒,对造粒颗粒进行好氧培养.结果表明:培养20 d,颗粒污泥粒径由450.21μm增加到598.60μm,MLSS由5 373.01 mg/L上升到5 576.02 mg/L,颗粒污泥的SV由24.31%下降到19.31%;SVI由45.23 mg/L下降到37.41 mg/L;含水率由96.10%下降到95.19%.说明污泥造粒颗粒在曝气中培养过程中稳定性增强.