好氧颗粒污泥的培养过程

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好氧颗粒污泥的培养方法

好氧颗粒污泥的培养方法

好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集体,是具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的生物体截留和多样的微生物种群。

因此,现作为一种新型的废水生物处理形式,在城市污水和工业废水处理中具有非常广阔的应用前景。

那么该颗粒污泥是如何培养的呢?1、配制人工合成模拟废水以乙酸钠为碳源,KH4C1为氮源,KI2P04为磷源,并加入适当微里元素作为补充:初始COD、HM3-F浓度分别为213mg/1左右和12mg/1左右。

2、接种污泥采用普通絮状污泥为接种污泥,MLSS为3.0g/L,比重为1. 005, SVI为78ml/g。

3、采用进水<-曝气-沉淀排水<-闲置的运行方式,每天四个周期,每周期6h, 进水10min,曝气300min,沉淀25min;排水5min,闲置20min.运行一周后逐渐趋于稳定状态。

4、逐步提高进水负荷COD、MI3-E农度分别提高至400mg/1左右和30mg/l左右。

5、采用进水-曝气-静置+搅拌-=次曝气沉淀排水-闲置的运行方式,运行周期调整为每天三个,每周期8小时:进水5min,曝气150min,静置+搅拌120min, 二次曝气120min,沉淀10min, 排水5min, 其余时间闲置,部分污泥趋向于颗粒化状态,形成具有脱氮功能的颗粒化污泥的雏形,随后的培养中根据情况不断减少沉淀时间,造成选择压,排出沉降性能差的絮状污泥,最终沉淀时间降至5min:初始颗粒内的各种微生物在颗粒内寻找适合自身生长增殖的生态位,并通过竞争与次级增长而衍生出新的代谢互补关系,由此进一步充实了颗粒污泥,形成了结构紧密、外形规则的成熟颗粒污泥。

以上就是有关好氧颗粒污泥培养办法的一些具体介绍,希望对大家进一步的了解有所帮助。

不同类型反应器好氧颗粒污泥培养过程研究

不同类型反应器好氧颗粒污泥培养过程研究

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好氧颗粒污泥培养

好氧颗粒污泥培养

• • • • •
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 2: 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:
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-c 39
AR-ngwtt-c
9
接种污泥的物理外观及形态
光学显微镜 观察结果
电子扫描显微镜
观察结果
AR-ngwtt-c 10
种泥
1星期后
B
3星期后
2星期后
D
C
AR-ngwtt-c
11
2.0 1.5
Size (mm)
350
颗粒尺寸
300 200 150 100 50 0
SVI (mL/g)
250
一个典型的颗粒化过程
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
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
接种颗粒和曝气一天 后颗粒的观察比较
24
影响好氧颗粒污泥形成的一些因素
AR-ngwtt-c
25
底物组成: 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感 有机负荷率: 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感 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 沉降时间: 较短的沉降时间有利于颗粒形成 泥龄:维持系统一定泥龄(MCRT)对颗粒污泥的形成和稳定性非常关键 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: 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

好氧颗粒污泥的形成过程_形成机理及相关研究

好氧颗粒污泥的形成过程_形成机理及相关研究

第一作者:王海磊,男,1978年生,硕士,主要从事环境微生物学研究。

3河南省科技攻关项目(No.001200217)。

好氧颗粒污泥的形成过程、形成机理及相关研究3王海磊1 魏丽莉2 李宗义1(1,河南师范大学生命科学学院,河南 新乡453007;2,山东济宁师范专科学校生物系,山东 济宁272025) 摘要利用S BR 和优势混合菌对造纸废水进行处理,在此过程中驯化出好氧颗粒污泥,对好氧颗粒污泥的形成过程、形成机制等进行研究发现,好氧颗粒污泥的形成经历了细菌增殖、絮状体形成、絮状体聚合、凝絮体形成和好氧颗粒污泥形成五个阶段;其形成至少有菌丝缠绕、小块污泥互相联合、吸附和连接四种机制。

优势混合菌的加入,是好氧颗粒污泥之所以能够形成的关键因素。

关键词好氧颗粒污泥 造纸废水 优势混合菌 SBRStudy on the process and mechanism of forming aerobic granular sludge W ang H ailei 1,Wei L ili 2,L i Zongy i 1.(1.College of L i f e Sciences ,Henan N ormal Universit y ,X inx iang Henan 453007;2.Department of B iolog y ,J ining Teachers college ,J ining S handong 272025)Abstract : The treatment of papermaking wastewater were studied by seeding superior mixed flora to SBR.In the process of treating papermaking wastewater ,the formation process and formation mechanism of aerobic granular sludge were studied by microscope.The results showed that the formation process of aerobic granular sludge consis 2ted of five stages :multiplication phase ,the floccule forming phase ,floccule polymerizing phase ,floc phase and ma 2ture aerobic granular sludge forming phase.There were at least four kinds of mechanisms in the formation process of aerobic granular sludge ,i.e.enwind ,unite ,absorb and connect.It was also found that superior mixed flora played an important role in the formation process of aerobic granular sludge.K eyw ords : Aerobic granular sludge Papermaking wastewater Superior mixed flora SBR 自20世纪90年代以来,借鉴厌氧颗粒污泥培养的成功经验,国内外均有在好氧反应器中培养出好氧颗粒污泥的报道[1~5]。

好氧污泥培养步骤

好氧污泥培养步骤

活性污泥的培养步骤1. 向好氧池注入清水(同时引入生活污水)至一定水位,并注意水温。

2. 按风机操作规程启动风机,鼓风。

3. 向好氧池投加经过滤的浓粪便水(当粪便水不充足时,可用化粪池和排水沟内的污泥补充。

),使得污泥浓度不小于1000mg/L,BOD达到一定数值。

4. 有条件时可投加活性污泥的菌种,加快培养速度。

5. 按照活性污泥培养运行工艺对反应池进行曝气、搅拌、沉降、排水。

6. 通过镜检及测定沉降比、污泥浓度,注意观察活性污泥的增长情况。

并注意观察在线PH值、DO的数值变化,及时对工艺进行调整。

7. 测定初期水质及排水阶段上清液的水质,根据进出水NH3-N、BOD、COD、NO3-、NO2-等浓度数值的变化,判断出活性污泥的活性及优势菌种的情况,并由此调节进水量、置换量、粪水、NH4Cl、H3PO4、CH3OH的投加量及周期内时间分布情况。

8. 注意观察活性污泥增长情况,当通过镜检观察到菌胶团大量密实出现,并能观察到原生动物(如钟虫),且数量由少迅速增多时,说明污泥培养成熟,可以进生产废水,进行驯化。

二、活性污泥的驯化步骤1. 通过分析确认来水各项指标在允许范围内,准备进水。

2. 开始进入少量生产废水,进入量不超过驯化前处理能力的20%。

同时补充新鲜水、粪便水及NH4Cl。

3. 达到较好处理后,可增加生产废水投加量,每次增加不超过10~20%,同时减少NH4CL投加量。

且待微生物适应巩固后再继续增生产废水,直至完全停加NH4Cl。

同步监测出水CODcr浓度等指标,并观察混合液污泥性状。

在污泥驯化期还要适时排放代谢产物,即泥水分离后上清液。

4. 继续增加生产废水投加量,直至满负荷。

满负荷运行阶段,由于池中已培养和保持了高浓度、高活性的足够数量的活性污泥,池中曝气后混合液的MLSS达到5000mg/1,此过程同步监测溶解氧,控制曝气机的运行,并进行污泥的生物相镜检。

三、调试期间的监测和控制在调试及运行过程有许多影响处理效果的因素,主要有进水CODcr浓度、pH 值、温度、溶解氧等,所以对整个系统通过感官判断和化学分析方法进行监测是必不可少的。

好氧污泥培养方法

好氧污泥培养方法

一污泥的培养方法有同步与异步培养与接种,同步是培奍与驯化同时进行或交替进行,异步是先培后驯化,接种是利用类似污水的剩余污泥接种。

活性污泥可用粪便水经曝气培养而得,因为粪便污水中,细菌种类多,本身含有的营养丰富,细菌易于繁殖。

通常为了缩短培菌周期,我们会选择接种培养。

先说粪便水培菌具体步骤:将经过过滤的粪便水投入曝气池,再用生活污水或河水稀释,至BOD约为300-400,进行连续曝气。

这样过二、三天后,为补充微生物的营养物质和排除由微生物产生的代谢产物,应进行换水,换水根据操作情况分为间断和连续操作。

1.间断操作:当第一次加料曝气并出现模糊的活性污泥绒絮后,就可停止曝气,使混合液静止沉淀,经1-1.5小时后排放上清液,把排放的上清液约占总体积的60-70%。

然后再加生活污水和粪便水,这时的粪便水可视曝气池内的污泥量来调整,这样一直下去,直至SV 达到30%。

一般需2周,水温低时时间要延长。

在每次换水时,从停止曝气,沉淀到重新曝气的总时间要控制在2小时之内为宜成熟的污泥应具有良好的混凝,沉降性能,污泥内有大量的菌胶菌和终生纤毛类原生动物,如钟虫,等枝虫,盖纤虫等,并可使污水的生化需氧量去除率达90%左右2.连续操作:在第一次加料出现绒絮后,就不断地往曝气池投加生活污水或河水,添加粪便水的控制原则与间断投配相同。

往曝气池内投加的水量,应保证池内的水量能每天更换一次,随着培养的进展,逐渐加大水量使在培养后期达到每天更换二次。

在曝气池出水进入二次沉淀池后不久(0.5-1)就开始回流污泥,污泥的回流量为曝气池进水量的50%驯化的方法:可在进水中逐渐增加被处理的污水的比例,或提高浓度,使生物逐渐适应新的环境开始时,被处理污水的加入量可用曝气池设计负荷的20-30%,达到较好的处理效率后,再继续增加,每次以增加设计负荷的10-20%为宜,每次增加负荷后,须等生物适应巩固后再继续增加,直至满负荷为止。

如果被处理工业污水中,缺氮和磷以及其它营养物时,可根据BOD:N:P为100:5:1的比例来调整。

污水如何培养好氧颗粒污泥

污水如何培养好氧颗粒污泥

污水如何培养好氧颗粒污泥好氧颗粒污泥是废水生物处理中的一种新技术. 与目前普遍使用的活性污泥法中的活性污泥絮体相比,好氧颗粒污泥优势在于活性污泥絮体在一定条件下生长成为颗粒,在水中沉降速度远大于活性污泥絮体,因此,采用好氧颗粒污泥处理废水,曝气池中生物浓度可大大提高,沉淀时间则可大大缩短[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. 普通活性污泥法曝气池中活性污泥浓度约为3000 mg ·L-1,沉淀时间30 min到2 h. 而采用好氧颗粒污泥技术,曝气池中污泥浓度可达10000~14000 mg ·L-1,沉淀时间只需1~3 min[11, 12, 13, 14, 15, 16]. 与普遍应用于处理高浓度废水及难降解废水的厌氧颗粒污泥相比,好氧颗粒污泥的培养时间约为1个星期到1个月,远小于厌氧颗粒污泥启动时间6个月[17]. 因此,好氧颗粒污泥技术有望为当今污水生物处理技术带来突破性的进展.但是,有关好氧污泥颗粒化的研究时间尚短,人们对好氧颗粒污泥的形成过程、形成机制、各种环境因素对好氧颗粒污泥的影响及颗粒污泥微生物学等,还缺乏深入的研究. 另外,有关好氧颗粒污泥的研究中,大部分是在实验室规模下、采用较高有机物浓度的人工配水(如葡萄糖等)作为基质,较少利用低有机物浓度的城镇生活废水培养好氧颗粒污泥. 另一方面,城镇生活废水中含有各类污染物,COD含量较低,通常小于200 mg ·L-1. 目前这类废水的处理多采用传统活性污泥法,废水的处理效果较好,但传统活性污泥法处理系统普遍占地面积大,建设成本高,剩余污泥量大,运行费用高,而且容易发生污泥膨胀.本研究建立中试试验装置,利用实际城市污水培养好氧颗粒污泥,并采用共聚焦激光扫描显微镜、 X射线衍射等现代分析手段研究所培养颗粒污泥的特性,以期为好氧颗粒污泥技术的实际应用奠定基础.1 材料与方法1.1 试验装置中试试验采用圆柱型 SBR 反应器,上半部材质为有机玻璃,下半部材质为钢,内部刷漆防腐. 反应器内径为 1 m,有效高度为4.5 m,有效容积均为 3.5 m3. 采用空气压缩机供气,通过流量计控制曝气量,曝气量为12.5 m3 ·h-1,反应器内表面气体流速为 0.44 cm ·s-1. 反应器内表面气体流速定义如下:反应器内表面气体流速(cm ·s-1)=反应器内的气体流量(m3 ·s-1)/反应器的截面积(m2) ×100试验装置见图 1. SBR 单周期循环时间为180 min,其中进水8 min,曝气160 min,沉淀6 min,出水6 min; 整个运行程序利用微电脑时控开关控制. 人工模拟废水由计量泵从反应器上部泵入反应器内,出水从反应器中间的排水口排出,排水比为50%. 在3 h的循环周期中,反应器中的DO浓度始终保持在2 mg ·L-1以上.图 1 中试装置示意 1.原水水池; 2.进水泵; 3.微电脑时间控制器; 4.空气压缩机; 5.空气流量计; 6.曝气头; 7.出水泵; 8.排水口1.2 接种污泥与培养接种污泥为实际污水处理厂二沉池回流污泥.该污泥呈黄色松散絮状结构,性质见表 1. 取种泥曝气24 h后,沉淀30 min,排出上清液,使接种污泥量为总体积的50%,再注入培养污水至正常水位. 接种后,反应器内污泥浓度约为3000 mg ·L-1.试验用水采用污水厂实际城市污水,进水水质如表 2.表 1 接种污泥的性质表 2 进水水质1.3 分析方法(1)常规分析COD、 NH+4-N采用快速密闭分光光度法,NO-2-N、 NO-3-N、 TP、混合液悬浮固体浓度(mixed liquor suspended solid,MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(mixed liquor volatile suspended solid,MLVSS),出水悬浮物(suspended solid,SS)浓度均采用标准方法[18]测定. 采用 Olympus CX31光学显微镜和配套的Olympus 数码相机进行图像采集.(2)CLSM分析冷冻切片:将反应器中的好氧颗粒污泥取出,用PBS清洗,置于冷冻介质Tissue-Tek OCT (Miles,Elkhart,IN)中,-40℃冷冻一夜. 将冷冻的颗粒污泥在旋转冷冻切片机(CM1510-Cryostat,Leica,Germany)上切成50 μm厚度的切片[19].CLSM分析:采用核酸染料SYTO9(25 mmol ·L-1,Molecular Probe,Eugene,OR)对切片中的细菌进行染色,采用凝集素荧光染色剂ConA-TRITC(250 mg ·L-1,Sigma)对切片中的EPS进行染色. 染色20 min后,用PBS清洗切片样品. 将清洗后的染色切片样品置于共聚焦激光扫描显微镜(CLSM,LSM 5 Pascal,Zeiss,Jena,Germany)下观察[19, 20].(3)好氧颗粒污泥无机物组成分析采用X射线衍射(XRD)分析仪分析好氧颗粒污泥中无机物的组成. 具体方法为:先将样品在550℃灼烧30 min以上,冷却,干燥,然后将样品研磨成粉末,利用Bruker D8 Advance X-ray powder diffractometer采集图谱(Cu-Kα射线,LynxEye检测器,光管电压40 kV,电流40 mA,2θ测角范围10°~80°,步长0.02°,扫描速度为0.3 s ·步-1),Eva XRD Pattern Processing software (Bruker Co. Ltd.)进行数据分析.2 结果与分析2.1 好氧颗粒污泥的形成在颗粒污泥形成过程中,用光学显微镜对反应器中颗粒污泥的形态进行了观察,其变化如图 2所示. 可见,随着培养时间的进行,分散的絮状污泥逐渐转化成为细小不规则的小颗粒,然后慢慢长大为个体较大、形状饱满的较大颗粒,最终形成椭球形、边界清晰的深褐色成熟好氧颗粒污泥. 反应器中颗粒化污泥所占的比例逐渐增加,由40 d时的20%左右逐渐增加至100 d时的85%左右.图 2 好氧颗粒污泥的形态变化好氧颗粒污泥培养过程中,反应器的沉降时间从30 min逐渐降低到6 min. 减少沉降时间过程中,由于过量排泥,反应器中的污泥浓度(MLSS)从2.13 g ·L-1降低到0.94g ·L-1(图 3),接着颗粒污泥能够得到更多营养物质用于生长,反应器内的污泥浓度随着颗粒化进程逐渐增加,MLSS开始缓慢增加. 运行至 40 d时,颗粒粒径较以前增大,基本趋于成熟. 好氧颗粒污泥粒径可达1.0 mm左右. 此时反应器中MLSS浓度在1.2 g ·L-1左右.污水厂的进水为河水. 第75 d时,由于大量降雨,河水中的悬浮物急剧增加,使反应器中的MLSS浓度随之增加; 降雨停止后,反应器中的MLSS浓度回落至正常.图 3 中试SBR反应器中MLSS、 MLVSS随运行时间变化2.2 对污染物的去除中试反应器出水SS的浓度变化如图 4所示. 随着运行时间增加,中试反应器中颗粒污泥所占比例越来越高,反应器出水中的SS浓度逐渐降低. 但是,与污水处理厂出水一级A 标准相比(出水SS<10 mg ·L-1),好氧颗粒污泥中试反应器由于沉降时间短(6 min),导致出水SS仍偏高(平均为60 mg ·L-1).图 4 中试SBR反应器中出水SS随运行时间变化对COD、 TN、 TP的去除结果见图 5. 反应器稳定运行后,出水COD均维持在50 mg ·L-1以下,较好地实现了COD的去除; 出水NH+4-N小于2 mg ·L-1,实现了绝大部分NH+4-N 的转化,达到了实际污水处理厂的NH+4-N出水指标; 随着污泥颗粒化的进行,出水TN的浓度逐渐降低,3个月后出水TN小于15 mg ·L-1. 出水COD、 NH+4-N、 TN均达到一级A 排放标准. 好氧颗粒污泥反应器对TP 的去除为50%左右,在系统运行的末期阶段,出水TP 维持在0.57~1.09 mg ·L-1范围内.图 5 中试SBR反应器对COD、 N、 P的去除好氧颗粒污泥反应器运行的完整周期为:进水8 min、曝气160 min、沉淀6 min、出水6 min,没有缺氧和厌氧阶段. 在3 h的循环周期中,好氧颗粒污泥反应器稳定运行时对TN和TP的去除率均为50%左右. 图 5表明,好氧颗粒污泥反应器能够在3 h的周期中,实现同步N 的硝化和反硝化、 TP的去除. 但由于缺乏缺氧和厌氧阶段,虽然出水TN和NH+4-N 达到一级A排放标准,但仍可在未来的优化研究中,在周期中增加缺氧或厌氧阶段,进一步提高TN、 TP去除率.2.3 好氧颗粒污泥中细菌和EPS的分布图 6为一典型的好氧颗粒污泥表面的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像. 其中红色和绿色分别表示EPS和细菌的分布区域. 可见,在颗粒污泥表面处,细菌均匀地分布在EPS 构成的网络结构中.图 6 好氧颗粒污泥表面的CLSM图像图 7显示了好氧颗粒污泥的中心横断面上的CLSM图像,红色和绿色分别代表EPS和细菌的分布区域. 可以看出,从整个好氧颗粒污泥的横断面上来看,细菌主要分布在好氧颗粒污泥表面约50~80 μm的区域,此后随着颗粒内部深度的增加,菌体分布逐渐越少,而EPS 则分布在整个颗粒污泥中.图 7 好氧颗粒污泥中心横断面的CLSM图像2.4 好氧颗粒污泥的无机物组成分析图 8为好氧颗粒污泥中物质的XRD图谱,通过XRD 图谱分析可以看出,其成分比较复杂,主要成分有:SiO2、 CaSO4、 Ca(Al2Si2O8)、 Fe2O3.其中最高波峰为SiO2.3 讨论好氧颗粒污泥培养初期,为了促进好氧颗粒污泥的产生,改变运行方式,增加曝气时间,减少沉淀时间,加大选择压,这有利于排除一些沉降速率慢的污泥. 此时,反应器内污泥的沉降性能得到了明显的改善,但是由于沉淀时间缩短,反应器的出水SS变大,反应器内的MLSS 有所降低(图 3). 经过将近20 d的培养,反应器内都出现了好氧颗粒污泥,污泥浓度也开始逐渐增加,MLSS维持在1200 mg ·L-1左右. 由于实际污水浓度较低,且其中含有30%~40%左右的工业废水,污泥颗粒化后,污泥浓度并没有大幅度的提高.中试系统的接种污泥也为实际污水厂中的二沉池剩余污泥,MLVSS/MLSS比例约为50%,污泥活性较低,初期培养出的好氧颗粒污泥的MLVSS/MLSS比例也为50%左右,与实际污水厂活性比相当; 随着运行时间的增加,MLVSS/MLSS比例有所增加,达到60%以上,反映出培养的好氧颗粒污泥活性增加.好氧颗粒污泥中试反应器由于沉降时间短(6 min),导致出水SS偏高(图 4). 因此在未来实际应用时,需要增加过滤工艺.图 5显示50%的TN得到去除,表明培养的好氧颗粒污泥具有同步硝化和反硝化的能力. 这是由于好氧颗粒污泥的多菌种结构,且基质和O2的传质阻力随着粒径的增加而增大、大颗粒的孔隙率也随着颗粒的深度而减小,好氧颗粒污泥内部形成多种微环境,可同时满足脱氮所需的不同条件:O2作为电子受体时,可进行氨氧化; NO-3-N作为电子受体时,可在缺氧区脱氮[21, 22]. 传统活性污泥法中,通常在不同区域需要使用回流泵,因此具有同步硝化和反硝化功能的好氧颗粒污泥有望大大提高废水生物处理的效率,节省能耗.图 5同时显示好氧颗粒污泥反应器对TP的去除效率约为50%. 好氧颗粒污泥对磷的去除主要通过聚磷菌(PAOs)厌氧释磷和好氧吸磷将磷以胞内多聚磷酸盐的方式通过排泥去除. 中试试验过程中没有进行排泥,但由于反应器沉降时间短(6 min),导致出水SS较高(平均为65 mg ·L-1,图 4),TP主要由出水中的SS带走. 另外有研究表明,好氧颗粒污泥对磷的去除除了传统的生物除磷途径外,还有一部分是由于磷在颗粒污泥内部的化学沉淀作用而被去除[23, 24].图 6反映了好氧颗粒污泥表面EPS和细菌的分布,图 7则显示了EPS和细菌在整个好氧颗粒污泥中心横断面上的分布. 可以看出,好氧颗粒污泥中EPS均匀分布在整个颗粒污泥中,而细菌则主要分布在表面50~80 μm处,越靠近颗粒内部,由外到内逐渐减少. 文献[25, 26]发现EPS中的藻多糖具有很强的凝聚能力,好氧颗粒污泥中的藻多糖通过形成具有三维空间结构的细菌藻酸盐-金属凝胶而对颗粒污泥的形成起骨架作用. 从颗粒污泥的整体结构(图 6、 7)可以推断好氧颗粒污泥主要骨架结构为EPS,各种菌群镶嵌在EPS组成的凝胶网状结构内.颗粒污泥的VSS/SS比例为50%~60%左右,颗粒污泥中含有较多的无机物. XRD图谱显示,这些无机物以SiO2为主,以及一些金属离子铁、铝、钙等. 中试试验中的实际城市污水的成分十分复杂,含有很多泥沙,还包含30%~40%的工业废水,这些基本在XRD谱图中得以体现. 一些学者[27]曾提出颗粒污泥形成的“晶核假说”原理. 该假说认为好氧颗粒污泥的形成过程类似于结晶过程. 在晶核的基础上,好氧颗粒污泥不断发育,最终形成成熟的好氧颗粒污泥. 该原理所指的晶核一般为接种污泥中的惰性载体或无机杂质等微粒物质. 图 8中无机晶体的存在与“晶核假说”一致,在好氧颗粒污泥形成初期,这些无机微粒提供晶核,促进了好氧颗粒污泥的形成; 在颗粒污泥形成的后期,这些晶核与EPS一起共同维持好氧颗粒污泥结构的稳定性.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。

好氧颗粒污泥原理及应用

好氧颗粒污泥原理及应用

好氧颗粒污泥原理及应用好氧颗粒污泥与普通活性污泥相比,它具有不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷,集不同性质的微生物(好氧、兼氧和厌氧微生物)于一体等特点,近年的研究成果表明AGS能用于处理高浓度有机废水、高含盐度废水及许多工业废水。

1991年MiShi1.IIa 等最早发现了AGS,并第一次报道了利用连续流好氧上流式污泥床反应器(AerobicUpfIowS1.udgeB1.anket,AUSB)培养出AGS o人们从这一研究成果开始了对AGS颗粒化的研究历程。

而国内学者对AGS的研究始于1995年,相对滞后于国外的研究。

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,被认为是一种特殊的自固定化生物。

在过去的20年中,废水生物处理领域理论研究和工程应用证明,固定化的活性污泥在水质净化方面比悬浮活性污泥更具有效率。

迄今为止,好氧颗粒污泥被认为是最有前途的废水生物处理技术之一。

由于好氧颗粒污泥具有很多优点,因此,近年来对其进行的研究也逐渐增多,但是对于其形成机理却是众说纷纭。

没有达成共识。

本文综述了近年来好氧颗粒污泥形成机理的研究进展并对不同机理之间的区别与联系作一些思考。

1好氧颗粒污泥的基本特性在好氧条件下,培养颗粒污泥的条件较为苛刻,并且在不同操作条件和培养目的下培育出的好氧颗粒污泥在颗粒大小、粒径分布、颜色、功能上也都存在着差异。

好氧颗粒污泥的特性:表面光滑、较高密度和高强度、高生物量、耐冲击负荷、抗有毒物质。

好氧颗粒污泥外观一般为橙黄色或浅黄色,周洵平等总结了不同反应器在各自条件下培养的好氧颗粒污泥的特性。

好氧颗粒污泥具有优良的沉降性能和近乎球形的规则形状。

研究指出,颗粒污泥的形状系数稳定在0.4纵横比一般在0.79左右。

好氧颗粒污泥本身的生物相极其丰富,主要是形态各异的球菌、杆菌等。

不同的培养条件对好氧颗粒污泥微生物群落有一定的影响。

好氧颗粒污泥泥水分离性能好,在反应器中能形成较高的污泥浓度。

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附件2论文中英文摘要作者姓名:倪丙杰论文题目:好氧颗粒污泥的培养过程、作用机制及数学模拟作者简介:倪丙杰,男,1981年11月出生,2006年9月师从于中国科学技术大学俞汉青教授,于2009年7月获博士学位。

中文摘要好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集体。

它具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的生物体截留和多样的微生物种群。

因此,好氧颗粒污泥技术作为一种新型的废水生物处理形式,在城市污水和工业废水处理中具有非常广阔的应用前景。

好氧颗粒污泥的形成过程非常复杂,它的作用机制涉及到微生物的生长与竞争、氧的传质、底物的扩散及微生物产物的形成等各个方面。

本论文系统地研究了好氧颗粒污泥的形成过程、作用机制和数学模拟,探索了颗粒污泥在好氧和缺氧条件下的胞内储存过程机理,深入阐明了颗粒污泥中胞外聚合物和溶解性微生物产物的形成规律,并首次成功地以低有机物浓度城市污水为基质在中试规模反应器中培养出性能优良的好氧颗粒污泥。

主要研究内容和研究结果如下:1. 分别采用豆制品加工废水和混合酸废水在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥,基于实验结果和形成机理的分析,实现了好氧颗粒污泥形成过程的定量描述。

粒污泥在形成过程中粒径逐渐增大,沉降速度提高到40 m h-1,污泥体积指数SVI减小至20 mL g-1,COD去除效率高于98%;模型能够很好地定量描述好氧颗粒污泥的形成过程及基质在颗粒内部的扩散;好氧颗粒污泥的形成过程可分为适应期、快速生长期和成熟期。

2. 通过好氧颗粒污泥的间歇实验,探索了颗粒中自养微生物和异养微生物的生长与竞争;根据实验结果修正了ASM3模型,用以描述好氧颗粒SBR反应器中自养菌和异养菌的同时生长,并分析两类微生物对于溶解氧的竞争和在颗粒中的空间分布;发现氨氮和COD 在颗粒SBR反应器运行周期的前1.5小时内分别被自养菌和异养菌消耗完毕,且异养菌消耗更多的溶解氧;自养菌主要位于颗粒的外层,而异养菌则分布于颗粒的外层或者中心。

3. 通过McCarty建立的生物热能学方法估算出活性污泥的微生物产率,分析了反应器中关键化学和生物组分的总体计量学;与生化反应和电子平衡相耦合,建立了分析反应器中各种重要化学组分的动态变化的热力学新方法,并同修正后的ASM1模型相结合,解析了豆制品废水活性污泥处理系统中C16H24O5N4、CH2O、细胞(C5H7O2N)、H+、NH4+、HCO3-和CO2浓度的动态变化规律。

4. 通过不同初始条件下的颗粒污泥储存实验,探索了好氧条件下颗粒污泥的胞内储存机制和电子转移途径,实现了好氧颗粒污泥胞内储存过程的准确描述。

当系统中外源底物过剩时,底物被微生物快速利用并形成一定量的储存物质;在外源底物消耗完之后,微生物则会利用胞内储存物质进行生长。

5. 采用好氧和缺氧条件下的呼吸速率实验结果对反硝化条件下颗粒污泥的储存机理进行了探索,发现其生化机理过程主要包括反硝化条件下的水解、缺氧同时储存和生长、缺氧维持以及生物衰减。

动力学分析结果表明,好氧颗粒污泥的反硝化胞内储存过程NUR包括4个不同的硝酸盐利用线性阶段;根据缺氧储存机理,建立了缺氧校正系数的估算方法,并解析出好氧颗粒污泥在反硝化条件下的胞内储存过程。

6. 采用凝胶渗透色谱(GPC) 和三维荧光光谱(EEM) 对活性污泥胞外多聚物(EPS)的产生过程进行了表征。

EPS的形成量及其组分分子量分布依赖于外源底物的利用,EPS量在底物利用过程中逐渐增加;EPS中的荧光物质主成分有两种:最大激发发射波长位于280/340 nm的蛋白类物质和最大激发发射波长位于320/400 nm的类富里酸物质。

7. 提出了一套估算活性污泥EPS形成动力学参数的新方法。

在该方法中利用非线性最小二乘法建立目标函数,而采用蒙特卡罗法优化目标函数;参数估计结果表明,此方法能够准确、简便地获得活性污泥微生物降解有机物过程中EPS的形成动力学参数值及其相应的可靠性信息;外源底物电子的分布途径为:61%的电子用于细胞生物量的合成,21%的电子转移到电子受体溶解氧用于生物呼吸产生能量,而剩下的18%的电子则用于EPS的形成。

8. 集成运用凝胶渗透色谱、耗氧速率分析、多糖和蛋白测定、三维荧光光谱、傅立叶变换红外光谱和溶解性有机碳测定等技术,全面分析了活性污泥SMP的分子量分布、化学特性及其分类,对污泥微生物降解底物过程中SMP的形成及其分类划分进行了定性和定量研究。

发现UAP产生于底物利用阶段,其分子量低于290 kDa,而BAP为290-5000 kDa范围内的生物大分子物质,BAP则可进一步分为生长相关BAP (GBAP) 和内源相关BAP (EBAP)。

9. 提出了分析SMP、UAP和BAP产生动力学的新方法,并建立了描述SMP形成过程及其划分的数学模型。

基于底物利用积分方程分别建立了UAP和BAP目标函数,运用规划求解法优化目标函数使其最小化,从而得到活性污泥SMP形成的相关速率系数μH、K S、k BAP 以及产率系数Y H、k UAP的最佳估计值;在此基础上描述了3种SMP的产生与底物利用之间的联系以及SMP的形成机理。

10. 采用实验分析和数学模拟相结合的方法阐明了好氧颗粒污泥系统中EPS、SMP和X STO的形成和消耗过程,在将这3种不同微生物代谢产物的电子转移途径相耦合的基础上,建立一套统一的EPS、SMP和X STO的形成动力学模型,分析了反应器污泥停留时间(SRT) 对EPS、SMP和X STO形成的影响,并提出了基于EPS、SMP和X STO动力学模型调控颗粒反应器的新方法。

11. 对好氧颗粒污泥自养菌微生物产物的产生规律、成分特性及数学模拟进行了系统的研究,阐明了自养菌微生物代谢产物的形成机理,并对自养微生物体系中产生的EPS和SMP 进行了表征;探索了自养微生物体系中异养微生物利用自养微生物代谢产物的生长规律;发现NOB在好氧条件下以亚硝酸盐作为电子供体进行生长,并产生新的NOB细胞、UAP、EPS和硝酸盐;这些自养微生物的代谢产物是自养体系中异养菌细胞合成的唯一电子供体来源。

12. 首次利用低浓度实际城市污水在中试规模反应器中培养出性能优良的好氧颗粒污泥,探索了低浓度有机废水作为底物条件时污泥颗粒化的关键因素, 并且实现了中试颗粒污泥反应器的数学模拟。

好氧颗粒污泥粒径适中、沉降性良好、生物活性高;颗粒污泥主要以丝状菌为骨架,由结构密实地杆状细菌和球菌组成;分析表明体积交换率和沉降时间是低浓度废水条件下SBR反应器中污泥颗粒化的关键参数。

13. 采用好氧颗粒污泥为接种物,在上流式厌氧污泥反应器(UASB) 中实现厌氧氨氧化(ANAMMOX) 过程的快速启动,并对所形成ANAMMOX颗粒污泥的结构和物化特性以及反应器运行工况进行表征;在此基础上,采用16S rRNA基因扩增和PCR-DGGE等分子生物学技术对启动过程中颗粒污泥的微生物种群结构变化进行定量分析,为拓展好氧颗粒污泥的应用领域提供了新的思路。

关键词:好氧颗粒污泥;数学模拟;微生物产物;序批式反应器 (SBR);中试颗粒污泥反应器Formation process, function mechanism and mathematical modeling ofthe aerobic granular sludgeNi Bing-JieABSTRACTAerobic granular sludge is a type of microbial aggregate through self-immobilization and granulation of the microorganisms in activated sludge. Aerobic granule usually has regular shape, good settling ability, compact structure, high biomass retention, and diversity of microbial population. It ensures a higher substrate removal efficiency, less excess sludge disposal, less area consumption and lower costs for capital construction, compared with activated sludge flocs. Therefore, this process has been regarded as a promising wastewater treatment system. However, aerobic granulation is a very complex phenomenon. There are numerous internal interactions among process variables, such as growth, storage, microbial products formation and endogenous respiration, and sludge characteristics, including biomass detachment, oxygen transfer and diffusion. In this thesis, the formation, the function mechanism and the mathematical modeling of aerobic granular sludge were systematically explored. The storage processes of aerobic granules under both aerobic and anoxic conditions were investigated. The production of extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial products (SMP) in aerobic granular sludge were also explored. Furthermore, this work was the first attempt to cultivate aerobic granules on low-strength municipal wastewater in a pilot-scale sequencing batch reactor (SBR). Main contents and results are as follows:1. Aerobic granules were successfully cultivated in SBRs fed with both soybean-processing and fatty-acids-rich wastewaters. Based on experimental observations and formation mechanism analysis, the aerobic granulation process in terms of mean radius profiles was quantitatively characterized. In the granulation process, the mean diameter of bioparticles gradually increased. Their settling velocity increased to 40 m h-1, while their sludge volume index (SVI) decreased to 20 mL g-1. The chemical oxygen demand (COD) removal efficiency increased to 98%. The developed model is applicable to describing the aerobic sludge granulation process and substratediffusion within granules appropriately. Three phases in the granule formation process could be clearly distinguished: initial exponential growth phase, linear growth phase afterwards and final stable phase.2. The autotrophic and heterotrophic growth and competition in aerobic granular sludge were explored using a batch experimental approach. The activated sludge model No.3 (ASM3) was modified based on experimental results in order to describe the simultaneous autotrophic and heterotrophic growth in aerobic granules. The distribution within granules and competition for dissolved oxygen of autotrophs and heterotrophs were analyzed. It was found that full oxidation of ammonia and COD by autotrophs and heterotrophs occurred within 1.5 h. The heterotrophs accounted for major oxygen consumption than the autotrophs. The autotrophs were mainly located on the outer layer of granules, whereas the heterotrophs were present in the center of granules, or on the outer layer of granules.3. With the bioenergetic methodology established by McCarty, the microbial yield was predicted and the overall stoichiometrics for biological reactions involving the key chemical and biological species in activated sludge were established. The bioenergetic methodology was integrated with a modified activated sludge model No.1 (ASM1) to formulate a new approach to analyze the activated sludge process, with the treatment of soybean-processing wastewater as an example. This approach was able to approximately describe the treatment of soybean wastewater by activated sludge in terms of the concentration dynamics of C16H24O5N4, CH2O, cell (C5H7O2N), H+, NH4+, HCO3- and CO2.4. The internal storage mechanisms and electron flows from the external substrate occurring in aerobic granule sludge were explored with extensive storage experiments under different initial conditions. The simultaneous growth and storage processes in aerobic granules were accurately modeled. Aerobic granules in an SBR were subjected to alternative feast and famine conditions, and were able to rapidly take up carbon substrate in wastewater and to store it as intracellular storage products when the substrate was in excess. After the depletion of the external substrate, the accumulated storage polymer was utilized for heterotrophic growth.5. The internal storage mechanisms in aerobic granule sludge under anoxic conditions were investigated with respirometric experimental results. Hydrolysis, simultaneous anoxic storage and growth, anoxic maintenance, and endogenous decay were found to be the main bioreactionprocesses governing the anoxic storage in the aerobic granules.Kinetic analysis of nitrate utilization rate (NUR) indicates that the NUR of granules-based denitrification process included four linear phases of nitrate reduction. Furthermore, the methodology for determining the most important parameter in anoxic storage, i.e., anoxic reduction factor, was established based on an analysis of anoxic storage mechanisms. The performance of storage process in a granule-based denitrification system was accurately modeled.6. EPS produced by mixed microbial community were characterized using gel-permeating chromatography (GPC) and 3-dimensional excitation emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy measurement. The production of EPS, as well as its molecular weight (MW), depended on the external substrate utilization. The quantity of produced EPS increases significantly in the substrate utilization process. With the parallel factor analysis (PARAFAC) approach, two components of the polymer matrix are identified by the EEM analysis, one as proteins at Ex/Em 280/340 nm and one matrix associated as fulvic-acid-like substances at 320/400 nm.7. A novel and convenient approach to evaluate the EPS production kinetics was developed. The weighted least-squares analysis was employed to calculate approximate differences in EPS concentration between model predictions and experimental results. An iterative search routine in Monte Carlo simulation was utilized for optimizing the objective function by minimizing the sum of squared weighted errors. Parameters estimation results indicate that the kinetic coefficients of EPS production by activated sludge and their practical identifiability information could be obtained accurately and convenient ly with this approach. Electrons from the external substrate were distributed in the following order: new biomass synthesis of 61%, oxygen for respiration of 21%, and EPS of 18%.8. The sub-fractions of the SMP, i.e., utilization-associated products (UAP) and biomass-associated products (BAP), excreted by activated sludge were characterized in terms of formation sequence, MW and chemical natures, using MW and dissolved organic carbon (DOC) measurements, coupled with oxygen utilization rate determination, polysaccharide and protein measurement, 3-dimensional EEM fluorescence spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis. The UAP, produced in the substrate utilization process, were found to be carbonaceous compounds with an MW lower than 290 kDa. The BAP were mainly cellularmacromolecules with an MW in a range of 290-5000 kDa, and were further classified into the growth-associated BAP (GBAP) and the endogeny-associated BAP (EBAP).9. A new approach for determinating SMP, UAP and BAP and their production kinetics was established. A mathematical model was developed to further quantitatively and qualitatively describe the production kinetics and sub-fractionation of SMP. The objective functions of UAP and BAP were constructed based on the integrated substrate utilization equation. A spreadsheet program was utilized to optimize the objective function by minimizing the sum of squared weighted errors. In this way, the best estimations of the rate coefficients μH, K S and k BAP and the two yield coefficients for active bacteria (Y H) and UAP (k UAP) were determined. Furthermore, the relationships among the formation of the three sub-fractions of the SMP and the substrate utilization, as well as the SMP formation mechanisms, were elucidated.10. The formation of EPS, SMP and internal storage products (X STO) in aerobic granular sludge was investigated using experimental and modeling approaches. An expanded unified model describing the production and the consumption of EPS, SMP, and X STO was formulated after integrating the electron flows from the external substrate to EPS, SMP, and X STO. The effect of the sludge retention time (SRT) of the reactor on the formation of EPS, SMP, and X STO in the aerobic granular sludge was analyzed. The new model could be used for process control and thus for the optimization of aerobic-granule-based reactors.11. The formation mechanism, component characterization, and mathematical modeling of the microbial products of autotrophs in the aerobic granular sludge were investigated systemically. The formation mechanism of EPS and SMP by autotrophs was clarified. Information on the MW and chemical natures of microbial products in the nitrifying sludge was explored using EEM fluorescence spectroscopy and GPC measurement. The heterotrophic growth on the microbial products in the nitrifying sludge feeding with non-organic carbon source was also evaluated. The aerobic growth of the NOB occurred at the expense of nitrite as an electron donor and resulted in the production of new biomass, UAP, EPS, and nitrate. These autotrophic microbial products could be utilized as the sole electrons and carbon source for the heterotrophic growth in autotrophic systems.12. For the first time, aerobic granules with an excellent settling ability were cultivated in a pilot-scale SBR for the treatment of low-strength municipal wastewater. The key factors in thegranulation of activated sludge grown on the low-strength municipal wastewater were identifed. Mathematical modeling of this pilot-scale granule-based reactor was successfully achieved. The granules had a diameter ranging from 0.2 to 0.8 mm and had good settling ability with a settling velocity of 18-40 m h-1. Three bacteria with rod, coccus and filament morphologies coexisted in the granules. The volume exchange ratio and settling time were found to be two key factors in the granulation of activated sludge grown on such a low-concentration wastewater in an SBR.13. The accelerating startup of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) process in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor was achieved by seeding aerobic granules. The structure and physicochemical properties of the ANAMMOX granules and the reactor performance were characterized. Microbial community analysis was performed to reveal the composition and dynamics of the microbial consortium based on denaturing gradient gel electrophoresisanalysis and 16S rRNA genes amplified from the granular sludge. The obtained results demonstrate that aerobic granular sludge could be effectively used to inoculate ANAMMOX reactors.Key words: Aerobic granular sludge; mathematical modeling; microbial products; sequencing batch reactor (SBR); pilot-scale granular sludge reactor。

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