好氧颗粒污泥技术研究进展与应用现状

好氧颗粒污泥技术研究进展与应用现状Contents好氧颗粒污泥的特性好氧颗粒污泥的培养好氧颗粒污泥的应用现状目录好氧颗粒污泥的概念一二三四五不足与展望一、好氧颗粒污泥的概念颗粒污泥——微生物自凝聚形成的一种特殊形式的活性污泥，具有良好的沉降性能、密实的结构、较高浓度的生物量、较强的冲击负荷和抵抗有毒有害物质的能力。污泥颗粒化现象最早在升流式厌氧污泥床反应器中发现,随后,人们也发现了好氧处理过程中污泥颗粒化现象。微生物自身具有凝聚或附着于固体表面的特性,只要条件适当,这种现象便会自然发生.淀粉厂颗粒污泥袋装污泥柠檬酸颗粒污泥1好氧颗粒污泥的研究历史研究时间反应器特点缺点20世纪90年代初UASB模式纯氧曝气条件苛刻，颗粒污泥没有去处氮磷的能力1993年流化床回流比高达47硝化能力只有0.36kg·m-3·d-1)1995~1996年连续流生物膜气升式悬浮反应器硝化颗粒需要以生物膜颗粒作为前体形成只能利用降解速度较慢的基质(如氨氮)才能形成1997年SBR周期性快速进水、以COD为基质——1997年后，关于好氧颗粒污泥方面的研究迅速增加。2好氧颗粒污泥的性质成熟的好氧颗粒污泥呈橙黄色,表面光滑,外观为球形或椭球形,其粒径在0.5~1.5mm,纵横比为0.76,形状系数稳定在0.45。好氧颗粒污泥的沉降速度与其大小和结构有关,一般在30~70m/h,约为传统活性污泥(8~10m/h)的3倍。好氧颗粒污泥活性污泥好氧颗粒污泥中含有丰富的微生物种群,在合适的pH和DO浓度下,多种微生物可以共存。好氧颗粒污泥主要由异养菌和硝化菌组成。DO从颗粒外部经表面空隙传递到颗粒内部,形成DO梯度,在颗粒核心部形成缺氧区,在颗粒内部形成厌氧区。在好氧颗粒污泥的外表面以好氧硝化菌及氨化菌为主,废水中的NH4+-N首先被外侧的硝化菌氧化成NO3--N、NO2--N;在缺氧区,反硝化菌占优势,它们利用从废水中扩散至厌氧区的碳源将NO3--N、NO2--N还原,以N2形式去除氮。好氧区缺氧区厌氧区NH4+-NNO3--N、NO2--NN2好氧硝化菌及氨化菌反硝化菌N2二、好氧颗粒污泥的特性1形态及粒径好氧颗粒污泥是好氧条件下微生物自身固定化形成的聚集体,与生物膜的结构较为相似。好氧颗粒污泥有清晰的轮廓，外观较为规则，颗粒之间有明显的分界。2沉降性能好氧颗粒污泥在沉降性能上较活性污泥有更大优势,可以更有效地提高反应器截留污泥的能力和处理能力,同时缩小对沉淀池的体积需求。好氧颗粒污泥的沉降速度通常可达25~70m·h-1，要比活性污泥的沉降速度至少高3倍。3微生物多样性好氧颗粒污泥的微生物组成十分丰富。异养菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌,甚至还有酵母、真菌，这些微生物都能够形成好氧颗粒。好氧颗粒污泥中微生物菌群的结构主要由培养基质成分所决定。4微生物的分布一般认为,好氧颗粒污泥结构呈层状分布，但不同好氧颗粒污泥的层状结构组成和分层有所不同。微生物在好氧颗粒污泥中的分布与其在颗粒中的作用密切相关。5EPS的分布蛋白质多分布在好氧颗粒污泥的内核，而多糖则主要分布在颗粒污泥的外层。三、好氧颗粒污泥的培养1接种污泥的选择好氧颗粒污泥反应器可采用不同接种污泥，已有的报道包括：(1)以普通的絮状活性污泥为接种污泥，此为丝状菌和小颗粒的混合物,接种污泥占反应器体积25%左右；(2)以去除COD为主的沉降的细胞（好氧颗粒污泥）为接种污泥，接种污泥占反应器体积0.5%左右；(3)直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化。直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化的方法简便且成功率高；而以普通絮状活性污泥为接种污泥，启动时间长，控制难度较大。2反应器的选择连续流反应器和SBR都可用于好氧颗粒污泥的培养。目前连续流反应器主要用于培养硝化颗粒污泥，而绝大多数好氧颗粒污泥都是利用有机基质在SBR中培养。培养好氧颗粒的关键参数是缩短沉淀时间和进水时间，保持一定的上升气速和容积负荷.这与好氧颗粒化的机理是密切相关的.例1常温好氧条件下好氧颗粒污泥的富集与驯化SBR的主体结构由双层圆柱形有机玻璃制成，外层设有水浴套管控制温度为24±1℃。反应器底部设有微孔曝气头，保证系统内DO的质量浓度为1.0mg/L。将整个好氧颗粒污泥的富集过程分为3个阶段：启动阶段、颗粒污泥形成和生长阶段、颗粒污泥成熟阶段在启动阶段，控制初始COD较低，防止有机物含量过高引起丝状菌的过度繁殖；1个月后，污泥由深褐色变为土黄色，并出现一些细小的颗粒。污泥沉降后出现明显的分层现象；第90天时，普通絮状污泥几乎全部变成浅黄色、小米粒状的好氧颗粒状污泥，直径达到0.5～1.0mm；第120天时，好氧颗粒污泥由浅黄色变为橙黄色，外部轮廓规则，表面光滑，近似球形或椭球形，平均粒径在1～2mm。好氧颗粒污泥对城市污水中COD和氨氮有很好的去除效果，二者的平均去除率分别可达90.04%和95.91%；TN的去除效果一般，去除率在76.68%～81.45%；磷的去除效果较差，去除率最高也仅仅只有61.20%说明此时的好氧颗粒污泥并不具有同步脱氮除磷的能力。调整SBR的沉淀时间为3min，其他运行工况不变。控制进水COD和NH4+-N的质量浓度分别为400mg/L和40mg/L，将PO43--P的质量浓度由8mg/L逐步提高到12mg/L。驯化结果：经过驯化后的好氧颗粒污泥的除磷能力有大幅提升。磷的去除率在61.12%～79.62%，平均去除率可达71.75%。例2连续流膜生物反应器中好氧颗粒污泥的形成膜分离区内安装穿孔管，以提供大气泡高流量的曝气，在大宽高比的膜分离区内形成强水力湍动力，并在控制膜污染的同时，为反应器内好氧颗粒污泥的形成维持提供剪切力。反应器运行的前60d内，反应器内污泥与普通活性污泥絮体无明显差异；反应运行第67d，污泥状态发生转变，反应器内90%以上的污泥发生团聚,具有清晰规整的圆滑表面。之后3内，污泥粒度迅速增大；第70d时，反应器内开始出现粒径2.0mm左右的颗粒污泥，污泥呈灰黑色，为表面圆滑规整的水滴状；之后，颗粒污泥的增长趋于稳定，粒径2.0mm以上及0.5mm以下的污泥逐渐减少，粒径1.0~1.5mm左右的颗粒污泥比例增加，污泥粒径趋于均化，粒径0.5mm以上的污泥占反应器内污泥总量的80%以上。结论：将MBR用于模拟抗生素废水的处理,对废水中COD、NH4+-N、黄连素的去除率可分别达到90%、95%和99%以上。连续流MBR中好氧颗粒污泥的形成和稳定化运行证明，SBR的运行模式不是污泥颗粒化和好氧颗粒污泥状态维持的必要条件。污泥颗粒化后，膜分离区相对较强的水力剪切力是MBR中污泥颗粒化的主要驱动力。四、好氧颗粒污泥的应用现状1实验室阶段研究1）在高浓度有机废水中的应用好氧颗粒污泥大大提高了反应器处理效率和抗冲击负荷能力，已报道的颗粒化SBR反应器的有机负荷率可达2.5~15kg/(m3·d)，MLSS在6~12g/L之间，COD去除率稳定在85%以上。2）在脱氮除磷方面的应用强化生物除磷工艺(EBPR)在厌氧-好氧交替运行下具有较高的除磷效果，但仍存在工艺运行不稳定、占地面积大等问题；高径比大、占地面积小的好氧颗粒化反应器的开发，将使其在生物除磷方面具有较好的应用前景。3）在有毒有机物降解方面的应用以苯酚为唯一碳源、负荷为2.5kg/(m3·d)的SBR反应器内获得结构致密的好氧颗粒，TOC和苯酚去除率分别大于98%和99.9%，比苯酚降解速率大于0.55g/(g·d)。在降解对硝基酚(PNP)过程中获得好氧颗粒污泥，其比PNP降解速率高达19.3mg/(g·h)，同时颗粒污泥还能降解对苯二酚、对硝基邻苯二酚、苯酚、2,4-二硝基酚、2,6-二硝基酚等同系物。在序批式气提生物反应器(SABR)内培养获得高效降解氯苯胺类污染物的好氧颗粒污泥，成熟好氧颗粒粒径在0.9～2.5mm，污泥最小沉降速率在60m/h以上，氯苯胺比降解速率达(0.175±0.005)g/(g·d)。例：好氧颗粒污泥处理高含盐废水R1、R2反应器处理含盐废水，其中R1反应器接种好氧絮状污泥，R2反应器接种厌氧颗粒污泥。R3反应器为淡水对照组，接种污泥为好氧絮状污泥，进水基质与R1、R2相同，不同之处在于R3反应器进水中不含高盐分。各SSBR反应器在污泥接种后很快完成好氧颗粒化.利用SSBR反应器在高含盐废水中可以培养出很好的好氧颗粒污泥,并且利用好氧颗粒污泥可以有效处理高含盐废水。利用好氧颗粒污泥处理该废水，当盐度为35g/LNaCl并且进水基质为难生物降解Vc废水时，其TOC去除率与淡水对照组及试验室中SBR处理淡水Vc废水取得的TOC去除率处于同一水平。2实际污废水中的研究1）在城市生活污水处理工程中的应用卢姗等对颗粒污泥SBR处理生活污水同步除磷脱氮进行了研究，周期6h，进水5min，厌氧搅拌90min，曝气240min，沉降5min，排水10min，静置10min．容积负荷1.42～3.91kg/(m3·d)COD、磷酸盐、氨氮、总氮和SS的平均去除率分别为83.04%、94.30%、86.51%、41.82%和85.89%。荷兰DHV公司于2008年将NeredaTM好氧颗粒污泥工艺首次用于南非某污水处理厂的升级改造中。该工艺是由荷兰DHV公司及代尔夫特理工大学、STW和STOWA合作研究出的新型好氧颗粒污泥技术。与传统工艺相比，NeredaTM技术的基建投资低20%左右，电耗节省35%～45%，年运行费用降低50%左右。目前，该工程正在试运行。2）在工业废水处理工程中的应用结合好氧颗粒污泥的优点，在工业废水处理实际工程上已有了一定程度的使用，处理效果明显优于普通絮状污泥。研究者考察了好氧颗粒污泥作为新型生物吸附剂，用于工业废水中(Cd2+)去除的可行性。颗粒污泥对Cd2+的最大吸附能力为566mg/g。PERBIOF技术是意大利IRSA(IstitutodiＲicercaSulleAcque)研发的高性能好氧颗粒污泥技术。其主体为SBBGR(sequencingbatchbiofiltergranularreactor)，内部设生物固定床。该技术通过投加接种污泥，利用固定床培养出的好氧颗粒污泥处理工业废水。该技术被用来处理意大利一家制革厂的生产废水，在容积负荷为4kgCOD/(m3·d)、进水COD平均为2900mg/L时，结合后续的臭氧处理装置(臭氧投加量为150～300gO3/m3)，则联合系统对COD、DOC、TSS、TKN、表面活性剂及色度的去除率分别为99.5%、98%、99%、95%、98.7%和98%，出水水质完全满足排放标准。生物膜序批式生物滤池颗粒反应器五、展望1存在的问题1）好氧颗粒污泥的不稳定性。在培养过程中,由于底物、营养物质和DO在颗粒污泥内部的扩散效率不同,容易引起丝状菌的过量生长,使得沉降性能变差；2）异养菌和目标菌的竞争。与硝化菌、聚磷菌相比,异养菌生长较快,这就使得颗粒污泥中目标微生物数量较少,从而减弱对污染物的去除能力;3)目前还没有描述关于好氧颗粒污泥从最初形成到最终消亡的全过程以及颗粒污泥的分层结构生成过程的数学模型。2发展方向1）深入研究各种控制因素的变化对好氧颗粒污泥稳定性的影响,以实现工艺长期稳定的维持；2）开发颗粒污泥的联合工艺。颗粒污泥生化反应器可以和其他处理单元联合使用来弥补彼此的不足,如将膜反应器和好氧颗粒污泥结合起来的好氧颗粒污泥膜反应器(AGSBR)；3）培养具有基因工程微生物的好氧颗粒污泥。利用基因工程学移植技术把多种目标基因移植到一种微生物体内,使该微生物可以达到降解多种有毒物质的目的。