污泥培养

生物处理新工艺——好氧颗粒污泥的培养以及理化性质研究Director,InstituteofEnvironmentalScienceandEngineeringHead,DivofEnvironmentalandWaterResourcesEngineeringSchoolofCivilandEnvironmentalEngineeringNanyangTechnologicalUniversitySingapore指导老师：主讲人：1厌氧颗粒污泥生物颗粒污泥技术好氧颗粒污泥从上世纪80年代初开始发展从上世纪90年代末开始发展2较长的启动周期：其形成约需3到8个月较高的操作环境温度不适应处理低浓度污水去除营养物质（氮和磷）污染效果不理想厌氧颗粒污泥的主要缺陷3为什么要研究好氧颗粒污泥?好氧细菌的特点：.生长迅速.与厌氧菌比较，生长环境温度要求相对宽松.在有机物浓度较低时也能生存好氧颗粒污泥不仅具有厌氧颗粒污泥的优点，还避免了后者因自身厌氧菌组分所固有的缺陷。4什么是好氧颗粒污泥?在好氧环境条件下，微生物通过自固定过程，最终形成结构紧凑、外形规则的密集生物聚合体。5好氧颗粒污泥的优点及应用相对结实的微观结构优良的沉淀性能较高浓度的污泥截留混合、多样的微生物种群较好的泥水分离较高的生物反应器单位体积处理能力可以承受较高浓度的冲击负荷减少对二沉池的体积要求同时去除有机物和营养物质对高浓度有毒废水的独特适应和处理能力6絮体和颗粒的比较颗粒具有准球形的外观和紧凑的内部结构絮体具有不规则外形和松散的内部结构7a8好氧颗粒污泥的形成9好氧颗粒化是接种污泥结构紧凑的聚合体颗粒状的污泥成熟的颗粒污泥一个逐渐的演化过程:10光学显微镜观察结果接种污泥的物理外观及形态电子扫描显微镜观察结果111星期后BCD2星期后3星期后种泥120369121501020304050Operationtime(days)MLSSconcentration(g/L)0.00.51.01.52.001020304050Operationtime(days)Size(mm)050100150200250300350SVI(mL/g)颗粒尺寸污泥体积指数污泥尺寸在三周内从0.1mm增长到1.7mm污泥沉淀性能显著改善，以污泥体积指数（SVI）来表示从200降到35mL/g颗粒化过程后污泥量浓度增加到15g/L一个典型的颗粒化过程13实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥中试反应器中形成的稳定好氧颗粒污泥反应器直径:20cm工作体积:40L15好氧颗粒污泥的特性16•好氧颗粒污泥和传统活性污泥性质的比较葡萄糖培养的颗粒污泥活性污泥平均直径(mm)2.4±0.710.15污泥体积指数(mL/g）51-85150-250沉降速度(m/h)35±8.510反应器中的污泥浓度(g/L)8.0-15.03.0-5.0密度(g/L)41.1±6.9~颗粒污泥强度(%)98±0.9较弱近圆率(aspectratio)0.79±0.06外形不规则疏水性(%)68.0±3.9~耗氧率(SOUR,mgO2/g/hr）69.4±8.8100COD去除率(%)96.6±1.690%17污泥絮体和不同尺寸颗粒污泥的外形(标尺长度:5mm)A:污泥絮体(0.15mm)B:颗粒污泥(0.15-0.5mm)C:颗粒污泥(0.5-1.0mm)D:颗粒污泥(1.0-2.0mm)E:颗粒污泥(2.0-2.8mm)尺寸大小分类(直径,mm)平均直径(mm)近圆率(aspectratio)圆满度(roundness)%污泥有机成分污泥体积指数(mL/g)0.150.09--90.1(1.6)178.3(11.1)0.15-0.50.350.69(0.15)0.88(0.16)80.9(1.4)104.8(8.1)0.5-1.00.820.72(0.13)0.77(0.12)60.6(3.2)32.4(4.5)1.0-2.01.650.77(0.14)0.74(0.15)57.6(4.2)34.4(5.0)2.02.540.82(0.13)0.70(0.15)74.1(2.2)40.4(5.2)18好氧颗粒污泥的微生物特性19表面微观结构葡萄糖培养的好氧颗粒污泥：丝状菌占主导成分醋酸根培养的好氧颗粒污泥：杆菌占主导成分20颗粒中的通道及孔状结构可由共焦激光扫描显微镜(CLSM)观察到：图中颗粒污泥直径为0.55mm，在颗粒表面下250m处明显存在一多微孔层。颗粒边缘颗粒中心通道及孔状结构0500001000001500002000002500000100200300400500600700Distancefortheedgeofgranule,umIntegratedfluorescence,relativeunits21微生物细胞和厌氧菌（Bacteroides）的杂交测试荧光分布图曲线1：以杂交探针Eub338的荧光密度表示的微生物细胞在颗粒污泥中的分布曲线2：以杂交探针Bacto1080的荧光密度表示的颗粒污泥中厌氧细菌层，厌氧菌（Bacteroidesspp.）存在在颗粒污泥表面下800um处厌氧菌的存在22好氧颗粒污泥中的微生物分布23活细胞（绿色）和死细胞（红色）在不同尺寸颗粒污泥横切面上的分布Y轴:平均密度，以单位象素的荧光亮度表示。X轴:细胞在颗粒污泥中的位置，以离开颗粒表面的距离来代表。尺寸小于1mm的颗粒中，活细胞分布均匀。较大颗粒中，活细胞主要分布在从表面开始600m左右厚的范围内。颗粒边缘Size1mmSize1-2mmSize2-3mm24用共焦激光扫描显微镜（CLSM）观察到的活、死细胞在颗粒中的分布活细胞主要分布在颗粒外围地区，而死细胞主要分布在颗粒内部。图中：代表活细胞的绿色荧光，由Syto9染料染色代表死细胞的红色荧光，由propidiumiodide染料染色25影响好氧颗粒污泥形成的一些因素26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阳离子:具有正面效应加料:周期性‘冲击式’加料有利于具有紧凑厚实结构的颗粒形成反应器形状:具有较大高度/直径比值（H/D）的柱状反应器有利于颗粒形成27葡萄糖醋酸根苯酚含磷化合物氨氮化合物不同底物培养的好氧颗粒污泥281.5g/L/d(500mgCOD/L)9.0g/L/d(3000mgCOD/L)3.0g/L/d(1000mgCOD/L)6.0g/L/d(2000mgCOD/L)在不同有机负荷率下形成的好氧颗粒污泥29050100150200250300051015202530Operationtime(days)SVI(mL/g):0.3cm/sO:1.2cm/s:2.4cm/s∆:3.6cm/s00.10.20.30.40.5051015202530Operationtime(days)Size(mm)不同表面上升气流速度下污泥尺寸和污泥体积指数（SVI）随时间的演化。颗粒污泥只能在相当于表面上升气流速度大于0.3cm/s时的剪切力下形成，并在相当于表面上升气流速度大于1.2cm/s时的剪切力作用下维持稳定。在不同水力剪切力下形成的好氧颗粒污泥图中表面上升气流速度：没有颗粒的形成！300.3cm/s上升气流速度2.4cm/s上升气流速度3.6cm/s上升气流速度1.2cm/s上升气流速度不同剪切力作用下形成的好氧颗粒污泥的外部形态315天泥龄20天泥龄30天泥龄10天泥龄不同控制泥龄下形成的好氧颗粒污泥的外部形态32好氧颗粒污泥的储存330204060800306090120150Storagetime(days)SOUR(mg/g.h)葡萄糖培养的颗粒污泥醋酸根培养的颗粒污泥颗粒污泥能被储存数月而无结构分解现象发生。开始曝气，加入营养后储存的颗粒污泥的生物活性很容易被恢复。34使用的接种颗粒污泥性质:平均直径:1.28mm污泥体积指数:28mL/g耗氧率:13.4mgO2/g/h有机成分含量:51.2%储存时间:3个月由储存的颗粒污泥接种并启动生物反应器反应器启动(1)好氧颗粒污泥使用量2.0L，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1.03g/L接种污泥(经过3个月的储存)接种并在反应器中运行一天后94.538.713.4020406080100Microbialactivity(mgO2/g/h)Seedsludge1dayafterstartup2dayafterstartup接种颗粒和曝气一天后颗粒的观察比较以耗氧率表示的接种污泥在反应器中运行后其活性的变化050100150200051015202530Time(days)SOUR(mg/g/h)储存的颗粒能在接种并运行3天后完全恢复到储存前的活性好氧颗粒污泥的形成机理39细胞自固定过程中的四个步骤步骤1:细菌之间通过物理运动相互接触.促进这一反应的动力包括:•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40化学及生化吸引力:•细胞表面脱水•细胞膜粘连•细胞间信息传递及收集•细胞分泌产生胞外聚合物,比如胞外多聚糖等分泌物•细胞群的生长•新陈代谢变化和由环境诱发的基因变化，这些变化促进了细胞之间的相互作用，进而导致具有高度组织性的微生物结构形成步骤3:生物聚合体的成熟，促进这一过程的作用包括：步骤4:在流体剪切力作用下，最终形成稳定的具有三维微观结构的颗粒污泥系统41在颗粒污泥内的细胞周围观察到的胞外多聚糖细胞表面疏水性:可能在诱发细胞间的粘结扮演一个关键的角色胞外多聚糖:可能对帮助维持颗粒污泥结构的完整性比较重要选择压力:有利于形成并保持结构紧凑且具有较好沉降性能的颗粒污泥42好氧颗粒污泥的应用高浓度有机废水的处理毒性废水的处理有机和营养物质的同时去除对重金属离子的生物吸附基因转换形成的专效高能细菌的固定44高浓度有机废水的处理好氧颗粒污泥较高的污泥截留高浓度有机废水的处理耐受较高的冲击负荷45葡萄糖培养的颗粒污泥醋酸根培养的颗粒污泥OLR(kgCOD/m3/d)OLR(kgCOD/m3/d)6.09.012.015.06.09.0平均直径(mm)2.7(±1.00)2.95(±1.25)3.06(±1.30)3.30(±1.30)1.96(±0.92)4.20(±0.10)近圆率(aspectratio)0.69(±0.16)0.63(±0.17)0.64(±0.17)0.54(±0.18)0.72(±0.15)0.75(±0.14)沉降速度(m/h)53(±12)65(±24)69(±15)84(±2.9)71(±18)112(±7)污泥体积指数(mL/g）106(±38)85(±15)74(±8)31(±3)49(±12)42(±2)颗粒污泥强度(%)93.0(±4.0)97.3(±0.5)97.5(±0.6)99.0(±0.1)97.7(±1.4)97.7(±1.4)COD去除率(%)93.0(±5.0)92.0(±4.0)89.092.0(±3.0)97.0(±0.1)97.0(±1.8)可处理有机负荷高达15.0kgCOD/m3/d采用颗粒污泥作为生物工作介质，可缩小反应器体积，进而减少了系统对土地面积的需求•不同有机负荷时颗粒污泥的性质46苯酚废水的处理悬浮污泥絮体的颗粒化提高细