好氧颗粒污泥的形成机理及其影响因素邵春利

.目..曰自侧目..日.曰曰...........丫犷好氧颗粒污泥的形成机理及其影响因素邵春利`李靖2邵宁2谢冰`(l华东师范大学环境科学系,上海200062;2上海阂行环保开发实业有限公司,上海20110的摘要全面地综述了国内外在好氧颖拉污泥方面的研究现状,包括好氧颗粒污泥的基本特征、颖粒化过程中的影响因素、形成机理及其微生物组成,以及在污水处理方面的优势。同时,对其未来的研究和发展趋势作了展望。关键词好氧颗粒污泥性状影响因素形成机理综述FomrationmeehanismandaffectingfaetosrofaeorbiecranularsludgeShaoChunli,LiJing,ShaoNing,XieBing(1.EnviormnentazScienee&eTe入nolog夕,aEsthCinaNo~1nUiversit少,S人anghai200062,hCina;2.iMnhangnE丽ornmentalPortectionDeveloPmentIndust勺肠.,Ltd.,Shanghai201100,hCian)Abstacrt:Summarizationwasmadeontheresearehstatusquoofaerobiegranularsludgeinhomeandabroad,ineludingthebasieeharaetersofaerobiegranularsludge,thefaetorsaffeetingtheprogressofgranulation,formationmeehanismanditsmierobialeomponent,aswellastheadvanta-gesindealingwithsewage.Meanwhile,thefuturedireetionofresearehanddeveloPmentofaerobiegranularsludgewereforeeasted.Ke州0川s:Aerobiegranularsludge;Properties;Affeetingfaetors;Formationmeehanism;SummarizationO引言城市污水处理以活性污泥好氧生物处理为主,活性污泥结构及其沉降性能是保证处理效果的关键。但活性污泥法在实际运行中常碰到这些问题:曝气池中的污泥浓度低,容易产生大量的剩余污泥;反应器容积负荷较低、体积庞大,抗冲击负荷能力弱;极易引起丝状菌大量生长,从而导致污泥膨胀,处理效率下降,甚至引起处理工艺瘫痪。如何保证活性污泥良好的结构和沉降性能是活性污泥法巫待解决的问题。近年来,将生物自凝聚原理应用于好氧反应系统中,实现了好氧污泥的颗粒化,经研究证实,这种颗粒污泥处理污水的效果甚好,较好地解决了活性污泥法中对活性污泥结构和功能的要求,同时好氧颗粒污泥对氮、磷、有机物以及某些有毒重金属的去除效果也相当好,受到该领域研究人员的关注,并日益成为研究和应用的热点l[一7〕。1好权颗粒污泥的基本特征1.1外观、粒径好氧颗粒污泥颜色一般为橙黄色,具有相对规则的圆形或椭圆形外观,成熟的好氧颗粒污泥表面光滑,边界清晰。颗粒污泥表面有一些孔隙,这些孔隙被认为是底物与营养物质传递的通道闭。在厌氧/好氧交替工艺中,颗粒直径大多在0.5一1.5~,经过适度淘洗后的好氧颗粒污泥直径多在1mm左右。而在SBR反应器中,颗粒直径大多在1.9一4.6mm之间,稳定状态下形成的颗粒光滑、致密,颗粒直径为4.6mm[`J。1.2含水率、密度好氧颗粒污泥的含水率一般为97%~98%,低于普通活性污泥(含水率99%以上),即采用好氧颗粒污泥比普通活性污泥的污泥量至少减少一半阁。36给水排水v砚.33增刊2007DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2007.s1.008................................................................................................................................口.二门爪.阅口.....口丫杯好氧颗粒污泥具有相对较大的密度。一般BSR中形成的颗粒污泥的相对密度为1.0068~1.00799/c砰,稳定操作条件下的污泥浓度维持在3.2~6.88岁L[4〕。而在气升式间歇反应器(SBAR)中,污泥相对密度稳定在1.0089/csntl0[〕。有研究闭认为大多数情况下颗粒污泥的密度随直径的增大而减小。1.3沉降性能、活性颗粒污泥有良好的沉降性能。单个颗粒污泥沉降速率在18~35m/h,颗粒污泥的VS为14%~30肠,SVI12.6~64.5mL/g(一般约36mL/g),而普通活性污泥的SVI约为10。~150mL/g。颗粒污泥反应器中曝气停止时,迅速形成明显的泥水分界面。污泥以上为澄清层,以下为污泥层(受阻沉淀层)9[]。颗粒直径和沉降速率成正相关1[`〕。一般通过测定污泥的耗氧速率(OUR)来考察好氧颗粒污泥的活性。Morgenort等阁在SBR反应器中获得的好氧颗粒污泥平均OUR为1.61gm/(g·min),竺建荣等l0[〕测得颗粒污泥的OUR为1.27mg/(g·min),而普通活性污泥的OUR为0.8mg/(g·min)左右。由此可见,好氧颗粒污泥的生物活性要高于普通活性污泥。2污泥顺粒化影响因紊2.1进水底物性质在国内外培养活性污泥的试验中,多数试验用水均为人工配制的模拟废水,主要成分为葡萄糖、乙酸钠、乙酸以及无机混合底物等ls[,`7〕。不同碳源培养下的好氧颗粒污泥,其内部微生物群落和结构也有着明显的差异。如以葡萄糖为底物培养出的好氧颗粒污泥中丝状菌为优势菌种;而以乙酸为底物培养时却没有观察到丝状菌的存在ls[〕。研究表明l0[〕,进水有机物组成在一个很广的范围内均可促使污泥颗粒化,但进水中的含氮量过高或过低都会使反应器中污泥的颗粒化程度下降,使污泥沉淀性能变差。进水中较高的COD/TN、COD/TP及适当的TN/TP对颗粒污泥的形成有利。2.2进水方式Mcswian等0z[〕设置不同的间歇进水方式,得到的颗粒污泥差别很大。先进水再曝气得到了紧密光滑的好氧颗粒污泥;而进水一段时间后,再边进水边曝气,得到的颗粒污泥表面有很多丝状体结构,且沉降性能不如前者。2.3接种污泥好氧颗粒污泥反应器可采用不同接种污泥,如以普通的絮状活性污泥为接种污泥比3,’5·”〕;或以去除COD为主的悬浮、不沉降的细胞为接种污泥4j[;还有直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化培养l0[〕。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l4[〕。王芳等2z[〕研究发现,以活性污泥为接种污泥形成的好氧颗粒污泥表面光滑、轮廓清晰,具有紧密的细菌结构;而以厌氧颗粒污泥为接种污泥进行驯化形成的好氧颗粒污泥结构蓬松,污泥表面被大量丝状菌体覆盖,并且可以看出在污泥表面和内部都存在大量的空隙。2.4有机负荷污泥浓度的提高,增加了污泥碰撞接触的机会,为颗粒化的发生提供了有利的条件。研究中所采用的容积负荷一般为2.5一8掩C〔)D/(耐·d).4[’。,23〕,这个范围要明显高于正常的好氧活性污泥反应器。另有大量试验结果表明,COD负荷在一定范围内对好氧污泥颗粒化过程没有直接影响,但会影响到颗粒污泥的物理结构和形状图〕。研究证明[’,25〕,过高COD负荷容易引起丝状菌大量生长,从而阻碍污泥沉淀并导致反应器操作状态不稳定,但如果较高的COD负荷伴随着较高的水流剪切力,则可能会形成结构紧密的颗粒污泥山〕。2.5水力剪切力水力剪切力是形成好氧颗粒污泥的重要影响因素之一。Tay等3z[〕在BSR反应器中以较低的表观气速(0.008ms/)培养好氧颗粒污泥未成功,但在较高的表观气速(0.O25ms/)下却形成了形状规则的好氧颗粒污泥。另外,水力剪切力对细胞多聚物、密度和细胞表面疏水性有影响s2[,’6〕。高水力剪切力易于形成大量的胞外多聚物,形成的好氧颗粒污泥具有较高的耗氧速率和细胞表面疏水性,较高的表面疏水性可以加强细胞之间的相互作用,是污泥颗粒化主要的给水排水vol.33增刊200,37作用力。而低水力剪切力下形成的生物膜具有多孔、脆弱的结构。2.6沉降时间及沉降速度Qin等,〕在SBR反应器中以不同的沉降时间(20min、15min、10min和5min)来培养好氧颗粒污泥,发现当沉降时间为15min、10min和5min时都形成了好氧颗粒污泥,只是随着沉降时间的减少则颗粒污泥的直径变大。测定后发现,缩短沉降时间可以有效提高污泥细胞表面的疏水性、促进生成胞外多聚物。2.7污泥龄控制较短的污泥龄(SRT)有利于将沉降性能较差的絮状污泥和悬浮污泥洗出,以实现颗粒污泥的选择性培养。但是,如果SRT过短就会导致污泥的大量流失,使得出水水质变差,系统处理效果也变差。因此,在培养初期应适当缩短SRT,这样有利于形成好氧颗粒污泥,但是在培养成功后应适当提高SRI,,以免将颗粒污泥洗出而造成污泥损失。卢然超等sz[〕在研究颗粒污泥除磷效果时发现,较短的SRT(10d)更有利于形成颗粒污泥,只是短SRT(10d)条件下形成的颗粒粒径比长SRT(16d)的小。3顺粒污泥形成机理3.1自凝聚假说自凝聚现象是生物处理系统中的微生物、菌胶团、絮凝体或小块污泥在适当的条件下,相互聚集形成一种密度较大、体积较大、活性和传质条件都较好的絮凝体,在水流剪切力和选择压的作用下,絮凝体变得密实紧凑,直径逐渐增大,最终形成表面光滑边缘清晰的好氧颗粒污泥。颗粒污泥的形成,即微生物实现自身固定化的过程是微生物菌群中单个菌体表面之间相互作用的过程。微生物菌群单个菌体之间的相互碰撞主要是通过水力流态及各种扩散力的作用发生的,其中包括微生物菌体在布朗运动、自身运动、重力及沉降作用下完成的输送过程。微生物相互碰撞后,通过各种物理化学力的作用使微生物附着并固定卿〕。3.2晶核假说“晶核假说”是厌氧颗粒污泥的形成机理之一,该原理认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程。在晶核的基础上,颗粒污泥不断发育,最终形成了成熟的颗粒污泥。晶核一般来源于接种污泥或反应器运行过程中产生的无机盐沉淀(如aCC03等)或惰性有机物质。VandeHoek〔,。J认为投加钙离子会加速形成颗粒污泥的原因是钙离子为颗粒污泥提供了晶核。Hiejenn等sl[〕向BAS反应器中投加一定量的惰性载体,形成了具有去除COD和氨氮能力的好氧生物膜颗粒污泥。eBim等[’]认为,以悬浮、不沉降的细胞为接种污泥的好氧颗粒污泥的形成机理,与在气升反应器中生物膜的形成机理相似。在接种污泥后,真菌容易形成沉淀良好的菌胶团而滞留在反应器中,而沉淀性能较差的细菌则会被洗出,因此,在启动阶段反应器中活性污泥主要由真菌占主导地位的菌胶团构成。由于反应器中的水流剪切力作用,菌胶团因表面的丝状菌脱落而变得密实,菌胶团增大至直径5一6mm时,由于其内部存在氧气传质阻力而解体。解体的菌胶团作为自凝聚的内核,细菌附着在其表面而迅速沉淀,而后在此基础上形成以细菌为主的好氧颗粒污泥。3.3丝状菌假说首先丝状菌缠绕搭成框架,微生物不断沉积在框架上并繁殖生长,通过控制操作条件最终形成颗粒污泥。而从丝状菌到规则颗粒形成的过程,其形成机理还存在不同的观点。一种观点认为2j[,丝状菌形成三维框架,微生物积累于其上,由于流体剪切力、选择压等作用,使密度小、沉降性能差的絮体不断从表面洗脱,流体与颗粒之间的摩擦作用使光滑的颗粒表面得以形成。颗粒在流体的不断冲击下,作为框架的丝状菌也不断从表面被洗脱,最终形成密度大、沉降性能好的颗粒污泥。另一种观点认为闭,真菌很容易在丝状菌框架上形成小球,该小球对其他微生物起固定化载体的作用。但该小球不像规则光滑的颗粒那样具有紧凑的结构,而是比较松散。在剪切力作用下,沉降性能差的絮体从小球表面洗脱被排出反应器。而那些没有被洗脱的微生物以小球为附着点不断积累,增长繁殖。随