好氧顆粒污泥培養(yǎng)

1、AR-ngwtt-c1好氧顆粒污泥好氧顆粒污泥新一代的污水生物處理技術(shù)新一代的污水生物處理技術(shù)Director, Institute of Environmental Science and EngineeringHead, Div of Environmental and Water Resources EngineeringSchool of Civil and Environmental EngineeringNanyang Technological UniversitySingaporeAR-ngwtt-c2厭氧顆粒污泥厭氧顆粒污泥生物顆粒污泥技術(shù)生物顆粒污泥技術(shù)好氧顆粒污泥好氧顆粒

2、污泥從上世紀(jì)80年代初開始發(fā)展從上世紀(jì)90年代末開始發(fā)展AR-ngwtt-c3 較長的啟動周期：其形成約需3到8個(gè)月 較高的操作環(huán)境溫度 不適應(yīng)處理低濃度污水 去除營養(yǎng)物質(zhì)（氮和磷）污染效果不理想AR-ngwtt-c4為什么要研究好氧顆粒污泥為什么要研究好氧顆粒污泥? ?好氧細(xì)菌的特點(diǎn)：好氧細(xì)菌的特點(diǎn)： . 生長迅速生長迅速 . 與厭氧菌比較，生長環(huán)境溫度要求相對寬松與厭氧菌比較，生長環(huán)境溫度要求相對寬松 . 在有機(jī)物濃度較低時(shí)也能生存在有機(jī)物濃度較低時(shí)也能生存 好氧顆粒污泥不僅具有厭氧顆粒污泥的優(yōu)點(diǎn)，還避免了后者因自身厭氧菌組分所固有的缺陷。AR-ngwtt-c5什么是好氧顆粒污泥什么是好氧

3、顆粒污泥? ?在好氧環(huán)境條件下，微生物通過自固定過程，最終形成結(jié)構(gòu)緊湊、外形規(guī)則的密集生物聚合體。AR-ngwtt-c6好氧顆粒污泥的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用好氧顆粒污泥的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用v 相對結(jié)實(shí)的微觀結(jié)構(gòu) v 優(yōu)良的沉淀性能 v 較高濃度的污泥截留v 混合、多樣的微生物種群 較好的泥水分離 較高的生物反應(yīng)器單位體積處理能力 可以承受較高濃度的沖擊負(fù)荷 減少對二沉池的體積要求 同時(shí)去除有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì) 對高濃度有毒廢水的獨(dú)特適應(yīng)和處理能力AR-ngwtt-c7絮體和顆粒的比較 顆粒具有準(zhǔn)球形的外觀和緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 絮體具有不規(guī)則外形和松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AR-ngwtt-c8aAR-ngwtt-c9好氧顆粒污泥的形

4、成好氧顆粒污泥的形成 AR-ngwtt-c10好氧顆?；呛醚躅w?；墙臃N污泥接種污泥 結(jié)構(gòu)緊湊的聚合體結(jié)構(gòu)緊湊的聚合體 顆粒狀的污泥顆粒狀的污泥 成熟的顆粒污泥成熟的顆粒污泥一個(gè)逐漸的演化過程一個(gè)逐漸的演化過程: :AR-ngwtt-c11光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果接種污泥的物理外觀及形態(tài)電子掃描顯微鏡觀察結(jié)果AR-ngwtt-c12 1星期后BCD2星期后3星期后種泥AR-ngwtt-c130369121501020304050Operation time (days)MLSS concentration (g/L)0.00.51.01.52.001020304050Operation time

5、(days)Size (mm)050100150200250300350SVI (mL/g)顆粒尺寸顆粒尺寸污泥體積指數(shù)污泥體積指數(shù)污泥尺寸在三周內(nèi)從 0.1 mm 增長到 1.7 mm 污泥沉淀性能顯著改善，以污泥體積指數(shù)（SVI）來表示從 200 降到 35 mL/g顆?；^程后污泥量濃度增加到 15 g/L一個(gè)典型的顆?；^程 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥AR-ngwtt-c15中試反應(yīng)器中形成的穩(wěn)定好氧顆粒污泥反應(yīng)器直徑: 20 cm 工作體積: 40 LAR-ngwtt-c16好氧顆粒污泥的特性好氧顆粒污泥的特性AR-ngwtt-c17好氧顆粒污泥和傳統(tǒng)活性污泥性質(zhì)的比較好氧

6、顆粒污泥和傳統(tǒng)活性污泥性質(zhì)的比較葡萄糖培養(yǎng)的顆粒污泥活性污泥平均直徑 (mm)2.40.710.15污泥體積指數(shù) (mL/g） 51-85150-250沉降速度 (m/h) 358.510反應(yīng)器中的污泥濃度 (g/L)8.0-15.03.0-5.0密度 (g/L)41.16.9顆粒污泥強(qiáng)度 (%)980.9較弱近圓率 (aspect ratio)0.790.06外形不規(guī)則疏水性 (%)68.03.9耗氧率 (SOUR, mgO2/g/hr） 69.48.8100COD去除率 (%)96.61.690%AR-ngwtt-c18污泥絮體和不同尺寸顆粒污泥的外形 (標(biāo)尺長度: 5 mm)A: 污泥絮

7、體污泥絮體 ( 0.15 mm)B: 顆粒污泥顆粒污泥 (0.15-0.5 mm)C: 顆粒污泥顆粒污泥 (0.5-1.0 mm)D: 顆粒污泥顆粒污泥 (1.0-2.0 mm)E: 顆粒污泥顆粒污泥 (2.0-2.8 mm)尺寸大小分類尺寸大小分類( (直徑直徑, , mm) )平均直徑平均直徑(mm)近圓率近圓率 (aspect ratio)(aspect ratio)圓滿度圓滿度 (roundness)(roundness)% 污泥有機(jī)成分污泥有機(jī)成分污泥體積指數(shù)污泥體積指數(shù)( (mL/g)2.02.540.82 ( 0.13)0.70 ( 0.15)74.1 ( 2.2)40.4 (

8、5.2)AR-ngwtt-c19好氧顆粒污泥的微生物特性好氧顆粒污泥的微生物特性AR-ngwtt-c20表面微觀結(jié)構(gòu)表面微觀結(jié)構(gòu)葡萄糖培養(yǎng)的好氧顆粒污泥：絲狀菌占主導(dǎo)成分醋酸根培養(yǎng)的好氧顆粒污泥：桿菌占主導(dǎo)成分AR-ngwtt-c21顆粒中的通道及孔狀結(jié)構(gòu)可由共焦激光掃描顯微鏡 (CLSM) 觀察到：圖中顆粒污泥直徑為0.55 mm，在顆粒表面下250 m處明顯存在一多微孔層。顆粒邊緣顆粒邊緣顆粒中心顆粒中心通道及孔狀結(jié)構(gòu)通道及孔狀結(jié)構(gòu)AR-ngwtt-c22微生物細(xì)胞和厭氧菌（Bacteroides）的雜交測試熒光分布圖曲線1 1：以雜交探針Eub338Eub338的熒光密度表示的微生物細(xì)胞

9、在顆粒污泥中的分布曲線2 2：以雜交探針Bacto1080的熒光密度表示的顆粒污泥中厭氧細(xì)菌層，厭氧菌（Bacteroides spp.）存在在顆粒污泥表面下800um處厭氧菌的存在厭氧菌的存在AR-ngwtt-c23好氧顆粒污泥中的好氧顆粒污泥中的微生物分布微生物分布AR-ngwtt-c24活細(xì)胞（綠色）和死細(xì)胞（紅色）在不同尺寸顆粒污泥橫切面上的分布Y軸:平均密度，以單位象素的熒光亮度表示。 X軸:細(xì)胞在顆粒污泥中的位置，以離開顆粒表面的距離來代表。尺寸小于1mm的顆粒中，活細(xì)胞分布均勻。較大顆粒中，活細(xì)胞主要分布在從表面開始600 m左右厚的范圍內(nèi)。 顆粒邊緣Size 1mmSize 1

10、-2mmSize 2-3mmAR-ngwtt-c25用共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察到的活、死細(xì)胞在顆粒中的分布 活細(xì)胞主要分布在顆粒外圍地區(qū)，而死細(xì)胞主要分布在顆粒內(nèi)部。圖中：代表活細(xì)胞的綠色熒光，由 Syto9染料染色代表死細(xì)胞的紅色熒光 ，由propidium iodide染料染色AR-ngwtt-c26影響好氧顆粒污泥形成的一些因素影響好氧顆粒污泥形成的一些因素 AR-ngwtt-c27 底物組成底物組成: : 對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性影響不敏感對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性影響不敏感 有機(jī)負(fù)荷率有機(jī)負(fù)荷率: : 對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性影響不敏感對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性影響不敏感 水力

11、剪切力水力剪切力: : 較高的剪切力有利于具有緊湊結(jié)構(gòu)的顆粒形成較高的剪切力有利于具有緊湊結(jié)構(gòu)的顆粒形成 沉降時(shí)間沉降時(shí)間: : 較短的沉降時(shí)間有利于顆粒形成較短的沉降時(shí)間有利于顆粒形成 泥齡泥齡：維持系統(tǒng)一定維持系統(tǒng)一定泥齡泥齡(MCRT)對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性非常關(guān)鍵對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性非常關(guān)鍵 水力停留時(shí)間水力停留時(shí)間: : 應(yīng)選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃νＡ魰r(shí)間應(yīng)選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃νＡ魰r(shí)間（HRT） 好氧營養(yǎng)匱乏好氧營養(yǎng)匱乏: : 每個(gè)周期內(nèi)在一定時(shí)段的營養(yǎng)匱乏期有利于顆粒的形成和穩(wěn)定每個(gè)周期內(nèi)在一定時(shí)段的營養(yǎng)匱乏期有利于顆粒的形成和穩(wěn)定 陽離子陽離子: : 具有正面效應(yīng)具有正面效應(yīng) 加料

12、加料: : 周期性周期性沖擊式?jīng)_擊式加料有利于具有緊湊厚實(shí)結(jié)構(gòu)的顆粒形成加料有利于具有緊湊厚實(shí)結(jié)構(gòu)的顆粒形成 反應(yīng)器形狀反應(yīng)器形狀: : 具有較大高度具有較大高度/ /直徑比值直徑比值（H/D）的柱狀反應(yīng)器有利于顆粒形成的柱狀反應(yīng)器有利于顆粒形成AR-ngwtt-c28葡萄糖醋酸根苯酚含磷化合物氨氮化合物不同底物培養(yǎng)的好氧顆粒污泥不同底物培養(yǎng)的好氧顆粒污泥AR-ngwtt-c291.5 g/L/d (500 mg COD/L)9.0 g/L/d (3000 mg COD/L)3.0 g/L/d (1000 mg COD/L)6.0 g/L/d (2000 mg COD/L)在不同有機(jī)負(fù)荷率下形

13、成的好氧顆粒污泥在不同有機(jī)負(fù)荷率下形成的好氧顆粒污泥AR-ngwtt-c30050100150200250300051015202530Operation time (days)SVI (mL /g): 0.3 cm/s O : 1.2 cm/s : 2.4 cm/s : 3.6 cm/s 00.10.20.30.40.5051015202530Operation time (days)Size (mm)不同表面上升氣流速度下污泥尺寸和污泥體積指數(shù)（SVI）隨時(shí)間的演化。顆粒污泥只能在相當(dāng)于表面上升氣流速度大于0.3 cm/s時(shí)的剪切力下形成，并在相當(dāng)于表面上升氣流速度大于1.2 cm/s時(shí)的

14、剪切力作用下維持穩(wěn)定。在不同水力剪切力下形成的好氧顆粒污泥在不同水力剪切力下形成的好氧顆粒污泥圖中表面上升氣流速度：沒有顆粒的形成！AR-ngwtt-c310.3 cm/s 上升氣流速度2.4 cm/s 上升氣流速度 3.6 cm/s 上升氣流速度1.2 cm/s 上升氣流速度不同剪切力作用下形成的不同剪切力作用下形成的好氧顆粒污泥的外部形態(tài)好氧顆粒污泥的外部形態(tài)AR-ngwtt-c325天泥齡20天泥齡 30天泥齡10天泥齡不同不同控制泥齡控制泥齡下形成的下形成的好氧顆粒污泥的外部形態(tài)好氧顆粒污泥的外部形態(tài)AR-ngwtt-c33好氧顆粒污泥的儲存好氧顆粒污泥的儲存AR-ngwtt-c340

15、204060800306090120150Storage time (days)SOUR (mg/g.h)葡萄糖培養(yǎng)的顆粒污泥醋酸根培養(yǎng)的顆粒污泥顆粒污泥能被儲存數(shù)月而無結(jié)構(gòu)分解現(xiàn)象發(fā)生。開始曝氣，加入營養(yǎng)后儲存的顆粒污泥的生物活性很容易被恢復(fù)。使用的接種顆粒污泥性質(zhì): 平均直徑: 1.28 mm污泥體積指數(shù): 28 mL/g耗氧率:13.4 mgO2/g/h有機(jī)成分含量: 51.2%儲存時(shí)間: 3個(gè)月由儲存的顆粒污泥由儲存的顆粒污泥接種并接種并啟動生物反應(yīng)器啟動生物反應(yīng)器反應(yīng)器啟動(1)好氧顆粒污泥使用量2.0 L，相當(dāng)于反應(yīng)器工作體積的5.9%(2)實(shí)現(xiàn)啟動生物污泥濃度為1.03 g/L接

16、種污泥(經(jīng)過3個(gè)月的儲存)接種并在反應(yīng)器中運(yùn)行一天后94.538.713.4020406080100Microbial activity (mgO 2/g/h)Seed sludge 1 day after startup 2 day after startup接種顆粒和曝氣一天后顆粒的觀察比較以耗氧率表示的接種污泥在反應(yīng)器中運(yùn)行后其活性的變化050100150200051015202530Time (days)SOUR (mg/g/h)儲存的顆粒能在接種并運(yùn)行3天后完全恢復(fù)到儲存前的活性AR-ngwtt-c39好氧顆粒污泥的形成機(jī)理好氧顆粒污泥的形成機(jī)理 AR-ngwtt-c40細(xì)胞自固定過

17、程中的四個(gè)步驟細(xì)胞自固定過程中的四個(gè)步驟步驟步驟 1: : 細(xì)菌之間通過物理運(yùn)動相互接觸細(xì)菌之間通過物理運(yùn)動相互接觸. . 促進(jìn)這一反應(yīng)的動力包括促進(jìn)這一反應(yīng)的動力包括: :流體動力物質(zhì)擴(kuò)散力重力沉降熱力學(xué)動力, 如布朗運(yùn)動細(xì)胞的自我活動步驟步驟 2: : 細(xì)胞間相互接觸及穩(wěn)定過程細(xì)胞間相互接觸及穩(wěn)定過程. . 促使細(xì)胞相互吸引的動力包括促使細(xì)胞相互吸引的動力包括: :物理吸引力物理吸引力: : 范德華力異性電荷吸引力熱動力，包括表面自由能表面張力疏水性絲狀細(xì)菌的搭橋效應(yīng)AR-ngwtt-c41化學(xué)及生化吸引力化學(xué)及生化吸引力: : 細(xì)胞表面脫水細(xì)胞膜粘連細(xì)胞間信息傳遞及收集細(xì)胞分泌產(chǎn)生胞外聚

18、合物, 比如胞外多聚糖等分泌物細(xì)胞群的生長新陳代謝變化和由環(huán)境誘發(fā)的基因變化，這些變化促進(jìn)了細(xì)胞之間的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致具有高度組織性的微生物結(jié)構(gòu)形成 步驟步驟 3 3: : 生物聚合體的成熟，生物聚合體的成熟，促進(jìn)這一過程的作用包括：促進(jìn)這一過程的作用包括：步驟步驟 4: : 在流體剪切力作用下，最終形成穩(wěn)定的具有三維微觀結(jié)構(gòu)的在流體剪切力作用下，最終形成穩(wěn)定的具有三維微觀結(jié)構(gòu)的顆粒污泥系統(tǒng)顆粒污泥系統(tǒng)AR-ngwtt-c42在顆粒污泥內(nèi)的細(xì)胞周圍觀察到的胞外多聚糖 細(xì)胞表面疏水性細(xì)胞表面疏水性: :可能在誘發(fā)細(xì)胞間的粘結(jié)扮演一個(gè)關(guān)鍵的角色 胞外多聚糖胞外多聚糖: :可能對幫助維持顆粒污泥結(jié)

19、構(gòu)的完整性比較重要 選擇壓力選擇壓力: :有利于形成并保持結(jié)構(gòu)緊湊且具有較好沉降性能的顆粒污泥好氧顆粒污泥的應(yīng)用好氧顆粒污泥的應(yīng)用 AR-ngwtt-c44 高濃度有機(jī)廢水的處理高濃度有機(jī)廢水的處理 毒性廢水的處理毒性廢水的處理 有機(jī)和營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)去除有機(jī)和營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)去除 對重金屬離子的生物吸附對重金屬離子的生物吸附 基因轉(zhuǎn)換形成的專效高能細(xì)菌的固定基因轉(zhuǎn)換形成的專效高能細(xì)菌的固定AR-ngwtt-c45高濃度有機(jī)廢水的處理高濃度有機(jī)廢水的處理好氧顆粒污泥好氧顆粒污泥較高的污泥截留較高的污泥截留高濃度有機(jī)廢水的處理高濃度有機(jī)廢水的處理耐受較高的沖擊負(fù)荷耐受較高的沖擊負(fù)荷 AR-ngwtt-c46葡萄糖培養(yǎng)的顆粒污泥醋酸根培養(yǎng)的顆粒污泥OLR (kg COD/m3/d)OLR (kg COD/m3/d)6.09.012.015.06.09.0平均直徑 (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)近圓率 (aspect ratio)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(1