好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進展

好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進展

近年來，這種新型高效微生物自固化技術(shù)的特點是好氧微生物自固化技術(shù)。其獨特的顆粒結(jié)構(gòu)具有相對密度大、沉降速度快、污泥產(chǎn)率低等特點。因此，可以在器官中保持高泥漿濃度，承受高有機負荷和水質(zhì)變化的影響，從而減少或消除二沉池。國內(nèi)外學者大多在SBR類反應器中進行好氧顆粒污泥研究。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)有的好氧顆粒污泥在降解COD的同時還具有良好的脫氮除磷功能。目前關(guān)于好氧顆粒污泥的培育及穩(wěn)定性影響因素等方面開展的研究工作很多,但是對于好氧顆粒污泥脫氮功能及其影響因素的研究仍存在許多未知領域。1sbr中顆粒沉降規(guī)律好氧顆粒污泥是一種特殊形式的污泥,它是以顆粒狀存在于反應器中,由于其粒徑往往可以達到幾毫米,因此傳統(tǒng)的用來描述活性污泥沉降動力學的方程就不再適用于好氧顆粒污泥。越來越多的證據(jù)顯示,施加于污泥微生物上的選擇壓是在SBR中促成污泥顆粒化的主要原因。選擇壓包括沉降時間、體積交換率或稱排水高度(對于給定直徑的反應器,體積交換率可以換算成排水高度)、排水時間。YuLiu等將這三個主要的選擇壓因素合并成一個統(tǒng)一的參數(shù)——最小沉降速率,并在此基礎上提出了SBR中影響好氧污泥顆?；M程的模型,見圖1。模型設排水點與水面的距離為L,預設排水時間為td,沉降時間為ts,顆粒沉降速率為vs,最小沉降速率為(vs)min。vs越小,顆粒運動至排水口的時間就越長,運動時間>ts的顆粒將被排出反應器,只有沉降速率>(vs)min的顆粒才能留在反應器中。這一理論模型在實驗室得到驗證。實驗證明,(vs)min=1.0m/h是顆粒污泥開始形成的臨界點,低于1.0m/h的沉降速率是不可能培養(yǎng)出顆粒污泥的。2005年,YuLiu等推導出了公式(1),其中,dp為顆粒直徑,L為排水點與水面的距離,X為污泥濃度,α和β是常系數(shù)。公式(1)中臨界沉降速率(CST)是SVI、顆粒平均粒徑、污泥濃度的函數(shù)。公式(1)為通過調(diào)整參數(shù)(SVI、顆粒粒徑)來及時有效地選擇和調(diào)整沉降時間提供了理論指導。CST=LαSVI×eβXd2p(1)CSΤ=LαSVΙ×eβXdp2(1)當污泥粒徑足夠小時,該公式就簡化為式(2)——經(jīng)典的Vesilind方程(1968年由Vesilind提出的活性污泥沉降速率方程)。其中vs為沉降速率,v0為初始沉降速率,k為經(jīng)驗沉降參數(shù)。vs=v0e-kX(2)2好氧污泥的物理和化學性質(zhì)2.1好氧顆粒污泥成熟的好氧顆粒污泥一般為淺黃色的圓形或橢圓形顆粒,外層結(jié)構(gòu)較密實,內(nèi)層較疏松。在不同試驗條件下培養(yǎng)獲得的顆粒污泥的粒徑變化范圍較大(0.3~5.0mm),在SBR中經(jīng)濟有效的直徑為1~3mm。好氧顆粒污泥的含水率多為97%~98%,密度為1.0068~1.0072g/cm3,具有很高的沉降速率和較小的SVI值。通過CHNS/O元素分析儀和電感耦合放射光譜儀(ICP)對不同碳氮比培養(yǎng)基和不同培養(yǎng)時間所得到的好氧顆粒污泥所含的大量元素分析結(jié)果顯示,好氧顆粒污泥的主要組成元素為C、H、O、N、S、P。2.2好氧顆粒污泥和厭氧螺旋菌的群落組成及分布好氧顆粒污泥主要由細菌、絲狀真菌等微生物及其產(chǎn)生的胞外多聚物等相互嵌合構(gòu)成,其微生物菌群存在多樣性和較強的適應性。依據(jù)熒光原位雜交(FISH)、變性梯度凝膠電泳(DGGE)、實時熒光定量PCR等分子生物學技術(shù)以及傳統(tǒng)的細菌分離鑒定手段發(fā)現(xiàn),具有脫氮功能的好氧顆粒污泥中含有大量氨氧化細菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)、硝酸鹽氧化細菌、反硝化細菌等。它們大多為球菌或桿菌,在分類學上屬于真細菌,分屬假單胞菌屬(Pseudomonas)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、硝化桿菌屬(Nitrospira)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)等。在形成好氧顆粒污泥的過程中,污泥中的微生物在種群和數(shù)量上都會發(fā)生很大變化。好氧顆粒污泥中的菌群種類與接種的厭氧污泥有顯著的差異(見圖2)。從圖2可以看到,除了條帶Bac-4、8、10(這三類菌為各類污泥中普遍存在的菌)外,其余的條帶在好氧顆粒污泥和厭氧污泥中都只是單獨出現(xiàn)。系統(tǒng)達到穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累階段時,RT-PCR的結(jié)果顯示,細菌的數(shù)量從最初的6.7×1011CFU/L增長到1.2×1012CFU/L。顆粒中AOB和硝化螺旋菌也分別從接種時的8.7×109CFU/L和1.7×1010CFU/L增長到2.4×1010CFU/L和2.1×1010CFU/L,分別占細菌總數(shù)的2.1%~2.4%和0.8%~1.2%。隨著反應器的氨氮負荷逐漸提高,顆粒污泥中AOB的相對含量逐漸升高,當氨氮負荷分別為0、0.4、1、2.2kgNH+4-N/(m3·d),亞硝化率分別為0%、35%、50%、99%時,污泥中AOB在細菌總量中所占比例分別為0.45%、5.20%、15.37%和48.55%。這些結(jié)果顯示,好氧顆粒污泥有能力選擇特定的微生物種類。顆粒污泥中各種功能菌的數(shù)量和分布也具有一定的規(guī)律。在B.Sinha等所培養(yǎng)的具有短程硝化功能的好氧顆粒污泥中,整個顆粒的70%都是球狀和短桿狀的AOB、NOB,從以Nso1225(AOB)和Ntspa665(NOB)作為探針的FISH結(jié)果中也可以看到,顆粒中含有48%~53%的AOB和6%~8%的NOB。AOB主要分布在顆粒污泥表層,NOB則多分布在內(nèi)層,顆粒內(nèi)核還存在一定量的無活性細胞。當系統(tǒng)的污泥停留時間(SRT)足夠長時,一些生長周期較長的菌株就可以保留下來,例如反硝化聚磷菌(DPB)和糖原聚集細菌(GAOs或G細菌)。DPB在厭氧/缺氧交替環(huán)境中,通過自身代謝作用可同時完成過量吸磷和反硝化而達到除磷脫氮雙重目的。楊國靖等培育出的具有好氧反硝化功能的好氧顆粒污泥在對污水進行一個周期的處理過程中,對氮、磷的去除率可分別達到89.2%~98.9%和86.8%~90.0%。Cech等首次發(fā)現(xiàn)同DPB一樣能累積PHAs和糖原的GAOs。Zeng進一步發(fā)現(xiàn),與聚磷菌類似,聚糖菌也具有反硝化能力。楊景峰等也成功培育出具有較強同步硝化反硝化能力的聚糖菌顆粒污泥。聚糖菌顆粒污泥在同步硝化反硝化過程中,在厭氧階段反硝化聚糖菌以糖原酵解作為能量及還原力來源,吸收有機物并以PHAs(主要是PHB)形式儲存;進入好氧階段,在顆粒污泥外層亞硝化菌、硝化菌進行硝化,在顆粒污泥內(nèi)部缺氧區(qū)反硝化聚糖菌以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體,胞內(nèi)PHAs進行缺氧代謝,一方面提供能量用于菌體生長,另一方面合成糖原。3好氧污泥氮去除過程中的影響因素3.1泥的顆粒結(jié)構(gòu)氧在顆粒中的傳輸和分布主要由充氧濃度、顆粒直徑和機械攪拌力決定。好氧顆粒污泥具有的顆粒結(jié)構(gòu)使氧在傳遞中遇到傳質(zhì)阻力,顆粒內(nèi)部形成厭氧區(qū),而在同等粒徑的顆粒中DO濃度越高、攪拌越充分,厭氧區(qū)就越小,反之則越大。在DO濃度較高的情況下,厭氧區(qū)域的減少影響到微生物的反硝化反應,同樣也影響到對氮的去除。透深度及硝化作用氧的傳輸與分布對好氧顆粒污泥脫氮能力的影響可以用微環(huán)境理論加以解釋。DO濃度和擴散阻力共同決定著氧在顆粒中的滲透深度,從而在顆粒中產(chǎn)生DO梯度,顆粒外表面DO較高,硝化菌集中分布于此,顆粒內(nèi)部由于氧傳遞受阻和在透過外層時的大量消耗而產(chǎn)生缺氧環(huán)境,反硝化菌占優(yōu)勢。只有當顆粒中的硝化和反硝化作用合理耦聯(lián),硝化產(chǎn)物能夠為反硝化提供適量的底物時,整個脫氮過程才能高效進行。因此,控制DO濃度,對于顆粒污泥形成高效的同步硝化反硝化脫氮作用至關(guān)重要。好氧菌硝化反應速率的影響反應器在較短時間的單次循環(huán)運行中存在一個較低的氧濃度值可以使脫氮達到最好效果。阮文權(quán)等在不同的DO濃度(1、2、3、4mg/L)下進行試驗,發(fā)現(xiàn)隨DO濃度的提高,對氮的去除率逐漸升高;當DO為3mg/L時,氮去除率最高(達到87%);但當DO為4mg/L時,氮去除率下降。張礪彥認為較高的DO(3.0mg/L)使硝化反應速率提高,但容易導致反應過程中NO-2和NO-3的積累。在較低DO(1.5mg/L和0.5mg/L)情況下,硝化產(chǎn)物很快被反硝化反應所利用,中間產(chǎn)物NO-2和NO-3積累較少。合適的DO不僅是達到高效同步硝化反硝化的重要因素,而且對硝化和反硝化過程中溫室氣體(N2O)的釋放也有很大影響。高DO容易產(chǎn)生更多的N2O。當DO<2mg/L時,N2O產(chǎn)生量僅約為2mg/L;當DO為3mg/L和4mg/L時,N2O的產(chǎn)生量分別達到了16mg/L和33mg/L。在試驗條件下,宜控制DO為1~2mg/L。反應器在氧濃度較低(氧飽和度為40%)條件下的長期運行試驗卻得出了不同的結(jié)果。反應器運行20d后,顆粒開始解體,粒徑變小,形狀也變得不規(guī)則。由于顆粒結(jié)構(gòu)的改變,氧可以滲透至顆粒內(nèi)部更大的范圍,使好氧菌的硝化功能得到加強,但反硝化功能下降至氧飽和度為100%時的同一水平,顆粒污泥脫氮效果開始下降。因此,Mosquera-CorralA和PengDC認為在低溶氧條件下長期運行的脫氮效果主要受到顆粒結(jié)構(gòu)的影響。預處理生物顆粒污泥脫氮效果好氧顆粒污泥的粒徑大小對于其脫氮也有重要影響,粒徑過大或過小都是不利的。較小的顆粒有較大的比表面積,氧就可以滲透到更深的區(qū)域,為氨的氧化提供充足的好氧區(qū)。然而,一旦所有的氨被從系統(tǒng)中移除,氧就會擴散進整個顆粒,阻止反硝化反應的進行。因此,在相同的氧濃度下,較小顆粒污泥的脫氮效果相對較差。當粒徑較大時,顆粒污泥的脫氮效果也會下降,此時顆粒的比表面積成為氧滲透的限制因素,進而影響到整個氨氮的轉(zhuǎn)化過程。在SBAR和SBBC反應器中,氧飽和度為20%,好氧顆粒污泥的粒徑為1.25~1.75mm時,反應器的氨氮去除率可以達到100%。M.K.deKreuk對污泥顆粒的粒徑與脫氮效果的關(guān)系進行了計算機仿真,結(jié)果和上述試驗是一致的,在SBR標準操作條件下,好氧顆粒污泥脫氮的最佳粒徑范圍為1.2~1.4mm。低溶氧基質(zhì)維持顆粒穩(wěn)定機理低溶解氧條件不利于顆粒的形成和穩(wěn)定,暫時的溶氧降低有利于脫氮,但是長期下去又將導致好氧顆粒污泥的解體,使反應器不能維持良好的脫氮效果,這是目前亟待解決的一個棘手問題。基于生物膜微生物形態(tài)學的理論概念中所提出的假設,在SBR的“飽食期”30%~70%的基質(zhì)被儲存起來,隨后的“饑餓期”中細菌利用儲存的聚合物來維持生長,生長率大幅度下降。結(jié)果,“饑餓期”的低溶氧水平對于顆粒的穩(wěn)定不會起負面作用。同樣根據(jù)此理論,若希望通過選擇最大生長率低的微生物來加強顆粒的穩(wěn)定性,就可以通過在缺氧期添加基質(zhì)用來儲存而不是生長來實現(xiàn)。實踐證明,通過此方法確實可以在低溶氧條件下維持顆粒的穩(wěn)定。有趣的是,這種在厭氧期添加基質(zhì)的辦法將氮和磷的去除有機地結(jié)合起來。3.2有機物代謝載體好氧顆粒污泥中硝化細菌多為化能自養(yǎng)型微生物,反硝化細菌則多為化能異養(yǎng)型微生物。前者生長緩慢,代謝受到一定濃度有機物的抑制,而后者生長較快,需要有機物作為代謝的電子供體。廢水中適量的有機物可以滿足異養(yǎng)型好氧微生物生長的需要,為反硝化菌提供代謝所需的碳源,但是當有機物濃度過高,C/N過大,又會抑制好氧區(qū)內(nèi)自養(yǎng)型硝化細菌的代謝活性,從而影響硝化反應,最終導致氨氮去除率下降。負荷變化時系統(tǒng)的氮的去除率隨負荷的變化情況有機物濃度過高或過低對脫氮都有不良影響。M.K.deKreuk等發(fā)現(xiàn)當顆粒污泥負荷為0.8~1.9kgCOD/(m3·d)時,系統(tǒng)對氮的去除率隨負荷的增大略有增加,在負荷為1.9kgCOD/(m3·d)時達到最大值,負荷繼續(xù)增大時系統(tǒng)的氨氮去除率卻急劇下降。作者分析,在低污泥負荷下氨被迅速氧化為硝酸鹽,隨著氨氧化的結(jié)束,氧攝取率也會下降,使顆粒中的好氧區(qū)增大,阻止了接下來的反硝化進程。當污泥負荷>1.9kgCOD/(m3·d)時,氨氧化菌群的活性過低,氨氮氧化速率大幅度下降,導致整體氨氮去除率下降。好氧顆粒污泥脫氮的工藝措施高N/COD條件是選擇硝化菌群的有利條件。Shu-FangYang等以(SOUR)NH4與(SOUR)NO2之和作為氨氧化和亞硝酸鹽氧化菌的數(shù)量指標,發(fā)現(xiàn)隨著N/COD從0.05增大到0.3,氨氧化和亞硝酸鹽氧化細菌的數(shù)量隨之增大,但異養(yǎng)菌的數(shù)量卻隨之減少。在高N/COD的情況下,硝化菌的數(shù)量遠遠超過異養(yǎng)菌的數(shù)量,成為好氧顆粒污泥中的主要菌群。高TOC/N是好氧顆粒污泥脫氮的有利條件。王景峰等培育出富含聚糖菌的好氧顆粒污泥,在TOC/N分別為5.0、4.0、2.8時,周期總氮去除率分別為66.0%、61.2%及56.3%。謝珊、李小明等研究了碳氮比對于脫氮速率的影響,并提出將曝氣過程劃分為曝氣初期和曝氣中后期兩階段,這與Beun提出的碳源消耗的“富足階段”和“缺乏階段”實質(zhì)上是相同的。Buitron在研究降解時間和SBR循環(huán)的內(nèi)在關(guān)系時發(fā)現(xiàn)曝氣的后4/5時間段為內(nèi)源碳降解階段。碳源在去除氨氮過程中所起的重要作用決定了將整個曝氣過程劃分為2個階段,再分別計算不同階段的氨氮去除速率是合理的,試驗數(shù)據(jù)也進一步證實了這一假設。在曝氣開始階段,碳氮比越大,氨氮去除速率越快,并且碳氮比對總無機氮的去除影響較大,當碳氮比由6增大到14時,總無機氮去除率由40.3%上升到74.5%。總無機氮的去除主要發(fā)生在曝氣階段的前20~30min,也即曝氣初期。在曝氣中后期,氨氮去除速率減慢,總無機氮濃度的下降幅度明顯減緩。這是由于在曝氣初期外界碳源比較充足,氨氮去除速率受自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)硝化兩種作用的影響;曝氣中后期碳源已基本耗盡,此時氨氮去除速率僅僅由自養(yǎng)硝化過程決定。3.3好氧顆粒污泥脫氮處理的ph值對nh+4-n的影響pH對好氧顆粒污泥同步硝化反硝化過程有較大影響。低pH條件無法為硝化和亞硝化反應提供充分的堿度,使硝化細菌和亞硝化細菌的活性受到強烈抑制。反硝化過程產(chǎn)生堿度,高pH會對反硝化作用產(chǎn)生抑制。由于硝化和亞硝化過程需要消耗堿度,反硝化過程增加堿度,所以只有好氧顆粒污泥中的硝化細菌和反硝化細菌適宜的pH條件達到統(tǒng)一,系統(tǒng)脫氮性能才能得到最優(yōu)化。張志等研究了在6種pH條件下(pH值分別為6.0、7.0、7.6、8.0、8.4、9.0)好氧顆粒污泥的脫氮情況。在pH值為8~9的范圍內(nèi)對NH+4-N有較好的去除效果,好氧顆粒污泥中硝化細菌和反硝化細菌適宜的pH條件達到統(tǒng)一,系統(tǒng)脫氮性能得到最優(yōu)化。與傳統(tǒng)硝化和反硝化的最佳pH條件相比,好氧顆粒污泥更適合偏堿性的環(huán)境。3.4其他影響因素好氧顆粒污泥的硝化反應控制溫度關(guān)于溫度對好氧顆粒污泥脫氮的影響,文獻報道較少。每種微生物的生長繁殖都有一個適宜的溫度范圍,通過控制一定的溫度,可使功能菌株大量繁殖,從而抑制其他菌種的活性。在SND工藝中,控制溫度在(31±0.5)℃,可使亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌,同時抑制硝酸菌的活性,將硝化反應控制在生成NO-2階段,實現(xiàn)短程硝化。M.K.deKreuk等認為,溫度對于好氧顆粒污泥硝化功能的影響不如對普通活性污泥的影響大。低溫下由于顆粒污泥外層微生物的活性降低,氧滲透的深度相應增加,結(jié)果會形成更大的好氧區(qū),使顆粒的生物量有所增加,部分彌補了微生物活性的降低,但是脫氮功能仍然會有所下降。當溫度從20℃降低到15℃和8℃時,系統(tǒng)的總氮去除率從64%降為53%和35%。好氧顆粒污泥接種污泥作為系統(tǒng)啟動時微生物菌群的提供者,對好氧顆粒污泥的發(fā)育過程及顆粒性狀有一定的影響。當顆粒發(fā)育成熟后,接種污泥對其脫氮性能有何影響,研究者們則各執(zhí)一詞。王芳等認為以活性污泥為接種源比以厭氧顆粒污泥為接種源形成的好氧顆粒污泥具