水污染控制課件第四專題顆粒污泥

好氧顆粒污泥新一代的污水生物處理技術(shù)1厭氧顆粒污泥生物顆粒污泥技術(shù)好氧顆粒污泥從上世紀(jì)80年代初開始發(fā)展從上世紀(jì)90年代末開始發(fā)展2較長的啟動(dòng)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?yún)捬躅w粒污泥的主要缺陷3為什么要研究好氧顆粒污泥?好氧細(xì)菌的特點(diǎn)：

生長迅速與厭氧菌比較，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

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。4什么是好氧顆粒污泥?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。5好氧顆粒污泥的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

相對結(jié)實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)

優(yōu)良的沉淀性能

較高濃度的污泥截留

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6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)7a8好氧顆粒污泥的形成

9好氧顆?；墙臃N污泥

結(jié)構(gòu)緊湊的聚合體

顆粒狀的污泥

成熟的顆粒污泥一個(gè)逐漸的演化過程:10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11

1星期后BCD2星期后3星期后種泥12顆粒尺寸污泥體積指數(shù)污泥尺寸在三周內(nèi)從0.1mm增長到1.7mm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35mL/g顆粒化過程后污泥量濃度增加到15g/L一個(gè)典型的顆?；^程

13實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥14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:20cm工作體積:40L15好氧顆粒污泥的特性16好氧顆粒污泥和傳統(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)2.4±0.710.15污泥體積指數(shù)(mL/g）

51-85150-250沉降速度

(m/h)

35±8.5<10反應(yīng)器中的污泥濃度

(g/L)8.0-15.03.0-5.0密度

(g/L)41.1±6.9~顆粒污泥強(qiáng)度

(%)98±0.9較弱近圓率

(aspectratio)0.79±0.06外形不規(guī)則疏水性

(%)68.0±3.9~耗氧率(SOUR,mgO2/g/hr）

69.4±8.8100COD去除率(%)96.6±1.690%17污泥絮體和不同尺寸顆粒污泥的外形

(標(biāo)尺長度:5mm)A:污泥絮體

(<0.15mm)B:顆粒污泥

(0.15-0.5mm)C:顆粒污泥

(0.5-1.0mm)D:顆粒污泥

(1.0-2.0mm)E:顆粒污泥

(2.0-2.8mm)尺寸大小分類(直徑,mm)平均直徑(mm)近圓率(aspectratio)圓滿度(roundness)%

污泥有機(jī)成分污泥體積指數(shù)(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好氧顆粒污泥的微生物特性19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20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0.55mm，在顆粒表面下250

m處明顯存在一多微孔層。顆粒邊緣顆粒中心通道及孔狀結(jié)構(gòu)21微生物細(xì)胞和厭氧菌（Bacteroides）的雜交測試熒光分布圖曲線1：以雜交探針Eub338的熒光密度表示的微生物細(xì)胞在顆粒污泥中的分布曲線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（Bacteroidesspp.）存在在顆粒污泥表面下800um處厭氧菌的存在22好氧顆粒污泥中的微生物分布23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<1mmSize1-2mmSize2-3mm24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propidiumiodide染料染色25影響好氧顆粒污泥形成的一些因素

26底物組成:

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:

對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性影響不敏感水力剪切力:

較高的剪切力有利于具有緊湊結(jié)構(gòu)的顆粒形成沉降時(shí)間:

較短的沉降時(shí)間有利于顆粒形成泥齡：維持系統(tǒng)一定泥齡(MCRT)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:

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:

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:

具有正面效應(yīng)加料:

周期性‘沖擊式’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:

具有較大高度/直徑比值（H/D）的柱狀反應(yīng)器有利于顆粒形成27葡萄糖醋酸根苯酚含磷化合物氨氮化合物不同底物培養(yǎng)的好氧顆粒污泥281.5g/L/d(500mgCOD/L)9.0g/L/d(3000mgCOD/L)3.0g/L/d(1000mgCOD/L)6.0g/L/d(2000mgCOD/L)在不同有機(jī)負(fù)荷率下形成的好氧顆粒污泥290.3cm/s

上升氣流速度2.4cm/s

上升氣流速度3.6cm/s

上升氣流速度1.2cm/s

上升氣流速度不同剪切力作用下形成的好氧顆粒污泥的外部形態(tài)305天泥齡20天泥齡30天泥齡10天泥齡不同控制泥齡下形成的好氧顆粒污泥的外部形態(tài)31好氧顆粒污泥的儲存32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)。33使用的接種顆粒污泥性質(zhì):

平均直徑:1.28mm污泥體積指數(shù):28mL/g耗氧率:

13.4mgO2/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接種并啟動(dòng)生物反應(yīng)器34反應(yīng)器啟動(dòng)好氧顆粒污泥使用量2.0L，相當(dāng)于反應(yīng)器工作體積的5.9%(2)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)生物污泥濃度為1.03g/L35接種污泥(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36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37好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

38細(xì)胞自固定過程中的四個(gè)步驟步驟1:

細(xì)菌之間通過物理運(yùn)動(dòng)相互接觸.促進(jìn)這一反應(yīng)的動(dòng)力包括:流體動(dòng)力物質(zhì)擴(kuò)散力重力沉降熱力學(xué)動(dòng)力,如布朗運(yùn)動(dòng)細(xì)胞的自我活動(dòng)39步驟2: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(dòng)力包括:物理吸引力:

范德華力異性電荷吸引力熱動(dòng)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)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40細(xì)胞分泌產(chǎn)生胞外聚合物,比如胞外多聚糖等分泌物步驟3:生物聚合體的成熟，促進(jìn)這一過程的作用包括：胞外多聚糖可能對幫助維持顆粒污泥結(jié)構(gòu)的完整性比較重要細(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

41在顆粒污泥內(nèi)的細(xì)胞周圍觀察到的胞外多聚糖42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)的顆粒污泥系統(tǒng)43好氧顆粒污泥的應(yīng)用44高濃度有機(jī)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45高濃度有機(jī)廢水的處理好氧顆粒污泥較高的污泥截留高濃度有機(jī)廢水的處理耐受較高的沖擊負(fù)荷46葡萄糖培養(yǎng)的顆粒污泥醋酸根培養(yǎng)的顆粒污泥OLR(kgCOD/m3/d)OLR(kgCOD/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

(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)污泥體積指數(shù)(mL/g）106(±38)85(±15)74(±8)31(±3)49(±12)42(±2)顆粒污泥強(qiáng)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)可處理有機(jī)負(fù)荷高達(dá)15.0kgCOD/m3/d采用顆粒污泥作為生物工作介質(zhì)，可縮小反應(yīng)器體積，進(jìn)而減少了系統(tǒng)對土地面積的需求不同有機(jī)負(fù)荷時(shí)顆粒污泥的性質(zhì)47苯酚廢水的處理懸浮污泥絮體的顆?；岣呒?xì)菌對苯酚等毒性組分的忍耐能力48在苯酚引入系統(tǒng)3天后系統(tǒng)可在每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)將苯酚去除。系統(tǒng)穩(wěn)定后，進(jìn)水濃度為315mg/L的苯酚可被生物降解到小于0.4mg/L。研究表明，醋酸根培養(yǎng)的顆粒污泥可被用來培養(yǎng)處理苯酚的顆粒污泥。050100150200250300350050100150200250300Time(min)Phenolconcentration(mgL-1)010020030040050060005101520253035Time(day)Phenolconcentration(mgL-1)Start-of-CycleEnd-of-Cycle由醋酸根培養(yǎng)的顆粒污泥降解苯酚49醋酸根培養(yǎng)的顆粒污泥：“醋酸根顆粒污泥”其表面則由桿菌占主導(dǎo)地位引入苯酚培養(yǎng)30天后：絲狀細(xì)菌生長在“苯酚顆粒污泥”的表面苯酚引入系統(tǒng)前后顆粒污泥外形變化50DGGE(denaturinggradientgelelectrophoresis)

16SrRNA部分基因片斷圖。道1:徙動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)道2和3:引入苯酚當(dāng)天時(shí)的顆粒污泥道4和5:30天時(shí)的顆粒污泥道6:徙動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)由遷徙的基因片斷判斷，顆粒污泥中細(xì)菌種群的組成在30天內(nèi)發(fā)生明顯遷移。這個(gè)遷移對應(yīng)了系統(tǒng)對苯酚的適應(yīng)和處理的穩(wěn)定過程。變性梯度凝膠電泳法51由于從環(huán)境樣品中分離和培養(yǎng)細(xì)菌的困難,分子生物學(xué)方法已發(fā)展用來描述和鑒定微生物群落.近年來基于DNA方法的群落分析得到了迅速的發(fā)展,如PCR擴(kuò)增技術(shù),克隆文庫法,熒光原位雜交法,限制性酶切片段長度多態(tài)性法,變性和溫度梯度凝膠電泳法.DGGE已廣泛用于分析自然環(huán)境中細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌,古菌、真核生物和病毒群落的生物多樣性.這一技術(shù)能夠提供群落中優(yōu)勢種類信息和同時(shí)分析多個(gè)樣品.具有可重復(fù)和容易操作等特點(diǎn),適合于調(diào)查種群的時(shí)空變化,并且可通過對切下的帶進(jìn)行序列分析或與特異性探針雜交分析鑒定群落成員.52DGGE分析微生物群落的一般步驟如下:一是核酸的提?。欢?6SrRNA,18SrRNA或功能基因如可溶性甲烷加單氧酶羥化酶基因(mmoX)和氨加單氧酶α-亞單位基因(amoA)片段的擴(kuò)增；三是通過DGGE分析PCR產(chǎn)物.DGGE使用具有化學(xué)變性劑梯度的聚丙烯酰胺凝膠,該凝膠能夠有區(qū)別的解鏈PCR擴(kuò)增產(chǎn)物.由PCR產(chǎn)生的不同的DNA片段長度相同但核苷酸序列不同.因此不同的雙鏈DNA片段由于沿著化學(xué)梯度的不同解鏈行為將在凝膠的不同位置上停止遷移.DNA解鏈行為的不同導(dǎo)致一個(gè)凝膠帶圖案,該圖案是微生物群落中主要種類的一個(gè)輪廓.DGGE使用所有生物中保守的基因片段如細(xì)菌中的16SrRNA基因片段和真菌中的18SrRNA基因片段.rRNA原核生物有3種：5S、16S、23S真核生物有4種：5.8S、18S、28S、5S聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PolymeraseChainReaction，簡稱PCR）又稱無細(xì)胞分子克隆或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴(kuò)增技術(shù)。53DGGE的缺陷：只能分離較小的片段,使用于系統(tǒng)發(fā)育分析比較和探針設(shè)計(jì)的序列信息量受到了限制.在某些情況下,由于所用基因的多拷貝導(dǎo)致一個(gè)種類多于一條帶,因此不易鑒定群落結(jié)構(gòu)到種的水平.此外,該技術(shù)具有內(nèi)在的如單一細(xì)菌種類16SrDNA拷貝之間的異質(zhì)性問題,可導(dǎo)致自然群落中微生物數(shù)量的過多估計(jì).DGGE是分析微生物群落的一種有力的工具.不過為了減少DGGE和其它技術(shù)的缺陷,建議研究者結(jié)合DGGE和其它分子及微生物學(xué)方法以便更詳細(xì)的觀察微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能.

54有機(jī)物和氮的同時(shí)去除好氧顆粒污泥:一種同時(shí)去除有機(jī)物和氮的簡單、方便工藝解決方案55在顆粒污泥中硝化、異養(yǎng)細(xì)菌的分布56化學(xué)需氧量和硝化曲線可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和氮的同時(shí)去除，并且流程簡單，操作維護(hù)容易好氧顆粒污泥:異養(yǎng)，硝化，反硝化細(xì)菌群的共存體57