好氧颗粒污泥快速培养及其去除生物营养物特性的研究

论文摘要

好氧颗粒污泥是微生物在特定的环境下自发凝聚、增值而形成的结构紧密、沉降性良好、生物活性高的生物颗粒。由于其粒径较大、结构复杂,液相中的氧气和基质向颗粒内部传递时存在较大的阻力,在单一的颗粒内部会同时形成多种氧环境和营养环境,为多种微生物提供了良好的生长条件,因而具有多种代谢形式,是实现废水中生物营养物质一体化处理的理想主体。本文在总结前期好氧颗粒污泥培养研究的基础上,考察了不同的接种污泥以及二价镁离子等对好氧颗粒污泥快速形成的影响,完成了好氧颗粒污泥SBR反应器的启动。重点研究了以培养成功的好氧颗粒污泥为对象,分别实现同步硝化反硝化脱氮和同步脱氮除磷的特性和性能,初步分析了其实现生物营养物去除的机理,并讨论了各工艺运行参数的变化对好氧颗粒污泥SBR系统的影响。借鉴前期利用普通活性污泥培养具有同步硝化反硝化能力好氧颗粒污泥的经验,采用预先投加15%的好氧颗粒污泥,并通过强化水力选择作用、优化曝气条件、调控碳源的投加等能加速好氧颗粒污泥特别是粒径较大的颗粒在SBR中的形成,从接种到污泥完全颗粒化（粒径>0.34mm的污泥颗粒占50%以上）的时间仅需15d,此时颗粒的平均粒径为0.426mm,同期完全接种普通活性污泥的反应器中污泥颗粒的平均粒径仅为0.281mm。在颗粒污泥培养中投加少量成熟好氧颗粒污泥、进水中加入少量Mg2+,都会有效地促进污泥中EPS的分泌,改变污泥的表面性质,加快污泥絮体的聚集,有利于结构紧凑的好氧颗粒污泥的快速形成。好氧颗粒污泥SBR连续稳定运行65d,反应器运行过程中颗粒污泥系统保持了良好的同步硝化反硝化脱氮效果和抗冲击负荷的能力。COD、氨氮、总氮的去除率分别在90%、80%和75%以上。好氧颗粒污泥内溶解氧及基质在颗粒污泥内传质受到限制,造成颗粒污泥内部微生物种群结构、基质分布、代谢活动和生物化学反应的不均匀性,从而构造出适合于同步硝化反硝化的微环境,实现了单级生物脱氮。好氧颗粒污泥SBR的典型特征是好氧阶段发生总氮的去除,此阶段总无机氮去除率达到了75.9%,与此同时系统中NOx仅增加了1.9mg/L,未出现明显的NOx的积累。进水后厌氧阶段的存在,使得颗粒污泥在厌氧环境下完成了对有机物的吸收和储存,在好氧环境下发生基于胞内储存物质聚-β-羟基丁酸酯（PHB）作为碳源的反硝化作用。进水碳氮比减小,系统氨氮的硝化效果变化不明显,但总氮的去除率会变差,主要是反硝化碳源供给不足造成的。较低的溶解氧浓度有利于在颗粒污泥内部保留一定的缺/厌氧区域,从而为反硝化微生物提供有利的生存和作用环境,减少硝酸氮的积累,提高系统的同步硝化反硝化脱氮效果。以乙酸钠作为碳源,在厌氧/好氧模式下驯化30d后,普通好氧颗粒污泥中反硝化聚磷菌占总除磷菌的比例由驯化前的39.91%增加到驯化后的54.87%,使其具有了良好的同步脱氮除磷性能。当进水磷酸盐浓度8mg/L～12mg/L,经驯化后出水中磷酸盐浓度由3.2mg/L下降到驯化结束时的1.2mg/L;进水中总氮浓度为30～40mg/L,经驯化后总氮周期的去除率由46.4%提高到63.6%。好氧颗粒污泥实现同步脱氮除磷是基于好氧颗粒污泥独特的好氧/厌（缺）氧分层结构,以碳循环为中心,围绕胞内储存物质PHB的代谢完成的,即好氧颗粒污泥在厌氧阶段完成有机物的吸收、储存和磷酸盐的释放,好氧阶段发生了基于胞内储存物质PHB的同步硝化反硝化除磷,PHB一方面用于颗粒污泥外层的好氧聚磷菌以氧分子为电子受体的吸磷,另一方面作为有效碳源为颗粒污泥内部的反硝化菌以及反硝化聚磷菌利用,以硝态氮为电子受体,分别进行反硝化和反硝化聚磷,实现好氧颗粒污泥对氮磷的同步去除。厌氧/好氧运行模式后增加缺氧段对于好氧颗粒污泥实现同步脱氮除磷是没有必要的,厌氧2h,好氧4h的厌氧/好氧运行模式完全能保证良好的生物营养物质的去除。溶解氧对好氧颗粒污泥SBR同步脱氮除磷效果的影响,是对颗粒内部的缺氧区形成压缩表现出来的,较低的溶解氧浓度更有利于系统的稳定运行。进水碳氮比减小,导致厌氧段胞内储存物质PHB的合成不足,形成好氧聚磷和反硝化聚磷对PHB的竞争,系统同步脱氮除磷性能下降。好氧颗粒污泥SBR系统泥龄的控制应从平衡排泥除磷以及保持足够颗粒污泥数量维持系统正常运行角度考虑。好氧颗粒污泥SBR在厌氧/好氧模式下连续稳定运行了120d,反应器运行过程中保持了良好的污染物同步去除效果,有机物、总氮和磷酸盐的去除率分别在95%、85%和95%以上,同时系统也表现出良好的对负荷变化的适应性和长期运行稳定性。研究表明,好氧颗粒污泥SBR工艺是一种适合处理进水有机物浓度不太高,又需要实现氮、磷等营养物质高效去除的城市生活污水的先进工艺。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 好氧颗粒污泥技术
• 1.1.1 好氧颗粒污泥的培养和特点
• 1.1.2 好氧颗粒污泥的形成机理
• 1.1.3 影响好氧颗粒污泥形成的因素
• 1.1.4 好氧颗粒污泥在废水处理中的应用
• 1.2 生物脱氮除磷理论研究新进展
• 1.2.1 同步硝化反硝化脱氮
• 1.2.2 同步脱氮除磷
• 1.3 本课题的研究背景、目的与研究内容
• 1.3.1 研究的背景与意义
• 1.3.2 本课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 试验装置
• 2.2 进水水质
• 2.3 分析测试项目与方法
• 2.3.1 常规分析测试项目
• 2.3.2 好氧颗粒污泥的形态观察
• 2.3.3 好氧颗粒污泥理化特性的测定
• 2.3.4 EPS 的提取及测定
• 2.3.5 污泥表面特性分析
• 第3章 好氧颗粒污泥快速培养的研究
• 3.1 研究方法
• 3.1.1 实验装置与运行方式
• 3.1.2 接种污泥
• 3.2 好氧颗粒污泥的快速培养
• 3.2.1 污泥形态变化
• 3.2.2 污泥物理性质变化
• 3.3 好氧颗粒污泥快速形成的机理
• 3.3.1 EPS 在污泥颗粒化过程中的作用
• 3.3.2 污泥好氧颗粒化过程中EPS 及污泥表面疏水性的变化
• 2+的投加对好氧颗粒化进程的影响'>3.3.3 Mg²⁺的投加对好氧颗粒化进程的影响
• 3.3.4 好氧颗粒污泥快速形成机理分析
• 3.4 小结
• 第4章 好氧颗粒污泥实现同步硝化反硝化脱氮的研究
• 4.1 好氧颗粒污泥生物脱氮的性能及其机理
• 4.1.1 颗粒污泥的脱氮过程中COD 及含氮化合物的变化
• 4.1.2 好氧颗粒污泥生物脱氮的机理分析
• 4.2 好氧颗粒污泥同步硝化反硝化脱氮影响因素研究
• 4.2.1 厌氧段对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化脱氮的影响
• 4.2.2 碳氮比对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化脱氮的影响
• 4.2.3 不同供氧模式对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化脱氮的影响
• 4.3 小结
• 第5章 好氧颗粒污泥实现同步脱氮除磷的研究
• 5.1 同步脱氮除磷好氧颗粒污泥的驯化
• 5.1.1 污染物去除效果
• 5.1.2 颗粒污泥中反硝化聚磷菌数量的变化
• 5.1.3 颗粒污泥同步脱氮除磷特征
• 5.1.4 颗粒污泥同步脱氮除磷机理分析
• 5.2 好氧颗粒污泥同步脱氮除磷影响因素研究
• 5.2.1 运行模式对好氧颗粒污泥同步脱氮除磷的影响
• 5.2.2 厌氧/好氧时间对好氧颗粒污泥同步脱氮除磷的影响
• 5.2.3 硝态氮的投加对好氧颗粒污泥同步脱氮除磷的影响
• 5.2.4 溶解氧对好氧颗粒污泥同步脱氮除磷的影响
• 5.2.5 碳氮比对好氧颗粒污泥同步脱氮除磷的影响
• 5.2.6 泥龄对好氧颗粒污泥同步脱氮除磷的影响
• 5.3 好氧颗粒污泥SBR 同步脱氮除磷的稳定性
• 5.4 小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读博士学位期间主持和参与的科研项目
• 附录C 攻读博士学位期间获得的奖励
• 附录D 攻读博士学位期间所获得的发明专利
• 致谢