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1、AR-ngwtt-c,1,好氧颗粒污泥新一代的污水生物处理技术,Director, Institute of Environmental Science and EngineeringHead, Div of Environmental and Water Resources EngineeringSchool of Civil and Environmental EngineeringNanyang Technological UniversitySingapore,AR-ngwtt-c,2,厌氧颗粒污泥,生物颗粒污泥技术,好氧颗粒污泥,从上世纪80年代初开始发展,从上世纪90年代末开始发展
2、,AR-ngwtt-c,3,较长的启动周期：其形成约需3到8个月较高的操作环境温度不适应处理低浓度污水去除营养物质（氮和磷）污染效果不理想,厌氧颗粒污泥的主要缺陷,AR-ngwtt-c,4,为什么要研究好氧颗粒污泥?,好氧细菌的特点：. 生长迅速. 与厌氧菌比较，生长环境温度要求相对宽松. 在有机物浓度较低时也能生存,好氧颗粒污泥不仅具有厌氧颗粒污泥的优点，还避免了后者因自身厌氧菌组分所固有的缺陷。,AR-ngwtt-c,5,什么是好氧颗粒污泥?,在好氧环境条件下，微生物通过自固定过程，最终形成结构紧凑、外形规则的密集生物聚合体。,AR-ngwtt-c,6,好氧颗粒污泥的优点及应用,相对结实的
3、微观结构 优良的沉淀性能 较高浓度的污泥截留 混合、多样的微生物种群,较好的泥水分离 较高的生物反应器单位体积处理能力 可以承受较高浓度的冲击负荷 减少对二沉池的体积要求 同时去除有机物和营养物质 对高浓度有毒废水的独特适应和处理能力,AR-ngwtt-c,7,絮体和颗粒的比较 颗粒具有准球形的外观和紧凑的内部结构 絮体具有不规则外形和松散的内部结构,AR-ngwtt-c,8,a,AR-ngwtt-c,9,好氧颗粒污泥的形成,AR-ngwtt-c,10,好氧颗粒化是,接种污泥 结构紧凑的聚合体 颗粒状的污泥 成熟的颗粒污泥,一个逐渐的演化过程:,AR-ngwtt-c,11,光学显微镜观察结果,
4、接种污泥的物理外观及形态,电子扫描显微镜观察结果,AR-ngwtt-c,12,1星期后,B,C,D,2星期后,3星期后,种泥,AR-ngwtt-c,13,污泥尺寸在三周内从 0.1 mm 增长到 1.7 mm 污泥沉淀性能显著改善，以污泥体积指数（SVI）来表示从 200 降到 35 mL/g颗粒化过程后污泥量浓度增加到 15 g/L,一个典型的颗粒化过程,实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥,AR-ngwtt-c,15,中试反应器中形成的稳定好氧颗粒污泥反应器直径: 20 cm 工作体积: 40 L,AR-ngwtt-c,16,好氧颗粒污泥的特性,AR-ngwtt-c,17,好氧颗粒污泥和传
5、统活性污泥性质的比较,AR-ngwtt-c,18,污泥絮体和不同尺寸颗粒污泥的外形 (标尺长度: 5 mm)A: 污泥絮体 ( 0.15 mm)B: 颗粒污泥 (0.15-0.5 mm)C: 颗粒污泥 (0.5-1.0 mm)D: 颗粒污泥 (1.0-2.0 mm)E: 颗粒污泥 (2.0-2.8 mm),AR-ngwtt-c,19,好氧颗粒污泥的微生物特性,AR-ngwtt-c,20,表面微观结构,葡萄糖培养的好氧颗粒污泥：丝状菌占主导成分,醋酸根培养的好氧颗粒污泥：杆菌占主导成分,AR-ngwtt-c,21,颗粒中的通道及孔状结构可由共焦激光扫描显微镜 (CLSM) 观察到：图中颗粒污泥直
6、径为0.55 mm，在颗粒表面下250m处明显存在一多微孔层。,颗粒边缘,颗粒中心,通道及孔状结构,AR-ngwtt-c,22,微生物细胞和厌氧菌（Bacteroides）的杂交测试荧光分布图,曲线1：以杂交探针Eub338的荧光密度表示的微生物细胞在颗粒污泥中的分布曲线2：以杂交探针Bacto1080的荧光密度表示的颗粒污泥中厌氧细菌层，厌氧菌（Bacteroides spp.）存在在颗粒污泥表面下800um处,厌氧菌的存在,AR-ngwtt-c,23,好氧颗粒污泥中的微生物分布,AR-ngwtt-c,24,活细胞（绿色）和死细胞（红色）在不同尺寸颗粒污泥横切面上的分布Y轴:平均密度，以单位
7、象素的荧光亮度表示。 X轴:细胞在颗粒污泥中的位置，以离开颗粒表面的距离来代表。尺寸小于1mm的颗粒中，活细胞分布均匀。较大颗粒中，活细胞主要分布在从表面开始600m左右厚的范围内。,Size 1mm,Size 1-2mm,Size 2-3mm,AR-ngwtt-c,25,用共焦激光扫描显微镜（CLSM）观察到的活、死细胞在颗粒中的分布,活细胞主要分布在颗粒外围地区，而死细胞主要分布在颗粒内部。图中：代表活细胞的绿色荧光，由 Syto9染料染色代表死细胞的红色荧光 ，由propidium iodide染料染色,AR-ngwtt-c,26,影响好氧颗粒污泥形成的一些因素,AR-ngwtt-c,2
8、7,底物组成: 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感有机负荷率: 对颗粒污泥的形成和稳定性影响不敏感水力剪切力: 较高的剪切力有利于具有紧凑结构的颗粒形成沉降时间: 较短的沉降时间有利于颗粒形成泥龄：维持系统一定泥龄(MCRT)对颗粒污泥的形成和稳定性非常关键水力停留时间: 应选择一个恰当的水力停留时间（HRT）好氧营养匮乏: 每个周期内在一定时段的营养匮乏期有利于颗粒的形成和稳定阳离子: 具有正面效应加料: 周期性冲击式加料有利于具有紧凑厚实结构的颗粒形成反应器形状: 具有较大高度/直径比值（H/D）的柱状反应器有利于颗粒形成,AR-ngwtt-c,28,葡萄糖,醋酸根,苯酚,含磷化合物,氨氮
9、化合物,不同底物培养的好氧颗粒污泥,AR-ngwtt-c,29,1.5 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),在不同有机负荷率下形成的好氧颗粒污泥,AR-ngwtt-c,30,: 0.3 cm/s O : 1.2 cm/s : 2.4 cm/s : 3.6 cm/s,不同表面上升气流速度下污泥尺寸和污泥体积指数（SVI）随时间的演化。颗粒污泥只能在相当于表面上升气流速度大于0.3 cm/s时的剪切力下形成，并在相当于表面上升气流速度大于
10、1.2 cm/s时的剪切力作用下维持稳定。,在不同水力剪切力下形成的好氧颗粒污泥,图中表面上升气流速度：,没有颗粒的形成！,AR-ngwtt-c,31,0.3 cm/s 上升气流速度,2.4 cm/s 上升气流速度,3.6 cm/s 上升气流速度,1.2 cm/s 上升气流速度,不同剪切力作用下形成的好氧颗粒污泥的外部形态,AR-ngwtt-c,32,5天泥龄,20天泥龄,30天泥龄,10天泥龄,不同控制泥龄下形成的好氧颗粒污泥的外部形态,AR-ngwtt-c,33,好氧颗粒污泥的储存,AR-ngwtt-c,34,葡萄糖培养的颗粒污泥,醋酸根培养的颗粒污泥,颗粒污泥能被储存数月而无结构分解现象
11、发生。开始曝气，加入营养后储存的颗粒污泥的生物活性很容易被恢复。,使用的接种颗粒污泥性质: 平均直径: 1.28 mm污泥体积指数: 28 mL/g耗氧率:13.4 mgO2/g/h有机成分含量: 51.2%储存时间: 3个月,由储存的颗粒污泥接种并启动生物反应器,反应器启动好氧颗粒污泥使用量2.0 L，相当于反应器工作体积的5.9%(2)实现启动生物污泥浓度为1.03 g/L,接种污泥(经过3个月的储存),接种并在反应器中运行一天后,接种颗粒和曝气一天后颗粒的观察比较,以耗氧率表示的接种污泥在反应器中运行后其活性的变化,储存的颗粒能在接种并运行3天后完全恢复到储存前的活性,AR-ngwtt-
12、c,39,好氧颗粒污泥的形成机理,AR-ngwtt-c,40,细胞自固定过程中的四个步骤,步骤 1: 细菌之间通过物理运动相互接触. 促进这一反应的动力包括:,流体动力物质扩散力重力沉降热力学动力, 如布朗运动细胞的自我活动,步骤 2: 细胞间相互接触及稳定过程. 促使细胞相互吸引的动力包括:,物理吸引力: 范德华力异性电荷吸引力热动力，包括表面自由能表面张力疏水性丝状细菌的搭桥效应,AR-ngwtt-c,41,化学及生化吸引力:,细胞表面脱水细胞膜粘连细胞间信息传递及收集,细胞分泌产生胞外聚合物, 比如胞外多聚糖等分泌物细胞群的生长新陈代谢变化和由环境诱发的基因变化，这些变化促进了细胞之间的
13、相互作用，进而导致具有高度组织性的微生物结构形成,步骤 3: 生物聚合体的成熟，促进这一过程的作用包括：,步骤 4: 在流体剪切力作用下，最终形成稳定的具有三维微观结构的颗粒污泥系统,AR-ngwtt-c,42,在颗粒污泥内的细胞周围观察到的胞外多聚糖,细胞表面疏水性:可能在诱发细胞间的粘结扮演一个关键的角色,胞外多聚糖:可能对帮助维持颗粒污泥结构的完整性比较重要,选择压力:有利于形成并保持结构紧凑且具有较好沉降性能的颗粒污泥,好氧颗粒污泥的应用,AR-ngwtt-c,44,高浓度有机废水的处理毒性废水的处理有机和营养物质的同时去除对重金属离子的生物吸附基因转换形成的专效高能细菌的固定,AR-
14、ngwtt-c,45,高浓度有机废水的处理,好氧颗粒污泥,较高的污泥截留,高浓度有机废水的处理,耐受较高的冲击负荷,AR-ngwtt-c,46,可处理有机负荷高达15.0 kg COD/m3/d采用颗粒污泥作为生物工作介质，可缩小反应器体积，进而减少了系统对土地面积的需求,不同有机负荷时颗粒污泥的性质,AR-ngwtt-c,47,苯酚废水的处理,悬浮污泥絮体的颗粒化,提高细菌对苯酚等毒性组分的忍耐能力,AR-ngwtt-c,48,进水中苯酚浓度: 500 mg/L出水中苯酚浓度: 0.2 mg/L苯酚降解速率: 1.4 g/g MLVSS/d （2倍大于驯化的接种污泥絮体）,由于其独特的微生物
15、和胞外分泌物形成的密实结构，颗粒污泥为相当数量的微生物提供了庇护和缓冲的功用。在例如含酚废水的处理过程中，减轻了毒性物质对微生物的直接影响，从而提高了污泥对毒性冲击负荷的忍耐力,苯酚颗粒污泥对苯酚和总有机碳的生物降解,AR-ngwtt-c,49,在苯酚引入系统3天后系统可在每个运行周期内将苯酚去除。系统稳定后，进水浓度为315 mg/L的苯酚可被生物降解到小于0.4 mg/L。研究表明，醋酸根培养的颗粒污泥可被用来培养处理苯酚的颗粒污泥。,由醋酸根培养的颗粒污泥降解苯酚,AR-ngwtt-c,50,醋酸根培养的颗粒污泥：“醋酸根颗粒污泥”其表面则由杆菌占主导地位,引入苯酚培养30天后：丝状细菌
16、生长在“苯酚颗粒污泥”的表面,苯酚引入系统前后颗粒污泥外形变化,AR-ngwtt-c,51,由迁徙的基因片断判断，颗粒污泥中细菌种群的组成在30天内发生明显迁移。这个迁移对应了系统对苯酚的适应和处理的稳定过程。,AR-ngwtt-c,52,有机物和氮的同时去除,好氧颗粒污泥: 一种同时去除有机物和氮的简单、方便工艺解决方案,AR-ngwtt-c,53,在颗粒污泥中硝化、异养细菌的分布,AR-ngwtt-c,54,化学需氧量和硝化曲线,可实现有机物和氮的同时去除，并且流程简单，操作维护容易,好氧颗粒污泥: 异养，硝化，反硝化细菌群的共存体,AR-ngwtt-c,55,磷的去除,悬浮污泥絮体的颗粒
17、化,集磷菌(PAO)容易得到分离,避免了经常发生在高效生物去磷系统中的污泥膨胀问题,好氧颗粒污泥中富磷含量可占总污泥重量9.3,COD,PO4-P 浓度,在一个SBR操作周期中的化学需氧量（COD）和磷的浓度变化曲线,减小了释放磷的二沉池反应器体积,AR-ngwtt-c,56,聚磷好氧颗粒污泥的磷吸收曲线,研究展示了好氧颗粒污泥对磷具有优良的吸收能力,AR-ngwtt-c,57,对重金属离子的生物吸附,悬浮污泥絮体的颗粒化,优良的沉淀性能便于泥水分离,优良的生物吸附,紧凑，多孔的空间结构,AR-ngwtt-c,58,Cd2+ 生物吸附曲线,不同的颗粒污泥浓度下吸附量随时间的变化 （实验用初始金
18、属浓度为150 mg/L）： :50 mg/L O: 100mg/L : 200 mg/L,不同的金属浓度下吸附量随时间的变化 （实验用颗粒污泥浓度为100 mg/L ）： : 10 mg/L o: 20 mg/L: 50 mg/L : 100 mg/L,AR-ngwtt-c,59,Cd2+ 生物吸附等温线,Cu2+ 生物吸附等温线,Zn2+ 生物吸附等温线,好氧颗粒污泥: 一种对废水中重金属的较好的生物吸附剂，处理后易于与液相分离,生物吸附能力:Cd 2+ Zn 2+ Cu 2+,AR-ngwtt-c,60,采用具有紧凑结构的好氧颗粒污泥的生物反应器可被开发并应用于工业和城市废水中C,N,P的有效去除。好氧颗粒污泥系统的应用可减少反应系统土地使用面积。好氧颗粒污泥可以作为改造升级现存废水处理设备的一种较好选择方案。,结论,AR-ngwtt-c,61,谢谢大家！,
