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新一代的污水生物處理技術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生物顆粒污泥技術好氧顆粒污泥好氧顆粒

2、污泥從上世紀80年代初開始發展從上世紀90年代末開始發展AR-ngwtt-c3 較長的啟動周期：其形成約需3到8個月 較高的操作環境溫度 不適應處理低濃度污水 去除營養物質（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? ?好氧細菌的特點：好氧細菌的特點： . 生長迅速生長迅速 . 與厭氧菌比較，生長環境溫度要求相對寬松與厭氧菌比較，生長環境溫度要求相對寬松 . 在有機物濃度較低時也能生存在有機物濃度較低時也能生存 好氧顆粒污泥不僅具有厭氧顆粒污泥的優點，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? ?在好氧環境條件下，微生物通過自固定過程，最終形成結構緊湊、外形規則的密集生物聚合體。AR-ngwtt-c6好氧顆粒污泥的優點及應用好氧顆粒污泥的優點及應用v 相對結實的微觀結構 v 優良的沉淀性能 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 較高的生物反應器單位體積處理能力 可以承受較高濃度的沖擊負荷 減少對二沉池的體積要求 同時去除有機物和營養物質 對高濃度有毒廢水的獨特適應和處理能力AR-ngwtt-c7絮體和顆粒的比較 顆粒具有準球形的外觀和緊湊的內部結構 絮體具有不規則外形和松散的內部結構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好氧顆粒化是好氧顆粒化是接種污泥接種污泥 結構緊湊的聚合體結構緊湊的聚合體 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逐漸的演化過程一個逐漸的演化過程: :AR-ngwtt-c11光學顯微鏡觀察結果接種污泥的物理外觀及形態電子掃描顯微鏡觀察結果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污泥體積指數污泥尺寸在三周內從 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（SVI）來表示從 200 降到 35 mL/g顆粒化過程后污泥量濃度增加到 15 g/L一個典型的顆粒化過程 AR-ngwtt-c14實驗室規模反應器中形成的好氧顆粒污泥AR-ngwtt-c15中試反應器中形成的穩定好氧顆粒污泥反應器直徑: 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

6、統活性污泥性質的比較好氧顆粒污泥和傳統活性污泥性質的比較葡萄糖培養的顆粒污泥活性污泥平均直徑 (mm)2.40.710.15污泥體積指數 (mL/g） 51-85150-250沉降速度 (m/h) 358.510反應器中的污泥濃度 (g/L)8.0-15.03.0-5.0密度 (g/L)41.16.9顆粒污泥強度 (%)980.9較弱近圓率 (aspect ratio)0.790.06外形不規則疏水性 (%)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 (標尺長度:

7、 5 mm)A: 污泥絮體污泥絮體 ( 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)% 污泥有機成分污泥有機成分污泥體積指數污泥體積指數( (mL/g)2.02.540.82 ( 0.13)0.70 ( 0.15)74.1 (

8、 2.2)40.4 ( 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表面微觀結構表面微觀結構葡萄糖培養的好氧顆粒污泥：絲狀菌占主導成分醋酸根培養的好氧顆粒污泥：桿菌占主導成分AR-ngwtt-c21顆粒中的通道及孔狀結構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構通道及孔狀結構AR-ngwtt-c22微生物細胞和厭氧菌（Bacteroides）的雜交測試熒光分布圖曲線1 1：以雜交探針Eub338Eub338的

9、熒光密度表示的微生物細胞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活細胞（綠色）和死細胞（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，活細胞分布均勻。較大顆粒中，活細胞主要分布在從表面開始600 m左右厚的范圍內。 顆粒邊緣Si

10、ze 1mmSize 1-2mmSize 2-3mmAR-ngwtt-c25用共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察到的活、死細胞在顆粒中的分布 活細胞主要分布在顆粒外圍地區，而死細胞主要分布在顆粒內部。圖中：代表活細胞的綠色熒光，由 Syto9染料染色代表死細胞的紅色熒光 ，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定性影響不敏感對顆粒污泥的形成和穩定性影響不敏感 有機負荷率有機負荷率: : 對顆粒污泥的形成和穩定性影響不敏感對顆粒污泥的形成

11、和穩定性影響不敏感 水力剪切力水力剪切力: : 較高的剪切力有利于具有緊湊結構的顆粒形成較高的剪切力有利于具有緊湊結構的顆粒形成 沉降時間沉降時間: : 較短的沉降時間有利于顆粒形成較短的沉降時間有利于顆粒形成 泥齡泥齡：維持系統一定維持系統一定泥齡泥齡(MCRT)對顆粒污泥的形成和穩定性非常關鍵對顆粒污泥的形成和穩定性非常關鍵 水力停留時間水力停留時間: : 應選擇一個恰當的水力停留時間應選擇一個恰當的水力停留時間（HRT） 好氧營養匱乏好氧營養匱乏: : 每個周期內在一定時段的營養匱乏期有利于顆粒的形成和穩定每個周期內在一定時段的營養匱乏期有利于顆粒的形成和穩定 陽離子陽離子: : 具有正

12、面效應具有正面效應 加料加料: : 周期性周期性沖擊式沖擊式加料有利于具有緊湊厚實結構的顆粒形成加料有利于具有緊湊厚實結構的顆粒形成 反應器形狀反應器形狀: : 具有較大高度具有較大高度/ /直徑比值直徑比值（H/D）的柱狀反應器有利于顆粒形成的柱狀反應器有利于顆粒形成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的好氧顆粒污泥不同底物培養的好氧顆粒污泥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/

13、L)在不同有機負荷率下形成的好氧顆粒污泥在不同有機負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（SVI）隨時間的演化。顆粒污泥只能在相當于表面上升氣流速度大于0.3 cm/s時的剪切力下形成，并在相當于表面上升氣流速度

14、大于1.2 cm/s時的剪切力作用下維持穩定。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好氧顆粒污泥的外部形態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好氧顆粒污泥的外部形態AR-ngwtt-c33好氧顆粒污泥的儲存好氧顆粒污泥的儲存A

15、R-ngwtt-c340204060800306090120150Storage time (days)SOUR (mg/g.h)葡萄糖培養的顆粒污泥醋酸根培養的顆粒污泥顆粒污泥能被儲存數月而無結構分解現象發生。開始曝氣，加入營養后儲存的顆粒污泥的生物活性很容易被恢復。AR-ngwtt-c35使用的接種顆粒污泥性質: 平均直徑: 1.28 mm污泥體積指數: 28 mL/g耗氧率:13.4 mgO2/g/h有機成分含量: 51.2%儲存時間: 3個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器啟動生物反應器AR-ngwtt-c36反應器啟動好氧顆粒污泥使用量2.0 L，相當于反應

16、器工作體積的5.9%(2)實現啟動生物污泥濃度為1.03 g/LAR-ngwtt-c37接種污泥(經過3個月的儲存)接種并在反應器中運行一天后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器中運行后其活性的變化AR-ngwtt-c38050100150200051015202530Time (days)SOUR (mg/g/h)儲存的顆粒能在接種并運行3天后完全恢復到儲存

17、前的活性AR-ngwtt-c39好氧顆粒污泥的形成機理好氧顆粒污泥的形成機理 AR-ngwtt-c40細胞自固定過程中的四個步驟細胞自固定過程中的四個步驟步驟步驟 1: : 細菌之間通過物理運動相互接觸細菌之間通過物理運動相互接觸. . 促進這一反應的動力包括促進這一反應的動力包括: :流體動力物質擴散力重力沉降熱力學動力, 如布朗運動細胞的自我活動步驟步驟 2: : 細胞間相互接觸及穩定過程細胞間相互接觸及穩定過程. . 促使細胞相互吸引的動力包括促使細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菌的搭橋效應AR-ng

18、wtt-c41化學及生化吸引力化學及生化吸引力: : 細胞表面脫水細胞膜粘連細胞間信息傳遞及收集細胞分泌產生胞外聚合物, 比如胞外多聚糖等分泌物細胞群的生長新陳代謝變化和由環境誘發的基因變化，這些變化促進了細胞之間的相互作用，進而導致具有高度組織性的微生物結構形成 步驟步驟 3: 3: 生物聚合體的成熟，促進這一過程的作用包括：生物聚合體的成熟，促進這一過程的作用包括：步驟步驟 4: : 在流體剪切力作用下，最終形成穩定的具有三維微觀結構的在流體剪切力作用下，最終形成穩定的具有三維微觀結構的顆粒污泥系統顆粒污泥系統AR-ngwtt-c42在顆粒污泥內的細胞周圍觀察到的胞外多聚糖 細胞表面疏水性

19、細胞表面疏水性: :可能在誘發細胞間的粘結扮演一個關鍵的角色 胞外多聚糖胞外多聚糖: :可能對幫助維持顆粒污泥結構的完整性比較重要 選擇壓力選擇壓力: :有利于形成并保持結構緊湊且具有較好沉降性能的顆粒污泥AR-ngwtt-c43好氧顆粒污泥的應用好氧顆粒污泥的應用 AR-ngwtt-c44 高濃度有機廢水的處理高濃度有機廢水的處理 毒性廢水的處理毒性廢水的處理 有機和營養物質的同時去除有機和營養物質的同時去除 對重金屬離子的生物吸附對重金屬離子的生物吸附 基因轉換形成的專效高能細菌的固定基因轉換形成的專效高能細菌的固定AR-ngwtt-c45高濃度有機廢水的處理高濃度有機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廢水的處理高濃度有機廢水的處理耐受較高的沖擊負荷耐受較高的沖擊負荷 AR-ngwtt-c46葡萄糖培養的顆粒污泥醋酸根培養的顆粒污泥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)0.7