好氧顆粒污泥新一代的污水生物處理技術Director,InstituteofEnvironmentalScienceandEngineeringHead,DivofEnvironmentalandWaterResourcesEngineeringSchoolofCivilandEnvironmentalEngineeringNanyangTechnologicalUniversitySingapore1AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥Director,InstituteofE厭氧顆粒污泥生物顆粒污泥技術好氧顆粒污泥從上世紀80年代初開始發展從上世紀90年代末開始發展2AR-ngwtt-c厭氧顆粒污泥生物顆粒污泥技術好氧顆粒污泥從上世紀80年代初開較長的啟動周期：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）污染效果不理想厭氧顆粒污泥的主要缺陷3AR-ngwtt-c較長的啟動周期：其形成約需3到8個月厭氧顆粒污泥的主要缺陷3為什么要研究好氧顆粒污泥?好氧細菌的特點：

.生長迅速 .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

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。4AR-ngwtt-c為什么要研究好氧顆粒污泥?好氧細菌的特點：好氧顆粒污泥不僅具什么是好氧顆粒污泥?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。5AR-ngwtt-c什么是好氧顆粒污泥?在好氧環境條件下，微生物通過自固定過程，好氧顆粒污泥的優點及應用

相對結實的微觀結構

優良的沉淀性能

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6AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的優點及應用相對結實的微觀結構絮體和顆粒的比較

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7AR-ngwtt-c絮體和顆粒的比較7AR-ngwtt-ca8AR-ngwtt-ca8AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的形成

9AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的形成9AR-ngwtt-c好氧顆粒化是接種污泥

結構緊湊的聚合體

顆粒狀的污泥

成熟的顆粒污泥一個逐漸的演化過程:10AR-ngwtt-c好氧顆粒化是接種污泥一個逐漸的演化過程:10AR-ngwtt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11AR-ngwtt-c光學顯微鏡接種污泥的物理外觀及形態電子掃描顯微鏡11AR-n

1星期后BCD2星期后3星期后種泥12AR-ngwtt-c1星期后BCD2星期后3星期后種泥12AR-ngwtt-c顆粒尺寸污泥體積指數污泥尺寸在三周內從0.1mm

增長到1.7mm

污泥沉淀性能顯著改善，以污泥體積指數（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一個典型的顆粒化過程

13AR-ngwtt-c顆粒尺寸污泥體積指數污泥尺寸在三周內從0.1mm增長到實驗室規模反應器中形成的好氧顆粒污泥14AR-ngwtt-c實驗室規模反應器中形成的好氧顆粒污泥14AR-ngwtt-c中試反應器中形成的穩定好氧顆粒污泥反應器直徑:20cm

工作體積:40L15AR-ngwtt-c中試反應器中形成的穩定好氧顆粒污泥15AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的特性16AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的特性16AR-ngwtt-c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)2.4±0.710.15污泥體積指數

(mL/g）

51-85150-250沉降速度

(m/h)

35±8.5<10反應器中的污泥濃度

(g/L)8.0-15.03.0-5.0密度

(g/L)41.1±6.9~顆粒污泥強度

(%)98±0.9較弱近圓率

(aspectratio)0.79±0.06外形不規則疏水性

(%)68.0±3.9~耗氧率

(SOUR,mgO2/g/hr）

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

(標尺長度: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)%

污泥有機成分污泥體積指數(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)18AR-ngwtt-c污泥絮體和不同尺寸顆粒污泥的外形(標尺長度:5mm)尺好氧顆粒污泥的微生物特性19AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的微生物特性19AR-ngwtt-c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20AR-ngwtt-c表面微觀結構葡萄糖培養的好氧顆粒污泥：醋酸根培養的好氧顆粒污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0.55mm，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構21AR-ngwtt-c顆粒中的通道及孔狀結構可由共焦激光掃描顯微鏡(CLSM)微生物細胞和厭氧菌（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菌層，厭氧菌（Bacteroidesspp.）存在在顆粒污泥表面下800um處厭氧菌的存在22AR-ngwtt-c微生物細胞和厭氧菌（Bacteroides）曲線1：以雜交探好氧顆粒污泥中的微生物分布23AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥中的23AR-ngwtt-c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Size<1mmSize1-2mmSize2-3mm24AR-ngwtt-c活細胞（綠色）和死細胞（紅色）顆粒邊緣Size<1mmS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propidiumiodide染料染色25AR-ngwtt-c用共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察到的活、死細胞在顆粒中的影響好氧顆粒污泥形成的一些因素

26AR-ngwtt-c影響好氧顆粒污泥形成的一些因素26AR-ngwtt-c底物組成:

對顆粒污泥的形成和穩定性影響不敏感有機負荷率:

對顆粒污泥的形成和穩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構的顆粒形成沉降時間:

較短的沉降時間有利于顆粒形成泥齡：維持系統一定泥齡(MCRT)對顆粒污泥的形成和穩定性非常關鍵水力停留時間:

應選擇一個恰當的水力停留時間（HRT）好氧營養匱乏:

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:

具有正面效應加料:

周期性‘沖擊式’加料有利于具有緊湊厚實結構的顆粒形成反應器形狀:

具有較大高度/直徑比值（H/D）的柱狀反應器有利于顆粒形成27AR-ngwtt-c底物組成:對顆粒污泥的形成和穩定性影響不敏感27AR-ng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28AR-ngwtt-c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1.5g/L/d(500mgCOD/L)9.0g/L/d(3000mgCOD/L)3.0g/L/d(1000mgCOD/L)6.0g/L/d(2000mgCOD/L)在不同有機負荷率下形成的好氧顆粒污泥29AR-ngwtt-c1.5g/L/d(500mgCOD/L)9.0g/

:0.3cm/sO:1.2cm/s

:2.4cm/s?:3.6cm/s

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0.3cm/s時的剪切力下形成，并在相當于表面上升氣流速度大于1.2cm/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圖中表面上升氣流速度：沒有顆粒的形成！30AR-ngwtt-c:0.3cm/s不同表面上升氣流速度下污泥尺寸和污0.3cm/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31AR-ngwtt-c0.3cm/s上升氣流速度2.4cm/s上升氣流速度5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32AR-ngwtt-c5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儲存33AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的儲存33AR-ngwtt-c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。34AR-ngwtt-c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使用的接種顆粒污泥性質:

平均直徑:1.28mm污泥體積指數:28mL/g耗氧率:

13.4mgO2/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接種并啟動生物反應器35AR-ngwtt-c使用的接種顆粒污泥性質:由儲存的顆粒污泥接種并啟動生物反應反應器啟動好氧顆粒污泥使用量2.0L，相當于反應器工作體積的5.9%(2)

實現啟動生物污泥濃度為1.03g/L36AR-ngwtt-c反應器啟動36AR-ngwtt-c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37AR-ngwtt-c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接種顆儲存的顆粒能在接種并運行3天后完全恢復到儲存前的活性38AR-ngwtt-c儲存的顆粒能在接種并運行3天后完全恢復到儲存前的活性38AR好氧顆粒污泥的形成機理

39AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的形成機理39AR-ngwtt-c細胞自固定過程中的四個步驟步驟1:

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: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2: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: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40AR-ngwtt-c細胞自固定過程中的四個步驟步驟1:細菌之間通過物理運動相化學及生化吸引力:

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3:生物聚合體的成熟，促進這一過程的作用包括：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顆粒污泥系統41AR-ngwtt-c化學及生化吸引力:細胞表面脫水細胞分泌產生胞外聚合物,比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:

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:

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:

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42AR-ngwtt-c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:胞外好氧顆粒污泥的應用

43AR-ngwtt-c好氧顆粒污泥的應用43AR-ngwtt-c高濃度有機廢水的處理毒性廢水的處理有機和營養物質的同時去除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44AR-ngwtt-c高濃度有機廢水的處理44AR-ngwtt-c高濃度有機廢水的處理好氧顆粒污泥較高的污泥截留高濃度有機廢水的處理耐受較高的沖擊負荷45AR-ngwtt-c高濃度有機廢水的處理好氧顆粒污泥較高的污泥截留高濃度有機廢水葡萄糖培養的顆粒污泥醋酸根培養的顆粒污泥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

(mL/g）106(±38)85(±15)74(±8)31(±3)49(±12)42(±2)顆粒污泥強度

(%)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)可處理有機負荷高達15.0kgCOD/m3/d采用顆粒污泥作為生物工作介質，可縮小反應器體積，進而減少了系統對土地面積的需求不同有機負荷時顆粒污泥的性質46AR-ngwtt-c葡萄糖培養的顆粒污泥醋酸根培養的顆粒污泥OLR(kgCO苯酚廢水的處理懸浮污泥絮體的顆粒化

提高細菌對苯酚等毒性組分的忍耐能力47AR-ngwtt-c苯酚廢水的處理懸浮污泥絮體的顆粒化提高細菌對苯酚等毒性組分進水中苯酚濃度:500mg/L出水中苯酚濃度:<0.2mg/L苯酚降解速率:1.4g/gMLVSS/d（2倍大于馴化的接種污泥絮體）由于其獨特的微生物和胞外分泌物形成的密實結構，顆粒污泥為相當數量的微生物提供了庇護和緩沖的功用。在例如含酚廢水的處理過程中，減輕了毒性物質對微生物的直接影響，從而提高了污泥對毒性沖擊負荷的忍耐力苯酚顆粒污泥對苯酚和總有機碳的生物降解48AR-ngwtt-c進水中苯酚濃度:500mg/L由于其獨特的微生物和胞外分在苯酚引入系統3天后系統可在每個運行周期內將苯酚去除。系統穩定后，進水濃度為315mg/L的苯酚可被生物降解到小于0.4mg/L。研究表明，醋酸根培養的顆粒污泥可被用來培養處理苯酚的顆粒污泥。050100150200250300350050100150200250300Time(min)Phenolconcentration(mgL-1)010020030040050060005101520253035Time(day)Phenolconcentration(mgL-1)Start-of-CycleEnd-of-Cycle由醋酸根培養的顆粒污泥降解苯酚49AR-ngwtt-c在苯酚引入系統3天后系統可在每個運行周期內將苯酚去除。050醋酸根培養的顆粒污泥：“醋酸根顆粒污泥”其表面則由桿菌占主導地位引入苯酚培養30天后：絲狀細菌生長在“苯酚顆粒污泥”的表面苯酚引入系統前后顆粒污泥外形變化50AR-ngwtt-c醋酸根培養的顆粒污泥：“醋酸根顆粒污泥”其表面則由桿菌占主導DGGE(denaturinggradientgelelectrophoresis)

16SrRNA部分基因片斷圖。道1:徙動標準道2和3:引入苯酚當天時的顆粒污泥道4和5:30天時的顆粒污泥道6:徙動標準由遷徙的基因片斷判斷，顆粒污泥中細菌種群的組成在30天內發生明顯遷移。這個遷移對應了系統對苯酚的適應和處理的穩定過程。51AR-ngwtt-cDGGE(denaturinggradientgel有機物和氮的同時去除好氧顆粒污泥:一種同時去除有機物和氮的簡單、方便工藝解決方案52AR-ngwtt-c有機物和氮的同時去除好氧顆粒污泥:52AR-ngwtt-c在顆粒污泥中硝化、異養細菌的分布53AR-ngwtt-c在顆粒污泥中硝化、異養細菌的分布53AR-ngwtt-c化學需氧量和硝化曲線可實現有機物和氮的同時去除，并且流程簡單，操作維護容易好氧顆粒污泥:異養，硝化，反硝化細菌群的共存體54AR-ngwtt-c化學需氧量和硝化曲線可實現有機物和氮的同時去除，并且流程簡單磷的去除懸浮污泥絮體的顆粒化集磷菌(PAO)容易得到分離避免了經常發生在高效生物去磷系統中的污泥膨脹問題好氧顆粒污泥中富磷含量可占總污泥重量9.3％CO