生物膜反应器中好氧颗粒污泥形成机理_王荣昌

生物膜反应器中好氧颗粒污泥形成机理
王荣昌,　文湘华,　钱　易
(清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100084)
摘　要:　研究了新型悬浮载体生物膜反应器对生活污水中CO D 和氨氮的去除效果,就生物量和生物相的变化规律进行了分析,在此基础上探讨了反应器内好氧颗粒污泥的形成机理。

试验发现,所形成的好氧颗粒污泥为白色绒球状,平均粒径为2～3mm ,最大可达5mm 左右,相对密度
在1.12～1.14之间,沉速为29.7～46.0m /h ;反应器内的微生物以附着生长型为主,生物量(SS )为5.0～15.0g /L ,好氧颗粒污泥在总生物量中所占的比例较小(约为1/10)。

此好氧颗粒污泥可看成是脱落的生物膜在特定外部环境条件下所形成的具有特殊结构的微生物聚集体,其主要是由丝状细菌的菌丝缠绕而成,同时有球菌、杆菌等其他微生物附着生长在菌丝上。

关键词:　悬浮载体生物膜反应器;　好氧颗粒污泥;　生物膜;　丝状细菌
中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1000-4602(2004)03-0005-04
Formation Mechanism of Granular Sludge in Suspended Carrier
Biofilm Reactor
WANG Rong -chang ,　WEN Xiang -hua ,　QIAN Yi
(State Key Joint Lab of Environme ntal Simulation and Pollution C ontrol ,Tsinghua Unive rsity ,Be ijing 100084,China ) Abstract :　After studying on the C OD and NH 3-N removal efficienc y in a suspended carrier biofilm reactor and analysis of variation of biomass and biofacies ,discussion was made on the formation mechanism of aerobic granular sludge in the reactor .It was found that the formed aer obic granules are white flocculus with 2～3mm in average diameter (up to 5mm the maximum ),relative density 1.12～1.14,and settling velocity 29.7～46.0m /h .In the reactor the biomass (SS )was 5.0～15.0g /L ,the main proportion of which was the attached -growth bacteria and aerobic granular sludge only acc ounted for about ten percent .The formed aerobic granules can be considered as micr obial congeries with special structure ,which is for med by the falling -off biofilm under special environment .They are mainly composed of filamentous bacteria and the other bacte -ria such as cocci and bac illi are attached on them .
Keywords :　suspended carrier biofilm reactor ;　aer obic granular sludge ;　biofilm ;　fila mentous bac -teria
基金项目:科技部重点专项专题(2000-3);　清华大学“985”基金资助项目
对好氧颗粒污泥形成机理的研究始于20世纪90年代末期。

Morgenroth 等人[1]采用污水处理厂的活性污泥为接种污泥,在SBR 反应器内培养出了好
氧颗粒污泥,并通过光学显微镜和激光共聚焦扫描显微镜对它的结构进行了观察,结果发现一种名为G e otrichum sp .的丝状细菌构成了该污泥的骨架,其
中国给水排水
2004Vol .20 C HI NA WATER &WASTE WATER No .3
他的细菌则附着在该丝状细菌的表面;污泥颗粒的平均粒径在2.35mm 左右,最大可达7mm ,沉速为30～40m /h 。

Peng 等人[2]
采用醋酸钠配制的人工合成污水,对低溶解氧(0.7～1.0mg /L )条件下SBR 反应器内好氧颗粒污泥的形成过程进行了研究,得到了直径为0.3～0.5mm 的颗粒污泥,其SV I 为80～100mL /g ,在水力停留时间为8h 、泥龄为20d 、水温为25℃的条件下反应器可去除TO C 为2.16g /(gSS ·d ),去除氨氮为0.24g /(gSS ·d )。

Tay 等人[3]对悬浮污泥层SBR 反应器内好氧颗粒污泥的产生及其颗粒化过程的机理进行了探讨,竺建荣等[4]在普通曝气条件下,通过控制厌氧—好氧交替工艺(Alter -nation of Anaerobic /Aerobic Process ,AAA )的运行条件也培养出了好氧颗粒污泥,并描述了该污泥的形态和理化特性,以及对有机物和磷的去除效果,其所采用的工艺实际上是SBR 工艺的变型。

以上研究均是在SBR 反应器内实现好氧污泥颗粒化过程的,笔者则在连续流悬浮载体生物膜反应器内发现了好氧颗粒污泥的形成。

1　试验装置与方法1.1　试验装置
试验所用反应器为改进后的悬浮载体生物膜反应器(SCBR ),属于流动床生物膜反应器的一种,其结构见图1。

图1　反应器结构示意图
反应器采用有机玻璃加工而成,反应区有效体积为6L ,沉淀区有效体积为2L 。

生物膜载体选用聚氯乙烯柱粒,直径为2.5mm ,高度在2.5～3.0m m 之间,密度与水相近,比表面积为30.7m 2
/kg 。

反应器采用微孔金属板曝气(既为微生物供氧,又可保证载体的充分悬浮)。

1.2　试验方法
以动态连续试验为主,进水是用工业葡萄糖、氯
化铵、磷酸盐缓冲液和微量元素配制的模拟生活污水,其中C ∶N ∶P =100∶5∶1,配制用水采用经颗粒活性炭过滤的自来水。

所得进水的CO D 为160～180mg /
L ,氨氮为20～30mg /L 。

采用尺寸完全相同的两个反应器(R1和R2)进行试验,其中R1的水力停留时间(H RT )为3h ,水力负荷为8m 3/(m 3·d ),R2的H RT 为0.5h ,水力负荷为48m 3/(m 3·d ),其他参数相同:载体投量为30%,反应器内混合液的温度在10～13℃之间,pH 值为7.0～7.5,DO 为5.1～6.3mg /L 。

1.3　分析项目与方法
C O
D 、SV I 和SS 均采用标准方法测定[5]
,氨氮
采用纳氏试剂分光光度法测定[6]
,光学显微镜采用Nikon Optiphot X -2型生物研究显微镜,颗粒污泥的
微观结构采用S -570型扫描电子显微镜观察,颗粒
污泥密度和沉速的测定方法参照文献[4]。

2　结果与讨论2.1　生物膜和颗粒污泥的形成
试验装置于2003年3月15日开始启动,接种污泥采用北京市高碑店污水处理厂的剩余污泥。

运行7d 后载体表面生长出白色绒毛状生物膜,至第15天左右时生物膜开始成熟,反应器内混合液中开始出现微小的絮状污泥(粒径在1mm 以下);反应器运行到第20天左右时,絮状污泥的粒径逐步增大而形成了明显的白色绒球状颗粒污泥:平均粒径为2～3mm ,最大可达5mm 左右。

在光学显微镜下观察颗粒污泥时,可看到其内部有一个比较密实的核心(见图2)。

试验中所形成的颗粒污泥的相对密度在1.12～1.14之间,沉速为29.7～46.0m /h ,与竺建荣(1999年)及Morgenr oth 等人(1997年)的研究结果比较接近。

图2　好氧颗粒污泥的核心
2.2　对CO D 和氨氮的处理效果
在反应器运行过程中,进、出水CO D 和氨氮浓度及其去除率的变化如图3和图4所示。

图3　进、出水COD
浓度及去除率
图4　进、出水氨氮浓度及去除率
由图3可以看出,进水CO D 在100～250mg /L
之间波动(平均值为150mg /L ),R1出水C OD 为30～100mg /L (平均值为40mg /L ),去除率在80%左右;R2出水C O D 为50～150mg /L (平均值为70mg /L ),去除率为60%左右。

可见,R1对CO D 的去除效率要高于R2。

由图4可知,进水氨氮浓度在25mg /L
左右,两反应器的出水NH +
4-N 值均在20m g /L 左右,对氨氮的去除效率都不是很高(<20%)。

2.3　生物量的变化
在悬浮载体生物膜反应器内,生物主要分为附着生长的微生物(以生物膜的形式存在)和悬浮生长的微生物(以污泥絮体和颗粒污泥的形式存在,而且以颗粒污泥为主)。

试验中分别对两个反应器内生物膜和颗粒污泥量随时间的变化进行了比较,结果如图5、6所示。

图5　
颗粒污泥量的变化
图6　生物膜量的变化
由图5可知,R1内的颗粒污泥浓度一般在0.3～0.9
g /L 之间,而R2内的则较小(一般都在0.3g /L 以下)。

从图6可知,R2内附着型微生物(生物膜)量要高于R1(R2内附着型微生物量一般在5.0～15.0g /L 之间,而R1内的在5.0g /L 以下)。

笔者对两个反应器中单位体积内的总生物量(生物膜和颗粒污泥的总和)随时间的变化也进行了分析。

由于反应器内的生物膜量高于颗粒污泥量(前者约为后者的10倍以上),故R2内的总生物量便高于R1。

试验中也发现总生物量的变化趋势和膜生物量的变化趋势相近,这也从侧面反映了好氧颗粒污泥在总生物量中所占比例较小。

2.4　生物相观察
生物膜和颗粒污泥的微观结构分别如图7和图8所示。

图7　生物膜的微观结构
由图7可以看出,载体表面的生物膜可大致分为内、外两层,其中内层基膜(比较密实)主要由大量球菌、杆菌及其胞外分泌物组成,而表膜(较疏松)主
要是由丝状细菌的菌丝组成,且菌丝的表面附着生长有球菌、杆菌等。

由图8可知,颗粒污泥是由大量的丝状细菌的菌丝缠绕而成的绒球状颗粒,在菌丝表面也附着生长有一些球菌和杆菌。

由此可见,载
体表面的生物膜和颗粒污泥的生物相组成相近,均
由丝状细菌和附着其上的球菌和杆菌组成,而且都有比较密实的内层基膜或者核心,因此可以推断载体表面的生物膜和颗粒污泥具有同源性。

图8　颗粒污泥的微观结构
2.5　好氧颗粒污泥形成机理的探讨
由于生物膜和颗粒污泥具有同源性,这样就可以把颗粒污泥看成是脱落的生物膜在特定环境(特别是外部水力条件)下所形成的具有特殊结构的微生物聚集体。

而反应器内的生物相呈一定的周期性变化,主要可分为六个阶段:初期吸附阶段;生物膜初期形成阶段;丝状菌增殖阶段;生物膜脱落阶段;污泥颗粒化阶段;新生物膜形成阶段,即新的一个周期开始。

由于反应器内水力剪切及颗粒碰撞摩擦等因素的共同作用,载体表面的生物膜会不断脱落,生物膜实际上是处于一个生长和脱落的动态平衡中。

生物膜脱落下来之后与基质的接触面积增加,基质传质通量加大,有利于微生物的快速生长。

而一般丝状细菌的生长速度要快于球菌、杆菌等其他微生物,同时在外部水力剪切和颗粒碰撞摩擦等作用下逐渐缠绕成绒球状,进而形成颗粒污泥。

随着丝状细菌的生长则颗粒污泥粒径逐渐增大,同时一些球菌、杆菌也在丝状细菌的表面附着生长和增殖。

随着好氧颗粒污泥粒径的逐渐增大,基质向颗粒内部的传质受到限制,其内部核心附近的微生物的生长便会受到抑制,并出现细胞解体或者厌氧酸化等现象,颗粒污泥的核心便会逐渐破碎,颗粒污泥
逐渐解体(分解成多个小的颗粒),从而导致颗粒污泥数量的增加。

3　结论
①　悬浮载体生物膜反应器内可以形成白色绒球状好氧颗粒污泥,其平均粒径在2～3mm ,最大可达5mm 左右,它的相对密度在1.12～1.14之间,颗粒污泥的沉速为29.7～46.0m /h 。

②　反应器内的微生物以附着生长为主,生物量在5.0～15.0g /L ,好氧颗粒污泥在总生物量中所占比例较小,约为1/10左右。

③　试验中所形成的好氧颗粒污泥可看成是脱落的生物膜在特定环境下所形成的具有特殊结构的
微生物聚集体。

参考文献:
[1]　Morgenroth E ,Sherden T ,van Loosdrecht M C M ,et al .Aero -bic granular sludge in a sequencing batch reactor [J ].Wat Res ,1997,31(12):3191-3194.
[2]　Peng Dangcong ,Nicolas B ,Delgenes J P ,et al .Aerobic gran -ular sludge -a case report [J ].Wat Res ,1999,33(3):890-893.
[3]　Tay J H ,Liu Q S ,Liu Y .Aerobic granulation in sequential
sludge in sequential sludge blanket reactor [J ].Wat Sci Tech ,2002,46(4～5):13-18.
[4]　竺建荣,刘纯新.好氧颗粒污泥的培养及理化特性的研
究[J ].环境科学,1999,20(2):38-41.
[5]　美国公共卫生协会AHPA ,自来水厂协会AWWA ,水污
染控制联合会WPCF .宋仁元译.水和废水标准检验法(第15版)[M ].北京:中国建筑工业出版社,1982.[6]　国家环保局.水和废水监测分析方法(第3版)[M ].北
京:中国环境科学出版社,1989.
作者简介:王荣昌(1976-　),　男,　山东德州人,　
博士研究生,　研究方向为水污染控制和水体生物修复。

电话:(010)62775345(H )　62778943(O )E -mail :richard wang00@mails .tsinghua .edu .cn 收稿日期:2003-09-19
本期责任编辑:　江　荣 编辑:　衣春敏　孔红春　王领全。