好氧颗粒污泥培养

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好氧颗粒污泥的优点及应用
相对结实的微观结构


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
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影响好氧颗粒污泥形成的一些因素
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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
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厌氧菌的存在
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
微生物细胞和厌氧菌（Bacteroides） 的杂交测试荧光分布图
接种污泥(经过3个月的储存)
100
接种并在反应器中运行一天后
Microbial activity (mgO 2/g/h)
80 60
94.5
40 20 0
13.4 Seed sludge 1 day after startup 2 day after startup 38.7
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
0.3 cm/s 上升气流速度
1.2 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 AR-ngwtt-c
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不同控制泥龄下形成的 好氧颗粒污泥的外部形态
5天泥龄
10天泥龄
20天泥龄
30天泥龄
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好氧颗粒污泥的储存
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80

颗粒污泥能被储存数月
而无结构分解现象发生。
SOUR (mg/g.h)
60

40
葡萄糖培养的颗粒污泥
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。
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醋酸根培养的颗粒污泥
0 0 30 60 90 Storage time (days) 120 150
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由储存的颗粒污泥接种并启动生物反应器
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生物颗粒污泥技术
厌氧颗粒污泥
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
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厌氧颗粒污泥的主要缺陷
• 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
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0.5-1.0
1.0-2.0 >2.0
0.82
1.65 2.54
0.72 (0.13)
0.77 (0.14) 0.82 (0.13)
0.77 (0.12)
0.74 (0.15) 0.70 (0.15)
60.6 (3.2)
57.6 (4.2) 74.1 (2.2)
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• • • • •
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
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Size (mm)
0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 Operation time (days) 25 30

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1.2 cm/s时的剪切力作 用下维持稳定。 没有颗粒的形成！
300 250
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
1.0 0.5 0.0 0
15
污泥体积指数
10
20 30 Operation time (days)
40
50
MLSS concentration (g/L)
12 9 6 3 0 0 10 20 30 Operation time (days) 40 50
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实验室规模反应器中形成的好氧颗粒污泥
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
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32.4 (4.5)
34.4 (5.0) 40.4 (5.2)
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好氧颗粒污泥的微生物特性
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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
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通道及孔状结构
颗粒中心 颗粒边缘
Integrated fluorescence, relative units
尺寸大小分类 (直径, mm) <0.15 0.15-0.5
平均直径 (mm) 0.09 0.35
近圆率 (aspect ratio) 0.69 (0.15)
圆满度 (roundness) 0.88 (0.16)
% 污泥有机成分 90.1 (1.6) 80.9 (1.4)
污泥体积指数(mL/g) 178.3 (11.1) 104.8 (8.1)
1.5 g/L/d (500 mg COD/L)
3.0 g/L/d (1000 mg COD/L)
6.0 g/L/d (2000 mg COD/L)
9.0 g/L/d (3000 mg COD/L) AR-ngwtt-c
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在不同水力剪切力下形成的好氧颗粒污泥
0.5 0.4

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。
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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。
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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。
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好氧颗粒污泥中的 微生物分布
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颗粒边缘
Size < 1mm Size 2-3mm
Size 1-2mm
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。
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接种污泥的物理外观及形态
光学显微镜 观察结果
电子扫描显微镜
观察结果
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种泥
1星期后
B
3星期后
2星期后
D
C
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2.0 1.5
Size (mm)
350
颗粒尺寸
300 200 150 100 50 0
SVI (mL/g)
250
一个典型的颗粒化过程
200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 Time (days) 25 30
SOUR (mg/g/h)
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
好氧颗粒污泥的形成机理
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细胞自固定过程中百度文库四个步骤
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:
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
步骤 3: 生物聚合体的成熟，促进这一过程的作用包括：
• • •
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 相互作用，进而导致具有高度组织性的微生物结构形成
250000 200000 150000 100000 50000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Distance for the edge of granule, um
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： 图中颗粒污泥直径为0.55 mm，在颗粒表面下250m处明显存在一多微孔层。
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好氧颗粒污泥的特性
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好氧颗粒污泥和传统活性污泥性质的比较
葡萄糖培养的颗粒污泥
平均直径 (mm) 污泥体积指数 (mL/g） 2.4±0.71 51-85
活性污泥
0.15 150-250
沉降速度 (m/h)
反应器中的污泥浓度 (g/L) 密度 (g/L) 颗粒污泥强度 (%) 近圆率 (aspect ratio) 疏水性 (%) 耗氧率 (SOUR, mgO2/g/hr） COD去除率 (%)
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
反应器启动
(1) 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
接种颗粒和曝气一天 后颗粒的观察比较
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
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不同底物培养的好氧颗粒污泥
葡萄糖
醋酸根
苯酚
氨氮化合物
含磷化合物
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在不同有机负荷率下形成的好氧颗粒污泥
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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
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
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35±8.5
8.0-15.0 41.1±6.9 98±0.9 0.79±0.06 68.0±3.9 69.4±8.8 96.6±1.6
<10
3.0-5.0 ~ 较弱 外形不规则 ~ 100 90%
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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)
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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
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a
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好氧颗粒污泥的形成
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好氧颗粒化是
一个逐渐的演化过程:
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
好氧颗粒污泥 新一代的污水生物处理技术
Director, Institute of Environmental Science and Engineering Head, Div of Environmental and Water Resources Engineering School of Civil and Environmental Engineering Nanyang Technological University Singapore
SVI (mL /g)
200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 Operation time (days) 25 30
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图中表面上升气流速度： : 0.3 cm/s O : 1.2 cm/s : 2.4 cm/s ∆ : 3.6 cm/s
不同剪切力作用下形成的 好氧颗粒污泥的外部形态