好氧颗粒污泥藻酸盐提取物的聚集形态研究
林跃梅,王琳
(中国海洋大学环境科学与工程学院,青岛 266100)
摘要:为探寻细菌藻酸盐对好氧污泥颗粒化的作用,借鉴海藻酸盐的提取方法,将好氧颗粒污泥中的细菌藻酸盐提取和鉴定
后,对10~500mg ?L -1范围内不同浓度的藻酸盐提取物在50mg ?L -1CaCl 2溶液中的聚集形态进行了原子力显微镜观察.结果
表明,细菌藻酸盐占好氧颗粒污泥干重的3511%±119%.在CaCl 2作用下,藻酸盐提取物具有从无序聚集成有序状态的超分子自组装特性,随着浓度的增加,藻酸盐提取物自发聚集,由纳米级的胶束微球聚集为微米级的花状,进而连接成网状成层堆积.好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐通过形成具有三维空间结构的细菌藻酸盐2金属凝胶而对颗粒污泥的形成起骨架作用.其中,细菌藻酸盐2Ca 2+凝胶在颗粒污泥的形成和维持其稳定结构中起主要作用.关键词:好氧颗粒污泥;细菌藻酸盐;超分子自组装;原子力显微镜
中图分类号:X70311 文献标识码:A 文章编号:025023301(2008)0521181206
收稿日期:2007205216;修订日期:2007208208
基金项目:国家自然科学基金项目(30570339);教育部科学技术研究
重点项目(106105)
作者简介:林跃梅(1973~),女,博士,主要研究方向为污水生物处
理,E 2mail :to -zhangm in @https://www.wendangku.net/doc/372129462.html,
Self 2aggregation Property of B acterial Alginates Extracted from Aerobic G ranules
LI N Y ue 2mei ,W ANGLin
(Environmental Science and Engineering C ollege ,Ocean University of China ,Qingdao 266100,China )
Abstract :T o explore bacterial alginates role in aerobic granules ’formation ,the alginate was extracted from aerobic granules and identified.I ts
aggregation property in 50mg ?L -1
CaCl 2s olution was investigated by the atomic force microscopy (AF M ).Bacterial alginates am ounted to
3511%±119%of granules ’dry mass.With the concentration increased from 10mg ?L -1to 500mg ?L -1in 50mg ?L -1
CaCl 2,the extracted alginates tended to form ordered aggregations ,with the shape changed from randomly distributed globules ,to rod 2like and flower 2shaped aggregations ,and finally to weblike netw orks due to their supram olecular self 2assembly property.The three dimensional alginate 2metal gel is
the structural polymer of aerobic granules ,and the alginates 2Ca 2+
gel formation plays an im portant role in granules ’formation and structure stabilization.
K ey w ords :aerobic granules ;bacterial alginates ;supram olecular self 2assembly ;atomic force microscopy (AF M )
细菌胞外多糖被视为微生物细胞间黏附的重要介质,通过在不同微生物表面的桥联作用产生具有三维空间结构的母体,从而促进微生物聚集体的形成[1]
.藻酸盐(alginates )是一类由细菌产生的胞外多聚糖,它在活性污泥絮体的形成中发挥着重要作用
[2]
.作为与活性污泥絮体相似的好氧微生物聚集
体,好氧颗粒污泥中可能也存在着一定量的细菌藻酸盐,并且细菌藻酸盐的特性可能对颗粒污泥形成和特性产生重要的影响.
藻酸盐与众不同的特性在于其能在金属离子浓
度很低时,与二价以上的金属离子(Mg 2+和Hg 2+
除外)在温和的条件下形成热力学稳定的凝胶.其中,Ca 2+
是最典型的代表离子
[3]
.而好氧颗粒污泥外观
近似凝胶颗粒,并且在其培养过程中,一定浓度的Ca 2+存在于人工废水中.因此,有必要通过提取好氧
颗粒污泥中的细菌藻酸盐,并探讨其在Ca 2+
溶液中的聚集形态,确定细菌藻酸盐凝胶在颗粒污泥形成中的作用.
作为一种新型仪器技术手段,原子力显微镜
(AFM )自1986年首次发明并投入商业应用以来,以
其独特的高分辨成像能力、样品不受导电性限制、可在大气、真空及液体环境条件下进行成像观察等优点,在生物医学、材料、表面科学以及纳米加工等领
域得到了广泛应用[4~7]
.目前在环境工程领域中,
AFM 的应用正逐渐得到重视[8]
.由于AFM 可给出样品表面微观形貌和三维结构,将其引入好氧颗粒污泥的研究必定能得到更多有关颗粒形成机理的信息.
本研究尝试提取好氧颗粒污泥中的细菌藻酸盐,并利用AFM 研究不同浓度的好氧颗粒污泥藻酸盐提取物在CaCl 2溶液中聚集形态,模拟好氧颗粒污泥反应器中,在金属离子存在的条件下细菌藻酸盐一经产生后的聚集现象,为解释好氧颗粒污泥的密实结构和形成机理提供必要的信息.
第29卷第5期2008年5月
环 境 科 学E NVIRONME NT A L SCIE NCE
V ol.29,N o.5May ,2008
1 材料与方法
111 好氧颗粒污泥的培养和细菌藻酸盐的提取好氧颗粒污泥在高130cm,内径6cm,工作体积316L的圆柱形有机玻璃反应器内培养.人工废水以醋酸钠为碳源,C OD负荷610kg?(m3?d)-1,其它具体成分为:NH
4
Cl192mg?L-1,NaH2PO422 mg?L-1,Na2HPO4?10H2O6018mg?L-1,FeCl34168 mg?L-1,CaCl2?2H2O15mg?L-1,MgS O4?7H2O1215 mg?L-1.反应器运行周期为4h(曝气225min,沉降、出水和进水各5min),运行温度为25℃±2℃.反应器中部设有排水口,体积交换比为50%.空气由反应器底部结晶砂微孔曝气器进入,气体流速3~315 L?min-1.接种污泥为青岛市团岛城市污水处理厂曝气池中的活性污泥.
好氧颗粒污泥反应器中污泥浓度(M LSS、M LVSS)、污泥沉降指数(S VI)的测定参照美国APH A 标准方法[9],污泥粒径采用激光粒度分析仪(Malvern Mastersizer Series2600,Malvern Instruments,UK)测定.
好氧颗粒污泥成熟后,参照藻类中藻酸盐的提取方法[10]提取好氧颗粒污泥中的细菌藻酸盐,采用联合国粮农组织(FAO)和国家部颁西药标准中藻酸盐的鉴定方法[11,12]进行鉴定,并测定其纯度.
112 好氧颗粒污泥中金属元素含量的测定
成熟好氧颗粒污泥金属元素K、Ca、Na、Mg、Fe 含量测定如下:将干好氧颗粒污泥011g用浓硝酸2高氯酸消解后,使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)(Perkin2E lmer Optima3300DV,美国)测定.
藻酸盐的提取和金属元素的测定均同时取15个平行样,测定结果为15次测量的平均值.
113 原子力显微镜制样
分别移取不同浓度藻酸盐提取物水溶液10、50、100、250、500mg?L-1各10μL置于新解理的经NiCl2处理后的云母基片上,充分铺展,在室温下静置一段时间.再各取5μL50mg?L-1CaCl2溶液,浇铸在上述各云母片上,充分摇动云母基底,使之尽量铺展,静置得到透明均一的溶液.室温下自然风干成膜.整个实验均在室温、自然大气压下完成.将处理好的样品置于原子力显微镜(SPM29500J3, SHI MADZ U,Japan)下以接触模式观察.
2 结果与分析
211 细菌藻酸盐的提取和鉴定
好氧颗粒污泥反应器运行达到稳态后,反应器中M LSS为814g?L-1±017g?L-1,M LVSS为713 g?L-1±015g?L-1,S VI27m L?g-1±3m L?g-1,颗粒污泥平均粒径为117mm±015mm.从成熟的好氧颗粒污泥中提取的藻酸盐占污泥干重(M LSS)的3718%±115%,经测定,提取物纯度为9218%±417%.根据文献[10]计算得到,好氧颗粒污泥中纯藻酸盐的含量为3511%±119%.FAO和国家部颁鉴定方法中各鉴别反应均显阳性,可进一步证实,提取物为藻酸盐.
藻酸盐由细菌和褐藻产生,由于接种污泥中不含有褐藻,因此好氧颗粒污泥中的藻酸盐为细菌藻酸盐.与其他的细菌胞外多糖不同,细菌藻酸盐由某些细菌在贫营养条件下分泌产生[2].而目前好氧颗粒污泥几乎都在S BR反应器中培养,间歇性的贫营养状态是S BR反应器最大的特点.好氧颗粒污泥中含有大量细菌藻酸盐的事实证明,S BR反应器特有的贫营养条件与好氧颗粒污泥中细菌胞外多糖的重要组分之间存在着不容忽视的关联性.
212 好氧颗粒污泥中的金属元素含量
好氧颗粒污泥中的金属元素含量测定结果见表1.Ca的含量远高于其它的金属元素,表明好氧颗粒污泥积累Ca的能力较强.
表1 好氧颗粒污泥中的金属元素含量Πmg?g-1
T able1 M etal element contents in aerobic granulesΠmg?g-1
指标K Ca Na M g Fe
好氧颗粒污泥01187±010015717±0153514±01301713±010*******±01002
213 不同浓度藻酸盐提取物的分子自组装聚集形态
图1为原子力显微镜下不同浓度藻酸盐提取物与50mg?L-1CaCl2作用后的聚集形态.可以看出,随着浓度的增加,藻酸盐提取物在50mg?L-1CaCl2中具有分子间自发聚集的趋势,聚集形态由球状[图1(a)]经历珍珠项链状[图1(b)]向棒状[图1(c)]、花状[图1(d)]变化,最终变为网状成层堆积[图1 (e)].聚集体的大小可由50nm×50nm的球状增至超过10μm×10μm的网状.聚集体的纵向高度也随着浓度由6、13、32、50nm增至76nm.根据周世海等[13]的研究,藻酸盐的分子链高度为215~312nm,
2811环 境 科 学29卷
(a)~(e)分别为藻酸盐提取物浓度10、50、100、250、500mg?L-1
图1 不同浓度藻酸盐提取物在50mg?L-1C aCl2溶液中的聚集形态
Fig.1 Self aggregation property of the extracted alginates with different concentrations in50mg?L-1CaCl2under AFM
直径约为12~24nm.由此而计算,提取物与50 mg?L-1CaCl2作用后形成的聚集体是由多个藻酸盐分子聚集形成的,是分子间通过非共价键合作用而聚集组织在一起.这在超分子化学领域中被称为超分子自组装行为[14].藻酸盐是由数量不一的1,4连接的β2D2甘露糖醛酸残基(M)及其差向异构体α2L2古洛糖醛酸残基(G)组成的不含分支结构的嵌段共聚物.其单体以连续的甘露糖醛酸残基组成的区(M M区)、由古洛糖醛酸残基组成的区(GG区)和由2类残基交替变化区(MG区)的嵌段形式分布(图2).与M M区和MG区相比,GG区对Ca2+的亲和性最强,以“蛋格结构”与Ca2+形成水不溶物(图3)[15].因此,在CaCl
2溶液中,藻酸盐分子可以看作含有1个GG区疏水链段的双亲性嵌段共聚物.在浓度很低时(即临界胶束浓度以下),单个聚合物以单分子链的形式溶解在溶液中.而在临界胶束浓度以上,不溶单元数增加,与水分子间的相互作用增大而导致聚集.不溶嵌段聚集的同时,可溶嵌段的存在导致聚合物胶束化.
胶束化过程中,在浓度较低时,形成球形胶束聚集体,如图1(a).胶束内核由疏水链段组成,亲水链段以溶剂化形式在核周围形成壳层,以维持胶束的稳定性[16].随着浓度的增加,球形胶束连接在一起形成珍珠项链状[图1(b)],这是藻酸盐聚集体由球向棒转变的起始阶段.当浓度经50mg?L-1变为100 mg?L-1时,珍珠项链聚集体变为棒状胶束聚集体[图1(c)].而当浓度增至250mg?L-1时,藻酸盐形成大小由1μm×1μm~5μm×5μm不等的花状聚集体.图1(d)清楚地显示,花状聚集体的每一个花瓣都是由粒径变大的长棒状胶束聚集形成.这是由于浓度的增加使藻酸盐胶束碰撞机会增大,而胶束是软物质,碰撞后本身会发生较大的形变,按一定方向析出并逐渐长大成花状.藻酸盐浓度的继续增加(500mg?L-1)使胶束在云母片上连成网状,成层堆积[图1(e)],这种网状结构也是由球状体和棒状体为基本单位构成的.图1(a)~1(e)的变化过程实际
3811
5期林跃梅等:好氧颗粒污泥藻酸盐提取物的聚集形态研究
是一种分子聚集体从无序变为有序,从低级有序变为高级有序的过程,是分子间通过非共价键(如氢键,ππ相互作用等)作用自发组装成的超分子聚集体[17].可见,好氧颗粒污泥藻酸盐提取物在Ca2+的作用下具有分子自组装的特性.这与其他报道中海藻酸盐的自组装行为相同[13,17].
3 讨论
311 热力学解释
超分子自组装过程多受热力学驱动,整个自组装过程是使体系自由能趋于最低值[17].当嵌段共聚物浓度增加时,由于形成核的不溶性嵌段的浓度也增加,熵对整个组装过程的贡献增大,整个过程变为熵驱动为主[18].虽然藻酸盐分子聚集时由于形成更有序的结构使一部分熵减小,然而,在CaCl
2水溶液中不溶嵌段GG2Ca会发生疏水水合作用,这时水分子有序地排列在其周围.当藻酸盐浓度增大时,更多的GG2Ca嵌段聚集,使周围水分子的有序结构被打
破,体系的总熵增加,驱动着藻酸盐分子在CaCl
2
溶液中随着浓度的增加自组装成粒径更大的聚集体.根据热力学定律,对于熵驱动的过程,当熵增加时,
自由能降低,因此藻酸盐提取物在CaCl
2溶液中的超分子自组装过程可以自发进行,在热力学上是稳定的.
藻酸盐还是一种聚电解质,如图2所示,每一个糖醛酸残基中都含有带电基团—C OO-.在CaCl2溶液中,GG嵌段由于“蛋格结构”形成不溶物变为内核,M M、G M嵌段形成外壳.电荷的吸引使Ca2+镶嵌在柔性M M、G M嵌段中的—C OO-周围,整体电荷的中和降低了—C OO-分子链之间的排斥力,形成了球状和棒状聚集体.这些聚集体的形成既减少了聚电解质带电基团之间的静电斥力,又保持了聚合物分子链间的短程作用力,如分子间的氢键、偶极作用和分子的取向力等[19~22].进而随着浓度的增加,这些短程作用力促使球状和棒状聚集体进一步组装成粒径更大的花状和三维网状聚集体,最终形成凝胶析出.
312 藻酸盐凝胶对好氧颗粒污泥形成的作用藻酸盐最突出的特性是能在金属离子浓度较低时,与二价以上的金属离子(Mg2+和Hg2+除外)在温和的条件下形成凝胶.藻酸盐分子含有M M、GG和G M链段,各链段与金属的结合能力主要取决于分子的立体化学结构以及金属离子的半径和所带的电荷.GG嵌段相邻糖单元的羧基和糖苷键氧以及羟基氧在主链的同侧,形成具有蛋盒形状的空穴(
图
(a)β2D2甘露糖醛酸残基(M)和α2L2古
洛糖醛酸残基(G);(b)藻酸盐G M,GG,M M嵌段
图2 藻酸盐单体及嵌段结构
Fig.2 M onomers and blocks of alginates
2b),非常适合金属离子,尤其是二价金属离子的嵌入.因此GG链段成为藻酸盐分子结合金属离子的主要链段,并且对二价金属的选择性较强.其中, Ca2+是最典型的代表离子[3].它的离子半径为0195!,以sp3轨道杂化与GG链段4个氧原子形成配位[15],易于嵌入GG链段的空穴,以蛋格结构结合(图3).
在好氧颗粒污泥培养过程中,S BR反应器的间歇贫营养条件促进了细菌藻酸盐的分泌[23].人工废水中的金属离子为K+、Ca2+、Na+、Mg2+和Fe3+,其中Ca2+的离子半径及所带的电荷导致其与藻酸盐GG链段的结合能力最强[15].在Ca2+等金属离子的诱导作用下,产生的细菌藻酸盐发生分子自组装,随浓度的增加具有形成大的网状聚集体的趋势,并可通过与细菌细胞膜作用而附着在细菌表面[19].已发生聚集的藻酸盐还可通过相互之间的短程作用力(如氢键)进一步组装,形成粒径更大的聚集体,成为细菌细胞黏附的重要介质.由此可见,在颗粒污泥中含量为3511%±119%的细菌藻酸盐通过形成具有三维空间结构的细菌藻酸盐2金属凝胶而对颗粒污泥的形成起重要的骨架作用.细菌藻酸盐与Ca2+的结合使Ca2+在好氧颗粒污泥中大量积累,含量可达到大于颗粒干重的5%.Qin等[24]和Jiang等[25]的研究也发现好氧颗粒污泥对Ca2+的积累能力较强,并且后者的试验表明,Ca2+浓度的提高可促进好氧颗粒污泥的形成.这些结果有力地证明,细菌藻酸盐2 Ca2+凝胶在好氧颗粒污泥的形成和维持其稳定结构中起重要作用.Chen等[26]对好氧颗粒污泥细菌胞外多糖进行了荧光原位染色研究,在同样采用醋酸钠为底物培养的好氧颗粒污泥中发现大量α2连接和β2
4811环 境 科 学29卷
图3 藻酸盐与C a2+为典型代表的金属离子作用形成的蛋格结构[蛋格中心为Ca2+,能形成蛋格结构的是聚古洛糖醛酸嵌段(GG)] Fig.3 “Egg2box”formed by alginates2Ca2+(GG block combining with Ca2+)
连接的多糖结构.由于藻酸盐中同时存在α2连接的古洛糖醛酸残基及β2连接的甘露糖醛酸残基,Chen 等[26]的研究也为颗粒污泥中的藻酸盐骨架结构提供了佐证.
由此可见,使用AFM对好氧颗粒污泥细菌藻酸盐提取物聚集特性进行研究,不仅简化了扫描电镜和透射电镜研究中复杂费时的制样过程,减少了由仪器边界条件等不确定因素造成的假象;而且通过模拟反应器中藻酸盐在Ca2+诱导下的分子自组装行为,揭示了细菌藻酸盐2Ca2+凝胶的三维桥联作用,为颗粒形成机理的探讨提供了重要的信息.
4 结论
(1)好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐含量为3511%±119%.大量细菌藻酸盐的发现表明,好氧颗粒污泥S BR反应器特有的贫营养条件与好氧颗粒污泥中细菌胞外多糖的重要组分之间存在着关联性.
(2)不同浓度的好氧颗粒污泥细菌藻酸盐提取物与50mg?L-1CaCl
2
溶液作用后,随着浓度的增加自发聚集,由纳米级的胶束微球聚集为微米级的花状,继而形成网状成层堆积.
(3)聚集体是通过分子间非共价键合作用而聚集组织在一起,是超分子自组装行为.这种由低级有序变为高级有序的过程,在热力学上是稳定的.
(4)好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐通过形成具有三维空间结构的细菌藻酸盐2金属凝胶而对颗粒污泥的形成起骨架作用.其中,细菌藻酸盐2Ca2+凝胶在颗粒污泥的形成和维持其稳定结构中起主要作用.
参考文献:
[1]W ingender J,Neu T R,Flemm ing H C1M icrobial Extracellular
polymeric substances:Characterization,structure and function[M].
Berlin:S pringer,1999.120.[2]Bruus J H,Nielsen P H,K eiding K.On the stability of activated
sludge flocs with im plications to dewatering[J].W ater Res,1992,
26:159721604.
[3]G rant G T,M orris E R,Rees D A,et al.Biological interactions
between polysaccharides and divalent cations:the Egg2box M odel
[J].Febs Letters,1973,32:1952198.
[4]何昆,张德添,张学敏,等.原子力显微镜在生物医学中的应
用[J].军事医学科学院院刊,2002,26(2):1392143.
[5]罗艳红,姜勇,雷玉国,等.原子力显微镜研究高聚物结晶的
最新进展[J].科学通报,2002,47(15):112121125.
[6]谢敬伟,暴宁钟,陆小华.扫描探针显微技术在T iO2表面研
究中的应用[J].化学通报,2002,7:4452451.
[7]张宇军,李鹏,胡元中,等.碳纳米管的操纵和剪切[J].科学
通报,2002,47(14):106621070.
[8]葛小鹏,潘建华,刘瑞霞,等.重金属生物吸附研究中蜡状芽
孢杆菌菌体微观形貌的原子力显微镜观察与表征[J].环境
科学学报,2004,24(5):7532760.
[9]American Public Health Ass ociation(APHA).S tandard methods for
the exam ination of water and wastewater[M].W ashington D C:
American Public Health Ass ociation,1998.
[10]张惟杰.糖复合物生化研究技术[M].杭州:浙江大学出版
社,1999.
[11]FAO.C om pendium of food additive specifications.Addendum5
(FAO F ood and Nutrition Paper252add.5)[C].R ome:Joint FAOΠ
WHO Expert C omm ittee on F ood Additives49th session,1997.
[12]WS201(X201)293(1),海藻酸钙海绵部颁标准[S].
[13]周世海,蔡继业,陈勇.钙离子对海藻酸钠自组装行为影响
的AFM研究[J].药物生物技术,2004,11(2):81285.
[14]Zhang L,E isenberg A.Multiple m orphologies and characteristics of
crew2cut m icelle2like aggregates of polystyrene2b2poly(acrylic acid)
diblock copolymers in s olution[J].Science,1995,268(5218):
1728.
[15]Davis T A,V olesky B,Mucci A.A review of the biochem istry of
heavy metal bios orption by brown algae[J].W ater Research,2003,
37:431124330.
[16]Halperin A,T irrell M,Lodge T P.T ethered chains in polymer
m icrostructures[J].Adv P olym Sco,1992,100:31271.
[17]江明,艾森伯格A,刘国军,等.大分子自组装[M].北京:科
学出版社,2006.
5811
5期林跃梅等:好氧颗粒污泥藻酸盐提取物的聚集形态研究
[18]Shen H,Zhang L,E isenberg A.Therm odynam ics of crew2cut
m icelle formation of polystyrene2b2poly(acrylic acid)diblock
copolymers in DMFΠH2O m ixtures[J].J Phys Chem B,1997,101
(24):469724685.
[19]C owm an M K,S pagn oli C,K udasheva D,et al.E xtended,relaxed,
and condensed con form ations of hyaluronan observed by atom ic force
m icroscopy[J].Biophysical Journal,2005,88:5902602.
[20]C obierre M K,Cameron N S,Lennox R B.P olymer2stabilized g old
nanoparticles with high grafting densities[J].Langmuir,2004,20
(7):286722873.
[21]G lass R,M oeller M,S patz J P.Block copolymer m icelle
nanolithography[J].Nanotechnology,2003,14(10):1153. [22]Y oo S I,S ohn B H,Z in W C,et al.Self2assembled arrays of zinc
oxide nanoparticles from m onolayer films of diblock copolymer
m icelles[J].Chem C omm,2004,24:285022851.
[23]旺达姆EJ,贝特斯S De,斯泰因比歇尔A.多糖Ⅰ———原核生
物多糖[M].北京:化学工业出版社,2004.1812210.
[24]Qin L,T ay J H,Liu Y.Selection pressure is a driving force of
aerobic granulation in sequencing batch reactors[J].Process
Biochem2004,39:5792584.
[25]Jiang H L,T ay J H,Liu Y,et al.Ca2+augmentation for
enhancement of aerobically grown m icrobial granules in sludge
blanket reactors[J].Biotechnol Lett,2003,25:95299.
[26]Chen M Y,Lee D J,T ay J H.Distribution of extracellular
polymeric substances in aerobic granules[J].Appl M icrobiol
Biotechnol,2007,73:146321469.
关于反对个别作者一稿两投行为的联合声明为保证所发表论文的首创性和学术严谨性,《环境科学》、
《中国环境科学》、
《环境科学学报》编辑部和《Journal of Environmental Sciences》编辑部特发表如下联合声明.
我们明确反对个别作者的一稿两投或变相一稿两投行为.自即日起,我们各刊在接受作者投稿时,要求论文全体作者就所投稿件作出以下承诺(附在投稿上):
1)来稿所报道的研究成果均系全体作者的原创性研究成果,文中报道的研究成果(含图、表中数据的全部或部分)未曾发表亦未曾投其它科技期刊.
2)在接到所投期刊编辑部关于稿件处理结果之前,所投稿件的全部或部分内容不再投其它科技期刊.
我们将认真对待作者所作的上述承诺,并建立信息共享机制,对违背上述承诺的作者(包括在文中署名的全体作者)采取联合行动.
净化学术环境、促进学术繁荣是学术期刊作者和编者的共同责任.我们诚恳地希望广大作者能够了解我们的上述立场和做法,并积极宣传和配合.
《环境科学》编辑部
《中国环境科学》编辑部
《环境科学学报》编辑部
《Journal of Environmental Sciences》编辑部6811环 境 科 学29卷
好氧颗粒污泥是通过微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥,与普通活性污泥相比,它具有不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷,集不同性质的微生物(好氧、兼氧和厌氧微生物)于一体等特点,现用于处理高浓度有机废水、高含盐度废水及许多工业废水。 培养办法 1、配制人工合成模拟废水 以乙酸钠为碳源,KH4C1为氮源,KI2P04为磷源,并加入适当微里元素作为补充:初始COD、HM3-F浓度分别为213mg/1左右和12mg/1左右: 2、接种污泥 采用普通絮状污泥为接种污泥,MLSS为3.0g/L,比重为1. 005, SVI为78ml/g: 3、采用
进水<-曝气-沉淀排水<-闲置的运行方式,每天四个周期,每周期6h, 进水10min,曝气300min,沉淀25min;排水5min,闲置20min.运行一周后逐渐趋于稳定状态; 4、逐步提高进水负荷 COD、MI3-E农度分别提高至400mg/1左右和30mg/l左右: 5、采用 进水-曝气-静置+搅拌-=次曝气沉淀排水-闲置的运行方式,运行周期调整为每天三个,每周期8小时:进水5min,曝气150min,静置+搅拌120min, 二次曝气120min,沉淀10min, 排水5min, 其余时间闲置,部分污泥趋向于颗粒化状态,形成具有脱氮功能的颗粒化污泥的雏形,随后的培养中根据情况不断减少沉淀时间,造成选择压,排出沉降性能差的絮状污泥,最终沉淀时间降至5min:初始颗粒内的各种微生物在颗粒内寻找适合自身生长增殖的生态位,并通过竞争与次级增长而衍生出新的代谢互补关系,由此进一步充实了颗粒污泥,形成了结
构紧密、外形规则的成熟颗粒污泥。 以上就是有关好氧颗粒污泥培养办法以及优缺点的一些相关介绍,希望对大家进一步的了解有所帮助。
好氧颗粒污泥技术进展 及应用现状 标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]
好氧颗粒污泥技术进展与应用现状 摘要:好氧颗粒污泥是一种具有良好沉降性能的颗粒状活性污泥。好氧颗粒污泥有较高的生物量,相较传统活性污泥有更高的有机负荷,并且运行成本也相对较低。因此,通过培养驯化好氧颗粒污泥并用于处理污水厂被广泛关注。本文简述了好氧颗粒污泥的概况及特性,介绍了相关的培养方法以及在实验室和工程方面的应用,并对好氧颗粒污泥的前景进行了展望。 关键词:好氧颗粒污泥;性质;驯化;应用 由于我国近些年水体富营养化和水污染严重,水污染控制技术的应用日益广泛。我国现有污水厂大多数采用活性污泥法处理污水。但是活性污泥法有污泥膨胀、沉降性能较差、剩余污泥量大等问题,严重限制了我国的污水处理。 好氧颗粒污泥是废水系统中微生物在好氧条件下,微生物自生自凝聚形成的一种颗粒状、结构紧密、沉降性能好、污染物处理效果明显的特殊的活性污泥,相较传统活性污泥,好氧颗粒污泥不会出现污泥膨胀、出水水质变差等问题。因此,好氧颗粒污泥应用与工业废水中难降解有机物的去除。另外,颗粒污泥具有高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性,具有很高的经济价值。 通过对好氧颗粒污泥特性的描述,以及对其形成机理进行描述,可以定性的了解好痒颗粒污泥的性质及应用;通过总结好氧颗粒污泥的的驯化及培养方法以及当下对好氧颗粒污泥的应用,预测污水厂应用好氧颗粒污泥的进一步发展。 1 好氧颗粒污泥的技术现状 1.1好氧颗粒污泥的特性
1.1.1好氧颗粒污泥的物化性质 1)基本性质 成熟的好氧颗粒污泥呈橙黄色,表面光滑,外观为球形或椭球形,其粒径在 mm,纵横比为,形状系数稳定在。好氧颗粒污泥的沉降速度与其大小和结构有关,一般在30- 70m/h,约为传统活性污泥(8~10 m/h)的3倍。好氧颗粒污泥主要包含C、H、O、N、S、P 等6种元素,以及少量的Ca、Mg、Fe等金属元素。由于所含无机元素种类不同,污泥颗粒可能出现不同的颜色。如当颗粒污泥含大量钙元素是会呈现白色[1]。 采用气升式内循环间歇反应器,分别以蔗糖和乙酸钠为进水碳源对好氧污泥颗粒化进行研究发现,以蔗糖为碳源时,污泥颜色由接种时的棕黑色逐渐变为棕黄色,在运行第 7d 时,反应器内出现细小颗粒化污泥,随后颗粒污泥逐渐增多长大,形成成熟的颗粒污泥。以乙酸钠为碳源,发现接种的絮状污泥在运行前10d,污泥颜色由棕黄色逐渐变成橙黄色,随着运行,颗粒污泥逐渐长大,多数为不规则的圆形[2]。 2)沉降性能 颗粒污泥的沉降性能受其结构和粒径的影响,粒径越大,密度越高,沉降效果越好。颗粒污泥的污泥体积指数(SVI)为,而普通活性污泥的SVI在100-150ml/g左右[3]。好氧颗粒污泥的沉降速率是普通絮凝污泥的3倍,较好的沉降性能可以增加污泥在反应器内的停留时间,提高了污泥中微生物体的降解能力。相关研究表明,污泥直径和沉降速率之间呈正相关[3]。 3)EPS的组分 胞外聚合物(EPS)是由于微生物的代谢而产生的一类粘性物质,其中,蛋白质是EPS的主要成分。McSwain的研究表明,好氧颗粒污泥的EPS含量较高,其主要成分为多
影响颗粒污泥形成的因素 颗粒污泥技术具有污泥量大,沉降速度快,微生物种类丰富,抗有机负荷冲击能力强和具有良好的有毒、重金属污染物去除等优点,近年来得到了广泛的关注和研究。目前人们已初步掌握了培养颗粒污泥的基本条件,但其形成的机制目前尚不清楚。本文对影响污泥颗粒化的因素的进行探讨,希望为污泥颗粒化的深入研究提供一个参考。影响因素: 1、基质 培养颗粒污泥首先对基质有一定的要求,一般的,在培养颗粒污泥的基质中COD:N:P=110~200:5:1.而有机废液的基质可分为偏碳水化合物类和偏蛋白质类。为了能顺利培养出颗粒污泥,对于偏碳水化合物类的污水需要添加N和P.而对于偏蛋白质类的污水需要添加碳源(如葡萄糖等)。有学者研究表明,不添加碳源,颗粒污泥的形成较为困难可见,适当比例的碳源对促成颗粒污泥形成是必要的。 2、温度 废水中的厌氧处理主要依靠微生物的生命活动来达到处理的目的,不同微生物的生长需要不同的温度范围。温度稍有几度的差别,就可在两类主要种群之间造成不平衡。因此,温度对颗粒污泥的培养很重要。颗粒污泥在低温(15~25℃)、中温(30~40℃)和高温(50~60℃)都有过成功的经验。一般的,高温较中温的培养时间短,但由于高温下NH3与某些化合物混合毒性会增加,因而导致其应用上受一定的限
制;中温一般控制在35℃左右,在其它条件适当的情况下,经1~3个月可成功的培养出颗粒污泥;低温下培养颗粒污泥的研究较少,但有文献报道在使用颗粒污泥低温驯化后处理底浓度制药废水的实验中,COD的去处率达90%,取得了较好的效果,因而低温培养颗粒污泥将是今后的研究的重点之一。 3、pH值 厌氧处理过程中,水解产酸菌对pH值有较大的适应范围,而产甲烷菌则对pH值的变化敏感,其最适pH值范围是6.8-7.2.如果反应器内的pH值超过这个范围。则会导致产甲烷菌受到抑制,并出现酸积累,进而使整个反应器酸化。因此,反应器内pH值范围应控制在产甲烷菌最适的范围内。由于不同性质的废水有不同的pH值,为了保证反应器内pH值的稳定,防止酸积累而产生的对产甲烷菌的抑制,可采用向废水中添加化学药品如NaHCO3、Na2CO3、Ca(OH)2等物质。 4 、碱度 一般认为,进水水质中碱度通常应在1000mg/L(以CaCO3计)左右,而对于以碳水化合物为主的废水,进水碱度:COD >1:3是必要的。有学者研究表明,在颗粒污泥培养初期,控制出水碱度在1000mg/L(以CaCO3计)以上能成功培养出颗粒污泥。在颗粒污泥成熟后,对进水的碱度要求并不高.这对降低处理成本具有积极意义。 5 、微量元素及惰性颗粒
好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集体,是具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的生物体截留和多样的微生物种群。因此,现作为一种新型的废水生物处理形式,在城市污水和工业废水处理中具有非常广阔的应用前景。那么该颗粒污泥是如何培养的呢? 1、配制人工合成模拟废水 以乙酸钠为碳源,KH4C1为氮源,KI2P04为磷源,并加入适当微里元素作为补充:初始COD、HM3-F浓度分别为213mg/1左右和12mg/1左右。 2、接种污泥 采用普通絮状污泥为接种污泥,MLSS为3.0g/L,比重为1. 005, SVI为78ml/g。 3、采用 进水<-曝气-沉淀排水<-闲置的运行方式,每天四个周期,每周期6h, 进水10min,曝气300min,沉淀25min;排水5min,闲置20min.运行一周后逐渐趋于稳定状态。
4、逐步提高进水负荷 COD、MI3-E农度分别提高至400mg/1左右和30mg/l左右。 5、采用 进水-曝气-静置+搅拌-=次曝气沉淀排水-闲置的运行方式,运行周期调整为每天三个,每周期8小时:进水5min,曝气150min,静置+搅拌120min, 二次曝气120min,沉淀10min, 排水5min, 其余时间闲置,部分污泥趋向于颗粒化状态,形成具有脱氮功能的颗粒化污泥的雏形,随后的培养中根据情况不断减少沉淀时间,造成选择压,排出沉降性能差的絮状污泥,最终沉淀时间降至5min:初始颗粒内的各种微生物在颗粒内寻找适合自身生长增殖的生态位,并通过竞争与次级增长而衍生出新的代谢互补关系,由此进一步充实了颗粒污泥,形成了结构紧密、外形规则的成熟颗粒污泥。 以上就是有关好氧颗粒污泥培养办法的一些具体介绍,希望对大家进一步的了解有所帮助。
好氧颗粒污泥膜生物反应器系统 好氧颗粒污泥是90年代以来发展的一门新兴技术,与厌氧颗粒污泥相比,在水处理方面,以其启动周期短、污泥代谢活性高、消化速率快、运行连续性强及出水水质好等,而备受青睐。但是由于运行条件苛刻,操作复杂等因素的限制,人们对好氧颗粒的形成机理和影响因素了解的还不够深入,而对于好氧颗粒污泥的实际应用研究更是鲜有报道。本文通过查阅近年来国内外大量文献及研究成果,对好氧颗粒污泥颗粒化技术的影响因素及应用情况进行了详细剖析。 1 好氧颗粒污泥的基本性质 1.1 好氧颗粒污泥的形态及结构 好氧颗粒污泥外观一般为橙黄色或浅黄色,成熟的好氧颗粒污泥为表面光滑致密、轮廓清晰的圆形或椭圆形。粒径一般在0.5~5.0mm。颗粒表面含有大量孔隙,可深达表面下900um处,而距表面300~500um处的孔隙率最高,这些孔隙有利于氧、基质、代谢产物在颗粒内部的传递。 1.2 颗粒污泥的沉降性能 好氧颗粒污泥的密度为1.0068~1.0480g/cm3,颗粒污泥的污泥沉降比(SV)在14~30%,污泥膨胀指数(SVI)20~45mL/g(一般在30左右),而普通活性污泥的SVI在60~205mL/g左右。颗粒污泥的含水率一般为97~98%。因而好氧颗粒污泥具有较高的沉降速度,可达30~70m/h,与厌氧颗粒污泥的沉降速度相似,是絮状污泥的三倍多。因此能够承受较高的水利负荷,具有较高的运行稳定性和效
率。 1.3 好氧颗粒污泥的代谢活性 比耗氧速率(Specific Oxygen Uptake Rate简写SOUR)是指单位细胞蛋白在单位时间内消耗氧气量,反映了微生物新陈代谢过程的快慢即微生物活性的大小、微生物对有机物的降解能力。好氧颗粒污泥的异养菌比耗氧速率(SOUR)H为40~50mgO2/(g MLVSS?h),而普通活性污泥的(SOUR)H为20mgO2/(g MLVSS?h)左右。Shu-fang Yang 培养的好氧颗粒污泥(SOUR)H为60~160mgO2/(g SS?h)。通过检测SOUR可以了解颗粒污泥生物学上的变化,以及有机承载和颗粒的生长状况等等,因而能够对颗粒污泥的培养及污染物的处理作出相应的调整。 1.4 好氧颗粒污泥的微生物相 由于接种的污泥种类和运行条件的不同,好氧颗粒污泥含有的微生物菌群就不同。另外,颗粒内部生物的多样性还与结构和外部基质密切相关,如好氧颗粒自身的结构特点以及氧扩散浓度的限制,使得污泥颗粒由外向内逐渐形成了好氧区—缺氧区—厌氧区。好氧区内有好氧菌、硝化菌生存;缺氧区内兼性微生物丰富,如反硝化菌、硫酸盐还原菌等;缺氧区内反硝化聚磷菌(DPB)存在。在缺氧的条件下,它以NO3-、NO2-为电子受体,同时完成反硝化和吸磷反应。因而好氧颗粒污泥丰富的微生物相,使得颗粒污泥具有良好的除COD、脱氮除磷性能,能够广泛地应用于水处理及其他相关方面。 1.5 好氧颗粒污泥的粒径与物理学性能的关系
目前,对于颗粒污泥的形成机理学术界还没有一个统一的定论。很多研究者都在自己研究的基础上提出了颗粒污泥的形成机理的假设。大家较为认可的主要有以下几种: 1、“晶核假说”原理 该假说认为颗粒污泥的形成过程和结晶过程类似,微生物和晶核结合后,在晶核的基础上不断生长发育,形成成熟稳定的颗粒污泥。晶核主要来源于微生物本身、惰性载体和钙离子等。 2、“胞外多聚物假说”原理 胞外多聚物(EPS)主要包括多聚糖、蛋白质、酶蛋白、核酸、磷脂和腐植酸等物质。这些物质使污泥表面局部呈疏水性,有利于细菌之间的凝聚。EPS能粘合微生物细胞和颗粒态的物质,高浓度的多糖有利于细胞之间的吸附作用。而且通过聚合物矩阵增强微生物结构,当多糖的代谢机制受阻时,微生物的聚合也会受到影响。 3、“自凝聚假说”原理 在适当的水力剪切力和溶解氧作用下,微生物产生的自凝聚现象。形成密度
和体积大、活性和传质条件好的微生物共生体颗粒。污泥颗粒化是微生物为适应外界环境,自发凝聚的一种现象,是生物进化的结果。 4、“选择压驱动假说”原理 选择压可以看作是水力负荷率和气体负荷率这两个因素的共同作用对不同 沉降特征的污泥组分进行选择。只有沉降性能好粒径大的污泥才能沉淀下来,而密度小沉降性能不好的则被洗出反应器。这相当于一个物理筛选过程,但是小的絮状污泥需要微生物分泌的胞外多聚物相互黏合来抵抗上升流所产生的剪切力,以免被洗出反应器。所以单纯用物理过程来解释颗粒污泥的形成有待进一步完善。 5、“丝状菌假说“原理 该假说认为在颗粒污泥形成的过程中,丝状菌起到了关键性的作用。丝状菌相互缠绕构成颗粒污泥的框架,微生物在此构架上不断生长繁殖,形成圆形或椭圆形的生物聚积体。随着粒径的增长,聚积体开始破裂,密度大的细菌聚积体将会留在反应器内,进一步生长发育,最终形成成熟的颗粒污泥。 6、“细胞疏水性假说”原理 细胞表面疏水性是因细胞表面Gibbs能减低,细胞间的亲和力增加,使细
好氧颗粒污泥的研究概况 左志芳左艳梅 扬州工业职业技术学院 江苏 扬州 225127 摘要:好氧颗粒污泥的形成受到多方面影响因素的作用,通过生物自固定,有效提高污泥性能,在生物同步硝化反硝化方面有着良好的发展应用前景。 关键词:好氧颗粒污泥;污泥性能;影响因素;同步硝化反硝化 中图分类号:O69 文献标识码:A 文章编号:(2009)-02-024-04 The Study on Aerobic Granular Sludge Zuo Zhifang, Zuo Yanmei Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225127, Jiangsu Abstract: Since the aerobic granular sludge was fixed by itself, the performance of sludge was improved effectively, and its formation was affected by many factors. It has a good development prospect in the bio-simultaneous nitrification and de-nitrification. Key words: aerobic granular sludge; the performance of sludge; the facts; simultaneous nitrification and de-nitrification 由于传统的活性污泥工艺存在着许多不足之处,如其性能在很大程度上依赖于反应池中污泥的质量,容易产生大量的剩余污泥,对冲击负荷敏感,反应器及其澄清池体积庞大,容积负荷低等。而厌氧系统的容积负荷则较高,特别是在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中,可高达40kg/(m3·d),其主要原因是UASB反应器中的污泥是以颗粒污泥的形式存在的,因此反应器中可有大量的活性污泥积累下来,并且无需澄清池。自从在UASB反应器中成功培育出颗粒污泥,对于颗粒污泥的研究逐渐引起人们的重视。但目前的研究中厌氧颗粒污泥的报道较多,并被大量应用;而好氧颗粒污泥的研究比较少,还存在着许多尚不清楚的领域。 一、好氧颗粒污泥的一般性质 好氧颗粒污泥是近期发展起来的一种生物膜工艺,也是一种生物自固定过程,是建立在厌氧颗粒污泥的研究基础之上发展起来的。其沉淀性能良好,具有高的容积负荷和很强的抗冲击负荷能力,微生物相当丰富,因此具有很高的生物活性。早期对好氧颗粒污泥的研究主要在连续流反应器中进行,但运行条件苛刻,需用纯氧曝气。1997年起,Morgenroth等利用间歇式序批式活性污泥法(SBR)反应器对好氧污泥的自凝聚及其性能进行研究。实验表明SBR反应器中较短的水力停留时间和较大的水流剪切作用有助于形成好氧颗粒污泥[1]。 1.形态 好氧颗粒污泥与一般的絮状污泥的形态完全不同。其外观一般为橙黄色,圆形或椭圆形。成熟的颗粒污泥表面光滑。颗粒的直径大约在0.5~1.5mm 之间。经过适度冲洗淘洗后的好氧颗粒污泥直径多在1mm左右。未经淘洗的颗粒污泥的全粒度分析表明,粒径在0.5mm以上的颗粒占全部污泥微粒的20%,在保证良好沉降性的同时,又能保证在曝气时污泥具有良好的悬浮性和透气性。颗粒污泥的形状系数稳定在0.45,纵横比为0.79[1][2]。 2.沉降性能 收稿日期:2009-8-26 作者简介:左志芳(1982-),女,江苏扬州人,扬州工业职业技术学院,讲师,硕士,研究方向:水污染控制。
Short Communication Study of aerobic granular sludge stability in a continuous-?ow membrane bioreactor S.F.Corsino a ,R.Campo b ,G.Di Bella b ,?,M.Torregrossa a ,G.Viviani a a Dipartimento di Ingegneria Civile,Ambientale,Aerospaziale,dei Materiali,Universitàdi Palermo,Viale delle Scienze,90128Palermo,Italy b Facoltàdi Ingegneria e Architettura,Universitàdegli Studi di Enna ‘‘Kore ”,Cittadella Universitaria,94100Enna,Italy h i g h l i g h t s The potentiality of continuous AGS is con?rmed by experimental data. The feast/famine alternation is a key issue in continuous ?ow for AGS maintenance. EPSs had a key role in granules strength. Hydraulic selection pressure is necessary to ensure ?occulent sludge washout. A correct management of granular sludge withdrawal should improve membrane fouling. a r t i c l e i n f o Article history: Received 31July 2015 Received in revised form 16October 2015Accepted 17October 2015 Available online 23October 2015Keywords: Aerobic granular sludge (AGS)Continuous-?ow reactor Feast/famine conditions Hydraulic selection pressure Membrane a b s t r a c t A granular continuous-?ow membrane bioreactor with a novel hydrodynamic con?guration was devel-oped to evaluate the stability of aerobic granular sludge (AGS).Under continuous-?ow operation (Period I),AGS rapidly lost their structural integrity resulting in loose and ?uffy microbial aggregates in which ?lamentous bacteria were dominant.The intermittent feeding (Period II)allowed obtaining the succession of feast and famine conditions that favored the increase in AGS stability.Although no fur-ther breakage occurred,the formation of new granules was very limited,owing to the absence of the hydraulic selection pressure.These results noted the necessity to ensure,on the one hand the succession of feast/famine conditions,and on the other,the hydraulic selection pressure that allows ?occulent sludge washout.This preliminary study shows that the proposed con?guration could meet the ?rst aspect;in contrast,biomass selection needs to be improved. ó2015Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction Compared with the conventional wastewater treatment plants,aerobic granular sludge (AGS)offers several advantages,among others lower volume necessity because of greater biomass concen-tration (up to 20g TSS L à1),the possibility to degrade simultane-ously organic carbon and nutrients,and ?nally their remarkable settling capability.Nowadays,AGS has been widely investigated in sequencing batch reactors (SBRs).Indeed,it is believed that the ideal conditions for aerobic granulation like the succession of feast/famine conditions (Val del Río et al.,2012),the hydraulic selection pressure (Adav et al.,2009)and the hydraulic shear forces (Zhou et al.,2014),occur or could be easily controlled in SBR reactors.Nevertheless,SBRs are dif?cult to implement for a large sewage treatment,where continuous-?ow reactors are normally favorable due to the lower installation costs and easier operation,maintenance and control (Juang et al.,2010).Moreover,up to date the most of biological granular sludge systems have been studied in column-type reactors.These reactors are characterized by a height to diameter ratio (H/D)higher than 6–8,which helps to maximize the hydraulic shear forces,enhancing the formation of the aerobic granules.Therefore,column-type reactors had a pre-dominant in height development,and this characteristic could limit their application in a full-scale plant,since reactors might result higher than 8–10m. Although in some studies is reported that stable aerobic granu-lar sludge can be achieved in a continuous ?ow reactor,others demonstrated that the aerobic granules lost their stability more rapidly compared with a SBR in the long-run (Zhou et al.,2014).Nevertheless,there is not unanimity about the causes of granules breakage,because in a continuous-?ow reactor,many of crucial parameters for the aerobic granulation simultaneously fail.To https://www.wendangku.net/doc/372129462.html,/10.1016/j.biortech.2015.10.0650960-8524/ó2015Elsevier Ltd.All rights reserved. ?Corresponding author.Tel.:+390935536393;fax:+390935536623. E-mail address:Gaetano.dibella@unikore.it (G.Di Bella).
影响颗粒污泥形成因素的探讨(二) 2.4 碱度 一般认为,进水水质中碱度通常应在1000mg/L(以CaCO3计)左右,而对于以碳水化合物为主的废水,进水碱度:COD >1:3是必要的。有学者研究表明,在颗粒污泥培养初期,控制出水碱度在1000mg/L(以CaCO3计)以上能成功培养出颗粒污泥。在颗粒污泥成熟后,对进水的碱度要求并不高[2].这对降低处理成本具有积极意义。 2.5 微量元素及惰性颗粒 微量元素对微生物良好的生长也有重要作用。其中Fe,Co,Ni,Zn等对提高污泥活性,促进颗粒污泥形成是有益的。 此外,惰性颗粒作为菌体附着的核,对颗粒化起着积极的作用。另外,有研究表明,投加活性炭可大大缩短污泥颗粒化的时间;在投加活性炭后颗粒污泥的粒径大,并使反应器运行更加稳定[3]. (考试大环境影响评价师) 2.6 SO42- 关于SO42-对颗粒污泥的形成目前尚在讨论中。据Sam-Soon的胞外多聚物假说,局部氢的高分压是诱导微生物产生胞外多聚物从而与细菌表面之间的相互作用,通过带电基团的静电吸引及物理接触等架桥作用,构成一种包含多种组分的生物絮体,从而形成颗粒污泥的必要条件,而有硫酸盐存在时,由于硫酸盐还原菌对氢的快速利用,使反应器无法建立高的氢分压,从而不利于形成颗粒污泥[5].但有些国内外外学者发现处理含高硫酸盐废水时,会有非常薄的丝状体产生,它可作为产甲烷丝菌附着的原始核,从此开始颗粒的形成;硫酸盐还原产生的硫化物与一些金属离子结合形成不溶性颗粒,可能成为颗粒污泥生长的二次核[4][5]. 2.7 接种污泥及接种量 一般来说,对接种污泥无特殊要求,但接种污泥的不同对形成颗粒污泥的快慢有直接影响。因此,保证污泥的沉降性能好、厌氧微生物种类丰富、活性高,对加快颗粒污泥的形成是十分有利的。 对接种污泥的量,有学者研究认为,厌氧污泥接种量为11.5kgVSS/m3(按反应区容积计算)左右时,对于迅速培养出厌氧颗粒污泥是合适的[8].这与国外学者推荐的浓度范围10-20kgVSS/m3是相吻合的[6]. 2.8 启动方式 采用低浓度进水,结合逐步提高水力负荷的启动方式有利于污泥颗粒化。这是因为低浓度进水可以有效避免抑制性生化物质的过度积累,同时较高的水力负荷可加强水力筛分作用[7]. 2.9 水力负荷 水力负荷太低,会导致大量分散污泥过度生长,从而影响污泥的沉降性能,甚至会导致污泥膨胀[8];但水力负荷过大,会对颗粒污泥造成剪切并会剥落未聚集细胞体的胞外多糖粘滞层而阻碍粘附聚集。因此,在启动初期,应采用较小的水力负荷(0.05-0.1m3/m2 ·h)使絮体污泥能够相互粘结,向集团化生长,有利于形成颗粒污泥的初生体。当出现一定量的污泥后,提高水力负荷至0.25 m3/m2·h以上,可以冲走部分絮体污泥,使密度较大的颗粒污泥沉降到反应器底部,形成颗粒污泥层。为了尽快实现污泥颗粒化,把水力负荷提高到0.6m3/m2·h时,可以冲走大部分的絮体污泥。但是,提高水力负荷不能过快,否则大量絮体污泥的过早淘汰会导致污泥负荷过高,影响反应器的稳定运行。 3. 结语 随着污泥颗粒化的不断深入研究,人们了解并掌握了很多颗粒污泥形成的条件,同时,
附件2 论文中英文摘要 作者姓名:倪丙杰 论文题目:好氧颗粒污泥的培养过程、作用机制及数学模拟 作者简介:倪丙杰,男,1981年11月出生,2006年9月师从于中国科学技术大学俞汉青教授,于2009年7月获博士学位。 中文摘要 好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集体。它具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的生物体截留和多样的微生物种群。因此,好氧颗粒污泥技术作为一种新型的废水生物处理形式,在城市污水和工业废水处理中具有非常广阔的应用前景。好氧颗粒污泥的形成过程非常复杂,它的作用机制涉及到微生物的生长与竞争、氧的传质、底物的扩散及微生物产物的形成等各个方面。本论文系统地研究了好氧颗粒污泥的形成过程、作用机制和数学模拟,探索了颗粒污泥在好氧和缺氧条件下的胞内储存过程机理,深入阐明了颗粒污泥中胞外聚合物和溶解性微生物产物的形成规律,并首次成功地以低有机物浓度城市污水为基质在中试规模反应器中培养出性能优良的好氧颗粒污泥。主要研究内容和研究结果如下: 1. 分别采用豆制品加工废水和混合酸废水在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥,基于实验结果和形成机理的分析,实现了好氧颗粒污泥形成过程的定量描述。粒污泥在形成过程中粒径逐渐增大,沉降速度提高到40 m h-1,污泥体积指数SVI减小至20 mL g-1,COD去除效率高于98%;模型能够很好地定量描述好氧颗粒污泥的形成过程及基质在颗粒内部的扩散;好氧颗粒污泥的形成过程可分为适应期、快速生长期和成熟期。 2. 通过好氧颗粒污泥的间歇实验,探索了颗粒中自养微生物和异养微生物的生长与竞争;根据实验结果修正了ASM3模型,用以描述好氧颗粒SBR反应器中自养菌和异养菌的同时生长,并分析两类微生物对于溶解氧的竞争和在颗粒中的空间分布;发现氨氮和COD 在颗粒SBR反应器运行周期的前1.5小时内分别被自养菌和异养菌消耗完毕,且异养菌消耗更多的溶解氧;自养菌主要位于颗粒的外层,而异养菌则分布于颗粒的外层或者中心。
好氧颗粒污泥的工艺优化 好氧颗粒污泥是在好氧条件下自发形成的细胞自身固定化颗粒,与絮状污泥相比,具有沉降性能好、污泥浓度高,易于固液分离,便于提高污水处理效率,降低污水处理成本等优点[1, 2],具有较好的应用前景[3]. 国内外学者在好氧颗粒污泥工艺优化及其应用方面作了大量研究. 有研究利用序批式好氧颗粒污泥反应器处理高氨氮废水[4],考察了HRT和运行方式对脱氮菌群的活性和数量变化的影响. 结果表明,当HRT为13 h时,脱氮菌群的活性最高; 缩短HRT导致了更高的COD和氨氮负荷,有利于厌氧氨氧化菌的生长,同时也抑制了氨氧化细菌的生长. Luo等[5]在两个相同的反应器里分别投加好氧颗粒污泥和普通絮状污泥,考察了COD/N分别为4、 2、1时,对颗粒污泥解体的影响. 结果表明,COD/N由4减小到2和1后,对好氧颗粒污泥的物理性质和硝化效率有很大的影响,当COD/N为1时,颗粒污泥全部解体. EPS中酪氨酸净产量的减少和包括丝状菌在内的主要微生物菌群的变化被认为是造成颗粒污泥解体的两个主要原因. 张雯等[6]在连续流反应器中接种厌氧颗粒污泥,成功培养出好氧颗粒污泥,考察了温度、 COD/N、 HRT、溶解氧质量浓度、 pH、间歇曝气周期等对好氧颗粒污泥脱氮的影响,并确定最佳工艺参数:温度为25℃、 COD/N 为6~8、 HRT 为8 h 左右、 DO质量浓度为2 mg ·L-1、 pH 为7.5~8.0、曝气3 h 及缺氧搅拌3 h 和曝气4 h 及缺氧搅拌3 h. 张睿[7]研究表明,进水COD/N≤5时,丝状菌大量生长,颗粒污泥开始解体,颗粒粒径变大,部分颗粒从球状变成长条杆状. 随着COD/N的降低,系统对有机物去除效果影响不大,去除率保持在80%以上; 但总磷和氮的去除效果变差,游离氨浓度的增加抑制了硝化菌和反硝化菌的活性,当COD/N为3时,系统对总磷、氨氮、总氮的去除率分别为47.98%、38.56%和27.90%. 上述关于好氧颗粒污泥的工艺参数研究大多是在序批式活性污泥反应器内进行的. 并且大部分研究主要采用较高有机物浓度的人工配水作为处理对象[8, 9]. 近年来,也有少量的研究探讨了连续流好氧颗粒污泥反应器的优化和设计,但其结构和运行方式复杂且稳定性差[10, 11, 12, 13],难以应用于实际工程. 据相关报道[14],流体剪切力、 HRT、 DO、选择压和废水组分等都对好氧颗粒污泥的形成具有重要的影响. 其中,流体剪切力和HRT对颗粒的形成速度、结构和稳定性影响显著,被认为是影响好氧颗粒污泥形成和稳定性的最关键因素[15]. 因此,本研究基于合建式反应器,采用较低COD/N实际生活污水为进水基质和连续进水方式,着重考察曝气量和HRT对好氧颗粒污泥的形态变化和除污能力的影响,以期为连续流好氧颗粒污泥技术应用于实际工程提供可靠的实验依据. 1 材料与方法 1.1 实验装置 本实验采用的合建式反应器是由有机玻璃制成的立方体,中间由一块隔板隔开,底部连通,分为反应区和沉淀区两部分,有效容积分别为1.5 L和0.3 L. 反应器通过曝气泵和曝气盘提供曝气,由转子流量计控制曝气量. 进水由反应区上方进入,由恒流泵控制进水流量,在上升气泡的作用下与颗粒污泥充分接触反应后由底部进入沉淀区,在重力的作用下,经过泥水分离最终从沉淀区上方流出(实验装置示意图见图 1).
厌氧颗粒污泥及其形成机理 郭晓磊胡勇有高孔荣 摘要:厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体,其良好的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床反应器成功的关键。颗粒污泥的化学组成和微生物相对其结构和维持起着重要作用。颗粒化过程是一个多阶段过程,取决于废水组成、操作条件等因素。综述了近年来厌氧颗粒污泥及其形成机理的研究进展,内容包括厌氧颗粒污泥的基本特性和微生物相、厌氧颗粒污泥结构及其颗粒化过程。 关键词:厌氧颗粒污泥微生物相结构颗粒化过程 Characters and Mechanism of Formation of Anaerobic Granular Sludge GuoXiaolei et al Abstract:Anaerobic granular sludge are self-immobilized consortia of methanogens,syntrophicacetogens and hydrolytic fermentative bacteria.The good sedimentation and methanogenic activity of granules are key factors for an up-flow anaerobic sludge blanket reactor.The chemical and microbiological compositions of granules are of significance in the formation and the maintenance of granules structure.Granulation is a multi-phase process,depending on factors such as wastewater composition,operating condition etc..This paper is a review of recet research advance on the characters and mechanism of formation of anaerobic granular sludge,concerning the fundamental charaerobic,the microbiological composition,the structure and the granulation process of anaerobic granular sludge.▲ 上流式厌氧污泥床(UASB)作为一种高效厌氧生物反应器,在世界范围内被大量应用并且运转非常成功。其最大特点就是能够形成沉降性能良好,产甲烷活性高的颗粒污泥。厌氧颗粒污泥的形成使UASB中有较高的生物相,从而确保厌氧生化过程稳定高效地运行。迄今为止,许多研究者对厌氧颗粒污泥的形成进行了大量研究,从不同角度提出了不少机制、学说。本文就目前国内外对厌氧颗粒污泥性质、结构及其形成机理的研究作一综述,为进一步研究提供参考。 1 厌氧颗粒污泥的基本特性 1.1 物理特性 厌氧颗粒污泥的形状大多数具有相对规则的球形或椭球形。成熟的厌氧颗粒污泥(简称颗粒污泥)表面边界清晰,直径变化范围为0.14~
好氧颗粒污泥技术进展与应用现状 摘要:好氧颗粒污泥是一种具有良好沉降性能的颗粒状活性污泥。好氧颗粒污泥有较高的生物量,相较传统活性污泥有更高的有机负荷,并且运行成本也相对较低。因此,通过培养驯化好氧颗粒污泥并用于处理污水厂被广泛关注。本文简述了好氧颗粒污泥的概况及特性,介绍了相关的培养方法以及在实验室和工程方面的应用,并对好氧颗粒污泥的前景进行了展望。 关键词:好氧颗粒污泥;性质;驯化;应用 由于我国近些年水体富营养化和水污染严重,水污染控制技术的应用日益广泛。我国现有污水厂大多数采用活性污泥法处理污水。但是活性污泥法有污泥膨胀、沉降性能较差、剩余污泥量大等问题,严重限制了我国的污水处理。 好氧颗粒污泥是废水系统中微生物在好氧条件下,微生物自生自凝聚形成的一种颗粒状、结构紧密、沉降性能好、污染物处理效果明显的特殊的活性污泥,相较传统活性污泥,好氧颗粒污泥不会出现污泥膨胀、出水水质变差等问题。因此,好氧颗粒污泥应用与工业废水中难降解有机物的去除。另外,颗粒污泥具有高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性,具有很高的经济价值。 通过对好氧颗粒污泥特性的描述,以及对其形成机理进行描述,可以定性的了解好痒颗粒污泥的性质及应用;通过总结好氧颗粒污泥的的驯化及培养方法以及当下对好氧颗粒污泥的应用,预测污水厂应用好氧颗粒污泥的进一步发展。 1 好氧颗粒污泥的技术现状 1.1好氧颗粒污泥的特性 1.1.1好氧颗粒污泥的物化性质 1)基本性质 成熟的好氧颗粒污泥呈橙黄色,表面光滑,外观为球形或椭球形,其粒径在0.5-1.5 mm,纵横比为0.76,形状系数稳定在0.45。好氧颗粒污泥的沉降速度与其大小和结构有关,一般在30-70m/h,约为传统活性污泥(8~10 m/h)的3倍。好氧颗粒污泥主要包含C、H、O、N、S、P等6种元素,以及少量的Ca、Mg、Fe等金属元素。由于所含无机元素种类不同,污泥颗粒可能出现不同的颜色。如当颗粒污泥含大量钙元素是会呈现白色
厌氧颗粒污泥的培养注意事项 首先要有接种污泥,如果是已经颗粒污泥,只需培养驯化一下就可以了;如果采用活性污泥的话就比较麻烦。 必须注意以下几点: 1、营养元素和微量元素 在当废水中N、P等营养元素不足时,不易于形成颗粒,对于已经形成的颗粒污泥会发生细胞自溶,导致颗粒破碎,因此要适当加以补充。N源不足时,可添加氮肥、含氮量高的粪便、氨基酸渣及剩余活性污泥等;P源不足时,可适当投加磷肥。铁、镍、钴和锰等微量元素是产甲烷辅酶重要的组成部分,适量补充可以增加所有种群单位质量微生物中活细胞的浓度以及它们的酶活性。 2、选择压 通常将水力负荷率和产气负荷率两者作用的总和称为系统的选择压。选择压对污泥床产生沿水流方向的搅拌作用和水力筛选作用,是UASB等一系列无载体厌氧反应器形成颗粒污泥的必要条件。 高选择压条件下,水力筛选作用能将微小的颗粒污泥与絮体污泥分开,污泥床底聚集比较大的颗粒污泥,而比重较小的絮体污泥则进入悬浮层区,或被淘汰出反应器。定向搅拌作用产生的剪切力使颗粒产生不规则的旋转运动,有利于丝状微生物的相互缠绕,为颗粒的形成创造一个外部条件。 低选择压条件下,主要是分散微生物的生长,这将产生膨胀型污泥。当这些微生物不附着在固体支撑颗粒上生长时,形成沉降性能很差的松散丝状缠绕结构。液体上升流速在2.5~3.0m/d之间内,最有利于UASB 反应器内污泥的颗粒化。 3、有机负荷率和污泥负荷率 可降解的有机物为微生物提供充足的碳源和能源,是微生物增长的物质基础。在微生物关键性的形成阶段,应尽量避免进水的有机负荷率剧烈变化。 实验研究表明,由絮状污泥作为种泥的初次启动时,有机负荷率在0.2~0.4 kgCOD/(kgVSS•d)和污泥负荷率在0.1~0.25kgCOD/(kgVSS•d)时,有利于颗粒污泥的形成。 4、碱度 碱度对污泥颗粒化的影响表现在两方面:一是对颗粒化进程的影响;二是对颗粒污泥活性的影响。后者主要表现在通过调节pH值(即通过碱度的缓冲作用使pH值变化较小)使得产甲烷菌呈不同的生长活性,前者主要表现在对污泥颗粒分布及颗粒化速度的影响。在一定的碱度范围内,进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快,但颗粒污泥的产甲烷活性低;进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢,但颗粒污泥的产甲烷活性高。因此,在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高(但不能使反应器体系的pH>8.2,这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制)以加速污泥的颗粒化,使反应器快速启动;而在颗粒化过程基本结束时,进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的产甲烷活性。 5、接种污泥 颗粒污泥形成的快慢很大程度上决定于接种污泥的数量和性质[1]。 根据Lettinga的经验,中温型UASB反应器的污泥接种量需稠密型污泥12~15kgVSS/m3或稀薄型污泥6 kgVSS/m。高温型UASB反应器最佳接种量在6~15kgVSS/m3。过低的接种污泥量会造成初始的污泥负荷过高,污泥量的迅速增长会使反应器内各种群数量不平衡,降低运行的稳定性,一旦控制不当便会造成反应器的酸化。较多的接种菌液可大大缩短启动所需的时间,但过多的接种污泥量没有必要。 一般说来,用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的,但在没有同类型污泥时。不同的厌氧污泥同样对反应器的启动具有一定的影响, 没有处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥时,厌氧消化污泥或粪便可优先考虑。 6、温度 温度对于UASB的启动与保持系统的稳定性具有重要的影响。UASB反应器在常温(25℃),中温(33℃~41℃)和高温(55℃)下均能顺利启动,并形成颗粒污泥。但绝大多数UASB启动过程的研究都是在