连续流化床混凝好氧颗粒污泥特性及稳定性研究3

连续流化床混凝好氧颗粒污泥强化形成机制及稳定性研究(一)立项依据与研究内容(4000-8000字)：1．项目的立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)；自1991年Mishima等[1]第一次报道了利用连续流AUSB反应器培养出好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥技术成为一项新型废水生物处理技术[2]，受到国内外学者的广泛关注，其利用悬浮态活性污泥中的好氧微生物在一定条件下自身固定成为颗粒态的污泥，每克污泥中含有上百万的细菌，这些细菌在多种污染物的降解过程中起到各自不同的作用[3]。由于克服了厌氧颗粒污泥启动时间长、运行温度高、处理低浓度的有机废水时运行不稳定，并无法实现脱氮除磷等问题[4,5]。与结构松散、形态不规则、尺寸细小的传统活性污泥絮体相比，好氧颗粒污泥具有更加密实、坚固的结构；有规则的形态和清晰的外观；良好沉降性能；较高的生物量；工艺启动过程快速；抗高冲击负荷能力强，并能承受较高的有机负荷[6,7]；对氮有较高的去除效率，抗毒性较强[8-10]等优势，目前己被广泛用于处理高浓度氮磷废水，重金属废水和毒性有机废水等难生物降解的废水[10-13]。其次，好氧颗粒污泥工艺的占地面积仅为传统活性污泥法的25%，非常适用于用地普遍紧张的城市，并能节省大量投资.研究表明，好氧颗粒污泥工艺的处理成本比传统活性污泥法低7%-17%[14]。因此，好氧颗粒污泥技术是一项极具发展潜力的废水生物处理技术。1.1国内外好氧颗粒污泥形成及机理的研究现状好氧颗粒污泥的形成是一个长期而复杂的微生物生态学过程[15]。首先，个体聚集形成种群;接着，在种群的基础上形成群落，然后由群落形成微生物生态系统，最后经过群落与环境的相互作用，生态系统逐渐进化并达到相对稳定。具体来说，在好氧颗粒污泥形成、发展和成熟的过程中，经历了细胞聚集、胚胎颗粒污泥成长为初生颗粒污泥以及结构和功能相对稳定等阶段。目前，好氧颗粒污泥的形成及机理的研究仍处于开发阶段，研究者从反应器的运行条件、物理化学角度和微生物角度对对好氧颗粒污泥的形成和机理进行解释。从反应器的运行条件来看，好氧颗粒的形成需要反应器的运行满足以下3个条件:(I)基质在供给方式上能形成对比明显的基质充足期(Feast)和基质贫乏期(Famine)[16]，(2)利用短的沉淀时间对反应器内的微生物进行选择[17]，(3)通过曝气提供足够的剪切作用[18]。从物理化学角度来看，SBA反应体系内的水力剪切作用、短沉淀时间等选择压力，可有效提高细胞的疏水性并促进EPS的分泌[19,20]，较高的细胞表面疏水性和EPS可促进细胞相互聚集粘附，有利于好氧颗粒污泥的形成。此外，Liu和Tay提出了一个四步的好氧污泥颗粒化模型[20]。从微生物学的角度研究者们也提出了几种好氧颗粒污泥形成的假想模型。第一类模型认为，好氧颗粒污泥是以某些细菌、真菌或原生动物作为媒介或载体而形成的[21,22]。第二种模型提出了SBR反应器中好氧颗粒的多尺度模型[23]，该模型考虑了异养微生物、氨氧化菌、亚硝酸氧化菌和聚磷菌等4类微生物在颗粒污泥中的二维空间分布。Ni等则提出来好氧颗粒污泥中自养菌和异养菌的同时生长模型[24]。综观国内外的研究现状，对好氧颗粒污泥形成机理的研究，已逐步从外在因素分析(如沉淀时间、水力剪切力)向内在原因的探索(如微生物间的交流一细菌的群体感应效应)深化。虽然这些颗粒污泥的形成模型还没有得到完全证实。但颗粒化机理及颗粒污泥的微生物特性研究，将是今后研究重点[15]。1.2连续流条件下培养好氧颗粒污泥研究进展为了进一步推动好氧颗粒污泥技术的工业化，必须研究开发更为经济有效的关键培养技术。抛开SBR的运行模式，通过其他方式来诱导和刺激微生物胞外多聚物的产生及细菌表面疏水性的改变，有可能为好氧颗粒污泥的培养提供新的思路。近年来，国内外学者曾对连续流反应器中好氧颗粒污泥的培养和运行做过一些尝试，如Li等[25]在膜生物反应器(MBR)中接种培养成熟的好氧颗粒污泥，发现随着反应器的运行，好氧颗粒污泥出现粒径变小、沉降性能变差、活性降低并伴随表面丝状菌大量生长的现象。张楠等[26]利用普通絮体污泥接种，在MBR中成功培养获得好氧颗粒污泥，因此，认为反应器内较强的水力紊动性和丝状菌的存在对好氧颗粒污泥的形成起到了关键作用。Juang等[27]考察了成熟好氧颗粒污泥在连续流反应器中运行的稳定性，发现较高的氨氮和磷酸盐浓度有利于连续流条件下好氧颗粒污泥结构的维持。邱光磊等[28]在连续流膜生物反应器(MBR)中进行好氧颗粒污泥形成过程和机制研究，结果表明废水中微生物抑制物—黄连素刺激了微生物胞外多聚物(EPS)的分泌，促成了污泥的颗粒化并保证了好氧颗粒污泥的稳定运行。周丹丹等[29-31]对连续流气提式好氧颗粒污泥流化床(CAFB)反应器培养好氧颗粒污泥形成过程、形成机理和颗粒性质进行研究，表明CAFB反应器启动的第4-5天即有大量颗粒污泥形成，颗粒污泥主要由球菌和杆菌组成，但其运行稳定性还有待深入研究，且容易出现污泥膨胀。但总体而言，目前在连续流反应器中成功培养获得好氧颗粒污泥的研究报道仍相对较少，且对于连续流条件下好氧颗粒污泥形成和维持的关键控制因素缺乏明确、统一的认识。1.3好氧颗粒污泥稳定性有机负荷率(OLR)、溶解氧(DO)和pH值是培养好氧颗粒污泥形成和保持系统稳定性的3个关键的运行控制参数[32]，控制不当极易发生丝状膨胀是颗粒污泥不稳定性的重要引发因素[33]。Kim等[34]通过采用不同的有机负荷率来培养好氧颗粒污泥，最后得到最佳的有机负荷率为2.5kg/(m3d)。Li等[35]利用两个反应器R1和R2，其有机负荷率分别为2.0gCOD/(Ld)和0.5gCOD/(Ld)，经过100天培养结果发现低负荷下培养出的好氧颗粒污泥有大量丝状菌存在，结构疏松，粒径高大20mm，而高负荷下培养出的好氧颗粒污泥主要为细菌类，结构密实，粒径在2～3mm，并提出适当提高有机负荷率有助于抑制丝状菌的生长，保持污泥颗粒的稳定。低溶解氧有利于丝状菌的繁殖，易导致好氧颗粒污泥解体，McSwain等[36]发现如果DO从8mg/L降低为5mg/L的话，好氧颗粒污泥的饱食/饥饿体系和基质降解动力学将会受到影响，且有丝状菌富集。稳定运行的颗粒污泥一般均需要较高的曝气量，Liu等[37]通过在饥饿阶段降低曝气量发现好氧颗粒污泥从球状变为了长条状，但污泥的沉降性能并未发生改变，并指出控制饱食阶段的曝气量是好氧颗粒污泥维持稳定的关键。真菌一般在低pH值条件下利于繁殖生长，控制好pH值是抑制颗粒污泥丝状膨胀的关键。纪树兰等[38]通过运行过程中投加NaHCO3调节pH值至7左右来达到控制丝状膨胀，并取得了一定的效果。1.4PCR-DGGE技术在环境微生物研究作为一种突变检测技术，DGGE具有如下的优点：(1)突变检出率高。DGGE的突变检出率为99%以上。(2)加样量小，加样1~5ng的DNA或RNA就能达到清晰的电泳分离效果。(3)非同位素性。DGGE不需同位素掺入，可避免同位素污染及对人体造成的伤害。(4)操作简便、快速，可以检测多个微生物。DGGE一般在24h内即可获得结果。(5)重复性好。目前，PCR-DGGE技术主要用于土壤、水域等环境微生物群落研究[39]。在水处理工艺中，目前报道较多的是在A2/O工艺中，李娜等[40]利用PCR-DGGE技术研究了倒置A2/O工艺处理染织废水过程中的微生物群落结构，陶芳等[41]利用PCR-DGGE法分析了温度对A2/O系统硝化菌群结构的影响，黄燕等[42]利用PCR-DGGE法分析了负荷对A2/O工艺硝化菌群的影响，沈国等[43]利用PCR-DGGE法分析了改进A2/O工艺中微生物的群落结构。吕晶华等[44]利用PCR-DGGE技术解析A2/O工艺好氧单元中微生物群落结构。也有在好氧颗粒污泥中应用的报道，张斌等[45]利用PCR-DGGE技术研进行泥好氧颗粒化过程中微生物群落结构的演变与分析研究，杨长福[46]利用DGGE技术对好氧脱氮颗粒污泥微生物群落结构和功能进行研究。本项目在主持人博士研究期间，在SBR反应器中利用PAM的絮凝作用及二次流的增效作用，充分利用废水中自有的优势微生物种类及添加的活性污泥内的微生物，通过二次流混凝原理，有利于好氧颗粒污泥原核的形成，并成功在极短的时间培养出优质的好氧颗污泥的前提下，设计出二次流混凝好氧颗粒污泥流化床反应器(Secondary-flowCoagulationAerobic-granular-sludgeFluidized-bedReactorSCAFR)，研究在连续流作用下，反应器中PAM的絮凝作用及二次流的增效作用对好氧颗粒没污泥形成的影响，及水流及曝气保持流化床内的水力剪切作用对好氧颗粒污泥形成的影响，同时为达到良好的好氧颗粒污泥的形成条件及防止污泥膨胀，控制流化床的有效高度、水流速度、曝气条件，保证SCAFR正常运行，为好氧颗粒污泥的形成及污水处理技术提供新的思路。目前，除项目申报者有相关混凝沉降好氧颗粒污泥的相关报道外[47-50]，未见有其它相关研究报道。参考文献[1]MishimaK,NakamuraM.Self-immobilizationofaerobicactivatedsludgeapilotstudyoftheprocessinmunicipalsewagetreatment.WaterSciTechnol.1991,23(4):981-990[2]Ni,BJ,Sheng,GP,Li,XY,etal.Quantitativesinmlationofthegranulationprocessofactivatedsludgeforwastewatertreatment[J].Indmtmd&EngineeringCherrnrlryReseach,2010,49:2864-2873[3]Lin,Y,TayH.Stateoftheartofbiogramilationtechnologyfarwastewatertreatment[J].BiotechnologyAdvances2004,(22):533-563[4]Yang,SF,TayJ.H.,Liu,Y.Anovelgranularsludgesequencingbatchreactorfororganicandnitrogenremovalfromwastewater[J].JBiotechnol,2003,106:77-86.[5]Liu,Y,YangSF,TayJH.Improvedstabilityofaerobicgranulesbyselectingslow-growingnitrifyingbacteria[J].JBiotechnol,2004,108:161-169.[6]Su,KZ,Yu,HQ.Ageneralizedmodelforaerobicgraoule-basedsequencingbatchreactor.2.Parameticsrnsitivityandmodelverification[J].EnvironmentalScience&Technology.2006,(40):4709-0713[7]Zmg,P,Thuaug,W.Q.,Tay,S.T.L.,etal.Theinfluenceofstorageonthestructrueandactivityofphthalicacid-gradingaerobicgranules[J].Chemosphere2007,(69):1751-1757[8]LiuY,TayJH.Stateoftheartofbiogranulationtechnologyforwastewatertreatment[J].BiotechnologyAdvances,2004,2