有机负荷率对好氧颗粒污泥的影响

1有机负荷率对好氧颗粒污泥的影响II:好氧颗粒污泥的特性Joo-HwaTay1;ShunPan2;YanxinHe3;andStephenTiongLeeTay4摘要：四个连续的好氧污泥床反应器，R1、R2、R3和R4，分别在1、2、4、8kgsCOD/m³每天的化学需氧量的有机负荷率下运行（OLRs）。在R1和R2的低有机负荷率下均检测不到好氧颗粒污泥。好氧颗粒污泥第一次出现是在运行14天后的R3反应器中，它运行在4kgCOD/m³每天的适度有机负荷率中。对好氧颗粒污泥的初步检测是在18天后的R4反应器中，其工作在8kgCOD/m³每天的最高有机负荷率中。这些颗粒是不稳定的，它们在第一次出现的两周内就解体了。在4kgCOD/m³每天的有机负荷率环境中，好氧颗粒污泥的形成可以分成三个阶段：适应期、增殖期和成熟期，分别对应0.1081、0.0064和0.0008每天的颗粒增长率（Vφ）。随着时间推移，具体的颗粒生长速率值越来越小，也就说明好氧颗粒污泥已经稳定。相对于稀疏、无定形的絮体，R3反应器中紧凑的颗粒具有高达1.064的比重，99.5%的较高强度，75%的更高的细胞表面疏水性，较高比例多糖的蛋白质，每毫克蛋白质约含5.0毫克多糖。DOI:10.1061/(ASCE)0733-9372(2004)130:10(1102)CE数据库主题词：有机负荷，污泥，生物膜，生物量，污水处理，好氧处理2简介在污水处理中，絮状物和颗粒是细胞固化的常见形式。这些污泥实体是无载体固定化的生物膜，不需要依靠载体或者人造表面进行细胞粘附，它们通过涉及物理化学和生物能量的多个步骤发展形成（刘、Tay2002）。絮体是一百多年前发现的，是最常见的与著名的活性污泥处理相关联，而颗粒是最近才发现，第一次出现是在上流式厌氧污泥床系统中（Lettingaetal.1980）。相比污泥絮体，颗粒更密集，更牢固，结构更紧凑，并能承受压缩。颗粒被称为“良好的絮凝污泥”（Lettingaetal.1980）,也通常表现为有清晰表面的规则形状（Alphenaar1994）。能够形成颗粒依赖于多种环境因素和操作条件。在厌氧颗粒的情况下，这些因素可能包括废水成分，种子污泥的性质，必需的营养供应，二价阳离子的存在，pH值，碱度，温度和反应器的控制参数（Tay和Yan1996）。在需氧条件下，剪切力被认为是影响颗粒的产生，发展和稳定的一个重要因素。细小的气泡进入反应器，产生曝气体系，进而形成剪切力，只有当剪切力的测量量为超过1.2厘米/秒的浅上流空气速度时，才能形成紧凑的颗粒（Tayetal.2001）。较高的剪切力经证明能使好氧颗粒污泥有更好的沉降性，较高的比重，还能提高代谢活动（Tayetal.2001）。生物粒子密度和直径已经被推荐为合适的描述符来定量描述造粒过程（schmidtandAhring1996）。各种其他物理量（如：沉降速度、污泥体积指数和强度），化学量（如：表面电荷、电位、疏水性和亲水性），微生物（如：特定的氧利用率和颗粒状组织）等描述符也被用来表征这些颗粒的形成发展。在造粒过程中，分散的絮凝生物质被牵引形成离散的良好聚集体或颗粒。这些颗粒通常比污泥絮体更大，更重。虽然有报道称颗粒的尺寸小到0.3毫米（Pengetal.1999），或大到8.0毫米（三岛和Nakamura，1991），但实际好氧颗粒的密度范围从1.004至1.054克/立方厘米，直径通常在1.0至3.0mm的范围内(Morgenrothetal.1997;ZhuandLiu1999;Beunetal.2000;EttererandWilderer32001;Tayetal.2001;Beunetal.2002)。在需氧生长的微生物颗粒中，通过使用分子技术来测量特定微生物的层，在观察颗粒活性中，临界的颗粒粒径可以确定上述显著恶化的颗粒，由于发病的相关问题，氧气和营养物质由于扩散限制进入颗粒内部（Tayetal.2002）。除了有足够小的颗粒直径，好的颗粒也应该有良好的沉降性。好氧颗粒污泥的体积范围通常是从低的20到高的143mg/l的混合液挥发性悬浮物固体浓度（Morgenrothetal.1997；Beunetal.2000,2002;EttererandWilderer2001;Tayetal.2001）。表1分析报告参数分析方法测试样品颗粒形态和结构（圆度和平均直径）ImageProPlus软件支持的OlympusSZX9体视显微镜（MediaCybernetics，L.P.测试版4.0,U.S)颗粒样品颗粒比重标准方法（美国公共卫生协会1998）颗粒样品氧的利用率标准方法（美国公共卫生协会1998）有机物和活性污泥混合液反应器样品细菌形态扫描式电子显微镜颗粒样品胞外聚合物（多糖和蛋白质）和细胞疏水性方法由阿巴因等人开发（1993）有机物和活性污泥混合液反应器污泥颗粒强度的完整性系数（%）方法由Ghangrekar等人开发（1996）颗粒样品颗粒能够迅速的下沉和被保留在反应器中是受生理因素所影响的，如存在胞外聚合物（ECPs）和细胞表面的疏水性。胞外聚合物的聚合物结构是细菌来源位于革兰氏阴性菌的细胞外膜和革兰氏阳性菌的肽聚糖层。胞外聚合物主要由多糖（PSs）和蛋白质（PNs）组成（Urbainetal.1993），是被称为调节在自然生态系统中的细菌细胞的黏附力(Costertonetal.1987;Lopesetal.2000;Tsunedaetal.2001)。颗粒的形成是与胞外聚合物的产生密切联系的(Grotenhuisetal.1991;SchmidtandAhring1994)；显微镜观察表明，细菌是嵌入厌氧颗粒污泥4的胞外聚合物的基质中。细胞表面的疏水性是被认为对无载体固定化和细胞附着的一个重要的亲和力(MarshallandGruickshank1973;PringleandFletcher1983;AnnaandMalte1997)。对厌氧和好氧条件下的颗粒研究表明细胞表面疏水性和稳定的紧凑颗粒的发展有很强的相关性(Mahoneyetal.1987;Tayetal.2001)。对好氧颗粒污泥的研究已经吸引了大量的兴趣，特别是在过去1-2年，有趣的的注意到很少有报道到对造粒过程的系统有机负荷率的影响。有机符合率是传统工艺中一个重要的操作参数，比如活性污泥法。本文说明了第二个部分的两项研究，总体的目标是探讨有机负荷率对好氧颗粒污泥化的影响，方法采用的是在与实验室规模相同配置的四个连续的好氧污泥床反应器（SASBRs）中分别在1-8kgsCOD/m³每天的化学需氧量的有机负荷率下运行。配套文件(Tayetal.2004)着眼于有机负荷率对反应器性能的影响，报告指出，4kgCOD/m³每天的适度有机负荷率给生物量的保留和稳定的好氧颗粒污泥的研制成功需要的饥饿条件提供了一个最佳的平衡。第二个部分考察的是在有机负荷率中形成好氧颗粒污泥的特点。研究方法四个连续的好氧污泥床，反应器R1、R2、R3、R4分别在1、2、4、8kgsCOD/m³每天的化学需氧量的有机负荷率下运行。四个反应器的其他操作参数保持不变，就和第一部分详细的一样(Tayetal.2004)。在不同阶段收集的生物样品采用不同的物理、化学、生物方法测试其特点。表一列出了兴趣的参数和测试方法。特殊颗粒的生长速率基于明确的颗粒直径增长速率，造粒的不同阶段可以监控到颗粒增长率。颗粒增长率代表反应器中生物量的增长率，计算可以使用下列方程(YanandTay1997)：Vφ=）（μKd-q3131dtdφφ1Y5这里的Vφ=基于明确的颗粒直径增长速率（mm/mmd或d-1）；φ=颗粒或絮状物的直径（mm）；μ=基于特定的生物质颗粒的生长速率（gVSS/gVSS.d或d-1）；Y=细菌的产率系数（每克COD中有这么多克的可挥发性悬浮固体被去除）；q=反应器中的生物量的每一天的COD去除率归范化（gVSS/gCOD.d）；Kd=特定的内源性衰减率（d-1）。这个方程假设了理想颗粒是由于细菌的繁殖和聚集长大(YanandTay1997)。理想的颗粒应该是圆形并且分布均匀，没有底物的扩散限制，受到破坏性的剪切力而不解体。颗粒大小用激光粒度分析系统（马尔文Mastersizer2600系列，马尔文仪器有限公司，马尔文，英国）或图像分析仪测定颗粒大小。Master-Sizer激光粒度仪采用的是激光衍射的原理和用于颗粒直径从0.5到550μm。图像分析涉及到ImageProPlus软件（MediaCybernetics,L.P.version4.0,U.S.）支持的立体显微镜的使用（奥林巴斯新型SZX9），适用于颗粒直径大于550μm。图像分析也用于其他物理特性的测量如表面积，孔的大小和圆度。扫描电子显微镜用扫描电子显微镜(SEM)(Stereoscan420,Leo,U.K.)定性观察颗粒外貌。颗粒样本先用蒸馏水洗净，后用乙醇分级（(25,50,75,and100%)脱水。脱水后的样品用临界点干燥仪干燥(型号E3000,VGMicrotech,U.K.)，要么保持不变，要么变成碎片，分别观察外表面或内部结构。冷冻的样本进一步在高度真空（2.8×10-6托）条件下进行20mA的镀金，在低温（-170°C）冷冻室进行60s的扫描电子显微镜观察。颗粒强度和比重颗粒的强度被定义为颗粒抗解题的能力。它表示为完整性系数（IC）（%），它定义为完全搅拌后残余的挥发性悬浮固体与在搅拌之前的完整的颗粒的总的挥发性悬浮固体的比值(Ghangrekaretal.1996)。较强的颗粒具有更高的完整6性系数，确定生物粒子的重力实用的是标准方法(美国公共卫生协会1998)。细胞的疏水性和胞外聚合物疏水性的测量如前所描述(Rosenbergetal.1980)，它表现为经过15分钟的分区后细胞黏附到十六烷的百分比。胞外聚合物通过第一次的离心法的回收颗粒（2,500g，10分钟）加到最终浓度约为8.5g/L的30mL的超纯水中。20毫升的浓缩污泥置于冰水浴中，使用50W，20kHz超声波仪（热系统公司，型号XL2020，美国）超声处理超过两个15s的周期（在一个短的10s休息期间中断）。14000g的胞外聚合物在4°C温度下离心法经过20分钟后恢复。胞外聚合物里的多糖的测量是以葡萄糖的标准的苯酚-硫酸法测定稀释的样品（使用超纯水稀释为1：10）。根据制造商的操作指示用2,2'-联喹啉-4,4'-二甲酸试剂盒（Sigma，美国）测定蛋白质。结果分析好氧颗粒污泥的发展好氧颗粒污泥在分别工作在1和2kgCOD/m³每天的相对浓度较低有机负荷率的R1、R2反应器中均检测不到。好氧颗粒污泥第一次出现是在运行14天后的R3反应器中，它运行在4kgCOD/m³每天的适度有机负荷率中。虽然对好氧颗粒污泥的观察在18天后的R4反应器中，但8kgCOD/m³每天的有机负荷率太高以至于难以维持发展成稳定的颗粒，在颗粒第一次出现后的两周内就解体了。图1显示了反应器的生物量的物理特性随时间变化的演变过程。可以看出其三个发展阶段。适应期是从第1天到第14天，在这期间接种污泥形成了大的絮状物，接着是增殖期，它的特点是反应器内的混合液挥发性悬浮固体浓度明显升高。最后的阶段是成熟期，反应器运行的第52天到最后的第80天。在较低的有机负荷率下，絮体和颗粒的直径一般较小【图1（a）】。这表明了絮体和颗粒的直径在适应期迅速增加。在R1、R2、R3和R4反应器中，具体的颗粒增长率（Vφ）分别为70.1044、0.1057、0.1081和0.1085mm/mm每天。在第12天到第52天之间，颗粒增长率相应的减少到0.0040、0.0040、-0.0064和0.0021mm/mm每天。较小的颗粒增长率表明了在增殖期期间絮体和颗粒的增长明显变慢了。颗粒增长率（-0.0064）小的负值表示R3反应器中的颗粒尺寸减小。在成熟期，絮体和颗粒的大小在不同的有机负荷率下保持稳定【图1（a）】。在三个阶段，根据记