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【摘 要】好氧颗粒污泥的研究是建立在厌氧颗粒污泥研究的基础上，近年来，研究者认识到在好氧环境下，由于微生物的自凝聚性质，污泥也可以颗粒化。本论文在简易反应器中，利用人工配制的模拟废水，接种絮状活性污泥。控制水力停留时间和沉降时间，并通过投加钙离子，在短期内培养成功好氧颗粒污泥。
【关键词】好氧颗粒污泥；颗粒化；人工模拟废水
1.引言
好氧颗粒污泥是由相互凝聚的、多物种的微生物相构成的菌团。它属于微生物的自固定技术范畴，涉及到细胞与细胞之间的相互作用，过程十分复杂。
迄今为止，各国研究者对好氧颗粒污泥研究报道很多，也借鉴传统厌氧颗粒污泥培养的成功经验，利用SBR反应器中独特的厌氧—好氧交替出现和气液两相均为升流运动的特征成功培养成了好氧颗粒污泥，并将好氧颗粒污泥与传统絮状污泥进行对比，发现其具有规则的外形，密实的结构和优良的沉降性能[1-4]。利用它们能实现反应器中较高的污泥浓度，从而减小反应器容积，提高冲击负荷。同时好氧颗粒污泥是高活性微生态系统，它的存在使生物反应器有较高浓度的生物相，对于提高活性污泥的处理能力，改善出水水质，同时实现脱氮除磷，确保生化过程高效稳定进行均有重大意义[5-8]。
1.1好氧污泥颗粒化的影响因素
好氧污泥颗粒化是生物膜生长的一种特殊形式，是生物、物理、化学过程的复合过程十分复杂，微生物聚集成颗粒的过程受许多因素的影响，主要有以下几方面：
1.1.1接种污泥
接种污泥是好氧颗粒污泥的菌种，接种污泥中微生物的种类、活性、数量等可影响好氧颗粒污泥微生物群落的结构和功能、污泥颗粒化的进程及成熟颗粒污泥的理化性状。理论上，微生物数量多、种类丰富的接种污泥，形成的好氧颗粒污泥具有种群多样性、基质多样性。一般而言，荚膜菌丰富的接种污泥有利于污泥颗粒化。目前接种污泥多选用普通絮状活性污泥、厌氧颗粒污泥或以降解COD为主的悬浮、不沉降细胞，其中以厌氧颗粒污泥直接驯化，其方法简便且成功率很高。
1.1.2微生物生长条件
1.1.2.1水质
目前好氧颗粒污泥已在多种基质中培养成功，但在不同基质中培养出的好氧颗粒污泥的微观结构和微生物种类有区别，例如，以葡萄糖为碳源培养出的好氧颗粒污泥结构比较松散，而以醋酸盐为碳源培养出的好氧颗粒污泥结构较为紧密。悬浮物丰富和含糖量丰富的废水都有利于形成好氧颗粒污泥。
1.1.2.2溶解氧、pH和温度
在理论上，由于溶解氧、pH及温度都对微生物的生长产生影响，故也认为它们对好氧污泥的颗粒化过程产生影响，但关于pH和温度对污泥颗粒化作用的影响的报道尚少，对于溶解氧的影响作用，已有研究表明好氧颗粒污泥培养所需的溶解氧的范围较宽，在反应器中，溶解氧浓度在0.7～1.0 mg/L或高于时均可形成好氧颗粒污泥。
1.1.3工况条件
1.1.3.1COD容积负荷
形成好氧颗粒污泥的COD容积负荷范围较宽，在2.5～15 kg/（m3·d）的条件下均可培养成好氧颗粒污泥，在低于1.0 kg/（m3·d）的容积负荷下不易形成好氧颗粒污泥，其原因可能是由于好颗粒污泥比表面积小，不利于基质的摄取和传递，也可能是由于低容积负荷下微生物不易产生和分泌胞外多聚物。虽然颗粒化对容积负荷的变化不敏感，但好氧颗粒污泥的理化性质会受有机负荷的影响，高负荷下形成的好氧颗粒污泥的沉降性能较好，颗粒密实，含水率低；而低负荷下形成的好氧颗粒污泥密度小，含水率高，沉降性能差，在运行后期可能出现污泥膨胀现象。
1.1.3.2流体剪切力
流体剪切力在好氧污泥颗粒的形成过程中起着关键的作用，剪切力通过上升的水流或气流产生，好氧颗粒污泥的形成、结构及生化特性等都与流体剪切力有密切关系。研究表明高的流体剪切力作用下形成的好氧颗粒污泥更规则、更密实、更稳定。
2.实验部分
在有关好氧颗粒污泥的报道中，好氧颗粒污泥大部分是在SBR反应器中培养成功的，接种污泥一般选用活性絮状污泥或厌氧颗粒污泥。而对于在简易装置中培养成功好氧颗粒污泥的报道很少。本试验的目的在于使用简易反应器，通过控制水力停留时间和沉淀时间，并投加钙离子对接种污泥进行颗粒化培养。同时在不同水力停留时间下监测出水COD、氨氮、及总磷含量，分析在污泥颗粒化过程中生物降解能力的变化。
2.1好氧颗粒污泥的形成机理
好氧颗粒污泥的形成机理有很多种说法，但被多数学者认同的主要有自凝聚原理和“晶核假说”原理。
2.1.1自凝聚原理
自凝聚现象是生物处理系统中的微生物在适当的环境下，相互聚集形成一种密度大，活性和传质条件好的微生物同生体的现象。一般认为只要满足必要的条件，这种现象就会发生。在反应器中，采用较短的沉降时间和水力停留时间培养好氧颗粒污泥，目的就是将沉降性能较差的絮状污泥洗出，从而使得细菌只有相互聚集在一起，形成密度较大、沉淀性能较好的颗粒污泥才能保持在反应器中[5]。
2.1.2晶核假说原理
“晶核假说”原理认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程，在晶核的基础上，颗粒污泥不断发育，最终形成成熟的颗粒污泥。晶核一般来源于接种污泥或惰性物质。故向反应器中投加一定的惰性载体、无机离子或利用厌氧颗粒污泥来给好氧颗粒污泥提供晶核，以提高微生物自身聚集成颗粒状态的能力，从而加速好氧颗粒污泥形成的过程。本实验欲投加钙离子作为晶核，促使好氧污泥在短期内形成好氧颗粒污泥[5]。
2.2實验装置、仪器及试剂
2.2.1实验装置
本实验采用普通塑料桶作为反应器，反应器规格如下：有效容积为1.5 L，内径12 cm，设计高度25cm，可利用高度22cm。 曝气采用气泵和石英砂曝气头，同时在反应器中形成较好剪切力。
2.2.2实验用水
实验采用人工配制的模拟废水，废水的COD为1.3～1.5 kg/（m3·d）。其组成如下：
葡萄糖为1650 mg/L，尿素431 mg/L，磷酸二氢钠75 mg/L。
2.2.3实验仪器
在整个实验过程中还用到以下仪器：德国夸克（AQUALYTIC）COD测定仪、XSZ-3G型电子显微镜、UV-2000型紫外可见分光光度计、TG328B分析天平、JJ精密电子天平、DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱。
2.2.4实验试剂
10 mmol/L EDTA标液、10 mmol/L钙标准液、羧酸钙指示剂（干粉）、3 mol/L NaOH溶液、4 mol/L 氨水、重铬酸钾溶液、H2SO4-Ag2SO4溶液、100 g/L抗坏血酸、26 g/L钼酸铵、酒石酸钾钠、纳氏试剂。
3.结果与讨论
3.1活性污泥的培养分析
接种污泥在接种前呈沙质状，镜检观察不到微生物，活性差，污泥沉降性能差，經过一个月的培养，污泥中先后出现原生动物，钟虫、轮虫，最后轮虫数量居多，通过加大进出水量和投加一定量的钙离子，污泥的沉淀性能逐步提高，沉淀速率达到4m/h。
3.2污泥颗粒化过程分析
从进入颗粒化阶段到反应器中出现颗粒污泥，共运行29 d。水力停留时间分别为48 h、24 h、12 h，在泥量稳定的情况下，逐步缩短沉降时间至1 min，同时投加氯化钙共运行15 d，污泥沉降性能有所提高，但未观察到污泥发生自凝聚现象。缩短水力停留时间至8 h，运行8 d，在泥量保持恒定的情况下，选择沉降时间为1 min，在反应器中可以观察到少量白色团状物质，粒径在1 mm左右，这说明在水力剪切力的作用下，活性絮状污泥己经开始有自聚趋势。随后白色颗粒逐渐增多，可以观察到白色颗粒夹杂在黄褐色的活性污泥中，污泥活性提高，处理能力增强。运行14 d后，反应器中出现少量米黄色小颗粒。
在此过程中，必须控制氯化钙的投加量，氯化钙投加量应低于2.0 g/L，否则会在污泥中形成棱状透明结晶体，影响到絮状污泥的自凝聚。
4. 结论
4.1实验结论
在水力停留时间为8h，沉降时间为1 min的条件下运行14 d，用放大镜观察到部分好氧活性污泥呈颗粒状，污泥的沉降速度已达19m/h，SVI已达60 mL/g，其性能指标优于普通絮状活性污泥。
在水中投加一定量的钙离子，可提高污泥的沉降性能，促进污泥颗粒化，但若钙离子过量，则会在泥中形成透明棱状结晶体，一方面它会阻碍絮状污泥的凝聚，另一方面在曝气状态下，它可能会将已凝聚的颗粒污泥打碎，从而影响污泥的颗粒化进程。实验确定CaCl2最佳投加量为2 g/L，随进水加入。
4.2研究展望
本论文仅对好氧颗粒污泥的培养及其在颗粒化过程中生物降解能力变化进行了研究，由于时间限制，未能使好氧污泥全部颗粒化及用于实际废水的处理，但是随着好氧颗粒污泥研究的不断深入，好氧颗粒污泥应用于工业生产己经成为可能，虽然在工业化应用中好氧颗粒污泥有不少障碍，但是好氧颗粒污泥所表现出对污染物的去除性能以及良好的沉淀性能，使其具有重要的研究意义。
参考文献：
[1]张鉴达.好氧颗粒污泥的培养及其工艺研究.山东大学硕士学位论文，2006.
[2]竺建荣，刘纯新.好氧颗粒活性污泥的培养及理化特性研究.环境科学，1999，20（2）：39～41
[3]卢然超，张晓健，张悦等.SBR工艺运行条件对好氧污泥颗粒化和除磷效果的影响.环境科学，2001，22（2）：87
【关键词】好氧颗粒污泥；颗粒化；人工模拟废水
1.引言
好氧颗粒污泥是由相互凝聚的、多物种的微生物相构成的菌团。它属于微生物的自固定技术范畴，涉及到细胞与细胞之间的相互作用，过程十分复杂。
迄今为止，各国研究者对好氧颗粒污泥研究报道很多，也借鉴传统厌氧颗粒污泥培养的成功经验，利用SBR反应器中独特的厌氧—好氧交替出现和气液两相均为升流运动的特征成功培养成了好氧颗粒污泥，并将好氧颗粒污泥与传统絮状污泥进行对比，发现其具有规则的外形，密实的结构和优良的沉降性能[1-4]。利用它们能实现反应器中较高的污泥浓度，从而减小反应器容积，提高冲击负荷。同时好氧颗粒污泥是高活性微生态系统，它的存在使生物反应器有较高浓度的生物相，对于提高活性污泥的处理能力，改善出水水质，同时实现脱氮除磷，确保生化过程高效稳定进行均有重大意义[5-8]。
1.1好氧污泥颗粒化的影响因素
好氧污泥颗粒化是生物膜生长的一种特殊形式，是生物、物理、化学过程的复合过程十分复杂，微生物聚集成颗粒的过程受许多因素的影响，主要有以下几方面：
1.1.1接种污泥
接种污泥是好氧颗粒污泥的菌种，接种污泥中微生物的种类、活性、数量等可影响好氧颗粒污泥微生物群落的结构和功能、污泥颗粒化的进程及成熟颗粒污泥的理化性状。理论上，微生物数量多、种类丰富的接种污泥，形成的好氧颗粒污泥具有种群多样性、基质多样性。一般而言，荚膜菌丰富的接种污泥有利于污泥颗粒化。目前接种污泥多选用普通絮状活性污泥、厌氧颗粒污泥或以降解COD为主的悬浮、不沉降细胞，其中以厌氧颗粒污泥直接驯化，其方法简便且成功率很高。
1.1.2微生物生长条件
1.1.2.1水质
目前好氧颗粒污泥已在多种基质中培养成功，但在不同基质中培养出的好氧颗粒污泥的微观结构和微生物种类有区别，例如，以葡萄糖为碳源培养出的好氧颗粒污泥结构比较松散，而以醋酸盐为碳源培养出的好氧颗粒污泥结构较为紧密。悬浮物丰富和含糖量丰富的废水都有利于形成好氧颗粒污泥。
1.1.2.2溶解氧、pH和温度
在理论上，由于溶解氧、pH及温度都对微生物的生长产生影响，故也认为它们对好氧污泥的颗粒化过程产生影响，但关于pH和温度对污泥颗粒化作用的影响的报道尚少，对于溶解氧的影响作用，已有研究表明好氧颗粒污泥培养所需的溶解氧的范围较宽，在反应器中，溶解氧浓度在0.7～1.0 mg/L或高于时均可形成好氧颗粒污泥。
1.1.3工况条件
1.1.3.1COD容积负荷
形成好氧颗粒污泥的COD容积负荷范围较宽，在2.5～15 kg/（m3·d）的条件下均可培养成好氧颗粒污泥，在低于1.0 kg/（m3·d）的容积负荷下不易形成好氧颗粒污泥，其原因可能是由于好颗粒污泥比表面积小，不利于基质的摄取和传递，也可能是由于低容积负荷下微生物不易产生和分泌胞外多聚物。虽然颗粒化对容积负荷的变化不敏感，但好氧颗粒污泥的理化性质会受有机负荷的影响，高负荷下形成的好氧颗粒污泥的沉降性能较好，颗粒密实，含水率低；而低负荷下形成的好氧颗粒污泥密度小，含水率高，沉降性能差，在运行后期可能出现污泥膨胀现象。
1.1.3.2流体剪切力
流体剪切力在好氧污泥颗粒的形成过程中起着关键的作用，剪切力通过上升的水流或气流产生，好氧颗粒污泥的形成、结构及生化特性等都与流体剪切力有密切关系。研究表明高的流体剪切力作用下形成的好氧颗粒污泥更规则、更密实、更稳定。
2.实验部分
在有关好氧颗粒污泥的报道中，好氧颗粒污泥大部分是在SBR反应器中培养成功的，接种污泥一般选用活性絮状污泥或厌氧颗粒污泥。而对于在简易装置中培养成功好氧颗粒污泥的报道很少。本试验的目的在于使用简易反应器，通过控制水力停留时间和沉淀时间，并投加钙离子对接种污泥进行颗粒化培养。同时在不同水力停留时间下监测出水COD、氨氮、及总磷含量，分析在污泥颗粒化过程中生物降解能力的变化。
2.1好氧颗粒污泥的形成机理
好氧颗粒污泥的形成机理有很多种说法，但被多数学者认同的主要有自凝聚原理和“晶核假说”原理。
2.1.1自凝聚原理
自凝聚现象是生物处理系统中的微生物在适当的环境下，相互聚集形成一种密度大，活性和传质条件好的微生物同生体的现象。一般认为只要满足必要的条件，这种现象就会发生。在反应器中，采用较短的沉降时间和水力停留时间培养好氧颗粒污泥，目的就是将沉降性能较差的絮状污泥洗出，从而使得细菌只有相互聚集在一起，形成密度较大、沉淀性能较好的颗粒污泥才能保持在反应器中[5]。
2.1.2晶核假说原理
“晶核假说”原理认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程，在晶核的基础上，颗粒污泥不断发育，最终形成成熟的颗粒污泥。晶核一般来源于接种污泥或惰性物质。故向反应器中投加一定的惰性载体、无机离子或利用厌氧颗粒污泥来给好氧颗粒污泥提供晶核，以提高微生物自身聚集成颗粒状态的能力，从而加速好氧颗粒污泥形成的过程。本实验欲投加钙离子作为晶核，促使好氧污泥在短期内形成好氧颗粒污泥[5]。
2.2實验装置、仪器及试剂
2.2.1实验装置
本实验采用普通塑料桶作为反应器，反应器规格如下：有效容积为1.5 L，内径12 cm，设计高度25cm，可利用高度22cm。 曝气采用气泵和石英砂曝气头，同时在反应器中形成较好剪切力。
2.2.2实验用水
实验采用人工配制的模拟废水，废水的COD为1.3～1.5 kg/（m3·d）。其组成如下：
葡萄糖为1650 mg/L，尿素431 mg/L，磷酸二氢钠75 mg/L。
2.2.3实验仪器
在整个实验过程中还用到以下仪器：德国夸克（AQUALYTIC）COD测定仪、XSZ-3G型电子显微镜、UV-2000型紫外可见分光光度计、TG328B分析天平、JJ精密电子天平、DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱。
2.2.4实验试剂
10 mmol/L EDTA标液、10 mmol/L钙标准液、羧酸钙指示剂（干粉）、3 mol/L NaOH溶液、4 mol/L 氨水、重铬酸钾溶液、H2SO4-Ag2SO4溶液、100 g/L抗坏血酸、26 g/L钼酸铵、酒石酸钾钠、纳氏试剂。
3.结果与讨论
3.1活性污泥的培养分析
接种污泥在接种前呈沙质状，镜检观察不到微生物，活性差，污泥沉降性能差，經过一个月的培养，污泥中先后出现原生动物，钟虫、轮虫，最后轮虫数量居多，通过加大进出水量和投加一定量的钙离子，污泥的沉淀性能逐步提高，沉淀速率达到4m/h。
3.2污泥颗粒化过程分析
从进入颗粒化阶段到反应器中出现颗粒污泥，共运行29 d。水力停留时间分别为48 h、24 h、12 h，在泥量稳定的情况下，逐步缩短沉降时间至1 min，同时投加氯化钙共运行15 d，污泥沉降性能有所提高，但未观察到污泥发生自凝聚现象。缩短水力停留时间至8 h，运行8 d，在泥量保持恒定的情况下，选择沉降时间为1 min，在反应器中可以观察到少量白色团状物质，粒径在1 mm左右，这说明在水力剪切力的作用下，活性絮状污泥己经开始有自聚趋势。随后白色颗粒逐渐增多，可以观察到白色颗粒夹杂在黄褐色的活性污泥中，污泥活性提高，处理能力增强。运行14 d后，反应器中出现少量米黄色小颗粒。
在此过程中，必须控制氯化钙的投加量，氯化钙投加量应低于2.0 g/L，否则会在污泥中形成棱状透明结晶体，影响到絮状污泥的自凝聚。
4. 结论
4.1实验结论
在水力停留时间为8h，沉降时间为1 min的条件下运行14 d，用放大镜观察到部分好氧活性污泥呈颗粒状，污泥的沉降速度已达19m/h，SVI已达60 mL/g，其性能指标优于普通絮状活性污泥。
在水中投加一定量的钙离子，可提高污泥的沉降性能，促进污泥颗粒化，但若钙离子过量，则会在泥中形成透明棱状结晶体，一方面它会阻碍絮状污泥的凝聚，另一方面在曝气状态下，它可能会将已凝聚的颗粒污泥打碎，从而影响污泥的颗粒化进程。实验确定CaCl2最佳投加量为2 g/L，随进水加入。
4.2研究展望
本论文仅对好氧颗粒污泥的培养及其在颗粒化过程中生物降解能力变化进行了研究，由于时间限制，未能使好氧污泥全部颗粒化及用于实际废水的处理，但是随着好氧颗粒污泥研究的不断深入，好氧颗粒污泥应用于工业生产己经成为可能，虽然在工业化应用中好氧颗粒污泥有不少障碍，但是好氧颗粒污泥所表现出对污染物的去除性能以及良好的沉淀性能，使其具有重要的研究意义。
参考文献：
[1]张鉴达.好氧颗粒污泥的培养及其工艺研究.山东大学硕士学位论文，2006.
[2]竺建荣，刘纯新.好氧颗粒活性污泥的培养及理化特性研究.环境科学，1999，20（2）：39～41
[3]卢然超，张晓健，张悦等.SBR工艺运行条件对好氧污泥颗粒化和除磷效果的影响.环境科学，2001，22（2）：87