好氧硝化颗粒污泥的性能及储存与解体后的自修复行为研究

论文摘要

好氧颗粒污泥是一种用于废水处理的新型微生物聚集体,是微生物在各种选择压的作用下自发凝聚而形成的结构致密、沉降性能良好、生物协作性强的生物颗粒。好氧颗粒污泥具有能够同时去除废水中的COD、N和P的特殊性能,是一项很有应用潜力的废水生物处理技术。本论文采用逐步提高选择压的培养策略,成功的培养了硝化菌大量富集、稳定性良好、能同时除碳脱氮的好氧硝化颗粒污泥,系统考察了好氧硝化颗粒污泥的培养形成过程、储存过程和解体过程,研究了储存和解体后恢复颗粒污泥性能的自修复行为,并验证了好氧硝化颗粒污泥处理高氨氮催化剂废水的可行性。主要研究内容如下:（1）研究逐步提高底物NH4+-N浓度选择压的培养策略的优势和形成的好氧硝化颗粒污泥的性能。结果表明,在底物NH4+-N浓度为200 mg/L的条件下无法完成好氧颗粒化过程;而底物NH4+-N浓度为50 mg/L条件下培养的好氧颗粒污泥以异养菌为主,结构松散,丝状菌大量繁殖,稳定性差,反应器运行131天颗粒污泥就开始解体。将底物NH4+-N浓度从50mg/L逐步提高到200 mg/L的培养策略使颗粒污泥内的硝化菌逐渐富集,最终形成了能同时去除COD和NH4+-N并具有一定反硝化能力的好氧硝化颗粒污泥。逐步提高选择压的培养策略使好氧硝化颗粒污泥的性能得到逐步改善,反应器内污泥浓度（MLSS）和颗粒粒径逐步提高,颗粒沉降性能和硝化反硝化活性逐步得到强化。同时,硝化菌的大量富集抑制了丝状菌的生长,形成的好氧硝化颗粒污泥以杆菌为主,颗粒结构紧凑、稳定性能良好,反应器运行283天未出现明显颗粒解体现象。在进水COD和NH4+-N浓度分别为500和200 mg/L时,COD、NH4+-N和总氮（TN）平均去除率分别达到82%、98%和50%。（2）考察短期储存2个月对好氧硝化颗粒污泥的影响,并研究储存后的自修复阶段的操作条件对硝化菌活性恢复的影响。结果表明,储存2个月对好氧硝化颗粒污泥的物理性能和结构稳定性都没有明显影响。采用储存前的操作条件进行活性恢复,即较低的剪切力（0.9cm/s）和循环时间（4h）条件下,异养菌活性恢复最快,5天后COD去除率基本恢复并稳定在80%以上;而亚硝酸菌和硝酸菌的比耗氧速率（SOUR）只能分别恢复至储存前的88%和82%,NH4+-N去除率仅在80%～90%之间:第41天剪切力提高至1.8cm/s后,亚硝酸菌活性完全恢复,NH4+-N去除率达到98%以上,但硝酸菌的SOUR仍只有储存前的92%;第65天将循环时间延长至6h,硝酸菌活性完全恢复。（3）研究好氧硝化颗粒污泥长期储存7个月过程中的性能、结构和菌群衰减变化以及储存后的自修复行为。结果表明,长期储存使好氧硝化颗粒污泥的VSS/SS值下降,沉降性能恶化,颗粒表面出现较多孔穴和褶皱,但颗粒污泥并未发生明显解体现象,仍保持其形态结构的稳定性。好氧硝化颗粒污泥储存后,硝化菌和异养菌的活性都有明显的衰减,但硝化菌的衰减速度较慢。在储存阶段,微生物首先利用胞外聚合物（EPS）和混合液中残留的溶解氧（DO）进行代谢生长,随后分泌越来越多的EPS（尤其是多糖）。好氧硝化颗粒污泥内硝化菌的衰减速度慢以及EPS的大量分泌是其在长期储存阶段能保持形态结构稳定性的重要原因。在自修复阶段,好氧硝化颗粒污泥的物理性能和微生物活性都迅速恢复,经过1个月的时间,其结构、VSS含量、沉降性能等都完全恢复甚至优于储存前的水平。在剪切力为1.8cm/s,循环时间为6 h的条件下,好氧硝化颗粒污泥内的硝化菌和异养菌活性分别经11天和16天即可完全恢复。（4）对好氧硝化颗粒污泥的解体机制进行系统研究。结果表明,随着好氧硝化颗粒污泥粒径的增长,颗粒污泥内部底物和DO的传质限制是导致颗粒解体的根本原因。解体过程主要包括以下三个阶段:①颗粒污泥内部底物和DO的传质通道被堵塞,中心空穴区域逐渐扩大,最终颗粒污泥形成明显的中空结构;②反硝化以及有机物厌氧分解产生的气体在颗粒内部难以排出,颗粒内部产生较大气压,从而导致颗粒外层出现裂痕;③颗粒碎片沿颗粒裂痕处脱落,颗粒污泥完全解体。（5）考察加入新的活性污泥促进解体好氧硝化颗粒污泥完成自修复的可行性。结果表明,解体颗粒污泥的空穴能逐渐吸附新加入的活性污泥,并与之形成一个有机的整体。大约3周时间,解体颗粒污泥完全修复,被修复后的颗粒污泥结构规则,微生物相致密,颗粒污泥的沉降性能和强度都得到了极大的改善。剩余活性污泥在各种选择压的作用下形成新的颗粒污泥。由修复的和新形成的颗粒污泥组成的系统对COD和NH4+-N都具有高效稳定的去除效果,在进水COD和NH4+-N浓度分别为500和150mg/L时,COD、NH4+-N和TN去除率分别稳定在90%、99%和50%左右。（6）研究好氧硝化颗粒污泥处理高氨氮催化剂废水的可行性。结果表明,好氧硝化颗粒污泥适合处理高氨氮催化剂废水,而且具有很好的抗冲击负荷能力。在循环时间为4h,NH4+-N浓度为600 mg/L时,NH4+-N容积负荷达到1.8kg/m3·d,NH4+-N去除率达到98%以上。在模拟废水盐度为15g/L,COD和NH4+-N浓度分别在100～400 mg/L和300～600 mg/L之间波动时,COD去除率在75%～90%之间,NH4+-N去除率在97%以上,出水都能达到《污水综合排放标准（GB 8978-1996）》一级标准的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 好氧颗粒污泥研究进展
• 1.1 微生物颗粒化技术
• 1.1.1 厌氧颗粒污泥技术
• 1.1.2 好氧颗粒污泥技术
• 1.2 颗粒污泥的形成机理
• 1.3 好氧颗粒污泥的发展历史
• 1.4 好氧颗粒污泥的特性
• 1.4.1 好氧颗粒污泥的构成
• 1.4.2 好氧颗粒污泥的物理特性
• 1.4.3 好氧颗粒污泥的化学特性
• 1.4.4 好氧颗粒污泥同时硝化反硝化特性
• 1.4.5 好氧颗粒污泥储存和活性恢复特性
• 1.5 好氧颗粒化的影响因素
• 1.5.1 接种污泥
• 1.5.2 进水
• 1.5.3 反应器操作条件
• 1.6 好氧颗粒污泥的应用前景
• 1.6.1 处理有机废水
• 1.6.2 处理高氨氮废水
• 1.6.3 处理含磷废水
• 1.6.4 吸附重金属
• 1.6.5 处理有毒废水
• 1.7 本课题的研究目的、意义和内容
• 1.7.1 研究目的和意义
• 1.7.2 研究内容
• 2 好氧硝化颗粒污泥的培养策略及其性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验装置及操作参数
• 2.2.2 接种污泥及进水水质
• 2.2.3 分析项目与方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 好氧颗粒污泥的形成
• 2.3.2 好氧颗粒污泥的微生物活性
• 2.3.3 好氧颗粒污泥的微观结构
• 2.3.4 好氧颗粒污泥的同时硝化反硝化性能
• 2.4 小结
• 3 好氧硝化颗粒污泥的储存及其自修复
• 3.1 引言
• 3.2 实验安排
• 3.3 好氧硝化颗粒污泥的短期储存及其自修复
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 好氧硝化颗粒污泥的长期储存及其自修复
• 3.4.1 实验部分
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.5 小结
• 4 好氧硝化颗粒污泥的解体及其自修复
• 4.1 引言
• 4.2 实验安排
• 4.3 好氧硝化颗粒污泥的解体机制
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 解体好氧硝化颗粒污泥的自修复
• 4.4.1 实验部分
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 小结
• 5 好氧硝化颗粒污泥处理高氨氮催化剂废水可行性研究
• 5.1 催化剂生产废水的特点与处理技术
• 5.2 高氨氮催化剂废水处理工艺流程
• 5.2.1 设计进出水水质
• 5.2.2 高氨氮催化剂废水处理工艺流程
• 5.3 好氧硝化颗粒污泥的培养
• 5.4 盐度对好氧硝化颗粒污泥的影响
• 5.4.1 实验部分
• 5.4.2 结果与讨论
• 5.5 好氧硝化颗粒污泥处理模拟高氨氮催化剂废水
• 5.5.1 实验部分
• 5.5.2 结果与讨论
• 5.6 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历