基质限制条件下好氧硝化颗粒污泥的稳定性及热力学研究

摘要

近年来，好氧颗粒污泥技术得到了越来越多的重视与关注。然而，好氧颗粒污泥较差的稳定性仍然是限制其实际应用的重要因素。尽管人们已认识到诸多因素在颗粒污泥的形成和稳定性中的重要作用，但对于颗粒污泥微生物之间的相互作用仍缺乏定量的描述;对颗粒污泥的解体机制还缺乏深入的研究和透彻的理解。本研究通过zeta电势和接触角两种表面热力学指标的测定，以及比耗氧速率、粒径分布、EPS、三维荧光、傅里叶红外、扫描电镜等多种分析手段，结合DLVO理论计算方法，深入探讨微生物之间的相互作用及其对好氧颗粒污泥稳定性的影响。本研究不仅可以丰富对微生物作用机制的理解，而且对于预测好氧颗粒污泥稳定性的变化具有着重要意义。本论文对于硝化菌大量富集、稳定性良好、能同时除碳脱氮的好氧硝化颗粒污泥在基质限制条件下稳定性和热力学特性进行了研究。主要研究内容和结果如下:
　　 (1)研究了有机碳源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥稳定性及热力学性质的变化。结果表明，基质碳源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥中的异养微生物的活性逐步受到抑制。由于失去了异养微生物的竞争，自养硝化菌AOB和NOB的活性明显提高。好氧硝化颗粒污泥中EPS含量升高但不明显，PN/PS值明显降低。三维荧光结果表明，EPS中荧光物质以类蛋白质类物质为主。随着时间的增长，EPS中的蛋白质的结构发生了轻微的改变。颗粒污泥表面的官能团结构发生了改变，羟基和氨基数量增多，导致颗粒污泥亲水性增强。颗粒污泥表面热力学性质发生了改变，微生物之间结合所需跨越的斥力势垒由最初的680KT上升为1950KT，从而微生物之间的絮凝性能下降，导致颗粒污泥稳定性变差。吉布斯自由能计算结果表明，微生物之间的作用由一开始的强吸附作用逐渐演变为最后的强排斥作用。最终位于颗粒污泥表层的微生物在外界水利剪切力作用下脱落，并随出水排出系统，导致出水悬浮固体浓度升高。粒径分布结果表明，系统中颗粒由以2.36-3.35mm大颗粒为主转变为以1.00-1.18mm的小颗粒为主。综上，系统达到了新的平衡，好氧硝化颗粒污泥由先前的混合型转变为完全自养型。整个过程中，颗粒污泥破裂现象少有发生，说明本研究所应用的颗粒污泥强度很高，抑制颗粒污泥中的异养菌株的活性对颗粒污泥的结构完整性并没有明显的影响。
　　 (2)研究了氮源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥稳定性及热力学性质的变化。结果表明，基质氮源限制条件下，好氧硝化颗粒污泥中的自养硝化菌在失去了氮源的供应后很活性大幅降低，同时异养菌的活性提高。自养硝化菌活性的衰弱使得颗粒污泥的结构强度下降，很快部分较大的颗粒便出现了破裂现象，并且随着时间的增长越来越多的颗粒污泥解体，在第50天左右反应器中的悬浮固体浓度已降低到一个相当低的水平。最后，系统中颗粒污泥由以粒径范围2.36-3.35mm的大颗粒为主变为以粒径范围0.43-0.85的颗粒碎片和絮体为主。颗粒污泥表面羟基和氨基数量下降，而羰基等不饱和疏水性基团增多，导致颗粒污泥疏水性提高。然而，由于EPS含量大幅降低，颗粒污泥微生物间的粘合作用逐渐减弱甚至消失。根据所得结果，DLVO理论无法合理解释氮源限制条件下颗粒污泥解体的热力学机制，有必要将EPS的影响考虑到DLVO理论计算过程中，对结果进行重新拟合。
　　 (3)综上，去除进水中有机碳源后，DLVO理论能很好的预测颗粒污泥的稳定性的变化;而当去除进水中无机氮源后，DLVO理论却无法解释颗粒污泥解体的原因。这主要是因为氮源限制条件下，颗粒污泥胞外聚合物含量快速下降，微生物之间粘合作用减弱，颗粒污泥结构性变差，在外界水力剪切力条件下，颗粒污泥发生破裂。而DLVO理论并没有将这一部分因素考虑进去，从而使其不能准确预测氮源限制条件下好氧硝化颗粒污泥稳定性的变化。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 好氧颗粒污泥概述

1．2 好氧颗粒污泥的形成机理及影响因素

1．2．1 接种污泥

1．2．2 基质组成和负荷率

1．2．3 SBR操作方式

1．2．4 其它因素

1．3 好氧颗粒污泥解体机制

1．3．1 丝状菌过度繁殖

1．3．2 厌氧核心的水解

1．3．3 菌株活性丧失

1．3．4 EPS的影响

1．3．5 其它机制

1．4 微生物之间的相互作用——DLVO理论

1．4．1 概述

1．4．2 理论形式

1．5 研究目的、意义和内容

第二章 碳源限制条件下颗粒污泥稳定性及热力学

2．1 概述

2．2 材料与方法

2．2．1 反应器及操作方式

2．2．2 颗粒污泥和进水组成

2．2．3 分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 MLSS及ESS

2．3．2 周期实验

2．3．3 SOUR

2．3．4 SEM

2．3．5 粒径分布

2．3．6 EPS

2．3．7 FTIR

2．3．8 DLVO

2．4 本章小结

第三章 氮源限制条件下颗粒污泥稳定性及热力学

3．1 概述

3．2 材料与方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 MLSS和ESS

3．3．2 SOUR

3．3．3 粒径分布

3．3．4 EPS

3．3．5 FTIR

3．3．6 DLVO

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢

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