污废水处理中好氧颗粒污泥技术研究进展 5页

第17卷第1期西安文理学院学报：自然科学版V01．17No．12014年1月JournalofXi’anUniversityofArts&Science(NatSciEd)Jan．2014文章编号：1008-5564(2014)01-0021-05污废水处理中好氧颗粒污泥技术研究进展周润娟，徐建平(安徽工程大学a．电气工程学院；b．生物与化学工程学院，安徽芜湖241000)摘要：综述了好氧颗粒污泥技术在污废水处理工程中的研究情况．好氧颗粒污泥在实验室的阶段的研究主要集中于在高浓度有机废水处理、有毒有机物降解及脱氮除磷方面的研究，研究成果较为突出，多侧重于用各种模拟废水研究好氧颗粒污泥的形成条件．在实际污废水处理工程中的应用主要集中于对生活污水和工业废水的处理研究，侧重于工程中的处理效果，缺少对形成机理和运行条件方面的研究．在阐述国内外已有研究成果基础上，从多方面展望好氧颗粒污泥的研究方向和应用前景．关键词：好氧颗粒污泥；废水处理；形成机理；影响因素中图分类号：X799．3；X78文献标志码：AReviewoftheAerobicGranularSludgeTechnologyAppliedinSewageTreatmentZHOURun-juan，XUJian—ping(a．CollegeofElectricalEngineering；b．CollegeofBiochemicalEngineering，AnhuiPolytechnicUniversity，Wuhu241000，China)Abstract：Thispaperreviewstheresearchesoftheaerobicgranularsludgetechnologyinwastewaterbiologicaltreatment．Labstudiesofaerobicgranularsludgefocusonthemechanismofhighconcentrationorganicwastewatertreatmentandtoxiccompounds’degradationandnitro—genandphosphorusremova1．Researchemphasisisputontheformationconditionsofaerobicgranularsludgeinsimulatedwastewater．Fieldstudiesfocusonthetreatmentofhouseholdwastewaterandindustrialwastewater．Theemphasisisonthetreatmenteffectratherthanthetheoreticalbasisandoperationenvironment．Wegiveareviewofthestatusquoofresearchfindingsathomeandaroundtheworldandpredictthefutureresearchesandapplicationsofaer—obicgranularsludge．Keywords：aerobicgranularsludge；wastewatertreatment；granulationmechanism；influen—cingfactor水污染问题日益严重，各种难处理的城市生活污水和工业废水在污水处理中占主导地位．传统活性污泥法作为污水处理的一大核心技术，已渐渐不能满足污水处理的要求．好氧颗粒污泥技术是一种在污收稿日期：2013—10—11基金项目：安徽省自然科学基金重点项目(08040102002)；安徽工程大学青年科研基金项目(2013YQ38)作者简介：周润娟(1984一)，女，安徽太湖人，安徽工程大学电气工程学院讲师，硕士，主要从事环境污染综合治理研究；·徐建平(1957一)，男，安徽合肥人，安徽工程大学生物与化学工程学院教授级高级工程师，主要从事水环境污染防治研究．n22西安文理学院学报：自然科学版第17卷水处理中发现的微生物自凝聚现象的特殊生物膜_1J．自1997年Morgenroth在SBR中首次发现了好氧污泥颗粒化现象后，好氧颗粒污泥的相关研究成为国内外的热点课题j．目前国内外研究主要集中于好氧颗粒污泥的形成机理、性质特性和培养方面，对好氧颗粒污泥处理技术在实际工业废水和生活污水方面的研究相对较少．本文就好氧颗粒污泥技术分别在污水处理、废水处理中的应用情况进行了综述，并指出了已有研究成果中存在的不足，对指导好氧颗粒污泥技术在污废水处理工程中的应用情况，具有一定的参考价值．1实验室阶段研究1．1在高浓度有机废水方面的应用好氧颗粒污泥具有结构致密、沉降性能好、污泥产率低的优点，大大提高了反应器处理效率和抗冲击负荷能力，已报道的颗粒化SBR反应器的有机负荷率可达2．5～15k(m·d)，MLSS在6～12L之间，COD去除率稳定在85％以上J．1．2在脱氨除磷方面的应用好氧颗粒污泥内部存在DO浓度梯度依次形成好氧／缺氧或厌氧区，可在好氧条件下提供硝化／反硝化微观环境，有效持留生长速率较慢的硝化／反硝化菌，确保反应器可以在0．15～1．5g／(m·d)氨氮负荷下稳定运行J．硝化颗粒的微生物种群结构与基质N／COD密切相关．Liu等通过控制进水N／COD成功实现硝化颗粒污泥的选择性培养，随着进水N／COD由5／100至30／100，好氧颗粒粒径由2mm减小至0．5mm，污泥比生长速率降至0．12d～，然而颗粒污泥内硝化／反硝化细菌活性大大增强，污泥颗粒稳定性显著提高．强化生物除磷工艺(EBPR)在厌氧一好氧交替运行下具有较高的除磷效果，但仍存在工艺运行不稳定、占地面积大等问题；高径比大、占地面积小的好氧颗粒化反应器的开发，将使其在生物除磷方面具有较好的应用前景．Lin等在P／COD为1／100～10／100的SBR反应器内均成功获得好氧颗粒污泥，颗粒平均吸磷率远高于普通EBPR工艺除磷污泥，在1．9％～9．3％之间，高P／COD驯化获得的好氧颗粒粒径较小，但颗粒结构更为致密．1．3在有毒有机物降解方面的应用Tay等首次报道了以苯酚为唯一碳源、负荷为2．5kg／(in。·d)的SBR反应器内获得结构致密的好氧颗粒，反应器污泥浓度为(8．2±0．8)L，污泥产率(以VSS计)仅维持在(0．414-0．03)gig，TOC和苯酚去除率分别大于98％和99．9％，比苯酚降解速率大于0．55g／(g·d)．Jiang等从高效降解苯酚的好氧颗粒污泥中成功分离出10株具有不同比生长速率和降解速率的功能菌株，菌株PG一01、PG—O2和PG一08为优势菌，其中PG一01的比苯酚降解速率高达(0．2924-0．011)(g·h)，而比生长速率和苯酚降解速率较低的PG一08、PG一02均具有良好的自絮凝性能；Jang等将Propioniferax—likePG一02(低半饱和速率常数的苯酚降解菌)和ComamonasspPG一08(低苯酚降解活性的絮凝菌)固定化后用以处理苯酚浓度为250mg／L的有机废水，其苯酚降解性能明显优于这2个菌株单独存在下的降解性能，推测细菌共絮凝作用可能是污泥颗粒化的必要条件．等。。报道了在降解对硝基酚(PNP)过程中获得好氧颗粒污泥，其比PNP降解速率高达19．3mg／(g·h)，其中PNP功能降解菌数占异养菌数的49％，同时颗粒污泥还能降解对苯二酚、对硝基邻苯二酚、苯酚、2，4一二硝基酚、2，6一二硝基酚等同系物．Tay等启动SBR反应器处理TBA浓度在100～600mg／L的有机废水，运行180d出现污泥颗粒，获得的成熟颗粒具有较高的TBA降解性能，其降解动力学与Haldane方程拟合良好，Vmax、Ks、Ki分别为(24．9±3．1)mg／(g·h)、(161±10)mg／L、(3314±386)m#L．Nancharaiah等¨驯化混合菌群降解金属螯合剂NTA和(m)一NTA，比降解速率分别达0．7mmol／(L·g·h)、0．37mmol／(L·g·h)，其在营养元素缺乏的情况下代谢浯l生仍未受明显影响．朱亮等在序批式气提生物反应器(SABR)内培养获得高效降解氯苯胺类污染物的好氧颗粒污泥，成熟好氧颗粒粒径在0．9—2．5innl，污泥最小沉降速率在60m／h以上，氯苯胺比降解速率达(0．175±0．005)g／(g·d)．n第1期周润娟，等：污废水处理中好氧颗粒污泥技术研究进展232实际污废水工程中的研究2．1在城市生活污水处理工程中的应用目前对于城市生活污水的处理多采用普通活性污泥法及它的其他改进方式，但因传统的絮状污泥的在处理过程中会出现诸如污泥膨胀、抗负荷能力低、微生物浓度低等问题，在一定程度上影响污水的处理效果，而好氧颗粒污泥相对于普通的絮状污泥，具有良好的沉降性能、较高的处理负荷、高生物浓度等独特优点]．近年来，对好氧颗粒污泥的研究开始转移到实际生活污水处理方面．在好氧颗粒污泥对城市生活污水的应用领域，以2004年荷兰DELFT大学的vanLoosdrecht等的研究成果最为显著，已获得全球专利as]，并采用城市污水进行了中试研究¨，试验证明其效果明显．迟寒等。。采用以乙酸钠和蔗糖为有机碳源的配水，在SBAR中培养出了好氧颗粒污泥，通过逐步提高进水中城市生活污水的比例来驯化培养颗粒污泥的活性及适应能力．当进水全部为城市生活污水时，反应器运行稳定，在进水COD、氨氮分别为(100～150)、(25～30)mg／L时，系统对COD和NH3一N的平均去除率分别达70％和90％；颗粒污泥的MLSS基本在2000～3500m#L，SVI为35～50mL／g．Liu等采用SBR反应器处理初沉池后的低浓度城市生活污水(进水COD、氨氮平均为200、50mg／L)，以乙酸盐配水培养的好氧颗粒污泥为接种污泥．当运行周期为4h时，有机负荷和氨氮负荷分别为0．6、0．15kg／(131·d)，运行12d后，运行周期减至2h，有机负荷和氨氮负荷均增加一倍；当系统运行稳定后，出水氨氮<5mg／L，对其去除率高达90％以上．卢姗等对颗粒污泥SBR处理生活污水同步除磷脱氮进行了研究，周期6h，进水5min，厌氧搅拌90min，曝气240rain，沉降5rain，排水10rain，静置10min．容积负荷1．42～3．91kg／(11·d)COD、磷酸盐、氨氮、总氮和ss的平均去除率分别为83．04％、94．30％、86．51％、41．82％和85．89％．高景峰等利用SBR和SBAR处理某小区的生活污水，以具备良好硝化功能的絮状污泥为种泥，在进水COD、氨氮分别为(200～350)、(50～85)mg／L，通过缩短沉淀时间的方式实现了污泥颗粒化，与污泥未形成颗粒化时相比，SBR和SBAR系统中的硝化类型均由全程硝化转变为短程硝化，出水NO2／NOx平均值分别长期维持在98．7％和85．6％左右，氨氮降解速率提高了2～4倍．荷兰DHV公司于2008年将NeredaTM好氧颗粒污泥工艺首次用于南非某污水处理厂的升级改造中．该工艺是由荷兰DHV公司及代尔夫特理工大学、STW和STOWA合作研究出的新型好氧颗粒污泥技术，原改造计划分两步：第一步，扩建已有设施使其处理能力达到2000in／d；第二步，新建一座规模为5000ITI／d的采用传统活性污泥工艺的污水厂．基于投资和用地等方面的考虑，NeredaTM技术最终被用于该污水厂的升级改造．与传统工艺相比，NeredaTM技术的基建投资低20％左右，电耗节省35％～45％，年运行费用降低50％左右．目前，该工程正在试运行．2．2在工业废水处理工程中的应用好氧颗粒污泥沉降性能良好、微生物含量高，从而在反应器中有较高的污泥浓度，对高浓度难降解的工业废水有一定的抵抗作用．同时，好氧颗粒污泥结构紧密，对工业废水中的高浓度有毒成分起到屏蔽作用，微生物不需要直接接触废水中的有毒有害物质，使得颗粒污泥在高毒性的工业废水处理中也能表现出较好的除污的性能．结合好氧颗粒污泥的上述优点，其在工业废水处理实际工程上已有了一定程度的使用，处理效果明显优于普通絮状污泥．YuLiu等研究考察好氧颗粒污泥作为新型生物吸附剂，用于工业废水中(Cd)去除的可行性．颗粒污泥对Cd的最大吸附能力为566mg／g．2004年，JuanM．Garridol2等用好氧颗粒污泥技术来处理牛奶厂废水，用牛奶厂废水作为进水，来培养好氧颗粒污泥，培养出来的好氧颗粒污泥沉降性较好，SVI为60mL／gVSS，N和COD去除率分别为80％和70％，不同阶段出水中TSS在50～700mg／L之间变化，出水中TSS与出水时间和COD(P)／VSS都有关．2005年，N．Schwarzenbeck_2等人首次采用乳品废水在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥，一周后，污泥出现颗粒化，8周后，污泥完全颗粒化，此时总COD、TN、TP的去除率分别为90％、80％、67％．2006年，刘莉莉。。等用葡萄糖配制废水培养出的好氧颗粒污泥为接种体，通过啤酒废水驯化，实验结果表n西安文理学院学报：自然科学版第17卷明，好氧颗粒污泥经驯化后，能够迅速适应这种以糖类有机污染物为主的啤酒废水，出水COD保持在45mg／L以下．同年，WangHaileil3。。成功将好氧颗粒污泥运用于造纸废水处理中，处理效果较好．克罗地亚EcoEngineering公司开发ARGUS(AerobicGranulesUpgradeSystem)技术首先将实验室培养的好氧颗粒污泥接种于现场的培养罐(宜为主反应器容积的2％～3％)中，以工厂生产废水为进水，并投加微生物生长必需的盐类物质，进行颗粒污泥的富集培养驯化．然后将培养出的好氧颗粒污泥投入到工程实践中去，取得了很好的处理效果．目前该技术已成功运用到多家工业废水处理厂，包括匈牙利的一家制药厂、荷兰的Nieuwedorp垃圾渗滤液处理厂、斯洛文尼亚的两家抗生素制药厂及LendavaWWTP的升级改造工程．PERBIOF技术是意大利IRSA(IstitutodiRicercaSulleAcque)研发的高性能好氧颗粒污泥技术．其主体为SBBGR(sequencingbatchbiofihergranularreactor)，内部设生物固定床．该技术通过投加接种污泥，利用固定床培养出的好氧颗粒污泥处理工业废水．该技术被用来处理意大利一家制革厂的生产废水，在容积负荷为4kgCOD／(m·d)、进水COD平均为2900mg／L时，结合后续的臭氧处理装置(臭氧投加量为150～300gO／m)，则联合系统对COD、DOC、TSS、TKN、表面活性剂及色度的去除率分别为99．5％、98％、99％、95％、98．7％和98％，出水水质完全满足排放标准．3结论好氧污泥颗粒化方面的进一步研究，可着重于以下几个方面：(1)好氧污泥颗粒化影响因子模型构建．影响好氧颗粒污泥的主要因素包括，基质组成与负荷、水力剪切力、污泥沉降时间等，需要结论性地确立好氧污泥颗粒化主控因子，建立相关概念模型，以期为颗粒化反应器的工程应用奠定理论基础．(2)新型高效的有机／无机废水生物处理与修复工艺开发．好氧颗粒污泥具备高效脱氮、除磷、降解有毒有机污染物的能力，需明晰不同操作工艺下颗粒结构特性(如颗粒粒径、沉降性能、EPS含量和组成等)与颗粒化调控参数的相关性，指导好氧颗粒化反应器研发．(3)探索不同操作条件下，好氧污泥颗粒化过程微生物种群演替、功能降解菌空间分布规律，在分子水平上解析好氧污泥颗粒化的微生物作用机理，丰富与发展废水生物处理微生物学理论．(4)pH值和碱度对好氧颗粒污泥形成的影响方面研究，成果较少，确定最适宜的pH值和碱度，对合理控制好氧颗粒污泥培养与运行，具有重要研究价值，是今后的研究方向．(5)好氧颗粒污泥的最佳接种污泥量，对指导颗粒培养具有较大研究价值，进一步的研究，可侧重于利用少量好氧颗粒污泥作为诱导因子，形成大量颗粒污泥．[参考文献][1]MORGENROTHE，SHERDENT，VANLOOSDRECHTNCM，eta1．AerobicgranularsludgeinaSequencingBatchRe—actor[J]．WatRes，1997，31(12)：3191—3194．[2]MORGENROTHE，SHERDENT，VANLOOSDRECHTMCM，eta1．AerobicgranularsludgeinaSequencingBatchReac—tor[J】．WaterReserch，1997，31(12)：3191—3194．[3]IJuLL，WANGZP，YAOJ，eta1．Investigationonthepropertiesandkineticsofglucose—fedaerobicgranularsludge[J]．EnzymeandMicrobialTechnology，2005，36：307—313．f4]PENGDC，NICOLASB，PHILIPPEDJ．Aerobicgranularsludge—Acasereport[J]．WatRes．，1999，33(3)：890—893．[5]IIuY，XUH，YANGSF，eta1．generalmodelforbiosorptionofCd，CuandZnbyaerobicgranules[J]．JournalofBioteehnology，2003，102(3)：233—239．[6]LINYM，LIUY，TAYJH．Developmentandcharacteristicsofphosphorus—accumulatingmicrobialgranulesinSequen—cingBatchReactors[J]．AppliedMicroblogyandBiotechnology，2003，62(4)：430—435．17]TAYJH，YANGSF，LIUY．AnovelgranularsludgeSequencingBatchReactorforremovaloforganicandnitrogenfromwastewater[J]．JournalofBiotechnology，2003，106：77—86．[8]LIUY，YANGSF，TAYJH，eta1．Cellhydro—phobicityisatriggeringforceofbio—granulation[J]．EnzymeandMi—n第1期周润娟，等：污废水处理中好氧颗粒污泥技术研究进展crobidTechnology，2004，34(5)：371—379．[9]JANGA，YOONYH，KIMIS，eta1．CharacterizationandevaluationofaerobicgranulesinSequencingBatchReactor[J]．JournalofBiotechnology，2003，105(1—2)：71—82．[10]YIS，ZHUANGWQ，wuB，eta1．BiodegradationofP—NitrophenolbyAerobicGranulesinaSequencingBatchReactor『J]．EnvironSciTechnol，2006，40：2396—2401．[11]TAYSL，ZHUANGWQ，TAYJH．Start—Up，MicrobialCommunityAnalysisandFormationofAerobicGranulesinatert—ButylAlcoholDegradingSequencingBatchReactor[J]．EnvironSciTechnol，2005，39：5774—5780．[12]NANCHARAIAHYV，SCHWARZENBECKN，MOHANTVK，eta1．Biodegradationofnitrilotriaceticacid(NTA)andferric—NTAcomplexbyaerobicmicrobialgranules[J]．WaterResearch，2006，40(8)：1539—1546．[13]朱亮，徐向阳，郑昱．序批式气提生物反应器(SABR)处理氯苯胺类有机废水好氧污泥颗粒化研究[J]．环境科学学报，2005，25(11)：1448—1456．[14]YANGSF，LIUY，TAYJH．ANovelGranularSludgeSequencingBatchReactorforRemovalofOrganicandNitrogenfromWastewater[J]．Biotechno，2003，106：77—86．[15]LIUYu，YANGShu—Fang，XUHui，eta1．BiosorptionKineticsofCadmium(II)onAerobicGranularSludge[J]．ProcessBiochemistry，2003，38：997—1001．[16]QINL，LIUYu．AerobicGranulationforOrganicCarbonandNitrogenRemovalinAlternatingAerobic—anaerobicSe—quencingBatchReactor[J]．Chemosphere，2006，63：926—933．[17]史晓慧，刘芳，刘虹，等．进料负荷调控培养好氧颗粒污泥的试验研究[J]．环境科学，2007，28(5)：1026—1032．[18]VANLOOSDRECHTMCM，DEKREUKMK．MethodfortheTreatmentofWasteWaterwithSludgeGranules[P]．DutchandInternationalPatent：NL1021466C，WO2004024638(A1)，2004—03—25．[19]AerobicGranularSludge．WaterandEnvironmentalManagement[A]．SeriesNo．7[C]．UK：IWAPublishing，2005．13．[20]迟寒，刘毅慧，杨凤林，等．好氧颗粒污泥处理城市生活污水[J]．水处理技术，2006，32(8)：73—77．[21]LIUYQ，MOYBYP，TAYJH_CODremovalandnitrificationoflow—strengthdomesticwastewaterinaerobicgranularsludgeSequencingBatchReactors[J]．EnzymeMicrobTechno，2007，42(1)：23—28．[22]卢姗，季民，王景峰，等．颗粒污泥SBR处理生活污水同步除磷脱氮的研究[J]．环境科学，2007，27(8)：1687．[23]高景峰．沉淀时间及生物膜对实际生活污水形成好氧硝化颗粒污泥的影响[J]．环境科学，2007，28(6)：1245—1251．[24]高景峰，周建强，彭永臻．处理实际生活污水短程硝化好氧颗粒污泥的快速培养[J]．环境科学学报，2007，27(10)：1604一l611．[25]CARLAT．Companyintroducesnewsludgetreatmenttechnology[EB／OL]．http：／／www．engineeringnews．co．za／article／consulting—engineering—company—introduces—new—technology～f0r—sludge—treatment．2009—03—27．[26]LINDSEYB．WatertreatmenttechnologyshowcasedintheWesternCape[EB／OL]．http：／／www．Engineeringnews．co．za／article／new—technology—for—water—treatment—showcased—in—the—western—cape．2009—07—17．[27]LIUYu，YANGShu—Fang，XUHui，eta1．BiosorptioKineticsofCadmium(II)onAerobicGranularSludge[J]．ProcessBio—chemistry，2003，38：997—1001．[28]JUANM．AerobicGranulationwithIndustrialWastewaterinSequencingBatchReactors[J]．WaterResearch，2004，38：3389—3399．[29]SCHWARZENBECKJ，BORGESM，ILDERERPAW．TreatmentofDairyEfluentsinanAerobicGranularSludgeSe—quencingBatchReactor[J]．ApplMicrobiolBiotechno，2005，66：711—718．[30]刘莉莉，王志平，蔡伟民．好氧颗粒污泥处理啤酒废水的研究[J]．工业用水与废水，2006，37(4)：27—30．[31]WANGHai—lei，YuGuang—li，LIUGuo—sheng．ANewWaytoCultivateAerobicGranulesintheProcessofPapermakingWastewaterTreatment[J]．BiochemicalEngineeringJournal，2006，28：99—103．[32]TAYJH，TAYSTL，LIUY，eta1．Biogranulationtechnologiesforwastewatertreatment[M]．Nether—lands：Elsevier，2006．[33]LOPEZA．Innovativeandintegratedtechnologiesforthetreatmentofindustrialwastewater[EB／OL]．http：／／www．en—vietech．at／3668EN—Images—Files—envietech—Dokumente—PDFs—Anto—nio—Lopez．ppt，2008一O2—0】．一[责任编辑王新奇]