摘 要

好氧颗粒污泥是微生物自固定化而形成特殊的生物膜，是污水处理过程中微生物在一定条件下自凝聚形成的外形规则的聚集体。与传统活性污泥法相比，颗粒污泥生物反应器的聚集体更密实紧凑、污泥沉降性更好、生物量浓度较高、耐冲击负荷能力更强的优点。但是好氧颗粒污泥还存在启动时间长、长期运行稳定性差等缺点，所以不得不对该技术进行改进。有研究表明，投加絮凝剂能够加速颗粒化过程、促进好氧颗粒污泥的形成。考虑到壳聚糖在废水处理中的良好絮凝效果，所以投加壳聚糖看对污泥颗粒化是否有促进作用。

本文通过两个完全相同的序批式反应器（SBR），分别接种絮状活性污泥在厌氧-好氧条件下通过人工模拟废水培养好氧颗粒污泥，研究了投加壳聚糖对颗粒污泥形貌、粒径的影响。研究结果表明：在对照组反应器（RA）投加壳聚糖的实验组反应器（RB）中，污泥颗粒化的时间分别为第48d和第43 d。在颗粒稳定期， RA中颗粒的Feret直径为332 μm，RB中颗粒的Feret直径为364 μm。说明壳聚糖的投加能促进颗粒化进程，并且形成的好氧颗粒污泥Feret直径更大。关键词：好氧颗粒污泥；壳聚糖；污泥颗粒化；污泥粒径

Abstract

Aerobic granular sludge is a special biofilm formed by the self-immobilization of microorganisms and a regular aggregate formed by the self-aggregation of microorganisms under certain conditions in the process of sewage treatment. Compared with the traditional activated sludge method, the granular sludge bioreactor has the advantages of more compact and compact aggregates, better sludge sedimentation, higher biomass concentration and stronger impact load resistance. However, aerobic granular sludge has some disadvantages such as long start-up time and poor stability in long-term operation, so the technology has to be improved. Studies have shown that adding flocculant can accelerate the granulation process and promote the formation of aerobic granular sludge. Considering the good flocculation effect of chitosan in wastewater treatment, whether adding chitosan can promote the granulation of sludge or not.

In this paper, the effect of chitosan addition on the morphology and particle size of granular sludge was studied by using two identical SBR reactors to inoculate flocculent activated sludge respectively and cultivating aerobic granular sludge through artificial simulated wastewater under anaerobic and aerobic conditions. The results showed that the granulation time was 48d and 43rd day, respectively, in the control reactor (RA) and the experimental reactor (RB) in which chitosan was added. Feret diameter of particles in RA is 332 m, and that in RB is 364 m. The results showed that the addition of chitosan could promote the granulation process, and the Feret diameter of aerobic granular sludge was larger.

Key words: Aerobic granular sludge; Chitosan; Sludge granulation;Sludge particle size

目录

第1章 绪论 1

1.1好氧颗粒污泥 2

1.1.1好氧颗粒污泥技术的研究进展 2

1.1.2好氧颗粒污泥的基本特性 2

1.1.3 好氧颗粒污泥形成机理 3

1.2壳聚糖对污泥颗粒化过程的影响 4

1.3 研究目的、意义和内容 5

1.3.1研究目的和意义 5

1.3.2研究的内容 5

第2章 实验材料和方法 6

2.1 实验装置 6

2.2 SBR反应器运行方式 7

2.3 实验材料与设备 7

2.3.1 污泥来源 7

2.3.2 实验进水 8

2.3.3 实验设备 8

2.4 实验方法 8

2.4.1 壳聚糖投加量优化研究 8

2.4.2污泥形貌分析 9

第三章 结果与讨论 9

3.1壳聚糖的最优投加量 9

3.2好氧颗粒污泥的形成 10

3.2颗粒污泥的粒径分布 14

第四章 结论 17

致谢 18

参考文献 19

第1章 绪论

好氧颗粒污泥（AGS）是一种新型的、高效的处理生活污水和工业废水的方法，与传统活性污泥法相比，颗粒污泥生物反应器的聚集体更密实紧凑、污泥沉降性更好、生物量浓度较高、耐冲击负荷能力更强^[1]，这使得好氧颗粒污泥技术受到人们的广泛关注。但是好氧颗粒污泥还存在启动时间长、长期运行稳定性差等缺点，制约了该技术的推广和规模化应用，因此解决好氧颗粒污泥启动时间长的缺点是现在必须要解决的问题。

为了促进好氧颗粒污泥的形成，揭示好氧颗粒污泥的形成机理，人们已经做了大量的工作。有研究者提出^[2]，物理作用使得最初的细菌向细菌靠拢或细菌向基质表面运动，形成最初的微生物聚合体。但是发现在从研究微生物生态结构及水流剪切力方面改善初期物理条件下^[3,4]，对颗粒成形速度的影响效果一般，颗粒成熟时间最多提前了1周左右。而另一方面，有研究发现投加基质，可以为细菌提供成核剂，显著加速颗粒化进程，考虑到壳聚糖在废水处理中的良好絮凝效果，所以投加壳聚糖看对污泥颗粒化是否有促进作用。

1.1好氧颗粒污泥

1.1.1好氧颗粒污泥技术的研究进展

好氧颗粒污泥是微生物自固定化而形成特殊的生物膜，是污水处理过程中微生物在一定条件下自凝聚形成的外形规则的聚集体。好氧颗粒污泥最早在1991年由Mishima等^[5]在好氧升流式污泥床反应器（AUSB）中培养出来，由于此阶段好氧颗粒污泥培养方式的种种局限，使得好氧颗粒污泥易破碎且无法稳定运行，没有去除污水中氮磷的能力或者去除效果差，导致好氧颗粒污泥技术的研究应用受到了很大限制。Morgenroth^[6]等首次采用序批式反应器(SBR)，成功培养出好氧颗粒污泥，该颗粒污泥结构与性质均稳定，物化特性优于絮状活性污泥。Krishna等发现聚-β-羟基丁酸酯（PHB）等多聚物在细胞内的积累有利于提高污泥的沉降性能^[7]，周期性进水的序批式反应器（SBR）可以促进PHB的积累^[8]，从而SBR培养模式为好氧颗粒污泥技术的研究奠定了基础。好氧颗粒污泥真正的实验研究是从20世纪90年代末开始的，一方面借助共焦距激光电镜技术从微观层面去了解颗粒污泥形成的机制、途径、物化特性、种群结构与分布等。如Liu^[9]和Wei^[10]在培养好氧颗粒污泥过程中，从细胞疏水性和胞外聚合物（EPS）角度揭示了颗粒形成机理。另一方面，在宏观上研究污泥在颗粒化过程中的形貌变化、形成机制，并优化培养参数，逐渐将好痒颗粒污泥与实际废水联系起来，为好氧颗粒污泥的工业化放大做铺垫。如Beun等^[11]通过改变SBR反应器的运行参数，发现操作条件会影响颗粒污泥的形成，同时发现水力停留时间（HTR）和水力剪切力是影响颗粒形成的重要因素，并率先提出缩短沉降时间对颗粒化进程具有促进作用。王劲松、胡勇^[12]有在上流式厌氧污泥床反应器（UASB）处理低浓度废水的启动运行条件下，投加微生物絮凝剂，证实了微生物絮凝剂促进了厌氧菌的聚集，微生物量积累更多，颗粒污泥粒径大，颗粒污泥活性高，提高了污泥颗粒化速度。

1.1.2好氧颗粒污泥的基本特性

显微观察结果表明，好氧颗粒污泥的形态结构完全不同于絮状污泥。成熟的好氧颗粒污泥结构紧凑，外观清晰，有明显边界，外观形态呈圆形或椭圆形，平均粒径为 0.2~5 mm^[13]，颜色通常为黄色^[14]。好氧颗粒污泥的沉降性能决定了固液分离的效率，而固液分离对于污水处理系统的正常运行至关重要。好氧颗粒污泥相比絮状活性污泥具有良好的沉降性能，其在水中的沉降速度可达0.37~6.60 cm/s，明显高于絮状污泥（0.17~0.42 cm/s）^[15,16]，好氧颗粒污泥良好的沉降性能保证了反应器中有较高的生物量，从而提高了其对污染物的去除能力，同时也缩小了对沉淀池的体积需求，节约运行成本^[17]。好氧颗粒污泥的结构密实，湿密度一般在 1.004~1.065 g/cm3 之间，明显高于活性污泥（1.006 g/cm3），含水率一般为 94~98%，低于传统絮状污泥（含水率在 99%以上）^[18]。

好氧颗粒污泥由微生物细胞、胞外聚合物（EPS）以及其它无机物等构成，颗粒污泥中分布着许多孔隙和通道，是基质和氧气向颗粒内部传输的路径。颗粒自身生物相丰富，主要是形态各异的细菌，颗粒表面及周围还会出现大量的原生和后生动物^[19,20]。胞外多聚物（EPS）是颗粒污泥重要的化学成分之一^[21]，它有利于促进好氧污泥颗粒化、提高颗粒的稳定性。好氧颗粒污泥中非溶解性无机盐也是重要的组成部分，少量的Ca 有利于提高污泥的沉降性能，增加颗粒的机械强度，但过高的则会导致颗粒污泥中灰分过高，从而降低颗粒污泥的活性。

1.1.3 好氧颗粒污泥形成机理

（1）四步途径

关于颗粒污泥的颗粒化过程，国内外学者利用现代分子生物学技术进行了大量研究。Liu等提出了好氧污泥颗粒的形成主要由以下四步途径完成：

①（1）污泥细胞与细胞之间或者污泥细胞与固体基质之间，在重力、水力剪切力、扩散力等力的作用下，相互碰撞、粘附，形成一个最原始的内核；

②个原始的内核在物理力（范德华力、表面张力、电荷间的吸引力与排斥力等）、化学力（离子间的作用力、氢键等）和生物力等力（细胞间的相互吸引、细胞膜间的融合等）的作用下，不断被包裹、粘附，形成一个微生物的聚集体；

③这个微生物聚集体吸收外界环境中的营养物质，开始持续生长、代谢和繁殖，同时，在细胞分泌的胞外聚合物、菌群之间相互竞争等作用下，由微生物聚集体逐渐演变成一个新生颗粒；

④在水力剪切力的作用下，结构稳定的好氧颗粒污泥形成。

（2）四种假说

好氧颗粒污泥的形成，从形貌上由絮状转化为颗粒状，是综合物理、化学、生物共同作用的结果。关于颗粒污泥的颗粒化过程，国内外学者进行了大量的研究，但仍没有统一定论，目前主要有四种假说：

①自凝聚假说。 该假说认为系统中的微生物在水力、静电斥力和范德华力等作用下发生自凝聚，从而使絮状污泥转化成颗粒污泥。在细胞与细胞、蛋白质与蛋白质、细菌与细菌及其三者之间均存在这种作用力^[22]，使得微生物凝聚成规则的三维结构。好氧颗粒污泥结构从内到外包含的细菌多达几百万种，细菌之间的相互作用力也有助于促进该过程的进行。微生物聚合体不断聚集变大并不断压缩，结构变得紧密，最终形成结构致密、外形规则的颗粒状污泥。

②胞外聚合物假说。 胞外聚合物（EPS）是微生物分泌的一类大分子物质，处于细胞表面，与细胞表面理化特性具有重要联系。这种大分子物质包括胞外蛋白（PN）、胞外多糖（PS）、腐殖质和油酸等。胞外聚合物假说认为，这些胞外聚合物通过增加污泥表面疏水性和降低污泥表面电负性来促进颗粒化进程。Liu等^[23]指出，胞外聚合物是微生物细胞与颗粒物之间连接的重要媒介，相当于颗粒三维结构的骨架。目前，关于PN和PS在污泥颗粒化过程中的作用仍存在争议，一种观点认为，PN通过改变细胞表面特性，促进污泥颗粒化，而PS对污泥颗粒化无明显影响^[24,25]。另一种观点则认为，对污泥颗粒化起主要作用的是PS而不是PN^[26,27]。

③选择压力假说。该假说认为，在培养颗粒污泥的过程中，可以通过控制沉降时间，决定沉降性能不同污泥的去留^[28]，从而实现污泥的颗粒化。选择压力又分为物理选择压和生物选择压，物理选择压主要包括水利剪切力、气流扰动力、反应器高径比、沉降时间、搅拌速率、体积交换率等外界因素，这些影响条件都可以进行人为调控，选择性的筛选保留沉降性能良好的污泥；生物选择压主要包括进水基质的成分、有机负荷率等因素，通过调控这些因素筛选出适应性强的微生物。

④晶核假说。 该假说认为污泥颗粒化类似于结晶过程^[29]，反应器中存在一些固体物质，微生物附着在固体物质上，先是形成小颗粒，然后不断地生长繁殖，变成大颗粒的过程。晶核一般来源于反应器中的惰性基质或沉淀^[29]，甚至是污泥本身。Lettinga^[28]等率先提出 “晶核假说”原理，该原理认为向反应器中投加适量的惰性颗粒，有助于污泥的聚集，缩短颗粒化时间。李冬^[30]等向SBR反应器中加入活性炭，污泥颗粒化只用了22d，颗粒化时间比未添加活性炭的对照组少了将近一半。刘绍根^[31]等向培养的污泥中加入Ca² 和Mg² ，能加快污泥的颗粒化进程，还能改善污泥的沉降性能。

1.2壳聚糖对污泥颗粒化过程的影响

甲壳素又名几丁质，广泛存在于虾、蟹、昆虫的外壳，以及真菌和植物的细胞壁中，是自然界唯一带正电的阳性食物类纤维素。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的产物，其溶解性较甲壳素大，天然无毒且对人体的健康无任何损害。壳聚糖是有多个β-1，4糖苷键连接而成的直链状高分子，侧链有羟基和氨基，决定了壳聚糖有较好的吸附、架桥、交联以及螯合作用，可作为吸附剂和絮凝剂^[32]。壳聚糖可以溶解在酸性溶液中形成阳离子型聚合物电解质，这类物具有独特的理化性能和生物活化功能，能与水中的负电污染物、表面活性剂以及重金属离子等产生络合以及静电吸附作用，达到对水中有机污染物的去除效果，且能够自身降解，不产生二次污染^[32]。

壳聚糖分子中含有胺基基团，能与水中的Ｈ^＋结合形成—ＮＨ^＋_３ 而带正电荷，通过电中和作用和架桥作用吸附絮凝水中带负电荷的胶体杂质、有机物质等^[32]，从而形成晶核，可以加速好氧污泥颗粒化进程。

1.3 研究目的、意义和内容

1.3.1研究目的和意义

水环境是人类发展必须要有的资源，为人类提供生存的必要的条件。但是我国总体上是一个干旱缺水严重的国家，并且近年来中国水污染问题突出。因此大量污水处理技术就应运而生，根据微生物生长状态和存在形式可以分为三类：絮凝体污泥、生物膜和颗粒污泥。

生物处理系统处理性能的高低是由微生物特性决定的，生物系统中微生物活性越高、量越大，沉降性能就越好，那么单位体积生物处理系统的处理效率就越高。而好氧颗粒污泥最大的特点就是为微生物提供聚集的场所，使得微生物量大活性好。并且相比于普通絮状污泥，好氧颗粒污泥具有外形规则，密度大、强度高，结构较为稳定，不易发生污泥膨胀等突出的优点，其存在的厌氧、缺氧、好氧三层结构，能有效降解水中碳、氮、磷。这就使得好氧颗粒污泥技术在其中脱颖而出，但是好氧颗粒污泥还存在启动过慢、长期运行稳定性差等缺点，制约了该技术的推广和规模化应用，好氧颗粒污泥的快速启动是目前亟需解决的问题。王劲松、胡勇有在UASB反应器处理低浓度废水的启动运行条件下，投加微生物絮凝剂，证实了微生物絮凝剂促进了厌氧菌的聚集，微生物量积累更多，颗粒污泥粒径大，颗粒污泥活性高，提高了厌氧污泥颗粒化速度^[12]。壳聚糖作为一种广泛存在的天然高分子絮凝剂，有报道表明壳聚糖能够促进厌氧颗粒污泥的形成。所以将壳聚糖应用于促进好氧颗粒污泥的研究，考察在SBR反应器中投加壳聚糖对污泥颗粒化的影响。

1.3.2研究的内容

研究投加壳聚糖对好氧颗粒形成的影响。通过显微镜拍照，观察反应器中污泥形貌和粒径大小的变化，研究壳聚糖对污泥颗粒化过程的影响。

第2章 实验材料和方法