摘 要

好氧颗粒污泥具有沉降性好、生物多样性高、蓄积性好、处理有毒物质和高负荷废水等优点,因此被认为是一种很有前景的废水处理技术。然而,在好氧污泥颗粒化过程当中，颗粒成型速度较慢，运行稳定性差，所以限制了其在工业当中的使用。已有研究表明，添加絮凝剂会使接种污泥的颗粒化速度加快。阳离子型聚丙烯酰胺是一种阳离子高分子絮凝剂，具有良好的絮凝作用。

本次论文中通过两个SBR反应器的中接种污泥来培养好氧颗粒污泥，并添加了阳离子聚丙烯酰胺作为絮凝剂，观察两组反应器中的好氧污泥颗粒化过程中的形貌变化，对比粒径、圆度、湿密度以及MLVSS。并研究阳离子聚丙烯酰胺的颗粒污泥的影响。具体研究内容如下：

对照组反应器（RC）和添加阳离子聚丙烯酰胺的反应器（RCP）中的污泥分别在培养第56天和第50天时完成颗粒化，说明添加阳离子型聚丙烯酰胺可以加速好氧污泥颗粒化过程。培养至96天时，RC和RCP反应器中成熟颗粒污泥的Feret直径分别为0.482 mm和0.414 mm，圆度分别为0.774和0.791，湿密度则分别为1.116 g/cm³和1.098 g/cm³，说明阳离子聚丙烯酰胺的添加能使颗粒的粒径更小、圆度更大、形貌更规则，但是会使湿密度降低。

关键词：好氧颗粒污泥，阳离子型聚丙烯酰胺，粒径，圆度，污泥性质

Abstract

Aerobic granular sludge has the advantages of good sedimentation, high biodiversity, good accumulation, treatment of toxic substances and high-load waste water, so it is considered as a promising waste water treatment technology. However, in the process of aerobic sludge granulation, the pellet forming speed is slow and the running stability is poor, so its use in industry is limited. Studies have shown that adding flocculant can accelerate the granulation rate of inoculated sludge. Cationic polyacrylamide is a cationic polymer flocculant with good flocculation effect.

In this paper, aerobic granular sludge was cultured by inoculating sludge in two SBR reactors, and cationic polyacrylamide was added as flocculant. The morphology of aerobic sludge granulated in two groups of reactors was observed and the particle size was compared. Roundness, wet density and MLVSS. The effect of cationic polyacrylamide granular sludge was studied. The specific contents of the study are as follows:

The sludge granulation in the control group and the reactor with cationic polyacrylamide was completed on the 56th and 50th day, respectively, indicating that the addition of cationic polyacrylamide could accelerate the granulation process of aerobic sludge. The Feret diameter, roundness and wet density of mature granular sludge in RC and RCP reactors were 0.482 mm and 0.414 mm, 0.774 and 0.791mm, respectively, and 1.116 g/cm3 and 1.098 g / cm ~ (-3), respectively, at 96 days, indicating that the addition of cationic polyacrylamide could make the particles. The particle size is smaller, the roundness is larger, the shape is more regular, but it will reduce the wet density.

Keywords: Aerobic Granular Sludge, Cationic Polyacrylamide, Particle Size, Roundness, Sludge Properties

目 录

第1章 绪论 2

1.1引言 2

1.2好氧颗粒污泥的研究历史 3

1.3好氧颗粒形成机理 4

1.3.1“晶核假说”原理 4

1.3.2.胞外聚合物(ECP)假说 4

1.3.3.自凝聚原理 4

1.3.4.细胞表面疏水性假说 4

1.3.5.真菌（丝状菌）假说 5

1.3.6.三阶段成形假说 5

1.4好氧污泥颗粒化过程中的形貌变化的观察 5

1.5好氧颗粒污泥的应用 6

1.6研究目的、意义及内容 6

第2章 实验步骤及方法 7

2.1 实验装置与运行参数 7

2.1.1 实验装置 7

2.1.2 运行参数 7

2.2 接种污泥与进水水质 8

2.2.1 接种污泥 8

2.2.2 进水水质 9

2.2.3 实验试剂 9

2.2.4 实验设备 9

2.3分析方法 10

2.3.1好氧污泥颗粒的形貌参数 10

2.3.2好氧污泥颗粒的污泥性质 10

第3章 实验数据分析 11

3.1好氧颗粒污泥形貌参数 11

3.2污泥浓度分析 14

第4章 结论与展望 16

参考文献 17

致谢 19

第1章 绪论

1.1引言

在现在人们的生活当中水资源是一种必不可少的资源，本文当中重点将要探讨的好氧颗粒污泥对于污水来说非常重要，这主要是由于其沉降性能非常好，在当前的污水处理当中应用的非常广泛。但由于现阶段颗粒污泥的研究发展时间还不是很长，研究并不够深入，其成型的机理还不是特别清楚，并且整体上进行培养的环境要求比较高，所以到目前为止还主要是停留在实验室的样本研究时期。

目前市面上使用的最多的污水处理方法还是之前比较传统的活性污泥法以及生物膜发。这其中活性污泥法的基本原理简单来说就是通过水中为数众多的微生物的作用来出路污水，这种污水处理方法能够有效去除BOD以及COD等有害物质，从去污效果以及成本来考虑这种污水处理方法一般都会被大中小型污水处理厂选择进行污水处理，整理上污水处理成本比较低廉。但活性污泥法在污水处理过程中最大的不足是污泥沉降性能无法得到保证，甚至在处理的过程中有可能有水质恶化的情况发生。而另外一种方法生物膜法总体来说成本比较高，很少有企业有资本使用这种污水处理方法。

好氧颗粒污泥英文简称为AGS，从外形上来看呈现出密实的结构，这种结构的形成条件一定是要在好氧的环境下，由众多微生物的自固定化作用逐步形成的。早在二十世纪末期，世界著名的生物学家Morgenroth第一次成功培养出AGS，在实验过程中发现好氧颗粒污泥降解有机污染物的性能非常厉害^[1]。好氧颗粒污泥与之前广泛使用的活性污泥比较来说，沉降性能明显更为出色，微生物种群的数量也明显更多，在这种情况下，如何培养 AGS 成为大家需要更加关注的问题，全世界范围内对好氧颗粒污泥的颗粒化过程相关的实验层出不穷。从现有的研究成果来看AGS研究过程中一般都有稳定性能不足的问题存在这对于它在工业方面的广泛运用来说受到了比较大的限制^[2]。在这种情况下，想办法提高好氧污泥颗粒化的速度并且尽可能提高AGS系统的稳定性是现在急需解决的问题。

1.2好氧颗粒污泥的研究历史

世界上著名的生物学家Lettinga在上世纪1979年在实验过程中第一次提出了厌氧活性污泥的颗粒化作用，但在实际工业的应用过程当中人们发现厌氧颗粒污泥在很多方面不能满足人们的要求，比方说反应器启动时间过程太慢长，工业当中厌氧运行条件十分严苛等等问题. 在1998年，著名的生物学家Markvan Loosdrecht以及Heijnen一起申请了好氧颗粒污泥相关的第一项专利，这项技术的提出也在当时引起了一阵轰动。其结构具有很好的紧密性能，这种性能能够很好的保证好氧颗粒污泥拥有较高的生物量，其内部的微环境非常良好，能够保证各种类微生物的基本生存没有任何问题，生物的多样性得到了很好的保障，好氧颗粒污泥具有非常良好沉降性能在一时间成为全世界生物领域范围内的研究热点. 最开始生物学家开始研究好氧颗粒污泥是在1990年前后，在这个时期的研究过程当中基于厌氧颗粒污泥形成基本都是在UASB中进行的 ,世界上著名的生物学家 Mishima以及Shin等在实验过程中选取纯氧曝气, 在特制的好氧升流式污泥床反应器中进行活性污泥接种实验研究, 最终通过多次实验研究顺利地第一次培养出了好氧颗粒污泥，收到了举世的瞩目。

好氧颗粒污泥进一步的深入研究探讨发生在上个世纪末期, 这个时期开始关于好氧颗粒污泥研究的文献数量增长速度非常快下图1-1显示的是有关AGS的论文数量变化情况).那个时候世界上的生物学家主要从宏观以及微观这两个方面对污泥的好氧颗粒化进行深入研究:这其中特别是在微观层面的研究取得了非常大的突破，生物学家在对AGS进行深入研究的同时, 工程上的科学家们也开始把AGS同实际废水处理紧密结合起来。

图 1-1 关于好氧颗粒污泥研究的论文被 SCI收录的情况

1.3好氧颗粒形成机理

1.3.1“晶核假说”原理

世界上著名的生物学家Lettinga等第一次通过研究提出了 “晶核假说”原理^[3]。这个原理的核心内容主要描述了颗粒污泥的形成过程，整个过程和大家所熟知的结晶过程比较类似。后来的学者对于好氧颗粒污泥的进一步深入实验研究也从另一个方面证实了“晶核假说”原理的正确性。世界上著名的生物学家Heijnen等学者向BAS当中根据实际情况的需要添加适量的惰性载体（直径的长度为0.1 mm，外形来看呈现球状），最终成功得到了好氧生物膜颗粒污泥^[4]。

1.3.2.胞外聚合物(ECP)假说

ECP从本质上来说是胞外多肽等物质,其存在的主要作用在于可以很好的促进细胞聚集和生长，并且还可以维持细胞的基本形态以及结构的完整。近些年来科学家对于粒子的结构的研究越来越深入,世界上著名的生物学家罗斯等人通过实际的实验研究得出细胞可以通过胞外聚合物的桥接作用进行连接,进一步可以成功得到颗粒污泥^[5]。世界上著名的生物学家施密特等人，对于前人已经得出的实验成果进行总结整理进一步提出了一个更为完善的理论^[6]。

1.3.3.自凝聚原理

在生物学的研究中，微生物在一定的条件下会形成自凝聚现象。世界上著名的生物学家Morgenroth 、Wang以及Beun等学者全部成功的在实验过程中培养出好氧颗粒污泥^[7][8]。他们在实验过程中最后都成功得到了密度较大、沉降性能最为出色的颗粒污泥。世界上著名的生物学家Fang 通过实验研究得出结论，生物颗粒化现象在生物的发展过程中是一种非常明显的进化过程，换句话来说就是适宜颗粒污泥生长的环境下，细菌会逐步进化，最后形成的状态是颗粒污泥^[9]。

1.3.4.细胞表面疏水性假说

科学家们通过大量的实验研究得出以下结论，在不同环境情况下得到的好氧颗粒污泥与细胞表面疏水性之间的联系非常紧密。世界上著名的生物学家Tay等通过试验研究得出以下数据，以葡萄糖以及乙酸为唯一碳源进行培养，最终得到的好氧颗粒污泥细胞表面疏水性达到了68%以及73%， 而另一方面的实验数据悬浮污泥的疏水性只有39%^[10]。从这组实验数据我们可以得到以下实验结论，疏水性越高越有可能得到颗粒污泥。世界上著名的生物学家Chiesa等在实验研究过程当中发现，当微生物在饥饿期的时候，对于细胞的疏水性的提高也有一定的帮助^[11]。世界上著名的生物学家Qin通过实验研究发现，在成功完成选择压法培养之后，得到的好氧颗粒污泥细胞表面的疏水性的实验测试数据为70%， 而在实验中接种污泥的疏水性的实验测试数据只有20%。这组数据实验对比可以得到以下结论，选择压法对于细胞表面的疏水性以及凝聚性的提高有着较为明显的作用^[12]。

1.3.5.真菌（丝状菌）假说

世界上著名的生物学家Beun等实验过程中对好氧颗粒污泥进行培养的时候，第一次详细描述了好氧颗粒污泥的具体形成过程^[12]。首先，第一步需要进行的操作是对污泥中的优势菌也就是真菌进行接种，这种真菌的先从外形上来看呈现球状，紧接着细菌在球状物上开始一系列繁殖。由于氧传质的限制作用，球状物逐步开始进行分解以及破裂，在这种情况下只有密度较大的细菌还可以留下来。这些留下来的细菌最后成功产生了好氧颗粒污泥，以上就是全部的真菌假说内容。

1.3.6.三阶段成形假说

世界上著名的生物学家倪丙杰在通过深入研究之后并没有完全否认这些假说正确性，但问题考虑的还不够深入，他们结合最近学者们最新研究结论,对好氧颗粒污泥的形成机理进行了更为深入的研究，最终得到了“三阶段成形”假说^[13]。现将此假说的详细内容介绍如下。

首先在假说的第一阶段，主要是各个微生物之间的碰撞过程，碰撞完成之后得到了聚集体。世界上著名的生物学家Tay的观点觉得互相之间产生碰撞主要来自水力作用以及布朗运动，而另一方面相互吸附的作用力主要来自范德华力、表面张力、丝状菌架桥作用、细胞表面脱水等^[14]。最后在这些作用力的共同作用下微生物最终成功形成了聚集体。

紧接着第二阶段，处于聚集体当中的微生物不断成长起来,并且逐步得到了初生颗粒污泥。在这个过程当中细胞分泌的胞外聚合物主要的作用是连接以及稳定，换句话来说可以保证聚集体在力的作用下不至于解体。世界上著名的生物学家Liu的观点是通过高剪切力的作用下对细胞进行全面刺激从而成功分泌得到多聚糖，这样可以保证微生物聚集体的结构不被破坏 ^[15]。微生物最终在水力剪切力的促进下，开始慢慢逐步形成初生颗粒污泥。

在最后一个阶段中，好氧颗粒污泥已经可以达到一个相对比较稳定的状态。颗粒污泥的粒径在此过程当中的数量不断增加，数量到一定的程度之后会达到一个饱和状态，，这个时候颗粒就成功达到人们想要的稳定成熟状态。

1.4好氧污泥颗粒化过程中的形貌变化的观察

本小节将会重点对好氧污泥颗粒化过程中的形貌进行观察，具体的操作第一步是将反应器中的好氧颗粒污泥放置于事先准备好的样品容器当中保存好，紧接着把成功收集到颗粒污泥样品分散倒在玻璃板上，然后通过光学显微镜对照片进行扫描，将得到的形貌照片完整的保存好。紧接着在PC端对污泥形貌的轮廓进行绘制，按照一定的比例对各个需要的形貌参数进行精确计算，最终得到实验计算出来的Area值以及Feret值。

1.5好氧颗粒污泥的应用

从应用的角度来说好氧颗粒污泥的应用非常广泛，。好氧颗粒污泥所拥有的特点对于技术的产业化来说非常有用。好氧颗粒污泥所拥有的一个非常有用的特点是能够在同一时间内进行硝化以及反硝化作用,如此以来整体上的脱氮效果非常好。好氧颗粒污泥的存在对于硝化反应来说有着非常明显的促进作用。但从另一方面来说好氧颗粒污泥稳定性能还不够出色，因此一旦遇到更为复杂的水污染情况，好氧颗粒污泥的作用就显得不是十分明显。

在这种情况下，想办法怎样提高加速好氧污泥颗粒化的速度以及并且尽可能提高好氧颗粒污泥AGS系统的稳定性成为目前解决的问题是现在急需解决的问题。

1.6研究目的、意义及内容

在现在人们的生活当中，水资源是一种必不可少非常重要的资源，。随着世界范围内工业化的不断发展，水环境的保护开始成为人们头疼的问题。除此之外，随着工业化的企业数量越来越多，城市对于水的需求量也显著增加，水污染的情况越来越严重。

通过学者们不断的研究发现好氧颗粒污泥具有处理有毒物质、生物多样性高、沉降性好、蓄积性好以及高负荷废水等长处,这对于困扰当前工业生产中的废水处理来说是一项重大的突破。现有的实验得出结论如下，添加絮凝剂能够很好的帮助促进接种污泥的颗粒化的速度。本文中需要重点提到的阳离子型聚丙烯酰胺从本质上来说是一种阳离子高分子絮凝剂，其存在对于絮凝作用来说有很好的促进作用。

本文进行各项研究最为主要的目的是对阳离子型聚丙烯酰胺对好氧颗粒污泥形成的影响进行深入研究，除此之外还会重点对污泥颗粒化过程中的形貌变化进行深入研究。

实验过程当中通过定期取样的方法对反应器中的污泥形态和粒径大小变化进行详细记录分析，同时在实验过程当中还应该对混合液挥发性悬浮固体浓度以及混合液悬浮固体浓度进行测定。

第2章 实验步骤及方法

2.1 实验装置与运行参数

2.1.1 实验装置

如图2.1所示，此次进行的实验选用了SBR反应器装置，装置的材料构成是双层有机玻璃，其有效的容积体积为4L，装置高度的为30cm，内径为15cm，高径比为2:1，为了使实验达到更好效果。在整个装置底部设置曝气盘，主要采用电磁式空气泵进行曝气，反应器设置的进水周期为2L，出水周期也是2L, 体积的交换率50%。实验中，曝气量被控制在0.4L/min，主要使用转子流量计来控制，搅拌强度为110 r/min。出水口和进水口都在上部，通过水浴可以使实验的温度保持在20℃和25℃之间，整个实验将由时间控制器维持运行。

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