收藏本站
收藏 | 论文排版

好氧颗粒污泥的培养过程、作用机制及数学模拟

倪丙杰  
【摘要】:好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集体。它具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的生物体截留和多样的微生物种群。因此,好氧颗粒污泥技术作为一种新型的废水生物处理形式,在城市污水和工业废水处理中具有非常广阔的应用前景。好氧颗粒污泥的形成过程非常复杂,它的作用机制涉及到微生物的生长与竞争、氧的传质、底物的扩散及微生物产物的形成等各个方面。本论文系统地研究了好氧颗粒污泥的形成过程、作用机制和数学模拟,探索了颗粒污泥在好氧和缺氧条件下的胞内储存过程机理,深入阐明了颗粒污泥中胞外聚合物和溶解性微生物产物的形成规律,并首次成功地以低有机物浓度城市污水为基质在中试规模反应器中培养出性能优良的好氧颗粒污泥。主要研究内容和研究结果如下: 1.分别采用豆制品加工废水和混合酸废水在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥,基于实验结果和形成机理的分析,实现了好氧颗粒污泥形成过程的定量描述。粒污泥在形成过程中粒径逐渐增大,沉降速度提高到40 mh~(-1),污泥体积指数SVI减小至20 mL g~(-1),COD去除效率高于98%;模型能够很好地定量描述好氧颗粒污泥的形成过程及基质在颗粒内部的扩散:好氧颗粒污泥的形成过程可分为适应期、快速生长期和成熟期。 2.通过好氧颗粒污泥的间歇实验,探索了颗粒中自养微生物和异养微生物的生长与竞争;根据实验结果修正了ASM3模型,用以描述好氧颗粒SBR反应器中自养菌和异养菌的同时生长,并分析两类微生物对于溶解氧的竞争和在颗粒中的空间分布;发现氨氮和COD在颗粒SBR反应器运行周期的前1.5小时内分别被自养茵和异养菌消耗完毕,且异养菌消耗更多的溶解氧;自养菌主要位于颗粒的外层,而异养菌则分布于颗粒的外层或者中心。 3.通过McCarty建立的生物热能学方法估算出活性污泥的微生物产率,分析了反应器中关键化学和生物组分的总体计量学;与生化反应和电子平衡相耦合,建立了分析反应器中各种重要化学组分的动态变化的热力学新方法,并同修正后的ASM1模型相结合,解析了豆制品废水活性污泥处理系统中C_(16)H_(24)O_5N_4、CH_2O、细胞(C_5H_7O_2N)、H~-、NH_4~+、HCO_3~-和CO_2浓度的动态变化规律。 4.通过不同初始条件下的颗粒污泥储存实验,探索了好氧条件下颗粒污泥的胞内储存机制和电子转移途径,实现了好氧颗粒污泥胞内储存过程的准确描述。当系统中外源底物过剩时,底物被微生物快速利用并形成一定量的储存物质;在外源底物消耗完之后,微生物则会利用胞内储存物质进行生长。 5.采用好氧和缺氧条件下的呼吸速率实验结果对反硝化条件下颗粒污泥的储存机理进行了探索,发现其生化机理过程主要包括反硝化条件下的水解、缺氧同时储存和生长、缺氧维持以及生物衰减。动力学分析结果表明,好氧颗粒污泥的反硝化胞内储存过程NUR包括4个不同的硝酸盐利用线性阶段;根据缺氧储存机理,建立了缺氧校正系数的估算方法,并解析出好氧颗粒污泥在反硝化条件下的胞内储存过程。 6.采用凝胶渗透色谱(GPC)和三维荧光光谱(EEM)对活性污泥胞外多聚物(EPS)的产生过程进行了表征。EPS的形成量及其组分分子量分布依赖于外源底物的利用,EPS量在底物利用过程中逐渐增加;EPS中的荧光物质主成分有两种:最大激发发射波长位于280/340 nm的蛋白类物质和最大激发发射波长位于320/400 nm的类富里酸物质。 7.提出了一套估算活性污泥EPS形成动力学参数的新方法。在该方法中利用非线性最小二乘法建立目标函数,而采用蒙特卡罗法优化目标函数;参数估计结果表明,此方法能够准确、简便地获得活性污泥微生物降解有机物过程中EPS的形成动力学参数值及其相应的可靠性信息:外源底物电子的分布途径为:61%的电子用于细胞生物量的合成,21%的电子转移到电子受体溶解氧用于生物呼吸产生能量,而剩下的18%的电子则用于EPS的形成。 8.集成运用凝胶渗透色谱、耗氧速率分析、多糖和蛋白测定、三维荧光光谱、傅立叶变换红外光谱和溶解性有机碳测定等技术,全面分析了活性污泥SMP的分子量分布、化学特性及其分类,对污泥微生物降解底物过程中SMP的形成及其分类划分进行了定性和定量研究。发现UAP产生于底物利用阶段,其分子量低于290 kDa,而BAP为290-5000 kDa范围内的生物大分子物质,BAP则可进一步分为生长相关BAP(GBAP)和内源相关BAP(EBAP)。 9.提出了分析SMP、UAP和BAP产生动力学的新方法,并建立了描述SMP形成过程及其划分的数学模型。基于底物利用积分方程分别建立了UAP和BAP目标函数,运用规划求解法优化目标函数使其最小化,从而得到活性污泥SMP形成的相关速率系数μ_G、K_S、k_(BAP)以及产率系数Y_H、k_(UAP)的最佳估计值;在此基础上描述了3种SMP的产生与底物利用之间的联系以及SMP的形成机理。 10.采用实验分析和数学模拟相结合的方法阐明了好氧颗粒污泥系统中EPS、SMP和X_(STO)的形成和消耗过程,在将这3种不同微生物代谢产物的电子转移途径相耦合的基础上,建立一套统一的EPS、SMP和X_(STO)的形成动力学模型,分析了反应器污泥停留时间(SRT)对EPS、SMP和X_(STO)形成的影响,并提出了基于EPS、SMP和X_(STO)动力学模型调控颗粒反应器的新方法。 11.对好氧颗粒污泥自养菌微生物产物的产生规律、成分特性及数学模拟进行了系统的研究,阐明了自养菌微生物代谢产物的形成机理,并对自养微生物体系中产生的EPS和SMP进行了表征:探索了自养微生物体系中异养微生物利用自养微生物代谢产物的生长规律;发现NOB在好氧条件下以亚硝酸盐作为电子供体进行生长,并产生新的NOB细胞、UAP、EPS和硝酸盐:这些自养微生物的代谢产物是自养体系中异养菌细胞合成的唯一电子供体来源。 12.首次利用低浓度实际城市污水在中试规模反应器中培养出性能优良的好氧颗粒污泥,探索了低浓度有机废水作为底物条件时污泥颗粒化的关键因素,并且实现了中试颗粒污泥反应器的数学模拟。好氧颗粒污泥粒径适中、沉降性良好、生物活性高;颗粒污泥主要以丝状菌为骨架,由结构密实地杆状细菌和球菌组成;分析表明体积交换率和沉降时间是低浓度废水条件下SBR反应器中污泥颗粒化的关键参数。 13.采用好氧颗粒污泥为接种物,在上流式厌氧污泥反应器(UASB)中实现厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程的快速启动,并对所形成ANAMMOX颗粒污泥的结构和物化特性以及反应器运行工况进行表征:在此基础上,采用16S rRNA基因扩增和PCR-DGGE等分子生物学技术对启动过程中颗粒污泥的微生物种群结构变化进行定量分析,为拓展好氧颗粒污泥的应用领域提供了新的思路。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 崔成武,纪树兰,任海燕,吴之丽;好氧颗粒污泥形成的影响因素及应用[J];中国给水排水;2005年10期
2 王海磊,魏丽莉,李宗义;好氧颗粒污泥的形成过程、形成机理及相关研究[J];环境污染与防治;2005年07期
3 王芳;杨凤林;张兴文;张捍民;刘毅慧;周军;;好氧颗粒污泥稳定性影响因素分析[J];环境科学与技术;2006年01期
4 李玉瑛;李冰;郑西来;;好氧颗粒污泥的研究现状[J];工业水处理;2006年01期
5 王艳静;李亚新;;好氧颗粒污泥的研究[J];科技情报开发与经济;2006年02期
6 刘建国;张栋华;王曙光;岳钦艳;李久义;高宝玉;;好氧颗粒污泥的性质及形成机理的探讨[J];山东大学学报(工学版);2006年03期
7 刘晓云;王琳;林跃枚;谭金山;范瑞青;;好氧颗粒污泥胞外多糖的细胞化学定位研究[J];电子显微学报;2006年S1期
8 郝晓地;陈新华;戴吉;M.de Kreuk;M.C.M.van Loosdrecht;;极具工程化潜力的好氧颗粒污泥技术[J];中国给水排水;2006年08期
9 史晓慧;竺建荣;;好氧颗粒污泥关键培养技术研究进展[J];云南环境科学;2006年S2期
10 陈雪松;夏四清;王学江;;好氧颗粒污泥的培养及其微观特性表征[J];环境科学与技术;2007年06期
11 周云霞;姜丽君;张荣明;李柏林;;好氧颗粒污泥形成的影响因素分析[J];中国沼气;2007年05期
12 王琳;林跃梅;;好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的提取和鉴定[J];中国给水排水;2007年24期
13 王琳;林跃梅;;芽孢对提高好氧颗粒污泥环境耐受力的作用[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2008年06期
14 李曼;;微生物学中好氧颗粒污泥的形成机理[J];武汉科技学院学报;2008年07期
15 王瑛;杨冠;董丽;魏戈;;好氧颗粒污泥技术[J];四川环境;2008年06期
16 陈新明;申毅蓉;;不同进水基质好氧颗粒污泥性状研究[J];天津建设科技;2008年01期
17 杨国靖;;好氧颗粒污泥形成过程及形成机理的探讨[J];浙江万里学院学报;2008年02期
18 刘丽;任婷婷;徐得潜;俞汉青;;高强度好氧颗粒污泥的培养及特性研究[J];中国环境科学;2008年04期
19 李志华;王立东;王晓昌;;含盐量对好氧颗粒污泥稳定性及微生物组成的影响[J];环境污染与防治;2008年10期
20 姜峰;董丽;冯辉霞;杨冠;;影响好氧颗粒污泥形成的因素及其机理的探讨[J];化学与生物工程;2009年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈光;张颖;郝延强;;好氧颗粒污泥培养的影响因素及其应用[A];中国化学会第八届水处理化学大会暨学术研讨会论文集[C];2006年
2 王志平;刘莉莉;蔡伟民;;不同底物条件下好氧颗粒污泥的培养[A];第二届全国环境化学学术报告会论文集[C];2004年
3 蔡伟民;;好氧颗粒污泥处理系统[A];第二届全国环境化学学术报告会论文集[C];2004年
4 张丽丽;黄玉峰;方亮;蔡伟民;;铈离子在好氧颗粒污泥上吸附行为的研究[A];第二届全国环境化学学术报告会论文集[C];2004年
5 刘晓云;王琳;林跃枚;谭金山;范瑞青;;好氧颗粒污泥胞外多糖的细胞化学定位研究[A];2006年全国电子显微学会议论文集[C];2006年
6 岳钦艳;张栋华;王曙光;李久义;高宝玉;;好氧颗粒污泥形成因素分析[A];中国化学会第八届水处理化学大会暨学术研讨会论文集[C];2006年
7 朱亮;徐向阳;罗伟国;田志娟;张妮妮;;高效降解苯胺好氧颗粒污泥的形成及动力学研究[A];第十次全国环境微生物学术研讨会论文摘要集[C];2007年
8 王玉兰;于水利;汪皓东;;好氧颗粒污泥/膜工艺同步脱氮除有机物特性研究[A];2010年膜法市政水处理技术研讨会论文集[C];2010年
9 姚婧婧;李慧;李彦鹏;;SBR反应器内好氧颗粒污泥的流体动力学特性研究[A];2013中国环境科学学会学术年会浦华环保优秀论文集[C];2013年
10 高景峰;陈冉妮;苏凯;张倩;;好氧颗粒污泥同时脱氮除磷的常温启动和低温维持[A];中国环境科学学会2009年学术年会论文集(第二卷)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 倪丙杰;好氧颗粒污泥的培养过程、作用机制及数学模拟[D];中国科学技术大学;2009年
2 林跃梅;好氧颗粒污泥中细菌藻酸盐的研究[D];中国海洋大学;2007年
3 王玉兰;好氧颗粒污泥—膜组合工艺低温条件下脱氮除磷效能[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 王玉兰;好氧颗粒污泥-膜组合工艺低温条件下脱氮除磷效能[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 阮文权;好氧颗粒污泥同步硝化反硝化过程研究[D];江南大学;2004年
6 周军;两种类型反应器内好氧颗粒污泥性能研究[D];大连理工大学;2007年
7 蓝惠霞;微好氧颗粒污泥同时好氧—厌氧降解废水中五氯酚(PCP)的研究[D];华南理工大学;2005年
8 杨麒;好氧颗粒污泥快速培养及其去除生物营养物特性的研究[D];湖南大学;2008年
9 暴瑞玲;低温条件下好氧颗粒污泥同步脱氮除磷效能及其过程研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 董丽;好氧颗粒污泥培养及其吸附重金属性能的研究[D];兰州理工大学;2009年
2 汪皓东;低温条件下好氧颗粒污泥快速培养及其稳定性研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 董峰;低水力剪切作用下好氧颗粒污泥的形成及其数学模拟[D];大连理工大学;2011年
4 袁向娟;好氧颗粒污泥长期储存及活性恢复研究[D];东北林业大学;2011年
5 张鉴达;好氧颗粒污泥的培养及其工艺研究[D];山东大学;2006年
6 安鹏;好氧颗粒污泥的培养与性质研究[D];大连理工大学;2006年
7 潘月军;强化好氧颗粒污泥除磷性能的研究[D];黑龙江科技学院;2011年
8 钟乐;二次流场下好氧颗粒污泥的培养及实验研究[D];湖南工业大学;2009年
9 高阳;载体强化型好氧颗粒污泥的培养及性能研究[D];大连理工大学;2012年
10 赵阳丽;好氧颗粒污泥的形成与运行稳定性的研究[D];兰州理工大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978