环科院吴昌永和复旦大学刘翔团队联合综述:好氧颗粒污泥形成,应用及储存-恢复
发布时间:2023-02-13 16:34:27 来源:本站原创 作者:本站编辑 浏览次数:

成果简介


近日,中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心吴昌永研究员和复旦大学刘翔副教授联合在环境领域学术期刊《Journal of Environmental Management》上发表了题为“Formation, application, and storage-reactivation of aerobic granular sludge: A review”的学术论文。该论文阐述了好氧颗粒污泥从发现至今的研究历程,主要从颗粒的形成、应用以及存贮-再恢复三个研究方向逐渐展开,既包括了各个方向的研究进程和研究成果,也将好氧颗粒污泥的研究进展进行了思路整理,本文突出了对于好氧颗粒污泥这个研究方向综述的全面性,为相关研究提供重要参考。


引言




实现絮状污泥的颗粒化对于污水生物处理领域一项非常具有价值的发现。在应用方面上,好氧颗粒污泥具有显著的应用价值和潜力,无论是针对普通的城市生活污水还是针对复杂的工业废水,好氧颗粒污泥均能够表现出高效的处理能力,与传统的絮状活性污泥相比,具有快速的泥水分离效率,这可以提高二沉池的工艺效率,减少二沉池的占地面积及运行成本;具有更强的耐受能力,这可以避免污泥流失并维持工艺内的生物量。此外,为了能够更进一步拓展好氧颗粒污泥的应用,储存颗粒污泥逐渐引起了关注和重视,其原因在于不仅可以用储存的好氧颗粒污泥作为接种污泥实现生物处理工艺的快速启动,也可以在现有的出现解体的好氧颗粒污泥工艺中加入储存的好氧颗粒污泥实现工艺功能维持和应急补救。


图文导读



好氧颗粒污泥的描述


从外观角度,好氧颗粒污泥是由微生物组成的粒径超过0.2mm的聚集体,沉降速率显著高于活性污泥并且在低水里剪切力下不会凝固;从微生物种群生态学角度,从分散的微生物絮体到颗粒污泥,这意味着微生物的生存方式从浮游转变为聚集,这种生存方式的转变并不是随机的,而是具有规律性的。这种规律性体现在复杂细菌种群通过相互协作的方式进行自组装,重新组成以单一颗粒形式存在的微观生态圈,不同的微生物种群在颗粒内部占据不同的生态位。在同一个反应器中培养的成熟的好氧颗粒污泥不仅具有较为一致的外观形态结构,并且每个单一颗粒内部的微生物种群结构和空间分布规律也具有高度的相似性。从类型角度,根据颗粒中的优势微生物种群组成可以分为细菌型好氧颗粒污泥,真菌型好氧颗粒污泥以及细菌-真菌混合型好氧颗粒污泥。


好氧颗粒污泥的形成过程


在颗粒形成过程中首先形成无机内核(多数以钙沉淀为主),这是最初的好氧颗粒污泥形成的核心;然后具有粘附功能的菌株粘附于钙沉淀上开始生长繁殖,形成微小聚集体;由于微小聚集体上附着的菌株分泌的胞外聚合物具有粘附能力,其他的菌株也会逐渐通过吸附等方式选择性附着到上面,伴随着不断繁殖过程微小聚集体逐渐发展成为肉眼可见的微小颗粒;微小颗粒再逐渐长大成为成熟的好氧颗粒污泥。其中生物矿化作用参与了颗粒的内核形成,信号分子控制了微生物的聚集/分散行为,胞外聚合物是维持微生物聚集体稳定的关键。


好氧颗粒污泥的培养


微生物在充足的底物、适合的温度、pH、渗透压、溶解氧等外界条件下,会以最快的速率生长繁殖,上述这些参数的改变直接会影响微生物的生长繁殖,从而表现出对微生物的一种环境胁迫。任何胁迫条件都会引起细菌细胞内部代谢调控策略的变化,以实现自身的生存。在培养好氧颗粒污泥过程中,水质条件和工艺条件都是进行调控的工艺参数,这些参数的变化必然会导致细菌胞内代谢方式的改变,而胞内代谢方式发生改变后则容易引起细菌自身性质(比如EPS分泌、疏水性能等)发生变化,从而导致细菌的环境行为发生改变,从另一个角度来说,颗粒化是细菌种群应对胁迫条件的环境行为之一。典型的水质条件包括有机物类型及负荷、氮源及负荷、pH及盐度等。典型的工艺条件包括温度、曝气、排泥方式及水力停留时间等。


好氧颗粒污泥的应用


在所有的关于好氧颗粒污泥的研究报道中,大约一半都是围绕好氧颗粒污泥的应用。大量的研究全面展示了好氧颗粒污泥具有多样化的处理能力,几乎可以覆盖活性污泥的应用范围,在去除CNP方面甚至更加高效。尤其是在处理含有有毒有害物质的工业废水时,具有特殊立体结构的好氧颗粒显示了更高的耐受和处理能力。目前,好氧颗粒污泥技术已经逐步实现从概念到工程的转变,在荷兰、南非、爱尔兰、中国合肥等地均有针对市政废水、工业废水的中试及大规模好氧颗粒污泥工艺投入使用,并显示了高效的处理能力。目前最成功的好氧颗粒污泥技术被称为Nerada,经过5月的启动期后,形成稳定颗粒床,超过80%的颗粒粒径大于0.2mm,超过60%的粒径大于1mm,工艺出水氮磷达标排放。


好氧颗粒污泥的储存和恢复


储存和恢复是好氧颗粒污泥领域的一个重要方向,这是一项极具实际应用价值的工作。主要体现在两个方面:(1) 好氧颗粒污泥形成过程中的增殖规律与细菌类似,会经历对数增长期后进入稳定期,在对数增长期会产生大量剩余的颗粒,如果能够将这部分剩余颗粒储存起来,作为同类型污水处理工艺的储备种泥,既可以实现颗粒污泥剩余价值的资源转换,也可以通过远距离运输至异地实现同类型污水处理工艺快速启动;(2) 好氧颗粒污泥在长期运行过程中可能会出现解体或失稳的现象,造成生物量流失从而影响工艺处理效能,这也是好氧颗粒污泥大规模应用的技术瓶颈之一。此时储存的好氧颗粒污泥能够可以作为工艺的外源储备,以便实现工艺处理效能的快速恢复,保证工艺的持续稳定运行。

目前,好氧颗粒污泥的储存可以分为干式储存和湿式储存两种方式。前者是将好氧颗粒污泥脱水风干后,储存在室温条件下,就像米粒一样。后者是将颗粒储存在某种液体中,再选择不同的环境储存。两种方式各具优势。目前的大多数研究都属于湿式储存。干式和湿式储存过程中均是采用静置方式,也就是在整个储存期间不供氧,这种氧限制条件下,好氧颗粒污泥的储存难度要远高于厌氧颗粒污泥,难点在于好氧颗粒污泥中的好氧微生物不仅需要具备适应氧浓度剧烈转变的耐受能力,还需要具备在氧限制条件下能够长期维持自身结构和功能稳定的能力。此外,在储存过程中还要防止厌氧微生物代谢(Adav, Lee and Lai 2009b)所带来的干扰。


总结与展望



(1) 解析好氧颗粒化过程中微生物种群的有序自组装行为

(2) 阐明好氧颗粒化过程的胞外聚合物的多样化功能

(3) 构建可重现的定向培养技术体系

(4) 建立成熟好氧颗粒的储存/恢复技术



图片

主要作者介绍



图片


吴昌永中国环境科学研究院研究员,博士生导师,国家生态环境保护专业技术青年拔尖人才,中国城镇卫生学会城镇垃圾治理专业委员会副主任委员,中国石油学会石化环保专业委员会副秘书长,国家环境事故应急和水污染防治资金项目评审专家。研究领域:工业废水处理技术;好氧颗粒污泥形成机理与工艺开发;污水脱氮除磷技术等。主持国家重大水专项、国家重点研发计划、国家自然基金等项目、课题和子课题20 余项,参与国家和省部级课题10 多项。在Water Research等环境科学与工程等领域的杂志发表论文100多篇,其中SCI论文50多篇;授权专利近20项,转化2项,软件著作权2项;出版中文著作3部,独著英文著作1部,参编2 部;参与制修订国家标准2项;围绕国家水污染治理和水环境管理提交多份政策建议而受到生态环境部领导批示。主持了10多座污水处理厂工艺设计,研发技术工程应用规模超过4000万吨废水/年,获中国发明协会发明创业二等奖1项。

图片


刘翔复旦大学环境科学与工程系副教授,博士生导师。研究领域:城市固体废物厌氧消化处理和制备生物炭资源化应用;好氧颗粒污泥形成机理与工艺开发;土壤地下水有机污染控制与修复等。相关研究成果已在环境科学、环境微生物学、废物管理等领域的SCI杂志Journal of hazardous materials,Bioresource Technology,Science of the Total Environment,Environmental Research, Journal of Environmental Management等上发表论文90余篇,授权专利多项。


图片

来源:中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心吴昌永研究员和复旦大学刘翔副教授。


分享到:
登录 之后才能发表评论

热门评论