在中、低温条件下好氧颗粒污泥反应器中好氧颗粒的形成及转化过程外文翻译资料

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在中、低温条件下好氧颗粒污泥反应器中好氧颗粒的形成及转化过程

M.K. de Kreuk, , M. Pronk , M.C.M. van Loosdrecht

Department of Biotechnology, Delft University of technology, Julianalaan 67,2628BC Delft, The Netherlands

Received 11 March 2005, Revised 22 August 2005, Accepted 30 August 2005, Available online 13 October 2005

摘要：温度变化可以显著影响生化过程。为了研究温度变化对好氧颗粒污泥转换过程和稳定性的影响，将好氧颗粒污泥序批式反应器（GSBR）置于短期和长期的温度变化中。8°C启动会产生不规则颗粒，而曝气停止时颗粒会马上聚集，这将引起严重的生物质冲刷和不稳定运行。在好氧阶段COD被认为是颗粒不稳定的主要原因。20°C启动后将温度降到15°或者8°C对颗粒稳定性没有任何的影响，生物量可以很容易地保留在系统中。好氧颗粒的硝化作用对温度的依赖性比普通发活性污泥低。由于在较低的温度下颗粒外层的活性降低，氧气渗透深度可能会增加，从而导致更大的有氧生物量来补偿个别生物体的活性下降。因此，颗粒的反硝化能力的在温度降低后会下降，导致整体较差的脱氮能力。在低温度的实验中可以得出的总体结论是，一个颗粒物理系统在实际中启动应优先考虑温暖夏季，这样在冬季期间的温度下降对颗粒稳定性和COD和磷酸盐的去除也不成问题。脱氮效率应在这个季节由反应运行的变化或周期时间的变化而进行优化。

关键词 ：活性；好氧颗粒污泥；粒径；营养物去除；温度；废水处理

1引言

　　对于小型污水处理厂，好氧颗粒污泥工艺是一种很有前途的工艺（Bathe et al., 2005）。到目前为止，许多实验室规模的研究已经完成对基于活性污泥的反应器中影响好氧颗粒污泥的形成和转化过程的重要因素的研究。（Morgenroth et al., 1997; Liu and Tay, 2004; De Kreuk et al., 2005a)。大多数的好氧颗粒污泥的研究是在室温下进行的(20-25 °C)，因此无法知道系统是如何响应温度变化的。在荷兰，和其他北部地区，污水的温度在冬季通常在5至12°C之间变化，夏天通常15至25°C。因此，应该研究温度对好氧颗粒污泥的影响，这种工艺才能有效地扩大和投入实践。

以前的实验和模拟研究指出了生物膜或颗粒形态的增长率的重要性Picioreanu et al., 1998; Villasentilde;or et al., 2000)。当好氧颗粒中的生物体的最大生长速率降低，可以预计生物量密度会增加，而颗粒表面会变得更加光滑。影响颗粒稳定性的另一个因素是不同生物体间对空间，氧和底物的竞争。不同类型生物的竞争优势和生长速率受到温度变化的影响也不同。在强化生物除磷（EBPR）系统的低COD负荷条件下，在较低的温度下（le;12°C）发现了长丝状微丝菌的生长，而在较高的温度下（20°C），长丝破碎成较小的30–80mu;M的碎片。（Knoop and Kunst, 1998）。糖原累积生物（GAO）和磷累积生物（PAO）之间的竞争也被认为随温度而定。在中性pH值和20°时PAO将占据主导地位，而在30°C时GAO将占主导地位（seviour et al.，2003）。由于好氧颗粒的形态受颗粒中生物的类型和它们的生长速率的影响，因此温度变化可以改变颗粒的稳定性。

人们普遍认为，生物系统中的转换过程的速度取决于温度（as e.g. in ASM2 and ASM3; Henze et al., 2000），这可以用阿伦尼乌斯方程的简化推导描述：

K（T）= K（20）theta;^（T-20） （1）

其中K（t）（h^minus;1）是温度T的转换率（°C），theta;是一个实验测定确定的常数。

硝化能力通常会随温度降低而强烈变化。5°C以下硝化作用甚至会停止（Henze et al., 1997）。Frijters等人（1997）表示，在生物膜系统中，温度的影响将比活性污泥系统小20%左右。对于生物除磷的效果则不那么清楚。Baetens等人（1999）和Kumar等人（1996）发表了关于EBPR系统不同温度的研究文献综述，发现一些作者提出适度的温度下（20–37°C）有更好的效率，而另外一些作者则认为观察到在低温（5－15摄氏度）没有任何改善的影响。

好氧颗粒污泥，降低温度可以导致好氧颗粒种群数量的和生物转化率各式变化的改变。适当的放大这些影响需要量化。因此，我们在实验室规模的研究温度（8–20°C）对颗粒形成与转化的影响，并对短期以及长期影响进行了比较。

2实验材料与方法

2.1反应器系统

一个3L的双壁间歇反应器（SBAR），内径6.25cm。该反应2器包含一个内部提升管（高90cm，内径4cm，底部间隙1.25cm）。空气通过反应器底部的微孔曝气器引入（4L/min）。第一次启动实验温度控制在8°C（阶段 A）。第二个实验温度控制在20°C（阶段 BI），15°C（阶段 BII）或8°C（阶段 BIII）。进行了阶段BI几个短期温度变化实验（5°C和8°C）。降低的温度稳定后（5–6周期）后，进行实验。温度变化的总时间总不超过24小时。溶解氧（DO）浓度测定的饱和浓度百分比 (100% 20 °C=9.1 mg/l; 15 °C=10 mg/l ； 8 °C=11.8 mg/l)。在线测量了氧浓度和PH值。stage A中在曝气阶段使用了氧饱和条件。为了控制20%的氧浓度（期BI，BII和BIII），气体在反应器中循环。气体循环流量中额外加入的空气或者氮气控制着氧气浓度。加入1mol/LNaOH 或1 mol/LHCl 溶液使pH值保持在7plusmn;0.2。阶段 A，BI和 BII的水力停留时间（HRT）和底物负荷分别为5.6 h和1.6 kg COD/m³/day；阶段 BIII的水力停留时间（HRT）和底物负荷分别为7.4 h和1.2 kg COD/m³/day。

反应器是3小时的连续运行周期（阶段 A, BI and BII）：60分钟的进料，在厌氧条件下从反应器底部进（通过固定床塞流），112 min曝气，3 min沉淀（只保留反应器中沉降速度为12m/h的颗粒），5分钟的污水排放。在阶段BIII，曝气阶段增加到171分钟（周期为4小时），因此所以所有的转换过程都会发生。

进水培养基质的的组成为（A）NaAc 63 mM, MgSO₄·7H₂O 3.6 mM; KCl 4.7 mM；（B） NH₄Cl 42.8 mM, K₂HPO₄ 4.2 mM, KH₂PO₄ 2.1 mM 和10 mL/L微量元素溶液（微量元素溶液来自 Vishniac 和 Santer，1957）。反应器中每周期加入150毫升进水基和1300毫升自来水。

2.2测量

颗粒的形态（颗粒直径、长径比、形状因子）、密度、干重、颗粒灰分含量的形态；TOC，beun等人（2002）所述的在溶液中生物质浓度和醋酸盐。

NH₄ ，NO₂^-和NO₃^-和溶液中数学标记语言的源浓度用标准试剂分光光度法测定（Dr. Lange type LCK）。通过读数沉淀8min后沉降床的高度测定污泥体积指数8（沉淀阶段和流出物戒断阶段之后）从反应器中沉降床的体积和干重计算。污泥体积指数在短期沉淀后测量更具判别性（Schwarzenbeck et al., 2004）。计算（转化率和去除效率）按照莫斯克拉·克拉尔等人（2005）描述的执行。转化率为2个周期测量（短期和长期的温度变化）的平均值，去除效率为每个实验周期的稳定阶段的平均值。

3结论

过去好氧颗粒污泥反应器在室温下启动已经进行了广泛的研究（De Kreuk and Van Loosdrecht, 2004）。首先，我们比较了这些以前的在8°C下启动的运行系统。这项实验是控制系统在两个步骤下下调温度，从20°C到15°C再到8°C。对温度的变化的研究在一个没有生物数量变化或者有适应性改变的周期（短期）实验以及长期实验中进行。

3.1 8°C启动颗粒污泥反应器

SBAR启动于8°C且不氧气控制（几乎氧浓度饱和）和沉淀时间为10分钟（沉降速度大于3m/h的颗粒被保留在反应器），运行4周后将沉淀时间降低到3min。反应器接种了1 L的污水处理厂的活性污泥和20毫升来自实验室好氧颗粒污泥反应器的具有除磷活性的破碎颗粒（约1.5克的TSS）（Fig1.a）。

图1 在这项研究中不同阶段的启动材料和颗粒：接种材料为8°C启动（a）；不规则的颗粒是8°C运行后26天形成（b）；真菌附着于颗粒（c）；20°C颗粒形成（d）和温度降至8°C颗粒形成（e）。尺度为2毫米。

启动三天后，大多数生物量被冲出反应器，出现第一个可见的不规则颗粒。根据早期的经验，反应器必须定期清洗以避免过多的附壁生长。24天后，所有的生物量表现为大颗粒。所有的颗粒形成需要时间近似20°C的两倍。颗粒的外观也不同于在20°C下形成的；只要曝气一停止它们就开始凝结。从21天到28天，反应器中的干重从0.83 g/L增加到1.06 g/L，同时SVI8从33ml/g增加到153ml/g。35天后颗粒变得蓬松，具有低密度的不规则的结构（Fig1.b），大部分生物质被洗出反应器。

再次在低温下启动反应器，但是现在取10ml的另一个实验室的好氧颗粒污泥反应器中的具有除磷活性的颗粒污泥（大约4g TSS）作为接种污泥。27天后，絮凝沉淀时的颗粒再次变的松软且结构中空。启动33天后，再额外加入75ml（大约4gTSS）来自其他实验室反应器中的具有除磷功效的颗粒污泥，将反应器中的干重增加到3.3g/L。启动45天后，真菌开始在颗粒的表面生长（Fig. 1c）。beun等人（1999）做的第一个实验也是用真菌颗粒接种，均长满了将颗粒变得光滑致密的异养生物。真菌在实验过程中并没有消失，似乎对转换过程没有影响。干重稳定在8 g/L，SVI8在114和18ml/g之间波动，最后在实验结束的时候稳定在稳定在34ml/g。显然在反应器启动的时候足够的颗粒污泥的存在对颗粒形成具有稳定的效果，可能这和污泥和底物负荷率有关。

在反应器中转换过程开始于8°C是最低限度。在厌氧期间，几乎没有任何磷酸盐被释放（磷浓度为3mg/L的厌氧期），大部分乙酸盐在好氧时期被消耗。直接接种另外一个实验室机构的完整好氧颗粒后，大量磷酸盐在厌氧阶段被释放，释放的磷酸盐和消耗的醋酸比例为0.28，比得上20°C的污泥的除磷效果。然而，3天之后，这个比例下降到0.04，实验结束时变为仅有只有0.02。在厌氧阶段结束时醋酸盐表现为平均240mgCOD / L和氧消耗（平均排放浓度24mgCOD / L）。同时硝化作用缺失，导致出水高氨氮浓度（43mgNH₄–N / L）。由于污泥的活性低，二次启动的实验在启动后110天停止。

3.2温度变化的长期影响

SBAR再次开始启动，但现在条件是20°C，氧浓度是饱和氧浓度的20%。反应器启动接种的是27毫升（约2g TSS）从另一个实验室的具有除磷活性的稳定的好氧颗粒污泥和200ml活性污泥混合物，确保接种生物的多样性。与以前的实验一致，在55天后颗粒污泥沉淀床达到了1.2 L的稳态量SVI8也达到了 15ml/g。反应器的温度从20°C（153天稳定运行）下降到15°C（48天稳定运行）再下降到8°C（130天稳定运行）。

在3种温度下颗粒的形态都保持相似（表1，Figs. 1d and e）。在所有温度下，颗粒的平均粒径为1.2毫米，而形状因子和纵横比都为为0.73左右。没有对丝状结构进行观察。在8°C时颗粒的密度稍低于20°C时（8°C生物量为53gVSS/L， 20°C时生物量为78gVSS／L）。这可能是由于较低的温度或低温下的较低的负荷所导致的。

表1：颗粒污泥在气升式反应器不同温度下生长的稳态特性

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