活性污泥-生物膜复合工艺中红斑顠体虫爆发性繁殖机制及控制研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 6.19MB 68 页 15积分

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第一章绪论

活性污泥-生物膜复合工艺中红斑顠体

虫爆发性繁殖机制及控制研究

中文摘要

我国许多旧的污水厂因不能满足脱氮除磷的要求而面临着升级改造，在不改

变曝气池容积而只向其中投加悬浮填料，改造成活性污泥-生物膜复合工艺，广泛

应用于旧的污水厂的升级改造，但是在春夏之交，该工艺频频发生后生动物如红

斑顠体虫的爆发性繁殖，使工艺出水显著恶化，因此找出红斑顠体虫爆发性繁殖

的原因和控制措施显得尤为重要。

本课题首先采用正交试验研究在不同叶绿素a浓度，温度，光照强度和pH等

环境因子下红斑顠体虫的生长状况，并根据正交分析表得出这四因素对红斑顠体

虫的影响主次顺序，以及红斑顠体虫的最佳繁殖条件，结果表明四因素对红斑顠

体虫的影响程度大小依次为温度＞叶绿素a＞pH＞光照强度，红斑顠体虫在叶绿

素a浓度为38.7 mg/m³，温度为25℃，pH为7，光照强度为4000Lx生长最为良好。

之后

用螺旋藻和活性污泥在光照培养箱中对红斑顠体虫进行培养，通过指数拟合，得

出红斑顠体虫的指数增长率和倍增时间。用螺旋藻和活性污泥单独培养，红斑顠

体虫倍增时间分别可达 1.44d 和2.04d。用活性污泥和螺旋藻对红斑顠体虫进行联

合培养，发现在污泥浓度为 132mg/L 时，叶绿素 a浓度为 85.9mg/m³ 时，其倍增

时间为 1.14d。可见在叶绿素 a、活性污泥以及两者协同影响下，都可促进红斑顠

体虫的生长。

用烧杯实验模拟活性污泥-生物膜复合工艺，实验结果发现，红斑顠体虫在

25℃和 30℃都不同程度产生了爆发性繁殖，最大种群密度分别达到 383ind./mL 和

200ind./mL，同时，红斑顠体虫的爆发性繁殖不会对进出水的 COD 和氨氮去除产

生影响，而在温度 25℃和 30℃时，红斑顠体虫爆发性繁殖都导致了总氮的释放，

在此条件下，红斑顠体虫种群密度分别大于等于 66ind./mL 和50ind./mL 时，即可

认为红斑顠体虫产生了爆发性繁殖。同时实验也证明了红斑顠体虫的爆发性繁殖

不会产生大量啃食生物膜的现象，最后用 SPSS 做多元线性回归分析，得出红斑

顠体虫的最大种群密度与总氮的释放显著相关。最后研究藻类浓度和 COD 负荷对

小试装置中红斑顠体虫爆发性的繁殖的影响以及选择合理的控制措施，结果表明

藻类浓度为 80mg/m³ 时，能促进红斑顠体虫的增长。红斑顠体虫的种群密度与

COD 负荷显著相关。同时，红斑顠体虫的爆发性繁殖也产生了营养物的释放，出

水TN/进水 TN 和出水 TP/进水 TP 的最大值分别达到了 1.13 和1.60。采用复合工

艺中投加氨水等方法，能有效控制红斑顠体虫的爆发性繁殖。

关键词：红斑顠体虫生长特性种群密度活性污泥-生物膜复合工艺

营养物释放控制措施

活性污泥-生物膜复合工艺中红斑顠体虫爆发性繁殖机制及控制研究

ABSTRACT

Many of our old wastewater treatment plant face with upgrading , cause it can not

meet the requirements of nitrogen and phosphorus removal .only add suspended dosing

filler and do not change the volume of the aeration tank , transform it into the activated

sludge - biofilm hybrid system , is widely used at the old sewage plant’s upgrade , but

Annual outbreak of Aeolosoma hemprichi breeding in activated sludge-biofilm hybrid

system usually occurs at the end of spring and the beginning of summer, which

significantly deteriorates system performance. Therefore it is particularly important to

identify Aeolosoma hemprichi outbreak sexual reproduction and control measure .

In this article, we use the orthogonal test to study Aeolosoma hemprichi growth

under different chlorophyll a concentration , temperatures , light intensities and pH

，the environmental factors conditions, and obtain the primary and secondary order of

four factors on Aeolosoma hemprichi , as well as the best breeding conditions of

Aeolosoma hemprichi according to the orthogonal table, the results show that the

Primary and secondary order were temperature> chlorophyll a > pH ＞light intensity ,

the optimal growth conditions of Aeolosoma hemprichi is in the chlorophyll a

concentration 38.7 mg/m³ , temperature 25 ° C and pH 7, light intensity 4000Lx .

reproduction speed of Aeolosoma hemprichi cultured with spirulina or/and activated

sludge were investigated in a light incubator. Reproduction speed and doubling time of

Aeolosoma hemprichi was obtained by exponential fitting. The results showed that, the

minimum doubling time of Aeolosoma hemprichi cultured by spirulina or activated

sludge exclusively was 1.44 d and 2.04 d, respectively. When co-cultured with spirulina

and activated sludge, the minimum doubling time was 1.14d with activated sludge 132

mg/l and chlorophyll a 85.9 mg/m3. It indicated that chlorophyll a, activated sludge, and

their synergy all promoted Aeolosoma hemprichi growth.

The beker experiment is simulated the activated sludge-biofilm hybrid system, The

results show that, Aeolosoma hemprichi occurred explosive breeding to varying degrees

at 25 and 30 degrees Celsius,and the maximum population density of Aeolosoma

hemprichi reached 383ind./mL and 200ind./mL , respectively. Meanwhile, the explosive

breeding of Aeolosoma hemprichi has no influence on the removal of COD and NH4-

N,but it lead to the release of TN. When the population density of Aeolosoma hemprichi

reached 66ind./mL and 50ind./mL respectively at 25 and 30 degrees Celsius, Aeolosoma

hemprichi can be considered to occur the explosive breeding. The experiments also

prove that the outbreak of Aeolosoma hemprichi could not produce the phenomenon of

grazing on biofilm. Finally , use SPSS to make the multivariate linear regression

analysis, and it show that the maximum population density of Aeolosoma hemprichi

correlated significantly with the TN release. The effect of algae concentration and COD

load to the outbreak sexual reproduction of Aeolosoma hemprichi was studied as well as

reasonable control measures was choosed in pilot test, the results indicate that the algae

concentration of 80mg/m³ can promote the growth of Aeolosoma hemprichi.The

population density of Aeolosoma hemprichi is correlated significantly with COD

load.At the same time, the outbreak of Aeolosoma hemprichi can also produce the

第一章 绪论
release of nutrients , water TN / water TN and effluent TP / influent TP maximum
reached 1.13 and 1.60 ,respectively.Ammonia dosing methods can effectively control
the outbreak of Aeolosoma hemprichi.
Key  Words:Aeolosoma  hemprichi,  growth  characteristics,  Population
density, Activated sludge-biofilm hybrid system, control measure
目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论                                                                                                                      ...................................................................................................................   5  
1.1 活性污泥-生物膜复合工艺研究概况                                                                             ..........................................................................   5  
1.1.1 好氧生物处理工艺的原理及分类                                                             ..........................................................   5  
1.1.2 活性污泥-生物膜复合工艺研究进展                                                        .....................................................   6  
1.2 红斑顠体虫等寡毛类蠕虫的研究进展                                                                        .....................................................................   11   
1.2.1 红斑顠体虫等寡毛类蠕虫简述                                                               ............................................................   11   
1.2.2 寡毛类蠕虫在污水处理中的作用                                                           ........................................................   10   
1.3 红斑顠体虫等后生动物爆发性繁殖对复合工艺系统的危害                          .......................   11   
1.3.1 寡毛类蠕虫爆发性繁殖后啃食生物膜对复合工艺的危害                   ................   11   
1.3.2 寡毛类蠕虫爆发性繁殖后营养物质的释放对复合工艺的危害           ........   14   
1.4 本课题的来源、内容和目的以及创新性                                                                   ................................................................   13   
3

活性污泥-生物膜复合工艺中红斑顠体虫爆发性繁殖机制及控制研究
4.1 课题的内容和目的                                                                                   ................................................................................   13   
4.2 课题的创新性                                                                                           ........................................................................................   14   
第二章 红斑顠体虫生长的环境因子影响探究                                                         .........................................................15
1 实验材料与方法                                                                                                  ...............................................................................................   19   
1.1 红斑顠体虫与食物来源                                                                           ........................................................................   19   
1.2 实验仪器与材料                                                                                       ....................................................................................   19   
1.3 实验方法                                                                                                   ................................................................................................   19   
2 结果与讨论                                                                                                          .......................................................................................................   19   
2.1 正交试验设计                                                                                           ........................................................................................   19   
2.2 正交试验结果分析                                                                                   ................................................................................   20   
2.3 正交试验结果的讨论                                                                               ............................................................................   24   
3 小结                                                                                                                      ...................................................................................................................   25   
第三章 螺旋藻对活性污泥中红斑顠体虫生长特性影响的研究                                .............................   25   
1 实验材料与方法                                                                                                  ...............................................................................................   27   
1.1 实验材料                                                                                                   ................................................................................................   27   
1.2 实验方法                                                                                                   ................................................................................................   27   
1.3 评价方法                                                                                                   ................................................................................................   28   
2 结果与讨论                                                                                                          .......................................................................................................   28   
2.1 100%活性污泥对红斑顠体虫生长特性的影响                                      ...................................   28   
2.2 100%叶绿素 a浓度对红斑顠体虫生长特性的影响                              ...........................   29   
2.3 活性污泥中添加叶绿素 a对红斑顠体虫生长特性的影响                    .................   30   
3 小结                                                                                                                      ...................................................................................................................   33   
第四章 烧杯实验中红斑顠体虫爆发性繁殖标志的探索                                            .........................................   36   
1 实验材料与方法                                                                                                  ...............................................................................................   34   
1.1 实验仪器与材料                                                                                       ....................................................................................   34   
1.2 实验方法                                                                                                   ................................................................................................   34   
2 结果与讨论                                                                                                          .......................................................................................................   35   
2.1 复合工艺中填料投配率对红斑顠体虫爆发性繁殖的影响                   ................   35   
2.2 复合工艺中温度对红斑顠体虫爆发性繁殖的影响                               ............................   40   
2.3 复合工艺中红斑顠体虫爆发性繁殖时营养物释放的验证                   ................   44   
3 小结                                                                                                                      ...................................................................................................................   44   
第五章 小试装置中红斑顠体虫爆发性繁殖机制及控制的研究                                .............................   45   
1 实验材料与方法                                                                                                  ...............................................................................................   47   
1.1 实验材料与装置                                                                                       ....................................................................................   47   
1.2 实验方法                                                                                                   ................................................................................................   50   
2 结果与讨论                                                                                                          .......................................................................................................   50   
2.1 活性污泥-生物膜复合工艺的启动                                                          .......................................................   50   
2.2 不同叶绿素 a浓度对红斑顠体虫种群密度的影响                                .............................   51   
2.3 不同 COD 负荷对红斑顠体虫爆发性繁殖的影响及其控制研究         ......   53   
3 小结                                                                                                                      ...................................................................................................................   60   
第六章 结论与展望                                                                                                        .....................................................................................................   61   
1 结论                                                                                                                      ...................................................................................................................   61   
2 展望                                                                                                                      ...................................................................................................................   6  8
4

第一章绪论

参考文献....................................................................................................................69

第一章绪论

1.1 活性污泥-生物膜复合工艺研究概况

1.1.1 好氧生物处理工艺的原理及分类

随着工业社会和人口的不断增长，产生的生活污水和工业废水越来越多，由

此导致的环境问题日益突出，特别是城市水环境的恶化，更加剧了水质型缺水，

使人们的身心健康面临着巨大的挑战。自然界中存在着大量微生物，它们通过自

身新陈代谢的生理功能，将污废水中的有机物分解利用，自身获得能量的同时使

有机物转化为无机物。在污水处理中控制水体的有机污染普遍采用二级生物处理

工艺[1]，由于其处理效率高，处理效果好，得到了广泛的应用。二级生物处理工艺

按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态，可划分为悬浮生长工艺和附着生

长工艺，前者的主要代表是活性污泥法，后者则是生物膜法。

1.1.1.1 活性污泥法综述

(1)活性污泥法的历史背景和原理

1912~1913 年英国人发明了活性污泥法[2]，1914 年由阿登（Ardern）和洛基

特（Lockett）在英国曼彻斯特建成试验厂，1916 年美国正式建成了第一座活性污

泥污水处理厂。基本的活性污泥法如图1-1 所示。

图1-1 活性污泥法基本流程图

向生活污水中通入空气进行曝气，持续一段时间之后，污水中就会产生一种

褐色絮凝体，这种絮凝体是由大量繁殖的生物群体所构成的，能够氧化分解无水

中的有机物，使污水得到澄清，这种絮凝体就是“活性污泥”，又称为“菌胶

团”或者“生物絮凝体”，之所以称为絮凝体，是因为活性污泥在外观上呈絮凝

颗粒状。污水中的有机物在曝气池中被氧化分解，从而使污水得到净化，然后混

合液流入二沉池中，进行固液分离，污泥沉淀下来，而出水则是从二沉池溢流堰

排出。沉淀下来的污泥一部分作为接种污泥返回曝气池，称为回流污泥，另一部

分需要排出污水处理系统，称之为剩余污泥，这是因为微生物对有机物的氧化引

起了微生物的增值，使得污泥浓度增加，为保持曝气池中恒定的污泥浓度，需要

排出一定的污泥[3]。

废水

混合液曝气池

二沉池

（固液分

离）出水

沉淀污泥剩余污

泥

回流污泥

活性污泥-生物膜复合工艺中红斑顠体虫爆发性繁殖机制及控制研究

(2)活性污泥的组成简述

活性污泥一般为黄色或褐色，含水率相当高，一般都在 99%以上。活性污泥

由以下四部分物质组成：①具有代谢活性的微生物群体；②微生物自身氧化的残

留物；③由污水挟入的并被微生物所吸附的有机物质（含难以降解的有机物）；

④由污水挟入的无机物质。由此可以得出，活性污泥中其主要作用的是具有代谢

活性的微生物群体，它主要由细菌组成，细菌大约可占微生物总量的

90%~95%[4]，主要以菌胶团的形式存在，细菌世代周期短，凝聚成菌胶团后具有

极强的抗冲击负荷等明显特点，它决定了活性污泥的可调节性，是发挥活性污泥

超强处理能力的基本保障[5]。除了细菌之外，活性污泥中还存在着真菌，原生动物

以及后生动物等。活性污泥的微生物种群有两个主要特性。第一，活性污泥中包含

有多种不同的微生物，通常包括原核生物（细菌）和真核生物（原生动物、甲壳

纲动物、线虫和轮虫），并且可能还有噬菌体（细菌病毒）。真菌很少成为活性污

泥群落中的优势菌属。第二，多数的微生物在自然产生的有机聚合物与静电作用

下相互连接而成为絮凝体。

有机废物的初级消费者是异养型细菌[6]，有时原生动物也能去除一些有机颗

粒物。从生物量衡量，异养细菌是污泥微生物群落中的主要菌种。某些种类的细菌

能够利用多种不同的有机物，而另一些则比较专一，仅利用几种有机物。这些微

生物大多具有生长较快（比增长速率μ相对较大，而污泥龄θ相对较小）。另外还

有许多其他微生物是二级消费者，他们利用的是初级消费者的代谢产物。这些微

生物包括原生动物，他们能够降解 BOD 分解的副产物和其他微生物死亡残体溶

解的产物；还包括一些捕食性的微生物，其中绝大多数是捕食细菌和噬菌体的真

核生物。有时污泥中会有化能自养型细菌，他们通过过氧化氨、亚硝酸盐、硫化物、

二价铁盐等物质来获得能量。

在活性污泥中发现了许多原生动物，总数约在50000ind./mL，原生动物虽然

不是有机物的初级消费者，但很早就发现它们是能够反映工艺状况的指示性生物

在“良好”运行的工艺中，纤毛类原生动物非常活跃。与游离的纤毛类原生动物

不同，当污水中出现通过杆状物与污泥絮体相连的纤毛类原生动物时，表明污泥

较为稳定。一个健康的原生动物种群也是水中不含有毒物质的表征。原生动物对有

毒物质非常敏感，由于它们很容易通过普通显微镜观察，因此将原生动物作为污

水水质和工艺运行的指示性生物是非常有用的。在活性污泥中还会发现轮虫、线虫

和其他多细胞动物。当污泥龄较长时，一般会出现多细胞的动物。

(3)传统活性污泥法的优点和不足

随着生产上应用的不断广泛和理论的不断创新，特别是近几十年来，活性污

泥生物反应和净化机理已进行了深入的研究，细胞学和分子生物学在污水处理领

域也不断有创造性地应用，使活性污泥法成为应用最为广泛的生物处理技术之一

传统活性污泥法是活性污泥法中最早使用并一直沿用至今的一种运行方式，迄今

为止，依旧是生物处理工艺最为经济、最具环境效益、应用最广泛的城市污水和工

业废水处理方法，因此它最能反映活性污泥法的各项特点。传统活性污泥法的优

点有[7]：因曝气时间长而处理效果好，BOD5 去除率可达 90%以上，适于处理净化

程度和稳定程度要求较高的污水，对污水的处理程度要求比较灵活，根据需要可

适当处理。同时，传统活性污泥处理系统仍存在着各项问题：曝气池首段有机负

荷高，耗氧速率也高，因此为了避免溶解氧不足的问题，进水有机物负荷不宜过

高；曝气池容积大，占用的土地较多，基建费用加大，由于世界各国城市化率的

第一章绪论

不断提高，土地供给越来越紧张，因此需要在传统活性污泥工艺的基础上研究开

发用地更为节省的新工艺；对进水水质、水量的变化的适应性较低，运行效果易

受水质、水量变化的影响，由于人口的快速增长以及人们生活水平的不断提高，

城市污水的排放量与日俱增，且废水中所含污染物的种类日趋复杂，在一定时期

内易导致传统活性污泥工艺的超负荷运行以及云状不稳定的问题；传统活性污泥

法会排放出大量剩余污泥，这些污泥中包含着各种污染物，所以处理和处置这些

污泥也是一大难题。另外，活性污泥法除了基建与运行费用较高、能耗较大、管理

也比较复杂之外，还易出现污泥膨胀和污泥上浮以及不能承受较高的有机负荷和

不能满足脱氮除磷的要求等问题。日趋普遍和严重的水体富营养化问题，要求污

水处理工艺不仅具有有机物的去除功能，同时要求具有对废水中氮、磷的有效去

除，因而出现了许多具有生物脱氮除磷功能的废水生物处理新工艺[8,9]。

1.1.1.2 生物膜法综述

生物膜法是与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，是指当污废水流过

生长在固定支撑物表面上的生物膜，利用生物氧化作用和各相间的物质交换，降

解污废水中的有机物的方法[10]。生物膜法具有运行稳定，抗冲击负荷，无污泥膨

胀，具有一定的硝化和反硝化功能，正因如此，自70 年代以后，随着新型填料的

出现，生物膜法又引起了环保工作者的极大兴趣。

生物膜法和活性污泥法的区别不仅在于净化微生物固着方式不同，而且重要

在于扩散过程在生物膜动力学行为中是一个必须考虑的因素。有机营养物、溶解氧

及各种微量元素一开始先通过流动水层和附着水层扩散到生物膜表面，然后进入

到生物膜内部；当且仅当污染物扩散到生物膜表面或内部的时候，才可以被生物

膜分解和转化，最终会形成各种代谢产物。随着生物膜反应器运行时间的延长，

生物膜中的微生物系统及降解有机物功能达到动态平衡，生物膜成熟，形成包括

有机物、细菌、原生动物、后生动物的生态系统。生物膜的外层为好氧层，好氧层的

深部由于扩散作用的，使溶解氧不能渗透进去而形成厌氧区。由于厌氧菌的作用

使得硫化氢、氨和有机酸等物质容易积累。随着代谢产物增多，固着力减弱，生物

膜老化脱落[11]。生物膜净化机理示意图见图1-2 所示。

图1-2 生物膜净化机理示意图

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摘要：

第一章绪论活性污泥-生物膜复合工艺中红斑顠体虫爆发性繁殖机制及控制研究中文摘要我国许多旧的污水厂因不能满足脱氮除磷的要求而面临着升级改造，在不改变曝气池容积而只向其中投加悬浮填料，改造成活性污泥-生物膜复合工艺，广泛应用于旧的污水厂的升级改造，但是在春夏之交，该工艺频频发生后生动物如红斑顠体虫的爆发性繁殖，使工艺出水显著恶化，因此找出红斑顠体虫爆发性繁殖的原因和控制措施显得尤为重要。本课题首先采用正交试验研究在不同叶绿素a浓度，温度，光照强度和pH等环境因子下红斑顠体虫的生长状况，并根据正交分析表得出这四因素对红斑顠体虫的影响主次顺序，以及红斑顠体虫的最佳繁殖条件，结果表明四因素对红斑顠体虫的...

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