連續流態下好氧顆粒污泥技術的研究進展

黃全江，王三反，吳　楠，賀　輝，于文統，叢　林

(蘭州交通大學 寒旱地區水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州730070)

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連續流態下好氧顆粒污泥技術的研究進展

黃全江，王三反，吳楠，賀輝，于文統，叢林

(蘭州交通大學 寒旱地區水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州730070)

概述了連續流態下好氧顆粒污泥技術的研究進展,包括連續流態下好氧顆粒污泥的形成機理、影響因素和反應器的特點，并對該技術的應用前景進行了展望。

連續流；好氧顆粒污泥；機理；影響因素；反應器

好氧顆粒污泥技術以其良好的沉降性能和較高的污染物處理能力，受到越來越多學者的熱捧。好氧顆粒污泥的研究最早可以追溯到1991年，Mishima等[1]在連續流好氧升流式污泥床反應器(AUSB)中成功培養出了好氧顆粒污泥，然而其運行條件苛刻(必須以純氧曝氣)，且不具備脫氮除磷性能。之后研究發現[2]，序批式反應器(SBR)相對于傳統連續流反應器有更強的水力傳質壓力、更優良的污泥篩分效果、更佳的絲狀菌控制性能，能夠相對容易地培養出性能優異的好氧顆粒污泥。目前，好氧顆粒污泥的研究大都集中在SBR中。但是，SBR只適用于小型污水處理系統，與實際工程中的大型污水處理系統——連續流反應系統還存在一定的差距。作者概述了連續流態下好氧顆粒污泥技術的研究進展，并展望了其應用前景。

1　連續流態下好氧顆粒污泥的形成機理

連續流態下的好氧顆粒污泥在本質上同SBR中的好氧顆粒污泥一樣，是微生物借助反應器中特殊的水力條件，改變其自身的細胞表面特性或代謝機制，通過黏附作用而形成的聚集體。關于其形成過程，目前比較公認的顆粒化過程是Liu等[3]提出的4步途徑模型：

(1)在物理作用力下，微生物之間相互靠攏或向附著體表面運動，形成最初的微生物聚集體。已經存在的微生物聚集體和惰性物質均可以作為微生物生長附著的載體或晶核；(2)微生物之間、微生物與附著體之間在物理、化學和生物的作用力下相互吸附，微生物聚集體進一步變大、緊密，但是這種吸附并不穩定而是可逆的；(3)微生物之間通過胞外聚合物產生的生物凝膠強有力地相互粘連、吸附在一起，這種吸附不再可逆，微生物聚集體逐步趨于穩定；(4)在水力剪切力對微生物聚集體的塑形作用下，微生物聚集體更加致密，生物間的間距進一步縮小，結構更加緊密，最終形成好氧顆粒污泥。

2　連續流態下培養好氧顆粒污泥的影響因素

連續流反應器和間歇式反應器的主要區別是進水方式的差異，而進水方式對污泥的形態及其沉降性能影響很大。連續流反應器中培養好氧顆粒污泥的主要影響因素有水力剪切力、沉淀時間、飽食-饑餓期、基質類型及有機負荷等。

2.1水力剪切力

水力剪切力是上升的水流或氣流對好氧顆粒污泥表面形成的剪切作用力，其作用機理是對生物體施加一定的生物選擇壓，一般通過表面氣速表征。由于不同剪切力下的微生物的聚集性質有所差異，所以最終形成的好氧顆粒污泥的粒徑、外形結構、沉降性能等也各不相同。研究表明[4-5]，一定強度的剪切力是好氧顆粒污泥形成的必要條件，提高剪切力強度，可以在一定程度上提高生物固體濃度和沉降性能，同時增強微生物活性，較高的剪切力能促進好氧顆粒污泥的形成。牛姝等[6]在三相分離型反應器(CAFB)中培養好氧顆粒污泥時發現，連續流反應器中不存在對循環時間和沉淀時間的控制，剪切力是促進好氧顆粒污泥形成的主要因素。由流體剪切力模型可知，連續流水流作用施加于顆粒或絮體表面的剪切力遠大于SBR中氣相施加的剪切力，因此在連續流態下培養的好氧顆粒污泥性能比SBR中的更加優異。

2.2沉淀時間

沉淀時間影響好氧顆粒污泥培養過程中絮凝體的篩分過程。在較短的沉淀時間下，水力條件將促進污泥的篩分，使松散的絮狀污泥被篩除，而密度較大的顆粒污泥將繼續留在反應器中。隨著時間的推進，顆粒污泥逐漸成為優勢菌群。有研究表明[7]，較短的沉淀時間會促使細胞表面生成更多的胞外聚合物，胞外聚合物能夠提升細胞表面的疏水性，進而促進顆粒污泥的形成。然而，魯文娟等[8]研究發現，在連續流傳統活性污泥系統中進行的好氧顆粒污泥培養，即使污泥沉淀時間設為2.0 h，仍可以成功培養出好氧顆粒污泥，這表明較短的沉淀時間并不是好氧顆粒污泥形成的必要條件。

2.3飽食-饑餓期

飽食-饑餓期是影響好氧顆粒污泥的培養與保持穩定的一個關鍵因素。Liu等[9-10]研究發現，較短的饑餓期能夠加快顆粒污泥的形成速度，但形成的顆粒污泥不穩定。絲狀菌的過度繁殖是好氧顆粒污泥解體的主要原因之一[11]。de Icreuk等[12]發現絲狀菌有機體只在低基質濃度梯度的污泥絮凝組織中過度繁殖。在連續流反應器中，由于反應器內基質充分混合，顆粒污泥表層幾乎不存在基質濃度梯度，而在顆粒污泥內部卻容易形成易于絲狀菌繁殖的基質濃度梯度[13]。此外，眾多研究表明，交替的飽食-饑餓期變化能夠抑制絲狀菌的繁殖，同時也可以促進顆粒絮凝體的生成。沒有飽食-饑餓期的變化，絮凝體將不會發展成為優勢群體。劉琳[14]研究了饑餓時間對穩態好氧顆粒污泥系統的影響，發現短的饑餓期并不會引起顆粒污泥的失穩，但長的饑餓期會引發絲狀菌的大量繁殖，進而導致系統的崩潰。這說明合適的饑餓時間可以促進顆粒污泥系統長期穩定運行，實現系統節能且保持高效，但較長的饑餓期并不可取。

2.4基質類型及有機負荷

好氧顆粒污泥與一般生物膜類似，能夠用于一般生物培養的基質基本上都可用于好氧顆粒污泥的培養，基質類型對好氧顆粒污泥的形成過程基本無影響，但是不同有機質培養的好氧顆粒污泥菌群組成及結構卻有很大的差別。在以葡萄糖為主要基質的培養體系中，形成的好氧顆粒污泥表面容易長出大量絲狀菌，外觀呈絨毛狀，而在以醋酸鈉為主要基質的反應器內，形成的好氧顆粒污泥結構緊密，顆粒污泥主要是由桿菌組成[15]。隨著基質成分種類的增多，好氧顆粒污泥的菌群結構也呈現出多樣化趨勢[16]。

基于SBR的大量研究表明，有機負荷的大小影響系統內細菌的生長速率[17]，一定負荷范圍內，負荷越高，顆粒污泥的粒徑越大，但其結構卻越松散，培養后期極易發生顆粒污泥的解體。然而，沈耀良等[18]對連續流反應器中培養好氧顆粒污泥的運行效能進行研究時發現，增加進水中有機物濃度，不僅能加速污泥顆粒化，而且可以使反應器更加穩定高效地運行。因此，好氧顆粒污泥在連續流反應器內對有機負荷的變化適應性比在SBR內更強，這將有利于連續流反應器的應用推廣。

3　常見連續流態下培養好氧顆粒污泥的反應器特點

與傳統的SBR好氧顆粒污泥不同，連續流反應器不存在靜態的沉降過程，因此在反應器內需要另加泥水分離裝置進行泥水分離。根據泥水分離機制的不同，連續流好氧顆粒污泥反應器可以分為重力沉降分離型、三相分離型和過濾分離型。

3.1重力沉降分離型反應器

重力沉降分離型反應器的主要特征是在反應區內設立專門的沉降區域，依靠好氧顆粒污泥的優良沉降性能實現裝置內的泥水良好分離。設立的沉降區可以是單獨的二沉池[18]，也可以是在主反應區設置一定的沉降區[8]，甚至可以把排泥管道作為沉降區[19]。然而對表面水力負荷的選擇難以保持對顆粒污泥的篩分與系統穩定同時有效，因此，目前關于重力沉降分離型反應器的研究并不多見。

3.2三相分離型反應器

三相分離型反應器(CAFB)是目前連續流培養好氧顆粒污泥的主要反應裝置，通常結構是升流區、降流區及三相分離器。CAFB由于其較大的高徑比和反應器中液、氣的密度差而使得混合液產生規則的內循環流。這種內循環流具有以下優點[6]：(1)增強污泥絮體和小顆粒聚集的剪切作用力；(2)作用于顆粒污泥表面，有助于形成表面平滑、形狀規則的顆粒污泥；(3)循環流量遠大于進水流量，污水實際停留時間較長；(4)反應器內混合液濃度均一，屬于完全混合態，相較SBR的流態具有較強的抗沖擊負荷能力。

研究發現[20-23]，與SBR中好氧顆粒污泥的形成不同，CAFB中好氧顆粒污泥的形成不受沉降時間、進水有機物濃度等的影響，內循環產生的水力剪切力是促進好氧顆粒污泥形成的主要作用力。雖然三相分離器能夠很好地實現泥水分離，但還不能完全滿足好氧顆粒污泥反應器內劇烈的氣流擾動及選擇性排泥的要求，因此，三相分離器還需要優化設計。

3.3過濾分離型反應器

過濾分離型反應器的原理是利用篩網對顆粒污泥進行篩分，使得大小適宜的好氧顆粒污泥保留在反應器內。Liu等[24-25]利用添加篩網的生物選擇池的連續流自生動態膜反應器與傳統好氧顆粒污泥反應器對顆粒污泥穩定性進行研究，結果表明，通過粒徑選擇培養的好氧顆粒污泥與水力選擇壓培養的性能沒有太大區別，粒徑選擇培養的顆粒污泥有更大的粒徑、更低的含水率和更好的脫氮除磷效率,但其沉降性能不如水力選擇壓培養的。雖然這種泥水分離方式具有較高的篩分效率，但其運行及控制都較為繁瑣，且易堵塞篩網，并不適宜大規模應用。

4　存在的問題與展望

目前，運用連續流反應器培養好氧顆粒污泥普遍存在如下問題：(1)連續流態下好氧顆粒污泥形成的機理尚不明確，在SBR內對好氧顆粒污泥適宜的條件，在連續流反應器內不一定仍然適宜；(2)連續流反應器與SBR對不同影響因素的控制難易程度不一，SBR中易于調節的部分因素在連續流反應器中不存在或難以控制；(3)連續流反應器的設計復雜，難以直接應用于實際工程中。因此，需要加強連續流態下好氧顆粒污泥的形成機理研究，對連續流反應器的結構與控制進行優化改進。

盡管目前連續流反應器中好氧顆粒污泥的培養研究較少，但已經有越來越多的學者開始對其關注、研究，并取得了一定成果。連續流反應器相較SBR具有更多的工程應用可能性，隨著技術的進步，相信不難實現連續流好氧顆粒污泥技術的實際工程應用。

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Research Progress on Aerobic Granular Sludge Technology under Continuous-Flow Condition

HUANG Quan-jiang，WANG San-fan，WU Nan，HE Hui，YU Wen-tong，CONG Lin

(TheEngineeringResearchCenterofMinistryofEducationinColdandAridAreasWaterResourcesComprehensiveUtilization，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070,China)

Researchprogressonaerobicgranularsludgetechnologyunderacontinuous-flowconditionisreviewed，includingtheformationmechanismofaerobicgranularsludgeunderacontinuous-flowcondition，influencefactorsandthecharacteristicsofthereactor.Theapplicationsofthistechnologyareprospected.

continuous-flow；aerobicgranularsludge；mechanism；influencefactor；reactor

2016-04-04

黃全江(1993-)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：水處理技術及膜技術，E-mail：hqjspring@126.com；通訊作者：王三反，教授，E-mail:ty197@mail.lzjtu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.003

X 703.1

A

1672-5425(2016)09-0012-03

黃全江，王三反，吳楠，等.連續流態下好氧顆粒污泥技術的研究進展[J].化學與生物工程，2016，33(9)：12-14，22.