厭氧顆粒污泥的形成及其應用的研究進展

吳正杰，成 凌

(揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225100)

目前對于高濃度有機廢水的處理中多采用厭氧生物處理法。上流式厭氧反應器(UASB)誕生后，在UASB應用的過程中有研究者發現，反應器內出現相對較為密實的顆粒污泥，而且上面聚集生長這多種厭氧微生物，能夠參與厭氧反應器內有機物的降解工作。同時顆粒污泥與絮狀污泥相比較有較好的沉降性能，可以大大提高污泥的停留時間，增加反應器內的生物量。所以活性較高的厭氧顆粒污泥也是UASB啟動成功的一項重要特征。厭氧顆粒污泥的生長狀態成為判斷反應器是否穩定運行的一項重要指標，一直以來關于厭氧顆粒污泥的形成和應用的研究都備受廣大學者的關注。

1 厭氧顆粒污泥的特性

1.1 物理特性

厭氧顆粒污泥是相對與一般厭氧反應器中的絮狀污泥而言。相較于絮狀污泥顆粒污泥的密度較大，一般為1025～1080 g/cm3。具有一定的形狀，常見有圓形、橢圓形等。顆粒污泥的沉降性能較好，按照顆粒污泥的沉降速度，將顆粒污泥分為三個等級，沉降性能不好(18～ 20 m/h)、滿意(18～50 m/h)和很好(50～100 m/h)。厭氧顆粒污泥的顏色多為黑、灰兩種顏色，反應器內所添加的金屬元素決定了顆粒污泥具體呈現的顏色。

1.2 生物特性

在厭氧條件下顆粒污泥上生長著多種厭氧菌群落，外層為水解酸化菌，內層為產甲烷菌。這些菌類的協同作用將污水中的有機物降解掉，最終降解成甲烷和二氧化碳從水中釋放，達到去除有機物的作用。在厭氧系統中有機物的降解可分為四個階段：第一階段污泥中的水解菌將污水中大分子有機物水解成小分子可溶性有機物(氨基酸、長鏈脂肪酸、多糖)。第二階段小分子可溶性有機物經酸化菌酸化成短鏈脂肪酸，醇類、酮類。第三階段在產酸產氫菌的作用下將短鏈脂肪酸分解成乙酸、氫氣和二氧化碳，此時一部分有機物就以二氧化碳的形式從水體釋放。第四階乙酸和氫氣在甲烷菌的作用下產生甲烷氣體，達到降低水中有機物的目的。

2 顆粒污泥形成的研究

污泥顆粒化的過程相當復雜，研究者從不同學科的不同角度對厭氧顆粒污泥形成原因進行分析，并且提出了各種假說，胞外多聚物假說、自凝聚假說、晶核假說、選擇壓驅動假說等。目前對于厭氧顆粒污泥的形成還沒有較為全面的理論，但是從很多研究報道來看。大多數的研究這對于這幾個理論研究較多，研究者從這些假說中尋找促進污泥顆粒化的方法。

2.1 不同添加物對顆粒形成的影響

近年來有許多研究者在實驗過程中發現，在UASB啟動時添加一些惰性物質可以促進污泥的顆粒化。例如活性炭粉末、麥麩和一些絮凝劑等物質。劉等[1]實驗對比了木質素纖維、黃原膠和微生物絮凝劑對污泥顆粒化的影響，實驗發現三種物質均有利于實現污泥顆粒化。實驗以血清瓶作為厭氧反應器，三種添加物的最優量分別為：木質素纖維1 g/3gMLSS、黃原膠60 mg/3gMLSS、微生物絮凝劑30 mL/3gMLSS。經過35天的培養，對比培養出的顆粒污泥機械強度大小發現，木質素纖維>黃原膠>微生物絮凝劑。機械強度大相對來說顆粒污泥的完整性就較好。不同添加物對顆粒污泥中EPS的促進作用：微生物絮凝劑>黃原膠>木質素纖維。根據“胞外多聚物假說”原理，EPS可以使污泥表面呈現疏水性粘合微生物細胞和顆粒物質，從而促使顆粒污泥的形成。微生物絮凝劑和黃原膠促進污泥顆粒化的相關相對與木質素纖維較好。張等[2]基于“晶核假說”對污泥顆粒化進行研究。以活性炭作為晶核，探究活性炭對污泥顆粒化的影響。結果表明活性炭的投加有利于污泥的顆粒化、提高污泥的沉降性能，且顆粒化速度與活性炭投加量呈正相關。

顆粒污泥作為微生物的載體，顆粒上附著這較多的微生物，有研究者從微生物的角度出發研究微生物對顆粒污泥形成的影響。龔等[3]向膨脹污泥床(EGSB)中添加甲烷鬃菌，發現在EGSB啟動過程中投加甲烷鬃菌可以有效地加快顆粒污泥的形成，提高沉降性能，加快反應器的啟動。甲烷鬃菌添加后可以減少甲烷菌的流失，顆粒污泥富集的菌落更加豐富，提高反應器的去除率。

2.2 水流剪切力、負荷對顆粒污泥形成影響

上流式厭氧反應器內的上升流速是對顆粒污泥的一種篩選，當水流剪切力過大時就會有相對較為松散的顆粒污泥被沖散。王等[4]對比UASB在三個不同水力停留時間情況下顆粒污泥變化情況。研究者將HRT從10 h降至5 h再降至2.5 h,觀察反應器內粒徑大于1000 μm的顆粒污泥，發現粒徑大于1000 μm顆粒污泥占比分別為31.82%、17.18%、27.8%，且HRT為2.5 h時形成的顆粒污泥更加密實。這是由于在HRT縮短為5h時，水流剪切力將較為松散的顆粒污泥沖散成較小的顆粒。HRT為2.5 h時由于有機負荷足夠大，有足夠的營養條件共微生物生長，所以被沖散的小顆粒逐漸長大形成更加密實的顆粒污泥。

在一定的范圍內提高水流剪切力可以提高顆粒污泥的密實度、沉降性能和微生物的豐度。反應器內水流剪切力增大，使得顆粒污泥運動更加激烈，較為松散的顆粒污泥發生解體。同時在提高水流剪切力后負荷的增加，使得污泥有足夠的營養物質支持污泥的生長。營養充足的微生物會合成更多EPS。所以當顆粒發生碰撞時就可以大概率的結合成為更加密實的顆粒污泥。

2.3 其他影響因素

除了上述因素外，有研究者研究金屬元素和不同類型的接種污泥對污泥顆粒化的影響。張等[5]研究發現厭氧反應器內加入Fe3+后，反應器內EPS的總含量要比空白組反應器的含量多28.37%。Fe3+參與微生物的各種代謝活動，是微生物代謝的必要元素，能夠促進微生物生產EPS，加快顆粒的形成。污泥的初始狀態對其顆粒化也有很大，史等[6]將內循環反應器接種絮狀污泥經歷140 d啟動成功。徐等[7]將好養剩余污泥經過壓濾后接種到IC反應器，研究其顆粒化進程。一個月后出現顆粒污泥，最終培養出的顆粒污泥粒徑可達1.5～2.5 mm。

3 厭氧顆粒污泥的應用

厭氧顆粒污泥的首次發現是在UASB內，此后顆粒污泥的出現成為很多厭氧反應器啟動成功的重要的特征。具有良好的沉降性能顆粒污泥，使其在高負荷的反應器內可以有很長的停留時間。顆粒污泥的表面上有很多空隙，增加顆粒污泥與水的接觸面積，為復雜的微生物菌落提供附著生存空間，同時使得顆粒污泥具有較強的吸附能力。這些顆粒污泥自身的特性使得顆粒污泥顆粒污泥去除有機物的效率很高。這也是顆粒污泥在能夠有效處理高濃度有機廢水的原因，比如乳制品廢水、印染廢水和較為復雜的制藥廢水。近年來有研究者利用顆粒污泥的吸附性對水體中重金屬離子的吸附去除效果。王等[8]利用厭氧顆粒污泥的生物還原和生物吸附能力，對水體中的Cr6+除率高達95%。陳等[9]探究厭氧顆粒污泥的投加量、溫度、pH以及吸附時間對顆粒污泥吸附Cr6+的影響。韓等[10]研究厭氧顆粒污泥對于Pb2+去除效果，發現通過吸附和沉淀效應可以有效的去除水中的Pb2+。且Pb2+的毒性作用對顆粒污泥影響較小。

4 結語

關于厭氧顆粒污泥形成的原因還沒有一個較為全面的理論，但是從很多學者基于現有假說的研究結果來看，這些假說詮釋了一些顆粒污泥形成的原因。最終解釋清楚這個復雜的過程，還需要多個學科從各個方面進行解釋說明和探究。

厭氧顆粒污泥相較于絮狀污泥有著很多的有點，但是在實際的工程實踐中發現，很多因素能夠影響到顆粒的穩定。當條件不適宜是就會發生裂解變成絮狀污泥，此時水力負荷過大就會導致污泥流失，甚至厭氧系統的崩潰，所以厭氧顆粒污泥在實際工程中運行時需要較高的操作管理水平，否則顆粒污泥會很快在反應器內解體成絮狀。如何使顆粒污泥穩定保證厭氧系統穩定運行是未來研究的方向之一。