好氧顆粒污泥培養(yǎng)影響因素研究

劉清 暴瑞玲 魯金鳳

摘 ? ? ?要： 好氧顆粒污泥相比于傳統(tǒng)活性污泥，生物量大，沉降速度快，顆粒內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)使其具有同步脫氮除磷的功能。綜述了水力剪切力、沉降時間、污泥負荷、溫度、pH、接種污泥對好氧顆粒污泥培養(yǎng)的影響。

關(guān) ?鍵 ?詞：好氧顆粒污泥;影響因素;胞外聚合物;穩(wěn)定性

中圖分類號：X703.1 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）05-0973-04

Abstract： Compared with traditional activated sludge， aerobic granular sludge has large biomass， high sedimentation rate， and its layered structure makes it have the function of synchronous denitrification and phosphorus removal. In this paper， the influences of hydrodynamic shear force， sedimentation time， sludge loading， temperature， pH and inoculation sludge on aerobic granular sludge cultivation were summarized， so as to provide guidance for the subsequent research on aerobic granular sludge technology.

Key words： Aerobic granular sludge; Influencing factors; EPS; Stability

好氧顆粒污泥是由微生物自凝聚作用形成的一種特殊的生物膜，生物量大，沉降速度快，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，無須二沉池，其占地面積小。好氧顆粒污泥在流體剪切力的作用下，一般呈橢球狀或球狀，平均粒徑分布在0.2～5.0 mm。由于其較大的粒徑以及密實的結(jié)構(gòu)，限制了氧氣向顆粒內(nèi)部傳輸，從而在顆粒內(nèi)部形成了厭氧或缺氧區(qū)，使好氧顆粒污泥具有同步脫氮除磷功能。污泥顆粒化是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物過程，雖然有許多學(xué)者提出了相關(guān)假說，如自凝聚假說[1]、EPS假說[2]、絲狀菌假說[3]等，但都不能完整的詮釋整個好氧顆粒污泥形成過程。好氧顆粒污泥工藝需要在相當(dāng)嚴格的條件下運行，受到諸多因素影響，如水力剪切力、沉降時間、污泥負荷、外界環(huán)境（溫度、pH）、接種污泥等。因此本文綜述了上述因素對好氧顆粒污泥培養(yǎng)的影響，以期為后續(xù)好氧顆粒污泥工藝的研究提供指導(dǎo)。

1 ?好氧顆粒污泥培養(yǎng)影響因素

1.1 ?水力剪切力

水力剪切力一般通過表觀氣速的大小來量化，主要受曝氣強度和高徑比（H/D）的影響，已有大量研究報道水力剪切力在好氧顆粒污泥的形成過程中扮演著非常重要的角色，對好氧顆粒污泥的性狀也有影響。較高的剪切力有利于提高細胞的疏水性，疏水結(jié)合在細胞與細胞的相互作用中起著重要的作用，它可以誘導(dǎo)細菌的自凝聚，使細菌進一步緊密地結(jié)合在一起。從熱力學(xué)的角度來看，提高細胞疏水性會降低細胞的吉布斯能，易導(dǎo)致固相液相分離，促進微生物的聚集。Tay[4]等分別在表觀氣速0.3、1.2、2.4、3.6 cm/s的條件下培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)在表觀氣速高于1.2 cm/s的反應(yīng)器成功實現(xiàn)污泥顆粒化，表觀氣速0.3 cm/s的反應(yīng)器只有常規(guī)的微生物絮凝體，對比二者的疏水性，胞外多糖的含量，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥均高于微生物絮凝體，這意味著較高的剪切力有利于刺激胞外多糖的產(chǎn)生，胞外多糖能促進微生物的自凝聚。Yao[5]等在表觀氣速為0.8 cm/s的條件下培育出好氧顆粒污泥，但顆粒結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差。這些研究都表明高剪切力對污泥造粒是十分必要的。但Henriet[6]等報道在表觀氣速為0.42 cm/s的反應(yīng)器內(nèi)發(fā)現(xiàn)成熟的好氧顆粒污泥，結(jié)果表明剪切力對污泥顆粒化的影響與其他因素如有機負荷等有一定關(guān)聯(lián)。隨后Devlin[7]等報道在低水力剪切力下（0.42 cm/s）處理低負荷廢水（COD 340 mg/L）能使污泥顆粒化，處理較高負荷廢水（COD 630 mg/L，1 300 mg/L）則不能形成成熟的顆粒污泥，這意味著，有機負荷、流體剪切力共同影響著好氧顆粒污泥的形成，在低剪切力條件下培養(yǎng)好氧顆粒污泥已成為可能。這一進步有利于降低污泥顆粒化對曝氣的要求，進而減少污水廠的運行費用，具有重要意義。

1.2 ?沉降時間

沉降時間作為好氧顆粒形成的關(guān)鍵因素，調(diào)整沉降時間被視為篩選反應(yīng)器內(nèi)微生物的重要手段之一。沉降時間設(shè)置較低（<10 min），能使反應(yīng)器快速選擇沉降性好的微生物絮凝體，排出沉降性較差的污泥。Qin[8]等研究了沉降時間對污泥顆粒化的影響，運行4個反應(yīng)器（R1-R4），反應(yīng)器運行周期4 h，進水5 min， 出水5 min， 表觀氣速為2.4 cm/s，沉降時間分別為5 min、10 min、15 min、20 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)R1最早形成顆粒污泥，R4無顆粒污泥產(chǎn)生，對比R1-R3中顆粒污泥的性狀，R1中顆粒污泥疏水性最好，胞外多糖含量最高，這是因為縮短沉降時間能改善細胞的疏水性，促進胞外多糖的分泌，縮短好氧顆粒污泥的形成時間。Adav[9]等研究了不同沉降時間（10、7、5 min）， 以乙酸為碳源的反應(yīng)器的污泥顆粒化情況。研究者發(fā)現(xiàn)與接種的絮狀污泥相比，不同沉淀時間培育的顆粒污泥的微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，微生物多樣性大大減少，較短的沉降時間導(dǎo)致絮凝性差的菌株的流失，使顆粒的生物多樣性降低。這樣絮凝性好的菌株可以在顆粒中富集，而不與被淘汰的絮凝性差的菌株競爭。此外，Yang[10]等在沉降時間為2 min的反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)污泥顆粒化。付堯[11]等通過逐漸縮短沉降時間（10～4 min），在低水力負荷條件下，培養(yǎng)出成熟的好氧顆粒污泥，顆粒污泥去除有機物效果良好。由此可見，較短的沉降時間對于好氧顆粒的形成是必需的，逐漸縮短沉降時間的方法已廣泛應(yīng)用于好氧顆粒污泥技術(shù)。總的來說，為了培養(yǎng)出成熟的好氧顆粒污泥，多數(shù)SBR反應(yīng)器的沉降時間一般為2～10 min。

1.3 ?污泥負荷

污泥負荷在廢水處理系統(tǒng)中是非常重要的指標，影響微生物的生長和污染物去除效果。污泥負荷雖然不是好氧顆粒污泥形成的決定性因素，但與顆粒污泥EPS的組成與含量、微生物多樣性、形成時間和污染物去除效果息息相關(guān)。Janga[12]等報道污泥EPS含量隨污泥負荷（0.13～0.29 g COD/（g VSS·d））的增加而增加，污泥負荷越高，污泥（絮狀污泥）EPS對進水中的蛋白質(zhì)和多糖吸收能力也就越強。Tay[13]等發(fā)現(xiàn)較低的污泥負荷（0.33 g COD/（g VSS·d））有利于顆粒的穩(wěn)定。Kang[14]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)污泥負荷從0.4 g COD/（g VSS·d）降至0.2 g COD/（g VSS·d） 時，顆粒污泥開始解體，恢復(fù)至0.4 g COD/（g VSS·d） 時，顆粒污泥重新形成。雖然較低的污泥負荷能培養(yǎng)小粒徑的顆粒污泥以維持反應(yīng)器的穩(wěn)定性，但是污泥負荷過低，會導(dǎo)致EPS產(chǎn)量的減少，不利于好氧顆粒污泥的形成，因此建議最佳污泥負荷為0.4 g COD/（g VSS·d）。這一結(jié)論與Wu[15]等研究成果相符，其研究了不同污泥負荷對好氧顆粒污泥穩(wěn)定運行的影響，運行3個反應(yīng)器（R1： 0.5 g COD/（g VSS·d），R2： 0.2～0.4 g COD/（g VSS·d）， R3： 0.7～0.9 g COD/（g VSS·d）），通過使有機負荷隨污泥濃度變化而變化以控制污泥負荷，結(jié)果表明0.4 g COD/（g VSS.d）為最佳污泥負荷，此時顆粒污泥穩(wěn)定性、以及污染物去除效果都處于最優(yōu)狀態(tài)。此外，Li[16]等報道較高的污泥負荷（1.1 g COD/（g VSS·d））能快速地形成粒徑大（3.0 mm）、不穩(wěn)定的顆粒污泥，較低的污泥負荷（0.3 g COD/（g VSS·d））污泥顆粒化時間長，但形成的顆粒粒徑小（1.5 mm）且穩(wěn)定性好。較小的顆粒污泥比表面積大，傳質(zhì)阻力較小，能快速地利用并吸收營養(yǎng)物質(zhì)，因此小粒徑顆粒污泥在污水廠廢水處理中更受歡迎。據(jù)此研究者運用了一種新的運行策略進行了進一步的研究：早期利用高污泥負荷（1.1 g COD/（g VSS·d））加速好氧顆粒污泥的形成，晚期降低污泥負荷（0.33 g COD/（g VSS·d））成功的培養(yǎng)了穩(wěn)定、小粒徑的顆粒污泥。

1.4 ?外界環(huán)境

1.4.1 ?溫度

大部分生物過程和微生物生長的速率都受溫度的影響，隨著溫度的變化，顆粒增長速率及優(yōu)勢種群也會發(fā)生變化。目前多數(shù)污水處理的研究大都在常溫下進行，因此研究低溫下好氧顆粒反應(yīng)器的運行情況，對好氧顆粒污泥技術(shù)在不同地區(qū)的應(yīng)用具有重要意義。梁東博[17]等在15 ℃下，SBR運行周期12 h， 利用COD為300 mg/L的廢水耗時60 d完成污泥顆粒化過程。在穩(wěn)定運行階段，顆粒絲狀菌較少，主要以短桿菌和球菌為主，COD去除率高于80%。郭安[18]等在10～18 ℃下，利用外加碳源的實際生活廢水成功培養(yǎng)了好氧顆粒污泥，但在此反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥沒有占據(jù)主導(dǎo)地位，絮狀污泥與顆粒污泥處于并存狀態(tài)。Kreuk[19]等研究了中、低溫條件好氧顆粒污泥的形成及轉(zhuǎn)化過程，研究發(fā)現(xiàn)在8℃下，好氧顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)絲狀菌生長過快，在排水階段時由于較差的沉降性造成污泥的大量流失。但在20 ℃下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥能在8、10 ℃長期穩(wěn)定的運行，因此建議在寒冷地區(qū)，新的好氧顆粒污泥系統(tǒng)最好在夏季啟動，此時溫度較高，污泥形成過程較快。

1.4.2 ?pH

pH相對于其他影響因素受到的關(guān)注較少，但pH的波動能引起細胞的表面電荷變化，進而影響微生物之間的絮凝作用。此外，pH對顆粒的增長速率及種群結(jié)構(gòu)也有一定的影響。Yang[20]等運行兩個SBR反應(yīng)器來研究不同pH（3.0，8.1）下細菌顆粒與真菌顆粒的形成過程與特征，通過NaHCO3調(diào)節(jié)pH，研究發(fā)現(xiàn)pH為3時，顆粒污泥以真菌為主且真菌和EPS在顆粒上均勻分布，顆粒粒徑較小，顆粒化時間短，但顆粒非常疏松易在曝氣狀態(tài)下破碎。pH為8.1時，顆粒污泥以細菌為主，細菌分布在顆粒外層，顆粒大且致密，但顆粒化時間較長。結(jié)果表明可以通過控制pH來選擇污泥顆粒化過程中的優(yōu)勢種群。Kang[21]等研究了pH對成熟好氧顆粒污泥的影響，研究發(fā)現(xiàn)控制pH≤7對成熟顆粒污泥有巨大影響，EPS含量從134 mg/g VSS降至106 mg/g VSS， 粒徑從660 μm降至449 μm，絮狀污泥比例由7.8%升至26%。控制pH≤7.5時，成熟顆粒污泥對此則無明顯變化。但DNA測序結(jié)果表明pH≤7.5時，以脫氯單胞菌為主的聚磷菌的豐度增加。結(jié)果表明，pH的調(diào)節(jié)可以改變成熟顆粒的菌群，從而影響顆粒污泥的處理效果和穩(wěn)定性。

1.5 ?接種污泥

目前，多數(shù)研究都是選擇污水處理廠的活性污泥作為接種污泥。接種污泥的微生物種類及數(shù)量對好氧顆粒污泥的形成至關(guān)重要，不同類別的微生物因為其理化性質(zhì)不一樣，所表現(xiàn)的凝聚能力也就不一樣。研究發(fā)現(xiàn)疏水菌占據(jù)污水處理廠出水游離細菌的大多數(shù)，一般疏水菌比親水菌更易黏附在活性污泥上[22]，含有疏水菌較多的活性污泥更易自凝聚形成顆粒污泥，而且污泥顆粒沉降性能優(yōu)異。隨著研究的深入以及實際需要，不少學(xué)者逐漸關(guān)注如何利用接種污泥加速好氧污泥顆粒化進程。Kong[23]等分別利用加入零價鐵的活性污泥和不加入零價鐵的活性污泥培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)兩者培養(yǎng)出成熟的顆粒污泥的時間分別為43和64 d，前者有利于縮短好氧顆粒工藝的啟動時間。劉民[24]等利用加入40 mg/L Ca+2 的絮狀污泥，耗時34 d使絮狀污泥完全顆粒化。Pijuan[25]等將破碎的好氧顆粒污泥與絮狀污泥按照1∶1的比例混合，耗時18 d完成顆粒化，大大加快了污泥顆粒化進程。但是Lei[26]等認為利用好氧顆粒污泥碎片縮短顆粒化時間在工程應(yīng)用中是不切實際的， 因此選擇利用脫水污泥作為接種污泥，通過不斷縮短沉淀時間，在5 d內(nèi)完成了顆粒化，培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥COD去除率大于90%，NH4+去除率高于98%。

2 ?結(jié)論與展望

好氧顆粒污泥技術(shù)作為最有前景的技術(shù)之一，大多數(shù)關(guān)于好氧顆粒污泥的研究都局限于小試規(guī)模，其中試乃至實際應(yīng)用的研究較少。好氧顆粒污泥長期運行容易失穩(wěn)，以及用實際廢水培養(yǎng)顆粒污泥啟動期長仍是其應(yīng)用于實踐的巨大挑戰(zhàn)。因此應(yīng)進一步研究氧顆粒污泥形成機制，探索加強顆粒穩(wěn)定性的方法， 為好氧顆粒污泥技術(shù)的應(yīng)用努力。

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