好氧顆粒污泥研究進展及處理新疆番茄醬廢水的應用前景

包文婷，康增彥，王維紅

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中建三局安裝工程有限公司，湖北 武漢 430079)

好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)是廢水生物處理領域中的一項新技術[2]，是活性污泥絮體在一定條件下自凝聚，最終形成結構致密、形狀規則的微生物聚合體，成熟的AGS呈球形或橢球形結構，顏色多為橙黃色、棕色、灰褐色[3]。與傳統的活性污泥相比，其具有良好的沉降性、較高的生物量和穩定的處理效能而極具發展潛質[4]。對污水進行處理的過程中：序批式活性污泥法(sequencing batch reactor activated sludge process，SBR)由于可在同一反應池中，按時間順序集進水、曝氣、沉淀、排水和待機五個基本工序，具有工藝簡單、占地少、投資省、出水效果好、可實現同步脫氮除磷等優點，而成為首選方案[5]。

1 好氧顆粒污泥研究現狀分析

自1991年Mishima和Nakamura等[6]在上流式污泥床中首次發現AGS以來，該技術引起了全世界的廣泛關注。AGS是活性污泥絮體在好氧環境下自凝聚，最終形成結構緊湊、外形規則的生物聚合體[7]。與傳統活性污泥和厭氧顆粒污泥相比，AGS具有沉降性能良好、微生物菌群豐富、耐沖擊負荷能力強、可處理高濃度有機廢水等優點[8]。近年來，成為利用生物方法處理污水的一種新選擇。

1997年，Morgenroth等[9]在SBR反應器中，通過較短的水力停留時間和排水時間實現了污泥顆粒化，以SBR法為基礎培養AGS的研究快速展開。在此之后的20多年時間里，國內外研究者開始對AGS的形成及應用進行了廣泛研究。對AGS進行了大量的培育實驗，主要集中在兩個方面：一是宏觀層面采用不同基質培養顆粒污泥并探討其形成機理，優化運行參數和環境因素，加快顆粒化過程[10]；二是顆粒污泥的物理、化學和生物特性，包括外形特征、分形特性、流變特性、分子生物學特性、微生物種群等[11]。而由于顆粒污泥的形成是物理、化學和生物協同作用的結果，過程復雜，影響因素繁多，不同基質培養的顆粒污泥其理化特性與適應條件有所不同。因此，關于AGS形成及穩定的機理仍然不明確，存在啟動周期長、運行穩定性差、顆粒易解體等問題。使得國內外研究者一直致力于顆粒污泥反應器快速啟動的研究[12]，并且積累了許多有價值的數據。

1.1 好氧顆粒污泥形成機制

由于AGS形成過程集物理、化學和生物的共同作用，過程復雜，形成機理尚不明確。國內外學者對AGS的形成機理提出若干假說，如微生物自凝聚假說、選擇壓驅動假說、胞外聚合物假說、絲狀菌假說、誘導核假說等。彭永臻等[13]總結并整理了國內外好氧顆粒形成的3種假說。

1.1.1 微生物自凝聚假說 在適宜的環境條件下，通過控制水力剪切力、水力停留時間、沉降時間等，以菌群之間相互碰撞、粘附，使得微生物自發相互聚集成形狀規則、結構穩定的顆粒污泥。

1.1.2 選擇壓驅動假說 選擇壓驅動是通過外部環境誘導完成顆粒化，屬于物理選擇。通過調節環境因素淘汰物理性能差的，截留活性強的污泥，加速菌群更新換代。

1.1.3 胞外多聚物(EPS)假說 EPS是微生物在一定條件下分泌于細胞表面的大分子聚合物，成分與細胞內類似，如：蛋白質(PN)、多糖(PS)、氨基酸、核酸等[14]，可促進微生物凝聚。

至于在不同培養環境及操作條件下，AGS的形成時間是不可預測的。很多研究認為AGS顆粒化時間較長，大約需要3～6個月才能形成顆粒污泥占主導的AGS[15]。然而，Liu等[16]通過低沉降時間和高有機負荷率，僅需17 d即可培養形成顆粒污泥主導的AGS。Liu等[17]采用一種結合高水力選擇壓(HSP)和高有機負荷(OLR)的新型策略加速AGS的形成，發現AGS在24 h內出現，3 d即達穩定狀態。

不同操作條件及運行方式下，形成AGS的時間及性能差異很大。針對不同類型廢水培養的AGS，加速顆粒化進程，穩定處理效能是時下國內外學者研究的熱點，希望能獲取更多顆粒形成的原位信息。

2 基于宏觀層面的好氧顆粒污泥顆粒化因素研究分析

AGS的顆粒化過程較為復雜，受多種因素影響。常見影響因素如反應器構型、水流剪切力、有機負荷、基質類型等。

2.1 反應器構型

SBR反應器構型是影響AGS形成及穩定的重要因素之一。目前，大部分AGS都是在柱形上流式反應器中進行培養的，上升的氣流或水流可以產生以反應器軸線為中心的渦流，反應器內的微生物持續受到水力剪切力作用而逐漸顆粒化[18]。理論上，當SBR反應器的高徑比(H/D)較大時能夠確保更長的循環路徑，這為微生物聚集體提供更高的水流剪切力以及更有效的污泥碰撞頻率，使得微生物絮體能夠更快的形成結構密實、外形規則、顆粒粒徑大、沉降性能好的AGS，并能通過污泥沉降速率的差別來選擇優勢粒徑范圍的顆粒污泥。同時，較大的H/D能減少反應器的占地面積。但因較高的造價及運行管理的困難不適于實際應用。

2.2 水流剪切力

水流剪切力對AGS的表面疏水性、EPS的產生、穩定性等都具有促進作用。在SBR反應器中，以曝氣產生的表觀氣速來表示水流剪切力的大小[19]。Tay等[20]研究發現，只有當表觀氣速不小于1.2 cm/s時，水流剪切力才能達到一定強度而足以顆粒化。較大的剪切力會不斷掛刷顆粒表面，使得形成的顆粒污泥表面更光滑，結構更緊密，同時刺激AGS分泌EPS，疏水性增強，利于微生物黏附聚集。研究指出，表觀氣速在1.2～3.6 cm/s范圍內可形成AGS，大于2.5 cm/s時形成的AGS穩定性強。

2.3 有機負荷

較高的有機負荷條件可以加快制粒，但形成的AGS強度低、易膨脹大量絲狀菌而解體。有研究在SBR中以2.5～22.5 kg COD/(m3·d)的OLR運行[21]。發現當OLR從6 kg COD/(m3·d)增加到12 kg COD/(m3·d)時，AGS逐漸從結構致密粒徑(d)小于1 mm膨脹為d約為10 mm且分布大量絲狀菌的大顆粒，繼續膨脹后，AGS解體、失效。因此，可控制OLR在2～5 kg COD/(m3·d)。

2.4 底物類型

底物組成可影響AGS的結構和形態[22]。以葡萄糖為碳源的AGS絲狀菌較多，形態松散，而乙酸鈉培養的AGS多為桿狀菌，結構緊密。這是因為，底物組成越復雜，降解所需的微生物種類越多，會產生較為復雜、分層微觀結構的AGS，而簡單的基質，其微生物結構也相對密實[23]。

其他因素如溫度、溶解氧(DO)、pH、水力停留時間、沉淀時間、金屬離子等也會影響AGS。國內外眾多學者對AGS快速形成及穩定運行進行了大量實驗研究，發現一般情況下在溫度適宜(20～30 ℃)[24]、DO充足(一般2～6 mg/L)、pH適中(7～8)、水流剪切力較大下，通過縮短水力停留時間(HRT為6～12 h)及沉降時間，可選擇出粒徑較大、沉降性能較好的AGS，且投加金屬離子、粉末等不同有機晶核均可加快污泥顆粒化速度，培養性質穩定的AGS。

3 基于高通量宏基因組學的好氧顆粒污泥微生物群落應用分析

AGS內部存在厭氧、兼氧、好氧復雜的空間結構，不同的單元能夠為各功能微生物提供適宜的生存條件。在硝化細菌、反硝化細菌及異養菌共同作用下，可以達到同步脫氮除磷作用[25]。因此，分析研究AGS的微生物群落、優勢菌群有助于探究AGS的形成機理。

如今，現代分子微生物學技術的運用在環境生態學領域迅速展開，成為研究AGS中微生物的先進方法，主要包括FISH，DGGE，qPCR，高通量測序等手段。其中，高通量宏基因組測序是最新手段[26]。

Yang等[27]利用高通量測序技術分析了4個常規污水處理廠處理垃圾填埋場滲濾液的微生物群落總體情況。嚴樟等[28]利用高通量測序技術分析溫度對活性污泥微生物群落功能性的影響。結果表明，隨著溫度在5～35 ℃變化，微生物群落結構也會發生相應變化。并鑒定出147個門類，2 162個屬及13 015個物種；其中占主導地位的門主要包括：變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)等。王維紅等[29]在研究粒徑對番茄醬廢水AGS性能的影響中用5個不同粒徑時期的樣品進行細菌16S rDNA高通量測序，得到樣品的不同時期細菌的綱水平分布。從微生物學角度證實1.6～2.0 mm顆粒污泥和1.0～1.6 mm顆粒污泥時期的樣品的聚磷菌為優勢菌，與前已測得的不同粒徑期的顆粒污泥除磷效果結論相一致。

綜上所述，國內外學者對AGS的形成及穩定研究主要在于工藝參數和環境條件的優化下對顆粒粒徑、沉降性能及菌群分布進行選擇。但是，目前對AGS系統的穩定構建及形成機理尚無明確定論，對于在低H/D的SBR反應器中培養AGS處理番茄醬廢水及利用高通量測序分析優勢菌群鮮有報道。因此，構建低H/D的SBR反應器培養AGS，可為新疆番茄醬生產廢水處理系統的啟動與適應提供理論指導和科學依據，為推進低H/D的SBR中AGS工程化應用給予技術支持。

4 低H/D的SBR反應器培養AGS研究分析

實際工程中，大H/D的SBR系統因造價高、運行管理比較困難等限制因素而難于生產運用[31]。因此，需要降低H/D，而H/D小于5的SBR反應器為了能夠培養出較好的顆粒污泥，則需要更大的曝氣量，研究多在SBR反應器底部通過微孔曝氣方式提供表觀氣流以獲得足夠的水力剪切力，但成本較高。為此，只有通過其他的方法途徑增加水力剪切速率，如利用水平機械攪拌來改變反應器內的流態分布，從而提高污泥絮體之間和顆粒污泥之間的有效碰撞次數。唐海等[32]分別采用H/D為1∶1，1.9∶1，6.3∶1的純好氧SBR反應器研究AGS的形成與穩定性的影響因素，結果顯示H/D為1∶1中未發現AGS形成，其他反應器中歷時6～18 d形成AGS。研究隨著H/D減小后，水力剪切力減小、循環路徑變短，污泥碰撞次數減小以及流態分布不規律，使得形成的好氧顆粒不穩定，甚至可能形成不了顆粒污泥或者形成的時間比較長。近些年，低H/D的SBR反應器培養AGS的研究中多采用純氧曝氣、厭氧/好氧交替的運行方式[33]。Caluwé等[34]采用H/D=1.29的SBR反應器以預曝氣-厭氧-好氧的運行方式歷時30 d成功培養出AGS。高景峰等[35]采用H/D=1的SBR反應器以純好氧的運行方式歷時36 d成功培養AGS。吳昌永等[36]采用H/D=2.67的SBR反應器以厭氧-好氧方式歷時35 d培養出AGS。以上研究均實現了污泥顆粒化，但運行方式較為復雜。李浩等[37]、王惠卿等[38]分別在H/D=2.7和1.2的純好氧SBR反應器中成功顆粒化，時間較長。

關于引入機械攪拌對污泥顆粒化所起的作用，張小玲等[39]在H/D=3.29的SBR反應器中加入攪拌轉速為800 r/min的機械攪拌聯合鼓風機曝氣，3 d 出現AGS，發現隨著剪切力(0.12～0.22 N/m2)的增加，顆粒污泥的形狀越規則，結構越密實；曲新月等[33]采用H/D=1.2的SBR反應器，認為由水平攪拌形成的具有足夠剪切強度的旋渦二次流是促使低H/D的SBR反應器形成AGS的關鍵水力條件，且機械攪拌對剪切速率的貢獻遠大于表觀氣速。以上研究意味著機械攪拌的加入可能有助于低H/D的SBR中AGS的顆粒化進程。但目前對低H/D的SBR反應器中水平機械攪拌對AGS處理番茄醬廢水的作用到底如何，尚無定論，對機械攪拌轉速、轉漿尺寸及形成的AGS形態、結構等也缺乏相應的研究。

5 結語及展望

目前，雖然有關AGS的顆粒化及結構穩定性研究已經取得了不少成果。已證實其顆粒化在宏觀上受反應器及外界環境因子影響，微觀上受微生物菌群等的調控。且在SBR反應器中培養AGS處理番茄醬廢水的研究也有了一定進展。但需要重視的是，如何能早日推進SBR法AGS的工程化運用，如何能培養出適應于番茄醬生產周期且長期穩定運行的AGS，解決顆粒解體、除污效能下降等問題，仍然是AGS突破實驗室小試階段，走向實際生產運用的關鍵。而克服這一技術瓶頸就需要更加深入了解AGS的形成機制，并且構建占地小、投資省、適合實際工程運用的低H/D的SBR反應器。探究在其中引入水平機械攪拌，不同攪拌槳尺寸、轉速等攪拌參數的影響。未來可借助高通量宏基因組學等現代分子生物技術手段，深入研究AGS的種群多樣性及微生物群落演替規律，探究顆粒化過程中不同時期細菌在門、綱、屬、種水平上的分布，解鎖優勢粒徑、優勢種群，從微生物學角度進一步認識了解并揭示AGS的形成過程及穩定機理。進而提出AGS快速啟動并穩定運行的控制模式，以加快工程化運用，保護新疆水資源。