污泥顆粒化在廢水處理領域的應用

裴維娜，趙 霞，郭夢晗，徐毓敏，黃曉鵬，張家軒

(蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

好氧活性污泥技術一直是城鎮污水及工業廢水治理的主導技術，但其存在脫氮除磷工藝復雜、穩定性差、抗沖擊能力弱、剩余污泥多、占地面積大等問題，制約現有污泥廠進行提標改造[1]。好氧顆粒污泥(AGS)結構致密、沉降性能好，在污泥水快速分離、同步反硝化除磷、高效降解有毒物質、減少污泥殘渣等方面具有明顯的技術優勢和良好的應用前景。在此，作者在分析好氧顆粒污泥的特性和影響污泥顆粒化的主要因素的基礎上，對好氧顆粒污泥在生物脫氮、生物除磷、重金屬廢水處理、高濃度有機廢水處理等方面的應用進行綜述，并對未來主要的研究方向進行展望，為好氧顆粒污泥技術的研究及應用提供參考。

1 好氧顆粒污泥的特性

好氧顆粒污泥是微生物在特定環境下自凝聚形成的一種顆粒狀的活性污泥，即微生物凝聚體[2]。受氧傳質限制因素，顆粒污泥外部為好氧區，內部為厭氧區或缺氧區，該區域的分布為好氧微生物、兼性厭氧微生物及厭氧微生物提供了各自適宜的生存條件和環境[3]。與傳統的活性污泥相比，好氧顆粒污泥具有結構緊湊、抗沖擊能力強、沉降性能好、生物活性高等特點，在廢水處理領域具有獨特的優勢，近年來引起了學者的廣泛關注。

2 影響污泥顆粒化的主要因素

2.1 SBR反應器

SBR反應器(圖1)本身運行的特點使其較容易培養出好氧顆粒污泥[4]。在SBR 系統中，所有反應過程均在同一個反應器內進行，不需要二沉池。但SBR反應器處理能力有限，多用于小型污水處理廠。在廢水處理領域，也嘗試在原有廢水處理工藝的基礎上培養好氧顆粒污泥，即在連續流反應器里培養好氧顆粒污泥。但實際運行后發現，SBR對自動化和運行管理的要求高、反應器容積小，目前仍處于實驗室階段，難以大規模應用[5]。而且好氧顆粒污泥培養難度大，在運行過程中容易出現好氧顆粒污泥解體，所以SBR反應器仍是培養好氧顆粒污泥的主流反應器。

圖1 SBR反應器的運行過程Fig.1 Operation process of SBR reactor

2.2 接種污泥

好氧顆粒污泥、好氧活性污泥以及厭氧顆粒污泥通常為培養好氧顆粒污泥的接種污泥。盧然超等[5]利用厭氧顆粒污泥成功培養出具有除磷特性的好氧顆粒污泥。楊麒等[6]接種污水處理廠二沉池的活性污泥培養出可實現同步硝化反硝化的好氧顆粒污泥。Verawaty等[7]通過熒光標記探究接種部分好氧顆粒污泥促進污泥顆粒化的機理，熒光顯微鏡(FM)及掃描電子顯微鏡(SEM)技術成功觀測到絮狀污泥黏附接種至好氧顆粒污泥表面現象，表明接種好氧顆粒污泥充當了新顆粒形成的晶核，從而加速了好氧顆粒污泥的形成。此外，粉末活性炭、顆粒活性炭、生物炭等物質都是可以促進污泥快速顆粒化的載體。

2.3 微生物電化學系統

微生物電化學技術(MET)作為一種新型的廢水處理工藝[8]，具有污泥產率低、運行過程中能量能自給自足、電流加速污染物的去除等特點，對分子量大、毒性強以及難降解有機污染物具有非常明顯的去除效果，且具有同步去除污染物和能源化的特點，因而受到高度重視。胞外聚合物(EPS)普遍存在于活性污泥絮體內部及表面，是微生物在生理活動中分泌的胞外黏性物質，具有重要的生理功能，可通過吸附無機離子去除污染物[9]。EPS組成復雜，主要由蛋白質(PN)和多糖(PS)組成。研究表明，EPS對生物絮凝有促進作用，胞外多糖包裹細胞壁，降低了細胞表面的有效臨界電勢而發生絮凝；且“胞外聚合物架橋學說”認為EPS是絮凝產生的物質基礎，其中污泥表面的局部疏水特性是由于EPS中含有蛋白質和脂類等疏水分子；此外，EPS含有的陰離子基團可與二價陽離子結合，即通過減少細胞表面的負電荷將兩個相鄰的細胞進行物理連接，EPS與細菌細胞或者無機顆粒某些部位產生“橋聯”作用，從而導致絮凝的發生[10]。這種高分子聚合物可以在顆粒間起到架橋作用，這對好氧顆粒污泥的形成及穩定具有重要意義。PN主要作為顆粒內核以及通過PS具有的凝膠特性促進好氧顆粒污泥形成并維持EPS的穩定性[11]。所以，可利用電刺激的方法促進EPS的形成，以此促進污泥顆粒化。

微生物燃料電池(MFC)[12]是利用微生物催化降解有機物，在產電的同時實現廢水處理和污染控制的一種處理技術，近年來得到了廣泛研究[13]。相較于其它好氧、厭氧處理，MFC污泥產量較低，并可用于低濃度廢水的處理[14]。微生物電化學系統(MES)的工作原理是利用陽極微生物的代謝作用分解有機物，產生質子和電子，其中質子通過質子交換膜、電子通過外電路分別轉移到陰極，在陰極發生還原反應。陽極菌群的胞外電子傳遞過程是MES的核心過程, 一個典型的MES包括陽極隔室、陰極隔室和分隔材料(圖2)[8]。

圖2 微生物電化學系統Fig.2 Microbial electrochemical system

3 好氧顆粒污泥技術的應用

3.1 生物脫氮

氮、磷是生活廢水中常見的物質，也是導致水體富營養化的最重要因素。而好氧顆粒污泥中異養菌、硝化菌和反硝化菌的協同作用可以實現生物脫氮[15]。好氧顆粒污泥的結構及脫氮過程[16]見圖3。

圖3 好氧顆粒污泥的結構及脫氮過程Fig.3 Structure of aerobic granular sludge and denitrification process

3.2 生物除磷

生物除磷是聚磷菌和聚糖菌共同作用的結果，是好氧顆粒污泥除磷的方式。由于好氧顆粒污泥內部存在厭氧區，好氧顆粒污泥技術不需要單獨的厭氧池。Cassidy等利用好氧顆粒污泥技術對屠宰廢水進行處理，總磷去除率達到98%；Henriet等證明好氧顆粒污泥的總磷去除率高達90%，表明好氧顆粒污泥本身就具有很好的除磷效果。除了在活性污泥體系中存在的厭氧釋磷-缺氧吸磷原理外，目前好氧顆粒污泥的除磷機理主要包括磷沉淀和EPS積累[17]。通過對好氧顆粒污泥技術的不斷改進和完善，可以達到良好的除磷效果[18]。

3.3 重金屬廢水處理

微生物法在不引入其它有害物質的情況下能有效吸附去除水溶液中重金屬離子，在重金屬廢水處理中具有獨特的優勢，彌補了現有技術的不足[19]。微生物細胞和EPS有機絡合重金屬離子是好氧顆粒污泥吸附重金屬的主要途徑[19]。研究發現，好氧顆粒污泥憑借其表面多孔性及良好的沉降性能成為理想的重金屬吸附材料[20]。

3.4 高濃度有機廢水處理

高濃度有機廢水是指食品、醫藥、印染、紡織等行業排放的，含芳香族、雜環化合物、硫化物、氮化物等有毒有機化合物且COD濃度在2 000 mg·L-1以上的廢水[21]。好氧顆粒污泥可以有效提高反應器內的污泥濃度, 增強反應器的處理能力。研究[22]表明, 當進水COD濃度為800 ～ 2 000 mg·L-1、有機負荷為2～4 kg·m-3·d-1時, 好氧顆粒污泥反應器可穩定運行。高濃度有機廢水的傳統處理方法包括物化處理法和生物處理法，其中生物處理法符合可持續發展理念，在廢水處理領域應用廣泛。傳統的活性污泥技術(圖4)剩余污泥產量大，容積負荷較低，抗沖擊能力弱。從生物處理角度出發的好氧顆粒污泥技術克服了這些問題，能夠高效去除高濃度有機廢水中的氮磷，且具有一定的抗沖擊能力和自我恢復能力，同時還具有處理量大、消耗小、管理方便及經濟性等優點。從底物擴散、氧傳質、微生物產物及微生物之間的競爭與生長等方面來看，好氧顆粒污泥代謝機制是一個復雜的過程[23]。劉莉莉等[24]通過啤酒廢水馴化培養出好氧顆粒污泥, 發現好氧顆粒污泥經馴化后, 能夠迅速適應以糖類有機污染物為主的啤酒廢水, 馴化前后的污泥形態、生物活性差別不明顯, 出水COD濃度保持在45 mg·L-1以下。

圖4 傳統的活性污泥技術Fig.4 Traditional activated sludge technology

3.5 微生物電化學系統處理

廢水中存在的大量微生物具有傳遞電子的能力，促使MES陽極具有非常廣泛的菌群來源，在混合菌群的MES中，具有胞外電子傳遞能力的菌株與其它菌株共同存在、相互依存和相互競爭[25]。在廢水處理領域，與操作復雜、成本較高的物理法和易產生副產物、造成二次污染的化學法相比，MFC具有原料廣泛、操作條件溫和、清潔高效等優點[26-27]，在去除污染物的同時將其轉化為電能。Lu等[28]利用MFC技術處理淀粉生產廢水，COD去除率達到了98%。吳偉杰等[29]利用MFC技術處理COD濃度較高的生活污水，系統穩定運行后，最大輸出功率密度為77.6 mW·m-3，平均輸出功率密度約為43 mW·m-3，處理效果較好。Yokoyama等[30]利用MFC技術處理養殖廢水時對牛糞便進行了處理，最大功率密度為0.34 mW·m-2，COD和BOD去除率分別為70%和84%。MFC技術處理含汞廢水時的最大功率密度為433.1 W·m-2，回收率可達99.91%[31]。

4 展望

好氧顆粒污泥技術作為一種有潛力的生物處理技術，在廢水處理領域具有良好的應用前景。今后的研究方向可以從以下幾方面展開：

(1)目前好氧顆粒污泥的培養研究大多還處于實驗室階段，今后應逐漸向實際廢水處理階段發展。好氧顆粒污泥的培養方法除了傳統的控制反應器、添加可促進絮凝體物質外，通過微生物電化學以及改良后的方法促進好氧顆粒污泥的形成將是今后研究的焦點。

(2)好氧顆粒污泥技術在廢水處理領域取得了一定的成果，但在連續流反應器中的應用還較少，主要是因為，顆粒污泥形成的時間較長，穩定性難以控制。因此，促進污泥更高效、迅速地顆粒化并提高其穩定性，將成為好氧顆粒污泥技術未來研究的主要方向。

(3)微生物電化學技術在廢水處理系統中具有很大的優勢，能極大降低污泥產率，并實現整個運行過程的能源自給。其廢水底部的物質可以利用電流強化去除，但該技術目前仍處于發展階段，在很多方面還不太成熟，需要進一步研究。