連續(xù)流好氧顆粒污泥形成難點(diǎn)與技術(shù)現(xiàn)狀綜述

李明亮，朱兆亮

(山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

污水處理系統(tǒng)的效率取決于系統(tǒng)中微生物的代謝能力和處理過程最后階段固/液分離的有效性兩個(gè)方面。好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)憑借其同步硝化反硝化和高沉降速度可同時(shí)改善這兩方面的特性，近年來受到人們的廣泛關(guān)注[1－2]。學(xué)者們關(guān)注其物理化學(xué)性質(zhì)、形成機(jī)理和在不同廢水中的應(yīng)用情況，使用了眾多形式的反應(yīng)器，其中大多使用序批式間歇反應(yīng)器(Sequencing Batch Reactor，SBR)進(jìn)行培養(yǎng)[3－4]。近年來對(duì)間歇式培養(yǎng)顆粒污泥的研究日趨完善，研究者開始將注意力轉(zhuǎn)向連續(xù)流反應(yīng)器(Continuous Flow Reactor，CFR)，與SBR相比，CFR有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)易于操作和控制 SBR需要進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水4個(gè)步驟進(jìn)行循環(huán)，運(yùn)行過程較為復(fù)雜，需要單獨(dú)控制每一步，雖然在實(shí)驗(yàn)室中可以使用編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)逐一控制4個(gè)循環(huán)階段，但是自動(dòng)閥門數(shù)量的增加和電路設(shè)計(jì)的使用也使得故障率增加，需要更為專業(yè)的人員進(jìn)行維修管理。尤其是進(jìn)水和排水階段，為盡可能地縮短運(yùn)行周期，需要短時(shí)間內(nèi)完成?？焖俚剡M(jìn)水和排水極易改變反應(yīng)器內(nèi)的水力條件。進(jìn)、排水在整個(gè)運(yùn)行周期的時(shí)間占比是SBR系統(tǒng)的固有劣勢(shì)，而CFR系統(tǒng)的進(jìn)、排水過程可以同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)水力條件也較為穩(wěn)定。

(2)流動(dòng)模式 間歇式反應(yīng)器的處理規(guī)模受到限制，一次只能處理少量的廢水，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中需要儲(chǔ)存大量待處理廢水。雖然可以通過按順序操作多個(gè)SBR或增加一個(gè)調(diào)節(jié)池解決，但這樣做需要更大的占地面積和高昂的資金成本，以及復(fù)雜的操作程序。CFR系統(tǒng)的進(jìn)水流量是根據(jù)覆蓋地區(qū)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算得出的，短時(shí)間流量的波動(dòng)對(duì)連續(xù)流系統(tǒng)影響極小，好氧顆粒污泥良好的沉淀性能可以縮小沉淀池尺寸，節(jié)省占地面積。因此，CFR是處理大規(guī)模污水的最佳選擇。

(3)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施 目前大多數(shù)大型污水處理廠都在使用連續(xù)流系統(tǒng)，直接在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中實(shí)施好氧顆粒污泥比將現(xiàn)有操作轉(zhuǎn)換為間歇模式要簡(jiǎn)單得多。此外，顆粒系統(tǒng)更高的生物量保留率將使CFR無須擴(kuò)展現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施并且能夠有效提高處理性能。LI等[5]和黃梅等[6]分別在有效容積為60、303 L的改良型氧化溝中實(shí)現(xiàn)了好氧造粒，為工程上應(yīng)用該技術(shù)提供了重要經(jīng)驗(yàn)。

只有當(dāng)好氧顆粒污泥能夠穩(wěn)定地維持在CFR才可能得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中還要求較短的啟動(dòng)時(shí)間?？焖賳?dòng)和顆粒穩(wěn)定性是阻礙AGS技術(shù)廣泛應(yīng)用的兩大因素，研究者們通常將SBR中形成的顆粒污泥接種至CFR中[7－8]，或者投加晶核類物質(zhì)(鈉、鎂離子等)[9－10]，以獲得更快速的啟動(dòng)。為維持AGS的穩(wěn)定性，目前對(duì)CFR形成好氧顆粒的研究大多都借鑒SBR中形成好氧顆粒的優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，模擬SBR中形成好氧顆粒污泥的循環(huán)模式和水力條件。盡管連續(xù)流比間歇循環(huán)有優(yōu)勢(shì)，但在連續(xù)流中應(yīng)用AGS是一項(xiàng)新的努力，為此文章綜述了好氧顆粒污泥在SBR中形成的有利條件和在CFR中好氧污泥造粒的難點(diǎn)及目前的解決方案，找出技術(shù)差距，并展望了未來的研究方向。

1 SBR反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

目前普遍認(rèn)可的穩(wěn)定好氧顆粒污泥的形成機(jī)理是SARMA等[11]提出的4步造粒理論，即(1)由于細(xì)胞間相互作用力而發(fā)生細(xì)胞間碰撞，產(chǎn)生最初的細(xì)胞間粘附；(2)細(xì)胞表面疏水性的增加使細(xì)胞初始的凝聚力增強(qiáng)，自附著細(xì)胞逐漸產(chǎn)生微聚集體；(3)聚集微生物產(chǎn)生大量的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，其含量的增加也使微生物群體產(chǎn)生不可逆的聚集和生長(zhǎng)；(4)隨著氣泡與水流形成柔性剪切力，微生物群體不斷聚集成為顆粒狀。顆粒的形成過程受接種污泥對(duì)外部環(huán)境中反應(yīng)器配置和操作條件等流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)，這些參數(shù)包括選擇壓力、水力剪切力、飽食/饑餓條件等，了解SBR中存在的這些培養(yǎng)條件和機(jī)制有助于更好地理解CFR中相似的造粒過程。

1.1 基于沉降速度的選擇壓力

SBR反應(yīng)器的操作步驟是進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水的循環(huán)操作，在反應(yīng)循環(huán)結(jié)束時(shí)，生物量只允許在短時(shí)間內(nèi)沉淀，同時(shí)污水需要迅速從反應(yīng)器中排出，由于密度較大的生物顆粒比密度較小的生物顆粒沉降更快，較短的沉降時(shí)間和上清液的快速排放產(chǎn)生了一個(gè)選擇壓力，具有良好沉降特性的生物量保留在系統(tǒng)中，即會(huì)將沉降性能較差的生物量沖洗出反應(yīng)器，這種現(xiàn)象稱為基于沉降速度的選擇壓力。通過這種選擇壓力，除了篩選出具有良好沉降性能的顆粒污泥外，細(xì)胞疏水性和EPS的合成也得到了提高[12]。在眾多的研究中，沉降時(shí)間可認(rèn)為是促進(jìn)成功形成好氧顆粒的決定性因素[13]。值得注意的是，在未觀察到好氧顆粒形成的情況下，SBR所需的沉淀時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到30 min，大多數(shù)的SBR實(shí)驗(yàn)都是通過逐步減小沉淀時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)生物量的選擇，因?yàn)樵谝粋€(gè)循環(huán)周期內(nèi)，排出的污泥量必須小于新增殖的污泥量，以維持反應(yīng)器內(nèi)的生物量濃度，在這個(gè)原則的基礎(chǔ)上利用選擇壓篩選，逐步將形成的好氧顆粒保留在反應(yīng)器內(nèi)。這種趨勢(shì)表明，基于沉降速度的選擇壓力確實(shí)是SBR好氧顆粒化的最終驅(qū)動(dòng)力。

1.2 水力剪切力

水力剪切力和沉降速度形式的選擇壓力同樣重要，是造粒過程的第一驅(qū)動(dòng)力。在造粒的開始階段，水力流動(dòng)使微生物間不斷碰撞聚集，剪切力來自汽水混合液的流動(dòng)以及固體之間的碰撞[14]。剪切力還能夠誘導(dǎo)EPS分泌，使細(xì)胞表面疏水性增強(qiáng)，進(jìn)而增加顆粒密度。剪切力對(duì)好氧顆粒的形狀和大小有著重要影響，其可以將成熟顆粒表面的老化細(xì)菌剝離，對(duì)顆粒外層細(xì)胞的生長(zhǎng)速度起著平衡作用。剪切力去除了可能積聚在顆粒表面快速生長(zhǎng)的絲狀細(xì)菌[15]。研究發(fā)現(xiàn)，在柱式SBR中，當(dāng)氣體上升流速度＞1.2 cm/s時(shí)，好氧顆粒才能逐漸形成，并且在高動(dòng)力剪切力下形成更致密、不易解體的好氧顆粒，但是氣體上升流速不宜＞7.08 cm/s，此時(shí)由于剪切力過強(qiáng)容易導(dǎo)致顆粒解體[16]。AGS反應(yīng)器的水力特性很大程度上受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響，張遠(yuǎn)等[17]研究了高徑比對(duì)好氧顆?；挠绊懀诟邚奖确謩e為5和2.5時(shí)培養(yǎng)出致密的顆粒污泥，而在高徑比為1.5時(shí)培養(yǎng)的顆粒污泥結(jié)構(gòu)松散，粒徑較大。實(shí)際上，高徑比增大的直接結(jié)果是使水力剪切力發(fā)生改變，在曝氣量一定的條件下，更高的高徑比帶來更高的氣體上升流速。在柱式AGS反應(yīng)器中，使用懸浮擋板可產(chǎn)生更高的水循環(huán)速率，設(shè)計(jì)不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)也是改變水力剪切力的一種方式[18]。

1.3 飽食/饑餓條件

SBR的循環(huán)運(yùn)行始于飽和期，結(jié)束于底物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)受到限制的饑餓期。以醋酸鹽作碳源為例，存在醋酸鹽的時(shí)期稱為基質(zhì)飽和期，這個(gè)周期的剩余部分稱為饑餓期，從飽和期到饑餓期的轉(zhuǎn)變過程中會(huì)有一些標(biāo)志性的現(xiàn)象，如化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)濃度降低、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)濃度急劇增加、CO2產(chǎn)率降低、空氣飽和度升高[19]。如果進(jìn)水來自反應(yīng)器底部，底物濃度隨著污泥床高度的上升而減小，形成基質(zhì)梯度，則饑餓期效應(yīng)也隨之增強(qiáng)。當(dāng)處于基質(zhì)飽和期時(shí)，微生物群體將可快速生物降解的基質(zhì)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的可生物降解儲(chǔ)存基質(zhì)，以備饑餓期利用；當(dāng)環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡時(shí)，利用儲(chǔ)存的糖原、聚－β－羥丁酸等進(jìn)行內(nèi)源性呼吸，導(dǎo)致微生物更容易聚集，以提高存活率。有研究發(fā)現(xiàn)這種變化還可以增強(qiáng)微生物細(xì)胞的疏水性，有利于微生物之間的黏附和聚集，饑餓期也有助于誘導(dǎo)EPS產(chǎn)量增加，這被認(rèn)為能夠促進(jìn)造粒[20]。飽/饑狀態(tài)產(chǎn)生的濃度梯度也使AGS內(nèi)部細(xì)菌的生長(zhǎng)速率相比外部細(xì)菌較慢，而且能夠抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，有利于維持AGS的穩(wěn)定性。

1.4 底物組成

已知在使用不同廢水的SBR中好氧顆粒均能形成[21－23]，這表明廢水種類不是顆粒形成的決定性因素。研究表明:好氧顆粒分解難降解基質(zhì)的能力比絮狀污泥更強(qiáng)，如降解苯酚等。因?yàn)橐捉到庥袡C(jī)物在經(jīng)過顆粒表層時(shí)就被分解利用，不易降解的有機(jī)物進(jìn)入顆粒中心的可能性更大。并且已經(jīng)證明即使在存在顆粒有機(jī)物的情況下，好氧顆粒也會(huì)形成，這是因?yàn)轭w粒有機(jī)物雖然不能通過細(xì)胞膜，但是可以在吸附利用前進(jìn)行細(xì)胞外水解。因此，將進(jìn)水先通過厭氧階段處理有助于溶解顆粒物，使有機(jī)顆粒物更容易降解[24]。WAGNER等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在處理含顆粒有機(jī)物廢水時(shí)，形成好氧顆粒需要兩個(gè)條件:(1)降低生物量快速沉降的選擇壓力；(2)延長(zhǎng)厭氧時(shí)間，有利于顆粒有機(jī)物的水解和有機(jī)基質(zhì)的利用?；|(zhì)種類也會(huì)影響好氧顆粒的培養(yǎng)過程，如以醋酸鹽為底物可以促進(jìn)致密顆粒的形成，而葡萄糖等易于生物降解的COD容易使絲狀細(xì)菌得到生長(zhǎng)，不利于好氧顆粒的形成。

1.5 溶解氧

溶解氧濃度不是影響SBR反應(yīng)器好氧顆?；闹饕蛩兀诔晒Φ脑炝?shí)驗(yàn)中，DO的范圍較為廣泛，從0.7～8 mg/L不等[26]。然而，溶解氧會(huì)影響顆粒穩(wěn)定性，低溶解氧環(huán)境通常有利于絲狀菌生長(zhǎng)和厭氧核心形成[27]，絲狀菌的過度生長(zhǎng)和厭氧核心中發(fā)酵產(chǎn)生的氣體極易使顆粒解體。好氧顆粒的同步硝化反硝化是以顆粒外層氨氧化為基礎(chǔ)的，產(chǎn)生的硝酸鹽可以擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部，并在其內(nèi)部作為反硝化細(xì)菌的電子受體維持細(xì)胞生長(zhǎng)。在缺氧/厭氧和有氧階段循環(huán)(如在具有缺氧或厭氧選擇器的反應(yīng)器)中，由于絲狀生物在NO2－和NO3－還原方面不如非絲狀生物，因此若系統(tǒng)中存在缺氧/厭氧階段可抑制絲狀微生物生長(zhǎng)，促進(jìn)顆粒的形成。黃梅等[6]研究發(fā)現(xiàn)降低DO濃度有利于好氧顆粒污泥的反硝化過程，但容易導(dǎo)致污泥膨脹。DE KREUK等[28]利用添加氮?dú)獾姆椒?，在不改變氣體上升流速的情況下考察氧氣濃度降低對(duì)好氧顆粒的影響，結(jié)果表明，當(dāng)氧飽和度從100%降低到40%時(shí)，顆粒在兩周內(nèi)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，穩(wěn)定后顆粒直徑也有所減小。

1.6 生長(zhǎng)較慢的微生物(微生物的生長(zhǎng)速率)

絲狀菌生長(zhǎng)較快，吸收分解有機(jī)物的能力強(qiáng)，在低基質(zhì)濃度的環(huán)境中相比其他細(xì)菌處于優(yōu)勢(shì)地位，絲狀菌的過度生長(zhǎng)易造成污泥上浮等問題，在AGS中尤為明顯，容易造成AGS解體，所以有學(xué)者研究了微生物的生長(zhǎng)速率對(duì)顆粒穩(wěn)定的影響，得出控制好氧顆粒穩(wěn)定性一個(gè)重要參數(shù)是顆粒內(nèi)微生物的實(shí)際生長(zhǎng)速度。PICIOREANU[29]等將生物膜的穩(wěn)定性與底物的擴(kuò)散以及生物體的生長(zhǎng)速度聯(lián)系在一起，如果顆粒內(nèi)部的基質(zhì)濃度梯度急劇下降，就會(huì)形成非均勻或絮凝狀的生物膜；如果濃度梯度是漸進(jìn)的，則更容易產(chǎn)生規(guī)則的生物膜顆粒。較低的生長(zhǎng)速率狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生更平滑的生物膜顆粒，這意味著當(dāng)生物體以低速率生長(zhǎng)時(shí)，更容易形成穩(wěn)定的顆粒，如厭氧氨氧化顆粒污泥，可能是由于其生長(zhǎng)較慢而容易聚集形成顆粒。在使用SBR實(shí)驗(yàn)時(shí)，硝化細(xì)菌等生長(zhǎng)緩慢的微生物存在會(huì)促進(jìn)AGS的形成，KISHIDA[30]等利用硝化抑制劑——烯丙基硫脲來驗(yàn)證了該結(jié)論。也有研究稱快速增長(zhǎng)可能會(huì)降低顆粒的總生產(chǎn)力，在微生物群體中快速增長(zhǎng)(使個(gè)體收益)和高效增長(zhǎng)(使群體收益)之間存在權(quán)衡[31]，因?yàn)槿后w中某一類細(xì)菌的過度增長(zhǎng)會(huì)破壞整個(gè)微生態(tài)系統(tǒng)的平衡，而環(huán)二鳥苷酸等信號(hào)分子作為不同菌種之間的“使者”，在維持生長(zhǎng)速度的過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用[32]。

2 連續(xù)流條件下好氧造粒的難點(diǎn)

與SBR相比，CFR中的好氧顆粒處在不同的培養(yǎng)環(huán)境中，因此基于SBR形成好氧顆粒的優(yōu)勢(shì)將不能體現(xiàn)出來，如選擇壓力的應(yīng)用、間歇性基質(zhì)飽和期/饑餓期，以及污泥回流中設(shè)備對(duì)顆粒的損壞。

2.1 選擇壓力的應(yīng)用

選擇性地保留沉降性能好、處理效率高的好氧顆粒可認(rèn)為是SBR中傳統(tǒng)好氧造粒的最終驅(qū)動(dòng)力。這種選擇壓力很容易應(yīng)用于柱式SBR中，因?yàn)槠淇梢钥刂戚^短的沉淀時(shí)間來對(duì)生物量進(jìn)行選擇，但在CFR中實(shí)現(xiàn)起來較為困難，常規(guī)二次沉淀池設(shè)計(jì)通常需要較長(zhǎng)的沉淀時(shí)間以達(dá)到澄清水質(zhì)的目的。即使控制CFR沉降時(shí)間與SBR相當(dāng)，由于水連續(xù)流動(dòng)帶來的額外干擾，顆粒的沉降情況也與SBR中有所不同[33]。因此，選擇沉降性能較好的生物量要求CFR配備一個(gè)有效的選擇機(jī)制，用于從混合液中連續(xù)分離快速沉降顆粒并將其保留在反應(yīng)器內(nèi)。然而，大多數(shù)操作模式過于復(fù)雜[34－35]，或不能通過調(diào)整沉降速度選擇污泥[36]，因此在CFR中引入簡(jiǎn)單有效的選擇壓力是非常必要的。

2.2 提供基質(zhì)飽和/貧乏期

由于SBR間歇式的循環(huán)模式而產(chǎn)生的基質(zhì)飽和/貧乏期被認(rèn)為是促進(jìn)好氧造粒的重要條件，但在CFR中提供該條件是十分困難的。CFR反應(yīng)器是完全混合的，在一定的有機(jī)負(fù)荷條件下，進(jìn)水中的底物進(jìn)入反應(yīng)器后被快速吸附分解，底物濃度一直保持在較低水平，出水中的有機(jī)物濃度與反應(yīng)器內(nèi)混合液的濃度大致相同。一般來說，好氧顆粒是因?yàn)榛|(zhì)種類和氧濃度梯度的差異產(chǎn)生分層，顆粒內(nèi)部的生物量需要較高的底物濃度，較低的底物濃度導(dǎo)致有機(jī)物、溶解氧和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)無法進(jìn)入顆粒的核心，當(dāng)內(nèi)部細(xì)菌無法耐受就會(huì)導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)松散而發(fā)生解體。研究表明:在低底物濃度條件下，絮狀細(xì)菌比好氧顆粒更具優(yōu)勢(shì)，并在反應(yīng)器中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，在CFR中提供飽食/饑餓條件是CFR好氧造粒的另一個(gè)重要因素。

2.3 顆粒再循環(huán)

在傳統(tǒng)的CFR工藝中，通常需要外回流來維持系統(tǒng)中的生物量，這就不可避免地用到回流泵。如果這樣的外部裝置用于固液分離，使沉降更快的好氧顆?；亓鞯椒磻?yīng)池，傳統(tǒng)的泵回流系統(tǒng)可能會(huì)破壞回流的顆粒。

3 CFR中好氧造粒技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 CFR中的選擇壓力

基于沉降速度的選擇壓力通常用于SBR反應(yīng)器，而CFR則通過內(nèi)部或外部的固液分離器來實(shí)現(xiàn)。用于上流式反應(yīng)器的內(nèi)部分離器通常使用一個(gè)擋板將反應(yīng)器分為曝氣反應(yīng)區(qū)與選擇沉降區(qū)，如圖1(a)和(b)所示[37－38]。右端的曝氣區(qū)提供水力剪切力和所需溶解氧，左端形成固液分離區(qū)，即顆粒選擇區(qū)，由于出水口設(shè)置在該區(qū)域，所以會(huì)產(chǎn)生一定的上升流速，沉速大于該流速的顆粒會(huì)沉降至底部，底部的斜板會(huì)使得顆粒重新進(jìn)入曝氣區(qū)，由此產(chǎn)生選擇作用。而且圖1(b)中反應(yīng)器可通過移動(dòng)擋板改變固液分離區(qū)的容積，進(jìn)而改變表面水力負(fù)荷，可以在顆粒形成的不同時(shí)期時(shí)來調(diào)節(jié)顆粒的固液分離效果。三相分離器是一種經(jīng)典的帶有內(nèi)部分離器的反應(yīng)器形式，如圖1(c)所示[39]，隔板將反應(yīng)器分為中心曝氣區(qū)和外部沉淀區(qū)，汽水混合液由于曝氣作用從裝置的中部向上流動(dòng)，至頂部汽水分離后溢流向四周，斜板阻擋顆粒進(jìn)入出水區(qū)域，使沉速較好的生物量再次沉降至反應(yīng)器底部。雖然三相分離器最初的設(shè)計(jì)是應(yīng)用于上流式厭氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB)中，但在好氧顆粒污泥的研究中也得到了廣泛應(yīng)用。眾多研究表明在反應(yīng)器中適當(dāng)?shù)卦黾訐醢蹇梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)好氧顆粒的選擇[40]。除增加內(nèi)部分離器外，更為傳統(tǒng)的方法是增加一個(gè)外部分離器進(jìn)行選擇，如圖1(d)所示。龍焙等[41]利用一個(gè)上流式反應(yīng)器，通過斜管連接到外部擋板沉淀池，混合液進(jìn)入沉淀池后，沉降較好的顆粒通過底部聯(lián)通管回流至反應(yīng)區(qū)，沉降較差的絮狀污泥被篩選出反應(yīng)器。鄒金特等[42]利用類似方法，使用兩個(gè)聯(lián)通的擋板沉淀池實(shí)現(xiàn)了對(duì)好氧顆粒的選擇。

圖1 利用沉淀區(qū)進(jìn)行顆粒篩選的連續(xù)流AGS反應(yīng)器圖

3.2 創(chuàng)造飽食/饑餓條件

如果AGS反應(yīng)器沒有選擇壓力的作用，即使創(chuàng)造出飽食/饑餓條件也不會(huì)產(chǎn)生好氧顆粒，但是這種循環(huán)模式對(duì)造粒的促進(jìn)作用是不可忽視的。LI等[43]為創(chuàng)造出飽食/饑餓條件，設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱式的逆流折板反應(yīng)器(Reverse Flow Baffled Reactor，RFBR)，如圖2所示。按照2 h正、逆向流的周期運(yùn)行，兩端臨近出水口的池體作為選擇區(qū)域，每當(dāng)該反應(yīng)器流動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，基質(zhì)飽和區(qū)和饑餓區(qū)就會(huì)發(fā)生互換，經(jīng)過21 d的連續(xù)運(yùn)行形成好氧顆粒，并在此后的135 d內(nèi)保持穩(wěn)定。LIU等[44]使用兩個(gè)AGS反應(yīng)器串聯(lián)，即第一個(gè)反應(yīng)器的出水是第二個(gè)反應(yīng)器的進(jìn)水，第一個(gè)反應(yīng)器(注入進(jìn)水)可以充當(dāng)飽和階段，第二個(gè)反應(yīng)器充當(dāng)饑餓階段，如圖3所示。培養(yǎng)30 d后形成了直徑為0.1～1.0 mm的顆粒污泥。CORSINO等[45]在CFR反應(yīng)器中接種SBR產(chǎn)生的好氧顆粒時(shí)，在連續(xù)流運(yùn)行模式下，好氧顆粒會(huì)迅速失去結(jié)構(gòu)完整性，產(chǎn)生以絲狀菌為主的松散的微生物聚集體，顆粒密度從100 g/L降低到50 g/L，蛋白質(zhì)與多糖之比及總EPS顯著降低，顆粒尺寸減??；在改為間歇進(jìn)水后，好氧顆粒的穩(wěn)定性普遍提高。間歇進(jìn)水并沒有使飽和期和饑餓期的基質(zhì)濃度差變大，更可能的是延長(zhǎng)了饑餓期的時(shí)間，使細(xì)菌表面產(chǎn)生更多的EPS以促進(jìn)顆粒形成，見1.2中所述。

圖2 對(duì)稱式逆流折板反應(yīng)器圖

圖3 串聯(lián)式連續(xù)流AGS反應(yīng)器圖

3.3 顆粒污泥再循環(huán)系統(tǒng)

帶有外部分離器的好氧顆粒污泥反應(yīng)器有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即需要將沉降較好的污泥回流至反應(yīng)器，雖然LI等[33]使用蠕動(dòng)泵回流污泥(如圖4所示)，能夠培養(yǎng)出好氧顆粒，但是其對(duì)顆粒仍有一定程度的破壞，外部沉淀池的污泥回流管中因破碎而造成的顆粒損失是研究者們必須考慮的問題。氣提裝置可能是傳統(tǒng)泵回流系統(tǒng)的替代者，這種裝置的原理是在下部淹沒于液體中的揚(yáng)水管中通入壓縮氣體，形成氣液兩相流，利用管內(nèi)外混合液的密度差將汽水混合液提升。此外，該裝置還能為好氧造粒提供水力剪切力和溶解氧[46]。?DEGAARD[47]在流化床生物膜反應(yīng)器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)中使用該方法用于轉(zhuǎn)移生物膜載體。ZOU等[48]將該裝置用于連續(xù)流AGS反應(yīng)器(如圖5所示)，證明其可以用于外部沉淀池的污泥回流，且不會(huì)破壞好氧顆粒的結(jié)構(gòu)。

圖4 泵回流顆粒污泥反應(yīng)器圖

圖5 氣提回流顆粒污泥反應(yīng)器圖

3.4 基于絲狀菌的好氧顆粒污泥

傳統(tǒng)的好氧顆粒污泥是微生物自聚集形成的，而絲狀菌形成的顆粒污泥首先依賴于絲狀細(xì)菌之間的纏繞，形成顆粒骨架，其他細(xì)菌再依附骨架形成微生物群。基于絲狀菌形成的好氧顆粒通常不需要基于沉降速度的選擇壓力，而且所需的水力剪切力可以通過攪拌實(shí)現(xiàn)，其思路是:接種絲狀菌/形成絲狀菌膨脹—提高水力剪切力—污泥顆?；?。利用絲狀菌在連續(xù)流中實(shí)現(xiàn)好氧污泥顆?；坪跏且环N更可行的方法，CHEN等[49]采用該思路設(shè)計(jì)了一種內(nèi)循環(huán)膜生物反應(yīng)器(Internal Circulation Membrane Bio-Reactor，IC-MBR)，如圖6(a)所示。

膜組件可以將絲狀菌截留在反應(yīng)器內(nèi)，并采用易于降解的葡萄糖作為碳源(見1.4中所述，葡萄糖利于絲狀菌的生長(zhǎng))，接種普通污泥運(yùn)行8 d后污泥體積指數(shù)(Sludge Volume Index，SVI)值升高至328.65 mL/g，表明反應(yīng)器中發(fā)生了絲狀菌膨脹，大量絲狀菌的存在有利于形成以纏繞為基礎(chǔ)的聚集體，并為其他細(xì)菌提供附著載體和顆粒骨架，37 d后可明顯觀察到顆粒污泥，造粒成功后SVI值在(100±20)mL/g，相比傳統(tǒng)顆粒污泥的SVI值較高。CHEN等[50]利用2 h的沉淀時(shí)間在連續(xù)流中成功培養(yǎng)出顆粒污泥，所使用的反應(yīng)器如圖6(b)所示，其高徑比僅為1，溶解氧控制在4.2 mg/L，并以250 r/min的速度行攪拌，其剪切力主要來源于攪拌而不是曝氣，并將接種污泥中有無絲狀菌作為變量進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果只有接種污泥中含有絲狀細(xì)菌的反應(yīng)器造粒成功，形成的顆粒污泥SVI在50～90 mL/g。

圖6 絲狀菌AGS連續(xù)流反應(yīng)器圖

LI等[7]使用連續(xù)流反應(yīng)器培養(yǎng)出好氧顆粒污泥以后，對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描和高通量焦磷酸測(cè)序，觀察到顆粒表面有大量絲狀細(xì)菌纏繞，焦磷酸測(cè)序結(jié)果表明絲狀古菌和絲狀菌的結(jié)合導(dǎo)致EPS和SVI的增加，證明絲狀菌在好氧造粒中發(fā)揮了重要作用[51]。絲狀菌顆粒污泥的形成似乎是傳統(tǒng)好氧顆粒的一個(gè)反例，反應(yīng)器高徑比的增加和沉降時(shí)間的縮短在顆粒形成過程中并不重要，足夠數(shù)量的絲狀菌和可通過攪拌實(shí)現(xiàn)的高剪切力在顆粒污泥的形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

4 展望

好氧顆粒污泥憑借高處理效率和良好沉降能力而得到廣泛關(guān)注，為達(dá)到從絮狀污泥到顆粒污泥的轉(zhuǎn)變，在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行了大量研究并取得了階段性成功，并且已經(jīng)有在CFR中培養(yǎng)出好氧顆粒污泥成功案例，但是好氧顆粒污泥技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題，需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究:

(1)優(yōu)化造粒程度 好氧顆粒是以絮狀污泥為基礎(chǔ)形成的，而且在顆粒污泥的形成過程中絮狀污泥是一直存在的，在活性污泥系統(tǒng)中，任何形式的反應(yīng)器都達(dá)不到100%顆粒比例，尤其是在連續(xù)流中，CFR的顆粒比例通常低于SBR。在應(yīng)用過程中，為應(yīng)對(duì)顆粒不穩(wěn)定性，可以允許絮狀污泥與顆粒污泥并存的條件下持續(xù)發(fā)揮好氧顆粒污泥的優(yōu)勢(shì)，即部分好氧顆?；?，并且致力于造粒程度最大化。

(2)選擇合適的顆粒篩選機(jī)制 好氧顆粒在氣體剪切力的作用下形成以后，為保持一定的顆粒比例，必須有相應(yīng)的顆粒篩選機(jī)制將顆粒保留在反應(yīng)器內(nèi)，以保持系統(tǒng)高效的處理效率。SBR通過沉淀時(shí)間來選擇顆粒，而CFR一般通過控制顆粒選擇區(qū)(沉淀區(qū))的停留時(shí)間來進(jìn)行選擇，顆粒沉速在其中扮演著重要的角色，但是目前仍然沒有好氧顆粒在連續(xù)流狀態(tài)下的水力學(xué)模型，在應(yīng)用中設(shè)計(jì)和選擇合適的顆粒篩選機(jī)制尤為重要。

(3)維持好氧顆粒污泥的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是制約好氧顆粒污泥大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要因素，大多數(shù)研究中AGS的穩(wěn)定時(shí)間約為100 d，而且在這期間顆粒比例是由無到有的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并不是穩(wěn)定存在。目前的研究主要集中在形成顆粒，未來的研究需要從形成顆粒到失穩(wěn)—再形成進(jìn)行轉(zhuǎn)變并探究其穩(wěn)定存在的機(jī)理。