連續(xù)流中好氧顆粒污泥培養(yǎng)應(yīng)用與發(fā)展

戚功奇

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)與傳統(tǒng)活性污泥相比，具有微生物結(jié)構(gòu)更加緊密，沉降性能也更良好，泥水分離簡(jiǎn)單，可抵抗水力負(fù)荷沖擊和有毒有害物質(zhì)影響，單級(jí)同步脫氮除磷等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)得到廣泛的研究和實(shí)際應(yīng)用.目前，對(duì)AGS形成的影響因素、顆?；瘷C(jī)理、加速形成、穩(wěn)定性和應(yīng)用等方面的研究都有一定的進(jìn)展[1].但是，目前好氧顆?；径际窃谛蚺交钚晕勰喾?Sequencing Batch Reactor，SBR)反應(yīng)器中培養(yǎng)的，只適合小型工程項(xiàng)目，不適用大型水廠項(xiàng)目，其穩(wěn)定性和啟動(dòng)時(shí)間難以在連續(xù)流中得到控制和解決，且沒(méi)有統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)，難以應(yīng)用到實(shí)際中.因此，本文對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行綜述，希望能找到各個(gè)影響因素之間的聯(lián)系，為后期歸納統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ).

1 好氧顆粒研究熱點(diǎn)

通過(guò)分析近10年1 400多篇研究成果發(fā)現(xiàn)，目前研究的熱點(diǎn)有去除率、顆粒菌群結(jié)構(gòu)、厭氧顆粒污泥、AGS、好氧顆粒在連續(xù)流中的研究等，如圖1所示.根據(jù)現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r，要求好氧顆粒能在連續(xù)流中培養(yǎng)并能穩(wěn)定運(yùn)行.

(a) 研究關(guān)系

(b) 研究熱點(diǎn)圖1 AGS研究關(guān)系和熱點(diǎn)

圖2反映了AGS在不同時(shí)間點(diǎn)、不同研究方向上的發(fā)展趨勢(shì)，隨著人們對(duì)于AGS研究的深入，發(fā)現(xiàn)需要解決的問(wèn)題也越來(lái)越多.目前，已開(kāi)展對(duì)AGS的機(jī)理、影響因素、培養(yǎng)反應(yīng)器以及在微觀微生物方面的研究，并在處理實(shí)際污廢水中進(jìn)行了試驗(yàn)，已經(jīng)初步有了對(duì)其在污水處理與反應(yīng)器結(jié)合等領(lǐng)域的探索.對(duì)于在連續(xù)流下培養(yǎng)AGS的難點(diǎn)——穩(wěn)定性、快速啟動(dòng)及節(jié)能方面仍然存在問(wèn)題.

圖2 AGS研究前沿趨勢(shì)

AGS研究的突顯關(guān)鍵詞如表1所示，可以看出：AGS經(jīng)歷了從最初單一地應(yīng)用于水處理，并在SBR反應(yīng)器得以開(kāi)發(fā)和研究，到近些年來(lái)顆粒污泥的開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新、優(yōu)中選優(yōu)的比選，最后到AGS的全面探索.現(xiàn)如今連續(xù)流下AGS的培養(yǎng)經(jīng)歷了從表觀到本質(zhì)、從歸納到演繹、從微觀到實(shí)際應(yīng)用方面的全面大發(fā)展.

表1 AGS相關(guān)研究關(guān)鍵詞突顯

結(jié)合CiteSpace軟件得出的結(jié)論，未來(lái)AGS的發(fā)展前景可能集中在：

1) 提高穩(wěn)定性.顆粒污泥的解體和后期絲狀細(xì)菌的過(guò)度增殖都是穩(wěn)定性的制約原因.

2) 在實(shí)際工藝中應(yīng)用.現(xiàn)在污水廠技術(shù)基本成熟，要想將AGS運(yùn)用在連續(xù)流中，需要關(guān)注外置器的研究.

3) 應(yīng)用AGS處理各種污廢水.AGS具有高負(fù)荷高抗毒性，將來(lái)在高濃度有機(jī)廢水處理和重金屬?gòu)U水處理方面將得到普遍應(yīng)用，同時(shí)城市需水量增大，其對(duì)低濃度污水的處理也將成為研究熱點(diǎn).

4) AGS培養(yǎng)的優(yōu)化方面.即如何快速起動(dòng)、如何節(jié)能、如何優(yōu)化顆粒選擇方式等.

2 AGS形成機(jī)理假說(shuō)及影響因素

好氧顆粒的結(jié)構(gòu)類似于好氧區(qū)、兼性區(qū)和厭氧區(qū)的復(fù)合結(jié)構(gòu).基于前人的研究，顆粒的形成大致可以描述為在物理力作用下，微生物相互接觸靠近開(kāi)始絮集；并且已經(jīng)形成的微生物絮體和無(wú)機(jī)質(zhì)都可作為微生物附著的載體；然后微生物之間以及微生物與載體之間在各種物理、化學(xué)和生物力的作用下相互絮集，聚集體逐漸變大，結(jié)構(gòu)更加緊密；同時(shí)微生物產(chǎn)生的胞外聚合物會(huì)將各微生物緊密的黏聚在一起，使微生物聚集體逐步趨于穩(wěn)定；最終在水力剪切力作用下，使微生物聚集體更加致密、結(jié)構(gòu)更加緊湊，最終形成AGS[2].

2.1 AGS機(jī)制的各種假說(shuō)

2.1.1 選擇壓驅(qū)動(dòng)假說(shuō)

AGS的形成需要通過(guò)控制篩選條件(如沉降時(shí)間、曝氣量、進(jìn)水負(fù)荷等)，滿足反應(yīng)器中不同特性微生物的生長(zhǎng)需求.現(xiàn)在，AGS基本是在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)得到，是通過(guò)較短的沉降時(shí)間和較大高差的選擇壓將顆粒較小的輕質(zhì)絮體排出，留下沉降性較好顆粒[3].但該假說(shuō)未考慮顆?；^(guò)程中生物變化所起的作用，而是主要側(cè)重于顆?；^(guò)程中污泥理化特性的變化.

2.1.2 胞外多聚物作用假說(shuō)

微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)分泌胞外聚合物(EPS)，其主要由多糖物質(zhì)、蛋白質(zhì)類和脂類組成，具有黏性，促進(jìn)微生物之間的結(jié)合. Adav等[4]通過(guò)試驗(yàn)證明β-多糖是AGS的結(jié)構(gòu)骨架，而蛋白類物質(zhì)、脂類物質(zhì)附著在β-多糖所搭建的骨架上，同時(shí)蛋白質(zhì)(PN)提高了顆粒的穩(wěn)定性，脂質(zhì)(PS )增加了顆粒污泥的強(qiáng)度，使AGS的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定.但并不能表明EPS就對(duì)顆?；鸾^對(duì)作用，因?yàn)槲⑸锒紩?huì)分泌EPS.

2.1.3 絲狀菌作用假說(shuō)

絲狀菌常存在于水體中，菌絲較長(zhǎng)，可以和球菌、桿菌結(jié)合形成框架.污水中的微生物附著在絲狀細(xì)菌上，再通過(guò)水力剪切形成AGS.在SBR反應(yīng)器中將絲狀菌顆?；l(fā)現(xiàn)絲狀菌以彎曲、分支、不規(guī)則的生長(zhǎng)方式形成絲狀顆粒，且多種絲狀菌形成的顆粒強(qiáng)度比單一菌種形成的顆粒穩(wěn)定性更高[5].李志華等[6]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在SBR反應(yīng)器中加入絮狀活性污泥和絲狀菌，在常規(guī)培養(yǎng)中，絲狀菌能夠加強(qiáng)AGS的形成，并且能夠去除污水中的多種物質(zhì)，除污效果良好.但許多對(duì)AGS的研究卻沒(méi)有觀察到內(nèi)部存在絲狀菌，因此該假說(shuō)仍需繼續(xù)改進(jìn).

2.1.4 自絮凝假說(shuō)

微生物在一定條件下會(huì)自動(dòng)發(fā)生絮集作用，這種變化隨著時(shí)間的變化而趨于明顯[7].結(jié)合選擇壓，這種現(xiàn)象可以很好地解釋顆粒形成的原因，但是在低選擇壓下AGS會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，使得該假說(shuō)也不成立.因此，需要加強(qiáng)對(duì)其研究，以便來(lái)揭示AGS形成機(jī)理.

2.2 連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)AGS影響因素

相對(duì)于傳統(tǒng)的間歇式好氧顆粒的培養(yǎng)，連續(xù)流培養(yǎng)的主要區(qū)別在于進(jìn)水的方式不一樣，使得水流的流態(tài)、沉淀時(shí)間和飽食饑餓期等難以控制.

1) 高負(fù)荷作用.在高負(fù)荷作用下，基質(zhì)可進(jìn)入顆粒污泥的內(nèi)層，易形成強(qiáng)健的內(nèi)核.

2) 飽食-饑餓期.從整體趨勢(shì)上看，適當(dāng)飽食饑餓期可降低細(xì)胞親水性，促進(jìn)EPS的分泌，從而有利于好氧顆?；?

3) 水力剪切作用.AGS的形成需要一定強(qiáng)度的剪切力，一定程度上剪切力的增強(qiáng)會(huì)提高微生物濃度和顆粒沉降性能，同時(shí)選擇出微生物活性較強(qiáng)的菌群，產(chǎn)生多糖類物質(zhì)，構(gòu)建顆粒骨架，促進(jìn)AGS的形成.

4) 沉淀時(shí)間作用.沉淀時(shí)間不同所選擇出來(lái)的絮體顆粒大小不一樣.較短的沉淀時(shí)間可以將輕質(zhì)絮體排出，留下沉淀性良好的絮體，從而快速培養(yǎng)出好氧顆粒.

總體來(lái)說(shuō)，AGS的形成過(guò)程如圖3所示，污廢水處理過(guò)程如圖4所示.

圖3 AGS的形成

圖4 污廢水處理過(guò)程

3 連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)AGS的反應(yīng)器

與傳統(tǒng)的SBR反應(yīng)器培養(yǎng)AGS不同，在連續(xù)流反應(yīng)器中沉降過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，即無(wú)法選擇所需的顆粒或絮體大小.則需在反應(yīng)器內(nèi)增加泥水分離裝置進(jìn)行污泥的選擇，然后不斷地篩選得到所需顆粒污泥.根據(jù)分離機(jī)制的不同，可以分為重力沉降、三相分離和過(guò)濾分離3種，也是現(xiàn)在設(shè)計(jì)反應(yīng)器考慮的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題.

3.1 重力沉降型反應(yīng)器

重力沉降分離是在反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置專門的沉降區(qū)域，依靠AGS不同的沉降性能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的泥水良好分離.但對(duì)表面水力負(fù)荷的選擇難以實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒污泥的篩分與系統(tǒng)穩(wěn)定同時(shí)有效[8]. Tao等[9]采用雙沉區(qū)以較低有機(jī)物濃度的工業(yè)園區(qū)綜合污水作為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，150 d顆粒平均粒徑為(105±3.2) μm，并對(duì)比了2個(gè)沉淀池的顆粒大小、特性及微生物種群結(jié)構(gòu)等，取得了不錯(cuò)的污水處理效果，如圖5(a)所示.

3.2 UASB型反應(yīng)器

UASB是在反應(yīng)器上部加了三相分離器，如圖5(b)所示.通過(guò)嚴(yán)格的控制條件，使得泥水進(jìn)行分離，從而選擇出沉降性較好的污泥.其特點(diǎn)在于有較大的高徑比和氣液產(chǎn)生的內(nèi)回流，有較好的選擇壓(見(jiàn)表2).

表2 升流式反應(yīng)器中好氧顆粒污泥培養(yǎng)

3.3 外加型反應(yīng)器

1) 過(guò)濾分離型反應(yīng)器是利用粒徑的限制對(duì)顆粒污泥進(jìn)行選擇，使得粒徑大小合適的AGS保留在反應(yīng)器內(nèi).目前基本是在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)AGS，難以與實(shí)際工程相結(jié)合改造，這就需要在傳統(tǒng)的污水處理工藝上加篩網(wǎng)或者旋流器進(jìn)行顆粒的篩選.美國(guó)James River污水處理廠在采用外加水力旋流器之后，污泥沉降性能得到了明顯的改善，產(chǎn)生了明顯的顆粒污泥現(xiàn)象.

2) 膜組件型反應(yīng)器是利用膜組件代替泥水分離器進(jìn)行泥水分離，通過(guò)在反應(yīng)器中加入膜組件給微生物提供了生長(zhǎng)附著條件，并在適宜水力等條件下既可以形成AGS又可以減少膜污染.代陳程[15]在膜生物反應(yīng)器中引入一定量的懸浮填料構(gòu)建一體化的移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器并在連續(xù)流模式下直接培養(yǎng)AGS.反應(yīng)器在運(yùn)行的第28天觀察到AGS逐漸地光滑，結(jié)構(gòu)也緊湊，對(duì)COD的去除效果穩(wěn)定在為93.2%左右，同時(shí)對(duì)TN有良好的去除效率，達(dá)到85%.

3) Liu等[16]開(kāi)發(fā)了一種新型的連續(xù)流生物反應(yīng)器——AGS自形成動(dòng)態(tài)膜( CGSFDMBR )，將分離器與膜組件結(jié)合在一起，如圖5(c)所示.用于高效廢水處理，在連續(xù)流運(yùn)行條件下，成功培養(yǎng)出粒徑約0.1 ～ 1.0 mm、沉降速度約15 ～ 25m / h的AGS.為維持AGS的穩(wěn)定性，實(shí)施了基于顆粒污泥和絮狀污泥沉降速度和顆粒粒徑差異的策略，加了1個(gè)外部選擇器.

(a) 雙沉區(qū)連續(xù)流反應(yīng)器

(c) 串聯(lián)式連續(xù)流 AGS 反應(yīng)器圖5 連續(xù)流反應(yīng)器類型

上述反應(yīng)器的研究很多還停留在試驗(yàn)階段，難于與實(shí)踐結(jié)合，存在著許多不足：(1)由于反應(yīng)器設(shè)計(jì)機(jī)制的不同，反應(yīng)器構(gòu)型千差萬(wàn)別，很難有一定的規(guī)范去參考，缺乏系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐不利于推廣和應(yīng)用；(2)反應(yīng)器有效容積偏小，對(duì)反應(yīng)器的流態(tài)研究也少，而流態(tài)會(huì)影響傳質(zhì)甚至顆粒的形成，對(duì)實(shí)際工程影響重大.因此，需要在原工程基礎(chǔ)上進(jìn)行突破，利用現(xiàn)代技術(shù)去研究影響連續(xù)流培養(yǎng)中的各種影響因素.

4 AGS快速啟動(dòng)和穩(wěn)定性分析

好氧污泥造粒速度慢、穩(wěn)定性差制約了AGS的推廣應(yīng)用，因此結(jié)合前人研究對(duì)AGS的快速啟動(dòng)和穩(wěn)定性進(jìn)行概述.

4.1 快速啟動(dòng)

厭氧顆粒污泥反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，一直是工程應(yīng)用中一大缺陷.相比之下，AGS的培養(yǎng)時(shí)間相對(duì)較短，但用模擬廢水作為進(jìn)水基質(zhì)時(shí)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出AGS[17]，若用實(shí)際廢水為底物，該過(guò)程的耗時(shí)則往往更長(zhǎng)[18-19].隨著研究的深入，在接種污泥或者加入誘導(dǎo)核等情況下，AGS的快速啟動(dòng)取得顯著效果，有以下幾種：進(jìn)水水質(zhì)中無(wú)機(jī)物占比較大或金屬陽(yáng)離子濃度(鈣鎂陽(yáng)離子)較大[20]；投加絮凝劑或載體等作為誘導(dǎo)核(活性炭、PAM、PAC)，從而加速好氧顆?；倪M(jìn)程[21-22]；用接種污泥來(lái)促進(jìn)好氧污泥顆?；?厭氧顆粒、成熟AGS等)，大大縮短了AGS形成時(shí)間[23-24].除此之外，影響AGS快速培養(yǎng)的還有方法和標(biāo)準(zhǔn)：培養(yǎng)起點(diǎn)的不同(如接種污泥特性、處理水質(zhì)等)，使得研究不具可比性，難以利用在其他試驗(yàn)上；對(duì)AGS培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)不同，一般都認(rèn)為直徑為0.3 mm的污泥即AGS；快速顆?；男纬蓹C(jī)制尚不明確，沒(méi)有統(tǒng)一的方向去快速顆?；?

4.2 穩(wěn)定性

通過(guò)前人對(duì)AGS培養(yǎng)與研究，可以發(fā)現(xiàn)AGS的穩(wěn)定性和菌群(絲狀菌、分泌EPS的菌群等)的關(guān)聯(lián)非常大，優(yōu)勢(shì)菌群及其豐度不僅影響其成粒，還決定其在運(yùn)行下能否維持穩(wěn)定性.對(duì)于穩(wěn)定性的影響因素大概可分如下幾類：

1) 選擇壓會(huì)使AGS中微生物的多樣性和豐度下降，但選擇出了利于AGS穩(wěn)定的微生物.

2) EPS主要包括PN、PS，PN可提高了顆粒的穩(wěn)定性，PS 可增加顆粒污泥的強(qiáng)度，EPS分泌的增加，可以提高AGS的穩(wěn)定性.

3) DO會(huì)影響微生物的代謝，在低DO條件下絲狀菌的大量繁殖，且傳質(zhì)受阻，內(nèi)部細(xì)菌出現(xiàn)死亡，最終會(huì)導(dǎo)致AGS內(nèi)部發(fā)生解體.

4) 影響AGS穩(wěn)定運(yùn)行的其他因素[25-29]還有許多，還需不斷地探索.

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，AGS的培養(yǎng)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其形成機(jī)理與好氧顆粒長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是限制連續(xù)流下AGS形成的瓶頸所在.這就要求對(duì)顆粒形成整體有一個(gè)系統(tǒng)化的認(rèn)識(shí)，從而形成一套完美的在連續(xù)流下培養(yǎng)好氧顆粒的參考標(biāo)準(zhǔn).未來(lái)可以通過(guò)結(jié)合科學(xué)技術(shù)，用現(xiàn)代分子生物技術(shù)來(lái)分析菌群的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)；用AGS的多尺度模型來(lái)描述微生物代謝的動(dòng)力學(xué)特性，推測(cè)底物轉(zhuǎn)移過(guò)程，間接地去揭示形成機(jī)制；通過(guò)CFD解析反應(yīng)器的水流流態(tài)、傳質(zhì)作用來(lái)提高AGS的穩(wěn)定性.同時(shí)考慮與工程的實(shí)際參數(shù)結(jié)合，如改造的便捷性、以實(shí)際污泥為接種源、進(jìn)水水質(zhì)等，從而實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定，使AGS技術(shù)越來(lái)越成熟.