好氧顆粒污泥長期穩(wěn)定運行研究進(jìn)展

郭之晗，徐云翔，李天皓，黃子川，劉文如，2，3，沈耀良，2，3

（1 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2 江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點實驗室，江蘇蘇州 215009；3 江蘇高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009）

在污水處理領(lǐng)域中，活性污泥法是最為成熟且應(yīng)用廣泛的技術(shù)之一，顆粒污泥是由微生物自凝聚作用而形成的具有特殊形式的活性污泥。與傳統(tǒng)的絮狀污泥相比，好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge,AGS）具有結(jié)構(gòu)密實穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、沉降性能好、微生物種群豐富、特殊分層結(jié)構(gòu)等特點，因而有著泥水分離效果好、可處理高濃度毒害廢水及同步脫氮除磷等優(yōu)勢。這也使得AGS工藝成為廢水處理的一種新途徑，有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對AGS 的結(jié)構(gòu)特性、理化性質(zhì)、影響因素、成型條件、微生物類型及對各類廢水的處理效果展開了大量研究，為好氧顆粒污泥的工程化應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。然而有工程報道表明，AGS反應(yīng)器啟動時間長且始終存在一定的絮狀污泥，證明了AGS在工程應(yīng)用方面不容樂觀。其中顆粒培養(yǎng)成型時間長、長期運行顆粒易失穩(wěn)也成為了限制其應(yīng)用的瓶頸。因此，如何促進(jìn)好氧顆粒污泥快速成型，并在實際運行中維持其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)顆粒解體等問題成為了目前研究的熱點及該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

縱觀以往關(guān)于AGS 的綜述，內(nèi)容多集中于顆粒形成機(jī)制、影響因素、各類型廢水處理中的應(yīng)用等方面，關(guān)于維持顆粒穩(wěn)定運行的方法鮮有涉及。因此，本文針對性地分析了影響AGS 穩(wěn)定性的因素，列舉了強(qiáng)化顆粒污泥穩(wěn)定化應(yīng)用的方法，并提出了AGS工藝今后發(fā)展的方向與研究重點。

1 好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響因素

1.1 反應(yīng)器運行方式

1.1.1 反應(yīng)器類型與構(gòu)造

目前關(guān)于好氧顆粒污泥技術(shù)的研究多數(shù)是基于間歇式反應(yīng)器展開的，這是由于連續(xù)流工藝會造成系統(tǒng)中底物濃度梯度的降低，不利于AGS 的穩(wěn)定維持，甚至導(dǎo)致顆粒污泥的解體破碎，張瑞環(huán)等的研究亦表明，絲狀菌的滋生導(dǎo)致顆粒污泥的穩(wěn)定性降低是連續(xù)流中AGS培養(yǎng)應(yīng)用的限制因素。相較而言，序批式反應(yīng)器（SBR）的曝氣作用與短沉降時間能加速顆粒的成型，同時顆粒在摩擦力的作用下也更密實。另一方面，SBR的間歇運行方式所形成的飽食/饑餓狀態(tài)能抑制絲狀菌的生長，沉降性能好的菌膠團(tuán)則處于優(yōu)勢生長，從而提高顆粒污泥的穩(wěn)定性。

針對SBR 而言，反應(yīng)器的高徑比、運行周期等因素也會對顆粒的穩(wěn)定性造成影響。通常認(rèn)為較高的SBR高徑比（/）能夠促進(jìn)顆粒的形成，加快培養(yǎng)速度。張遠(yuǎn)等研究了低/情況下好氧污泥顆?；捌浞€(wěn)定性的影響機(jī)制。結(jié)果表明在低/條件下，適當(dāng)提高/能產(chǎn)生高的基質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，有利于顆粒結(jié)構(gòu)的維持和微生物代謝。SBR不同的運行周期會形成不同的饑餓期，從而對顆粒污泥的性質(zhì)造成影響。Liu等在研究中發(fā)現(xiàn)，短運行周期（1.5h）下培養(yǎng)的顆粒污泥在運行一段時間后解體，而在運行周期相對較長（4h 和8h）的反應(yīng)器中，長期運行下AGS 仍能保持較好的穩(wěn)定性；Wang 等在研究中發(fā)現(xiàn)，循環(huán)時間3h 條件下運行的顆粒粒徑較大、顆粒飽滿、強(qiáng)度高，而在循環(huán)時間12h下的顆粒粒徑小、強(qiáng)度低。另一方面，王海彪等則發(fā)現(xiàn)過長的運行周期（12h）下顆粒污泥沉降性能惡化，絮狀污泥明顯增加，長期運行解體嚴(yán)重，而在相對較短的運行周期（3～6h）下的污泥卻能始終保持較低的SVI 值、較高的粒徑及密度。Liu 等在另一項研究中，設(shè)置了1.5h、4h、8h 三組不同的循環(huán)時間，長期運行中觀察到，短循環(huán)周期（1.5h）下的顆粒粒徑最大，但顆粒沉降性能反而不佳，長循環(huán)周期（8h）下由于曝氣時間過長，顆粒污泥濃度最低，同時顆粒結(jié)構(gòu)松散，而循環(huán)時間為4h下的污泥指數(shù)（SVI）值低，沉降性能最好，同時顆粒結(jié)構(gòu)也較為緊致。因此，綜上所述，過長和過短的循環(huán)周期均不利于顆粒污泥的穩(wěn)定運行，綜合而言4～6h 為最佳運行周期，此時顆粒污泥具有良好的沉淀性能、較高的污染物降解速率，同時能保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

1.1.2 水流剪切力

水流剪切力是好氧顆粒污泥形成的關(guān)鍵性因素，其對好氧顆粒結(jié)構(gòu)、胞外聚合物（EPS）產(chǎn)生、細(xì)胞代謝、顆粒的快速形成具有促進(jìn)作用。一般認(rèn)為，高水流剪切有利于帶動絲狀菌緊密纏繞，形成結(jié)構(gòu)密實、抗負(fù)荷能力強(qiáng)的顆粒污泥，進(jìn)而提高顆粒的穩(wěn)定性。Tay等的研究表明，剪切力對表觀氣速有重要影響，只有當(dāng)表觀氣速大于1.2cm/s時方可形成顆粒污泥。同時，高剪切力能促進(jìn)多糖的產(chǎn)生，提高AGS的疏水性，使得顆粒污泥結(jié)構(gòu)更加致密。產(chǎn)生的多糖可以增強(qiáng)好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)，對好氧顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著重要作用。Chen等的研究亦表明，在低剪切力（0.8cm/s 與1.6cm/s）條件下運行，顆粒形狀逐漸變得不規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散；而在高剪切力（2.4cm/s 與3.2cm/s）條件下培養(yǎng)的好氧顆粒形態(tài)穩(wěn)定，外觀清晰，結(jié)構(gòu)致密而緊湊，經(jīng)過120天的運行仍然保持良好的性能。

王超等發(fā)現(xiàn)，AGS的尺寸會隨著剪切力的增加而增大，在一定范圍內(nèi)，水流剪切力的增加對好氧顆粒污泥中微生物的活性具有促進(jìn)作用。這是由于較高的剪切力能提高好氧顆粒污泥微生物的比耗氧速率（SOUR），有利于分泌更多的EPS，提高污泥的快速吸附能力并建立完善的自我調(diào)節(jié)與保護(hù)機(jī)制，進(jìn)而提高顆粒的穩(wěn)定性。

1.1.3 有機(jī)負(fù)荷

進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷（OLR）影響AGS中微生物活性及種群類別，從而對顆粒污泥的形成與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到重要作用。早前已有研究表明，在有機(jī)負(fù)荷小于2.0kg/(m?d)時，無法成功培養(yǎng)好氧顆粒污泥，同時過高或過低的有機(jī)負(fù)荷均會對AGS 的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

在Peyong 等的研究中，成熟的AGS 在低有機(jī)負(fù)荷[0.6kg/(m?d)]下運行兩個月后，穩(wěn)定性惡化并逐漸解體。Zhang 等研究了AGS 在低OLR[0.58kg/(m?d)]下運行時的變化：顆粒結(jié)構(gòu)松散、多孔，當(dāng)顆粒直徑增加到1mm時開始變得不穩(wěn)定，沉降性能也隨之下降，同時AGS 中EPS 含量下降，降低了顆粒結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。Rusanowska等的研究表明，一定范圍內(nèi)相對較低的有機(jī)負(fù)荷能使顆粒中EPS 含量增加，但更低的OLR 將會導(dǎo)致顆粒解體破碎。這些現(xiàn)象可能是由于低OLR 下有機(jī)化合物的消耗時間較短，因此微生物的饑餓時間更長。研究還發(fā)現(xiàn)，在低OLR 條件下，粒徑較小的顆粒EPS含量和成分更穩(wěn)定。

對于高負(fù)荷的情況，Liu 等在12kg/(m?d)的條件下能快速培養(yǎng)AGS，然而兩周后顆粒污泥逐漸膨脹并解體，當(dāng)OLR 降至6kg/(m?d)后，AGS 逐漸恢復(fù)穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)。Zheng 等的研究發(fā)現(xiàn)，在高負(fù)荷條件下[6kg/(m?d)]，以細(xì)菌為主導(dǎo)的好氧顆粒在運行過程中逐漸變得不穩(wěn)定并轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叽绲慕z狀顆粒，顆粒內(nèi)部出現(xiàn)傳質(zhì)限制，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部出現(xiàn)厭氧菌。這使得顆粒變得不穩(wěn)定并逐漸崩解。目前所提出的關(guān)于高OLR 下的顆粒解體的原因主要包括：絲狀微生物的過度生長、厭氧顆粒核心處的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)水解、細(xì)胞分泌蛋白質(zhì)減少。顆粒EPS結(jié)構(gòu)變?nèi)鯇?dǎo)致微生物自動聚集能力的喪失。

1.1.4 飽食-饑餓期

目前，絕大多數(shù)好氧顆粒污泥的培養(yǎng)是在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行的，而SBR 獨特的間歇式運行特點使得反應(yīng)過程分為底物豐富與匱乏兩個階段，即飽食期與饑餓期。間歇進(jìn)料可以促進(jìn)形成光滑、結(jié)構(gòu)緊密的顆粒污泥，近年來研究者們針對飽食-饑餓期對AGS穩(wěn)定性的影響總結(jié)如表1所示。

表1 飽食-饑餓期對AGS穩(wěn)定性影響及分析

綜上所述，運行過程中合理的饑餓時間對顆粒的穩(wěn)定性具有重要作用，相對而言饑餓期較長更利于顆粒的長期穩(wěn)定運行，根據(jù)經(jīng)驗，飽食/饑餓期為1/2～1/4時，AGS 的結(jié)構(gòu)最為緊密，EPS 含量高、不易解體，穩(wěn)定性最好。由于短期饑餓能加速顆粒的成型，因此可以在運行初期采用較短的饑餓期以促進(jìn)顆粒的形成，之后延長饑餓期以提高顆粒的穩(wěn)定性。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

1.2.1 底物類型

進(jìn)水碳源種類會對系統(tǒng)中微生物以及顆粒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到AGS運行中的穩(wěn)定性。有研究表明，以蔗糖、葡萄糖為碳源培養(yǎng)的顆粒結(jié)構(gòu)松散、表面蓬松，這是由于葡萄糖容易降解且富含能量，會加速絲狀菌的生長繁殖，促使顆粒粒徑增長，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散。相比葡萄糖，乙酸鹽培養(yǎng)的AGS結(jié)構(gòu)緊密而穩(wěn)定；單獨的乙酸鈉培養(yǎng)出的AGS顆?；潭炔?，顆粒周圍有大量絮狀污泥使AGS 呈絮團(tuán)狀；而當(dāng)蔗糖與乙酸鈉混合作為碳源時，形成的AGS 表面光滑，無絲狀菌，顆粒化程度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。這是由于底物組成復(fù)雜時，其被降解所需的微生物種類更多，故可產(chǎn)生具有分層、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的顆粒污泥。

1.2.2 C/N比

碳源是微生物生長、繁殖必須的物質(zhì)，氮源則是合成微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的主要原料。同時，由于自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物營養(yǎng)類型的不同，不同C/N比下培養(yǎng)的顆粒污泥生物多樣性、微生物群落分布和形態(tài)結(jié)構(gòu)會有明顯差異。一般研究認(rèn)為，較高C/N比下運行的AGS工藝啟動時間短，但形成的顆粒污泥形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)松散同時大量絲狀菌纏繞，易出現(xiàn)顆粒解體現(xiàn)象；而在相對低的C/N比運行條件下，形成的顆粒粒徑小，但結(jié)構(gòu)致密，同時在高氨氮水平下可長期穩(wěn)定運行。但亦有研究認(rèn)為，在過低的C/N 比下，微生物群落豐富度降低，EPS含量下降，對AGS的物理強(qiáng)度、沉降性能等產(chǎn)生負(fù)面影響甚至造成顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生解體。近年來關(guān)于C/N比對AGS穩(wěn)定性影響的研究總結(jié)如表2所示。

表2 C/N比對AGS穩(wěn)定性影響及分析

總結(jié)研究，為了保持AGS 較好的去除效果和良好的穩(wěn)定性，將C/N 比控制在5～10 之間最為適宜。

1.2.3 F/M比

在相同的有機(jī)負(fù)荷下，AGS的穩(wěn)定性不同可能是由于系統(tǒng)中生物量的差異造成的。事實上，進(jìn)水食料與微生物量的比例（F/M比）是影響微生物生長和污染物去除的重要因素之一。Wu 等的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)F/M 比控制在0.4～0.5g COD/（gVSS·d）時，AGS沉降性好、污染物去除效率高，微生物多樣性豐富同時穩(wěn)定性最強(qiáng)。相同的結(jié)論在Kang等的研究亦有證明，當(dāng)F/M 比由0.4g COD/（gVSS·d）降至0.2g COD/gVSS·d 時，出現(xiàn)顆粒解體的現(xiàn)象，而當(dāng)重新調(diào)整至0.4 后，系統(tǒng)中重新形成了顆粒。在一項利用AGS 處理高濃度有機(jī)廢水的實驗中，研究者認(rèn)為，F(xiàn)/M 比對成熟顆粒的穩(wěn)定性起著決定性作用。當(dāng)F/M 比在0.5～1.4g COD/（gVSS·d）之間時，顆粒沉降性能良好且穩(wěn)定，而當(dāng)F/M比增加到2.2g COD/（gVSS·d）以上時，會導(dǎo)致顆粒蓬松、膨脹并逐漸解體。

因此，一定條件下相對較低的F/M比有利于提高AGS的穩(wěn)定性，但存在著閾值，過低的F/M比將不利于AGS 的穩(wěn)定。一般情況下F/M 比在0.4～1.0g COD/（gVSS·d）時最為適宜。

1.3 污泥的理化性質(zhì)

1.3.1 顆粒粒徑

好氧顆粒污泥的表面存在著各種活性細(xì)菌，絲狀微生物貫穿內(nèi)部，而核心則是由EPS 組成。因此，AGS的尺寸與結(jié)構(gòu)會對基質(zhì)的傳質(zhì)產(chǎn)生影響進(jìn)而影響顆粒的穩(wěn)定性。在顆粒污泥中，絲狀微生物相對于其他物種由于具有較高的表面積，能夠在底物缺乏、溶解氧（DO）稀少的環(huán)境中更具生存競爭力從而能更好地生存。因此，當(dāng)AGS 粒徑過大時將導(dǎo)致內(nèi)部基質(zhì)及溶解氧傳質(zhì)受阻，絲狀菌大量生長，污泥變得膨脹甚至解體，嚴(yán)重?fù)p害顆粒的穩(wěn)定性。因此將顆粒粒徑控制在適當(dāng)范圍內(nèi)至關(guān)重要，目前的研究認(rèn)為1～3mm 是SBR 反應(yīng)器中最佳的粒徑范圍，Long 等也在最新的研究中指出，2～3mm 是AGS 最適宜的粒徑范圍，在此區(qū)間內(nèi)，粒徑增長最慢，更容易保持穩(wěn)定。然而，在實際應(yīng)用中顆粒最佳粒徑的選擇仍要綜合考慮反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、操作條件以及處理廢水的成分。

1.3.2 胞外聚合物組成

胞外聚合物（EPS）是分布于細(xì)胞表面的高分子物質(zhì)，主要由蛋白質(zhì)（PN）、多糖（PS）、核酸等成分組成（圖1為顆粒表面CLSM圖），按存在形式可分為溶解態(tài)SB-EPS 與結(jié)合態(tài)EPS（包括松散結(jié)合態(tài)LB-EPS 與緊密結(jié)合態(tài)TB-EPS），如圖2所示，在維持顆粒污泥空間結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性方面有著重要的作用。然而，關(guān)于EPS中各組分的構(gòu)成對顆粒穩(wěn)定性的影響眾說紛紜，目前仍無明確定論。多數(shù)研究認(rèn)為PN 在顆粒長期穩(wěn)定運行中發(fā)揮著主要作用。Zhao 等的研究發(fā)現(xiàn)，具有較高PN/PS 比的顆粒能夠分泌更多的胞外蛋白，PN 能作為保護(hù)劑維持顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高AGS 的穩(wěn)定性；王玉瑩等的研究認(rèn)為，AGS 的形成過程中，會分泌大量的PN 來調(diào)控其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以適應(yīng)水質(zhì)的波動，同時PN/PS比越大越有利于AGS的穩(wěn)定；Zhu 等在研究中發(fā)現(xiàn)，顆粒的最小沉降速度、疏水性、表面電荷均隨PN 含量的增加而增大，結(jié)果表明EPS 尤其是PN 組分對AGS 的形成和穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。與此同時，有些學(xué)者認(rèn)為PS比PN 對顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響更顯著。Martinez等認(rèn)為，高PN/PS 比的顆粒沉降性能較差，而較低的PN/PS比則有利于改善細(xì)胞表面的疏水性，使得AGS 趨于穩(wěn)定。需要指出的是，EPS 的含量并非越高越好。Corsino 等在其最新研究提出，在短周期內(nèi)EPS 富集較快，過高的EPS 會導(dǎo)致顆?？紫兜亩氯?，從長遠(yuǎn)考慮將會導(dǎo)致顆粒的破壞與解體。

圖1 顆粒污泥表面CLSM圖[46]

圖2 EPS結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 微生物角度

1.4.1 微生物生長速率

顆粒的穩(wěn)定性與微生物的生長速率有一定的關(guān)聯(lián)。通常，生長緩慢的微生物被證明對生物膜的密度和穩(wěn)定性有著積極的影響。這是由于這些微生物可以在飽食階段快速儲存基質(zhì)并在饑餓階段通過相對緩慢的生長過程來參與競爭。相對而言，生長速率較快的微生物在一定的條件下快速降解進(jìn)水基質(zhì)，容易造成絲狀菌的大量生長，不利于AGS 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Liu 等發(fā)現(xiàn)，在高N/COD 條件下，生長速率較低的好氧顆粒在相對密度、污泥容積指數(shù)和細(xì)胞疏水性方面均表現(xiàn)出更好的性能。同時研究證明，通過選擇富集生長緩慢的硝化菌可以顯著提高AGS的穩(wěn)定性。

1.4.2 微生物菌落結(jié)構(gòu)

在好氧顆粒污泥中，不同的菌群相互競爭和協(xié)作形成共生的關(guān)系，這種復(fù)雜的關(guān)系對提高AGS結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定有一定幫助。侯愛月等利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳技術(shù)（PCR-DGGE）觀測到隨著顆粒的形成，微生物的豐度及多樣性不斷增加，同時，不利于顆粒穩(wěn)定性的微生物逐漸被淘汰。另外，微生物的種類也對顆粒的密實度和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。劉鳳閣等通過對顆粒污泥內(nèi)的真菌進(jìn)行分離鑒定，發(fā)現(xiàn)AGS 內(nèi)各種真菌的協(xié)同作用可以有效消除在顆粒內(nèi)積累的細(xì)菌代謝產(chǎn)物，改善顆粒內(nèi)微生物的生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而增強(qiáng)AGS的穩(wěn)定性。李志華等研究了自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌顆粒污泥的特性，研究發(fā)現(xiàn)，自養(yǎng)菌顆粒污泥的密實度隨粒徑增大而增加，顆粒趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)中EPS與孔隙率能夠達(dá)到動態(tài)平衡是其長期維持穩(wěn)定的主要原因。此外，同一種微生物在不同情況下帶來的影響也不相同。以常見的絲狀菌為例，少量生長的絲狀菌可作為顆粒骨架，增強(qiáng)AGS 的強(qiáng)度并維持穩(wěn)定，但過度生長的絲狀菌反而會破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致顆粒松散并解體。

1.4.3 微生物群感效應(yīng)

由信號分子作為介導(dǎo)，存在于微生物之間的通信交流機(jī)制稱為群感效應(yīng)（quorum sensing,QS）。微生物感知環(huán)境中信號分子的濃度，進(jìn)行胞內(nèi)或胞外的信息交流，根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)控特定基因的表達(dá)，進(jìn)而實現(xiàn)群體行為的調(diào)控。信號分子作為群感效應(yīng)的信息傳遞者，其種類與濃度在微生物行為調(diào)控中起著重要作用。好氧顆粒污泥中常見的信號分子大致可以分為三類：-?；呓z氨酸內(nèi)酯類化合物（AHLs）、自體誘導(dǎo)肽（AIPs）和種間信號分子自體誘導(dǎo)分子（AI-2）。因為革蘭氏陰性菌在微生物中往往為優(yōu)勢微生物，因此群感效應(yīng)的實現(xiàn)途徑主要是由以AHLs為代表的革蘭氏陰性菌信號分子調(diào)控，目前關(guān)于AGS 方面的研究多數(shù)也是基于AHLs展開的。

已有大量的研究表明群感效應(yīng)參與調(diào)節(jié)污泥的各項生理功能，包括細(xì)胞分化、生物膜的形成和胞外聚合物的合成。群體感應(yīng)調(diào)控底物的分解轉(zhuǎn)化，促進(jìn)EPS 分泌，進(jìn)而提升顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。張智明通過投加C8-HSL、3OHC8-HSL 等AHLs，顯著提升了底物的降解速率及EPS 產(chǎn)率，其中顆粒污泥的PN 增幅更為顯著，表明AHLs 強(qiáng)化EPS的生成，促進(jìn)顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Li等進(jìn)行對比實驗發(fā)現(xiàn)，投加了AHLs的顆粒污泥比未投加AHLs 的顆粒污泥中胞外聚合物的含量更高，PN 含量的提升尤為明顯。宋志偉等通過分別投加C10-HSL、C12-HSL 和C14-HSL 三種信號分子進(jìn)行對比研究，三種信號分子的投加均有助于AGS性能的改善（對比于空白組），顯著提升了系統(tǒng)EPS 的生成，有利于維持顆粒形態(tài)的完整，而TB-EPS 則是維持其穩(wěn)定性的重要因素。研究還發(fā)現(xiàn)，投加C12-HSL 的AGS 具有較大的粒徑，同時能保持優(yōu)異的沉降性能和較高的污染物降解效果。另一方面，AI-2 也有著相同的作用，Liu 等通過延長SBR 饑餓期，有效促進(jìn)了AI-2 分泌，進(jìn)而調(diào)控EPS 的大量分泌，強(qiáng)化了AGS 的顆?；?。Sun等通過交變有機(jī)負(fù)荷法，促進(jìn)了AGS 系統(tǒng)中AI-2含量大幅增加，強(qiáng)化了大分子EPS的產(chǎn)生。結(jié)合

1.3.2 節(jié)的內(nèi)容，EPS 的增加，尤其是高含量的PN可以增加顆粒表面的疏水性，有利于功能微生物在顆粒表面的附著，進(jìn)而提高顆粒的穩(wěn)定性。

由于能量的代謝與微生物的活動息息相關(guān)，因此，部分學(xué)者嘗試從ATP 代謝的角度探究QS 對好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響。Zhang等的研究發(fā)現(xiàn)，在AGS結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)的過程中，ATP的含量會隨著AHLs 濃度降低而降低。同時當(dāng)EPS 合成受阻時，QS 則通過增強(qiáng)ATP 的合成來提升顆粒穩(wěn)定性。張智明發(fā)現(xiàn)，投加AHLs 的系統(tǒng)中污泥的ATP 含量是空白對照組的10 倍。以上研究均表明，系統(tǒng)中AHLs型QS能有效調(diào)控微生物ATP的合成，ATP同時為EPS 的分泌供給能量，間接維持顆粒的穩(wěn)定性。

在進(jìn)一步探究QS 效應(yīng)信號分子對顆粒污泥穩(wěn)定性的影響及作用機(jī)理的過程中，部分學(xué)者嘗試投加干擾物質(zhì)以抑制、減少信號分子的分泌。Lyu等投加香草醛以抑制AGS 系統(tǒng)中AHLs 的產(chǎn)生，過程中顆粒污泥的PN 含量明顯降低，AGS 逐漸解體。Li 等向成熟的AGS 系統(tǒng)中投加AHLs 降解酶致使AHLs失活，同時微生物附著能力降低，顆粒結(jié)構(gòu)惡化。

綜上所述，QS 信號分子的濃度對顆粒的形成與穩(wěn)定起著重要的影響，高濃度的信號分子有助于顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此有研究嘗試外源添加信號分子的途徑修復(fù)解體的AGS。胡遠(yuǎn)超向解體的AGS 系統(tǒng)中加入AHLs，經(jīng)修復(fù)后的解體污泥顆粒結(jié)構(gòu)逐漸規(guī)則完整，顆粒密度、疏水性顯著提升。由此，對微生物群感效應(yīng)及信號分子展開深入研究，對好氧顆粒污泥的長期穩(wěn)定運行有著重要意義。

2 提高好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的策略與方法

2.1 調(diào)整曝氣

眾所周知，曝氣是好氧顆?；^程中最重要的操作條件之一。SBR反應(yīng)器獨有的間歇操作模式使得在飽食期和饑餓期內(nèi)微生物生理特性與動力學(xué)特征有所不同，在飽食期碳源的快速降解比在饑餓期需要消耗更多的氧氣，同時饑餓期的溶解氧接近飽和值，饑餓期內(nèi)微生物對氧氣的利用率低。因此，需要在運行的不同階段提供不同的溶解氧與剪切力，以維持顆粒的穩(wěn)定性。Liu 等研究了在饑餓期減少曝氣對好氧顆粒污泥SBR 反應(yīng)器運行性能的影響，研究證明，減少曝氣量后的三個月內(nèi)好氧顆粒污泥仍然能保持穩(wěn)定運行；在之后的進(jìn)一步研究中，Liu 等發(fā)現(xiàn)，饑餓期內(nèi)調(diào)整曝氣，顆粒的沉降性能不受影響，但形態(tài)發(fā)生變化，這表明在饑餓期間，微生物群落會調(diào)整其種群和種類，以適應(yīng)較低的DO濃度和剪切力。通過縮短曝氣能保持顆粒穩(wěn)定運行，同時減少了大量的能源消耗。Zhang等采用了一種在饑餓期階梯降低曝氣的方式提升了顆粒穩(wěn)定性同時降低了能耗，研究中利用PCR及熒光原位雜交技術(shù)（FISH）技術(shù)對微生物分布進(jìn)行了檢測，過程中香農(nóng)多樣性指數(shù)顯著增加，小月菌屬（）、紅細(xì)菌屬（）等微生物占比均明顯提高，而這些微生物普遍存在于性能穩(wěn)定的顆粒污泥中。另一方面，Chen等在內(nèi)循環(huán)膜生物反應(yīng)器（IC-MBR）中研究了短期曝氣對顆粒運行過程的影響。顆粒成熟并長期運行一年后，顆粒粒徑較小，當(dāng)提供短時間曝氣后，反應(yīng)器中的微生物群落發(fā)生了明顯改變，顆粒表面疏水性增加，促進(jìn)了絲狀菌生長，同時顆粒迅速重塑為結(jié)構(gòu)緊湊、邊緣清晰的大顆粒，這有助于AGS 長期穩(wěn)定地運行。

2.2 改變進(jìn)料方式

SBR反應(yīng)器常見的運行模式包括完全的好氧反應(yīng)與先厭氧進(jìn)料隨后進(jìn)行反應(yīng)。不同的進(jìn)料方式會帶來不同的底物擴(kuò)散速率與微生物消耗速率，這將影響生物膜內(nèi)的底物梯度，進(jìn)而決定了生物膜的穩(wěn)定性。目前已有大量的研究表明，厭氧慢進(jìn)料對AGS的穩(wěn)定運行具有一定的幫助。Yuan等對比了厭氧進(jìn)水5min后曝氣（R）與厭氧進(jìn)水60min后曝氣（R）兩種不同方式對AGS穩(wěn)定性的影響，長期運行中發(fā)現(xiàn)，R中顆粒松散不規(guī)則，生物量濃度隨著運行逐漸降低，而R中顆粒飽滿緊湊，同時R中具有更高的群落豐富度與多樣性，這可能是由于厭氧期的延長有利于AGS 中厭氧區(qū)的形成，進(jìn)而形成致密的顆粒結(jié)構(gòu)。結(jié)果證明，延長厭氧期有助于顆粒的穩(wěn)定性。Iorhemen 等在研究中發(fā)現(xiàn)，長期的厭氧緩慢進(jìn)料過程有利于進(jìn)水中碳的吸收，使細(xì)菌在饑餓期內(nèi)能夠利用所儲存的碳，進(jìn)而抑制了異養(yǎng)菌的活性，提升了顆粒的穩(wěn)定性，這與1.4 節(jié)中的觀點一致。與此同時，有學(xué)者提出了不同的看法。在最近的報道中，Carrera等研究對比了完全好氧進(jìn)料（R）與厭氧進(jìn)水后好氧反應(yīng)（R）兩種方式對處理高鹽度廢水的影響，結(jié)果表明，隨著OLR 與鹽度的變化，R中的顆粒幾乎不受影響，而R中的顆粒卻難以適應(yīng)進(jìn)水鹽度的波動變得不穩(wěn)定，另外發(fā)現(xiàn)R對有機(jī)物的去除效果更好，實驗說明了厭氧進(jìn)料的方式雖有助于廢水的處理效果，但對顆粒的穩(wěn)定運行并無幫助，這與先前Thwaites 等的研究結(jié)論相似。因此，實際應(yīng)用中采用何種進(jìn)料方式，需要綜合考慮到處理水類型、底物種類、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響。

2.3 添加載體顆粒

在好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，通過投加載體顆?？梢约铀貯GS 成型的過程，這是由于AGS 中含有的SiO、Fe 等無機(jī)物質(zhì)，可在AGS 形成時為微生物黏附提供晶核，促進(jìn)顆?；^程。根據(jù)X射線熒光分析，在顆粒成型后晶核與EPS 一同增強(qiáng)了AGS的穩(wěn)定性，為應(yīng)用載體顆粒提高好氧顆粒穩(wěn)定性提供理論基礎(chǔ)。常見的投加載體包括粉末活性炭、聚合氯化鋁（PAC）、顆粒活性炭（GAC）、磁性納米顆粒（MNPs）等。魏燕杰等證明，投加粉末活性炭能強(qiáng)化系統(tǒng)水力選擇壓，提升污泥的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)污泥濃度與粒徑大小，避免因傳質(zhì)阻力引起的顆粒內(nèi)部分裂，從而有助于AGS 系統(tǒng)持久維持穩(wěn)定。梁梓軒等對比了PAC、GAC、MBF三種不同的載體對顆粒污泥結(jié)構(gòu)特性的影響，結(jié)果證明，投加PAC 和GAC 的顆粒結(jié)構(gòu)致密，這是由于PAC 強(qiáng)化型顆粒形成了“蛋白外殼-β 多糖內(nèi)核雙層構(gòu)造”，而GAC促進(jìn)顆粒內(nèi)部形成高密度蛋白包裹的顆?；钚蕴?。另外，三組投加載體均可以顯著提升AGS抗水力剪切能力。Li等通過選擇性排泥結(jié)合投加GAC 的方式進(jìn)行快速顆?；?，過程中發(fā)現(xiàn)，GAC 的加入有利于細(xì)菌細(xì)胞的附著生長，同時能產(chǎn)生沉降速度快、泥水分離性能顯著改善的顆粒污泥。在最新的研究中，Liang 等針對GAC 對AGS 的細(xì)胞外聚合物和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)，投加GAC 的好氧顆粒EPS 中的蛋白質(zhì)含量明顯升高，β-多糖維持了顆粒的外層結(jié)構(gòu)，PN 則維持顆粒的內(nèi)層結(jié)構(gòu)。

另一方面，投加載體顆粒還能通過抑制污泥中絲狀細(xì)菌和藻類的生長來提高AGS 的穩(wěn)定性。Li等通過在反應(yīng)器中投加干污泥微粉抑制了膨脹污泥中絲狀菌的生長，微粉運動產(chǎn)生的摩擦力增加迫使向外伸展的絲狀物收縮以形成顆粒。Liang等研究了投加MNPs 對顆粒化過程的影響，實驗證明MNPs能抑制絲狀菌的生長，提高顆粒的致密性，從而改善AGS的性能。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，MNPs 的添加提升了顆粒EPS 中蛋白質(zhì)和多糖的含量，顯著提高了顆粒表面疏水性。另有報道稱，投加載體的另一優(yōu)勢是當(dāng)AGS 老化和解體時，載體能夠使分解的小絮體迅速重新凝聚，從而快速形成新的顆粒。

2.4 選擇生長緩慢的微生物

如1.4 節(jié)所述，生物膜的穩(wěn)定性與微生物的生長速度、微生物結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。生長緩慢的微生物對生物膜的密度和穩(wěn)定性有積極的影響，當(dāng)異養(yǎng)菌生長過快時，生長緩慢的細(xì)菌在競爭中被淘汰，AGS 中功能微生物數(shù)量減少，不僅降低了去除效果，穩(wěn)定性也隨之變差。目前常見的選擇生長緩慢微生物的途徑包括逐步提升進(jìn)水氨氮濃度、采用厭氧進(jìn)料及選擇性排泥。

孫寓姣等利用FISH檢測出AGS呈層狀結(jié)構(gòu)，同時生長緩慢的AOB 主要分布在顆粒表層，NOB多分布在內(nèi)層，可通過逐步提升進(jìn)水氨氮負(fù)荷來選擇富集AOB。Xia 等通過逐步提升進(jìn)水氨氮濃度的方式對AGS 的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，隨著NH-N 濃度的增加，硝化細(xì)菌活性和顆粒粒徑顯著增加并達(dá)到平衡，氨氮、總氮的去除效果優(yōu)越同時顆粒的沉降性能顯著提高。Wang 等在研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度與低濃度的NH-N 均不利于AGS 的穩(wěn)定，前者抑制了硝化菌的活性，后者導(dǎo)致絲狀菌大量生長。但逐步提升NH-N 濃度，卻能篩選富集生長緩慢的細(xì)菌，抑制絲狀菌的生長。

另一方面，De Kreuk等提出了在曝氣階段前延長厭氧緩慢進(jìn)料時間的方式來選擇富集反應(yīng)器中的聚磷菌，將底物以PHB 的形式儲存，有助于微生物在好氧階段利用儲存的碳源緩慢生長，不僅提升了對污染物的去除能力，也增強(qiáng)了AGS 的穩(wěn)定性。Sheng 等的研究發(fā)現(xiàn)，每天按10%的比例從反應(yīng)器中排出疏松的污泥絮體可能為不同的微生物提供不同的生物生態(tài)位。因此，選擇性污泥排放會對密度高、生長緩慢的微生物起到篩選作用。Zhang 等通過采用不同的污泥排放模式，限制顆粒的直徑，排放出成熟的較大顆粒，積累較小顆粒，同時反應(yīng)器好氧、厭氧、缺氧交替運行，選擇富集了生長緩慢的AOB、NOB 等微生物，確保了顆粒污泥的長期穩(wěn)定。

2.5 減小傳質(zhì)阻力

一般認(rèn)為，好氧顆粒污泥呈層狀分布，顆粒中存在著許多孔隙與通道。外部的溶解氧和營養(yǎng)基質(zhì)通過孔隙傳送到顆粒內(nèi)部，同時，微生物將代謝產(chǎn)物輸送到外界。當(dāng)這些孔隙縮小時，顆粒內(nèi)部便會出現(xiàn)傳質(zhì)限制，阻礙了顆粒內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)和DO的利用，生物反應(yīng)受限，同時有毒害的代謝產(chǎn)物積聚，AGS 的活性減弱，其穩(wěn)定性也將隨之降低。研究表明，顆粒的孔隙隨著AGS 粒徑的增大而逐漸縮小，因此大粒徑顆粒通常具有較高的傳質(zhì)阻力。Liu 等發(fā)現(xiàn)，在傳質(zhì)受阻情況下，顆粒的內(nèi)部將形成厭氧層，同時饑餓條件會加劇微生物對底物的競爭。Farooqi 等在中試規(guī)模的SBR 反應(yīng)器中培養(yǎng)出了粒徑達(dá)到2～4mm 的顆粒，隨著粒徑的增加，傳質(zhì)阻力變大，厭氧區(qū)擴(kuò)大，由于缺乏營養(yǎng)物質(zhì)最終顆粒污泥解體。Zhang 等的研究表明，AGS 的粒徑小于1mm 時，更有利于其長期穩(wěn)定運行。

由此可見，通過合理的手段控制顆粒粒徑以減小傳質(zhì)阻力，對于AGS工藝的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。鑒于此，越來越多的研究專注于AGS 生長粒徑的控制，并取得了一定的成效。Iorhemen 等保持污泥齡不變，通過定期排放反應(yīng)器底部老化、成熟的顆粒，使得新舊顆粒良好混合，對系統(tǒng)內(nèi)粒徑的維持有幫助。Zhou 等通過在反應(yīng)器內(nèi)部添加漏斗型篩網(wǎng)，對大顆粒選擇性地施加剪切力以優(yōu)化顆粒尺寸分布，成功限制了大顆粒的過度生長，實現(xiàn)了反應(yīng)器中AGS 的穩(wěn)定運行。Feng 等在反應(yīng)器中采用了一種帶有刺狀物的曝氣裝置，反應(yīng)過程中大顆粒會與尖刺不停地碰撞、摩擦而受到限制，最終成功將系統(tǒng)中的平均粒徑控制在300μm 左右。Long 等通過人工篩分最優(yōu)粒徑的方法，提高了反應(yīng)器中2～3mm 粒徑顆粒的比例，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提升。Cao等在反應(yīng)器中設(shè)置不同孔徑的篩網(wǎng)，對比發(fā)現(xiàn)，設(shè)有2.5mm網(wǎng)孔篩反應(yīng)器中的顆粒大小保持在最佳范圍內(nèi)，顆粒污泥具有最好的沉降性能，同時成熟顆粒的結(jié)構(gòu)緊密，污染物去除效果也最佳。綜上所述，合理地控制AGS的粒徑，限制大顆粒的過度生長，對好氧顆粒污泥的長期穩(wěn)定運行具有一定的幫助。

3 結(jié)語

隨著過去二十余年的發(fā)展，好氧顆粒污泥技術(shù)逐漸發(fā)展成熟并走向?qū)嶋H應(yīng)用，然而長期運行易失穩(wěn)的缺點成為其推廣的阻礙，亟需進(jìn)一步優(yōu)化及改善，在工程應(yīng)用中維持其結(jié)構(gòu)的長久穩(wěn)定，防止出現(xiàn)污泥上浮、沉降性能變差、顆粒解體、處理效果惡化等問題，仍然是好氧顆粒技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用中的關(guān)鍵。從宏觀角度看，反應(yīng)器構(gòu)型、運行方式、進(jìn)水體系是影響其穩(wěn)定性的主要因素，同時也受到顆粒結(jié)構(gòu)、微生物群落等微觀因素的調(diào)控。

就目前而言，AGS技術(shù)仍被重點應(yīng)用于生活污水的處理中，然而工業(yè)廢水成分復(fù)雜，同時含有大量的特定物質(zhì)，需要選擇富集不同類型的生物菌種，成為AGS 技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)。因此，該技術(shù)未來的發(fā)展方向與研究重點應(yīng)包括：①繼續(xù)深入探究AGS的形成機(jī)理，同時對EPS進(jìn)行更好地分離與表征；②利用現(xiàn)代基因組學(xué)工具，進(jìn)一步探究群感效應(yīng)分子與AGS 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，同時探究EPS的產(chǎn)生與某些特定微生物種群的關(guān)聯(lián)；③針對不同的處理對象（如工業(yè)廢水），利用基因工程培養(yǎng)、選擇特定的工程菌種，為處理特定污染物廢水提供理論依據(jù)；④深入了解AGS 中微生物生態(tài)學(xué)與顆粒穩(wěn)定性的詳細(xì)機(jī)制，以推廣AGS 技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。