蘇海佳，王陸璽，鄧爽，代雅潔，王晨旭

（北京化工大學(xué)，北京市生物加工過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

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好氧顆粒污泥技術(shù)及研究進(jìn)展

蘇海佳，王陸璽，鄧爽，代雅潔，王晨旭

（北京化工大學(xué)，北京市生物加工過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

摘要：近年來(lái)，水資源短缺以及水體污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的活性污泥生物水處理技術(shù)由于產(chǎn)生大量剩余污泥，在某種程度上限制和影響了該方法在廢水處理中的應(yīng)用。由微生物自凝聚形成的特殊生物膜——好氧顆粒污泥由于具有污泥顆粒結(jié)構(gòu)緊湊致密、沉降性能好、生物量較高，同時(shí)具備多種微生物功能、剩余污泥量較少等優(yōu)勢(shì)，而備受關(guān)注。本文重點(diǎn)論述了好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)特征、表觀氣速與溶氧水平，有機(jī)負(fù)荷、金屬離子、代謝方式等外部環(huán)境因子對(duì)污泥顆?？焖倥囵B(yǎng)和形成過(guò)程的影響，微生物菌群結(jié)構(gòu)與顆粒形成機(jī)制、以及影響顆粒長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定性缺失的主要原因，提高好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性的常用措施，以提高人們對(duì)好氧顆粒污泥的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)好氧顆粒污泥技術(shù)在廢水領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：好氧顆粒污泥；生物廢水處理技術(shù)；顆粒過(guò)程；穩(wěn)定性；生物技術(shù)

第一作者及聯(lián)系人：蘇海佳（1970—），女，教授，研究方向?yàn)樯镔Y源與生物環(huán)境材料、天然生物材料、生物分離技術(shù)，水污染控制及室內(nèi)空氣污染治理。E-mail suhj@mail.buct.edu.cn。

隨著工業(yè)化的推進(jìn)和人口爆炸，包括水資源短缺、水污染和全球水資源退化在內(nèi)的水環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻。我國(guó)2015年環(huán)境公報(bào)顯示，全國(guó)地表水污染較重。其中，全國(guó)423條主要河流、62座重點(diǎn)湖泊（水庫(kù)）的968個(gè)國(guó)控地表水監(jiān)測(cè)斷面（點(diǎn)位）中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質(zhì)斷面分別占3.4%、30.4%、29.3%、20.9%、6.8%、9.2%，其主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總磷和五日生化需氧量，因此對(duì)于受污染水質(zhì)的凈化處理已經(jīng)刻不容緩。

而近年來(lái)好氧顆粒污泥技術(shù)作為一種新興的污水處理技術(shù)，具有污水處理能力強(qiáng)以及剩余污泥少的特點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注。然而好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)以及穩(wěn)定性仍是制約該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。本文希望通過(guò)深入了解好氧顆粒污泥的形成機(jī)制、影響顆粒污泥快速形成及顆粒穩(wěn)定性丟失的影響因素，推動(dòng)好氧顆粒污泥技術(shù)的基礎(chǔ)性研究以及工業(yè)化應(yīng)用。

1　有機(jī)廢水的常用處理技術(shù)

有機(jī)廢水的處理方法很多，主要有物理法、化學(xué)法和生物法，實(shí)際操作中一般為多種方法的組合使用。常見(jiàn)的物理法有絮凝法、吸附法、萃取法等。物理法速度快、成本低，但是存在處理效果有限、引入二次污染的缺點(diǎn)。化學(xué)法相對(duì)于物理法，在處理能力上有所提升，但是依然存在二次污染的問(wèn)題，且成本較高。生物處理技術(shù)又稱為活性污泥技術(shù)，是利用微生物的代謝將水中的有機(jī)污染物作為微生物的能量來(lái)源，在微生物自身生長(zhǎng)代謝的同時(shí)達(dá)到對(duì)有機(jī)基質(zhì)的降解效果。生物法與物理法、化學(xué)法相比，在成本以及處理效率方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，生物處理技術(shù)已經(jīng)成為污水處理領(lǐng)域的主要技術(shù)[1]。然而傳統(tǒng)的活性污泥技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，主要是微生物一旦形成疏松的以絲狀菌為主的絮體，泥水分離將十分困難，污泥將隨水一起排出，產(chǎn)生大量剩余污泥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)城市每年的剩余污泥產(chǎn)生量達(dá)3000萬(wàn)噸（以含水率80%計(jì)）。傳統(tǒng)的活性污泥法由于存在占地面積大、剩余污泥量多、基建費(fèi)用高等缺點(diǎn)，在某種程度上限制和影響了活性污泥法在廢水處理中的應(yīng)用。

2　好氧顆粒污泥的研究進(jìn)展

近年來(lái)，對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥法的改進(jìn)和創(chuàng)新一直在進(jìn)行，大量新興的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，好氧顆粒污泥技術(shù)就是其中的一種。好氧顆粒污泥是一種由微生物自凝聚形成的特殊生物膜，其形成過(guò)程十分復(fù)雜。自從1991年MISHIMA等[2]首次在一個(gè)連續(xù)氣升式反應(yīng)器中培養(yǎng)得到好氧顆粒污泥。隨后，在20世紀(jì)90年代末期，關(guān)于好氧顆粒污泥的形成和應(yīng)用的案例不斷被報(bào)道[3-4]，但直到2005年國(guó)際水協(xié)會(huì)關(guān)于好氧顆粒污泥的研討會(huì)上，好氧顆粒污泥才被賦予正式的定義：好氧顆粒污泥是一種無(wú)法在較低水力剪切力下凝聚成形，且沉降速率遠(yuǎn)高于絮狀活性污泥的微生物凝聚體[5]。由于好氧顆粒污泥獨(dú)特的屬性優(yōu)勢(shì)，此項(xiàng)技術(shù)在處理高濃度有機(jī)廢水和含有毒物質(zhì)廢水領(lǐng)域[6-7]被廣泛研究。

2.1 好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)

好氧顆粒污泥具有致密的結(jié)構(gòu)與較大的粒徑，由于氧氣傳質(zhì)限制，顆粒污泥呈現(xiàn)外部為好氧區(qū)，內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)的狀況，為好氧、兼性及厭氧微生物提供了各自適宜的生存環(huán)境，由此使得好氧顆粒污泥能夠進(jìn)行各種好氧、厭氧代謝活動(dòng)。好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)示意圖與成熟的好氧顆粒污泥形貌如圖1所示。與傳統(tǒng)活性污泥絮體相比，好氧顆粒污泥具有以下優(yōu)勢(shì)：形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)緊湊致密，沉降性能好，生物量較高，同時(shí)具備多種微生物功能，剩余污泥量較少，對(duì)生物毒素以及有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的耐受能力強(qiáng)等，已成為最有前途的廢水生物處理技術(shù)之一。

2.2 好氧顆粒污泥的快速形成及影響因素

圖1 好氧顆粒污泥的典型多層結(jié)構(gòu)示意圖[8]

好氧顆粒雖然具有傳統(tǒng)活性污泥無(wú)可比擬的氧顆粒污泥的研究主要集中在顆粒的形成以及影響優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)其馴化周期過(guò)長(zhǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差等問(wèn)題嚴(yán)重制約了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。目前對(duì)于好氧顆粒污泥的研究主要集中在顆粒的形成以及影響因素上。研究人員通過(guò)接種好氧絮狀污泥或厭氧顆粒污泥來(lái)培養(yǎng)好氧顆粒污泥，在表現(xiàn)氣速與溶氧水平、有機(jī)負(fù)荷、金屬離子、代謝方式等外部環(huán)境因子對(duì)污泥顆?；^(guò)程的影響方面做了較多的研究。

2.2.1 表觀氣速和溶氧水平

表觀氣速?zèng)Q定水力剪切力的選擇壓力，同時(shí)影響溶氧水平，改變污泥顆粒內(nèi)部厭氧和好氧菌群比例，對(duì)污泥的顆?；^(guò)程有很大影響。魯磊等[9]研究了好氧顆粒污泥在SBR反應(yīng)器中不同溶氧DO濃度以及水利剪切力對(duì)于好氧顆粒污泥的影響。當(dāng)曝氣量為0.3L/min,適宜的水力剪切力和DO質(zhì)量濃度使微生物聚集在一起，形成新的規(guī)則的顆粒污泥；當(dāng)曝氣量繼續(xù)增大至0.4mL/min，過(guò)大的水力剪切力造成污泥的顆粒結(jié)構(gòu)被沖刷破壞，加速了顆粒污泥的解體。JI等[10]研究了低表面氣速下好氧顆粒污泥對(duì)含鹽廢水的降解效果，當(dāng)表面氣速維持在0.0056m/s的水平時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)很快形成了一些淺黃色和黑色的顆粒污泥。其中黑色的顆粒內(nèi)呈現(xiàn)多種無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶與絲狀菌并存的結(jié)構(gòu)，二者的存在提高了顆粒污泥的強(qiáng)度并減少了基質(zhì)的傳質(zhì)阻力。MOSQUER A-CORRAL等[11]研究了溶解氧飽和度分別為40%和100%兩種條件下顆粒污泥的生長(zhǎng)情況。結(jié)果表明，高溶氧條件下形成的顆粒粒徑較大，沉降性能較好。因此，較高的溶解氧濃度和水利剪切力更有利于污泥顆粒的形成。

2.2.2 有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷作為體系的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)污泥生長(zhǎng)狀況和顆粒細(xì)菌群落的變化產(chǎn)生直接的影響。負(fù)荷過(guò)低，微生物生長(zhǎng)緩慢；負(fù)荷過(guò)高，將導(dǎo)致絲狀菌大量生長(zhǎng)，從而阻礙污泥沉降，導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。LI等[12]研究證明了好氧顆粒污泥造粒的過(guò)程中不同的有機(jī)負(fù)荷對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示，有機(jī)負(fù)荷會(huì)直接影響污泥顆粒的形貌結(jié)構(gòu)和菌群結(jié)構(gòu)。在高負(fù)荷率的條件下微生物利用葡萄糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行快速繁殖，形成形態(tài)較大、結(jié)構(gòu)較松散的顆粒；而低負(fù)荷條件下微生物的生長(zhǎng)緩慢且利于變形菌形成球狀體，形成小而致密的顆粒形態(tài)。在整個(gè)造粒的過(guò)程中，污泥顆粒中的微生物菌落在細(xì)菌種類豐富度和優(yōu)勢(shì)菌群方面都經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)變化。底物負(fù)荷率最高的反應(yīng)器的細(xì)菌多樣性指數(shù)最低，而底物負(fù)荷率最低的則具有最高的多樣性指數(shù)。此外LI等[13]發(fā)現(xiàn)有機(jī)負(fù)荷COD濃度為200mg/L時(shí)污泥不能顆粒化，只有當(dāng)加入一定量的活性炭時(shí)好氧顆粒污泥在培養(yǎng)120天后形成。蘇海佳等[14]采用交替調(diào)節(jié)進(jìn)料負(fù)荷的方法，短期內(nèi)快速制備出活性高、負(fù)荷波動(dòng)耐受力強(qiáng)的好氧顆粒污泥。因此在未來(lái)的培養(yǎng)過(guò)程中可以通過(guò)高低有機(jī)負(fù)荷率的交錯(cuò)添加，更有利于菌群多樣性形成，加速污泥顆?；头€(wěn)定性。

2.2.3 金屬離子

金屬離子（如Ca2+、Mg2+等）作為微生物生長(zhǎng)的微量元素，可以促進(jìn)微生物的快速增長(zhǎng)，并增加菌群的多樣性指數(shù)，促進(jìn)好氧污泥的顆?；M(jìn)度。HAO等[15]報(bào)道了不同種類及濃度的金屬離子對(duì)絮狀活性污泥、成熟顆粒污泥的微生物吸附能力以及群體感受力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在絮狀物污泥中加入2mg/L的Cu2+、Fe2+對(duì)污泥顆粒化有明顯的促進(jìn)作用。LIU等[16]研究比較了添加Ca2+與Mg2+對(duì)好氧顆粒污泥形成的影響，結(jié)果表明Ca2+、Mg2+含量均為40mg/L的條件下，含有Ca2+的顆粒污泥形成速度較快且物理性能優(yōu)異；而含Mg2+的顆粒污泥其胞外多聚物含量較高，并且生物相更豐富，對(duì)污水的處理效果也更好。WANG等[17]研究了Cu2+和Ni2+的添加對(duì)于SBR（內(nèi)含預(yù)培養(yǎng)顆粒）運(yùn)行的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cu2+顯著降低了生物量濃度、好氧顆粒內(nèi)的微生物多樣性以及微生物活性，而添加Ni2+對(duì)顆粒的性能造成的影響較小。王亞利等[18]研究聚氯化鋁不同添加時(shí)間對(duì)顆粒物污泥的培養(yǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第8～14天添加聚氯化鋁使顆粒形成時(shí)間提前了6天，且形成的顆粒外形規(guī)則，大小均勻，去除污染物性能良好，胞外多聚物和蛋白質(zhì)含量總體較多，有利于顆粒污泥的形成。這些實(shí)驗(yàn)證明，多價(jià)陽(yáng)離子對(duì)于顆粒的形成、好氧顆粒污泥的物化性能以及處理污水的能力都有影響。

2.2.4 代謝方式

不同的代謝方式同樣會(huì)影響活性污泥顆?；M(jìn)程，常見(jiàn)的有好氧造粒和厭氧/好氧間歇進(jìn)行的造粒方式。PIJUAN等[19]研究了在饑餓期長(zhǎng)期厭氧和交替厭氧/好氧過(guò)程對(duì)于活性好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)的影響，在兩種狀態(tài)下，饑餓期的末段顆粒的形態(tài)都發(fā)生了變化。間歇厭氧/好氧饑餓的條件下，顆粒的密實(shí)度損失得更快也更顯著；該條件下，Ca2+的釋放表明了EPS的退化；在厭氧和間歇厭氧/好氧饑餓期，硝化細(xì)菌的活性分別降低了20%和36%。WAN 等[20]采用厭氧-好氧交替循環(huán)的操作模式，厭氧階段明顯提高了生物群落的密實(shí)度，并且在低曝氣速率條件下形成的顆粒（表觀氣速為0.63cm/s），厭氧/好氧體系相比于更為傳統(tǒng)的好氧反應(yīng)器，得到的顆粒污泥具有較低的體積指數(shù)（SVI30=45 mL/g）和較高混合液懸浮固體濃度（MLSS=9～10g/L）。

2.2.5 接種顆粒污泥的影響

在好氧顆粒污泥系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，破碎顆粒污泥的添加同樣會(huì)影響好氧顆粒污泥系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。PIJUAN等[21]研究向反應(yīng)器中添加部分破碎顆粒污泥以減少好氧顆粒污泥系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明破碎顆粒污泥加入量越多，好氧顆粒污泥系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間越短。特別是當(dāng)添加的破碎顆粒污泥占50%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最短的顆?；瘯r(shí)間18天。所形成的顆粒具有很好的除氮功能，但可能由于亞硝酸鹽的短暫積累會(huì)使聚磷菌受到抑制，磷的去除效果受到一定程度的影響。而LONG等[22]用接種75%活性污泥和25%顆粒污泥的方法同樣達(dá)到了18天的顆粒污泥形成時(shí)間。蘇海佳等[23]的研究進(jìn)一步證明了該結(jié)論，其采用好氧污泥自凝聚固定化培養(yǎng)技術(shù)，通過(guò)一定量破碎顆粒污泥的添加，可將普通活性污泥在一個(gè)月之內(nèi)馴化出顆粒結(jié)構(gòu)致密、粒徑均勻、邊緣清晰、形狀較為規(guī)則的好氧污泥顆粒，大幅縮短了整個(gè)工藝的啟動(dòng)時(shí)間。為了研究破碎顆粒加速顆?；@一現(xiàn)象的機(jī)制，VERAWATY等[24]進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：采用4μm直徑的熒光微球顆粒來(lái)標(biāo)記絮狀污泥和粉碎顆粒的表面，標(biāo)記后的污泥添加到實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的廢水處理廠中，顆粒的形成過(guò)程通過(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）進(jìn)行檢測(cè)（如圖2所示）。結(jié)果觀察到，絮狀污泥附著在接種顆粒的表面以形成較大的顆粒，從而減少污泥的洗出，縮短了顆粒化時(shí)間。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明顆?？梢宰鳛楹诵?，從而為絮狀顆粒提供附著位點(diǎn)，加快顆粒的形成。

2.2.6 其他影響因素

由于污泥顆粒本質(zhì)上是微生物菌群聚集生長(zhǎng)，其影響因素非常多，近些年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)好氧污泥顆粒進(jìn)行了大量的研究，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)[25]、環(huán)境溫度[26]、系統(tǒng)沉降時(shí)間、細(xì)胞疏水性等眾多因素都對(duì)顆?；^(guò)程有著較大影響。

2.3 好氧顆粒污泥的形成機(jī)制

許多學(xué)者研究了其形成機(jī)制，但由于顆?；^(guò)程受到眾多操作參數(shù)的影響，目前學(xué)者對(duì)于好氧顆粒形成機(jī)制存在很多假設(shè)。目前流行的有晶核假說(shuō)、選擇壓驅(qū)動(dòng)假說(shuō)以及自絮凝原理等。在眾多假說(shuō)中，被大家廣泛認(rèn)同的是胞外多聚物假說(shuō)和絲狀菌假說(shuō)。

2.3.1 胞外多聚物假說(shuō)模型

圖2 反應(yīng)器運(yùn)行的第26天絮狀污泥附著在顆粒表面的共聚焦激光掃描顯微鏡圖

胞外多聚物假說(shuō)模型是由SCHMIDT等[3]在前人的研究基礎(chǔ)上總結(jié)的。該模型是指胞外多聚物（extracellular polymeric substances，EPS）是構(gòu)成細(xì)菌細(xì)胞和其他顆粒物質(zhì)之間的連接橋梁，從而形成顆粒聚集體。細(xì)胞分泌的EPS中含有蛋白、多糖、腐植酸、脂質(zhì)等物質(zhì)，黏性較大，有助于顆?；膯?dòng)。如MORE等[27]報(bào)道了EPS是一種潛在的微生物絮凝劑。LIN等[28]認(rèn)為蛋白質(zhì)和多糖含有大量羥基及羧基，這些官能團(tuán)的存在將增強(qiáng)污泥表面的疏水性，促進(jìn)微生物聚集，加快污泥顆?；DAV等[29]證實(shí)，在水力剪切力的作用下，顆粒EPS中蛋白比多糖的含量增長(zhǎng)得更快；而饑餓（基質(zhì)匱乏）條件下，EPS被直接作為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源而降解，從而導(dǎo)致微生物分離、顆粒解體。如圖3(a)所示，DENG 等[30]也研究了胞外聚合物對(duì)顆粒污泥形成的影響，并在32天成功培養(yǎng)出成熟顆粒污泥。同時(shí)，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以促進(jìn)胞外聚合物的快速分泌，從而加快顆粒污泥快速培養(yǎng)；并且胞外聚合物的含量和污泥沉降體積指數(shù)具有很好的線性關(guān)系，其模擬方程為SVI = –0.36 EPS +118，可見(jiàn)胞外聚合物可以促進(jìn)顆粒的致密性和沉降性。

2.3.2 絲狀菌假說(shuō)模型

BEUN等[4]提出了絲狀菌假說(shuō)模型。其采用7.5kg COD/(m3·d)的底物負(fù)荷率，在接種活性污泥之后，絲狀菌在反應(yīng)器內(nèi)占主導(dǎo)。隨后絲狀菌構(gòu)成菌絲球，作為自固定的支架，有利于細(xì)菌的依附，培養(yǎng)出平均粒徑3.3mm的好氧顆粒。在剪切力的作用下，菌絲球表面的絲狀菌被逐漸洗脫，菌絲球成為更加致密的顆粒。當(dāng)顆粒的直徑為5mm左右時(shí)，由于內(nèi)部溶氧的限制導(dǎo)致顆粒裂解。此時(shí)，裂解的菌群已經(jīng)大到足以通過(guò)自身的快速沉降而保留在反應(yīng)器內(nèi)，這些菌群進(jìn)一步長(zhǎng)大成為顆粒，如圖3(b)所示。

杜碩等[31]利用絲狀菌假說(shuō)和胞外聚合物假說(shuō)，采用SBR系統(tǒng)，通過(guò)促進(jìn)和抑制絲狀菌生長(zhǎng)的方法，成功地培育出了兩種不同性質(zhì)的好氧顆粒污泥。但由于操作條件、培養(yǎng)目的不同，沒(méi)有一種模型可以描述好氧顆粒從形成到解體的整個(gè)生命過(guò)程，并囊括怎樣形成多層結(jié)構(gòu)、如何在有機(jī)物降解中發(fā)揮作用。但是對(duì)好氧顆粒污泥的形成機(jī)理、微生物菌群結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制的深入研究，不僅能夠提高人們對(duì)好氧顆粒污泥的認(rèn)識(shí)，而且可以加快該項(xiàng)新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖3 好氧顆粒污泥的形成機(jī)理示意圖

2.4 好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響因素

在實(shí)際應(yīng)用中，廢水處理技術(shù)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性是必不可少的。但是現(xiàn)有研究表明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，好氧顆粒污泥穩(wěn)定性會(huì)降低，從而裂解。有學(xué)者提出導(dǎo)致顆粒穩(wěn)定性降低的原因包括：①絲狀微生物過(guò)量生長(zhǎng)導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)蓬松，從而使顆粒易于洗出；②厭氧內(nèi)核的水解作用；③有毒有害污染物的沖擊等，多種因素均會(huì)造成好氧顆粒污泥穩(wěn)定性降低。

2.4.1 絲狀微生物的過(guò)量生長(zhǎng)

好氧顆粒的密度和強(qiáng)度與微生物的生長(zhǎng)速度負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)槲⑸锏母咚偕L(zhǎng)導(dǎo)致了顆粒尺寸的快速增加，同時(shí)絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)疏松，沉降性能降低，使得顆粒易于洗出。LIU等[32]證實(shí)了在溶解氧（DO）較低時(shí)，絲狀微生物的過(guò)度生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器操作失敗。這是因?yàn)橐越z狀菌為主的顆粒逐漸長(zhǎng)大，傳質(zhì)受到了限制，而供給顆粒內(nèi)部厭氧微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能滿足需求，顆粒裂解。LI等[33]發(fā)現(xiàn)過(guò)高的COD濃度會(huì)導(dǎo)致絲狀菌的大量生長(zhǎng)，抑制EPS的分泌，從而導(dǎo)致顆粒污泥的完整性遭到破壞。此外絲狀微生物很可能會(huì)堵住管道，引起反應(yīng)器系統(tǒng)的運(yùn)行問(wèn)題。ADAV等[34]比較了在不同的曝氣強(qiáng)度（1～3L空氣/min）下處理苯酚廢水的3個(gè)相同的反應(yīng)器，以觀察顆?；^(guò)程。在低的曝氣強(qiáng)度（1L/min）下沒(méi)有顆粒形成，而在高曝氣強(qiáng)度（3L/min）下會(huì)形成有緊密內(nèi)核的粒徑為1～1.5 mm的成熟穩(wěn)定顆粒，他們發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)勁的剪切力會(huì)在長(zhǎng)期運(yùn)行中抑制絲狀菌的生長(zhǎng)。

2.4.2 好氧顆粒內(nèi)核的水解

好氧顆粒在形成過(guò)程中，由于氧氣傳質(zhì)的限制，會(huì)逐步形成一個(gè)厭氧的內(nèi)核，厭氧內(nèi)核的穩(wěn)定性會(huì)直接影響好氧顆粒的穩(wěn)定性。ZHENG等[35]提出，大顆粒的傳質(zhì)限制會(huì)產(chǎn)生一個(gè)厭氧內(nèi)核以激發(fā)厭氧菌群的活性，從而導(dǎo)致顆粒解體。ADAV等[36]證實(shí)了出現(xiàn)在好氧顆粒內(nèi)部的蛋白水解細(xì)菌與內(nèi)核的退化衰落有關(guān)，并導(dǎo)致了顆粒的瓦解。LEMAIRE 等[37]采用光學(xué)顯微鏡、掃描以及透射電鏡、共聚激光掃描與熒光原位雜交相結(jié)合以及溶氧和pH電極研究好氧顆粒的結(jié)構(gòu)。他們指出，成熟顆粒的破碎是由于顆粒內(nèi)孔洞的堵塞阻礙了微生物對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取。經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的饑餓之后，顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)變得更脆弱。研究已經(jīng)證實(shí)，在較長(zhǎng)的閑置期內(nèi)，顆粒穩(wěn)定性和活性的損失與其儲(chǔ)存溫度相關(guān)。陳垚等[38]通過(guò)緩慢增加進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對(duì)低溫儲(chǔ)存后的高鹽好氧顆粒污泥進(jìn)行了活性恢復(fù)研究。結(jié)果表明，低溫儲(chǔ)存6周后高鹽好氧顆粒污泥的外部特征仍基本保持完好，但顏色和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。這是因?yàn)樵跓o(wú)溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物情況下的低溫儲(chǔ)存期間，顆粒污泥中的異養(yǎng)微生物易發(fā)生內(nèi)源呼吸與胞內(nèi)水解，導(dǎo)致顆粒污泥喪失其生物活性。

2.4.3 有毒有害污染物的沖擊

在市政廢水和含有有毒難降解污染物的工業(yè)廢水處理技術(shù)中，好氧顆粒污泥技術(shù)有很大潛力。然而，好氧顆粒污泥的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)于有毒物質(zhì)的沖擊很敏感。ZHU等[6]研究了常見(jiàn)有毒污染物對(duì)氯苯胺對(duì)顆粒結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明，進(jìn)水中含有200mg/L對(duì)氯苯胺時(shí)會(huì)導(dǎo)致好氧顆粒污泥的瓦解以及削弱其去除污染物的能力。對(duì)于成熟和瓦解顆粒污泥EPS的分析表明，其中的EPS蛋白含量會(huì)降低，特別是含有酰胺I3轉(zhuǎn)螺旋和β-折疊以及天冬氨酸成分的降低，不利好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的維持。微生物群落分析表明，像Kineosphaera limosa一樣的優(yōu)勢(shì)菌群的消失以及Acinetobacter的出現(xiàn)，可能會(huì)對(duì)EPS的降低和好氧顆粒污泥的瓦解產(chǎn)生較大的影響。DONG等[39]研究了低4-氯苯酚（4-CP）對(duì)于好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，由乙酸鹽作為進(jìn)料培養(yǎng)得到的好氧顆?？梢越到?-CP，也可以抵御進(jìn)水中的高4-CP濃度，表明馴化的顆粒將以很高的去除速率去除4-CP。CATARINA等[7]研究了氧氟沙星、諾氟沙星、環(huán)丙沙星3種喹諾酮類殺菌劑對(duì)于好氧顆粒的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的COD去除并未受到喹諾酮類藥物的影響，只有P的去除過(guò)程受到了一定程度的影響。結(jié)果表明，與喹諾酮類藥物接觸會(huì)導(dǎo)致顆粒的不穩(wěn)定，而當(dāng)進(jìn)水中不再含有喹諾酮類藥物時(shí)，顆粒會(huì)快速地恢復(fù)。

2.4.4 其他因素

除上述因素之外，在實(shí)際應(yīng)用中以及長(zhǎng)期運(yùn)行中，如菌群的功能性缺失[40]，微生物胞外多糖復(fù)合物總多糖/總蛋白（PS/PN）比例失調(diào)[41]，操作條件的改變等多種因素均會(huì)造成好氧顆粒污泥穩(wěn)定性喪失，從而影響好氧顆粒污泥的工業(yè)實(shí)際使用。

2.5 好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的提高

針對(duì)上述引起好氧顆粒污泥穩(wěn)定性降低的原因，一些學(xué)者提出用于提高顆粒穩(wěn)定性的方法，包括：①采用合適的運(yùn)行條件，如有機(jī)負(fù)荷率、溶氧濃度、堿度的高低以及饑餓期的長(zhǎng)短[42]；②在低溶氧濃度下，生長(zhǎng)緩慢的微生物，比如積累磷酸鹽或者糖原的細(xì)菌，會(huì)增加顆粒的穩(wěn)定性[43]；③生物強(qiáng)化技術(shù)等來(lái)提高好氧顆粒污泥穩(wěn)定性。

2.5.1 適宜的有機(jī)負(fù)荷率

有機(jī)負(fù)荷率（OLR）是一個(gè)決定顆粒穩(wěn)定性的重要因素。董苗苗等[44]發(fā)現(xiàn)有機(jī)負(fù)荷過(guò)低或過(guò)高均不利于顆粒污泥的穩(wěn)定，過(guò)高會(huì)抑制顆粒污泥生長(zhǎng)，脫氫酶活性降低，胞外蛋白（PN）含量下降，顆粒污泥可能解體，顆粒污泥穩(wěn)定性變差。當(dāng)反應(yīng)器COD有機(jī)負(fù)荷為5.4kg/(m3·d)時(shí)，顆粒污泥EPS含量最高，且以PN為主，顆粒平均粒徑較大，分布均勻，穩(wěn)定性較好。LI等[45]采用微生物聚集體（2～3mm）和絲狀真菌的接種污泥培養(yǎng)好氧顆粒。研究表明：高OLR[2kgCOD/(m3·d)]下，顆粒中的真菌在100天的培養(yǎng)后消失。而在低OLR[0.5kgCOD/( m3·d)]時(shí)，最終形成的顆粒中真菌占主導(dǎo)作用。該作者認(rèn)為，高OLR能夠控制真菌的旺盛生長(zhǎng)，并保持顆粒的穩(wěn)定性。LONG等[42]在連續(xù)流反應(yīng)器中用逐漸增加有機(jī)負(fù)荷的方法對(duì)好氧顆粒污泥能夠承受的有機(jī)負(fù)荷范圍進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率≤15kg/(m3·d)時(shí)，好氧顆粒污泥能夠穩(wěn)定存在，且污泥沉降系數(shù)、顆?；潭?、粒徑以及含水率分別達(dá)到21mL/g，98%、1.8mm和97.2%。而當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率上升至18kg/(m3·d)時(shí)，污泥性質(zhì)短時(shí)間內(nèi)迅速惡化。隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，好氧顆粒污泥核心位置的厭氧微生物大量死亡，造成好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，最終顆粒絮化解體。因此高或者低水平的OLR在不同的研究中存在較大差異。

2.5.2 添加物的存在

REN等[46]研究表明Ca2+的添加增加了好氧顆粒內(nèi)的多糖含量，由于Ca2+的沉降作用，從而使富含鈣離子的好氧顆粒的抗壓強(qiáng)度可以提高到0.16～0.42N/mm2（Ca2+含量為86.8～151.1mg/g懸浮固體）。ADAV等[47]研究則表明，在低溫下（–20℃），苯酚培養(yǎng)的好氧顆粒能夠保持80%～99%的活性，這比乙酸鹽培養(yǎng)的顆粒要好。在所有儲(chǔ)存溫度下，儲(chǔ)存溶液中添加苯酚，能夠很明顯地維持顆粒的生物活性。DAI等[48]則通過(guò)向填有好氧顆粒污泥的SBR內(nèi)添加不同濃度（10mg/L、30mg/L、100mg/L、150mg/L、300mg/L、500mg/L）的苯胺作為進(jìn)水，研究發(fā)現(xiàn)：在苯胺首次添加的時(shí)候，好氧顆粒污泥的活性會(huì)受到一定程度的抑制，顆粒表面變得褶皺，顆粒表面的球狀菌變小，完整性下降（圖4）。但是由于苯胺的逐漸添加會(huì)引起構(gòu)成顆粒的微生物菌群的變化所以顆粒能夠很快適應(yīng)底物的變化，優(yōu)勢(shì)菌種發(fā)生變化，抑制作用逐漸緩解。而隨著苯胺濃度的增加，顆粒長(zhǎng)得更加密實(shí)，沉降更加迅速，其SVI甚至可以達(dá)到35mL/g，沉降速度達(dá)到41.56m/h（圖5）。研究結(jié)果表明，由乙酸鹽和苯胺共同培養(yǎng)得到的好氧顆粒污泥更加致密和穩(wěn)定，并且可以抵御一定濃度苯胺等有毒物質(zhì)的沖擊。

圖4 好氧顆粒污泥的表觀圖

圖5 不同苯胺濃度下顆粒的SEM圖

2.5.3 生物強(qiáng)化技術(shù)

通過(guò)生物強(qiáng)化技術(shù)，也可以提高好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性。IVANOV等[49]從好氧顆粒污泥中分離得到快速沉降的微生物聚集體后，對(duì)其進(jìn)行重復(fù)挑選和分批培養(yǎng)得到了5株細(xì)胞凝聚指數(shù)高于50%的菌株。Pseudomonas veronii菌種被認(rèn)為是最有利于顆?；木?。當(dāng)P. veronii strain B被用于好氧顆粒化過(guò)程的啟動(dòng)，在開(kāi)始培養(yǎng)的3天后形成生物顆粒，9天后產(chǎn)生活性顆粒污泥。由起始培養(yǎng)物P. veronii strain B產(chǎn)生的微生物聚集體（SVI為70mL/g），比由活性污泥產(chǎn)生的聚集體（SVI為106mL/g）結(jié)構(gòu)更加致密。QUAN等[50]在兩個(gè)SBR內(nèi)培養(yǎng)降解2,4-二氯苯氧乙酸的好氧顆粒，一個(gè)反應(yīng)器采用供體菌株假單胞菌SM 1443的pJP4質(zhì)粒，另一個(gè)則作為對(duì)照，在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)均培養(yǎng)得到了能夠?qū)?,4-二氯苯氧乙酸（約500mg/L）作為單一碳源利用的顆粒。在生物強(qiáng)化和對(duì)照反應(yīng)器內(nèi)最終得到的顆粒，顆粒粒徑分別為600μm和500μm，Shannon-Weaver多樣性指數(shù)分別為0.96和0.55。在顆粒化過(guò)程中通過(guò)DGGE的圖譜可以發(fā)現(xiàn)微生物菌群產(chǎn)生變遷。與對(duì)照組顆粒相比，在生物強(qiáng)化的反應(yīng)器內(nèi)表現(xiàn)出了更好的沉降性能、更大的粒徑、更豐富的微生物多樣性以及對(duì)于2,4-二氯苯氧乙酸更強(qiáng)的承受能力。

3　展 望

作為新興的廢水處理技術(shù)，好氧顆粒污泥具備緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的沉降性能、豐富的微生物相以及高生物停留量等優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)活性污泥法的缺陷。然而，顆粒污泥形成的機(jī)制還未被研究透徹，由于顆粒污泥是微生物群體為適應(yīng)外界環(huán)境條件（營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、水力剪切力、溶解氧等）而自然凝集形成的特殊微生物聚集形式、多種微生物在顆粒中代謝互補(bǔ)的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系以及在有機(jī)污染物降解過(guò)程中的協(xié)同效應(yīng)，人們知之甚少，反過(guò)來(lái)又影響人們對(duì)好氧顆粒污泥培養(yǎng)機(jī)制的深入了解。因此，好氧顆粒污泥的形成機(jī)制、影響顆粒污泥穩(wěn)定性因素和多細(xì)胞協(xié)同作用機(jī)理還需要更深入的研究，以提高人們對(duì)好氧顆粒污泥的認(rèn)識(shí)，從而加快好氧污泥顆粒的工業(yè)化推廣應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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A review on the aerobic granular sludge technology

SU Haijia，WANG Luxi，DENG Shuang，DAI Yajie，WANG Chenxu
（Beijing Key Laboratory of Bioprocess,Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Abstract：In recent years，water resource shortage and water pollution have been becoming more and more serious. Due to the large amount of excess sludge production，the application of traditional activated sludge technology was restrictions in wastewater treatment in some extent. Aerobic granular sludge technology with compact structure，good settle ability，high biomass retention，various microbial functions and less residual sludge is a promissing method in wastewater treatment. In present paper，the effect parameters on the rapid cultivation of granular sludge and formation process，such as the superficial gas velocity，dissolved oxygen level，the organic load and metal ions，were discussed. The influence factors of granular formation mechanism，the structural characteristics and the instability effect of aerobic granular sludge were focused on in order to promote the application of aerobic granular sludge technology in the wastewater treatment.

Key words：aerobic granular sludge; biological wastewater treatment technology; particulate processes; stability; biotechnology

中圖分類號(hào)：X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）06–1914–09

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.033

收稿日期：2016-02-22；修改稿日期：2016-03-25。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（21525625）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2013AA020302）及國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2014CB745100）項(xiàng)目。