付香云,余 誠,王凱軍,馬金元,劉 敏

連續(xù)流培養(yǎng)好氧顆粒污泥研究進(jìn)展

付香云,余 誠,王凱軍*,馬金元,劉 敏

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

好氧顆粒污泥(AGS)因其沉降性能好,生物量高,抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞.相比于傳統(tǒng)的序批式反應(yīng)器(SBR),連續(xù)流AGS技術(shù)具有易于操作控制以及匹配實(shí)際污水廠的大水量,連續(xù)流的優(yōu)勢(shì),因而更具有研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力.通過文獻(xiàn)分析和整理,歸納了連續(xù)流AGS技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),總結(jié)了連續(xù)流培養(yǎng)AGS的研究現(xiàn)狀和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望,以期進(jìn)一步推進(jìn)連續(xù)流AGS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用.

好氧顆粒污泥；連續(xù)流；培養(yǎng)策略；選擇壓；飽食饑餓

近年來,好氧顆粒污泥(AGS)在污水處理領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注.與傳統(tǒng)活性污泥相比,好氧顆粒污泥具有沉降性能好,生物量高,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是一種極具發(fā)展前景的污水處理技術(shù).

1997年,Morgenroth等[1]使用序批式反應(yīng)器(SBR)成功培養(yǎng)出AGS,之后幾乎所有研究都局限于SBR[2].2021年6月10日,在Web of ScienceTM數(shù)據(jù)庫中檢索“aerobic granular sludge”,得到相關(guān)文獻(xiàn)近4020篇,其中95%以上是在SBR中開展.SBR被認(rèn)為是促進(jìn)顆粒污泥化的理想反應(yīng)器,其沉淀時(shí)間短,間歇進(jìn)水改善污泥沉降性,營(yíng)造飽食期和饑餓期,為污泥顆?；峁┝己脳l件[3].因此,目前序批式AGS技術(shù)被廣泛研究乃至實(shí)際應(yīng)用.推廣較好的Nereda?已經(jīng)被應(yīng)用于荷蘭,葡萄牙等國的40余座污水處理廠[4-5].然而,Nereda?的充排時(shí)間短,對(duì)泵送系統(tǒng)的要求較高,適用于水量較小的污水處理系統(tǒng).而現(xiàn)階段普遍是大規(guī)模污水處理,且大多數(shù)為連續(xù)流系統(tǒng),相較于將現(xiàn)有連續(xù)流水處理流程改造為SBR,在現(xiàn)有的連續(xù)流基礎(chǔ)設(shè)施中培養(yǎng)AGS能顯著節(jié)省改造成本,更具有研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力.此外,連續(xù)流運(yùn)行方式的工藝操作和控制均優(yōu)于SBR,其運(yùn)行和維護(hù)更方便.因此,近年來,針對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器(CFR)中的AGS研究呈上升趨勢(shì).

連續(xù)流AGS研究在形成條件,工藝運(yùn)行控制等方面取得了一些進(jìn)展,但仍在顆?；伴L(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行方面面臨挑戰(zhàn)[6-7].因此,本文詳細(xì)總結(jié)了AGS的培養(yǎng)理論,梳理了連續(xù)流AGS的研究現(xiàn)狀,分析了連續(xù)流AGS發(fā)展過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),最后對(duì)研究方向進(jìn)行展望,以期為連續(xù)流AGS的研究和推廣應(yīng)用提供支撐.

1 AGS的培養(yǎng)理論

1.1 AGS的形成機(jī)理

Beun等[8]提出絲狀菌起到固定化聚集生長(zhǎng)的框架作用.微生物附著于框架并不斷生長(zhǎng),顆粒表面的絲狀菌在剪切力作用下脫落,顆粒變得更加密實(shí).粒徑過大的顆粒由于內(nèi)部氧的限制而發(fā)生溶解,顆粒碎片沉降下來并保留在反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)生成顆粒污泥.但是,對(duì)AGS的微觀觀察并不總能發(fā)現(xiàn)絲狀菌,AGS內(nèi)的微生物主要是桿菌或球菌.Peng等[9]認(rèn)為胞外聚合物(EPS)在顆?；^程中發(fā)揮重要作用.首先是一些微小個(gè)體附著生長(zhǎng),然后細(xì)菌由于EPS的黏結(jié)作用被固定,形成微小顆粒的絮體,最后是大量微生物在EPS的作用下形成顆粒污泥.然而,并沒有證據(jù)表明EPS是好氧顆粒化的決定因素,大量的試驗(yàn)結(jié)果只是表明EPS有促進(jìn)作用.Hulshoff Pol發(fā)現(xiàn)幾乎在所有實(shí)驗(yàn)中,污泥總量方面表現(xiàn)出非常相似的沖洗淘汰現(xiàn)象:隨著有機(jī)負(fù)荷逐步提高,系統(tǒng)內(nèi)污泥量減少,污泥流失;隨著顆粒污泥的形成,系統(tǒng)內(nèi)的污泥量逐漸恢復(fù)[10].由此提出了選擇壓理論,即顆?；^程的本質(zhì)是污泥顆粒的連續(xù)選擇過程.Beun等[11]認(rèn)為首先是細(xì)小顆粒污泥,絲狀菌和污泥絮體在反應(yīng)器內(nèi)混合生長(zhǎng),增加水力選擇壓以保證顆粒污泥不被懸浮污泥淘汰,在沉淀過程中沉速大的顆粒污泥沉淀下來,而絲狀菌和污泥絮體被排出反應(yīng)器;被截留的AGS在后續(xù)水力剪切力作用下不斷生長(zhǎng)成熟.

1.2 AGS顆粒化的影響因素

截止目前,關(guān)于AGS顆?；绊懸蛩氐难芯恐饕赟BR中進(jìn)行,了解SBR中顆?；挠绊懸蛩貙?duì)理解連續(xù)流AGS技術(shù)非常必要.SBR中被廣泛討論的影響因素有:基于沉降速度的選擇壓,周期性的飽食-饑餓循環(huán),曝氣引起的剪切力作用,基質(zhì)組成和有機(jī)負(fù)荷等.

基于沉淀速度的選擇壓是SBR中污泥顆?；臎Q定因素[12].顆粒污泥的沉淀速度大于絮狀污泥,通過逐漸縮短沉淀時(shí)間,選擇沉淀性能好的聚集體,淘汰沉降性能差的絮狀污泥.有研究報(bào)道,在沉淀時(shí)間為30min的SBR中沒有形成AGS[13],而實(shí)際生產(chǎn)中,Nereda?工藝在沉淀時(shí)間為30min的情況下也實(shí)現(xiàn)了污泥顆?；痆5].這可能是由于Nereda?是一種特殊的深槽工藝,有更大的沉淀高度,允許更長(zhǎng)的沉淀時(shí)間[7].除了選擇出沉降性能較好的污泥外,利用沉速選擇壓還促進(jìn)EPS的產(chǎn)生,提高細(xì)胞表面疏水性[14].

飽食-饑餓交替循環(huán)是污泥顆?；^程的重要因素.SBR的周期運(yùn)行開始于營(yíng)養(yǎng)物充足的飽食期,結(jié)束于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)受到限制的饑餓期.在底部進(jìn)水且有一定高度的反應(yīng)器中(如Nereda?工藝[5]),飽食-饑餓還表現(xiàn)為從進(jìn)水到出水方向的基質(zhì)濃度梯度.飽食-饑餓交替可以誘導(dǎo)EPS分泌,增強(qiáng)微生物細(xì)胞表面的疏水性,從而促進(jìn)細(xì)胞形成聚集體[15-16].值得關(guān)注的是,即使由SBR提供了飽食-饑餓交替,如果沉淀時(shí)間很長(zhǎng)(如30min),也不會(huì)形成AGS[13],這說明了沉淀速度選擇壓的必要性.

水力剪切力對(duì)AGS形成和結(jié)構(gòu)有重要影響[8,17]. Tay等設(shè)計(jì)4個(gè)SBR的氣速從0.3cm/s到3.6cm/s變化,高氣速的反應(yīng)器在第11d有顆粒污泥產(chǎn)生,而低氣速的反應(yīng)器內(nèi)沒有觀察到顆粒污泥產(chǎn)生[8].因此,剪切力對(duì)AGS形成有重要作用.大高徑比升流式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式所造成的水力條件有利于顆粒化[18],提供的水力剪切力將好氧顆粒剪切成規(guī)則的球形[13].同時(shí),高的水力剪切力有助于去除堆積在顆粒表面的快速生長(zhǎng)的絲狀菌[6,19],對(duì)形成更規(guī)則,更密實(shí)的顆粒污泥有利.剪切力也被證明可以誘導(dǎo)EPS的分泌[20],增強(qiáng)細(xì)胞表面的疏水性[14].

基質(zhì)類型影響顆?；M(jìn)程和顆粒性質(zhì).進(jìn)水中不溶性顆粒有機(jī)物占主導(dǎo)時(shí),好氧顆粒化受到抑制[21],延長(zhǎng)厭氧時(shí)間有利于顆粒物的水解和有機(jī)基質(zhì)的利用[21-22].除了影響顆?；M(jìn)程,基質(zhì)類型還會(huì)影響顆粒污泥的性質(zhì).不同類型的基質(zhì)中均培養(yǎng)出了AGS,已經(jīng)公認(rèn)醋酸鹽會(huì)促進(jìn)密集聚集體的形成[23],而葡萄糖和其他易降解COD則會(huì)導(dǎo)致絲狀菌過度生長(zhǎng)而不利于顆?；痆24].Beun等[8]的研究則表明使用足夠高的水力剪切力和較大的溶解氧濃度,可以在易降解COD基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)顆?；?Pronk 等表明,易降解COD在厭氧階段被緩慢生長(zhǎng)細(xì)菌轉(zhuǎn)化,是使用易降解COD培養(yǎng)AGS的必要條件[25].

有機(jī)負(fù)荷(OLR)[26]和溶解氧(DO)也有不同程度的影響.好氧顆粒化可以在較寬的OLR范圍內(nèi)(2.5～15gCOD/(L·d))實(shí)現(xiàn)[14].OLR影響顆?；臅r(shí)間及顆粒結(jié)構(gòu),較高OLR會(huì)更快形成大而疏松的顆粒,較低OLR會(huì)較慢形成小而致密的顆粒[14,27].DO在0.7～6.0mg/L均有成功顆粒化的經(jīng)驗(yàn)[13].低DO環(huán)境會(huì)形成厭氧核心[14],DO為1～2mg/L時(shí),DO在污泥顆粒內(nèi)的擴(kuò)散深度約為100μm,粒徑更大的顆粒內(nèi)部將進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài).短期內(nèi)(如數(shù)周),厭氧狀態(tài)并不影響顆粒污泥的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1].但是,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),AGS的活性和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生退化.Morgenroth等厭氧實(shí)驗(yàn)至130d后,COD去除效率從87%降低到56%.同時(shí),顆粒污泥含量減少,開始形成絮狀污泥[1].同樣,在Mosquera-Corral等[28]的研究中,當(dāng)氧飽和濃度被降低到40%時(shí),顆粒密度降低甚至崩解.

AGS形成的過程很復(fù)雜,是以上因素甚至更多因素共同作用的結(jié)果.截止到目前為止,盡管在這方面開展了大量研究,也仍不明確AGS形成的具體機(jī)制.

2 連續(xù)流AGS的研究現(xiàn)狀

SBR中好氧顆?；?jīng)驗(yàn)非常豐富,但其復(fù)雜的排序批量操作模式和高昂的工程改造成本阻礙了顆粒污泥技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,因此,實(shí)現(xiàn)AGS在連續(xù)流條件下穩(wěn)定運(yùn)行具有研究和應(yīng)用價(jià)值.但CFR與SBR培養(yǎng)條件迥異,連續(xù)流AGS技術(shù)面臨以下3方面的挑戰(zhàn):

第一,應(yīng)用沉淀速度選擇壓的難度大.SBR中控制沉淀時(shí)間選擇性地保留沉降性能好的污泥,是污泥顆粒化的驅(qū)動(dòng)力.然而,CFR沒有單獨(dú)的沉淀階段,即使在CFR中設(shè)計(jì)類似于SBR的沉淀時(shí)間,由于連續(xù)的水流干擾,顆粒也很難沉淀,仍需要額外的污泥篩選措施[29].最有效的辦法是設(shè)計(jì)一種連續(xù)分離快速沉降污泥的方式.已有的眾多設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,策略繁瑣,無法在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)[30-32].設(shè)計(jì)基于沉淀速度的高效選擇方法是目前的主要難點(diǎn).第二,難以創(chuàng)造飽食-饑餓循環(huán).CFR中底物濃度通常很低[33],絮狀污泥和絲狀菌在低基質(zhì)濃度下的競(jìng)爭(zhēng)力大于顆粒污泥,在反應(yīng)器中占主導(dǎo)地位[30-31].向CFR接種成熟顆粒污泥時(shí),低基質(zhì)濃度限制基質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入顆粒核心,顆粒發(fā)展成疏松結(jié)構(gòu),甚至崩塌[29,34].第三,顆粒污泥回流造成顆粒破壞.SBR的污泥始終被截留在同一個(gè)反應(yīng)器中,不涉及污泥回流.部分CFR研究設(shè)計(jì)了外部沉淀池截留AGS,需要將沉淀區(qū)的顆粒污泥回流到反應(yīng)區(qū).顆粒污泥在回流泵送過程中可能被破壞,顯著影響連續(xù)流系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

一些研究克服上述困難,也測(cè)試了其他創(chuàng)造性辦法,成功在連續(xù)流條件下培育出顆粒污泥.顆?；漠a(chǎn)物可分為3種類型:厭氧氨氧化AGS,絲狀A(yù)GS和常規(guī)AGS[7].厭氧氨氧化AGS被用于部分硝化-厭氧氨氧化(PN/A)過程[35].絲狀A(yù)GS是由于絲狀菌和微生物的碰撞,纏繞而形成,不需要基于沉淀速度的選擇壓,所以沉淀性能差.例如,Chen等[36]人的研究中,生成的顆粒污泥SVI超過100mL/g.常規(guī)AGS是廢水處理中最常見的,其形成依賴于應(yīng)用的選擇壓力,具有沉淀速度快,結(jié)構(gòu)緊湊,形狀清晰等優(yōu)點(diǎn),本文將重點(diǎn)介紹常規(guī)AGS的連續(xù)流顆粒化成果,包括上述三大難點(diǎn)的對(duì)策和其他因素對(duì)連續(xù)流顆?；M(jìn)程的影響.

2.1 連續(xù)流顆?；倪x擇壓

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),選擇壓仍然是連續(xù)流好氧顆粒化的必要條件.連續(xù)流中的選擇壓存在兩種形式:沉淀速度選擇壓和顆粒粒徑選擇壓(表1).不同研究的設(shè)計(jì)思路不同,應(yīng)用選擇壓的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也千差萬別.

2.1.1 沉降速度選擇壓 連續(xù)流中沉淀速度選擇壓可借助于內(nèi)部分離器(區(qū))或外部分離器.內(nèi)部分離器通過設(shè)計(jì)巧妙的隔板實(shí)現(xiàn).Xin[37-39]等(圖1a),沈耀良等[40-41]應(yīng)用隔板將反應(yīng)器的曝氣區(qū)和沉降區(qū)分開,減少曝氣對(duì)顆粒沉降的干擾,使顆粒污泥被截留.Liu等[31]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器,底部為氣提式反應(yīng)器(ALR),上部為鼓泡塔(圖1b),優(yōu)點(diǎn)在于下部隔板強(qiáng)化液體循環(huán),將顆粒污泥滯留在反應(yīng)器下方.內(nèi)部分離的另一個(gè)例子是三相分離器(圖1c)[30,42-44],其設(shè)計(jì)來源于UASB.連續(xù)流出流時(shí)顆粒污泥被三相分離器阻擋,流向反應(yīng)器的側(cè)面,實(shí)現(xiàn)污泥的篩選.Zhou等[34]用帶三相分離器的連續(xù)流ALR培養(yǎng)12d實(shí)現(xiàn)顆?；?但在實(shí)驗(yàn)第35d發(fā)生了污泥膨脹.除內(nèi)部分離器以外,有研究在氧化溝中設(shè)計(jì)內(nèi)部沉淀區(qū)實(shí)現(xiàn)污泥顆?；?Xu等[45]設(shè)計(jì)了帶沉淀區(qū)的氧化溝,實(shí)現(xiàn)了生活污水的顆?；?Li[32]等在氧化溝中通過可調(diào)節(jié)的擋板控制沉降時(shí)間,并設(shè)計(jì)斜板便于顆粒污泥沉降.120d后培養(yǎng)出平均粒徑0.6mm,沉降性能優(yōu)異(SVI=44mL/g)的顆粒污泥.

除上述內(nèi)部分離器(區(qū)),外部分離器也被用于選擇顆粒沉淀速度.Long[46-47]等人引入斜管及帶垂直擋板的沉淀池(圖2a),混合污泥在斜管內(nèi)上升的過程中即起到一定的污泥截留作用,沉淀池進(jìn)一步篩選截留污泥并回流到反應(yīng)器中.Li等[29]采用多個(gè)出水口的外部沉淀池(圖2b),通過減小沉淀高度逐漸縮短沉淀時(shí)間,進(jìn)而淘汰沉淀速度低的污泥.

有研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道,連續(xù)流好氧顆粒化驅(qū)動(dòng)力是剪切力,而不需要基于沉淀速度的選擇壓力[48].然而,該團(tuán)隊(duì)系列的研究是在帶三相分離器的氣提式反應(yīng)器中完成,三相分離器本身就提供了一種基于沉淀速度的選擇機(jī)制,因此,認(rèn)為驅(qū)動(dòng)力是水力剪切力這一論斷不具有說服力.

圖1 利用沉淀速度選擇壓的內(nèi)部分離器

圖2 利用沉淀速度選擇壓的外部分離器

2.1.2 顆粒粒徑選擇壓 基于顆粒粒徑的選擇壓是利用篩網(wǎng)對(duì)顆粒進(jìn)行篩分,顆粒大的污泥被截留,粒徑較小的污泥或絮狀污泥則隨水流走.Liu等[49]運(yùn)行了3個(gè)反應(yīng)器:利用沉速選擇壓的SBR,利用顆粒粒徑選擇壓的CFR1(圖3),同時(shí)利用沉速選擇壓和顆粒粒徑選擇壓的CFR2.結(jié)果顯示,相比于SBR, CFR更快地達(dá)到穩(wěn)定的顆?；潭?并且顆粒較大,但顆粒的沉降性能稍差.這一篩分策略的優(yōu)勢(shì)在于,大顆粒將占主導(dǎo)地位,塌陷的死亡細(xì)胞會(huì)被排出系統(tǒng),但沉降性能差的大顆粒污泥也會(huì)被截留.

圖3 基于顆粒粒徑選擇壓的連續(xù)流反應(yīng)器[49]

表1 應(yīng)用選擇壓的連續(xù)流AGS研究

續(xù)表1

表1注:*該連續(xù)流AGS研究應(yīng)用基于顆粒粒徑的選擇壓,表1中其他文獻(xiàn)均應(yīng)用基于沉淀速度的選擇壓;Ⅰ曝氣區(qū)1.7L,沉淀區(qū)0.6L;Ⅱ底物濃度過低使菌膠團(tuán)生長(zhǎng)受到抑制,絲狀菌大量繁殖,導(dǎo)致污泥膨脹,最終污泥大量流失,顆粒污泥破碎,裝置未能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;ⅢCSTR容積18L,沉淀池容積4.5L;Ⅳ 20d后將SBR絮凝污泥接種到連續(xù)流中;Ⅴ活性污泥和剩余污泥制成的微粉,于第32～72d加入;Ⅵ厭氧區(qū)水力停留時(shí)間2.4h,好氧區(qū)水力停留時(shí)間3.6h;Ⅶ SBR有效容積6L,MBR有效容積9L;Ⅷ好氧區(qū)有效容積20L,沉淀區(qū)有效容積2L,厭氧區(qū)有效容積12L;Ⅸ好氧區(qū)DO=5mg/L,缺氧區(qū)DO<0.15mg/L;Ⅹ好氧區(qū)DO=5mg/L,厭氧區(qū)DO<0.05mg/L.

2.2 創(chuàng)造飽食-饑餓條件

小試規(guī)模的連續(xù)流顆粒化實(shí)驗(yàn)中,創(chuàng)造飽食-饑餓交替并不常見,部分體量較大的研究有意地創(chuàng)造該條件(表2).Li等[56]使用了逆流折流板反應(yīng)器(有效體積120L),進(jìn)水端底物豐盛,經(jīng)過反應(yīng)器的長(zhǎng)流道,COD和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗,在出水端為饑餓區(qū).在一個(gè)總周期為4h的試驗(yàn)中,2h為正向流動(dòng),2h為反向流動(dòng),實(shí)現(xiàn)飽食和饑餓的循環(huán).利用城市污水在21d內(nèi)形成了AGS,并穩(wěn)定至實(shí)驗(yàn)開始后的135d. Long等[46]也采用了類似的正反循環(huán)創(chuàng)造飽食-饑餓條件.有效體積為24.2L的連續(xù)流反應(yīng)器被等分為兩部分(圖2a, R1和R2),循環(huán)時(shí)間為4h,前2h,R1進(jìn)水R2出水,后2h,R2進(jìn)水R1出水,以此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的飽食-饑餓循環(huán).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,有機(jī)負(fù)荷為15gCOD/(L·d)時(shí),接種的成熟AGS在CFR中穩(wěn)定了65d[46].

Corsino等[57]通過間歇進(jìn)水創(chuàng)造飽食-饑餓的條件,并觀察接種的成熟AGS的變化.無間歇進(jìn)水時(shí),AGS迅速失去結(jié)構(gòu)完整性,形成松散蓬松的微生物聚集體.間歇進(jìn)水的條件下,顆粒沒有破裂,但由于缺少水力選擇壓,新的顆粒也沒有形成.Li等[58]通過動(dòng)態(tài)進(jìn)水策略為連續(xù)流創(chuàng)造飽食-饑餓條件.在該研究中,試驗(yàn)被分為4個(gè)階段,4個(gè)階段的“動(dòng)態(tài)”體現(xiàn)在峰流量和正常流量,以及各自持續(xù)時(shí)間的不同.通過上述動(dòng)態(tài)進(jìn)水策略和曝氣控制,在連續(xù)流反應(yīng)器中利用生活污水培養(yǎng)出結(jié)構(gòu)緊湊,粒徑穩(wěn)定的AGS. Sun等[59-61]將多個(gè)全混式反應(yīng)器串聯(lián)近似為活塞流反應(yīng)器(PFR,總體積128L,圖4),實(shí)現(xiàn)PFR前端飽食區(qū),后端饑餓區(qū).PFR運(yùn)行90d后達(dá)到了持續(xù)好氧顆?；姆€(wěn)定狀態(tài).這些研究為解決連續(xù)流創(chuàng)造飽食-饑餓條件提供了參考.

圖4 推流式反應(yīng)器中創(chuàng)造前端飽食,后端饑餓條件[59]

表2 應(yīng)用飽食饑餓的連續(xù)流AGS研究

注:Ⅰ缺氧段DO:0.6～1.8mg/L,好氧段DO:1.8～3.2mg/L;Ⅱ運(yùn)行94d后粒徑達(dá)到2～4mm;Ⅲ由4個(gè)相同的反應(yīng)器組成,每個(gè)反應(yīng)器有效容積6.16L;Ⅳ 12.4 / 4.1 / 2.1分別為各串聯(lián)反應(yīng)器(4室 / 6室 / 8室)中顆粒粒徑(單位: mm);Ⅴ固體滯留時(shí)間(SRT)根據(jù)PFR中的出水TSS和平均MLSS估計(jì).

2.3 顆粒污泥回流系統(tǒng)

利用外部分離器的CFR(如圖2)需將沉淀區(qū)的顆粒污泥回流到反應(yīng)區(qū),但是回流設(shè)備可能破壞回流聚集體[32,56].Li等[29]使用蠕動(dòng)泵進(jìn)行污泥回流,然而有研究表明,蠕動(dòng)泵工作過程中會(huì)碾壓破壞預(yù)成型的顆粒[59].Li[32]在氧化溝內(nèi)安裝了無回流污泥泵的內(nèi)濾池,不使用回流泵,有效保證AGS的完整.Zou等[52]采用了氣提式污泥回流系統(tǒng)(空氣流量0.1m3/h),Sun等[59-61]也利用一種空氣驅(qū)動(dòng)的污泥回流方式,將污泥回流到反應(yīng)器前端,沒有造成顆粒結(jié)構(gòu)破壞.

2.4 水力剪切力

水力剪切力對(duì)連續(xù)流顆?；闹匾源嬖谝恍?zhēng)議.Zhou等[48]通過熒光標(biāo)記觀察了氣提式反應(yīng)器中顆?；膭?dòng)態(tài)過程,并得出顆粒形成是由于水力剪切力造成生物質(zhì)不斷分離,碰撞和聚集,分離的部分發(fā)展成顆粒核心,并認(rèn)為剪切力作用于顆粒形態(tài),最終形成致密,光滑成熟的顆粒.Chen等認(rèn)為水力剪切力造成生物質(zhì)碰撞,纏繞,是顆?；闹饕?qū)動(dòng)力[36],可是最終形成的顆粒卻不是常規(guī)的AGS.邱光磊等[63]認(rèn)為膜分離區(qū)相對(duì)較強(qiáng)的水力剪切力是MBR中污泥顆?；闹饕?qū)動(dòng)力.Zhou等[48]也認(rèn)為剪切力是連續(xù)流好氧顆?；尿?qū)動(dòng)力,但該結(jié)論的得出忽略了三相分離器提供的沉速選擇壓.另有研究提出,只要有足夠的剪切力和絲狀菌存在,AGS就有可能形成,但該研究設(shè)置了沉淀池對(duì)沉淀速度進(jìn)行選擇[50].所以水力剪切力的作用是否大于選擇壓還有待商榷.

不可否認(rèn)的是水力剪切力對(duì)連續(xù)流AGS的特性(顆粒大小,強(qiáng)度)有顯著影響.Sajjad等[64]研究表明,同等有機(jī)負(fù)荷的SBR中顆粒尺寸為0.8mm,而MBR中顆粒尺寸只達(dá)到0.2mm,分析了可能的原因:一方面連續(xù)流系統(tǒng)基質(zhì)濃度較低,另一方面MBR中恒定曝氣提供了較大的剪切力.Lee等通過超聲波法測(cè)定,連續(xù)流條件下培養(yǎng)的顆粒比從SBR反應(yīng)器中接種的顆粒具有更高的強(qiáng)度[65].

2.5 生物強(qiáng)化

表3 應(yīng)用水力剪切力或生物強(qiáng)化的連續(xù)流AGS研究

注:Ⅰ先以SBR啟動(dòng)形成顆粒,再連續(xù)流運(yùn)行;Ⅱ穩(wěn)定運(yùn)行55d后由于DO減少,顆粒塌陷;Ⅲ反應(yīng)區(qū)容積1.5L,沉淀區(qū)容積0.3L;*表1 中參考文獻(xiàn)[31][53]等,表2中文獻(xiàn)[46][53]等也應(yīng)用了接種成熟的AGS的策略,此表未列出

生物強(qiáng)化指人為地投加成熟AGS或特殊工程菌等強(qiáng)化污泥顆粒化,這在現(xiàn)階段的連續(xù)流研究中較常見(表1,表3).接種成熟AGS以便于CFR快速啟動(dòng)是常用的策略.通常是在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)一次性接種[29,31],如梁東博等[53]在連續(xù)流反應(yīng)器中接種成熟AGS,并在不同溫度下控制DO和NH4+-N比值實(shí)現(xiàn)連續(xù)流AGS短程硝化.李冬等[55]接種AGS后,在獨(dú)立的缺氧池和好氧池組成的缺氧/好氧交替連續(xù)流系統(tǒng)中,探究曝氣強(qiáng)度和HRT[54],混合液回流比和有機(jī)負(fù)荷對(duì)連續(xù)流系統(tǒng)的影響.實(shí)驗(yàn)期間整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,AGS形態(tài)完整,沉降性能良好.一次性接種的方法在小試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中很容易實(shí)現(xiàn),但卻難以應(yīng)用于中試或是實(shí)際生產(chǎn),AGS接種至連續(xù)流系統(tǒng)后顆粒解體也被多次報(bào)道[51].Sajjad等[64]使用了一種連續(xù)的接種技術(shù),即培養(yǎng)顆粒污泥的SBR與MBR并行運(yùn)行,成熟的AGS被連續(xù)地接種到MBR,實(shí)現(xiàn)AGS工藝的快速啟動(dòng),連續(xù)運(yùn)行.接種特殊工程菌是另一種策略.Xin等[37]將反硝化菌TN-14接種到CFR中,使AGS在40d內(nèi)快速形成.Wan等[66]在SBR培養(yǎng)的顆粒中接種了某種假黃單胞菌(),該菌在顆粒中富集,提高顆粒在連續(xù)流中的穩(wěn)定性.除此以外,有研究使用無機(jī)載體(如活性炭)強(qiáng)化連續(xù)流顆?；痆67-68],但筆者認(rèn)為生成的顆粒更接近于生物膜,而不滿足AGS“自凝聚”的定義.

2.6 其他因素

溫度對(duì)連續(xù)流AGS的影響體現(xiàn)在好氧顆?；皖w粒性能兩方面.已有研究溫度多控制在20～30℃[29-31,49],Reino等[69]在10℃下成功實(shí)現(xiàn)好氧顆?；?并且發(fā)現(xiàn)耐冷細(xì)菌產(chǎn)生的EPS能增強(qiáng)顆粒的穩(wěn)定性,使其適應(yīng)低溫環(huán)境,但是低溫下AGS的微生物多樣性會(huì)減少.溫度對(duì)顆粒性能的影響顯著,Lee等將溫度從28℃降至10℃時(shí),觀察到COD去除率從85%左右降低至26%[65].

污泥齡(SRT)和水力停留時(shí)間(HRT)是重要的參數(shù)[7].連續(xù)流好氧顆?；膶?shí)驗(yàn)中,通常不會(huì)控制SRT(表1-3),但過長(zhǎng)的SRT會(huì)引起絲狀菌過度生長(zhǎng),使顆粒的沉降性下降[70].HRT對(duì)連續(xù)流AGS系統(tǒng)的影響更明顯.連續(xù)流的HRT應(yīng)盡量短,以保證沖洗淘汰絮狀污泥并提升處理效率,但HRT過小會(huì)造成污泥流失,系統(tǒng)失穩(wěn).HRT還可能影響顆粒的性質(zhì),例如Qian[71]的研究中,HRT從2.0h降低至0.9h時(shí),AGS的密實(shí)度提高,粒徑增大(0.9mm增大至1.2mm).

連續(xù)流顆粒化的有機(jī)負(fù)荷率(OLR)范圍大多在0.1～4.8gCOD/(L·d).在較高的OLR下,AGS也能夠保持較好的穩(wěn)定性,例如Chen等[72]逐漸升高OLR至31.3kgCOD/(m3·d),獲得較好的COD去除效果(>90%),但進(jìn)一步升高OLR至39kgCOD/(m3·d)時(shí), COD去除率明顯降低(<50%).龍焙等[47]將OLR從4.8kgCOD/(m3·d)逐漸增大至18kgCOD/(m3·d)后, AGS逐漸解體,各項(xiàng)理化特性在10d內(nèi)迅速惡化,并最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰.原因可能是,過高的OLR使得顆粒核心發(fā)展成死細(xì)胞甚至引起顆粒坍塌.

3 存在的問題與展望

為滿足AGS實(shí)際應(yīng)用的需求,連續(xù)流好氧顆?；夹g(shù)得到持續(xù)發(fā)展,現(xiàn)有研究存在局限性:(1)接種成熟AGS并研究其在CFR系統(tǒng)中穩(wěn)定性的研究較多,而專注于CFR系統(tǒng)中原位培養(yǎng)AGS的研究相對(duì)欠缺;(2)研究多在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模開展,向?qū)嶋H生活污水的過渡仍然缺乏.大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究采用模擬廢水,且多在相對(duì)恒定的溫度下進(jìn)行,但實(shí)際污水廠進(jìn)水水質(zhì),水量及溫度都隨季節(jié)波動(dòng),連續(xù)流AGS系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也缺乏論證;(3)與SBR情況相似,大高徑比柱式反應(yīng)器被大量使用,而這種類型的反應(yīng)器在國內(nèi)主流的污水處理廠中很少使用.現(xiàn)有的污水廠處理設(shè)施能否通過工程改造,應(yīng)用連續(xù)流顆?；募夹g(shù),仍需探索.

基于現(xiàn)有研究的局限性,今后連續(xù)流AGS技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)注重以下方面:(1)以實(shí)際生活污水為基質(zhì),在接種活性污泥的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)流顆粒化,仍然有很多不明確的地方,歸根到底是缺乏對(duì)AGS的顆?；瘷C(jī)理的研究.(2)連續(xù)流AGS的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行問題.已有研究的運(yùn)行時(shí)間有較大的差異,有連續(xù)流AGS穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)390d[73],而有的只維持了十幾天.大部分研究的實(shí)驗(yàn)在顆粒形成后的60d內(nèi)結(jié)束,缺乏連續(xù)流AGS長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究.是否能結(jié)合1年中的水溫水質(zhì)變化,調(diào)整培養(yǎng)策略,以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流AGS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是潛在的研究方向.(3)如何促進(jìn)連續(xù)流AGS的實(shí)際應(yīng)用. 大多數(shù)實(shí)際污水處理廠均以連續(xù)流方式運(yùn)行,因此連續(xù)流AGS的實(shí)際應(yīng)用意義重大.要實(shí)現(xiàn)這種生產(chǎn)性應(yīng)用,其一,要實(shí)現(xiàn)實(shí)際流態(tài)下的飽食-饑餓交替的基質(zhì)條件.已經(jīng)有一些研究提出了可行的辦法,仍需要更多的研究在實(shí)際生產(chǎn)中模擬重現(xiàn).其二,是選擇壓力的應(yīng)用.本文中涉及的大部分文獻(xiàn)是在小試規(guī)模,且主要在柱式反應(yīng)器中應(yīng)用選擇壓力,這些經(jīng)驗(yàn)如何應(yīng)用到實(shí)際的污水處理反應(yīng)器還需要進(jìn)一步探討.

4 結(jié)論

對(duì)連續(xù)流AGS認(rèn)識(shí)和應(yīng)用已有重大進(jìn)展,基于沉淀速度/顆粒粒徑的選擇壓力是連續(xù)流顆?；闹饕?qū)動(dòng)力,飽食-饑餓交替的基質(zhì)條件發(fā)揮重要作用.其他因素,例如水力剪切力,菌種投加,有機(jī)負(fù)荷等,共同作用于顆粒化過程,影響顆粒污泥的性能.成功顆?；难芯繋缀醵紙?bào)道了AGS良好的性能,實(shí)際生活污水中也成功馴化出AGS,展示了連續(xù)流AGS技術(shù)的潛力.但目前為止,盡管開展了大量研究,序批式和連續(xù)流研究中的顆?；瘷C(jī)理都不明確,長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行方面仍面臨挑戰(zhàn),生產(chǎn)規(guī)模的應(yīng)用也需要進(jìn)一步推進(jìn).

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Research advances on continuous flow aerobic granular sludgecultivation.

FU Xiang-yun, YU Cheng, WANG Kai-jun*, MA Jin-yuan, LIU Min

(State Key Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control , School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2022,42(4)：1726～1736

Aerobic granular sludge (AGS) has attracted much attention for its excellent settleability, high biomass concentration and outstanding performance in resisting shock loading. Compared with traditional sequencing batch reactor (SBR), continuous flow reactor (CFR) has the advantages of easy control, moreover, matching the scale and continuous flow mode of most actual sewage plants. Therefore, continuous flow aerobic granulation technology is more feasible for widespread and application. Through literature analysis and organization, the challenges of continuous flow AGS technology was summarized. In order to further promote the practical application of continuous flow AGS technology, this work provided the current advances on continuous flow AGS cultivation, combed the experiences and lessons and finally proposed the future research directions.

aerobic granular sludge；continuous flow；training strategy；selection pressure；feast and famine

X703

A

1000-6923(2022)04-1726-11

付香云(1998-),女,四川成都人,碩士研究生,研究方向?yàn)閺U水生物處理技術(shù).發(fā)表論文2篇.

2021-09-16

國家科技重大專項(xiàng)(2018ZX07105004,2017ZX07102-003)

*責(zé)任作者, 教授, wkj@tsinghua.edu.cn