好氧颗粒污泥研究进展

易 诚, 龙九妹, 陈津端, 刘作云

(1.衡阳师范学院生命科学系,湖南衡阳421008;2.湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南衡阳421002)

好氧颗粒污泥研究进展

易 诚1, 龙九妹1, 陈津端2, 刘作云2

(1.衡阳师范学院生命科学系,湖南衡阳421008;2.湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南衡阳421002)

好氧颗粒污泥具有厌氧颗粒污泥与活性污泥不可比拟的优势,成为目前的研究热点,通过从好氧颗粒污泥的形成机理、混凝强化培养、连续培养及好氧颗粒污泥微生物检测与流体CFD模拟等方面进行综述,提出混凝强化与连续培养相结合是快速培养好氧颗粒污泥的发展方向,现阶段高能量测序与CFD技术是研究好氧颗粒污泥形成的重要有效手段.参32.

好氧颗粒污泥;混凝;连续培养;高通量测序;CFD

1991年Mishima等[1]第一次报道了利用连续流AUSB反应器培养出好氧颗粒污泥,由于好氧颗粒污泥克服了厌氧颗粒污泥启动时间长、运行温度高、处理低浓度的有机废水时运行不稳定,并无法实现脱氮除磷等问题.与传统活性污泥絮体相比,好氧颗粒污泥具有更加密实、坚固的结构,规则的形态和清晰的外观,良好沉降性能,较高的生物量,且工艺启动过程快速,抗高冲击负荷能力强,能承受较高的有机负荷[2],有较高的除氮效率,抗毒性较强[3]等优势,目前己被广泛用于处理高浓度氮磷废水,重金属废水和毒性有机废水等难生物降解的废水[3].荷兰自1999年合作开展好氧颗粒污泥技术研究,2003年9月Eda污水处理厂建成世界首个利用好氧颗粒污泥技术处理城市污水的中试工程[4],运行结果表明好氧颗粒污泥结构稳定,污水处理效果好,相较于传统污水处理工艺降低了近80%的工程用地及30%的能源损耗[4].此后,荷兰、克罗地亚、意大利及我国均有好氧颗粒污泥处理城镇污水及工业废水的案例[4,5].目前好氧颗粒污泥成为研究的热点.

1 好氧颗粒污形成机理研究

好氧颗粒污泥的形成是一个长期而复杂的微生物生态学过程,目前对好氧颗粒污泥培养主要集中SBR反应器中进行,研究者们对好氧颗粒污泥的形成和机理主要从反应器的运行条件、物理化学角度和微生物角度进行解释.从SBR反应器的运行条件方面来看:SBR反应器的基质供给有明显的贫乏期(Famine)和充足期(Feast)[6],并利用沉淀时间的长短来对反应器中的微生物进行选择[7],通过曝气产生足够的剪切力[8].从物理化学角度来看,SBR反应体系内的水力剪切作用、短沉淀时间等选择压力,可有效提高细胞的疏水性并促进胞外多聚物(EPS)的分泌[9],较高的细胞表面疏水性和EPS可促进细胞相互聚集粘附,有利于好氧颗粒污泥的形成.从微生物学的角度来看,SBR反应体系内微生物是好氧颗粒污泥形成的首要条件.反应器中微生物首先在范德华力、表面电荷、离子架桥作用下,并通过细胞表面融合等形式发生物理、化学、生物化学等反应,产生絮凝现象;其次,在曝气产生的水力剪切作用的刺激下,微生物会分泌更多的胞外聚合物,增强絮凝颗粒的凝聚能力,最终实现好氧污泥颗粒化.水动力行为对好氧颗粒污泥形成的影响主要表现在水力剪切对污泥颗粒及好氧化的影响和水力剪切对好氧颗粒污泥胞外聚合物分泌的影响[10].

虽然SBR反应器培养好氧颗粒污泥取得较大的进展,但其存在培养的时间较长,且不能连续培养,对好氧颗粒技术工业化存在制约.如何加快好氧颗粒污泥的培养,一是加快好氧颗粒污泥原核的形成,二是实现连续培养.

2 好氧颗粒污泥混凝强化研究

在加快好氧颗粒污泥原核的形成的研究中,传统的是通过增加污泥的添加量、调节水力停留时间及曝气强度等方式来实现快速培养,但因为初期微生物的数量及EPS含量不能满足颗粒原核的形成,同时在水力剪切的作用下,对原核的形成不利.因此,选择适宜的絮凝剂在适宜的剪切条件下强化混凝,形成好氧颗粒污泥的原核——混凝颗粒,再利用混凝颗粒内的微生物的生长及水力剪切刺激微生物分泌胞外聚合物,促进混凝颗粒污泥好氧化,培养好氧颗粒污泥,符合好氧颗粒污泥培养要求,能够快速培养出好氧颗粒污泥.许多研究发现钙、镁[11,12]等具有混凝性能的金属离子的添加,能对微生物聚集体自固定起促进作用.在SBR反应器中,人工配制的污水常规培养好氧颗粒污泥形成最快的为14d[13],刘永军[14]等进行了好氧颗粒污泥造粒原理及稳定性调控研究,利用PAC强化SBR培养8天见到了好氧颗粒污泥.易诚等[15]在PAC、PAM及壳聚糖中从COD、浊度去除效果及絮凝颗粒结构等方面优选PAM作为混凝好氧颗粒污泥的絮凝剂,并利用PAM及二次流强化混凝的WSBR反应器培养4天,就见到了好氧颗粒污泥,经过培养,且其特性明显好于同实验条件下的 SBR内的好氧颗污泥[16,17].这就说明,混凝强化是可以加快好氧污泥颗粒化进程的.

3 好氧颗粒污泥连续培养研究

显然,尽管混凝强化能够加快好氧颗污泥的培养速度,但由于SBR反应器是间歇性的,不适宜于批量培养,要达到工业化培养好氧颗粒污泥的目的,必须实现连续培养.

近年来,国内外学者对连续流反应器中好氧颗粒污泥的培养和运行做过一些研究.在膜生物反应器(MBR)中接种普通絮体污泥,利用黄连素刺激微生物胞外多聚物的分泌,培养出好氧颗粒污泥,且较高的氨氮和磷酸盐浓度有利于连续流条件下好氧颗粒污泥结构的维持[18,19].邓风等[20]以NaCl作示踪剂,研究连续流好氧颗粒污泥反应器水流特性及亚硝化影响因素.吉林大学周丹丹等[21]利用连续流气提式好氧颗粒污泥流化床(CAFB)反应器培养好氧颗粒污泥形成过程、形成机理和颗粒性质进行研究.贾晓凤等[22]在上流式好氧颗粒污泥床反应器中,以厌氧颗粒污泥和好氧絮状活性污泥为接种泥,采用人工配制的模拟废水,成功培养出性能优异的好氧颗粒污泥.赵霞等[23]将上流式厌氧污泥床(UASB)与气升式间歇反应器(SBAR)相结合而形成连续流生物流化床,以活性污泥为种泥,在连续运行方式下培养好氧颗粒污泥.虽然目前有连续流反应器培养好氧颗粒污泥的研究,但总体说来,目前通过连续流反应器成功培养好氧颗粒污泥的研究仍相对较少,且对于连续流条件下好氧颗粒污泥形成和维持的关键控制因素缺乏明确、统一的认识,要推动好氧颗粒污泥的工业化培养,必须加大好氧颗粒污泥连续流条件下培养的关键控制技术的研究.

4 好氧颗粒污泥微生物检测方法

从好氧颗粒污泥培养的条件可知,好氧颗粒污泥形成的基本条件是微生物,微生物的自身凝聚及分泌EPS是好氧颗粒污泥形成的必要条件,好氧颗粒污泥中功能菌群主要分为三类[4]:一是参与污水中含氮有机物去除的脱氮功能菌;二是针对工业废水中难降解POPs的功能降解菌;三是分泌EPS以维持颗粒污泥结构稳定的生物絮凝菌.显然,好氧颗粒污泥形成的不同阶段,微生物种类会不相同,不同微生物种类对好氧颗粒污泥形成作用又不相同,分析出好氧颗粒污泥生成过程中微生物的变化及其对污泥好氧颗粒化的影响,对好氧颗粒污泥培养具有重要意义.

为更好地检测出好氧颗粒污中的微生物,在上世纪九十年代,分子生物学技术被广泛地运用废水生物处理技术的研究中,主要包括DNA测序及序列分析技术、聚合酶链式反应(PCR)技术、变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)、荧光原位杂交技术(FISH)等.其中由Sheffied于1989年首次提出聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,后来被广泛应用在研究水处理反应器中微生物及其群落结构组成、功能菌株的鉴定与选择及微生物强化作用等[24,25]方面.PCR—DGGE能够较准确地检测出污水处理过程中微生物多样性及其群落动态变化,群落中90%～99%的微生物物种能被检测,无论该物种细胞是活的、死的,还是活着但处于不可培养状态.目前,PCR-DGGE技术主要用于土壤、水域等环境微生物群落研究.在水处理工艺中,目前报道较多的是在A2/O工艺中,李娜等[24]利用PCRDGGE技术研究了A2/O工艺处理污水中的微生物群落结构,在好氧颗粒污泥中应用中,张斌等[25]利用PCR-DGGE技术研进行泥好氧颗粒化过程中微生物群落结构的演变与分析研究.

随着生物技术的发展,高通量测序是目前微生物群落多样性研究的主要方法,主要包括Roche/ 454、Illumina/Solexa和 ABI/SOLiD,而最常用的是Roche/454法的GS FLX Titaniumsequencing Kit XL +,最具潜力的为Illumina/Solexa法的MiSeq,而ABI/SOLiD应用相对较少.3种方法各具特点,但原理共同之处较多,如:可将目标DNA剪切为小片段;单个小片段DNA分子结合到固相表面;进行单分子独立扩增;每次只复制一次并检测信号;具有高分辨率的成像系统;高的输出量和高解析度等[26]. Miseq具有快速的实验周期、便捷的自动化样品制备流程、数据读长可达到双端300bp、数据准确度高、运行成本低,成为实验室和研究平台上受欢迎的微生物检测方法.但Roche 454数据读长更长,可以更全面更深度地解析环境样品中的微生物菌落结构,可以一次性对几十万到几百万条序列进行测定,不需要电泳分离、不需要荧光染色、不需要构建克隆文库,即可获得系统与全面的序列片段.由于Roche 454技术先进性,使其在环境微生物检测领域发挥着巨大作用.Zhang等[27]从中国、北美等地14个污水厂取样进行454焦磷酸测序分析,结合主因素分析揭示污水厂核心菌属.并利用Roche 454揭示了活性污泥中引起污泥膨胀和泡沫的细菌[28],从而提出相对应调控措施.戴昕等[4]利用Roche 454技术研究了SBR反应器好氧颗粒污泥工艺运行过程重要功能菌群.

5 好氧颗粒污泥CFD研究

研究表明,流体剪切对好氧颗粒污泥的形成具有十分重要的作用.目前在SBR反应器内进行水动力学特性研究和参数确定的方法有两种,一种是实验法,包括侵入式测试法和非侵入式测试法.侵入式测试法对流场的搅动较大,如流场中的颗粒相较多,对探头容易造成侵蚀.非侵入式测试法如粒子图像测速(PIV)法和激光多普勒测速(LDA)法,具有对流场无干扰的优点,但实际操作比较复杂,一般用于处理离散相较少的速度场,且成本高,实际操作中往往效果不佳,甚至难以实现.另一种是计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)模拟的方法,它是将特定条件下流体的流动信息,利用计算机进行模拟代替试验操作的过程,为工程技术人员在不便于进行试验研究的条件下,提供了一种高效的数值模拟实际工况研究途径,广泛应用于流体机械、土木水利、环境工程和热能动力等领域. Sun等[29]于2006年采用欧拉—欧拉—拉格朗日模型数值模拟了表面曝气型搅拌槽内的气—液两相流流动与传质行为.2007年 Delgado等[30]采用欧拉—欧拉模型对SBR反应器内的泥、水、气三相流动进行了数值模拟与试验研究,并研究了反应器尺寸对流体流动及其对污泥颗粒化的影响.刘丽[31]采用CFD对SBR反应器内的宏观流态进行数值模拟,考察其流态特征对好氧颗粒污泥的影响.程力维[32]以SBR反应器为研究对象,研究了不同运行参数(曝气量和搅拌器转速)和结构参数(高径比),对好氧颗粒污泥培养的影响;并利用三维欧拉模型研究搅拌桨转速、高径比(H/D)和曝气量对反应器内气—液二相流流体力学特性;用二维混合模型研究曝气孔数量、表观气速和高径比(H/D)对反应器内固—液—气三相流流体动力学特性.目前对好氧颗粒污泥培养的SBR反应器内水动力学研究重点还是主要集中在相关操作参数对污泥颗粒化的影响.但未见有CFD技术应用于连续流培养好氧颗粒污泥的报道.

综上所述,好氧颗粒污泥培养研究中,有通过混凝强化加快培养好氧颗粒污的研究报道,也有连续气提流化培养好氧颗粒污泥的研究报道,但没有通过混凝强化与气提流化相结合连续培养好氧颗粒污泥的研究报道.而通过混凝强化与气提流化相结合连续培养好氧颗粒污泥,无疑可以加快好氧颗粒污泥的培养速度.在好氧颗粒污形成机制的影响研究中,有利用微生物群落的高通量测序技术的研究,也有利用水力学CFD研究,没有利用高通量测序与CFD相结合的研究报道,研究均具有一定的片面性.为全面研究污泥好氧颗粒化机制,利用CFD技术模拟反应器固—液—气三相流对好氧污泥颗粒化的影响,并利用Roche454技术,分析流体力学条件下的混凝颗粒及好氧颗粒污泥的微生物种群的变化及其对污泥好氧颗粒化的影响,实现全面分析,能够快速准确地揭示出好氧颗粒污泥的形成机理.

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Research Progress of Aerobic Granular Sludge

YICheng1, LONG Jiu-mei1, CHEN Jin-duan2, LIU Zuo-yun2

(1.Department of Life Science,Hengyang Normal University,Hengyang 421008,China;2.Department of Landscape Architecture,Hunan Polytechnic of Environment and Biology,Hengyang 421002,China)

The study on aerobic granular sludge is now a hotspot for aerobic granular sludge has incomparable advantages compared with anaerobic granular sludge and activated sludge.This paper,making a review from the aspects of the formationmechanism,intensive and continuous culture of coagulation,microbial detection and fluid CFD simulation of aerobic granular sludge,makes a conclusion that the combination of intensive and continuous culture of coagulation is the development direction of cultivating aerobic granular sludge.Currently,high energy sequencing and CFD technology are effective means to research the formation of aerobic granular sludge.32refs.

aerobic granular sludge; coagulation; continuous culture; high throughput sequencing;CFD

X799.3;X78

A

2095-7300(2015)03-037-05

2015-06-21

湖南省自然科学基金(编号:2015JJ2018);衡阳市科技计划项目(编号:2014KS36);衡阳师范学院科学基金(编号:13B37)

易 诚(1970-),男,湖南衡阳人,博士,教授.研究方向:水污染控制.

Biography:YICheng,born in 1970,male,professor(Ph.D.),research direction for water pollution control.