连续流态下好氧颗粒污泥技术的研究进展

黄全江，王三反，吴　楠，贺　辉，于文统，丛　林

(兰州交通大学 寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州730070)



连续流态下好氧颗粒污泥技术的研究进展

黄全江，王三反，吴楠，贺辉，于文统，丛林

(兰州交通大学 寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州730070)

概述了连续流态下好氧颗粒污泥技术的研究进展,包括连续流态下好氧颗粒污泥的形成机理、影响因素和反应器的特点，并对该技术的应用前景进行了展望。

连续流；好氧颗粒污泥；机理；影响因素；反应器

好氧颗粒污泥技术以其良好的沉降性能和较高的污染物处理能力，受到越来越多学者的热捧。好氧颗粒污泥的研究最早可以追溯到1991年，Mishima等[1]在连续流好氧升流式污泥床反应器(AUSB)中成功培养出了好氧颗粒污泥，然而其运行条件苛刻(必须以纯氧曝气)，且不具备脱氮除磷性能。之后研究发现[2]，序批式反应器(SBR)相对于传统连续流反应器有更强的水力传质压力、更优良的污泥筛分效果、更佳的丝状菌控制性能，能够相对容易地培养出性能优异的好氧颗粒污泥。目前，好氧颗粒污泥的研究大都集中在SBR中。但是，SBR只适用于小型污水处理系统，与实际工程中的大型污水处理系统——连续流反应系统还存在一定的差距。作者概述了连续流态下好氧颗粒污泥技术的研究进展，并展望了其应用前景。

1　连续流态下好氧颗粒污泥的形成机理

连续流态下的好氧颗粒污泥在本质上同SBR中的好氧颗粒污泥一样，是微生物借助反应器中特殊的水力条件，改变其自身的细胞表面特性或代谢机制，通过黏附作用而形成的聚集体。关于其形成过程，目前比较公认的颗粒化过程是Liu等[3]提出的4步途径模型：

(1)在物理作用力下，微生物之间相互靠拢或向附着体表面运动，形成最初的微生物聚集体。已经存在的微生物聚集体和惰性物质均可以作为微生物生长附着的载体或晶核；(2)微生物之间、微生物与附着体之间在物理、化学和生物的作用力下相互吸附，微生物聚集体进一步变大、紧密，但是这种吸附并不稳定而是可逆的；(3)微生物之间通过胞外聚合物产生的生物凝胶强有力地相互粘连、吸附在一起，这种吸附不再可逆，微生物聚集体逐步趋于稳定；(4)在水力剪切力对微生物聚集体的塑形作用下，微生物聚集体更加致密，生物间的间距进一步缩小，结构更加紧密，最终形成好氧颗粒污泥。

2　连续流态下培养好氧颗粒污泥的影响因素

连续流反应器和间歇式反应器的主要区别是进水方式的差异，而进水方式对污泥的形态及其沉降性能影响很大。连续流反应器中培养好氧颗粒污泥的主要影响因素有水力剪切力、沉淀时间、饱食-饥饿期、基质类型及有机负荷等。

2.1水力剪切力

水力剪切力是上升的水流或气流对好氧颗粒污泥表面形成的剪切作用力，其作用机理是对生物体施加一定的生物选择压，一般通过表面气速表征。由于不同剪切力下的微生物的聚集性质有所差异，所以最终形成的好氧颗粒污泥的粒径、外形结构、沉降性能等也各不相同。研究表明[4-5]，一定强度的剪切力是好氧颗粒污泥形成的必要条件，提高剪切力强度，可以在一定程度上提高生物固体浓度和沉降性能，同时增强微生物活性，较高的剪切力能促进好氧颗粒污泥的形成。牛姝等[6]在三相分离型反应器(CAFB)中培养好氧颗粒污泥时发现，连续流反应器中不存在对循环时间和沉淀时间的控制，剪切力是促进好氧颗粒污泥形成的主要因素。由流体剪切力模型可知，连续流水流作用施加于颗粒或絮体表面的剪切力远大于SBR中气相施加的剪切力，因此在连续流态下培养的好氧颗粒污泥性能比SBR中的更加优异。

2.2沉淀时间

沉淀时间影响好氧颗粒污泥培养过程中絮凝体的筛分过程。在较短的沉淀时间下，水力条件将促进污泥的筛分，使松散的絮状污泥被筛除，而密度较大的颗粒污泥将继续留在反应器中。随着时间的推进，颗粒污泥逐渐成为优势菌群。有研究表明[7]，较短的沉淀时间会促使细胞表面生成更多的胞外聚合物，胞外聚合物能够提升细胞表面的疏水性，进而促进颗粒污泥的形成。然而，鲁文娟等[8]研究发现，在连续流传统活性污泥系统中进行的好氧颗粒污泥培养，即使污泥沉淀时间设为2.0 h，仍可以成功培养出好氧颗粒污泥，这表明较短的沉淀时间并不是好氧颗粒污泥形成的必要条件。

2.3饱食-饥饿期

饱食-饥饿期是影响好氧颗粒污泥的培养与保持稳定的一个关键因素。Liu等[9-10]研究发现，较短的饥饿期能够加快颗粒污泥的形成速度，但形成的颗粒污泥不稳定。丝状菌的过度繁殖是好氧颗粒污泥解体的主要原因之一[11]。de Icreuk等[12]发现丝状菌有机体只在低基质浓度梯度的污泥絮凝组织中过度繁殖。在连续流反应器中，由于反应器内基质充分混合，颗粒污泥表层几乎不存在基质浓度梯度，而在颗粒污泥内部却容易形成易于丝状菌繁殖的基质浓度梯度[13]。此外，众多研究表明，交替的饱食-饥饿期变化能够抑制丝状菌的繁殖，同时也可以促进颗粒絮凝体的生成。没有饱食-饥饿期的变化，絮凝体将不会发展成为优势群体。刘琳[14]研究了饥饿时间对稳态好氧颗粒污泥系统的影响，发现短的饥饿期并不会引起颗粒污泥的失稳，但长的饥饿期会引发丝状菌的大量繁殖，进而导致系统的崩溃。这说明合适的饥饿时间可以促进颗粒污泥系统长期稳定运行，实现系统节能且保持高效，但较长的饥饿期并不可取。

2.4基质类型及有机负荷

好氧颗粒污泥与一般生物膜类似，能够用于一般生物培养的基质基本上都可用于好氧颗粒污泥的培养，基质类型对好氧颗粒污泥的形成过程基本无影响，但是不同有机质培养的好氧颗粒污泥菌群组成及结构却有很大的差别。在以葡萄糖为主要基质的培养体系中，形成的好氧颗粒污泥表面容易长出大量丝状菌，外观呈绒毛状，而在以醋酸钠为主要基质的反应器内，形成的好氧颗粒污泥结构紧密，颗粒污泥主要是由杆菌组成[15]。随着基质成分种类的增多，好氧颗粒污泥的菌群结构也呈现出多样化趋势[16]。

基于SBR的大量研究表明，有机负荷的大小影响系统内细菌的生长速率[17]，一定负荷范围内，负荷越高，颗粒污泥的粒径越大，但其结构却越松散，培养后期极易发生颗粒污泥的解体。然而，沈耀良等[18]对连续流反应器中培养好氧颗粒污泥的运行效能进行研究时发现，增加进水中有机物浓度，不仅能加速污泥颗粒化，而且可以使反应器更加稳定高效地运行。因此，好氧颗粒污泥在连续流反应器内对有机负荷的变化适应性比在SBR内更强，这将有利于连续流反应器的应用推广。

3　常见连续流态下培养好氧颗粒污泥的反应器特点

与传统的SBR好氧颗粒污泥不同，连续流反应器不存在静态的沉降过程，因此在反应器内需要另加泥水分离装置进行泥水分离。根据泥水分离机制的不同，连续流好氧颗粒污泥反应器可以分为重力沉降分离型、三相分离型和过滤分离型。

3.1重力沉降分离型反应器

重力沉降分离型反应器的主要特征是在反应区内设立专门的沉降区域，依靠好氧颗粒污泥的优良沉降性能实现装置内的泥水良好分离。设立的沉降区可以是单独的二沉池[18]，也可以是在主反应区设置一定的沉降区[8]，甚至可以把排泥管道作为沉降区[19]。然而对表面水力负荷的选择难以保持对颗粒污泥的筛分与系统稳定同时有效，因此，目前关于重力沉降分离型反应器的研究并不多见。

3.2三相分离型反应器

三相分离型反应器(CAFB)是目前连续流培养好氧颗粒污泥的主要反应装置，通常结构是升流区、降流区及三相分离器。CAFB由于其较大的高径比和反应器中液、气的密度差而使得混合液产生规则的内循环流。这种内循环流具有以下优点[6]：(1)增强污泥絮体和小颗粒聚集的剪切作用力；(2)作用于颗粒污泥表面，有助于形成表面平滑、形状规则的颗粒污泥；(3)循环流量远大于进水流量，污水实际停留时间较长；(4)反应器内混合液浓度均一，属于完全混合态，相较SBR的流态具有较强的抗冲击负荷能力。

研究发现[20-23]，与SBR中好氧颗粒污泥的形成不同，CAFB中好氧颗粒污泥的形成不受沉降时间、进水有机物浓度等的影响，内循环产生的水力剪切力是促进好氧颗粒污泥形成的主要作用力。虽然三相分离器能够很好地实现泥水分离，但还不能完全满足好氧颗粒污泥反应器内剧烈的气流扰动及选择性排泥的要求，因此，三相分离器还需要优化设计。

3.3过滤分离型反应器

过滤分离型反应器的原理是利用筛网对颗粒污泥进行筛分，使得大小适宜的好氧颗粒污泥保留在反应器内。Liu等[24-25]利用添加筛网的生物选择池的连续流自生动态膜反应器与传统好氧颗粒污泥反应器对颗粒污泥稳定性进行研究，结果表明，通过粒径选择培养的好氧颗粒污泥与水力选择压培养的性能没有太大区别，粒径选择培养的颗粒污泥有更大的粒径、更低的含水率和更好的脱氮除磷效率,但其沉降性能不如水力选择压培养的。虽然这种泥水分离方式具有较高的筛分效率，但其运行及控制都较为繁琐，且易堵塞筛网，并不适宜大规模应用。

4　存在的问题与展望

目前，运用连续流反应器培养好氧颗粒污泥普遍存在如下问题：(1)连续流态下好氧颗粒污泥形成的机理尚不明确，在SBR内对好氧颗粒污泥适宜的条件，在连续流反应器内不一定仍然适宜；(2)连续流反应器与SBR对不同影响因素的控制难易程度不一，SBR中易于调节的部分因素在连续流反应器中不存在或难以控制；(3)连续流反应器的设计复杂，难以直接应用于实际工程中。因此，需要加强连续流态下好氧颗粒污泥的形成机理研究，对连续流反应器的结构与控制进行优化改进。

尽管目前连续流反应器中好氧颗粒污泥的培养研究较少，但已经有越来越多的学者开始对其关注、研究，并取得了一定成果。连续流反应器相较SBR具有更多的工程应用可能性，随着技术的进步，相信不难实现连续流好氧颗粒污泥技术的实际工程应用。

[1]MISHIMA K，NAKAMURA M.Self-immobilization of aerobic activated sludge.a pilot study of the process in municipal sewage treatment[J].Water Sci Techno,1991(23):981-990.

[2]MORGENROTH E，SHERDEN T，HEIJNEN JJ，et al.Aerobic granular sludge in a sequencing batch reactor[J].Water Research，1997，31(12):3191-3194.

[3]LIU Y Q，TAY J H.The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge[J].Water Research,2002,36(7):1653-1665.

[4]DULEKGURGEN E，YILMAZ M,WILDERER P A.Shape and surface topology of anaerobic/aerobic granules influenced by shearing conditions[C]//4th IWA Specialized Conference on Sequencing Batch Reactor Technology,Roma,Italy,2008:7-10.

[5]TAY J H，LIU Q S，LIU Y.The effects of shear force on the formation structure and metabolism of aerobic granules[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2001,57(1/2):227-233.

[6]牛姝，段百川，张柞黛，等.连续流态下以城市污水培养好氧颗粒污泥及颗粒特性研究[J].环境科学，2013(3):986-992.

[7]QIN L，LIU Y，TAY J H.Effect of settling time on aerobic granulation in sequencing batch reactor[J].Biochemical Engineering Journal,2004,21(1):47-52.

[8]鲁文娟，陈希，袁林江.连续流传统活性污泥系统中好氧颗粒污泥的培养[J].环境工程学报，2013(6):2069-2073.

[9]LIU Y Q，TAY J H.Influence of starvation time on formation and stability of aerobic granules in sequencing batch reactors[J].Bioresource Technology,2008,99(5):980-985.

[10]LIU Y Q，TAY J H.Characteristics and stability of aerobic granules cultivated with different starvation time[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2007,75(1):205-210.

[11]MORALES N，PIGUEROA M，MOSQUERA-CORRAL A,et al.Aerobic granular-type biomass development in a continuous stirred tank reactor[J].Sep Purif Technol，2012，89:199-205.

[12]de ICREUK M，KISHIDA N，TSUNEDA S，et al.Behavior of polymeric substrates in an aerobic granular sludge system[J].Water Research,2010,44:5929-5938.

[13]ZHOU D D，NIU S，XIONG Y J，et al.Microbial selection pressure is not a prerequisite for granulation:dynamic granulation and microbial community study in a complete mixing bioreactor[J].Bioresource Technology,2014,161:102-108.

[14]刘琳.好氧颗粒污泥的培养及稳定运行研究[D].哈尔滨:东北林业大学，2010.

[15]TAY J H，LIU Q S，LIU Y.Microscopic observation of aerobic granulation in sequential aerobic sludge blanket reactor[J].Journal of Applied Microbiology，2001,91(1):168-175.

[16]MOY B Y P，TAY J H，TOH S K，et al.High organic loading influences the physical characteristics of aerobic sludge granules [J].Letters in Applied Microbiology，2002，34(6)：407-412.

[17]PEYONG Y N，ZHOU Y，ABDULLAH A Z，et al.The effect of organic loading rates and nitrogenous compounds on the aerobic granules developed using low strength waste water[J].Biochemical Engineering Journal,2012,67:52-59.

[18]沈耀良，李媛，孙立柱.连续流反应器中培养好氧颗粒污泥的运行效能研究[J].环境污染与防治，2010(1):1-8.

[19]李媛，沈耀良，孙立柱.采用CSTR反应器培养好氧颗粒污泥的研究[J].中国给水排水，2008，24(5):10-13.

[20]MORALES N，FIGUEROA M，MOSQUERA-CORRAL A，et al.Aerobic granular-type biomass development in a continuous stirred tank reactor[J].Separation and Purification Technology,2012，89(222):199-205.

[21]ZHOU D D，LIU M Y，WANG J，et al.Granulation of activated sludge in a continuous flow airlift reactor by strong drag force[J].Biotechnology and Bioprocess Engineering，2013，18(2):289-299.

[22]ZHOU D D，DONG S S，GAO L L，et al.Distribution characteristics of extracellular pobmeric substances and cells of aerobic granules cultivated in a continuous-flow airlift reactor[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2013，88(5):942-947.

[23]YANG Y，ZHOU D D，XU Z X，et al.Enhanced aerobic granulation,stabilization，and nitrification in a continuous-flow bioreactor by inoculating biofilms[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2014，98(12):5737-5745.

[24]LIU H B，LI Y J，YANG C Z，et al.Stable aerobic granules in continuous-flow bioreactor with self-forming dynamic membrane[J].Bioresource Technology,2012,121:111-118.

[25]LIU H B，XIAO H，HUANG S，et al.Aerobic granules cultivated and operated in continuous-flow bioreactor under particle-size selective pressure[J].Journal of Environmental Sciences，2014(11):2215-2221.

Research Progress on Aerobic Granular Sludge Technology under Continuous-Flow Condition

HUANG Quan-jiang，WANG San-fan，WU Nan，HE Hui，YU Wen-tong，CONG Lin

(TheEngineeringResearchCenterofMinistryofEducationinColdandAridAreasWaterResourcesComprehensiveUtilization，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070,China)

Researchprogressonaerobicgranularsludgetechnologyunderacontinuous-flowconditionisreviewed，includingtheformationmechanismofaerobicgranularsludgeunderacontinuous-flowcondition，influencefactorsandthecharacteristicsofthereactor.Theapplicationsofthistechnologyareprospected.

continuous-flow；aerobicgranularsludge；mechanism；influencefactor；reactor

2016-04-04

黄全江(1993-)，男，江西抚州人，硕士研究生，研究方向：水处理技术及膜技术，E-mail：hqjspring@126.com；通讯作者：王三反，教授，E-mail:ty197@mail.lzjtu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.003

X 703.1

A

1672-5425(2016)09-0012-03

黄全江，王三反，吴楠，等.连续流态下好氧颗粒污泥技术的研究进展[J].化学与生物工程，2016，33(9)：12-14，22.