厌氧颗粒污泥的形成及其应用的研究进展

吴正杰，成 凌

(扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225100)

目前对于高浓度有机废水的处理中多采用厌氧生物处理法。上流式厌氧反应器(UASB)诞生后，在UASB应用的过程中有研究者发现，反应器内出现相对较为密实的颗粒污泥，而且上面聚集生长这多种厌氧微生物，能够参与厌氧反应器内有机物的降解工作。同时颗粒污泥与絮状污泥相比较有较好的沉降性能，可以大大提高污泥的停留时间，增加反应器内的生物量。所以活性较高的厌氧颗粒污泥也是UASB启动成功的一项重要特征。厌氧颗粒污泥的生长状态成为判断反应器是否稳定运行的一项重要指标，一直以来关于厌氧颗粒污泥的形成和应用的研究都备受广大学者的关注。

1 厌氧颗粒污泥的特性

1.1 物理特性

厌氧颗粒污泥是相对与一般厌氧反应器中的絮状污泥而言。相较于絮状污泥颗粒污泥的密度较大，一般为1025～1080 g/cm3。具有一定的形状，常见有圆形、椭圆形等。颗粒污泥的沉降性能较好，按照颗粒污泥的沉降速度，将颗粒污泥分为三个等级，沉降性能不好(18～ 20 m/h)、满意(18～50 m/h)和很好(50～100 m/h)。厌氧颗粒污泥的颜色多为黑、灰两种颜色，反应器内所添加的金属元素决定了颗粒污泥具体呈现的颜色。

1.2 生物特性

在厌氧条件下颗粒污泥上生长着多种厌氧菌群落，外层为水解酸化菌，内层为产甲烷菌。这些菌类的协同作用将污水中的有机物降解掉，最终降解成甲烷和二氧化碳从水中释放，达到去除有机物的作用。在厌氧系统中有机物的降解可分为四个阶段：第一阶段污泥中的水解菌将污水中大分子有机物水解成小分子可溶性有机物(氨基酸、长链脂肪酸、多糖)。第二阶段小分子可溶性有机物经酸化菌酸化成短链脂肪酸，醇类、酮类。第三阶段在产酸产氢菌的作用下将短链脂肪酸分解成乙酸、氢气和二氧化碳，此时一部分有机物就以二氧化碳的形式从水体释放。第四阶乙酸和氢气在甲烷菌的作用下产生甲烷气体，达到降低水中有机物的目的。

2 颗粒污泥形成的研究

污泥颗粒化的过程相当复杂，研究者从不同学科的不同角度对厌氧颗粒污泥形成原因进行分析，并且提出了各种假说，胞外多聚物假说、自凝聚假说、晶核假说、选择压驱动假说等。目前对于厌氧颗粒污泥的形成还没有较为全面的理论，但是从很多研究报道来看。大多数的研究这对于这几个理论研究较多，研究者从这些假说中寻找促进污泥颗粒化的方法。

2.1 不同添加物对颗粒形成的影响

近年来有许多研究者在实验过程中发现，在UASB启动时添加一些惰性物质可以促进污泥的颗粒化。例如活性炭粉末、麦麸和一些絮凝剂等物质。刘等[1]实验对比了木质素纤维、黄原胶和微生物絮凝剂对污泥颗粒化的影响，实验发现三种物质均有利于实现污泥颗粒化。实验以血清瓶作为厌氧反应器，三种添加物的最优量分别为：木质素纤维1 g/3gMLSS、黄原胶60 mg/3gMLSS、微生物絮凝剂30 mL/3gMLSS。经过35天的培养，对比培养出的颗粒污泥机械强度大小发现，木质素纤维>黄原胶>微生物絮凝剂。机械强度大相对来说颗粒污泥的完整性就较好。不同添加物对颗粒污泥中EPS的促进作用：微生物絮凝剂>黄原胶>木质素纤维。根据“胞外多聚物假说”原理，EPS可以使污泥表面呈现疏水性粘合微生物细胞和颗粒物质，从而促使颗粒污泥的形成。微生物絮凝剂和黄原胶促进污泥颗粒化的相关相对与木质素纤维较好。张等[2]基于“晶核假说”对污泥颗粒化进行研究。以活性炭作为晶核，探究活性炭对污泥颗粒化的影响。结果表明活性炭的投加有利于污泥的颗粒化、提高污泥的沉降性能，且颗粒化速度与活性炭投加量呈正相关。

颗粒污泥作为微生物的载体，颗粒上附着这较多的微生物，有研究者从微生物的角度出发研究微生物对颗粒污泥形成的影响。龚等[3]向膨胀污泥床(EGSB)中添加甲烷鬃菌，发现在EGSB启动过程中投加甲烷鬃菌可以有效地加快颗粒污泥的形成，提高沉降性能，加快反应器的启动。甲烷鬃菌添加后可以减少甲烷菌的流失，颗粒污泥富集的菌落更加丰富，提高反应器的去除率。

2.2 水流剪切力、负荷对颗粒污泥形成影响

上流式厌氧反应器内的上升流速是对颗粒污泥的一种筛选，当水流剪切力过大时就会有相对较为松散的颗粒污泥被冲散。王等[4]对比UASB在三个不同水力停留时间情况下颗粒污泥变化情况。研究者将HRT从10 h降至5 h再降至2.5 h,观察反应器内粒径大于1000 μm的颗粒污泥，发现粒径大于1000 μm颗粒污泥占比分别为31.82%、17.18%、27.8%，且HRT为2.5 h时形成的颗粒污泥更加密实。这是由于在HRT缩短为5h时，水流剪切力将较为松散的颗粒污泥冲散成较小的颗粒。HRT为2.5 h时由于有机负荷足够大，有足够的营养条件共微生物生长，所以被冲散的小颗粒逐渐长大形成更加密实的颗粒污泥。

在一定的范围内提高水流剪切力可以提高颗粒污泥的密实度、沉降性能和微生物的丰度。反应器内水流剪切力增大，使得颗粒污泥运动更加激烈，较为松散的颗粒污泥发生解体。同时在提高水流剪切力后负荷的增加，使得污泥有足够的营养物质支持污泥的生长。营养充足的微生物会合成更多EPS。所以当颗粒发生碰撞时就可以大概率的结合成为更加密实的颗粒污泥。

2.3 其他影响因素

除了上述因素外，有研究者研究金属元素和不同类型的接种污泥对污泥颗粒化的影响。张等[5]研究发现厌氧反应器内加入Fe3+后，反应器内EPS的总含量要比空白组反应器的含量多28.37%。Fe3+参与微生物的各种代谢活动，是微生物代谢的必要元素，能够促进微生物生产EPS，加快颗粒的形成。污泥的初始状态对其颗粒化也有很大，史等[6]将内循环反应器接种絮状污泥经历140 d启动成功。徐等[7]将好养剩余污泥经过压滤后接种到IC反应器，研究其颗粒化进程。一个月后出现颗粒污泥，最终培养出的颗粒污泥粒径可达1.5～2.5 mm。

3 厌氧颗粒污泥的应用

厌氧颗粒污泥的首次发现是在UASB内，此后颗粒污泥的出现成为很多厌氧反应器启动成功的重要的特征。具有良好的沉降性能颗粒污泥，使其在高负荷的反应器内可以有很长的停留时间。颗粒污泥的表面上有很多空隙，增加颗粒污泥与水的接触面积，为复杂的微生物菌落提供附着生存空间，同时使得颗粒污泥具有较强的吸附能力。这些颗粒污泥自身的特性使得颗粒污泥颗粒污泥去除有机物的效率很高。这也是颗粒污泥在能够有效处理高浓度有机废水的原因，比如乳制品废水、印染废水和较为复杂的制药废水。近年来有研究者利用颗粒污泥的吸附性对水体中重金属离子的吸附去除效果。王等[8]利用厌氧颗粒污泥的生物还原和生物吸附能力，对水体中的Cr6+除率高达95%。陈等[9]探究厌氧颗粒污泥的投加量、温度、pH以及吸附时间对颗粒污泥吸附Cr6+的影响。韩等[10]研究厌氧颗粒污泥对于Pb2+去除效果，发现通过吸附和沉淀效应可以有效的去除水中的Pb2+。且Pb2+的毒性作用对颗粒污泥影响较小。

4 结语

关于厌氧颗粒污泥形成的原因还没有一个较为全面的理论，但是从很多学者基于现有假说的研究结果来看，这些假说诠释了一些颗粒污泥形成的原因。最终解释清楚这个复杂的过程，还需要多个学科从各个方面进行解释说明和探究。

厌氧颗粒污泥相较于絮状污泥有着很多的有点，但是在实际的工程实践中发现，很多因素能够影响到颗粒的稳定。当条件不适宜是就会发生裂解变成絮状污泥，此时水力负荷过大就会导致污泥流失，甚至厌氧系统的崩溃，所以厌氧颗粒污泥在实际工程中运行时需要较高的操作管理水平，否则颗粒污泥会很快在反应器内解体成絮状。如何使颗粒污泥稳定保证厌氧系统稳定运行是未来研究的方向之一。