好氧颗粒污泥培养影响因素研究

刘清 暴瑞玲 鲁金凤

摘      要： 好氧颗粒污泥相比于传统活性污泥，生物量大，沉降速度快，颗粒内部的分层结构使其具有同步脱氮除磷的功能。综述了水力剪切力、沉降时间、污泥负荷、温度、pH、接种污泥对好氧颗粒污泥培养的影响。

关  键  词：好氧颗粒污泥;影响因素;胞外聚合物;稳定性

中图分类号：X703.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）05-0973-04

Abstract： Compared with traditional activated sludge， aerobic granular sludge has large biomass， high sedimentation rate， and its layered structure makes it have the function of synchronous denitrification and phosphorus removal. In this paper， the influences of hydrodynamic shear force， sedimentation time， sludge loading， temperature， pH and inoculation sludge on aerobic granular sludge cultivation were summarized， so as to provide guidance for the subsequent research on aerobic granular sludge technology.

Key words： Aerobic granular sludge; Influencing factors; EPS; Stability

好氧颗粒污泥是由微生物自凝聚作用形成的一种特殊的生物膜，生物量大，沉降速度快，与传统活性污泥法相比，无须二沉池，其占地面积小。好氧颗粒污泥在流体剪切力的作用下，一般呈椭球状或球状，平均粒径分布在0.2～5.0 mm。由于其较大的粒径以及密实的结构，限制了氧气向颗粒内部传输，从而在颗粒内部形成了厌氧或缺氧区，使好氧颗粒污泥具有同步脱氮除磷功能。污泥颗粒化是一个复杂的物理、化学、生物过程，虽然有许多学者提出了相关假说，如自凝聚假说[1]、EPS假说[2]、丝状菌假说[3]等，但都不能完整的诠释整个好氧颗粒污泥形成过程。好氧颗粒污泥工艺需要在相当严格的条件下运行，受到诸多因素影响，如水力剪切力、沉降时间、污泥负荷、外界环境（温度、pH）、接种污泥等。因此本文综述了上述因素对好氧颗粒污泥培养的影响，以期为后续好氧颗粒污泥工艺的研究提供指导。

1  好氧颗粒污泥培养影响因素

1.1  水力剪切力

水力剪切力一般通过表观气速的大小来量化，主要受曝气强度和高径比（H/D）的影响，已有大量研究报道水力剪切力在好氧颗粒污泥的形成过程中扮演着非常重要的角色，对好氧颗粒污泥的性状也有影响。较高的剪切力有利于提高细胞的疏水性，疏水结合在细胞与细胞的相互作用中起着重要的作用，它可以诱导细菌的自凝聚，使细菌进一步紧密地结合在一起。从热力学的角度来看，提高细胞疏水性会降低细胞的吉布斯能，易导致固相液相分离，促进微生物的聚集。Tay[4]等分别在表观气速0.3、1.2、2.4、3.6 cm/s的条件下培养好氧颗粒污泥，发现在表观气速高于1.2 cm/s的反应器成功实现污泥颗粒化，表观气速0.3 cm/s的反应器只有常规的微生物絮凝体，对比二者的疏水性，胞外多糖的含量，发现颗粒污泥均高于微生物絮凝体，这意味着较高的剪切力有利于刺激胞外多糖的产生，胞外多糖能促进微生物的自凝聚。Yao[5]等在表观气速为0.8 cm/s的条件下培育出好氧颗粒污泥，但颗粒结构松散，稳定性差。这些研究都表明高剪切力对污泥造粒是十分必要的。但Henriet[6]等报道在表观气速为0.42 cm/s的反应器内发现成熟的好氧颗粒污泥，结果表明剪切力对污泥颗粒化的影响与其他因素如有机负荷等有一定关联。随后Devlin[7]等报道在低水力剪切力下（0.42 cm/s）处理低负荷废水（COD 340 mg/L）能使污泥颗粒化，处理较高负荷废水（COD 630 mg/L，1 300 mg/L）则不能形成成熟的颗粒污泥，这意味着，有机负荷、流体剪切力共同影响着好氧颗粒污泥的形成，在低剪切力条件下培养好氧颗粒污泥已成为可能。这一进步有利于降低污泥颗粒化对曝气的要求，进而减少污水厂的运行费用，具有重要意义。

1.2  沉降时间

沉降时间作为好氧颗粒形成的关键因素，调整沉降时间被视为筛选反应器内微生物的重要手段之一。沉降时间设置较低（<10 min），能使反应器快速选择沉降性好的微生物絮凝体，排出沉降性较差的污泥。Qin[8]等研究了沉降时间对污泥颗粒化的影响，运行4个反应器（R1-R4），反应器运行周期4 h，进水5 min， 出水5 min， 表观气速为2.4 cm/s，沉降时间分別为5 min、10 min、15 min、20 min，结果发现R1最早形成颗粒污泥，R4无颗粒污泥产生，对比R1-R3中颗粒污泥的性状，R1中颗粒污泥疏水性最好，胞外多糖含量最高，这是因为缩短沉降时间能改善细胞的疏水性，促进胞外多糖的分泌，缩短好氧颗粒污泥的形成时间。Adav[9]等研究了不同沉降时间（10、7、5 min）， 以乙酸为碳源的反应器的污泥颗粒化情况。研究者发现与接种的絮状污泥相比，不同沉淀时间培育的颗粒污泥的微生物种群结构发生了巨大的变化，微生物多样性大大减少，较短的沉降时间导致絮凝性差的菌株的流失，使颗粒的生物多样性降低。这样絮凝性好的菌株可以在颗粒中富集，而不与被淘汰的絮凝性差的菌株竞争。此外，Yang[10]等在沉降时间为2 min的反应器内实现污泥颗粒化。付尧[11]等通过逐渐缩短沉降时间（10～4 min），在低水力负荷条件下，培养出成熟的好氧颗粒污泥，颗粒污泥去除有机物效果良好。由此可见，较短的沉降时间对于好氧颗粒的形成是必需的，逐渐缩短沉降时间的方法已广泛应用于好氧颗粒污泥技术。总的来说，为了培养出成熟的好氧颗粒污泥，多数SBR反应器的沉降时间一般为2～10 min。

1.3  污泥负荷

污泥负荷在废水处理系统中是非常重要的指标，影响微生物的生长和污染物去除效果。污泥负荷虽然不是好氧颗粒污泥形成的决定性因素，但与颗粒污泥EPS的组成与含量、微生物多样性、形成时间和污染物去除效果息息相关。Janga[12]等报道污泥EPS含量随污泥负荷（0.13～0.29 g COD/（g VSS·d））的增加而增加，污泥负荷越高，污泥（絮状污泥）EPS对进水中的蛋白质和多糖吸收能力也就越强。Tay[13]等发现较低的污泥负荷（0.33 g COD/（g VSS·d））有利于颗粒的稳定。Kang[14]等发现当污泥负荷从0.4 g COD/（g VSS·d）降至0.2 g COD/（g VSS·d） 时，颗粒污泥开始解体，恢复至0.4 g COD/（g VSS·d） 时，颗粒污泥重新形成。虽然较低的污泥负荷能培养小粒径的颗粒污泥以维持反应器的稳定性，但是污泥负荷过低，会导致EPS产量的减少，不利于好氧颗粒污泥的形成，因此建议最佳污泥负荷为0.4 g COD/（g VSS·d）。这一结论与Wu[15]等研究成果相符，其研究了不同污泥负荷对好氧颗粒污泥稳定运行的影响，运行3个反应器（R1： 0.5 g COD/（g VSS·d），R2： 0.2～0.4 g COD/（g VSS·d）， R3： 0.7～0.9 g COD/（g VSS·d）），通过使有机负荷随污泥浓度变化而变化以控制污泥负荷，结果表明0.4 g COD/（g VSS.d）为最佳污泥负荷，此时颗粒污泥稳定性、以及污染物去除效果都处于最优状态。此外，Li[16]等报道较高的污泥负荷（1.1 g COD/（g VSS·d））能快速地形成粒径大（3.0 mm）、不稳定的颗粒污泥，较低的污泥负荷（0.3 g COD/（g VSS·d））污泥颗粒化时间长，但形成的颗粒粒径小（1.5 mm）且稳定性好。较小的颗粒污泥比表面积大，传质阻力较小，能快速地利用并吸收营养物质，因此小粒径颗粒污泥在污水厂废水处理中更受欢迎。据此研究者运用了一种新的运行策略进行了进一步的研究：早期利用高污泥负荷（1.1 g COD/（g VSS·d））加速好氧颗粒污泥的形成，晚期降低污泥负荷（0.33 g COD/（g VSS·d））成功的培养了稳定、小粒径的颗粒污泥。

1.4  外界环境

1.4.1  温度

大部分生物过程和微生物生长的速率都受温度的影响，随着温度的变化，颗粒增长速率及优势种群也会发生变化。目前多数污水处理的研究大都在常温下进行，因此研究低温下好氧颗粒反应器的运行情况，对好氧颗粒污泥技术在不同地区的应用具有重要意义。梁东博[17]等在15 ℃下，SBR运行周期12 h， 利用COD为300 mg/L的废水耗时60 d完成污泥颗粒化过程。在稳定运行阶段，颗粒丝状菌较少，主要以短杆菌和球菌为主，COD去除率高于80%。郭安[18]等在10～18 ℃下，利用外加碳源的实际生活废水成功培养了好氧颗粒污泥，但在此反应器内颗粒污泥没有占据主导地位，絮状污泥与颗粒污泥处于并存状态。Kreuk[19]等研究了中、低温条件好氧颗粒污泥的形成及转化过程，研究发现在8℃下，好氧颗粒污泥反应器内丝状菌生长过快，在排水阶段时由于较差的沉降性造成污泥的大量流失。但在20 ℃下培养的好氧颗粒污泥能在8、10 ℃长期稳定的运行，因此建议在寒冷地区，新的好氧颗粒污泥系统最好在夏季启动，此时温度较高，污泥形成过程较快。

1.4.2  pH

pH相对于其他影响因素受到的关注较少，但pH的波动能引起细胞的表面电荷变化，进而影响微生物之间的絮凝作用。此外，pH对颗粒的增长速率及种群结构也有一定的影响。Yang[20]等运行两个SBR反应器来研究不同pH（3.0，8.1）下细菌颗粒与真菌颗粒的形成过程与特征，通过NaHCO3调节pH，研究发现pH为3时，颗粒污泥以真菌为主且真菌和EPS在颗粒上均匀分布，颗粒粒径较小，颗粒化时间短，但颗粒非常疏松易在曝气状态下破碎。pH为8.1时，颗粒污泥以细菌为主，细菌分布在颗粒外层，颗粒大且致密，但颗粒化时间较长。结果表明可以通过控制pH来选择污泥颗粒化过程中的优势种群。Kang[21]等研究了pH对成熟好氧颗粒污泥的影响，研究发现控制pH≤7对成熟颗粒污泥有巨大影响，EPS含量从134 mg/g VSS降至106 mg/g VSS， 粒径从660 μm降至449 μm，絮状污泥比例由7.8%升至26%。控制pH≤7.5时，成熟颗粒污泥对此则无明显变化。但DNA测序结果表明pH≤7.5时，以脱氯单胞菌为主的聚磷菌的丰度增加。结果表明，pH的调节可以改变成熟颗粒的菌群，从而影响颗粒污泥的处理效果和稳定性。

1.5  接种污泥

目前，多数研究都是选择污水处理厂的活性污泥作为接种污泥。接种污泥的微生物种类及数量对好氧颗粒污泥的形成至关重要，不同类别的微生物因為其理化性质不一样，所表现的凝聚能力也就不一样。研究发现疏水菌占据污水处理厂出水游离细菌的大多数，一般疏水菌比亲水菌更易黏附在活性污泥上[22]，含有疏水菌较多的活性污泥更易自凝聚形成颗粒污泥，而且污泥颗粒沉降性能优异。随着研究的深入以及实际需要，不少学者逐渐关注如何利用接种污泥加速好氧污泥颗粒化进程。Kong[23]等分别利用加入零价铁的活性污泥和不加入零价铁的活性污泥培养好氧颗粒污泥，发现两者培养出成熟的颗粒污泥的时间分别为43和64 d，前者有利于缩短好氧颗粒工艺的启动时间。刘民[24]等利用加入40 mg/L Ca+2 的絮状污泥，耗时34 d使絮状污泥完全颗粒化。Pijuan[25]等将破碎的好氧颗粒污泥与絮状污泥按照1∶1的比例混合，耗时18 d完成颗粒化，大大加快了污泥颗粒化进程。但是Lei[26]等认为利用好氧颗粒污泥碎片缩短颗粒化时间在工程应用中是不切实际的， 因此选择利用脱水污泥作为接种污泥，通过不断缩短沉淀时间，在5 d内完成了颗粒化，培养出的好氧颗粒污泥COD去除率大于90%，NH4+去除率高于98%。

2  結论与展望

好氧颗粒污泥技术作为最有前景的技术之一，大多数关于好氧颗粒污泥的研究都局限于小试规模，其中试乃至实际应用的研究较少。好氧颗粒污泥长期运行容易失稳，以及用实际废水培养颗粒污泥启动期长仍是其应用于实践的巨大挑战。因此应进一步研究氧颗粒污泥形成机制，探索加强颗粒稳定性的方法， 为好氧颗粒污泥技术的应用努力。

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