好氧颗粒污泥培养及应用现状

何瑜　相延铮

摘 要：好氧颗粒污泥是一种污水处理新方法，具有沉降速度快和耐毒性等优点。但是，好氧颗粒污泥存在培养周期长、成熟颗粒易解体等问题，导致好氧颗粒污泥工业化推广难以实施。本文重点阐述沉降速度、盛宴期/饥饿期条件、水力剪切力、有机负荷率、底物组成对好氧颗粒污泥培养的影响以及好氧颗粒污泥在处理废水中的应用。

关键词：好氧颗粒污泥;形成机理;废水处理

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0123-03

Cultivation and Application status of Aerobic Granular Sludge

HE Yu XIANG Yanzheng

（Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225100）

Abstract： Aerobic granular sludge is a new wastewater treatment method， which has the advantages of fast sedimentation rate and toxicity resistance.However， the aerobic granular sludge has some problems such as long incubation period and easy disintegration of mature particles， which makes it difficult to implement the industrialization promotion of aerobic granular sludge.In this paper， the effects of sedimentation rate， feast/starvation stage conditions， hydraulic shear force， organic loading rate and substrate composition on the cultivation of aerobic granular sludge and the application of aerobic granular sludge in wastewater treatment are described.

Keywords： aerobic granular sludge;formation mechanism;waste water treatment

好氧颗粒污泥是由微生物自凝聚作用形成的一种特殊生物膜，具有生物量大和沉降速度快等优点。好氧颗粒主要通过序批式反应器进行培养。序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）可以通过改变水力剪切力、沉降时间、污泥负荷、温度、pH值、底物组成及间歇性饱食-饥饿喂养方式等促成污泥形成颗粒状[1]。

1 好氧颗粒污泥的形成机理

通过对序批式反应器造粒过程进行研究发现，基于沉降速度的选择压力驱动活性污泥形成颗粒状。选择压力是一种诱导微生物种群行为改变的压力，其中沉降速度和盛宴期/饥饿期交替都属于选择压力。此外，水力剪切力、胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）和丝状细菌都在好氧颗粒的形成和稳定方面发挥着重要作用[2]。

如图1所示，好氧颗粒污泥形成一般分为4个步骤：①细胞的随机运动和相互碰撞;②通过增加细胞表面疏水性增强初始可逆黏聚力;③胞外聚合物网络内的不可逆聚集和增长;④剪切力的形态塑造[3]。

1.1 沉降速度

在序批式反应器中，通过缩短沉淀时间和快速排水制造选择压力，筛选出密度大、沉降性能好的生物质。这种方法不仅可以保留沉降性能更好的生物质，还可以提高细胞表面的疏水性，促进胞外聚合物的产生[1]。事实上，沉降时间和交換比（沉降阶段后排水体积与反应器体积的比例）被认为是促进好氧颗粒成功形成的决定因素[2]。LIU等使用沉降时间为0.5 h的常规序批式反应器对絮状污泥进行培养，没有观察到好氧颗粒的形成[2]。这表明基于沉降速度的选择压力确实是SBR好氧造粒的最终驱动力。

1.2 盛宴期/饥饿期条件

序批式反应器的循环运行开始于盛宴期，结束于基质和营养物质匮乏的饥饿期。如果从反应器底部输入进水，如Nereda工艺[4]，那么随着基质剃度的增加，上层饥饿效应将得到增强。LIU等发现盛宴期/饥饿期的交替可以提高微生物细胞的疏水性，饥饿期基质和营养物质的匮乏诱导微生物聚集以提高生存概率[2]。饥饿期也可能有助于提高胞外聚合物产量促进造粒[1]。虽然盛宴期/饥饿期交替对造粒能否成功影响很大，但它不是好氧颗粒形成的决定性因素。LIU等使用沉降时间为0.5 h的常规序批式反应器对絮状污泥进行培养，反应器内的絮状污泥也经历了盛宴期/饥饿期交替，但是也没有观察到好氧颗粒污泥的形成[2]。这表明盛宴期/饥饿期交替的培养环境和反应器内生物颗粒沉降速度的选择压力共同影响着好氧颗粒污泥的形成。

1.3 水力剪切力

水力剪切力也是造粒过程中的重要因素。在培养的初始阶段，水体流动有利于微生物细胞的碰撞聚集。好氧阶段，水体流动、曝气以及固体之间的碰撞促进胞外聚合物的分泌，增强细胞表面疏水性[1]，增加颗粒密度[2]。水力剪切力可以剥落成熟颗粒表面的外部细胞，如颗粒表面快速生长的丝状细菌，使颗粒内部生长快速的细菌和生长缓慢的细菌处于平衡状态[5]。LIU等人发现，水力剪切力达到一定强度，系统中才会有颗粒污泥形成，且水力剪切力越大，形成的颗粒形状越规则，结构越密实[6]。

有研究表明，SBR反应器的高径比与水力剪切力有一定的联系。高径比较大的反应器可以使水流循环流动，从而将颗粒污泥剪切成更规则的球状。如表1所示，能培养出好氧颗粒污泥的反应器都有着较大的高径比[7-11]。这是因为较大高径比的反应器可提供较高的水力剪切力和较长的循环流途径，增加了细胞间碰撞的可能性。

1.4 有机负荷率

鉴于在宽泛的有机负荷率运行下都可以产生好氧颗粒，有机负荷率并不是成功造粒的决定性因素[2]。但是，GAO等人发现有机负荷率会影响好氧颗粒结构和造粒时间[1]。高有机负荷率培养出的好氧颗粒尺寸较大、结构松散，颗粒中存在空隙和通道，有利于颗粒内、外传质的传递，且造粒时间更短。

1.5 底物组成

以不同废水喂养的序批式反应器都出现了好氧颗粒污泥，说明废水的类型不是形成机理的主要考虑因素[2]。但是，在有機负荷率相同的情况下，利用不同底物培养的好氧颗粒污泥形态和结构相差较大[12]。例如：葡萄糖为碳源培养出的好氧颗粒中丝状菌占优势，结构松散;以醋酸钠、乙酸钠为碳源培养出的好氧颗粒中杆菌逐渐取代丝状菌，结构紧实，表明富含能量的底物（如葡萄糖、蔗糖）会诱导丝状菌的增殖。底物组成越复杂，降解所需的微生物种类越多，培养出的好氧颗粒微观结构越复杂。

2 好氧颗粒污泥在废水处理中的应用

好氧颗粒污泥在含油、橡胶、农村及抗生素等废水处理中的应用研究，多是使用模拟废水进行的。已有研究表明，在处理易于生物降解的真实废水时，可以培养好氧颗粒污泥。

2.1 含油废水

含油废水内的主要成分有挥发酚、油类、悬浮物及无机盐等，会对水体产生较大的影响。杨知勋等人利用好氧颗粒污泥来处理含油废水，结果表明，好氧颗粒污泥经过驯化后可以对废水中的COD（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）、油脂和氮磷起到较好的去除效果[13]。在中温条件下，颗粒污泥对COD和油脂去除率分别为80.4%～84.3%和79.5%～82.3%，对NH4+-N及PO43--P的去除率均在85%以上。

2.2 橡胶废水

橡胶加工过程中产生了含有大量有机碳和氮的污水。ROSMAN等采用SBR工艺，循环时间为3～6 h，可以利用橡胶厂排放的污水培育好氧颗粒污泥（平均粒径为1.5～2.0 mm、沉降速度为33～61 m/h、SVI为22.3 mL/g）[14]。好氧颗粒污泥可以有效去除橡胶废水中的碳、氨氮、总氮，去除率分别为94.5%～98.4%、92.7%～94.7%、89.4%。

2.3 农村废水

我国农村废水普遍存在碳氮比较低的情况。在废水处理过程中，较低的碳氮比会因为缺少碳源而导致反硝化效率低下，且会影响聚磷微生物厌氧释磷。曾玉等人利用好氧颗粒污泥来处理低碳氮比废水，研究发现NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在50%左右，COD去除率在90%以上，TP去除率在70%左右[15]。

2.4 抗生素废水

抗生素废水具有COD含量高、悬浮物浓度高、成分复杂及生物毒性高等特点[16]。传统的生物降解法由于抗生素污水的生物毒性而导致其对该类污水的处理效率不高。好氧颗粒污泥由于自身微生物细胞的固定化，对外界环境有较强的抵抗力，能够有效屏蔽有毒物质对其自身的毒性[17]。

杨娜等人利用好氧颗粒污泥处理生产白霉素、利福平等抗生素所产生的废水，试验采用稀释进水法，当进水COD浓度为2 000 mg/L时，去除率达到89%[16]。王君成功培育出可以降解头孢氨苄的颗粒污泥，去除效果稳定在89%～97%[17]。

3 结语

好氧颗粒污泥以其独特的优点及良好的处理效率受到了广大关注。本文研究表明，在控制剪切力、有机负荷率及组成底物等条件下，可以培养出适用于处理多种水样的好氧颗粒污泥，其具有广阔的应用前景。

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