好氧颗粒污泥技术：强化造粒培养

郝桂珍，赵 勇，徐 利，范宇成，卢炳珩

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 2.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000)

1 引言

随着社会、城市化的发展以及人民生活水平的提高，造成的水体污染问题愈发严重，同时国家与地方政府对污水排放标准不断提高，形势依然严峻[1，2]。近年来，好氧颗粒污泥(AGS)因具有良好的沉降性能，丰富的生物量，结构密实以及抗冲击负荷等优势成为了国内外的研究热点[3]，被认为是目前最具有发展前景的新型污水处理技术之一[4]。由于AGS的形成机理尚未明确，启动周期耗时过长(1～2月)和运行不稳定以及颗粒化进程中受到多种因素的影响等限制了该技术在实际应用中的发展[5，6]。

大部分研究主要是围绕AGS的快速培养和颗粒运行失稳问题。过去10年里研究发表的关于强化AGS的培养中，通常是投加金属离子、惰性载体等方法强化AGS 的形成。极少有针对生物强化、投加有机物质以及群感效应(QS)对好氧污泥造粒的影响。对于该问题本文对近些年的研究成果进行综合评述，将有助于理解造粒机理和加快AGS实际大规模的应用[7]。

2 强化造粒培养

2.1 添加微生物强化剂

AGS是微生物自凝聚形成的颗粒物，所以微生物群落在AGS的形成过程中发挥重要的作用，不同菌体的特的代谢和功能，导致其絮凝性能不同[8]。细胞之间的聚集是不同基因的菌株之间的细胞间粘附，促进信号流动，生物膜生长，为微生物提供生态位，进而影响AGS的微生物群落结构[9]。理论上，选择合适的菌株强化好AGS是一种有效的方法。早在2006年，Jiang等[10]投加PG-2和PG-8菌株来强化AGS降解苯酚，发现投加二种菌株的反应器内第7 d出现颗粒污泥，第23 d颗粒污泥成熟，且具有良好的降解苯酚效果。宋志伟等[11]向反应器中投加絮凝菌株，与对照组对比，AGS形成时间提前了1周。

MBF是一种新型的生物絮凝剂，其是微生物的代谢产物，拥有较高的微生物亲和性、絮凝性以及生物降解性等特点，所以得到越来越多的关注和研究[12]。梁梓轩等[13]在投加MBF加速AGS研究中，MBF组在第38 d培养成功；与对照组相比，MBF组出现了明显的聚集体的絮凝现象。由于微生物聚合物的官能团(蛋白质等)能直接被微生物利用，而不是水解。所以还需要进一步分析微生物聚合物官能团以及可利用的生物量等。

以生物质(菌丝球)作为载体在好氧颗粒污泥的研究较少，菌丝球是由丝状真菌经过发酵过程，相互缠绕形成球状的的微生物颗粒[14]。Geng M等[15]投加菌丝球与活性污泥质量之比为1∶10至反应器，运行第22 d左右，污泥完成了颗粒化(平均粒径为0.5 mm)，较对照组提前了18 d；菌丝球的投加避免了前期大量生物质的流失，提高了污泥沉降性能；菌丝球明显加速了污泥颗粒化，且独特的孔道结构，有更好的除污能力以及分泌更多的胞外多糖，尤其是胞外蛋白。尹志文等[16]投加50 g菌丝球的反应器在第12 d成功实现好氧污泥颗粒化(平均粒径0.2 mm)，且微生物活性高，具有较强的的生物促进作用。

2.2 添加有机物质

壳聚糖是不溶于水的阳离子聚合物，由于环保无污染、可降解性特点，比合成的阳离子聚合物和多价的金属离子更受欢迎[17]。目前已经在强化厌氧颗粒污泥研究中有所进展，其加速污泥颗粒化的原因是壳聚糖具有吸附、电荷中和以及颗粒间的架桥作用[18]。Jinte Zou等[19]投加壳聚糖基污泥团聚体，在10天内迅速实现了完全造粒。在AGS系统快速启动时，避免了大量生物量的流失，促进了AGS的形成；此外，培养过程中丝状菌和念珠菌的丰度和胞外聚合物含量的增加也有助于AGS的形成。

Junguo He等[20]低温(10 ℃)下采用三聚氰胺骨架(MF)强化造粒，70 d内成功培养出沉降性能良好、颗粒稳定的AGS。前期在三聚氰胺骨架内植入接种污泥，避免污泥大量的流失，为后期的颗粒污泥提供骨架支撑，同时，颗粒化过程中胞外多糖含量显著增加，提高AGS的稳定性，有效的加快污泥颗粒化。

近年来新兴微污染物，例如抗生素甲氧苄啶(TMP)、磺胺甲恶唑(SMX)等通常存在于废水中甚至地表水中，对环境污染问题造成威胁。Du等[21]指出SMX (1 mg/L)的存在下，观察到更多的丝状菌分泌EPS。Ant^onio Ricardo Mendes Barros等[22]评估TMP和SMX对污泥造粒影响；发现高剂量TMP和SMX(200mg/L)作用下生成的AGS具有良好的沉降性，加速造粒时间不理想。玉良斌等[23]研究表明投加TC有利于加速颗粒污泥(90 d)的形成，改善了污泥的相对疏水性和絮凝性；投加2 mg/L TC的反应器较对照组提前了10 d形成颗粒污泥，且污泥对TC有一定的去除效果，主要以吸附为主。

2.3 群感效应的影响

EPS是微生物为了适应环境变化在特定条件下分泌在细胞表面的有机大分子物质，主要包括蛋白质(PN)、多糖(PS)、腐殖酸等，被认为是一种生物细胞凝聚的黏合剂，对颗粒污泥的形成和稳定性具有重要的作用[24]。

群体感应(QS)是由感知信号分子，调节细胞间的相互作用，并在其浓度达到临界点时实现基因的表达[25]。QS系统和细胞信号分子在污泥颗粒化过程中起着重要作用，能加速胞外聚合物的合成，提高微生物的表面附着能力[26]。信号分子不仅能促进EPS的分泌，而且能间接地影响AGS系统的运行性能和污泥特性。研究信号分子对AGS的形成及颗粒化的机理至关重要[27]。目前AGS中主要存在的信号分子有AHLs、AIPs、AI-2和C-di-GMP。

信号分子对颗粒污泥造粒的影响主要在于EPS的分泌、ATP以及污泥沉降性能的影响。研究表明信号分子通过调节EPS的浓度来加速细菌聚集并形成颗粒。Ma等[28]在AGS实验中加入AHLs，结果表明AHLs浓度与EPS的含量呈正相关。Li等[29]得出信号分子AHLs能够促进EPS的分泌，提高细胞表面疏水性，强化细菌体之间的聚集。ATP是微生物新陈代谢的主要能量来源。研究表明ATP可以调节微生物中群感效应诱导信号分子的生成，同时群感效应也会影响ATP的生成[30]。上知AHLs失活会使EPS的含量降低，从而破坏了颗粒结构，导致颗粒污泥密度较小，又因为AHLs含量与EPS中的PN含量呈正相关，因此，信号分子介导的群感效应可以调节EPS的含量影响微生物之间的粘附，从而影响颗粒污泥沉降性能。

3 讨论

目前使用特殊菌株进行接种好氧颗粒污泥强化AGS的研究依然很少；笔者认为主要原因是特殊菌株的分离过程复杂，以及最终进入环境中菌株的安全性问题。MBF的来源有多种，其中从微生物的代谢产物中提取微生物絮凝剂是研究最多的。该方法无污染，环保是促进好氧污泥颗粒化最理想方法，同时为剩余污泥资源化开启了新方向；菌丝球作为载体材料在促进好氧污泥颗粒化进程中有明显的效果，并且菌丝球沉降性能良好，易于成球，营养需求简单，生产成本低，相比于其他载体材料，具有生物相容性，粘附能力方面的优势，在强化AGS的研究具有美好的前景。

有机类聚合物类如壳聚糖基泥、三聚氰胺骨架等前期通过截留丰富生物质，增加污泥浓度，促进颗粒污泥的形成，自身无污染；不像抗生素类物质TMP、SMX、TC，在促进颗粒污泥的同时，自身作为新的污染物质进水水中，形成的颗粒污泥对其去除率较低，往往需要其他介质的辅助作用，达到较高的去除率。

4 结论

本文总结了投加生物菌体、有机天然物质以及QS强化AGS的方法，一般是将AGS的形成时间控制在30 d内，甚至在10 d以内，是解决AGS启动时间慢问题的替代方法。不同类型的强化方法虽然对AGS的形成机理不尽相同，但大多是依赖生物量的增加，或者引起微生物分泌的胞外蛋白和多糖的含量以及微生物群落的变化，间接影响颗粒污泥的粒径大小和沉降性能。