好氧颗粒污泥研究浅谈陈琳

第10卷第11期中国水运Vol.10No.112010年11月ChinaWaterTransportNovember2010收稿日期：2010-08-25作者简介：陈琳（1989-），女，湖北武汉人，武汉理工大学土木工程与建筑学院给水排水系。好氧颗粒污泥研究浅谈陈琳（武汉理工大学土木工程与建筑学院给水排水系，湖北武汉430070）摘要：文中介绍了好氧颗粒污泥研究的历史发展进程，以及当今颗粒污泥研究的现状。阐述颗粒污泥的相关特性以及影响颗粒污泥形成的一些主要因素。分析当前颗粒污泥在处理高浓度有机废水、脱氮除磷、吸收重金属离子等方面的应用。最后通过总结一些学者的研究，提出未来颗粒污泥研究的主要方向。关键词：好氧颗粒污泥；特性；影响因素；应用及展望中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1006-7973（2010）11-0163-03好氧颗粒污泥的发现为提高反应器污泥活性和生物量浓度、减少剩余污泥的排放量、维持微生物群落多样性及系统稳定性等方面提供了一项技术革新，有望解决传统好氧活性污泥工艺运行过程中泥水分离困难、容积负荷率低等问题。一直以来研究者对好氧颗粒污泥没有严格的定义，2005年在德国慕尼黑工业大学召开了世界水协会（IWA）第一届好氧颗粒污泥研讨会，给好氧颗粒污泥做了如下定义：Granulesmakingupaerobicgranularactivatedsludgearetobeunderstoodasaggregatesofmicrobialorigin，whichdonotcoagulateunderreducedhydrodynamicshear，andwhichsettlesignificantlyfasterthanactivatedsludgeflocs.一、好氧颗粒污泥国内外研究现状好氧颗粒污泥的研究起源于20世纪90年代的荷兰Delt大学，是建立在厌氧颗粒污泥研究的基础上的。早期的研究主要在连续的气升式生物膜反应器BAS（biofilmairliftsuspension）中进行，需要在培养的过程中添加污泥载体。1991年，ShinHS等和Mishimak等开始利用连续AUSB（aerobicupflowsludgeblanket）反应器对好氧活性污泥自凝聚现象进行研究，但运行条件苛刻，须用纯氧曝气才能形成，且无脱氮除磷的能力。1997年起，MorgenrothE.等在间歇的SBR（sequencingbatchreactor）反应器中，通过对沉降时间的控制获得好氧颗粒污泥，并对好氧颗粒污泥的性能以及颗粒污泥化进程进行了探讨，此后以SBR反应器为基础的好氧颗粒污泥研究快速展开。1999年，Peng等在SBR反应器中以醋酸钠为主要碳源，在低溶解氧情况下形成具有良好生物活性的好氧颗粒污泥，认为好氧颗粒污泥的形成有利于在低溶解氧浓度下保持较高的降解能力，从而能够提高处理效率。1999年，Beun等证实在SBR反应器中较短的水力停留时间和较大的水力剪切力有助于形成好氧颗粒污泥，而沉淀时间的选择是影响好氧颗粒污泥菌群的主要因素。并通过对好氧颗粒污泥形成过程的微生物相的观察，提出其形成机理的假设，认为好氧颗粒污泥是由初期接种污泥中的丝状菌和其它菌群，在一定的溶解氧浓度和水力条件下逐渐形成的。在国内，清华大学的竺建荣等在普通曝气条件下，在厌氧—好氧交替工艺（AlternationofAnaerobic/AerobicProcess）中，通过调节运行条件，成功培养出好氧颗粒污泥。2001年，清华大学的卢超等人研究了SBR反应器在不同条件下对好氧颗粒污泥化和生物除磷效果的影响。结果表明，反应器中形成了同时具有脱氮除磷能力的好氧颗粒活性污泥。2002年，浙江大学的白晓慧认为，通过控制水力停留时间、溶解氧、曝气量在活性污泥工艺中可以培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥。2003年，杨麟等和王强等也相继在SBR反应器中培养出具有脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥。近几年，好氧颗粒污泥的研究正从研究其形成机理，脱氮、除磷好氧颗粒污泥的培养等方面逐渐向工业化应用发展，培养机制不再是以前的人工模拟废水或单纯的营养源，而是采用工业废水或生活污水直接培养。比如采用豆类加工废水、啤酒废水、避孕药生产废水等来培养颗粒污泥。二、好氧颗粒污泥的特性及其形成主要因素1．好氧颗粒污泥的特性颗粒污泥是一种特殊形态结构的生物聚集体，也是具有自我平衡能力的微生物生态系统。污泥颗粒化无需任何外加载体，是细胞之间通过生物、物理、化学及外界环境条件的作用，相互粘结缠绕互营共生且具有沉降性能良好、微生物密度高、抗冲击负荷能力强的一种微生物聚集体。（1）结构特征好氧颗粒污泥其外观上结构致密，表面光滑，形状规则，主要由细菌、真菌及丝状菌等不同种类的微生物与胞外多聚物相互嵌合构成的生态结构。颗粒污泥表面有很多空穴，这些空穴能够保证营养物质的传递，同时也有利于有毒代谢副产物排出颗粒污泥内部。（2）沉降性能好氧颗粒污泥具有优良的沉降性能，黄玉峰[1]在实验中提到，在颗粒污泥的驯化期间，随着操作参数的改变，污泥的沉降性能逐步提高，沉降速率由0.5m/h上升到5.2m/h，实验进行到30天左右，颗粒污泥出现后，沉降速率迅速提164中国水运第10卷高，上升到32m/h，成熟的颗粒污泥的沉降速率达到72~90m/h。（3）同步硝化反硝化脱氮除磷好氧颗粒污泥因其独特的结构特征，使得颗粒污泥表面发生硝化过程消耗溶解氧的同时，也将溶解氧排除在颗粒污泥中心以外，这样就在颗粒污泥的内、外形成厌（或缺）氧区、好氧区，表面硝化的产物直接进入颗粒污泥中心进行反硝化脱氮除磷。2．好氧颗粒污泥的形成的主要因素好氧颗粒污泥的形成是一个非常复杂的过程，它涉及到微生物的生长及衰减、物质的传质和扩散、吸附和解吸附作用、污泥粒子的相互作用和反应器对污泥粒子的选择压力方面以及有机负荷率、水力停留时间、剪切力、沉降时间、反应器高径比、溶解氧、pH和温度等各因素的影响。其中影响颗粒污泥形成的主要因素有以下几种：（1）选择压选择压是最早用于种群遗传学的术语，将种群内的选择作用和物理学上的压力相比，来表示种群的选择作用大小。在微生物培养过程中，可利用选择压的原理，通过建立高度选择性的培养环境，使不适应该培养环境的微生物不能生长或极少生长，从而筛选和富集培养所需的微生物。在培养好氧颗粒污泥的过程中，选择压是表面水力负荷与表面气体流速的总和，它表征了反应器内水流和气体剪切力的强弱。在SBR反应器中，则利用沉降时间控制活性污泥的沉降速率，可以自出沉降性能较差的絮状污泥，促进颗粒污泥的形成。沉降时间过长，会导致絮状污泥的积累，而沉降时间过短，则会将大量的活性污泥洗出，使反应器中污泥浓度降低，不利于颗粒污泥的形成。（2）水力剪切应力水力剪切应力是污泥量和质的重要因素之一，在COD负荷一定的情况下，水流剪切力的变化会导致颗粒污泥直径的变化，较高的气剪切应力有助于好氧颗粒污泥的形成，形成粒径较小的颗粒污泥，而较低的水流剪切力会形成粒径较大的颗粒污泥，最终水流剪切力和颗粒污泥粒径之间达到动态平衡。实验证明，随着剪切应力从0.189N/m2增加到0.377N/m2的过程中，能实现好氧颗粒化。在一定范围内适当提高剪切应力有利于获得更多、沉降性能更好的好氧颗粒污泥。然而，剪切力过高会影响好氧颗粒污泥形成和稳定，降低污泥的沉降性。（3）有机负荷较高有机负荷会促使活性污泥的积累，对好氧颗粒污泥的颗粒化有促进作用，COD负荷在一定范围内对颗粒化过程无直接影响，但它影响到颗粒污泥的最终形状。但是过高的有机负荷也容易引起丝状菌大量生长，从而阻碍污泥沉淀并导致反应器不稳定。如果在较高的COD负荷情况下提高水流剪切力，丝状菌易于破碎而随反应器排除，则有利于形成较为紧密而且边界清晰、沉降性能较好的颗粒污泥。（4）碳源研究表明用葡萄糖、乙酸钠、乙醇3种不同碳源均成功培养出了好氧颗粒污泥。三种碳源下培养出的好氧颗粒污泥在外观形态上和内比结构上都有很大的区别，以葡萄糖作为碳源的好氧颗粒污泥表面光滑、边界清晰，大多数颗粒污泥成椭圆形，且大小比较均一，颗粒表面可以观察到丰富的如轮虫和钟虫一类的后生动物；乙酸钠作为碳源的好氧颗粒污泥则大小不一，但边界比较清晰，并且在较大的颗粒污泥最外层能明显观察到EPS一类物质，颗粒表面后生动物已钟虫为主，绝大多数呈正圆形；乙醇为碳源的颗粒污泥在外观形态上较前两者差异较大，基本没有呈球形的颗粒，边界很难确定，并可以在颗粒污泥表面观察到比较明显的丝状菌，后生动物的种类、数量和密度都没前两种颗粒污泥大。三种碳源下培养出来的好氧颗粒污泥对COD和氨氮都有较好的去除率。三种好氧颗粒污泥对总氮的去除率相差较大，总氮的去除好坏取决于反硝化过程的快慢，葡萄糖、乙酸钠培养的好氧颗粒污泥的内部结构有利于反硝化菌的生长，这是它们的总氮去除率效果好于乙醇的主要原因。三种不同的碳源培养出的颗粒污泥对TP的去除率差异较大，其中乙酸钠培养出的颗粒污泥对总磷的去除率最好。三、好氧颗粒污泥的应用1．处理高浓度有机废水好氧颗粒污泥具有致密的结构、良好的沉降性，从而可以在反应器中留存大量的污泥，这就使好氧颗粒污泥微生物系统在处理较高有机物浓度时有优势。Moyetal.（2002）曾证实应用好氧颗粒污泥技术处理高浓度有机废水的可行性，在COD去除率达到89%以上稳定2周后，他通过逐步提高进水有机负荷率的方法考察好氧颗粒污泥抗高有机负荷的能力，当有机负荷由6.0kgCOD/m3·d逐步提高至15.0kgCOD/m3·d时，颗粒污泥开始比较蓬松，在低负荷下以丝状菌为主，而在较高负荷下，逐渐转变为光滑不规则的形状。这些不规则体似乎可以允许较好的扩散和营养物向颗粒内部的渗透。营养物传递效率同样被较高进水浓度增强。这些因素使好氧颗粒污泥能够在不损失颗粒完整性的前提下抵制高有机负荷率。2．脱氮除磷颗粒污泥具有致密的结构与较大的粒径，由于氧扩散梯度的存在，其内部形成缺氧或厌氧区域，在好氧条件下构成了有利于同步硝化反硝化的微观环境。在同一处理系统中实现同步硝化反硝化过程，硝化反应的产物可以直接成为反硝化的底物，避免了硝化过程中NO3-的积累对硝化反应的抑制，加速了硝化反应的速度。王景峰[2]在研究中指出在除磷脱氮系统研究中发现，活性污泥中的一部分聚磷菌能够以硝酸盐作为电子受体在进行反硝化的同时完成过量吸磷，称之为反硝化聚磷菌。正因为有这类细菌的存在，使好氧颗粒达到同步硝化反硝化除磷脱氮。3．好氧颗粒污泥吸收重金属好氧颗粒污泥结构密实且表面积较大，因此可以作为一种良好的吸附剂。并且其具有良好的沉降性能，吸附饱和后易于实现固液分离。Liu（2003）提出了好氧颗粒污泥吸收Cd+的动力学模型。郑晓英的博士论文中提到好氧颗粒污泥能在脱氮除磷的同时有效吸附去除相关重金属离子，重金属第11期陈琳：好氧颗粒污泥研究浅谈165离子浓度的增加能提高好氧颗粒污泥对相关金属离子的吸附速率和吸附容量。4．处理工业废水颗粒污泥具有致密的结构与较大的粒径，颗粒内部可以维持一个相对较为稳定的微环境，不同微生物组成可以完成不同的基质代谢途径，因此对于毒性有机物质具有较高的耐受代谢能力。李巍等在好氧颗粒污泥SBR工艺处理避孕药生产废水的研究中（避孕药生产废水是一种具有生物毒性、难生物降解、COD和NH3-N浓度高、pH值高、强烈刺激性气味的废水），得出在最佳运行条件下，好氧颗粒污泥SBR系统稳定运行了60d，对COD的去除率在90%以上，对NH3-N和TN的去除率分别在96%和50%以上，亚硝态氮的积累率约为97%。说明好氧颗粒污泥对避孕药生产废水具有较好的处理效果。四、好氧颗粒污泥未来的研究方向好氧颗粒污泥以其独特的结构特征、良好的沉降性能、同步硝化反硝化脱氮除磷等特性，在未来有很多的应用前景，其结构致密、粒径较大、生物量浓度高可承受较高有机负荷，良好的沉降性能若用于城市污水厂处理生活污水则可大大减少二沉池的尺寸、数量和占地面积。采用适合的反应器则可获得良好的同步硝化反硝化脱氮除磷效果，比如采用SBR反应器提供厌