何瑜　相延錚

摘 要：好氧顆粒污泥是一種污水處理新方法，具有沉降速度快和耐毒性等優(yōu)點。但是，好氧顆粒污泥存在培養(yǎng)周期長、成熟顆粒易解體等問題，導致好氧顆粒污泥工業(yè)化推廣難以實施。本文重點闡述沉降速度、盛宴期/饑餓期條件、水力剪切力、有機負荷率、底物組成對好氧顆粒污泥培養(yǎng)的影響以及好氧顆粒污泥在處理廢水中的應用。

關鍵詞：好氧顆粒污泥;形成機理;廢水處理

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：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

好氧顆粒污泥是由微生物自凝聚作用形成的一種特殊生物膜，具有生物量大和沉降速度快等優(yōu)點。好氧顆粒主要通過序批式反應器進行培養(yǎng)。序列間歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）可以通過改變水力剪切力、沉降時間、污泥負荷、溫度、pH值、底物組成及間歇性飽食-饑餓喂養(yǎng)方式等促成污泥形成顆粒狀[1]。

1 好氧顆粒污泥的形成機理

通過對序批式反應器造粒過程進行研究發(fā)現(xiàn)，基于沉降速度的選擇壓力驅動活性污泥形成顆粒狀。選擇壓力是一種誘導微生物種群行為改變的壓力，其中沉降速度和盛宴期/饑餓期交替都屬于選擇壓力。此外，水力剪切力、胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）和絲狀細菌都在好氧顆粒的形成和穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用[2]。

如圖1所示，好氧顆粒污泥形成一般分為4個步驟：①細胞的隨機運動和相互碰撞;②通過增加細胞表面疏水性增強初始可逆黏聚力;③胞外聚合物網絡內的不可逆聚集和增長;④剪切力的形態(tài)塑造[3]。

1.1 沉降速度

在序批式反應器中，通過縮短沉淀時間和快速排水制造選擇壓力，篩選出密度大、沉降性能好的生物質。這種方法不僅可以保留沉降性能更好的生物質，還可以提高細胞表面的疏水性，促進胞外聚合物的產生[1]。事實上，沉降時間和交換比（沉降階段后排水體積與反應器體積的比例）被認為是促進好氧顆粒成功形成的決定因素[2]。LIU等使用沉降時間為0.5 h的常規(guī)序批式反應器對絮狀污泥進行培養(yǎng)，沒有觀察到好氧顆粒的形成[2]。這表明基于沉降速度的選擇壓力確實是SBR好氧造粒的最終驅動力。

1.2 盛宴期/饑餓期條件

序批式反應器的循環(huán)運行開始于盛宴期，結束于基質和營養(yǎng)物質匱乏的饑餓期。如果從反應器底部輸入進水，如Nereda工藝[4]，那么隨著基質剃度的增加，上層饑餓效應將得到增強。LIU等發(fā)現(xiàn)盛宴期/饑餓期的交替可以提高微生物細胞的疏水性，饑餓期基質和營養(yǎng)物質的匱乏誘導微生物聚集以提高生存概率[2]。饑餓期也可能有助于提高胞外聚合物產量促進造粒[1]。雖然盛宴期/饑餓期交替對造粒能否成功影響很大，但它不是好氧顆粒形成的決定性因素。LIU等使用沉降時間為0.5 h的常規(guī)序批式反應器對絮狀污泥進行培養(yǎng)，反應器內的絮狀污泥也經歷了盛宴期/饑餓期交替，但是也沒有觀察到好氧顆粒污泥的形成[2]。這表明盛宴期/饑餓期交替的培養(yǎng)環(huán)境和反應器內生物顆粒沉降速度的選擇壓力共同影響著好氧顆粒污泥的形成。

1.3 水力剪切力

水力剪切力也是造粒過程中的重要因素。在培養(yǎng)的初始階段，水體流動有利于微生物細胞的碰撞聚集。好氧階段，水體流動、曝氣以及固體之間的碰撞促進胞外聚合物的分泌，增強細胞表面疏水性[1]，增加顆粒密度[2]。水力剪切力可以剝落成熟顆粒表面的外部細胞，如顆粒表面快速生長的絲狀細菌，使顆粒內部生長快速的細菌和生長緩慢的細菌處于平衡狀態(tài)[5]。LIU等人發(fā)現(xiàn)，水力剪切力達到一定強度，系統(tǒng)中才會有顆粒污泥形成，且水力剪切力越大，形成的顆粒形狀越規(guī)則，結構越密實[6]。

有研究表明，SBR反應器的高徑比與水力剪切力有一定的聯(lián)系。高徑比較大的反應器可以使水流循環(huán)流動，從而將顆粒污泥剪切成更規(guī)則的球狀。如表1所示，能培養(yǎng)出好氧顆粒污泥的反應器都有著較大的高徑比[7-11]。這是因為較大高徑比的反應器可提供較高的水力剪切力和較長的循環(huán)流途徑，增加了細胞間碰撞的可能性。

1.4 有機負荷率

鑒于在寬泛的有機負荷率運行下都可以產生好氧顆粒，有機負荷率并不是成功造粒的決定性因素[2]。但是，GAO等人發(fā)現(xiàn)有機負荷率會影響好氧顆粒結構和造粒時間[1]。高有機負荷率培養(yǎng)出的好氧顆粒尺寸較大、結構松散，顆粒中存在空隙和通道，有利于顆粒內、外傳質的傳遞，且造粒時間更短。

1.5 底物組成

以不同廢水喂養(yǎng)的序批式反應器都出現(xiàn)了好氧顆粒污泥，說明廢水的類型不是形成機理的主要考慮因素[2]。但是，在有機負荷率相同的情況下，利用不同底物培養(yǎng)的好氧顆粒污泥形態(tài)和結構相差較大[12]。例如：葡萄糖為碳源培養(yǎng)出的好氧顆粒中絲狀菌占優(yōu)勢，結構松散;以醋酸鈉、乙酸鈉為碳源培養(yǎng)出的好氧顆粒中桿菌逐漸取代絲狀菌，結構緊實，表明富含能量的底物（如葡萄糖、蔗糖）會誘導絲狀菌的增殖。底物組成越復雜，降解所需的微生物種類越多，培養(yǎng)出的好氧顆粒微觀結構越復雜。

2 好氧顆粒污泥在廢水處理中的應用

好氧顆粒污泥在含油、橡膠、農村及抗生素等廢水處理中的應用研究，多是使用模擬廢水進行的。已有研究表明，在處理易于生物降解的真實廢水時，可以培養(yǎng)好氧顆粒污泥。

2.1 含油廢水

含油廢水內的主要成分有揮發(fā)酚、油類、懸浮物及無機鹽等，會對水體產生較大的影響。楊知勛等人利用好氧顆粒污泥來處理含油廢水，結果表明，好氧顆粒污泥經過馴化后可以對廢水中的COD（Chemical Oxygen Demand，化學需氧量）、油脂和氮磷起到較好的去除效果[13]。在中溫條件下，顆粒污泥對COD和油脂去除率分別為80.4%～84.3%和79.5%～82.3%，對NH4+-N及PO43--P的去除率均在85%以上。

2.2 橡膠廢水

橡膠加工過程中產生了含有大量有機碳和氮的污水。ROSMAN等采用SBR工藝，循環(huán)時間為3～6 h，可以利用橡膠廠排放的污水培育好氧顆粒污泥（平均粒徑為1.5～2.0 mm、沉降速度為33～61 m/h、SVI為22.3 mL/g）[14]。好氧顆粒污泥可以有效去除橡膠廢水中的碳、氨氮、總氮，去除率分別為94.5%～98.4%、92.7%～94.7%、89.4%。

2.3 農村廢水

我國農村廢水普遍存在碳氮比較低的情況。在廢水處理過程中，較低的碳氮比會因為缺少碳源而導致反硝化效率低下，且會影響聚磷微生物厭氧釋磷。曾玉等人利用好氧顆粒污泥來處理低碳氮比廢水，研究發(fā)現(xiàn)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 抗生素廢水

抗生素廢水具有COD含量高、懸浮物濃度高、成分復雜及生物毒性高等特點[16]。傳統(tǒng)的生物降解法由于抗生素污水的生物毒性而導致其對該類污水的處理效率不高。好氧顆粒污泥由于自身微生物細胞的固定化，對外界環(huán)境有較強的抵抗力，能夠有效屏蔽有毒物質對其自身的毒性[17]。

楊娜等人利用好氧顆粒污泥處理生產白霉素、利福平等抗生素所產生的廢水，試驗采用稀釋進水法，當進水COD濃度為2 000 mg/L時，去除率達到89%[16]。王君成功培育出可以降解頭孢氨芐的顆粒污泥，去除效果穩(wěn)定在89%～97%[17]。

3 結語

好氧顆粒污泥以其獨特的優(yōu)點及良好的處理效率受到了廣大關注。本文研究表明，在控制剪切力、有機負荷率及組成底物等條件下，可以培養(yǎng)出適用于處理多種水樣的好氧顆粒污泥，其具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]GAO D W，LIU L，LIANG H，et al.Aerobic granular sludge：characterization，mechanism of granulation and application to wastewater treatment[J].Critical Reviews in Biotechnology，2011（2）：137-152.

[2]LIU Y，WANG Z W，QIN L，et al.Selection pressure-driven aerobic granulation in a sequencing batch reactor[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2005（1）：26-32.

[3]LIU Y，TAY J H.The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge[J].Water Research，2002（7）：1653-1665.

[4]PRONK M，KREUK M K，BRUIN B，et al.Full scale performance of the aerobic granular sludge process for sewage treatment[J].Water Research，2015（84）：207-217.

[5]LEE D J，CHEN Y Y，SHOW K Y，et al.Advances in aerobic granule formation and granule stability in the course of storage and reactor operation[J].Biotechnology Advances，2010（6）：919-934.

[6]LIU Y，TAY J，MOY B Y.Characteristics of aerobic granular sludge in sequencing? batch reactor with variable aeration[J].Applied Microbiology Biotechnology，2006（71）：761-766.

[7]SUNIL S，LEE D，LAI J.Biological nitrification-denitrification with alternating oxic and anoxic operationgs using aerobic granules[J].Applied and Microbiology Biotechnology，2009（84）：1181-1189.

[8]WANG S，LIU X，GONG W，et al.Aerobic granulation with brewery wastewater in a sequencing batch reactor[J].Bioresource Technology，2007（98）：2142-2147.

[9]SHI X Y，YU H Q，SUN Y，et al.Characteristics of aerobic granules rich in autotrophic ammonium-oxidizing bacteria in a sequencing batch reactor[J].Chemical Engineering Journal，2009，（147）：102-109.

[10]QIN L，LIU Y.Aerobic granulation for organic carbon and nitrogen removal in alternating aerobic-anaerobic sequencing batch reactor[J].Chemosphere，2006（63）：926-933.

[11]BEUN J J，HENDRIKS A，LOOSDRECHT M C M，et al.Aerobic granulation in a sequencing batch reactor[J].Water Research，1999（10）：2283-2290.

[12]LIU J，GARNY K，NEU T，et al.Comparison of some characteristics of aerobic granules and sludge flocs from sequencing batch reactors[J].Water Science Technology，2007（8）：403-411.

[13]楊知勛，景長勇，晉利，等.好氧顆粒污泥處理含油廢水的機制探究[J].水處理術，2021（6）：45-48.

[14]ROSMAN Y，IMABAYASHI S，IWABUCHI C，et al.Solubilization of excess activated sludge by self-digestion[J].Water Research，1999（8）：1864-1870.

[15]曾玉，曾敏靜，程媛媛，等.好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及處理低碳氮比廢水效果[J].有色金屬科學與工程，2021（4）：104-111.

[16]楊娜，冉阿倩，曹猛，等.好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及其在抗生素廢水處理中的應用研究[C]//中國環(huán)境科學學會學術年會，2009.

[17]王君.好氧顆粒污泥降解頭孢類抗生素研究[D].濟南：山東師范大學，2015：36.