好氧顆粒污泥形成機制及影響因素研究

孔德楓，趙雅光

（華北水利水電大學 環(huán)境與市政工程學院，河南 鄭州 450046）

1 好氧顆粒污泥結構及基本特性

好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge，AGS）是一種新型的微生物群落，可同時去除碳、氮、磷等污染物。AGS在物理、化學和微生物特性上不同于普通活性污泥，好氧顆粒污泥本身具有較大的顆粒直徑，因受到氧傳質的限制，成熟的好氧顆粒污泥會形成一種分層結構，最外部為好氧層，由表及里氧含量逐漸降低，形成兼氧層和缺氧層，好氧顆粒污泥可以在同一顆粒體內實現(xiàn)多種好氧和厭氧活動。好氧顆粒污泥自身結構復雜，因此自然條件下難以形成，AGS與AS（活性污泥）的理化性質比較見表1。

表1 AGS與AS的理化性質比較

2 好氧顆粒污泥形成機制

2.1 污泥顆?；碾A段理論

（1）微生物種群在水力作用下相互接觸碰撞，凝聚成核，形成最初的微生物聚集體，作為污泥顆粒化的基礎。

（2）在多種吸引力的作用下，形成多種微生物共存互生的顆粒狀態(tài)，讓成核的污泥顆粒，在多種外力的共同作用下進一步形成較為穩(wěn)定的微生物聚集體。

（3）微生物持續(xù)生長，繁殖，聚集，通過分泌胞外聚合物（EPS）產生的生物凝膠使微生物細胞間產生強有力的吸引力，在此條件下，細胞群落生長代謝和外界環(huán)境引起形狀變化，逐步形成高度復雜的微生物結構。

（4）通過系統(tǒng)中水力剪切力的作用使顆粒污泥逐漸趨于成熟，形成合理的空間分布、結構和功能，顆粒污泥得到進一步的穩(wěn)定和完善。

2.2 幾種形成假說

2.2.1 晶核誘導假說

晶核誘導法是向反應器中投加細小顆粒作為預培養(yǎng)的顆粒污泥的核心，再通過微生物自身的富集和生長發(fā)育，逐步形成好氧顆粒污泥。通常采用無機物或者惰性的有機物作為晶核。常笑麗等[1]人以已培養(yǎng)成熟的顆粒污泥為誘導晶核成功地培養(yǎng)出粒徑0.8mm的好氧顆粒污泥且培養(yǎng)過程中顆粒的形成時間縮短15d；此外她還嘗試以細土顆粒作為誘導晶核，也實驗成功。LIANG X Y等[2]人以磁性納米粒為誘導晶核成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥且污泥的顆粒化進程極大縮短；ZHANG D J等[3]人以生物炭為誘導晶核培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，顆粒更加密實，顆粒化進程縮短了30d，且這種顆粒污泥對難降解廢水有良好的處理能力；TAO J等[4]人同樣以活性炭為誘導晶核成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥；車鑒等[5]人以硅藻土載體為誘導晶核培養(yǎng)出的顆粒污泥對污水中氨氮去除率高達98.93%；WEI D等[6]人以沸石粉沫為誘導晶核培養(yǎng)出具有較大粒徑的顆粒污泥。

2.2.2 選擇壓驅動假說

在傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法中，好氧顆粒污泥是根據(jù)顆粒污泥和絮凝污泥沉降速度差的選擇壓力來進行培養(yǎng)的，因此也稱為沉降速度培養(yǎng)法。污泥的靜態(tài)沉降和污泥篩選外排的過程是必不可少的。這種對沉降性能進行篩選的過程實際上是一個純粹的物理過程，與細胞或者微生物的生物化學性質無關。Tay J H等[7]人研究發(fā)現(xiàn)顆粒污泥的形成需要高強度的選擇壓。Wang X H等[8]人研究發(fā)現(xiàn)，選擇壓過低時，無法形成成熟穩(wěn)定的顆粒污泥，最終會導致污泥解體，而選擇壓過高時，絮狀污泥被打散沖散難以聚集形成顆粒。因此，要從較低的選擇壓開始逐步提高才能培養(yǎng)出穩(wěn)定的顆粒污泥。

2.2.3 微生物自凝聚假說

微生物的自凝集假設就是為了強調突出微生物本身的功能及作用。微生物通過在一定環(huán)境條件下調整自身的機理和化學功能及改變其表面特征，自發(fā)地聚集并黏附在一起，形成了較大的密度與體積、活性相對良好的各種微生物共同體。一些研究者[9－10]認為只要滿足必要的條件，這種現(xiàn)象就會自然地發(fā)生。適當?shù)乃羟辛透邼舛鹊娜芙庋跏呛醚躅w粒污泥能夠自凝聚形成的兩個重要條件。好氧顆粒污泥也可以被視為一種特殊形態(tài)的生物膜，好氧顆粒污泥上富集了大量的微生物群體，微生物自身的生長繁殖反作用與污泥顆粒，彼此相互促進，最終形成外觀規(guī)則結構復雜的好氧顆粒污泥。

2.2.4 胞外聚合物（EPS）假說

胞外聚合物（EPS）是一種由微生物自身生長代謝活動分泌出的物質，EPS具有一定的黏度，它能夠提高增強細胞表面的電荷性和疏水特性[11]。微生物在EPS的黏附作用下聚集成團，通過微生物自身的生長繁殖，污泥顆粒不斷增大，再通過水力剪切力等外力的作用，污泥顆粒被修剪成型，最終形成外觀圓滑、性質穩(wěn)定的顆粒污泥[12]。加大水力剪切力、縮短沉降時間，以及投加Ca2+、Mg2+等金屬離子均能夠促進EPS的分泌，利于顆粒污泥的形成[13]。EPS在維持顆粒污泥的整體結構性和穩(wěn)定性方面有著不可或缺的作用[14]。

2.2.5 絲狀菌假說

絮狀污泥中的絲狀菌絲形成了絮體骨架，為絮體污泥發(fā)展成為顆粒污泥提供先決條件。作為污泥中顆粒體的初始框架和附著點，為細菌的附著、生長、繁殖提供場地，細菌的富集作用使絮體沉降性加強而不易被出水帶走，在水力選擇壓的作用下逐漸形成菌膠團，這種復雜特殊的共生體可以加強污泥絮體的強度，最終成長為顆粒污泥。李志華等[15-16]人研究指出以絲狀菌為內核的顆粒污泥具有較高的物理強度，顆粒也更加密實。

2.2.6 金屬陽離子假說

某些金屬陽離子可加速污泥的顆?；M程，作為微生物細胞生長所需要的微量元素，Ca2+、Mg2+等金屬陽離子可以有效促進微生物的生長和繁殖，并且能夠增加污泥系統(tǒng)中細菌群落的復雜性和多樣性[17]。Al3+、Fe2+等金屬陽離子能夠與絮狀污泥中微生物或其細胞表面的多種負電基團產生反應，加強微生物間的接觸與連接，促進微生物的富集[18]。Liu S G等[19]人研究表明:投加金屬離子可以有效縮短好氧顆粒污泥的顆粒化時間，加強顆粒穩(wěn)定性，實驗投加Ca2+成功縮短整個好氧顆粒污泥系統(tǒng)的啟動時間，形成的好氧顆粒污泥結構致密，形狀較為規(guī)則，顆粒粒徑較大，沉降性能更好；投加Mg2+形成的顆粒污泥其MLSS、OUR和SOUR指標顯著提高，表現(xiàn)出更顯著的生化特性。實驗表明投加Ca2+會更多地影響顆粒污泥的物理性質，Mg2+則多會對顆粒污泥的化學性質產生影響。

3 好氧顆粒污泥形成的影響因素

3.1 水力選擇壓

水力選擇壓主要來源于沉降時間縮短和水流剪切力增大兩個部分。通過對沉降時間進行調控，可以篩選截留下沉降性能良好的顆粒污泥，沉降性能差的絮狀污泥則會伴隨出水從反應器中排除。較短的沉淀時間會刺激細胞改變生理特性，使其分泌更多的EPS并且增加細胞表面疏水性，從而促進顆粒污泥形成。明婕等[20]人的實驗表明：顆粒的粒徑與沉降時間成反比。水力剪切力對好氧顆粒的表觀結構、EPS的產生、顆粒的穩(wěn)定性均有影響。較高的水力剪切力能促進好氧污泥的顆粒化，有利于在長時間的運行過程中提高好氧顆粒的穩(wěn)定性和密實程度，而相對較低的水力剪切力會減小水流對污泥顆粒的沖擊反而有利于好氧顆粒污泥粒徑的增大。

3.2 有機負荷

有機負荷對污泥的生長狀況及其細菌種類和群落的多樣性有著直接影響。負荷過低，無法滿足微生物自身的生長繁殖，導致污泥的顆?；^程受阻，難以形成結構緊密的生物聚集體；負荷過高，將會導致污泥中絲狀菌過量繁殖，從而使污泥結構松散，污泥沉降性降低，難以形成顆粒。趙彬等[21]人以人工配水為實驗水源，采用SBR運行模式，在高有機負荷條件下，經過46d，成功培養(yǎng)出結構密實穩(wěn)定的好氧顆粒污泥。其中粒徑大于0.38mm的顆粒高達91.6%。

3.3 接種污泥

活性污泥中不同類型的微生物種群及各類微生物細菌數(shù)量對好氧顆粒污泥的形都有著十分重要的影響。相對于親水性細菌，疏水性細菌更易聚集，因此選取疏水性菌群占比高的活性污泥接種，培養(yǎng)出的顆粒污泥其污泥沉降性也越好，顆粒形成時間也會縮短。

3.4 反應器構型及運行方式

SBR反應器是現(xiàn)階段好氧顆粒污泥研究中的主流構型反應器。SBR反應器的間歇運行模式可以有效保留系統(tǒng)的污泥量，對好氧顆粒污泥的培養(yǎng)更有幫助。在保證有較好的顆粒流動軌跡，合適的水力條件下，有研究者在連續(xù)流反應器（CFR）、氣升式反應器（ALR）中成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥。不同類型的反應器會因其自身的運行方式為顆粒污泥的形成提供不同的運行條件，同時會對顆粒污泥的形成帶來不同的影響。

3.5 溫度和pH

好氧顆粒污泥的培養(yǎng)與環(huán)境的溫度和pH密切相關。大多數(shù)顆粒污泥的培養(yǎng)都是在室溫下進行，低溫下不易培養(yǎng)。絕大多數(shù)微生物無法在強酸或強堿環(huán)境下生存，微生物死亡后失去自凝聚能力，顆粒污泥的形態(tài)和結構也會崩潰。張志等[22]研究指出通過調控污泥系統(tǒng)的pH值可以改變EPS的產量，適宜的pH有助于促進EPS的分泌，提高好氧顆粒污泥的耐沖擊能力，使其結構更加密實。

4 結束語

至今世界范圍內的專家學者們對好氧顆粒污泥的培養(yǎng)技術已經進行了大量的研究，好氧顆粒污泥的諸多優(yōu)點被發(fā)掘出來。好氧顆粒污泥系統(tǒng)作為一種新興的污廢水生物處理技術，其處理范圍已不再局限于生活污水，可廣泛應用于其他領域。比如對高濃度有機廢水、金屬廢水、含毒廢水的處理等方面。

但人們關于顆粒污泥的形成機制仍然存在不同意見，目前提出的多種假說還并未有明確的理論依據(jù)來證明其絕對性，好氧顆粒污泥的形成機制以及影響顆粒污泥形成的一些相關影響因素尚需要進行更深入的研究。明確了好氧顆粒污泥的造粒機制可以幫助我們更加快捷地培育出好氧顆粒污泥。目前，絕大多數(shù)的好氧顆粒污泥都是在實驗室條件下人工培養(yǎng)出來的，培養(yǎng)過程中需要克服的條件較多。好氧顆粒污泥要從實驗室規(guī)模應用到實際工程當中仍然是一個不小地挑戰(zhàn)，今后需要對好氧顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定化運行、經濟節(jié)能和快速啟動等方面進行研究。