好氧颗粒污泥技术进展及应用现状

好氧颗粒污泥技术进展与应用现状

摘要：好氧颗粒污泥是一种具有良好沉降性能的颗粒状活性污泥。好氧颗粒污泥有较高的生物量，相较传统活性污泥有更高的有机负荷，并且运行成本也相对较低。因此，通过培养驯化好氧颗粒污泥并用于处理污水厂被广泛关注。本文简述了好氧颗粒污泥的概况及特性，介绍了相关的培养方法以及在实验室和工程方面的应用，并对好氧颗粒污泥的前景进行了展望。

关键词：好氧颗粒污泥；性质；驯化；应用

由于我国近些年水体富营养化和水污染严重，水污染控制技术的应用日益广泛。我国现有污水厂大多数采用活性污泥法处理污水。但是活性污泥法有污泥膨胀、沉降性能较差、剩余污泥量大等问题，严重限制了我国的污水处理。

好氧颗粒污泥是废水系统中微生物在好氧条件下，微生物自生自凝聚形成的一种颗粒状、结构紧密、沉降性能好、污染物处理效果明显的特殊的活性污泥，相较传统活性污泥，好氧颗粒污泥不会出现污泥膨胀、出水水质变差等问题。因此，好氧颗粒污泥应用与工业废水中难降解有机物的去除。另外，颗粒污泥具有高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性，具有很高的经济价值。

通过对好氧颗粒污泥特性的描述，以及对其形成机理进行描述，可以定性的了解好痒颗粒污泥的性质及应用；通过总结好氧颗粒污泥的的驯化及培养方法以及当下对好氧颗粒污泥的应用，预测污水厂应用好氧颗粒污泥的进一步发展。

1 好氧颗粒污泥的技术现状

1.1好氧颗粒污泥的特性

1.1.1好氧颗粒污泥的物化性质

1）基本性质

成熟的好氧颗粒污泥呈橙黄色，表面光滑，外观为球形或椭球形，其粒径在0.5-1.5 mm，纵横比为0.76,形状系数稳定在0.45。好氧颗粒污泥的沉降速度与其大小和结构有关，一般在30-70m/h,约为传统活性污泥(8~10 m/h)的3倍。好氧颗粒污泥主要包含C、H、O、N、S、P等6种元素，以及少量的Ca、Mg、Fe等金属元素。由于所含无机元素种类不同，污泥颗粒可能出现不同的颜色。如当颗粒污泥含大量钙元素是会呈现白色

[1]。

采用气升式内循环间歇反应器，分别以蔗糖和乙酸钠为进水碳源对好氧污泥颗粒化进行研究发现，以蔗糖为碳源时，污泥颜色由接种时的棕黑色逐渐变为棕黄色，在运行第7d 时，反应器内出现细小颗粒化污泥，随后颗粒污泥逐渐增多长大，形成成熟的颗粒污泥。以乙酸钠为碳源，发现接种的絮状污泥在运行前10d，污泥颜色由棕黄色逐渐变成橙黄色，随着运行，颗粒污泥逐渐长大，多数为不规则的圆形[2]。

2）沉降性能

颗粒污泥的沉降性能受其结构和粒径的影响，粒径越大，密度越高，沉降效果越好。颗粒污泥的污泥体积指数（SVI）为12.6-64.5ml/g，而普通活性污泥的SVI在100-150ml/g 左右[3]。好氧颗粒污泥的沉降速率是普通絮凝污泥的3倍，较好的沉降性能可以增加污泥在反应器内的停留时间，提高了污泥中微生物体的降解能力。相关研究表明，污泥直径和沉降速率之间呈正相关[3]。

3）EPS的组分

胞外聚合物（EPS）是由于微生物的代谢而产生的一类粘性物质，其中，蛋白质是EPS的主要成分。McSwain的研究表明，好氧颗粒污泥的EPS含量较高，其主要成分为多糖类和蛋白质类[4]，在好氧颗粒污泥的形成过程中，蛋白质类物质的存在是好氧颗粒污泥形成的重要因素，但是Adav等认为多糖类物质是好氧颗粒污泥形成的重要因素，其在研究中发现，好氧颗粒污泥EPS中多糖类/蛋白质类的比例明显升高（由3.4升高到6.2），蛋白质与总糖的比值影响污泥的表面性质，是影响颗粒污泥形成的重要因素之一。表1中列出EPS在好氧颗粒污泥中的分布，观察可发现，用乙酸钠和苯酚培养的颗粒内核中的EPS主要以蛋白质为主，而外核以多糖为主。这种结构有利于污泥粒子间的凝聚和维持颗粒结构[5]。

表1 EPS在好氧颗粒污泥中的分布

4）溶解氧浓度

溶解氧浓度（DO）通过改变微生物生态系统和代谢途径，可以影响颗粒污泥的形成和性能。通常采用纯氧曝气和增加压力实现DO浓度维持在1.0mg/L。Chiu等[6]通过探针探测颗粒内部DO水平，推算出乙酸培养的颗粒污泥粒径在1.28-2.50 mm范围内，表观氧扩散系数在1.24×10-9-2.28×10-9m2/s之间；苯酚培养的粒径在0.42-0.78 mm范围内的颗粒污泥，表观氧扩散系数在2.50×10-9-7.65×10-9m2/s之间。Chiu等[7,8]研究表明由于聚集在颗粒外围的活性细胞层消耗了大部分吸附的DO，因此在颗粒核心区不存在DO，在长期放置过程中颗粒污泥没有可利用的DO。经过试验表明，DO浓度并不是影响好氧颗粒污泥形成的关键因素，但是DO浓度会影响颗粒污泥的粒径大小。较高的DO浓度下，污泥粒径较大时，而当DO浓度较低时，颗粒污泥的粒径相对较小（0.3-0.5mm）。

1.1.2好氧颗粒污泥的微生物性质

好氧颗粒污泥主要由异养菌和硝化菌组成，颗粒本身的生物相包括形态各异的细菌（球菌、杆菌）。扫描电镜(SEM)、光学显微镜以及和FISH联合使用的CLSM都能用来观察颗粒污泥种群结构，以鉴定不同条件下异养菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)，发现好氧颗粒污泥内微生物的种群结构和基质种类密切相关。

Jang等[9]发现氨氧化菌主要存在于颗粒污泥的外层及中层区域；王强等[10]观察到颗粒污泥中存在大量丝状菌和真菌，而丝状菌的大量缠绕会形成颗粒的骨架。阮文权等[11]对同步脱氮好氧颗粒污泥内部分析，发现大量球菌分布在污泥颗粒外部，而杆菌主要分布在内部，外部结构紧实，而内部较为松散。颗粒表面生长着数量繁多、形态各异的原、后生动物。这些特殊的微生物结构对于提高出水水质、增加反应器处理负荷有重要的作用。

1.2好氧颗粒污泥的形成机制

1.2.1四步途径

关于颗粒污泥的颗粒化过程，国内外学者已利用现代分子生物学技术进行了大量研究。Liu等[12]提出了好氧污泥颗粒的形成主要由以下四步途径完成：①物理作用使得最初的细菌向细菌靠拢或细菌向基质表面运动,形成最初的微生物聚合体。基质可以是污泥中已经存在的细菌聚合体，也可以是惰性的无机或有机物。运动所需的作用力主要来自水流推动力、扩散力、重力、热力以及细胞之间的相对运动；②物理、化学和生物之间的作用力，使得细菌与细菌之间以及细菌与固体表面之间相互吸附，进一步形成微生物聚合体，但是这种吸附是可逆的；③胞外聚合物(EPS)产生的生物凝胶是微生物细胞之间强有力的吸引力，这种吸引力使得细菌与细菌之间以及细菌与固体表面之间的吸附不再可逆，微生物聚合体逐渐形成；④在水力剪切力的作用下，结构稳定的好氧颗粒污泥形成。

1.2.2四种假说

1）微生物自凝聚假说

微生物的自凝聚现象被认为是颗粒污泥形成的一个假说。Tay等[13]认为好氧污泥颗粒的形成是微生物在静电斥力和水力作用下的自凝聚过程。发生在细胞内部、细胞之间的相互作用以及多种属的细菌及细菌之间、蛋白质之间的吸附作用，使得微生物相互聚集形成紧密的有规则形状的三维立体结构。事实上，好氧颗粒污泥可以看作是高密度的细菌团体，也可看作是一种特殊形式的生物膜。每个颗粒污泥包含上百万个不同种类的细菌，细菌间的相互黏着促进了好氧污泥的颗粒化，最终形成具有规则椭圆形外观的微生物聚合体。

2）选择驱动压假说

在SBR反应器中，通过控制沉降时间，只有在某个特定的时间范围内沉降速率快的颗粒污泥能在反应器内保存下来，而沉降性能差的就会从反应器中淘洗出去。这种沉降淘洗过程是一个纯粹的物理屏蔽过程，与微生物的性质无关。Wang等[14]认为颗粒污泥的稳定性会随着选择压的不断增强而逐渐增强。Tay等通过变化排水口的高度获得不同的选择压，比较了不同的选择压下好氧颗粒污泥的形成过程，研究发现硝化颗粒污泥需要高强度的选择压。

3）胞外多聚物假说

EPS是微生物分泌于细胞表面的大分子黏性物质，能够改变细胞表面的物理化学性质，主要包括蛋白质、多糖、腐殖质酸和油脂等，这些物质有利于微生物细胞凝聚，对颗粒污泥的形成和稳定起到重要作用。Liu等[15,16]认为，EPS是微生物细胞和颗粒态物