好氧颗粒污泥的研究现状

好氧颗粒污泥的研究现状

李玉瑛１，李冰２，郑西来２

（１．五邑大学化学与环境工程系，广东江门５２９０２０；

２．中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛２６６００３）

［摘要］近几年来，好氧颗粒污泥的研究得到人们的广泛关注，但其研究规模主要局限于小试，还很少有工业应用的报道。回顾了好氧颗粒污泥的研究成果，分析了好氧颗粒污泥的形成机理及应用，并探讨了好氧颗粒污泥的特征及其颗粒化过程的主要影响因素。指出，好氧颗粒污泥是近期发现的在有氧条件下自发的细胞自固定化过程，是生物膜的特殊生长形式，具有良好的沉降性能、

较高的生物量和生物活性。［关键词］好氧颗粒污泥；颗粒化；有机负荷；污泥形态［中图分类号］Ｘ７０３．１

［文献标识码］Ａ

［文章编号］１００５－８２９Ｘ（２００６）０１－００１３－０４

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎｈａｓｒｅｃｅｎｔｌｙｂｅｅｎｇｉｖｅｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｍａｎｙｓｔｕｄｉｅｓａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄａｔｔｈｅｂｅｎｃｈ－ｓｃａｌｅｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｓｔｕｄｉｅｓ，ｔｈｅｒｅｈａｖｅｂｅｅｎｆｅｗｒｅｐｏｒｔｓｏｎｉｔｓｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｏｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｉｓｓｅｌｆｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｓｌｕｄｇｅａｎｄｉｓａｓｐｅｃｉａｌｃａｓｅｏｆｂｉｏｆｉｌｍ．Ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｈｉｇｈｓｅｔｔｌｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｇｏｏｄｌｉｑｕｉｄｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｂｉｏｍａｓｓｒｅｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｇｏｏｄａｃｔｉｖｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ；ｏｒｇａｎｉｃｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅ；ｓｌｕｄｇｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ

Ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ

ＬｉＹｕｙｉｎｇ１，ＬｉＢｉｎｇ２，ＺｈｅｎｇＸｉｌａｉ２

（１．ＷｕｙｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｍｅｎ５２９０２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６００３，Ｃｈｉｎａ）第２６卷第１期２００６年１月

工业水处理

ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔ

Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２００６

污泥颗粒化是微生物的自固定过程，这个过程涉及了微生物间的物理、化学及生物作用。好氧颗粒污泥是由相互聚集的、多物种的微生物构成的团体，每克污泥中含有上百万的细菌，这些细菌在多种污染物质的降解过程中起到各不相同的作用。好氧颗粒污泥拥有高密度、规则外形、密实结构以及优良沉淀性能等特征，这些特征使其能维持高生物量，能承受高有机负荷和水质波动带来的冲击负荷。

在过去的二十多年里，人们对厌氧颗粒污泥技术进行了大量研究，并应用于许多废水处理系统。厌氧颗粒污泥由于其良好沉淀性能和高污泥浓度的特点，使反应器的容积负荷较高，利于处理高浓度的有机废水。但是应用厌氧颗粒污泥技术也有一些缺点：如较长的启动期、较高的运行温度、不能处理低浓度废水、不能去除氮和磷等。为了克服这些不足，好氧

颗粒污泥技术受到了人们的关注，Ｋ．Ｍｉｓｈｉｍａ〔１〕首先

在好氧上向流反应器中发现了具有良好沉淀性能、粒径在２～８ｍｍ之间的好氧颗粒污泥。随后许多研

究者利用ＳＢＲ反应器都培养出了好氧颗粒污泥，并将其应用于处理高浓度有机废水或含氮、磷及有毒物质的废水。

１好氧颗粒污泥的形成

好氧颗粒污泥是一种较高密度的球型细菌团

体，有时也被看作是一种特殊的生物膜。好氧颗粒污泥中的微生物都是些很常见的物种，它们由于生理上的相互依赖而构成一种稳定密实的结构。每个污泥颗粒都包含了上百万个不同种类的细菌，细菌间的相互黏着启动了好氧污泥的颗粒化进程。

Ｊ．Ｈ．Ｔａｙ

〔２〕

应用显微技术研究了好氧颗粒污泥的形成全过程。他采用两个ＳＢＲ反应器，分别用葡

萄糖和醋酸盐作碳源，接种的絮状污泥主要是由丝状菌构成，结构松散且无规则。运行一个星期后，两个反应器内都出现了较为紧密的、无规则外形的小细菌团体，在葡萄糖反应器中，丝状菌仍占有优势，而醋酸盐反应器中的丝状菌已经逐渐消失。两个星期后，在两个反应器内的小细菌团体都成长为具有

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清晰球形轮廓的颗粒污泥，只是葡萄糖反应器中的丝状菌仍然占有主导地位，这也证实了Ｃｈｕｄｏｂａ在研究活性污泥时得出的结论——

—高分子碳水化合物有利于丝状菌的生长。运行三个星期后，两个反应器中的好氧颗粒污泥都已完全成熟，具有较大粒径的球形结构，平均纵横比是０．７９和０．７３，葡萄糖反应器中颗粒污泥的表面生长着较多的丝状菌，而醋酸盐反应器中的颗粒污泥主要是由杆状菌构成，结构也更加紧密。总之，好氧颗粒污泥的形成是一个逐步的过程，先是形成小的细菌团体，然后再形成成熟的好氧颗粒污泥。

２影响好氧颗粒污泥形成的环境因素

许多环境因素都会对好氧颗粒污泥的形成产生影响，下面将分别讨论这些影响因素。

２．１不同类型碳源的影响

许多碳源都能培养出好氧颗粒污泥，如葡萄糖、醋酸盐、乙醇、苯酚和合成废水等。但是不同类型的碳源将影响好氧颗粒污泥的构成菌种及其结构。如用葡萄糖做碳源可使好氧颗粒污泥的表面生长较多的丝状菌；而用醋酸盐做碳源的好氧颗粒污泥主要是由杆状菌构成，结构也更加紧密；利用无机碳源形成的硝化颗粒污泥主要由硝化细菌构成〔３〕，其具有极强的硝化能力。

２．２有机负荷的影响

我们知道，在较高的有机负荷下易于形成厌氧颗粒污泥。而好氧颗粒污泥却不受有机负荷的限制，在ＣＯＤ容积负荷为２．５～１５ｋｇ／（ｍ３・ｄ）的范围内都可形成〔４〕，这说明有机负荷对好氧颗粒污泥的形成没有太大影响。不过负荷的改变也影响了好氧颗粒污泥的一些物理特性，当ＣＯＤ容积负荷从３ｋｇ／（ｍ３・ｄ）提高到９ｋｇ／（ｍ３・ｄ）时，好氧颗粒污泥的平均粒径从１．６ｍｍ增加到１．９ｍｍ，同时还增加了颗粒表面的粗糙度，降低了颗粒密度。随着有机负荷的增加，细菌的生长速度也增加，但污泥颗粒的机械强度却受到削弱。

２．３水力剪切力的作用

较强的水力剪切力能使好氧颗粒污泥形成更加稳定的结构〔２〕。在ＳＢＲ反应器中，空气上升流速能间接表示水力剪切力的强度，好氧颗粒污泥只有在空气上升流速大于１．２ｃｍ／ｓ时才会形成，更大的上升流速有利于形成更规则、更密实的球形结构，而且好氧颗粒污泥的密度和机械强度也会随之升高。Ｊ．Ｈ．Ｔａｙ还认为高的水力剪切力能诱使颗粒中的细菌分泌更多的胞外多聚糖，胞外多聚糖能增强细胞的黏着力，有利于维持好氧颗粒污泥结构的稳定性。Ａ．Ｏｈａｓｈｉ〔５〕在研究好氧膜的过程中也发现了剪切力对细菌分泌胞外多聚糖的诱发作用。

２．４沉淀时间

ＳＢＲ反应器是间歇运行，每个周期包括进水、反应、沉淀和排水。沉淀时间对于污泥来说是一种选择，较短的沉淀时间利于沉速较快的污泥颗粒保留在反应器中，而沉速较慢的将排出反应器。Ｌ．Ｑｉｎ〔６〕的研究证实，好氧颗粒污泥只有在沉淀时间小于５ｍｉｎ时才能成为反应器内污泥的主体，而当沉淀时间分别是２０、１５、１０ｍｉｎ时，反应器内是由好氧颗粒污泥和悬浮污泥构成的混合污泥。实验中还观察到，较短的沉淀时间会增加胞外多聚糖含量和细胞表面的疏水性。这些研究结果说明，通过控制沉淀时间可以促进好氧颗粒污泥的形成，并改善其污泥特性。因此在培养好氧颗粒污泥的过程中，选择一个最佳的沉淀时间显得尤为重要。成熟的好氧颗粒污泥通常能在１ｍｉｎ内完成沉淀，ＳＢＲ反应器中拥有大量的成熟好氧颗粒污泥是快速、高效去除废水中污染物的前提。

２．５基质匮乏期的作用

由于ＳＢＲ是周期循环运行的，因此反应器内的好氧颗粒污泥也经历了周期性的环境变化，ＳＢＲ的反应期又可再分为两个阶段：（１）基质丰富期，该期内基质被利用，基质浓度逐渐降低到最小值；（２）基质匮乏期，基质浓度达到最小值后，细菌不再利用外部的基质，而主要利用自身贮存的营养物质进行内源呼吸。Ｊ．Ｈ．Ｔａｙ〔２〕认为，在基质匮乏的不利环境下，细菌通过增加疏水性，促进彼此间的聚集来适应该环境。因此，基质匮乏期也能促进好氧颗粒污泥的形成。

２．６钙离子

Ｈ．Ｌ．Ｊｉａｎｇ〔７〕认为Ｃａ２＋能加速好氧颗粒污泥的形成，如添加１００ｍｇ／Ｌ的Ｃａ２＋能使好氧颗粒污泥的形成时间从３２ｄ缩短到１６ｄ。Ｃａ２＋的添加还能提高好氧颗粒污泥的沉淀性能，提高多聚糖含量。Ｃａ２＋的作用机理也许是能中和细菌表面的负电荷，连接细胞外的多聚糖分子，从而起到架桥作用来促进好氧颗粒污泥的形成。

２．７反应器结构的影响

在现有的文献中，只有在ＳＢＲ反应器中培养出了好氧颗粒污泥，这可能是由于ＳＢＲ是柱状上流式

专论与综述工业水处理２００６－０１，２６（１）１４