好氧顆粒污泥研究進(jìn)展

易 誠, 龍九妹, 陳津端, 劉作云

(1.衡陽師范學(xué)院生命科學(xué)系,湖南衡陽421008;2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院,湖南衡陽421002)

好氧顆粒污泥研究進(jìn)展

易 誠1, 龍九妹1, 陳津端2, 劉作云2

(1.衡陽師范學(xué)院生命科學(xué)系,湖南衡陽421008;2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院,湖南衡陽421002)

好氧顆粒污泥具有厭氧顆粒污泥與活性污泥不可比擬的優(yōu)勢,成為目前的研究熱點(diǎn),通過從好氧顆粒污泥的形成機(jī)理、混凝強(qiáng)化培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)及好氧顆粒污泥微生物檢測與流體CFD模擬等方面進(jìn)行綜述,提出混凝強(qiáng)化與連續(xù)培養(yǎng)相結(jié)合是快速培養(yǎng)好氧顆粒污泥的發(fā)展方向,現(xiàn)階段高能量測序與CFD技術(shù)是研究好氧顆粒污泥形成的重要有效手段.參32.

好氧顆粒污泥;混凝;連續(xù)培養(yǎng);高通量測序;CFD

1991年Mishima等[1]第一次報道了利用連續(xù)流AUSB反應(yīng)器培養(yǎng)出好氧顆粒污泥,由于好氧顆粒污泥克服了厭氧顆粒污泥啟動時間長、運(yùn)行溫度高、處理低濃度的有機(jī)廢水時運(yùn)行不穩(wěn)定,并無法實(shí)現(xiàn)脫氮除磷等問題.與傳統(tǒng)活性污泥絮體相比,好氧顆粒污泥具有更加密實(shí)、堅固的結(jié)構(gòu),規(guī)則的形態(tài)和清晰的外觀,良好沉降性能,較高的生物量,且工藝啟動過程快速,抗高沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),能承受較高的有機(jī)負(fù)荷[2],有較高的除氮效率,抗毒性較強(qiáng)[3]等優(yōu)勢,目前己被廣泛用于處理高濃度氮磷廢水,重金屬廢水和毒性有機(jī)廢水等難生物降解的廢水[3].荷蘭自1999年合作開展好氧顆粒污泥技術(shù)研究,2003年9月Eda污水處理廠建成世界首個利用好氧顆粒污泥技術(shù)處理城市污水的中試工程[4],運(yùn)行結(jié)果表明好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,污水處理效果好,相較于傳統(tǒng)污水處理工藝降低了近80%的工程用地及30%的能源損耗[4].此后,荷蘭、克羅地亞、意大利及我國均有好氧顆粒污泥處理城鎮(zhèn)污水及工業(yè)廢水的案例[4,5].目前好氧顆粒污泥成為研究的熱點(diǎn).

1 好氧顆粒污形成機(jī)理研究

好氧顆粒污泥的形成是一個長期而復(fù)雜的微生物生態(tài)學(xué)過程,目前對好氧顆粒污泥培養(yǎng)主要集中SBR反應(yīng)器中進(jìn)行,研究者們對好氧顆粒污泥的形成和機(jī)理主要從反應(yīng)器的運(yùn)行條件、物理化學(xué)角度和微生物角度進(jìn)行解釋.從SBR反應(yīng)器的運(yùn)行條件方面來看:SBR反應(yīng)器的基質(zhì)供給有明顯的貧乏期(Famine)和充足期(Feast)[6],并利用沉淀時間的長短來對反應(yīng)器中的微生物進(jìn)行選擇[7],通過曝氣產(chǎn)生足夠的剪切力[8].從物理化學(xué)角度來看,SBR反應(yīng)體系內(nèi)的水力剪切作用、短沉淀時間等選擇壓力,可有效提高細(xì)胞的疏水性并促進(jìn)胞外多聚物(EPS)的分泌[9],較高的細(xì)胞表面疏水性和EPS可促進(jìn)細(xì)胞相互聚集粘附,有利于好氧顆粒污泥的形成.從微生物學(xué)的角度來看,SBR反應(yīng)體系內(nèi)微生物是好氧顆粒污泥形成的首要條件.反應(yīng)器中微生物首先在范德華力、表面電荷、離子架橋作用下,并通過細(xì)胞表面融合等形式發(fā)生物理、化學(xué)、生物化學(xué)等反應(yīng),產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象;其次,在曝氣產(chǎn)生的水力剪切作用的刺激下,微生物會分泌更多的胞外聚合物,增強(qiáng)絮凝顆粒的凝聚能力,最終實(shí)現(xiàn)好氧污泥顆?；?水動力行為對好氧顆粒污泥形成的影響主要表現(xiàn)在水力剪切對污泥顆粒及好氧化的影響和水力剪切對好氧顆粒污泥胞外聚合物分泌的影響[10].

雖然SBR反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥取得較大的進(jìn)展,但其存在培養(yǎng)的時間較長,且不能連續(xù)培養(yǎng),對好氧顆粒技術(shù)工業(yè)化存在制約.如何加快好氧顆粒污泥的培養(yǎng),一是加快好氧顆粒污泥原核的形成,二是實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng).

2 好氧顆粒污泥混凝強(qiáng)化研究

在加快好氧顆粒污泥原核的形成的研究中,傳統(tǒng)的是通過增加污泥的添加量、調(diào)節(jié)水力停留時間及曝氣強(qiáng)度等方式來實(shí)現(xiàn)快速培養(yǎng),但因為初期微生物的數(shù)量及EPS含量不能滿足顆粒原核的形成,同時在水力剪切的作用下,對原核的形成不利.因此,選擇適宜的絮凝劑在適宜的剪切條件下強(qiáng)化混凝,形成好氧顆粒污泥的原核——混凝顆粒,再利用混凝顆粒內(nèi)的微生物的生長及水力剪切刺激微生物分泌胞外聚合物,促進(jìn)混凝顆粒污泥好氧化,培養(yǎng)好氧顆粒污泥,符合好氧顆粒污泥培養(yǎng)要求,能夠快速培養(yǎng)出好氧顆粒污泥.許多研究發(fā)現(xiàn)鈣、鎂[11,12]等具有混凝性能的金屬離子的添加,能對微生物聚集體自固定起促進(jìn)作用.在SBR反應(yīng)器中,人工配制的污水常規(guī)培養(yǎng)好氧顆粒污泥形成最快的為14d[13],劉永軍[14]等進(jìn)行了好氧顆粒污泥造粒原理及穩(wěn)定性調(diào)控研究,利用PAC強(qiáng)化SBR培養(yǎng)8天見到了好氧顆粒污泥.易誠等[15]在PAC、PAM及殼聚糖中從COD、濁度去除效果及絮凝顆粒結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)選PAM作為混凝好氧顆粒污泥的絮凝劑,并利用PAM及二次流強(qiáng)化混凝的WSBR反應(yīng)器培養(yǎng)4天,就見到了好氧顆粒污泥,經(jīng)過培養(yǎng),且其特性明顯好于同實(shí)驗條件下的 SBR內(nèi)的好氧顆污泥[16,17].這就說明,混凝強(qiáng)化是可以加快好氧污泥顆?；M(jìn)程的.

3 好氧顆粒污泥連續(xù)培養(yǎng)研究

顯然,盡管混凝強(qiáng)化能夠加快好氧顆污泥的培養(yǎng)速度,但由于SBR反應(yīng)器是間歇性的,不適宜于批量培養(yǎng),要達(dá)到工業(yè)化培養(yǎng)好氧顆粒污泥的目的,必須實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng).

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對連續(xù)流反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的培養(yǎng)和運(yùn)行做過一些研究.在膜生物反應(yīng)器(MBR)中接種普通絮體污泥,利用黃連素刺激微生物胞外多聚物的分泌,培養(yǎng)出好氧顆粒污泥,且較高的氨氮和磷酸鹽濃度有利于連續(xù)流條件下好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)的維持[18,19].鄧風(fēng)等[20]以NaCl作示蹤劑,研究連續(xù)流好氧顆粒污泥反應(yīng)器水流特性及亞硝化影響因素.吉林大學(xué)周丹丹等[21]利用連續(xù)流氣提式好氧顆粒污泥流化床(CAFB)反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥形成過程、形成機(jī)理和顆粒性質(zhì)進(jìn)行研究.賈曉鳳等[22]在上流式好氧顆粒污泥床反應(yīng)器中,以厭氧顆粒污泥和好氧絮狀活性污泥為接種泥,采用人工配制的模擬廢水,成功培養(yǎng)出性能優(yōu)異的好氧顆粒污泥.趙霞等[23]將上流式厭氧污泥床(UASB)與氣升式間歇反應(yīng)器(SBAR)相結(jié)合而形成連續(xù)流生物流化床,以活性污泥為種泥,在連續(xù)運(yùn)行方式下培養(yǎng)好氧顆粒污泥.雖然目前有連續(xù)流反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥的研究,但總體說來,目前通過連續(xù)流反應(yīng)器成功培養(yǎng)好氧顆粒污泥的研究仍相對較少,且對于連續(xù)流條件下好氧顆粒污泥形成和維持的關(guān)鍵控制因素缺乏明確、統(tǒng)一的認(rèn)識,要推動好氧顆粒污泥的工業(yè)化培養(yǎng),必須加大好氧顆粒污泥連續(xù)流條件下培養(yǎng)的關(guān)鍵控制技術(shù)的研究.

4 好氧顆粒污泥微生物檢測方法

從好氧顆粒污泥培養(yǎng)的條件可知,好氧顆粒污泥形成的基本條件是微生物,微生物的自身凝聚及分泌EPS是好氧顆粒污泥形成的必要條件,好氧顆粒污泥中功能菌群主要分為三類[4]:一是參與污水中含氮有機(jī)物去除的脫氮功能菌;二是針對工業(yè)廢水中難降解POPs的功能降解菌;三是分泌EPS以維持顆粒污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物絮凝菌.顯然,好氧顆粒污泥形成的不同階段,微生物種類會不相同,不同微生物種類對好氧顆粒污泥形成作用又不相同,分析出好氧顆粒污泥生成過程中微生物的變化及其對污泥好氧顆?；挠绊?對好氧顆粒污泥培養(yǎng)具有重要意義.

為更好地檢測出好氧顆粒污中的微生物,在上世紀(jì)九十年代,分子生物學(xué)技術(shù)被廣泛地運(yùn)用廢水生物處理技術(shù)的研究中,主要包括DNA測序及序列分析技術(shù)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)、變性梯度凝膠電泳技術(shù)(DGGE)、熒光原位雜交技術(shù)(FISH)等.其中由Sheffied于1989年首次提出聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)—變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術(shù),后來被廣泛應(yīng)用在研究水處理反應(yīng)器中微生物及其群落結(jié)構(gòu)組成、功能菌株的鑒定與選擇及微生物強(qiáng)化作用等[24,25]方面.PCR—DGGE能夠較準(zhǔn)確地檢測出污水處理過程中微生物多樣性及其群落動態(tài)變化,群落中90%～99%的微生物物種能被檢測,無論該物種細(xì)胞是活的、死的,還是活著但處于不可培養(yǎng)狀態(tài).目前,PCR-DGGE技術(shù)主要用于土壤、水域等環(huán)境微生物群落研究.在水處理工藝中,目前報道較多的是在A2/O工藝中,李娜等[24]利用PCRDGGE技術(shù)研究了A2/O工藝處理污水中的微生物群落結(jié)構(gòu),在好氧顆粒污泥中應(yīng)用中,張斌等[25]利用PCR-DGGE技術(shù)研進(jìn)行泥好氧顆?；^程中微生物群落結(jié)構(gòu)的演變與分析研究.

隨著生物技術(shù)的發(fā)展,高通量測序是目前微生物群落多樣性研究的主要方法,主要包括Roche/ 454、Illumina/Solexa和 ABI/SOLiD,而最常用的是Roche/454法的GS FLX Titaniumsequencing Kit XL +,最具潛力的為Illumina/Solexa法的MiSeq,而ABI/SOLiD應(yīng)用相對較少.3種方法各具特點(diǎn),但原理共同之處較多,如:可將目標(biāo)DNA剪切為小片段;單個小片段DNA分子結(jié)合到固相表面;進(jìn)行單分子獨(dú)立擴(kuò)增;每次只復(fù)制一次并檢測信號;具有高分辨率的成像系統(tǒng);高的輸出量和高解析度等[26]. Miseq具有快速的實(shí)驗周期、便捷的自動化樣品制備流程、數(shù)據(jù)讀長可達(dá)到雙端300bp、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、運(yùn)行成本低,成為實(shí)驗室和研究平臺上受歡迎的微生物檢測方法.但Roche 454數(shù)據(jù)讀長更長,可以更全面更深度地解析環(huán)境樣品中的微生物菌落結(jié)構(gòu),可以一次性對幾十萬到幾百萬條序列進(jìn)行測定,不需要電泳分離、不需要熒光染色、不需要構(gòu)建克隆文庫,即可獲得系統(tǒng)與全面的序列片段.由于Roche 454技術(shù)先進(jìn)性,使其在環(huán)境微生物檢測領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用.Zhang等[27]從中國、北美等地14個污水廠取樣進(jìn)行454焦磷酸測序分析,結(jié)合主因素分析揭示污水廠核心菌屬.并利用Roche 454揭示了活性污泥中引起污泥膨脹和泡沫的細(xì)菌[28],從而提出相對應(yīng)調(diào)控措施.戴昕等[4]利用Roche 454技術(shù)研究了SBR反應(yīng)器好氧顆粒污泥工藝運(yùn)行過程重要功能菌群.

5 好氧顆粒污泥CFD研究

研究表明,流體剪切對好氧顆粒污泥的形成具有十分重要的作用.目前在SBR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行水動力學(xué)特性研究和參數(shù)確定的方法有兩種,一種是實(shí)驗法,包括侵入式測試法和非侵入式測試法.侵入式測試法對流場的攪動較大,如流場中的顆粒相較多,對探頭容易造成侵蝕.非侵入式測試法如粒子圖像測速(PIV)法和激光多普勒測速(LDA)法,具有對流場無干擾的優(yōu)點(diǎn),但實(shí)際操作比較復(fù)雜,一般用于處理離散相較少的速度場,且成本高,實(shí)際操作中往往效果不佳,甚至難以實(shí)現(xiàn).另一種是計算流體力學(xué)CFD(computational fluid dynamics)模擬的方法,它是將特定條件下流體的流動信息,利用計算機(jī)進(jìn)行模擬代替試驗操作的過程,為工程技術(shù)人員在不便于進(jìn)行試驗研究的條件下,提供了一種高效的數(shù)值模擬實(shí)際工況研究途徑,廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械、土木水利、環(huán)境工程和熱能動力等領(lǐng)域. Sun等[29]于2006年采用歐拉—?dú)W拉—拉格朗日模型數(shù)值模擬了表面曝氣型攪拌槽內(nèi)的氣—液兩相流流動與傳質(zhì)行為.2007年 Delgado等[30]采用歐拉—?dú)W拉模型對SBR反應(yīng)器內(nèi)的泥、水、氣三相流動進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗研究,并研究了反應(yīng)器尺寸對流體流動及其對污泥顆?；挠绊?劉麗[31]采用CFD對SBR反應(yīng)器內(nèi)的宏觀流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬,考察其流態(tài)特征對好氧顆粒污泥的影響.程力維[32]以SBR反應(yīng)器為研究對象,研究了不同運(yùn)行參數(shù)(曝氣量和攪拌器轉(zhuǎn)速)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(高徑比),對好氧顆粒污泥培養(yǎng)的影響;并利用三維歐拉模型研究攪拌槳轉(zhuǎn)速、高徑比(H/D)和曝氣量對反應(yīng)器內(nèi)氣—液二相流流體力學(xué)特性;用二維混合模型研究曝氣孔數(shù)量、表觀氣速和高徑比(H/D)對反應(yīng)器內(nèi)固—液—?dú)馊嗔髁黧w動力學(xué)特性.目前對好氧顆粒污泥培養(yǎng)的SBR反應(yīng)器內(nèi)水動力學(xué)研究重點(diǎn)還是主要集中在相關(guān)操作參數(shù)對污泥顆?；挠绊?但未見有CFD技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)流培養(yǎng)好氧顆粒污泥的報道.

綜上所述,好氧顆粒污泥培養(yǎng)研究中,有通過混凝強(qiáng)化加快培養(yǎng)好氧顆粒污的研究報道,也有連續(xù)氣提流化培養(yǎng)好氧顆粒污泥的研究報道,但沒有通過混凝強(qiáng)化與氣提流化相結(jié)合連續(xù)培養(yǎng)好氧顆粒污泥的研究報道.而通過混凝強(qiáng)化與氣提流化相結(jié)合連續(xù)培養(yǎng)好氧顆粒污泥,無疑可以加快好氧顆粒污泥的培養(yǎng)速度.在好氧顆粒污形成機(jī)制的影響研究中,有利用微生物群落的高通量測序技術(shù)的研究,也有利用水力學(xué)CFD研究,沒有利用高通量測序與CFD相結(jié)合的研究報道,研究均具有一定的片面性.為全面研究污泥好氧顆粒化機(jī)制,利用CFD技術(shù)模擬反應(yīng)器固—液—?dú)馊嗔鲗醚跷勰囝w?；挠绊?并利用Roche454技術(shù),分析流體力學(xué)條件下的混凝顆粒及好氧顆粒污泥的微生物種群的變化及其對污泥好氧顆?；挠绊?實(shí)現(xiàn)全面分析,能夠快速準(zhǔn)確地揭示出好氧顆粒污泥的形成機(jī)理.

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Research Progress of Aerobic Granular Sludge

YICheng1, LONG Jiu-mei1, CHEN Jin-duan2, LIU Zuo-yun2

(1.Department of Life Science,Hengyang Normal University,Hengyang 421008,China;2.Department of Landscape Architecture,Hunan Polytechnic of Environment and Biology,Hengyang 421002,China)

The study on aerobic granular sludge is now a hotspot for aerobic granular sludge has incomparable advantages compared with anaerobic granular sludge and activated sludge.This paper,making a review from the aspects of the formationmechanism,intensive and continuous culture of coagulation,microbial detection and fluid CFD simulation of aerobic granular sludge,makes a conclusion that the combination of intensive and continuous culture of coagulation is the development direction of cultivating aerobic granular sludge.Currently,high energy sequencing and CFD technology are effective means to research the formation of aerobic granular sludge.32refs.

aerobic granular sludge; coagulation; continuous culture; high throughput sequencing;CFD

X799.3;X78

A

2095-7300(2015)03-037-05

2015-06-21

湖南省自然科學(xué)基金(編號:2015JJ2018);衡陽市科技計劃項目(編號:2014KS36);衡陽師范學(xué)院科學(xué)基金(編號:13B37)

易 誠(1970-),男,湖南衡陽人,博士,教授.研究方向:水污染控制.

Biography:YICheng,born in 1970,male,professor(Ph.D.),research direction for water pollution control.