連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展

黃全江，王三反，吳　楠，賀　輝，于文統(tǒng)，叢　林

(蘭州交通大學(xué) 寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州730070)

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連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展

黃全江，王三反，吳楠，賀輝，于文統(tǒng)，叢林

(蘭州交通大學(xué) 寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州730070)

概述了連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展,包括連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥的形成機(jī)理、影響因素和反應(yīng)器的特點(diǎn)，并對該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

連續(xù)流；好氧顆粒污泥；機(jī)理；影響因素；反應(yīng)器

好氧顆粒污泥技術(shù)以其良好的沉降性能和較高的污染物處理能力，受到越來越多學(xué)者的熱捧。好氧顆粒污泥的研究最早可以追溯到1991年，Mishima等[1]在連續(xù)流好氧升流式污泥床反應(yīng)器(AUSB)中成功培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥，然而其運(yùn)行條件苛刻(必須以純氧曝氣)，且不具備脫氮除磷性能。之后研究發(fā)現(xiàn)[2]，序批式反應(yīng)器(SBR)相對于傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器有更強(qiáng)的水力傳質(zhì)壓力、更優(yōu)良的污泥篩分效果、更佳的絲狀菌控制性能，能夠相對容易地培養(yǎng)出性能優(yōu)異的好氧顆粒污泥。目前，好氧顆粒污泥的研究大都集中在SBR中。但是，SBR只適用于小型污水處理系統(tǒng)，與實(shí)際工程中的大型污水處理系統(tǒng)——連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)還存在一定的差距。作者概述了連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望了其應(yīng)用前景。

1　連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

連續(xù)流態(tài)下的好氧顆粒污泥在本質(zhì)上同SBR中的好氧顆粒污泥一樣，是微生物借助反應(yīng)器中特殊的水力條件，改變其自身的細(xì)胞表面特性或代謝機(jī)制，通過黏附作用而形成的聚集體。關(guān)于其形成過程，目前比較公認(rèn)的顆?；^程是Liu等[3]提出的4步途徑模型：

(1)在物理作用力下，微生物之間相互靠攏或向附著體表面運(yùn)動，形成最初的微生物聚集體。已經(jīng)存在的微生物聚集體和惰性物質(zhì)均可以作為微生物生長附著的載體或晶核；(2)微生物之間、微生物與附著體之間在物理、化學(xué)和生物的作用力下相互吸附，微生物聚集體進(jìn)一步變大、緊密，但是這種吸附并不穩(wěn)定而是可逆的；(3)微生物之間通過胞外聚合物產(chǎn)生的生物凝膠強(qiáng)有力地相互粘連、吸附在一起，這種吸附不再可逆，微生物聚集體逐步趨于穩(wěn)定；(4)在水力剪切力對微生物聚集體的塑形作用下，微生物聚集體更加致密，生物間的間距進(jìn)一步縮小，結(jié)構(gòu)更加緊密，最終形成好氧顆粒污泥。

2　連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)好氧顆粒污泥的影響因素

連續(xù)流反應(yīng)器和間歇式反應(yīng)器的主要區(qū)別是進(jìn)水方式的差異，而進(jìn)水方式對污泥的形態(tài)及其沉降性能影響很大。連續(xù)流反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥的主要影響因素有水力剪切力、沉淀時間、飽食-饑餓期、基質(zhì)類型及有機(jī)負(fù)荷等。

2.1水力剪切力

水力剪切力是上升的水流或氣流對好氧顆粒污泥表面形成的剪切作用力，其作用機(jī)理是對生物體施加一定的生物選擇壓，一般通過表面氣速表征。由于不同剪切力下的微生物的聚集性質(zhì)有所差異，所以最終形成的好氧顆粒污泥的粒徑、外形結(jié)構(gòu)、沉降性能等也各不相同。研究表明[4-5]，一定強(qiáng)度的剪切力是好氧顆粒污泥形成的必要條件，提高剪切力強(qiáng)度，可以在一定程度上提高生物固體濃度和沉降性能，同時增強(qiáng)微生物活性，較高的剪切力能促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。牛姝等[6]在三相分離型反應(yīng)器(CAFB)中培養(yǎng)好氧顆粒污泥時發(fā)現(xiàn)，連續(xù)流反應(yīng)器中不存在對循環(huán)時間和沉淀時間的控制，剪切力是促進(jìn)好氧顆粒污泥形成的主要因素。由流體剪切力模型可知，連續(xù)流水流作用施加于顆?；蛐躞w表面的剪切力遠(yuǎn)大于SBR中氣相施加的剪切力，因此在連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥性能比SBR中的更加優(yōu)異。

2.2沉淀時間

沉淀時間影響好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中絮凝體的篩分過程。在較短的沉淀時間下，水力條件將促進(jìn)污泥的篩分，使松散的絮狀污泥被篩除，而密度較大的顆粒污泥將繼續(xù)留在反應(yīng)器中。隨著時間的推進(jìn)，顆粒污泥逐漸成為優(yōu)勢菌群。有研究表明[7]，較短的沉淀時間會促使細(xì)胞表面生成更多的胞外聚合物，胞外聚合物能夠提升細(xì)胞表面的疏水性，進(jìn)而促進(jìn)顆粒污泥的形成。然而，魯文娟等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)流傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中進(jìn)行的好氧顆粒污泥培養(yǎng)，即使污泥沉淀時間設(shè)為2.0 h，仍可以成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，這表明較短的沉淀時間并不是好氧顆粒污泥形成的必要條件。

2.3飽食-饑餓期

飽食-饑餓期是影響好氧顆粒污泥的培養(yǎng)與保持穩(wěn)定的一個關(guān)鍵因素。Liu等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，較短的饑餓期能夠加快顆粒污泥的形成速度，但形成的顆粒污泥不穩(wěn)定。絲狀菌的過度繁殖是好氧顆粒污泥解體的主要原因之一[11]。de Icreuk等[12]發(fā)現(xiàn)絲狀菌有機(jī)體只在低基質(zhì)濃度梯度的污泥絮凝組織中過度繁殖。在連續(xù)流反應(yīng)器中，由于反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)充分混合，顆粒污泥表層幾乎不存在基質(zhì)濃度梯度，而在顆粒污泥內(nèi)部卻容易形成易于絲狀菌繁殖的基質(zhì)濃度梯度[13]。此外，眾多研究表明，交替的飽食-饑餓期變化能夠抑制絲狀菌的繁殖，同時也可以促進(jìn)顆粒絮凝體的生成。沒有飽食-饑餓期的變化，絮凝體將不會發(fā)展成為優(yōu)勢群體。劉琳[14]研究了饑餓時間對穩(wěn)態(tài)好氧顆粒污泥系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)短的饑餓期并不會引起顆粒污泥的失穩(wěn)，但長的饑餓期會引發(fā)絲狀菌的大量繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。這說明合適的饑餓時間可以促進(jìn)顆粒污泥系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能且保持高效，但較長的饑餓期并不可取。

2.4基質(zhì)類型及有機(jī)負(fù)荷

好氧顆粒污泥與一般生物膜類似，能夠用于一般生物培養(yǎng)的基質(zhì)基本上都可用于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，基質(zhì)類型對好氧顆粒污泥的形成過程基本無影響，但是不同有機(jī)質(zhì)培養(yǎng)的好氧顆粒污泥菌群組成及結(jié)構(gòu)卻有很大的差別。在以葡萄糖為主要基質(zhì)的培養(yǎng)體系中，形成的好氧顆粒污泥表面容易長出大量絲狀菌，外觀呈絨毛狀，而在以醋酸鈉為主要基質(zhì)的反應(yīng)器內(nèi)，形成的好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)緊密，顆粒污泥主要是由桿菌組成[15]。隨著基質(zhì)成分種類的增多，好氧顆粒污泥的菌群結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出多樣化趨勢[16]。

基于SBR的大量研究表明，有機(jī)負(fù)荷的大小影響系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌的生長速率[17]，一定負(fù)荷范圍內(nèi)，負(fù)荷越高，顆粒污泥的粒徑越大，但其結(jié)構(gòu)卻越松散，培養(yǎng)后期極易發(fā)生顆粒污泥的解體。然而，沈耀良等[18]對連續(xù)流反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥的運(yùn)行效能進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，增加進(jìn)水中有機(jī)物濃度，不僅能加速污泥顆?；铱梢允狗磻?yīng)器更加穩(wěn)定高效地運(yùn)行。因此，好氧顆粒污泥在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)對有機(jī)負(fù)荷的變化適應(yīng)性比在SBR內(nèi)更強(qiáng)，這將有利于連續(xù)流反應(yīng)器的應(yīng)用推廣。

3　常見連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)好氧顆粒污泥的反應(yīng)器特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的SBR好氧顆粒污泥不同，連續(xù)流反應(yīng)器不存在靜態(tài)的沉降過程，因此在反應(yīng)器內(nèi)需要另加泥水分離裝置進(jìn)行泥水分離。根據(jù)泥水分離機(jī)制的不同，連續(xù)流好氧顆粒污泥反應(yīng)器可以分為重力沉降分離型、三相分離型和過濾分離型。

3.1重力沉降分離型反應(yīng)器

重力沉降分離型反應(yīng)器的主要特征是在反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)立專門的沉降區(qū)域，依靠好氧顆粒污泥的優(yōu)良沉降性能實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)的泥水良好分離。設(shè)立的沉降區(qū)可以是單獨(dú)的二沉池[18]，也可以是在主反應(yīng)區(qū)設(shè)置一定的沉降區(qū)[8]，甚至可以把排泥管道作為沉降區(qū)[19]。然而對表面水力負(fù)荷的選擇難以保持對顆粒污泥的篩分與系統(tǒng)穩(wěn)定同時有效，因此，目前關(guān)于重力沉降分離型反應(yīng)器的研究并不多見。

3.2三相分離型反應(yīng)器

三相分離型反應(yīng)器(CAFB)是目前連續(xù)流培養(yǎng)好氧顆粒污泥的主要反應(yīng)裝置，通常結(jié)構(gòu)是升流區(qū)、降流區(qū)及三相分離器。CAFB由于其較大的高徑比和反應(yīng)器中液、氣的密度差而使得混合液產(chǎn)生規(guī)則的內(nèi)循環(huán)流。這種內(nèi)循環(huán)流具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：(1)增強(qiáng)污泥絮體和小顆粒聚集的剪切作用力；(2)作用于顆粒污泥表面，有助于形成表面平滑、形狀規(guī)則的顆粒污泥；(3)循環(huán)流量遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量，污水實(shí)際停留時間較長；(4)反應(yīng)器內(nèi)混合液濃度均一，屬于完全混合態(tài)，相較SBR的流態(tài)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

研究發(fā)現(xiàn)[20-23]，與SBR中好氧顆粒污泥的形成不同，CAFB中好氧顆粒污泥的形成不受沉降時間、進(jìn)水有機(jī)物濃度等的影響，內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的水力剪切力是促進(jìn)好氧顆粒污泥形成的主要作用力。雖然三相分離器能夠很好地實(shí)現(xiàn)泥水分離，但還不能完全滿足好氧顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)劇烈的氣流擾動及選擇性排泥的要求，因此，三相分離器還需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3過濾分離型反應(yīng)器

過濾分離型反應(yīng)器的原理是利用篩網(wǎng)對顆粒污泥進(jìn)行篩分，使得大小適宜的好氧顆粒污泥保留在反應(yīng)器內(nèi)。Liu等[24-25]利用添加篩網(wǎng)的生物選擇池的連續(xù)流自生動態(tài)膜反應(yīng)器與傳統(tǒng)好氧顆粒污泥反應(yīng)器對顆粒污泥穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，通過粒徑選擇培養(yǎng)的好氧顆粒污泥與水力選擇壓培養(yǎng)的性能沒有太大區(qū)別，粒徑選擇培養(yǎng)的顆粒污泥有更大的粒徑、更低的含水率和更好的脫氮除磷效率,但其沉降性能不如水力選擇壓培養(yǎng)的。雖然這種泥水分離方式具有較高的篩分效率，但其運(yùn)行及控制都較為繁瑣，且易堵塞篩網(wǎng)，并不適宜大規(guī)模應(yīng)用。

4　存在的問題與展望

目前，運(yùn)用連續(xù)流反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥普遍存在如下問題：(1)連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥形成的機(jī)理尚不明確，在SBR內(nèi)對好氧顆粒污泥適宜的條件，在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)不一定仍然適宜；(2)連續(xù)流反應(yīng)器與SBR對不同影響因素的控制難易程度不一，SBR中易于調(diào)節(jié)的部分因素在連續(xù)流反應(yīng)器中不存在或難以控制；(3)連續(xù)流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以直接應(yīng)用于實(shí)際工程中。因此，需要加強(qiáng)連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥的形成機(jī)理研究，對連續(xù)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

盡管目前連續(xù)流反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的培養(yǎng)研究較少，但已經(jīng)有越來越多的學(xué)者開始對其關(guān)注、研究，并取得了一定成果。連續(xù)流反應(yīng)器相較SBR具有更多的工程應(yīng)用可能性，隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信不難實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。

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Research Progress on Aerobic Granular Sludge Technology under Continuous-Flow Condition

HUANG Quan-jiang，WANG San-fan，WU Nan，HE Hui，YU Wen-tong，CONG Lin

(TheEngineeringResearchCenterofMinistryofEducationinColdandAridAreasWaterResourcesComprehensiveUtilization，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070,China)

Researchprogressonaerobicgranularsludgetechnologyunderacontinuous-flowconditionisreviewed，includingtheformationmechanismofaerobicgranularsludgeunderacontinuous-flowcondition，influencefactorsandthecharacteristicsofthereactor.Theapplicationsofthistechnologyareprospected.

continuous-flow；aerobicgranularsludge；mechanism；influencefactor；reactor

2016-04-04

黃全江(1993-)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：水處理技術(shù)及膜技術(shù)，E-mail：hqjspring@126.com；通訊作者：王三反，教授，E-mail:ty197@mail.lzjtu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.003

X 703.1

A

1672-5425(2016)09-0012-03

黃全江，王三反，吳楠，等.連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(9)：12-14，22.