厭氧顆粒污泥的形成及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

吳正杰，成 凌

(揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100)

目前對(duì)于高濃度有機(jī)廢水的處理中多采用厭氧生物處理法。上流式厭氧反應(yīng)器(UASB)誕生后，在UASB應(yīng)用的過程中有研究者發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)相對(duì)較為密實(shí)的顆粒污泥，而且上面聚集生長(zhǎng)這多種厭氧微生物，能夠參與厭氧反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物的降解工作。同時(shí)顆粒污泥與絮狀污泥相比較有較好的沉降性能，可以大大提高污泥的停留時(shí)間，增加反應(yīng)器內(nèi)的生物量。所以活性較高的厭氧顆粒污泥也是UASB啟動(dòng)成功的一項(xiàng)重要特征。厭氧顆粒污泥的生長(zhǎng)狀態(tài)成為判斷反應(yīng)器是否穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一直以來(lái)關(guān)于厭氧顆粒污泥的形成和應(yīng)用的研究都備受廣大學(xué)者的關(guān)注。

1 厭氧顆粒污泥的特性

1.1 物理特性

厭氧顆粒污泥是相對(duì)與一般厭氧反應(yīng)器中的絮狀污泥而言。相較于絮狀污泥顆粒污泥的密度較大，一般為1025～1080 g/cm3。具有一定的形狀，常見有圓形、橢圓形等。顆粒污泥的沉降性能較好，按照顆粒污泥的沉降速度，將顆粒污泥分為三個(gè)等級(jí)，沉降性能不好(18～ 20 m/h)、滿意(18～50 m/h)和很好(50～100 m/h)。厭氧顆粒污泥的顏色多為黑、灰兩種顏色，反應(yīng)器內(nèi)所添加的金屬元素決定了顆粒污泥具體呈現(xiàn)的顏色。

1.2 生物特性

在厭氧條件下顆粒污泥上生長(zhǎng)著多種厭氧菌群落，外層為水解酸化菌，內(nèi)層為產(chǎn)甲烷菌。這些菌類的協(xié)同作用將污水中的有機(jī)物降解掉，最終降解成甲烷和二氧化碳從水中釋放，達(dá)到去除有機(jī)物的作用。在厭氧系統(tǒng)中有機(jī)物的降解可分為四個(gè)階段：第一階段污泥中的水解菌將污水中大分子有機(jī)物水解成小分子可溶性有機(jī)物(氨基酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸、多糖)。第二階段小分子可溶性有機(jī)物經(jīng)酸化菌酸化成短鏈脂肪酸，醇類、酮類。第三階段在產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌的作用下將短鏈脂肪酸分解成乙酸、氫氣和二氧化碳，此時(shí)一部分有機(jī)物就以二氧化碳的形式從水體釋放。第四階乙酸和氫氣在甲烷菌的作用下產(chǎn)生甲烷氣體，達(dá)到降低水中有機(jī)物的目的。

2 顆粒污泥形成的研究

污泥顆?；倪^程相當(dāng)復(fù)雜，研究者從不同學(xué)科的不同角度對(duì)厭氧顆粒污泥形成原因進(jìn)行分析，并且提出了各種假說，胞外多聚物假說、自凝聚假說、晶核假說、選擇壓驅(qū)動(dòng)假說等。目前對(duì)于厭氧顆粒污泥的形成還沒有較為全面的理論，但是從很多研究報(bào)道來(lái)看。大多數(shù)的研究這對(duì)于這幾個(gè)理論研究較多，研究者從這些假說中尋找促進(jìn)污泥顆?；姆椒?。

2.1 不同添加物對(duì)顆粒形成的影響

近年來(lái)有許多研究者在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在UASB啟動(dòng)時(shí)添加一些惰性物質(zhì)可以促進(jìn)污泥的顆?；?。例如活性炭粉末、麥麩和一些絮凝劑等物質(zhì)。劉等[1]實(shí)驗(yàn)對(duì)比了木質(zhì)素纖維、黃原膠和微生物絮凝劑對(duì)污泥顆?；挠绊?，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三種物質(zhì)均有利于實(shí)現(xiàn)污泥顆?；?shí)驗(yàn)以血清瓶作為厭氧反應(yīng)器，三種添加物的最優(yōu)量分別為：木質(zhì)素纖維1 g/3gMLSS、黃原膠60 mg/3gMLSS、微生物絮凝劑30 mL/3gMLSS。經(jīng)過35天的培養(yǎng)，對(duì)比培養(yǎng)出的顆粒污泥機(jī)械強(qiáng)度大小發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素纖維>黃原膠>微生物絮凝劑。機(jī)械強(qiáng)度大相對(duì)來(lái)說顆粒污泥的完整性就較好。不同添加物對(duì)顆粒污泥中EPS的促進(jìn)作用：微生物絮凝劑>黃原膠>木質(zhì)素纖維。根據(jù)“胞外多聚物假說”原理，EPS可以使污泥表面呈現(xiàn)疏水性粘合微生物細(xì)胞和顆粒物質(zhì)，從而促使顆粒污泥的形成。微生物絮凝劑和黃原膠促進(jìn)污泥顆粒化的相關(guān)相對(duì)與木質(zhì)素纖維較好。張等[2]基于“晶核假說”對(duì)污泥顆?；M(jìn)行研究。以活性炭作為晶核，探究活性炭對(duì)污泥顆?；挠绊?。結(jié)果表明活性炭的投加有利于污泥的顆?；?、提高污泥的沉降性能，且顆?；俣扰c活性炭投加量呈正相關(guān)。

顆粒污泥作為微生物的載體，顆粒上附著這較多的微生物，有研究者從微生物的角度出發(fā)研究微生物對(duì)顆粒污泥形成的影響。龔等[3]向膨脹污泥床(EGSB)中添加甲烷鬃菌，發(fā)現(xiàn)在EGSB啟動(dòng)過程中投加甲烷鬃菌可以有效地加快顆粒污泥的形成，提高沉降性能，加快反應(yīng)器的啟動(dòng)。甲烷鬃菌添加后可以減少甲烷菌的流失，顆粒污泥富集的菌落更加豐富，提高反應(yīng)器的去除率。

2.2 水流剪切力、負(fù)荷對(duì)顆粒污泥形成影響

上流式厭氧反應(yīng)器內(nèi)的上升流速是對(duì)顆粒污泥的一種篩選，當(dāng)水流剪切力過大時(shí)就會(huì)有相對(duì)較為松散的顆粒污泥被沖散。王等[4]對(duì)比UASB在三個(gè)不同水力停留時(shí)間情況下顆粒污泥變化情況。研究者將HRT從10 h降至5 h再降至2.5 h,觀察反應(yīng)器內(nèi)粒徑大于1000 μm的顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)粒徑大于1000 μm顆粒污泥占比分別為31.82%、17.18%、27.8%，且HRT為2.5 h時(shí)形成的顆粒污泥更加密實(shí)。這是由于在HRT縮短為5h時(shí)，水流剪切力將較為松散的顆粒污泥沖散成較小的顆粒。HRT為2.5 h時(shí)由于有機(jī)負(fù)荷足夠大，有足夠的營(yíng)養(yǎng)條件共微生物生長(zhǎng)，所以被沖散的小顆粒逐漸長(zhǎng)大形成更加密實(shí)的顆粒污泥。

在一定的范圍內(nèi)提高水流剪切力可以提高顆粒污泥的密實(shí)度、沉降性能和微生物的豐度。反應(yīng)器內(nèi)水流剪切力增大，使得顆粒污泥運(yùn)動(dòng)更加激烈，較為松散的顆粒污泥發(fā)生解體。同時(shí)在提高水流剪切力后負(fù)荷的增加，使得污泥有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)支持污泥的生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)充足的微生物會(huì)合成更多EPS。所以當(dāng)顆粒發(fā)生碰撞時(shí)就可以大概率的結(jié)合成為更加密實(shí)的顆粒污泥。

2.3 其他影響因素

除了上述因素外，有研究者研究金屬元素和不同類型的接種污泥對(duì)污泥顆?；挠绊?。張等[5]研究發(fā)現(xiàn)厭氧反應(yīng)器內(nèi)加入Fe3+后，反應(yīng)器內(nèi)EPS的總含量要比空白組反應(yīng)器的含量多28.37%。Fe3+參與微生物的各種代謝活動(dòng)，是微生物代謝的必要元素，能夠促進(jìn)微生物生產(chǎn)EPS，加快顆粒的形成。污泥的初始狀態(tài)對(duì)其顆粒化也有很大，史等[6]將內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器接種絮狀污泥經(jīng)歷140 d啟動(dòng)成功。徐等[7]將好養(yǎng)剩余污泥經(jīng)過壓濾后接種到IC反應(yīng)器，研究其顆?；M(jìn)程。一個(gè)月后出現(xiàn)顆粒污泥，最終培養(yǎng)出的顆粒污泥粒徑可達(dá)1.5～2.5 mm。

3 厭氧顆粒污泥的應(yīng)用

厭氧顆粒污泥的首次發(fā)現(xiàn)是在UASB內(nèi)，此后顆粒污泥的出現(xiàn)成為很多厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)成功的重要的特征。具有良好的沉降性能顆粒污泥，使其在高負(fù)荷的反應(yīng)器內(nèi)可以有很長(zhǎng)的停留時(shí)間。顆粒污泥的表面上有很多空隙，增加顆粒污泥與水的接觸面積，為復(fù)雜的微生物菌落提供附著生存空間，同時(shí)使得顆粒污泥具有較強(qiáng)的吸附能力。這些顆粒污泥自身的特性使得顆粒污泥顆粒污泥去除有機(jī)物的效率很高。這也是顆粒污泥在能夠有效處理高濃度有機(jī)廢水的原因，比如乳制品廢水、印染廢水和較為復(fù)雜的制藥廢水。近年來(lái)有研究者利用顆粒污泥的吸附性對(duì)水體中重金屬離子的吸附去除效果。王等[8]利用厭氧顆粒污泥的生物還原和生物吸附能力，對(duì)水體中的Cr6+除率高達(dá)95%。陳等[9]探究厭氧顆粒污泥的投加量、溫度、pH以及吸附時(shí)間對(duì)顆粒污泥吸附Cr6+的影響。韓等[10]研究厭氧顆粒污泥對(duì)于Pb2+去除效果，發(fā)現(xiàn)通過吸附和沉淀效應(yīng)可以有效的去除水中的Pb2+。且Pb2+的毒性作用對(duì)顆粒污泥影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于厭氧顆粒污泥形成的原因還沒有一個(gè)較為全面的理論，但是從很多學(xué)者基于現(xiàn)有假說的研究結(jié)果來(lái)看，這些假說詮釋了一些顆粒污泥形成的原因。最終解釋清楚這個(gè)復(fù)雜的過程，還需要多個(gè)學(xué)科從各個(gè)方面進(jìn)行解釋說明和探究。

厭氧顆粒污泥相較于絮狀污泥有著很多的有點(diǎn)，但是在實(shí)際的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，很多因素能夠影響到顆粒的穩(wěn)定。當(dāng)條件不適宜是就會(huì)發(fā)生裂解變成絮狀污泥，此時(shí)水力負(fù)荷過大就會(huì)導(dǎo)致污泥流失，甚至厭氧系統(tǒng)的崩潰，所以厭氧顆粒污泥在實(shí)際工程中運(yùn)行時(shí)需要較高的操作管理水平，否則顆粒污泥會(huì)很快在反應(yīng)器內(nèi)解體成絮狀。如何使顆粒污泥穩(wěn)定保證厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是未來(lái)研究的方向之一。