好氧顆粒污泥研究進(jìn)展及處理新疆番茄醬廢水的應(yīng)用前景

包文婷，康增彥，王維紅

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中建三局安裝工程有限公司，湖北 武漢 430079)

好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)是廢水生物處理領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)[2]，是活性污泥絮體在一定條件下自凝聚，最終形成結(jié)構(gòu)致密、形狀規(guī)則的微生物聚合體，成熟的AGS呈球形或橢球形結(jié)構(gòu)，顏色多為橙黃色、棕色、灰褐色[3]。與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其具有良好的沉降性、較高的生物量和穩(wěn)定的處理效能而極具發(fā)展?jié)撡|(zhì)[4]。對污水進(jìn)行處理的過程中：序批式活性污泥法(sequencing batch reactor activated sludge process，SBR)由于可在同一反應(yīng)池中，按時間順序集進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水和待機(jī)五個基本工序，具有工藝簡單、占地少、投資省、出水效果好、可實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷等優(yōu)點(diǎn)，而成為首選方案[5]。

1 好氧顆粒污泥研究現(xiàn)狀分析

自1991年Mishima和Nakamura等[6]在上流式污泥床中首次發(fā)現(xiàn)AGS以來，該技術(shù)引起了全世界的廣泛關(guān)注。AGS是活性污泥絮體在好氧環(huán)境下自凝聚，最終形成結(jié)構(gòu)緊湊、外形規(guī)則的生物聚合體[7]。與傳統(tǒng)活性污泥和厭氧顆粒污泥相比，AGS具有沉降性能良好、微生物菌群豐富、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、可處理高濃度有機(jī)廢水等優(yōu)點(diǎn)[8]。近年來，成為利用生物方法處理污水的一種新選擇。

1997年，Morgenroth等[9]在SBR反應(yīng)器中，通過較短的水力停留時間和排水時間實(shí)現(xiàn)了污泥顆?；?，以SBR法為基礎(chǔ)培養(yǎng)AGS的研究快速展開。在此之后的20多年時間里，國內(nèi)外研究者開始對AGS的形成及應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究。對AGS進(jìn)行了大量的培育實(shí)驗(yàn)，主要集中在兩個方面：一是宏觀層面采用不同基質(zhì)培養(yǎng)顆粒污泥并探討其形成機(jī)理，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境因素，加快顆?；^程[10]；二是顆粒污泥的物理、化學(xué)和生物特性，包括外形特征、分形特性、流變特性、分子生物學(xué)特性、微生物種群等[11]。而由于顆粒污泥的形成是物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用的結(jié)果，過程復(fù)雜，影響因素繁多，不同基質(zhì)培養(yǎng)的顆粒污泥其理化特性與適應(yīng)條件有所不同。因此，關(guān)于AGS形成及穩(wěn)定的機(jī)理仍然不明確，存在啟動周期長、運(yùn)行穩(wěn)定性差、顆粒易解體等問題。使得國內(nèi)外研究者一直致力于顆粒污泥反應(yīng)器快速啟動的研究[12]，并且積累了許多有價值的數(shù)據(jù)。

1.1 好氧顆粒污泥形成機(jī)制

由于AGS形成過程集物理、化學(xué)和生物的共同作用，過程復(fù)雜，形成機(jī)理尚不明確。國內(nèi)外學(xué)者對AGS的形成機(jī)理提出若干假說，如微生物自凝聚假說、選擇壓驅(qū)動假說、胞外聚合物假說、絲狀菌假說、誘導(dǎo)核假說等。彭永臻等[13]總結(jié)并整理了國內(nèi)外好氧顆粒形成的3種假說。

1.1.1 微生物自凝聚假說 在適宜的環(huán)境條件下，通過控制水力剪切力、水力停留時間、沉降時間等，以菌群之間相互碰撞、粘附，使得微生物自發(fā)相互聚集成形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的顆粒污泥。

1.1.2 選擇壓驅(qū)動假說 選擇壓驅(qū)動是通過外部環(huán)境誘導(dǎo)完成顆?；?，屬于物理選擇。通過調(diào)節(jié)環(huán)境因素淘汰物理性能差的，截留活性強(qiáng)的污泥，加速菌群更新?lián)Q代。

1.1.3 胞外多聚物(EPS)假說 EPS是微生物在一定條件下分泌于細(xì)胞表面的大分子聚合物，成分與細(xì)胞內(nèi)類似，如：蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)、氨基酸、核酸等[14]，可促進(jìn)微生物凝聚。

至于在不同培養(yǎng)環(huán)境及操作條件下，AGS的形成時間是不可預(yù)測的。很多研究認(rèn)為AGS顆粒化時間較長，大約需要3～6個月才能形成顆粒污泥占主導(dǎo)的AGS[15]。然而，Liu等[16]通過低沉降時間和高有機(jī)負(fù)荷率，僅需17 d即可培養(yǎng)形成顆粒污泥主導(dǎo)的AGS。Liu等[17]采用一種結(jié)合高水力選擇壓(HSP)和高有機(jī)負(fù)荷(OLR)的新型策略加速AGS的形成，發(fā)現(xiàn)AGS在24 h內(nèi)出現(xiàn)，3 d即達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

不同操作條件及運(yùn)行方式下，形成AGS的時間及性能差異很大。針對不同類型廢水培養(yǎng)的AGS，加速顆?；M(jìn)程，穩(wěn)定處理效能是時下國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，希望能獲取更多顆粒形成的原位信息。

2 基于宏觀層面的好氧顆粒污泥顆?；蛩匮芯糠治?/h2>

AGS的顆?；^程較為復(fù)雜，受多種因素影響。常見影響因素如反應(yīng)器構(gòu)型、水流剪切力、有機(jī)負(fù)荷、基質(zhì)類型等。

2.1 反應(yīng)器構(gòu)型

SBR反應(yīng)器構(gòu)型是影響AGS形成及穩(wěn)定的重要因素之一。目前，大部分AGS都是在柱形上流式反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)的，上升的氣流或水流可以產(chǎn)生以反應(yīng)器軸線為中心的渦流，反應(yīng)器內(nèi)的微生物持續(xù)受到水力剪切力作用而逐漸顆?；痆18]。理論上，當(dāng)SBR反應(yīng)器的高徑比(H/D)較大時能夠確保更長的循環(huán)路徑，這為微生物聚集體提供更高的水流剪切力以及更有效的污泥碰撞頻率，使得微生物絮體能夠更快的形成結(jié)構(gòu)密實(shí)、外形規(guī)則、顆粒粒徑大、沉降性能好的AGS，并能通過污泥沉降速率的差別來選擇優(yōu)勢粒徑范圍的顆粒污泥。同時，較大的H/D能減少反應(yīng)器的占地面積。但因較高的造價及運(yùn)行管理的困難不適于實(shí)際應(yīng)用。

2.2 水流剪切力

水流剪切力對AGS的表面疏水性、EPS的產(chǎn)生、穩(wěn)定性等都具有促進(jìn)作用。在SBR反應(yīng)器中，以曝氣產(chǎn)生的表觀氣速來表示水流剪切力的大小[19]。Tay等[20]研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)表觀氣速不小于1.2 cm/s時，水流剪切力才能達(dá)到一定強(qiáng)度而足以顆粒化。較大的剪切力會不斷掛刷顆粒表面，使得形成的顆粒污泥表面更光滑，結(jié)構(gòu)更緊密，同時刺激AGS分泌EPS，疏水性增強(qiáng)，利于微生物黏附聚集。研究指出，表觀氣速在1.2～3.6 cm/s范圍內(nèi)可形成AGS，大于2.5 cm/s時形成的AGS穩(wěn)定性強(qiáng)。

2.3 有機(jī)負(fù)荷

較高的有機(jī)負(fù)荷條件可以加快制粒，但形成的AGS強(qiáng)度低、易膨脹大量絲狀菌而解體。有研究在SBR中以2.5～22.5 kg COD/(m3·d)的OLR運(yùn)行[21]。發(fā)現(xiàn)當(dāng)OLR從6 kg COD/(m3·d)增加到12 kg COD/(m3·d)時，AGS逐漸從結(jié)構(gòu)致密粒徑(d)小于1 mm膨脹為d約為10 mm且分布大量絲狀菌的大顆粒，繼續(xù)膨脹后，AGS解體、失效。因此，可控制OLR在2～5 kg COD/(m3·d)。

2.4 底物類型

底物組成可影響AGS的結(jié)構(gòu)和形態(tài)[22]。以葡萄糖為碳源的AGS絲狀菌較多，形態(tài)松散，而乙酸鈉培養(yǎng)的AGS多為桿狀菌，結(jié)構(gòu)緊密。這是因?yàn)椋孜锝M成越復(fù)雜，降解所需的微生物種類越多，會產(chǎn)生較為復(fù)雜、分層微觀結(jié)構(gòu)的AGS，而簡單的基質(zhì)，其微生物結(jié)構(gòu)也相對密實(shí)[23]。

其他因素如溫度、溶解氧(DO)、pH、水力停留時間、沉淀時間、金屬離子等也會影響AGS。國內(nèi)外眾多學(xué)者對AGS快速形成及穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一般情況下在溫度適宜(20～30 ℃)[24]、DO充足(一般2～6 mg/L)、pH適中(7～8)、水流剪切力較大下，通過縮短水力停留時間(HRT為6～12 h)及沉降時間，可選擇出粒徑較大、沉降性能較好的AGS，且投加金屬離子、粉末等不同有機(jī)晶核均可加快污泥顆粒化速度，培養(yǎng)性質(zhì)穩(wěn)定的AGS。

3 基于高通量宏基因組學(xué)的好氧顆粒污泥微生物群落應(yīng)用分析

AGS內(nèi)部存在厭氧、兼氧、好氧復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，不同的單元能夠?yàn)楦鞴δ芪⑸锾峁┻m宜的生存條件。在硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及異養(yǎng)菌共同作用下，可以達(dá)到同步脫氮除磷作用[25]。因此，分析研究AGS的微生物群落、優(yōu)勢菌群有助于探究AGS的形成機(jī)理。

如今，現(xiàn)代分子微生物學(xué)技術(shù)的運(yùn)用在環(huán)境生態(tài)學(xué)領(lǐng)域迅速展開，成為研究AGS中微生物的先進(jìn)方法，主要包括FISH，DGGE，qPCR，高通量測序等手段。其中，高通量宏基因組測序是最新手段[26]。

Yang等[27]利用高通量測序技術(shù)分析了4個常規(guī)污水處理廠處理垃圾填埋場滲濾液的微生物群落總體情況。嚴(yán)樟等[28]利用高通量測序技術(shù)分析溫度對活性污泥微生物群落功能性的影響。結(jié)果表明，隨著溫度在5～35 ℃變化，微生物群落結(jié)構(gòu)也會發(fā)生相應(yīng)變化。并鑒定出147個門類，2 162個屬及13 015個物種；其中占主導(dǎo)地位的門主要包括：變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)等。王維紅等[29]在研究粒徑對番茄醬廢水AGS性能的影響中用5個不同粒徑時期的樣品進(jìn)行細(xì)菌16S rDNA高通量測序，得到樣品的不同時期細(xì)菌的綱水平分布。從微生物學(xué)角度證實(shí)1.6～2.0 mm顆粒污泥和1.0～1.6 mm顆粒污泥時期的樣品的聚磷菌為優(yōu)勢菌，與前已測得的不同粒徑期的顆粒污泥除磷效果結(jié)論相一致。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對AGS的形成及穩(wěn)定研究主要在于工藝參數(shù)和環(huán)境條件的優(yōu)化下對顆粒粒徑、沉降性能及菌群分布進(jìn)行選擇。但是，目前對AGS系統(tǒng)的穩(wěn)定構(gòu)建及形成機(jī)理尚無明確定論，對于在低H/D的SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)AGS處理番茄醬廢水及利用高通量測序分析優(yōu)勢菌群鮮有報道。因此，構(gòu)建低H/D的SBR反應(yīng)器培養(yǎng)AGS，可為新疆番茄醬生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)的啟動與適應(yīng)提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，為推進(jìn)低H/D的SBR中AGS工程化應(yīng)用給予技術(shù)支持。

4 低H/D的SBR反應(yīng)器培養(yǎng)AGS研究分析

實(shí)際工程中，大H/D的SBR系統(tǒng)因造價高、運(yùn)行管理比較困難等限制因素而難于生產(chǎn)運(yùn)用[31]。因此，需要降低H/D，而H/D小于5的SBR反應(yīng)器為了能夠培養(yǎng)出較好的顆粒污泥，則需要更大的曝氣量，研究多在SBR反應(yīng)器底部通過微孔曝氣方式提供表觀氣流以獲得足夠的水力剪切力，但成本較高。為此，只有通過其他的方法途徑增加水力剪切速率，如利用水平機(jī)械攪拌來改變反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài)分布，從而提高污泥絮體之間和顆粒污泥之間的有效碰撞次數(shù)。唐海等[32]分別采用H/D為1∶1，1.9∶1，6.3∶1的純好氧SBR反應(yīng)器研究AGS的形成與穩(wěn)定性的影響因素，結(jié)果顯示H/D為1∶1中未發(fā)現(xiàn)AGS形成，其他反應(yīng)器中歷時6～18 d形成AGS。研究隨著H/D減小后，水力剪切力減小、循環(huán)路徑變短，污泥碰撞次數(shù)減小以及流態(tài)分布不規(guī)律，使得形成的好氧顆粒不穩(wěn)定，甚至可能形成不了顆粒污泥或者形成的時間比較長。近些年，低H/D的SBR反應(yīng)器培養(yǎng)AGS的研究中多采用純氧曝氣、厭氧/好氧交替的運(yùn)行方式[33]。Caluwé等[34]采用H/D=1.29的SBR反應(yīng)器以預(yù)曝氣-厭氧-好氧的運(yùn)行方式歷時30 d成功培養(yǎng)出AGS。高景峰等[35]采用H/D=1的SBR反應(yīng)器以純好氧的運(yùn)行方式歷時36 d成功培養(yǎng)AGS。吳昌永等[36]采用H/D=2.67的SBR反應(yīng)器以厭氧-好氧方式歷時35 d培養(yǎng)出AGS。以上研究均實(shí)現(xiàn)了污泥顆?；\(yùn)行方式較為復(fù)雜。李浩等[37]、王惠卿等[38]分別在H/D=2.7和1.2的純好氧SBR反應(yīng)器中成功顆粒化，時間較長。

關(guān)于引入機(jī)械攪拌對污泥顆?；鸬淖饔?，張小玲等[39]在H/D=3.29的SBR反應(yīng)器中加入攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min的機(jī)械攪拌聯(lián)合鼓風(fēng)機(jī)曝氣，3 d 出現(xiàn)AGS，發(fā)現(xiàn)隨著剪切力(0.12～0.22 N/m2)的增加，顆粒污泥的形狀越規(guī)則，結(jié)構(gòu)越密實(shí)；曲新月等[33]采用H/D=1.2的SBR反應(yīng)器，認(rèn)為由水平攪拌形成的具有足夠剪切強(qiáng)度的旋渦二次流是促使低H/D的SBR反應(yīng)器形成AGS的關(guān)鍵水力條件，且機(jī)械攪拌對剪切速率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于表觀氣速。以上研究意味著機(jī)械攪拌的加入可能有助于低H/D的SBR中AGS的顆粒化進(jìn)程。但目前對低H/D的SBR反應(yīng)器中水平機(jī)械攪拌對AGS處理番茄醬廢水的作用到底如何，尚無定論，對機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)漿尺寸及形成的AGS形態(tài)、結(jié)構(gòu)等也缺乏相應(yīng)的研究。

5 結(jié)語及展望

目前，雖然有關(guān)AGS的顆粒化及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究已經(jīng)取得了不少成果。已證實(shí)其顆?；诤暧^上受反應(yīng)器及外界環(huán)境因子影響，微觀上受微生物菌群等的調(diào)控。且在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)AGS處理番茄醬廢水的研究也有了一定進(jìn)展。但需要重視的是，如何能早日推進(jìn)SBR法AGS的工程化運(yùn)用，如何能培養(yǎng)出適應(yīng)于番茄醬生產(chǎn)周期且長期穩(wěn)定運(yùn)行的AGS，解決顆粒解體、除污效能下降等問題，仍然是AGS突破實(shí)驗(yàn)室小試階段，走向?qū)嶋H生產(chǎn)運(yùn)用的關(guān)鍵。而克服這一技術(shù)瓶頸就需要更加深入了解AGS的形成機(jī)制，并且構(gòu)建占地小、投資省、適合實(shí)際工程運(yùn)用的低H/D的SBR反應(yīng)器。探究在其中引入水平機(jī)械攪拌，不同攪拌槳尺寸、轉(zhuǎn)速等攪拌參數(shù)的影響。未來可借助高通量宏基因組學(xué)等現(xiàn)代分子生物技術(shù)手段，深入研究AGS的種群多樣性及微生物群落演替規(guī)律，探究顆?；^程中不同時期細(xì)菌在門、綱、屬、種水平上的分布，解鎖優(yōu)勢粒徑、優(yōu)勢種群，從微生物學(xué)角度進(jìn)一步認(rèn)識了解并揭示AGS的形成過程及穩(wěn)定機(jī)理。進(jìn)而提出AGS快速啟動并穩(wěn)定運(yùn)行的控制模式，以加快工程化運(yùn)用，保護(hù)新疆水資源。