連續(xù)流反應(yīng)器中好氧顆粒污泥快速培養(yǎng)研究進(jìn)展

麥智源,李 季,穆雨彤,王素蕾,曹浩然,張多英

(黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150006)

好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)是微生物在一定條件下凝聚,最終形成結(jié)構(gòu)致密的顆粒狀微生物聚合體[1],1991 年由日本學(xué)者M(jìn)ishima和Nakamura 首次發(fā)現(xiàn),逐漸受到關(guān)注并應(yīng)用于間歇式反應(yīng)器(sequencing batch reactor,SBR)[2],是最有前景的污水生物處理技術(shù)之一。 與傳統(tǒng)活性污泥技術(shù)相比,該技術(shù)具有沉降性能良好、生物量大、微生物結(jié)構(gòu)緊湊以及耐毒物、耐沖擊負(fù)荷等特點(diǎn),并且可同時(shí)去除碳、氮、磷[3-4]。 培養(yǎng)出AGS 的過程稱為顆?；?AGS 的最佳粒徑在1.8 ～3.0 mm[5]。 AGS 技術(shù)主要通過SBR 進(jìn)行研究,因其具有良好的好氧顆?；瘲l件,如容易控制飽食/饑餓條件、選擇壓、水力剪切力等[6],然而基于SBR 進(jìn)行的AGS 顆?；囼?yàn)周期一般按月計(jì)算,容易引起啟動(dòng)周期長、穩(wěn)定性差、成本高、能耗大等問題[7]。 因此,很多研究集中在優(yōu)化顆?；呗?、改善AGS 顆粒穩(wěn)定性、縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間等方面。 CFR 中的AGS 能夠廣泛去除污染物,并且具有與SBR 相當(dāng)?shù)奈廴疚锶コ匦浴?近年研究[8]發(fā)現(xiàn),相比起SBR,連續(xù)流反應(yīng)器(continuous flow reactor,CFR)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)操作簡易、水力條件穩(wěn)定;(2)更適應(yīng)流量波動(dòng)的運(yùn)行模式;(3)可利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施,在不擴(kuò)建的條件下維持高活性生物量。 由于世界上大多數(shù)大型污水處理廠的澄清池和曝氣池都是以連續(xù)流模式運(yùn)行的,隨著SBR 好氧顆?；夹g(shù)在處理廢水方面的成功,研究人員開始關(guān)注CFR 好氧顆粒化的應(yīng)用[9]。然而,CFR 造粒的穩(wěn)定性極易受到影響[10]。 國內(nèi)外研究人員對CFR 中AGS 的培養(yǎng)方法、形成過程以及工藝運(yùn)行等方面進(jìn)行了優(yōu)化并取得一定程度的進(jìn)展。 本文根據(jù)AGS 顆?；夹g(shù)的發(fā)展,概括了SBR工藝實(shí)現(xiàn)快速顆粒化的調(diào)控策略,綜述了SBR 的顆?；響?yīng)用于CFR 中的主要工藝及調(diào)控策略,最后針對在CFR 中實(shí)現(xiàn)快速顆?；壳按嬖诘闹饕獑栴}以及未來前景進(jìn)行了展望。

1 SBR 工藝實(shí)現(xiàn)快速顆粒化的調(diào)控方法

1.1 金屬離子強(qiáng)化

二價(jià)金屬離子在好氧顆?；^程中起著重要作用,一些金屬離子是微生物生長的必需元素。 同時(shí),金屬陽離子還可以在與廢水中陰離子(如碳酸根離子和磷酸根離子)共存的情況下形成沉淀,因此,可以用來強(qiáng)化顆?；?目前在快速顆?；凶畛?yīng)用的金屬離子有Ca2+、Mg2+和Mn2+。

Ca2+可以與胞外多糖(PS)結(jié)合,形成結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的復(fù)合物,并形成沉淀物作為細(xì)菌附著生長的支持介質(zhì),加速微生物的聚集[11-12]。 Barros 等[13]發(fā)現(xiàn),Ca2+的添加提高了微生物胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)的產(chǎn)生,使其在較短的時(shí)間內(nèi)形成較大的顆粒。 Liu 等[14]則采取了一種往回流污泥添加CaCl2的方法,可以使AGS 的形成時(shí)間縮短17 d。 盡管Ca2+的添加改善了AGS 的結(jié)構(gòu)和密度,但是過量的投加將導(dǎo)致AGS中含有過高的無機(jī)物,可使灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%～84%,這將嚴(yán)重影響AGS 的生物活性[15-16]。與Ca2+一樣,Mg2+可以促進(jìn)微生物EPS 的產(chǎn)生,縮短顆?；瘯r(shí)間,形成致密、沉降性能好、PS 含量高的顆粒[17-18]。 將Mg2+應(yīng)用于序批式膜生物反應(yīng)器(sequencing batch membrane bioreactor,SMBR)中,還能使AGS 保持高通量率,同時(shí)可減少近50%的膜污染[19]。 鑒于Mn2+是生物體內(nèi)多種酶的重要組成部分,添加少量的Mn2+可以改善AGS 的物理性質(zhì)和生物性質(zhì)[20]。

另外,EPS 為了形成穩(wěn)定的復(fù)合物會(huì)優(yōu)先與多價(jià)金屬結(jié)合,因此,理論上Fe2+和Al3+也可以促進(jìn)顆粒的形成[21],其中,Fe2+的添加可以改善AGS 的粒徑和穩(wěn)定性[22]。

1.2 以載體為核心的強(qiáng)化技術(shù)

AGS 以細(xì)菌自身為成核核心、以EPS 或絲狀細(xì)菌為基質(zhì),在周圍發(fā)展微生物群落[23]。 然而,這些構(gòu)成物質(zhì)都是可以被生物降解的,核心附近的微生物只能通過消耗周圍的胞外PS 以促進(jìn)生長,逐漸使顆粒污泥形成中空結(jié)構(gòu)[24],缺乏穩(wěn)定性。

添加載體物質(zhì)有利于改善這種情況,如圖1(a)所示。 常見的惰性載體物質(zhì)如顆?；钚蕴俊⑻祭w維、鳥糞石等,具有較大的比表面積和較快的沉降速度,部分載體如顆?；钚蕴烤邆涮赜械奈叫阅?能為細(xì)菌的生長提供良好的微環(huán)境[25-26],進(jìn)而加速微生物聚集,提高顆粒穩(wěn)定性,縮短顆?；瘯r(shí)間。 不同的載體會(huì)產(chǎn)生不同的顆?；Ч?。 沸石粉的多孔結(jié)構(gòu)和所富含的礦物元素有利于微生物的生長和保持AGS 穩(wěn)定性,能有效縮短顆粒化時(shí)長[27]。 Ming等[28]發(fā)現(xiàn)添加稻殼、米糠和核桃殼可以使AGS 的顆粒化時(shí)間縮短15 d,并且提高了AGS 抗沖擊負(fù)荷能力,米糠可以提高AGS 的穩(wěn)定性,而稻殼可以增加AGS 的尺寸。

圖1 (a) 以惰性載體為核心的AGS 形成機(jī)理[35];(b) 基于AMPs 為核心的ABGS 形成機(jī)理[36]Fig.1 (a) AGS Formation Mechanism with Inert Carrier as the Core[35]; (b) ABGS Formation Mechanism Based on AMPs[36]

添加惰性載體可能會(huì)造成二次污染,使用生物質(zhì)為載體可以避免這個(gè)問題[29]。 菌絲球(mycelial pellets,MPs)是微生物顆粒在發(fā)酵過程中由菌絲纏繞而成,其多孔的結(jié)構(gòu)、大的比表面積和大量的官能團(tuán),使它們具有良好的吸附能力[30]。 而且,MPs 可分泌EPS 促進(jìn)污泥聚集,還可以生產(chǎn)蛋白酶、過氧化物酶等,降解有機(jī)污染物[31]。 Geng 等[32]發(fā)現(xiàn)MPs 可以顯著加速AGS 造粒過程,并且維持高活性的生物量,增加成熟顆粒尺寸。 藻-細(xì)菌顆粒污泥(algal-bacterial granular sludge,ABGS)是一種替代傳統(tǒng)AGS 的新興顆?；夹g(shù),近年來引起了廣泛關(guān)注[33]。 在高升流流速條件下,藻類細(xì)胞作為核心積累在ABGS 的內(nèi)部,這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)有利于維持ABGS顆粒的穩(wěn)定性[34]。 應(yīng)用藻類-菌絲球(algal-mycelial pellets,AMPs)作為初級(jí)核,可以使ABGS 成粒速度更快(縮短到12 d)。 基于AMPs 為核心的ABGS 形成機(jī)理如圖1(b)所示。

1.3 實(shí)現(xiàn)快速顆?；腟BR 工藝條件優(yōu)化

SBR 工藝形成AGS 的必要條件如下。 (1)反應(yīng)器構(gòu)型:高徑比(H/D)不小于5[37]。 (2)適宜的水力剪切力:表觀氣速不小于1.2 cm/s[38]。 (3)適宜的有機(jī)負(fù)荷:有機(jī)負(fù)荷率(organic loading rate,OLR)在2～5 kg CODCr/(m3·d),較高的有機(jī)負(fù)荷有利于快速顆?；?但形成的AGS 強(qiáng)度低易解體。 在此基礎(chǔ)上,優(yōu)化工藝參數(shù)(曝氣強(qiáng)度、溶解氧、沉降時(shí)間、水力停留時(shí)間、溫度等)和進(jìn)水有機(jī)物組成(OLR、碳氮比等)等條件能在一定程度上改善顆?；M(jìn)程。 此外,分段運(yùn)行(例如先采用高OLR 快速形成顆粒,然后降低OLR 確保顆粒穩(wěn)定性)也是一種有效的造粒策略[39]。 表1 中概括了為實(shí)現(xiàn)快速顆粒化可對SBR 工藝進(jìn)行優(yōu)化的主要策略和具體內(nèi)容。

表1 實(shí)現(xiàn)快速顆粒化的SBR 工藝調(diào)控策略Tab.1 Control Stratege of SBR Process for Rapid Granulation

2 CFR 強(qiáng)化顆?；に嚰皟?yōu)化控制

2.1 CFR 工藝的選擇壓優(yōu)化

SBR 是按時(shí)間順序由進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水和閑置5 個(gè)不連續(xù)工序組成的工藝,而CFR 則是連續(xù)式工藝,在顆?；砩?與SBR 相比存在較大差異。 在SBR 中,有限的SBR 出水、沉淀時(shí)間可以產(chǎn)生一個(gè)選擇壓力,使得大顆粒AGS 比小顆粒AGS更容易被篩選出來,這種現(xiàn)象被稱為基于沉降速度的選擇壓,是在SBR 中實(shí)現(xiàn)好氧顆粒化的最終驅(qū)動(dòng)力[9]。 然而,這種選擇壓在CFR 中難以實(shí)現(xiàn),在CFR 中的選擇壓是要通過內(nèi)部或外部的固液分離器來實(shí)現(xiàn)的[40]。 研究人員也在探索如何將SBR 的基于沉降速度的選擇壓應(yīng)用于CFR 中,目前的研究表明一般需要通過兩種不同構(gòu)型的分離器實(shí)現(xiàn)。

圖2(a)是一種帶有雙沉淀池的連續(xù)流反應(yīng)器(CFR-TST)[41],由一個(gè)曝氣區(qū)、一個(gè)污泥回流區(qū)以及兩個(gè)相同大小的沉淀池組成。 在兩個(gè)沉淀池連接的地方設(shè)置了固定擋板和活動(dòng)擋板,并在兩塊擋板之間預(yù)留出一定的空間使污泥通過。 這類反應(yīng)器相當(dāng)于利用了外部固液分離器(外接的沉淀池),通過調(diào)節(jié)活動(dòng)擋板的高度,使污泥顆粒產(chǎn)生不同的沉降速度,進(jìn)而形成選擇壓(降低活動(dòng)擋板相對于液面的高度會(huì)減弱選擇壓)。 研究人員認(rèn)為這是一種簡單有效的利用沉降時(shí)間實(shí)現(xiàn)選擇壓的方法,同時(shí)可以避免應(yīng)用旋流器可能出現(xiàn)的揮發(fā)性固體損失和無機(jī)物質(zhì)積累,從而導(dǎo)致處理效率降低的問題。 反應(yīng)器經(jīng)過運(yùn)行在第25 d 出現(xiàn)了平均粒徑為0.42 mm的AGS;連續(xù)運(yùn)行45 d 后,污泥沉降性能和生物量得到了提高(污泥容積指數(shù)和MLSS 分別穩(wěn)定在25.8～31.3 mL/g 和4 200～4 600 mg/L)。

圖2 (a) CFR-TST 立面圖[41];(b) CFR 立面圖[42]Fig.2 (a) Elevation of CFR-TST[41]; (b) Elevation of CFR[42]

而內(nèi)部固液分離器則通常應(yīng)用于升流式反應(yīng)器,在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)使用擋板將曝氣反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)分隔開[圖2(b)][42]。 一部分污水流經(jīng)裝置的曝氣區(qū)進(jìn)行氣液分離,污水混合液流向反應(yīng)器兩側(cè)的沉淀區(qū),在沉淀區(qū)形成不同的沉淀速度,產(chǎn)生選擇壓。 還有研究設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)流反應(yīng)器好氧顆粒污泥反應(yīng)器(continuous flow aerobic granulation reactor,CFAGR),由斜管和折流板沉淀池等結(jié)構(gòu)構(gòu)建三相分離器進(jìn)而形成選擇壓,篩分出沉降性能欠佳的顆粒,在第18 d 就成功實(shí)現(xiàn)了顆?；痆43]。 以上研究表明應(yīng)用選擇壓能在一定程度上促進(jìn)快速顆粒化,但該策略仍需解決與SBR 一樣存在著顆?；瘯r(shí)間長以及連續(xù)曝氣導(dǎo)致脫氮除磷效果不佳的問題[44]。

2.2 飽食/饑餓條件強(qiáng)化造粒

除了選擇壓,飽食/饑餓交替條件的運(yùn)用可能是在SBR 中形成AGS 的另一個(gè)重要因素。 在造粒過程中可以適當(dāng)?shù)貏?chuàng)造饑餓條件,營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏會(huì)使微生物聚集以提高生存能力,同時(shí)有可能促進(jìn)EPS 的產(chǎn)生。 然而,連續(xù)流條件下的CFR 要實(shí)現(xiàn)飽食/饑餓的交替條件并不容易。

Sun 等[45]采用了一種多級(jí)全攪拌槽式反應(yīng)器(CSTRs)利用生活污水培養(yǎng)AGS,在相同的重力選擇壓力和水力停留時(shí)間下,連續(xù)流系統(tǒng)分別在4室、6 室和8 室模式下運(yùn)行,通過設(shè)置前兩室為飽食條件,剩余后面的室為饑餓條件,使飽食室/饑餓室容積比分別為1.00、0.50 和0.33。 當(dāng)飽食室/饑餓室容積比大于0.5 時(shí),難以形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的AGS,推測飽食/饑餓條件可能是CFR 快速顆?；南葲Q條件;飽食室/饑餓室容積比為0.33 的條件下可以成功培養(yǎng)出AGS,并且在飽食條件下,AGS 表面會(huì)形成絲狀結(jié)構(gòu),而到了后面的饑餓條件則消失了[46],饑餓條件對AGS 形成致密結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的作用。 Li 等[47]證實(shí)了周期性饑餓策略可以實(shí)現(xiàn)在第31 d 完成AGS 的快速顆?；?比連續(xù)飽食策略早40 d,該研究也提供了在CFR 中如何實(shí)現(xiàn)飽食/饑餓的交替條件的思路,即控制進(jìn)水流經(jīng)厭氧區(qū)和好氧區(qū),通過厭氧/好氧交替過程形成周期性的饑餓環(huán)境。

2.3 晶核策略強(qiáng)化顆?；?/h3>

微生物通過代謝活動(dòng)可以使鈣、鐵、磷等在AGS 內(nèi)部富集,被稱為“核”[48],與AGS 維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生物活性密切相關(guān)。 在CFR 中外加金屬離子或載體物質(zhì)對提高造粒效果不及SBR 應(yīng)用該策略明顯,因此,須利用原污水水質(zhì)特點(diǎn)形成“內(nèi)核”,來實(shí)現(xiàn)快速顆粒化,被稱為“晶核策略”。

通過分析顆粒污泥EPS 的PN/PS 發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定且高的PN/PS 對于維持AGS 的長期穩(wěn)定性有著重要的意義。 另外,由于不同微生物種類有其獨(dú)特的代謝產(chǎn)物和功能,一些物種被認(rèn)為對AGS 的快速形成有著較大的貢獻(xiàn)。 Xin 等[42]證實(shí)了鈣元素主要以無機(jī)磷酸鈣形式存在于顆粒污泥中,并且在污泥顆?；^程中起著成核作用。 同時(shí),試驗(yàn)還將反硝化優(yōu)勢菌(TN-14)接種到CFR 中,發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢菌(TN-14)的代謝功能在促進(jìn)污泥顆?；^程中起著關(guān)鍵作用。 Chen 等[49]在連續(xù)流膜生物反應(yīng)器中觀察到絲狀菌在內(nèi)循環(huán)作用下啟動(dòng)顆?；^程,并通過將生物質(zhì)團(tuán)聚體包裹在一起維持了顆粒的長期穩(wěn)定性,在第76 d 成功實(shí)現(xiàn)顆?；硗?在一些研究中提到在反應(yīng)器啟動(dòng)階段引入脫水污泥,提高污泥濃度并起到成核作用,且能在一定程度上提高污泥中的微生物種群豐富度,同樣為快速顆?；峁┝丝赡苄訹11]。

2.4 其他造粒策略

Zhou 等[50]利用強(qiáng)水力剪切力和高OLR 的策略,設(shè)計(jì)了連續(xù)流氣升式流化床反應(yīng)器(continuous flow airlift fluidized bed reactor,CAFB),在相同的曝氣強(qiáng)度下作用于固相的剪切力比在SBR 中強(qiáng)數(shù)百倍,無需控制沉降時(shí)間和饑餓時(shí)間,12 d 就培養(yǎng)出AGS。 CFR 工藝需要維持反應(yīng)器中的生物量,因此,會(huì)用到回流系統(tǒng)。 而傳統(tǒng)的回流泵系統(tǒng)容易使具有良好沉降性能的顆粒污泥遭到破壞,Li等[51]采用蠕動(dòng)泵回流污泥,達(dá)到了不粉碎顆粒污泥的效果,使沉淀池中的顆粒實(shí)現(xiàn)50%的回收率。表2 中概括了常見的CFR 類型、工藝條件以及形成的AGS 粒徑。

表2 CFR 類型、運(yùn)行條件以及AGS 粒徑Tab.2 Types of CFR, Operation Conditions and AGS Granular Size

3 結(jié)論

在CFR 中培養(yǎng)AGS 的技術(shù)日益受到關(guān)注,研究CFR 快速顆?；灿辛艘欢ǔ潭鹊男枨?但在CFR 中培養(yǎng)AGS 的技術(shù)仍需探索和改進(jìn)。 而同時(shí)需繼續(xù)研究和整理SBR 快速顆粒化策略的意義就在于,從以往的研究來看,應(yīng)用于SBR 中的一些強(qiáng)化顆?；牟呗栽贑FR 中依然可行,有望在未來更加深入地研究AGS 在CFR 中的形成機(jī)理。 綜上所述,目前利用CFR 研究AGS 的快速顆?；饕性谝韵聨讉€(gè)方面。 (1)結(jié)合CFR 顆?；瘷C(jī)制,優(yōu)化反應(yīng)器條件:例如創(chuàng)造飽食/饑餓條件、優(yōu)化選擇壓、選擇適當(dāng)?shù)乃羟辛蚈LR,促進(jìn)微生物的聚集從而實(shí)現(xiàn)快速顆?；?。 (2)應(yīng)用成核策略輔助顆粒化:探究外部添加金屬離子、應(yīng)用惰性載體誘導(dǎo)形成AGS 的方法,促使CFR 中微生物聚集,實(shí)現(xiàn)快速顆粒化。 (3)將優(yōu)勢菌應(yīng)用于CFR 中實(shí)現(xiàn)快速顆粒化:近年越來越多的菌株代謝機(jī)理研究被應(yīng)用到顆?；?無論是在SBR 中,還是在CFR 中,都有成功運(yùn)用菌株代謝機(jī)理實(shí)現(xiàn)顆粒化的案例。 這些菌株都有著特殊的代謝功能和產(chǎn)物,有利于EPS 的產(chǎn)生以及使顆粒污泥形成致密結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對污水中各類污染物的去除,可以在篩選、開發(fā)優(yōu)勢菌方面作進(jìn)一步探索。 上述研究成果為AGS 的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論和技術(shù)依據(jù),由于目前的研究僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模,對于實(shí)際工程應(yīng)用仍有顆粒穩(wěn)定性不足以及技術(shù)成本高的問題。 因此,有必要針對AGS 在CFR中的穩(wěn)定存在機(jī)理、培養(yǎng)模式的整合以及顆粒絮體比例的優(yōu)化等作進(jìn)一步的探索研究,使CFR 培養(yǎng)AGS 的應(yīng)用前景更為廣闊。