强化好氧颗粒污泥稳定性的研究进展

唐朝春，简美鹏，刘 名，邵鹏辉

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

污泥颗粒化现象最早在UASB 厌氧系统中发现，Mishima 等[1]于1991年首次在上向流好氧反应器中发现了具有良好沉淀性能、粒径在2～8 mm 之间的好氧颗粒污泥。借鉴厌氧颗粒污泥培养机制，近年来国内外研究者对好氧颗粒污泥做了大量深入的研究[2-6]，为好氧颗粒污泥的应用提供了理论支撑与技术指导。好氧颗粒污泥是在一定水力剪切力作用下源于微生物的一种聚集体颗粒[7]，具有规则的外形、密实的结构、优良的沉降性能和耐冲击负荷高等优点[8]，从而可以应用于处理高浓度有机废水、有毒有害废水等[9-11]，具有广泛的工业应用前景。然而，好氧颗粒污泥稳定运行一段时间后易发生丝状菌膨胀、微生物活性降低、颗粒内核瓦解等问题，最终导致颗粒污泥失稳解体[12]，如何实现好氧颗粒污泥系统的稳定高效运行是未来研究的难题之一。

1 好氧颗粒污泥的形成机理

目前关于好氧颗粒污泥的形成机理还没有统一的定论，根据好氧颗粒污泥形成过程中各因素的促进作用，目前比较认同的大致可以分为“丝状菌假说”、“胞外聚合物假说”、“选择压驱动假说”、“自凝聚假说”。

1.1 丝状菌假说

一定数量的丝状菌对于好氧颗粒污泥的形成有促进作用[13]。好氧颗粒污泥形成的初始阶段，丝状菌可以作为内核的骨架，菌胶团便附着于上，形成稳定的聚合体。赵霞等[14]研究发现，丝状菌在颗粒污泥形成过程中起着搭接、骨架、交织和网捕的作用。

1.2 胞外聚合物假说

细菌在胞外能够分泌一种黏性物，即俗称的胞外聚合物（EPS），由蛋白质、聚多糖、腐殖酸和脂肪酸等构成，有助于形成颗粒污泥[15-16]。其中胞外多糖可以通过离子键或氢键与絮体污泥发生凝聚作用[17]。蛋白质就降低污泥表面电位、促进污泥聚集可能起着重要的作用[5]。Liu 等[16，18]发现颗粒污泥中EPS 能够在临近细胞之间或者细胞与其它颗粒物质之间形成架桥，最终形成絮凝体。Tay 等[19]研究发现，在颗粒污泥中多聚糖的含量比污泥絮体高2～3 倍。蔡春光等[20]研究了颗粒形成过程中EPS中蛋白质和总糖的比值变化，结果增加了近2.5 倍。污泥表面电荷降低，疏水性增加，说明了蛋白质和多糖的比值与污泥表面电荷负相关，与疏水性正相关。

1.3 选择压驱动假说

选择压分为水力选择压和生物选择压两种。王惠卿等[21]在不同高径比反应器中培养好氧颗粒污泥，发现细而高的SBR 反应器便于形成好氧颗粒污泥。提高有机负荷率、缩短沉降时间、延长饥饿时间和加强水力剪切力，均有利于好氧颗粒污泥的形成[22-23]。而通过改变进水营养组分负荷的不同还可以优化培养出相适应的微生物种群，Yang 等[24]在较高N/C 条件下能够培养出好氧颗粒污泥，且发现硝化菌占优势菌属。Tsuneda 等[25]利用无机碳源成功培养出硝化性能良好的硝化颗粒污泥。

1.4 自凝聚假说

自凝聚是生物处理系统中，微生物在适当环境条件下，相互聚合形成一种密度、体积比较大、活性和传质条件都比较好的微生物共生体颗粒的现象[26]。Tay 等[27]提到好氧污泥颗粒的形成过程是微生物在静电斥力和水力作用下的自凝聚过程。因此好氧颗粒污泥其实是一种特殊形式的生物膜。

2 影响好氧颗粒污泥稳定性的因素

好氧颗粒污泥不能长期稳定存在是目前不能工业化放大的关键因素之一。好氧颗粒污泥的不稳定性主要表现在丝状膨胀、颗粒污泥内核自身代谢瓦解、微生物活性降低等，最终导致好氧颗粒污泥发生失稳解体。引起好氧颗粒污泥失稳的原因主要为以下几方面。

2.1 温度

温度是影响微生物生长和生存的重要因素之一，目前大多数研究报道的好氧颗粒污泥都是在室温（20～25 ℃）下进行的。

Song 等[28]分别在25 ℃、30 ℃、35 ℃下培养好氧颗粒污泥，而温度在30 ℃的条件下培养出成熟的颗粒污泥具有更致密的结构和沉降性能，生物活性也更好。暴瑞玲等[29]在20 ℃培养出颗粒污泥后提高温度到26 ℃，运行47 天后发现好氧颗粒污泥的胞外聚合物中蛋白质与多糖的比值降低，最终颗粒污泥解体。而Winkler 等[30]研究发现颗粒污泥的沉降性能随着温度的降低而下降。

De Kreuk 等[31]在8 ℃条件下培养得到的好氧颗粒污泥形状不规则、不稳定且有大量丝状菌存在，最终导致颗粒污泥大量流失；而当启动温度在20 ℃条件下好氧颗粒污泥培养成功后，随后降低温度到15 ℃、8 ℃过程中颗粒污泥稳定性没有影响。

2.2 pH 值

不同菌种都有适宜其生长的pH值，低pH值 是导致好氧颗粒污泥发生丝状膨胀的主要原 因[32-33]。纪树兰等[34]运用丝状微生物的鉴别方法确定了好氧颗粒污泥发生丝状膨胀的微生物为一种丝状真菌，并且该种微生物在低pH 值环境条件下极易生长繁殖。Yang 等[35]发现在pH 值为4.0 条件下，好氧颗粒污泥的粒径可达到7.0 mm，且真菌类为优势菌种，结构较疏松；而在pH 值为8.0 的条件下培养好氧颗粒污泥的粒径仅为4.8 mm，且细菌类为优势菌种，结构紧凑。Seviour 等[36]研究了不同pH值条件下的好氧颗粒污泥EPS 凝胶特性，发现在pH ＜9 时，颗粒污泥的胞外聚合物展现出很强凝胶性能。

2.3 有机负荷率与氨氮浓度

成熟好氧颗粒污泥的特性和系统的稳定性与有机负荷率密切相关。Eduardo Isanta 等[37]在低有机负荷下长期运行后发现好氧颗粒污泥由于丝状菌的大量生长而最终解体。然而在高有机负荷条件下，好氧颗粒污泥同样也会丝状膨胀最终导致瓦解失稳[38-40]。宋志伟等[41]探讨了成熟颗粒污泥在不同的污泥负荷下对其稳定性的影响，结果表明污泥负荷过高或过低均不利于颗粒污泥的稳定。

氨氮浓度的高低将会影响到好氧颗粒污泥的生长。汪皓东[42]研究了不同氨氮负荷下好氧颗粒污泥的生长变化情况，发现当氨氮浓度为60 mg/L 时，好氧颗粒污泥表面结构开始松散并滋生丝状菌，当进一步提高到80 mg/L 时，好氧颗粒污泥开始明显的解体。李志华等[43]发现氨氮冲击负荷是导致颗粒污泥解体的主要原因之一。

2.4 溶解氧与颗粒粒径

溶解氧对好氧颗粒污泥的形成和稳定起着至关重要的作用，低溶解氧会导致颗粒污泥内部供氧不足，容易发生颗粒内核厌氧代谢。Mosquera-Corral等[44]在降低了40%后溶解氧后颗粒污泥开始解体。Liu 等[45]提到在低DO 的情况下成熟的颗粒污泥会因为丝状膨胀而失稳。

颗粒粒径的大小将影响到基质的传质阻力和氧的传递效率。Wang 等[46]在MBR 反应器内接种好氧颗粒污泥发现粒径大于0.9 mm 的颗粒污泥在运行24 天后有瓦解的现象，而粒径在0.18～0.9 mm 之间的颗粒污泥呈现不断增长的趋势。李军等[47]分析了城市污水厂普通推流式曝气池内筛选出的好氧颗粒污泥的特性，发现颗粒污泥直径主要为0.2～0.8 mm。因此控制颗粒污泥粒径是维持好氧颗粒污泥稳定的因素之一。

2.5 饱食-饥饿期

SBR 反应器的运行方式使得反应期可分为两个阶段[27]：底物丰富期和底物匮乏期。 Castellanos等[48]研究发现底物基质的缺乏对细胞表面疏水性能有很大影响。Liu 等[49]发现较短的饥饿时间将导致好氧颗粒污泥不稳定，而过长则好氧颗粒污泥密实度差，而且反应器运行效率低不利于实际应用，最终得出最佳饥饿时间为3.3 h。McSwain 等[50]通过调节不同的进水时间与曝气时间来达到饱食-饥饿模式间歇培养，结果显示进水时间与曝气时间的比值越大，则丰富期/匮乏期越大，所形成的好氧颗粒污泥结构越紧凑密实。Liu 等[51]研究发现饥饿期并非是好氧颗粒污泥形成的必要条件，但饥饿期对于好氧颗粒污泥的稳定性具有一定的促进作用。高大文等[52]还发现饥饿时间的缩短不会造成好氧颗粒系统发生解体现象。因此，有效控制好饥饿时间的长短对于好氧颗粒污泥的稳定性有重要的作用。

2.6 水力剪切力

水力剪切力的强度对污泥的颗粒化稳定有很大的影响。较高的水力剪切力不仅能使颗粒污泥更加密实稳定，而且对丝状菌也有一定的抑制作用。Tay等[53]研究发现较高的水力剪切力能够培养出表面光滑、结构密实、机械强度高、微生物含量高的颗粒污泥，而且还发现较高的水力剪切力能刺激好氧颗粒污泥分泌更多的胞外聚合物（EPS）。Adav 等[54]也考察了水力剪切力对苯酚为基质的好氧颗粒污泥的形成作用和EPS 的含量的影响。较高的水力剪切力不仅能够促进污泥的颗粒化，而且还可以提供充足的氧气来抑制丝状菌的大量繁殖，有利于好氧颗粒污泥的长期稳定运行。

2.7 污泥龄

丝状菌的最大比增长速率要低于菌胶团，较长时间的污泥停留时间将有利于丝状菌的生长[55]。汪善全等[56]鉴定了好氧颗粒污泥出现的丝状微生物一般出现在污泥龄长的系统出现。然而太短污泥龄难以进行硝化反硝化作用，不利于好氧颗粒污泥生长[1]。

2.8 有毒有害物质及其它因素

当水体中的重金属浓度超过一定程度时，就会对微生物的生长和代谢产生抑制作用。Wang 等[57]通过长期添加Cu2+和Ni2+考察重金属对好氧颗粒污泥性质的影响，结果显示Cu2+对颗粒污泥毒性较大，污泥浓度和生物多样性明显下降，而Ni2+对颗粒污泥毒性较小。Su 等[58]发现在好氧颗粒污泥系统中，硫化物负荷率超过0.3 kgS2-/(m3·d)时，颗粒污泥由于丝状硫菌属大量生长而沉降性能变差。

Li 等[59]发现盐度对好氧颗粒污泥的性质有很大影响，在盐度为5%情况下，好氧颗粒污泥丝状占优，并最终颗粒污泥瓦解。宋志伟等[41]研究了两种接种污泥对好氧颗粒污泥的稳定性影响，结果啤酒厂的接种污泥形成的成熟颗粒污泥比城市污水厂的要更稳定。Adav 等[60]研究了颗粒污泥存储后活性恢复的研究，发现好氧颗粒污泥不能稳定储存的原因是胞内蛋白水解。

3 好氧颗粒污泥稳定性的强化

3.1 抑制丝状膨胀

有机负荷率（OLR）、溶解氧（DO）和pH 值是培养好氧颗粒污泥形成和保持系统稳定性的3 个关键的运行控制参数，控制不当极易发生丝状膨胀。Kim 等[61]通过采用不同的有机负荷率来培养好氧颗粒污泥，最后得到最佳的有机负荷率为2.5 kg/(m3·d)。Li 等[39]利用两个反应器R1 和R2，其有机 负 荷 率 分 别 为 2.0 g COD/(L·d) 和 0.5 g COD/(L·d)，经过100 天培养结果发现低负荷下培养出的好氧颗粒污泥有大量丝状菌存在，结构疏松，粒径高大20 mm，而高负荷下培养出的好氧颗粒污泥主要为细菌类，结构密实，粒径在2～3 mm，并提出适当提高有机负荷率有助于抑制丝状菌的生长，保持污泥颗粒的稳定。

低溶解氧有利于丝状菌的繁殖，易导致好氧颗粒污泥解体，McSwain 等[62]发现如果DO 从8 mg/L降低为5 mg/L 的话，好氧颗粒污泥的饱食/饥饿体系和基质降解动力学将会受到影响，且有丝状菌富集。稳定运行的颗粒污泥一般均需要较高的曝气量，Liu 等[63]通过在饥饿阶段降低曝气量发现好氧颗粒污泥从球状变为了长条状，但污泥的沉降性能并未发生改变，并指出控制饱食阶段的曝气量是好氧颗粒污泥维持稳定的关键。

真菌一般在低pH 值条件下利于繁殖生长，控制好pH 值是抑制颗粒污泥丝状膨胀的关键。纪树兰等[34]通过运行过程中投加NaHCO3调节pH 值至7 左右来达到控制丝状膨胀，并取得了一定的 效果。

3.2 促进胞外多聚物的分泌

高的水力剪切力将可刺激微生物分泌大量的EPS，从而导致疏水性增加[23，64-65]。而Zhang 等[66]研究显示微生物胞外蛋白分泌量的减少及某种蛋白质的消失可能是好氧颗粒污泥解体的根本原因。然而Adav 等[67]用酶选择性地水解EPS 中蛋白质、α-多聚糖、β-多聚糖和脂肪酸来探究对颗粒污泥的稳定性影响，结果发现蛋白质的水解对结构稳定的影响不明显，而水解β-多聚糖引起了颗粒污泥瓦解。高景峰等[68]借助EPS 多重荧光染色表明适当的胞外多糖是好氧颗粒污泥形成和维持稳定的基础。戚韩英[69]证实了芳香族类蛋白的减少是好氧颗粒污泥失稳的主要原因。因此，通过提高水力剪切力可维持好氧颗粒污泥的稳定。

3.3 富集慢速增长的微生物

杨珊珊等[70]发现颗粒污泥表面或内部微生物生长速度过快是导致颗粒污泥结构不稳定的主要原因，而较长的污泥龄有利于颗粒污泥系统的稳定。优化选择生长速率较慢的微生物比如聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs），其细胞表面的负电荷较生长速率快的微生物低，表面疏水性高，使得细胞易于聚集在一起，且形成的颗粒污泥结构稳定[71]。一般可以采用厌氧-好氧匮乏交替的方式来培养此类菌群[72]，也有采用较高的N/C 比或P/C 比来培养生长速率较慢的硝化细菌或聚磷菌的颗粒污泥。Liu 等[73]采用不同的N/C 比筛选硝化菌来培养好氧颗粒污泥并研究了其稳定性能，结果发现高N/C 比下形成的颗粒污泥中含有大量的硝化菌，虽然其平均粒径随N/C 比的升高而逐渐减小，但是颗粒的疏水性能和沉降性能却 最好。

李志华等[74]利用无机碳源在SBR 反应器中培养出结构极为密实的自养菌颗粒污泥，且所富集的硝化菌有利于维持好氧颗粒污泥的稳定；还分析比较了异养菌与自养菌对好氧颗粒污泥的影响，发现自养菌EPS 与孔隙率能够达到动态平衡，因此能够长期维持稳定[75]。

3.4 强化颗粒内核

好氧颗粒污泥内核瓦解是失稳的主要原因之一[76]。而内核瓦解主要原因是：颗粒污泥内部微生物缺氧进行内源呼吸而自溶，或是颗粒内部微生物老化导致结构疏松[77]。

魏燕杰等[78]通过投加粉末活性炭降低污泥生长速率和产率，避免了因传质阻力引起的颗粒内部瓦解，保证了好氧颗粒污泥的稳定。

3.5 其它措施

刘凤阁等[79]研究表明丝状真菌不仅能依靠其结构特性增强颗粒污物稳定性，而且可以消除细菌代谢产物在颗粒内的积累，改善颗粒内微生物生态环境，从而提高颗粒污泥的稳定性。

李志华等[80]开发新型反应器保证了颗粒污泥粒径的增长和密度扩大，有效维持了系统的稳定运行。

汪善全等[81]将反应器中进水基质由葡萄糖换为难生物降解废水时，能够快速有效控制颗粒污泥中丝状微生物的过度增殖。吴蕾等[82]也通过变换水质来达到控制丝状菌的过度增长，维持系统的稳定。

4 结 语

好氧颗粒污泥技术是一种具有很大应用前景的水处理技术，已成为污水处理领域研究的热点，也取得了大量的研究成果。不过，好氧颗粒污泥技术工业化应用较少，其中颗粒污泥的稳定性是限制其实际应用的最大瓶颈。如何实现好氧颗粒污泥的长期稳定运行是目前研究领域的重点，深入探究好氧颗粒污泥的形成机理，应用现代分子生物技术解析功能菌群的生长和分布规律，为好氧颗粒污泥的工业化应用作铺垫，意义重大。

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