好氧颗粒污泥的连续化研究进展

闻香兰，但昭和

（1 江苏瑞鼎环境工程有限公司，江苏 宜兴 214266；2 江苏津宜水工业装备有限公司，江苏 宜兴 214266）

好氧颗粒污泥是微生物在特定的环境下自发凝聚、增殖而形成的颗粒状生物聚合体，具有许多普通活性污泥难以比拟的优点[1]，如规则的形状、致密的结构、良好的沉降性能、高生物停留时间、多重生物功效（有机物降解、同步脱氮除磷等）、高耐毒性、相对较低的剩余污泥产量、耐冲击负荷等。得益于这些优点，好氧颗粒污泥已成为废水处理领域的研究热点，并被认为是极具发展前景的废水生物处理技术。虽然好氧颗粒污泥首先在连续流反应器（好氧上流式污泥床，AUSB）中被发现[2]，但后续研究[3-5]表明，序批式活性污泥工艺（SBR）更加适合好氧颗粒污泥的形成及特性保持。截止到目前为止，好氧颗粒污泥的绝大部分研究成果都来自于SBR。而事实也证明，序批式好氧颗粒污泥反应器（AGSBR）内理想的推流环境、可调控的污泥筛选机制、较大的水力剪切力等都为好氧颗粒污泥的形成创造了必要条件[6-7]。相比之下，连续流反应器内较低的传质推动力、较弱的污泥筛选机制等不仅难以形成好氧颗粒污泥，亦对好氧颗粒污泥的稳定性构成了威胁，这也是为什么运行了百年之久的传统活性污泥法中从未发现有好氧颗粒污泥的原因。

通常，SBR 比较适合于小水量废水的处理，也不易与其他连续运行构筑物串联，因而极大地限制了该类技术的应用与推广。相比之下，连续流反应器是污水处理领域中广泛采用的形式，具有灵活、运行简便、设备利用率高等优点。因此，好氧颗粒污泥的连续化一直是许多科研工作者不断追求的目标。为推进技术的发展，陆续出现了一些连续流好氧颗粒污泥反应器（CFAGR）的报道[8-31]，它们的出现丰富了好氧颗粒污泥反应器的形式，对于技术的发展具有一定积极意义。然而，由于所取得的研究成果极其有限，这些反应器的可靠性尚需经历长期稳定运行的检验。毕竟，SBR 中的大量研究[4-5]表明，长期运行的好氧颗粒污泥容易失稳，甚至出现解体现象，这也是好氧颗粒污泥大规模工程化应用遇到的最大瓶颈。针对这一窘境，本文通过总结现有的CFAGR 的研究进展，分析这些反应器的特点与不足，为好氧颗粒污泥反应器的连续化运行提供理论支持。

1 CFAGR 的形式

由于好氧颗粒化的机理仍不明了，缺乏理论指导下的各种CFAGR 的构型千差万别。但无论何种构型的CFAGR，都涉及到泥水分离问题。AGSBR利用静态沉淀过程可对不同沉降性能的污泥进行筛选，而沉降时间被认为是促进好氧颗粒污泥形成最重要的选择压[6-7]。然而，CFAGR 并不存在这一过程，要实现泥水分离及选择性排泥只能依靠泥水分离器。因此，下文以泥水分离机制为分类标准，对现有CFAGR 进行总结。

1.1 沉淀区重力沉降分离

这类反应器有的设置了单独的二沉池，利用污泥沉降性能的差异实现选择性排泥，并有污泥回流系统。张岩等[8]研究了泳动床/好氧颗粒污泥系统[图1(a)]对实际生活污水的处理效果，泳动床/好氧颗粒污泥反应器及沉淀池有效体积分别为55.6L 及60L，泳动床内填充了Biofringe 生物载体，从生物载体上脱落的生物膜作为好氧颗粒污泥形成的诱导核，但这种依靠载体而形成的生物膜能否归类为好氧颗粒污泥值得商榷。鲁文娟等[9]研究了连续流传统活性污泥系统[图1(b)]中好氧颗粒污泥的培养，曝气池及沉淀池有效容积分别为18L 及4.5L。另外，也有只设置了沉降区或污泥排放管的连续流完全混合反应器（无污泥回流装置，CSTR）[10-14]。李媛等[10]所用的合建式CSTR 反应器[图1(c)]曝气区与沉淀区的有效容积分别为1.7L 和0.6L，曝气区与沉淀区之间设有可调污泥回流缝，以便根据需要调节和控制污泥回流量。而Morales 等[14]设计的CSTR[图1(d)，有效容积为6L]采用排泥管进行污泥筛选，该排泥管一半淹没在水中，管中上升流速控制为10m/h。虽然采用二沉池来进行泥水分离简便易行，但好氧颗粒污泥的沉降速度（一般在25～70m/h 之间）要明显大于活性污泥（通常小于10m/h），设计者们是如何控制表面水力负荷及剩余污泥的排放量来实现污泥筛选尚不得而知。但可以肯定的是，若直接引用活性污泥工艺中二沉池的设计参数显然欠妥。因此，究竟多大的表面水力负荷适用于好氧颗粒污泥的筛选与稳定性维持尚需系统论证。

图1 利用沉淀区进行泥水分离的CFAGR[8-14]

1.2 三相分离器分离

利用三相分离器来进行气、液、固分离是目前采用较多的形式。这类反应器通常采用柱状结构，在反应器的上部设有三相分离器。三相分离器的构型虽各有差异，但几乎都借鉴了UASB 三相分离器的设计思想。田永生等[15-16]研究了上流式好氧颗粒污泥床反应器[图2(a)]中好氧颗粒污泥的培养及对实际废水的处理效果，该反应器为圆柱形，包括曝气区（总容积13.7L）和沉淀区（总容积2.6L）。周丹丹等[17-22]在连续流气提式流化床[图2(b)，有效容积5.6L、8.4L]中开展了好氧颗粒污泥的培养、脱氮、处理实际废水等研究，该反应器包括3 个部分，即升流区、降流区及三相分离器。在结构相似的反应器中，Jemaat 等[23-24]研究了连续流气升式反应器[图2(c)]中好氧颗粒污泥对硝基酚、甲酚的去除效果，而Wan 等[25]研究了HRT 对短程硝化效果的影响，他们所用反应器的有效体积分别为2.6L 及2.3L。Jin 等[26]利用无机碳源基质[碳源和氮源分别为NaHCO3及(NH4)2SO4]在连续流气升式反应器内进行硝化颗粒污泥的培养，并研究了反应器在高进水氨氮下（70～1100mg/L）的硝化性能，该反应器[图2(d)，有效容积9.2L]包括4 个部分，即上升管、下降管、空气分离器及沉淀区，采用堰式出水。一体化三相分离器无疑是最高效、简便的泥水分离方式，但却会增大设计难度。Long 等[27]研究了循环式好氧颗粒污泥反应器[图2(e)]对有机负荷的耐受力，该系统包括两根相同的单体反应器（单柱有效体积12.1L），运行方式类似于双池型LUCASS 工艺，采用“斜管+挡板沉淀池”进行泥水分离。其中，挡板沉淀池内设有可升降的挡流板，通过控制挡板的插深可创造不同的水力选择压，这种新颖的设计为高效三相分离器的设计提供了一种新思路。虽然UASB 的三相分离器为其他分离器的设计提供了一些理论基础，但好氧颗粒污泥反应器内剧烈的气流扰动及选择性排泥对传统三相分离器提出了更高的要求。究竟何种形式的三相分离器能满足好氧颗粒污泥的形成及稳定性维持要求尚需系统论证。

图2 利用三相分离器进行泥水分离的CFAGR[15-27]

1.3 筛网过滤分离

这类反应器通过滤网来进行污泥筛选，大于该孔径的颗粒被截留并返回主反应区，而透过的絮体则排出反应器。Liu 等[28]研究了连续流自生动态膜反应器[图3(a)，CGSFDMBR]中好氧颗粒污泥的稳定性，该反应器由4 个部分组成，即SBAR 池（有效容积28.8L）、沉淀池（有效容积6L）、动态膜生物池（有效容积24L）及污泥选择池（有效容积10L）。其中，污泥选择池中滤网孔径为0.6 mm，每天只对部分混合液进行一次筛泥。另外，Liu 等[29]还尝试了在传统好氧颗粒污泥反应器[图3(b)]内进行好氧颗粒污泥的培养，该系统包括一根柱状反应器（有效容积7.5L）及一个污泥选择池，根据好氧颗粒化的进程，污泥选择池中的筛网孔径由0.1mm 增大至1.0mm，截留颗粒污泥由污泥泵连续回流至柱状反应器内。这种泥水分离方式具有较高的筛分效率， 但运行、控制非常繁琐，且极易堵塞。

图3 利用筛网进行泥水分离的CFAGR[28-29]

1.4 膜分离

这类反应器均采用膜组件进行泥水分离，膜组件的类型有聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜（膜孔径0.4μm）、聚乙烯中空纤维膜（膜孔径0.4μm）、聚丙烯膜（膜孔径0.1μm）等，反应器的运行方式类似于膜生物反应器（MBR），但根据膜组件的安装方式可分为合建式及分建式（生化反应区与膜组件隔开）。为延缓膜污染，膜组件下方均设有可提供高强度曝气量的曝气管。邱光磊等[30]研究了MBR中好氧颗粒污泥形成的机制，所使用的MBR[图4(a)]有效容积60L，其间由穿孔板分为主反应区和膜分离区，主反应区和膜分离区体积比为4∶1。而刘爱萍等[31]使用的MBR[图4(b)]被隔板分成了膜区（27L）和导流区（17L），导流区内设有导流筒，结构类似于SBAR。Juang 等[32]研究了长期运行的MBR 中好氧颗粒污泥的稳定性，该MBR 为柱状型（高120cm，直径6cm）、膜组件安装在空气扩散器上。由于膜组件的良好截留效果，这些MBR 运行过程中几乎没有污泥排放，理论上污泥的SRT 可以无限延长，这种没有污泥筛选过程即可形成好氧颗粒污泥的现象明显不同于其他几类CFAGR，具体的形成机理尚缺乏有力的论据支撑。另外，不断老化的污泥能否维持好氧颗粒污泥长期稳定性亦值得深思。

图4 利用膜组件进行泥水分离的CFAGR[30-31]

2 现有研究的不足

2.1 缺乏对污泥筛选效果的系统研究

好氧颗粒污泥的形成及稳定性维持是一个解体与颗粒化的动态平衡过程，涉及到污泥的筛选与淘汰。可是，目前还极少有研究定性或定量地探索了泥水分离装置对不同粒径或不同沉降性能的污泥的截留或透过效果。Long 等[27]将粒径大于0.3mm 的生物体视为好氧颗粒污泥，通过批次试验研究了不同工况下（挡板插深、HRT 及曝气量组合）三相分离器对污泥的筛分效果，发现正常工况下反应器对好氧颗粒污泥的截留效率可保持在98.6%以上，表明绝大多数的好氧颗粒污泥可被截留在反应器内。然而，对于目前繁多的三相分离器形式，设计者们很少会介绍它们的设计依据、计算过程，对于泥水分离效果，如总截留效率、分级截留效率等甚至只字不提，因而难以评价这些泥水分离器的可靠性。

2.2 缺乏对反应器内水力学流态的研究

反应器内的水力学流态不仅会影响微生物的聚集形态，亦会影响传质效果及生化反应。研究表 明[6-7]，AGSBR 中时间上的推流及空间上的完全混合流态不仅有利于微生物之间的相互凝聚，亦可有效抑制丝状菌的过度生长。虽然连续流反应器中亦有推流式反应器，但受长宽比限制，难以提供好氧颗粒污泥形成所需的高剪切力。大量研究表明，推流式反应器似乎更适合好氧颗粒污泥的形成及稳定性维持，而完全混合反应器内较低的传质推动力极易造成丝状菌过度生长而导致好氧颗粒污泥失 稳[33]。需要指出的是，通过无机碳源培养出的硝化颗粒污泥在连续流反应器内往往可以表现出较好的稳定性，这些反应器通常采用较长的HRT，内部近似呈完全混合流态。因此，究竟何种流态反应器更适合好氧颗粒污泥的形成及稳定运行尚需系统研究。然而，目前极少有研究探索了不同工况下CFAGR 中的水力学流态以及流态对好氧颗粒化及好氧颗粒污泥稳定性的影响。

2.3 缺乏长期稳定运行的数据支撑

在大量实验的基础上，好氧颗粒污泥已在培养、颗粒特性、生物相、污染物去除等方面积累了大量积极成果[1-5]。另外，国外的一些科研机构已将好氧颗粒污泥实现了小范围的工程化应用（运行数据至今未公开），但这些反应器无一例外地都采用了类似于SBR 的间歇式运行模式。相比之下，好氧颗粒污泥连续化的研究成果还极其有限，且反应器构型相差极大，不仅缺乏系统论证，亦不利于试验结果的重复。大部分研究者们都倾向于证明好氧颗粒污泥能在他们的连续流反应器内形成并具有较好的污染物去除效果，或在较短的时期内可以维持稳定，但却常常缺少运行过程中好氧颗粒污泥各项理化特性的数据支撑。另外，由于目前尚没有公认的评价好氧颗粒污泥培养成功的定量标准，许多CFAGR 中好氧颗粒污泥能否占绝对优势仍值得商榷。毕竟，研究表明好氧颗粒污泥的形成及稳定运行需要较高的水力选择压，否则好氧颗粒污泥难以占据绝对 优势[34]。

3 结语与建议

由于研究成果极其有限，好氧颗粒污泥的连续化还有许多问题需要解决。究竟何种形式的连续流反应器形式适合于好氧颗粒污泥的培养及稳定运行仍需不断探索与论证，对于CFAGR 的研发提出以下建议。

（1）好氧颗粒污泥的连续化应立足于AGSBR中已取得的研究成果，如好氧颗粒污泥形成的影响因素、颗粒化机理等，在系统分析两类反应器的差异的基础上，积极创造适合好氧颗粒污泥存在的反应器形式。

（2）SBR 的变形工艺中已有成熟的并应用于实践的半连续流及连续流反应器，如 CASS、LUCASS、UNITANK 等，它们的运行方式可为CFAGR 的设计开辟一条新的思路，另外，可大量吸收现有成熟污水处理工艺的经验与教训，如工程上广泛采用的抑制丝状菌过度生长的生物选择器、可降低能耗的浅池曝气等。

[1] Adav S S，Lee D J，Show K Y，et al. Aerobic granular sludge：Recent advances[J]. Biotechnology Advances，2008，26（5）：411-423.

[2] Mishima K，Nakamura M. Self-Immobilization of aerobic activated sludge—A pilot study of the aerobic upflow sludge blanket process in municipal sewage treatment[J]. Water Science and Technology，199l，23：981-990．

[3] Liu Y，Tay J H. State of the art of biogranulation technology for wastewater treatment[J]. Biotechnology Advances，2004，22（7）：533-563.

[4] Lee D J，Chen Y Y，Show K Y，et al. Advances in aerobic granule formation and granule stability in the course of storage and reactor operation[J]. Biotechnology Advances，2010，28（6）：919-934.

[5] Show K Y，Lee D J，Tay J H. Aerobic granulation：Advances and challenges[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology，2012，167（6）：1622-1640.

[6] Liu Y，Tay J H. The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge[J]. Water Research，2002，36（7）：1653-1665

[7] Liu Y，Wang Z W，Tay J H. A unified theory for upscaling aerobic granular sludge sequencing batch reactors[J]. Biotechnology Advances，2005，23（5）：335-344.

[8] 张岩，王永胜，白玉华，等. 泳动床/好氧颗粒污泥新技术处理生活污水的特性研究[J]. 环境科学，2007，28（10）：2249-2254.

[9] 鲁文娟，陈希，袁林江. 连续流传统活性污泥系统中好氧颗粒污泥的培养[J]. 环境工程学报，2013，7（6）：2069-2073.

[10] 李媛，沈耀良，孙立柱. 采用CSTR 反应器培养好氧颗粒污泥的研究[J]. 中国给水排水，2008，24（5）：10-13.

[11] 沈耀良，李媛，孙立柱. 连续流反应器中培养好氧颗粒污泥的运行效能研究[J]. 环境污染与防治，2010，32（1）：1-4，8.

[12] 张雯，邓风，何超群，等. 不同类型反应器好氧颗粒污泥培养过程研究[J]. 工业安全与环保，2010，36（9）：23-25.

[13] 张雯，邓风，何超群. CSTR 反应器好氧颗粒污泥脱氮影响因素研究[J]. 水处理技术，2011，37（1）：116-120.

[14] Morales N，Figueroa M，Mosquera-Corral A，et al. Aerobic granular-type biomass development in a continuous stirred tank reactor[J]. Separation and Purification Technology，2012，89（22）：199-205.

[15] 田永生，买文宁，代吉华. 连续流状态下好氧颗粒污泥培养及其脱氮除磷性能研究[J]. 广东化工，2012，39（7）：26-28.

[16] 贾晓凤，孙长清，买文宁，等. 连续流态下好氧颗粒污泥的培养及处理制药废水的性能[J]. 中国地质大学学报：地球科学，2013，38（4）：870-876.

[17] 周丹丹，刘孟媛，侯典训，等. 连续流气提式流化床启动过程中[J].吉林大学学报：地球科学版，2012，42（1）：212-219.

[18] 牛姝，段百川，张祚黧，等. 连续流态下以城市污水培养好氧颗粒污泥及颗粒特性研究[J]. 环境科学，2013，34（3）：986-992.

[19] Zhou D D，Liu M Y，Wang J，et al. Granulation of activated sludge in a continuous flow airlift reactor by strong drag force[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering，2013，18（2）：289-299

[20] Zhou D D，Dong S S，Gao L L，et al. Distribution characteristics of extracellular polymeric substances and cells of aerobic granules cultivated in a continuous-flow airlift reactor[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2013，88（5）：942-947.

[21] Zhou D D，Liu M Y，Gao L L，et al. Calcium accumulation characterization in the aerobic granules cultivated in a continuous-flow airlift bioreactor[J]. Biotechnology Letters，2013，35（6）：871-877.

[22] Yang Y，Zhou D D，Xu Z X，et al. Enhanced aerobic granulation，stabilization，and nitrification in a continuous-flow bioreactor by inoculating biofilms[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2014，98（12）：5737-5745.

[23] Jemaat Z，Suárez-Ojeda M E，Pérez J，et al. Simultaneous nitritation and p-nitrophenol removal using aerobic granular biomass in a continuous airlift reactor[J]. Bioresource Technology，2013，150（4）：307-313.

[24] Jemaat Z，Suárez-Ojeda M E，Pérez J，et al. Partial nitritation and o-cresol removal with aerobic granular biomass in a continuous airlift reactor[J]. Water Research，2014，48（1）：354-362.

[25] Wan C，Yang X，Lee D，et al. Influence of hydraulic retention time on partial nitrification of continuous-flow aerobic granular-sludge reactor[J]. Environmental Technology，2014，35（14）：1760-1765.

[26] Jin R，Zheng P，Mahmood Q，et al. Performance of a nitrifying airlift reactor using granular sludge[J]. Separation and Purification Technology，2008，63（3）：670-675.

[27] Long B，Yang C Z，Pu W H，et al. Tolerance to organic loading rate by aerobic granular sludge in a cyclic aerobic granular reator[J]. Bioresource Technology，2015，182：314-322.

[28] Liu H B，Li Y J，Yang C Z，et al. Stable aerobic granules in continuous-flow bioreactor with self-forming dynamic membrane[J]. Bioresource Technology，2012，121（2）：111-118.

[29] Liu H B，Xiao H，Huang S，et al. Aerobic granules cultivated and operated in continuous-flow bioreactor under particle-size selective pressure[J]. Journal of Environmental Sciences，2014，26（11）：2215-2221.

[30] 邱光磊，宋永会，曾萍，等. 连续流膜生物反应器中好氧颗粒污泥的形成及机制探讨[J]. 环境科学学报，2011，31（3）：476-484

[31] 刘爱萍，陈中颖，李开明，等. MBR 中磁种好氧颗粒污泥的培养及对膜污染的影响[J]. 中国给水排水，2010，26（19）：1-4.

[32] Juang Y C，Adav S S，Lee D J，et al. Stable aerobic granules for continuous-flow reactors：Precipitating calcium and iron salts in granular interiors[J]. Bioresource Technology，2010，101（21）：8051-8057.

[33] Liu Y，Liu Q S. Causes and control of filamentous growth in aerobic granular sludge sequencing batch reactors[J]. Biotechnology Advances，2006，24（1）：115-127.

[34] Qin L，Tay J H，Liu Y. Selection pressure is a driving force of aerobic granulation in sequencing batch reactors[J]. Process Biochemistry，2004，39（5）：579-584.