强化生物除磷系统中好氧颗粒污泥形成与研究

李世龙，柯柏明

（武汉理工大学 资源与环境工程学院，430070）

强化生物除磷（enhanced biological phosphorus removal，EBPR）被认为是一种有效的除磷工艺，反应条件先厌氧后好氧，利用聚磷菌的富集生长去除水中大部分的磷[1]。EBPR法与其他传统方法相比，是一个相对低廉和可持续的方法[2]，同时该工艺已经在全球范围内开始应用[3]。目前，大多数EBPR工艺都是用于活性污泥法中，但是实际应用中会遇到许多问题，如污泥膨胀、设备占地面积大、能耗高和剩余污泥产生量多等问题[1]。

好氧颗粒污泥是在好氧条件下培养的，由系统中微生物聚集形成的形状规则的聚集体[4]。与传统活性污泥相比，它具有沉降快、污泥结构稳定、剩余污泥量少等优点，且具有高污泥浓度，能承受高强度废水和冲击载荷。目前已有众多研究致力于好氧颗粒污泥的开发利用，如用于处理高浓度有机废水[5]、高盐废水[6-7]、印染废水[8]等。此外，好氧颗粒污泥结构中同时存在好氧、缺氧、厌氧三区[9]，因此能有效去除COD的同时能够实现同步脱氮除磷，故在实际应用上广阔的应用价值。

1 好氧颗粒污泥

1.1 好氧颗粒污泥技术的发展

1991年，好氧颗粒污泥最早由Mishima等[10]在好氧升流式污泥床反应器（AUSB） 中培养出来，但AUSB运行条件严格，需要纯氧曝气，运行条件和成本均较高。直到20世纪90年代中期Morgenroth[11]等首次采用序批式反应器（SBR），成功培养出好氧颗粒污泥，为后来SBR培养好氧颗粒污泥奠定了基础，也标志着好氧颗粒污泥技术的诞生。

在此基础上，好氧颗粒污泥的研究在1997年迅速展开，进入了快速发展期，主要集中在两个方面：宏观上，研究污泥在颗粒化过程中的形貌变化、形成机制，并优化培养参数。微观上，从微生物菌群结构、蛋白等层面去分析颗粒化机理。

1.2 好氧颗粒污泥形成机制

好氧颗粒污泥的形成，是物理、化学、生物共同作用的结果。关于颗粒污泥的形成过程进行了大量的研究，但仍没有统一定论，目前主要有四种假说：

1）自凝聚假说。系统中的微生物在各个力（水力、静电斥力、范德华力等）作用下发生自凝聚，从而有活性污泥转化成颗粒污泥。在细胞与细胞、细菌与细菌、蛋白质与蛋白质及其三者之间均广泛的存在这些力[12]，使得微生物凝聚成规则的三维结构。好氧颗粒污泥结构从内到外包含的细菌多达几百万种，细菌之间的相互作用力也有助于促进该过程的进行。微生物聚合体不断聚集变大并不断压缩，结构变得紧密，最终形成结构致密、外形规则的颗粒状污泥。

（2） 胞外聚合物（EPS） 假说。 EPS是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌，分泌于体外的一些高分子聚合物。主要成分与微生物的胞内成分相似，是一些高分子物质，如多糖（PS）、蛋白质（PN）和核酸等聚合物。胞外聚合物假说认为，这些胞外聚合物通过增加污泥表面疏水性和降低污泥表面电负性来促进颗粒化进程。

（3）选择压力假说。在培养颗粒污泥的过程中，可以通过控制沉降时间，筛选掉沉降性能较差的污泥[13]，从而实现污泥的颗粒化。选择压力又分为物理选择压和生物选择压，物理选择压主要包括搅拌、曝气、高径比、沉淀时间、体积交换率等；生物选择压主要包括进水组分、有机负荷率等。

（4） 晶核假说。反应器中存在的固体物质，微生物附着在上面，先是形成小颗粒，然后微生物不断地生长繁殖，变成大颗粒。晶核一般来源于反应器中的惰性基质或沉淀[14]，甚至是污泥本身。

2 颗粒稳定性研究

长期储存和运行过程中结构稳定性和生物活性的丧失是好氧颗粒过程在野外应用的主要挑战。以乙酸钠为碳源，颗粒在有机负荷＜15kg/m3d时保持结构稳定性，但在有机负荷＞18kg/m3d时失去稳定性。有机负荷的增加可以增加颗粒大小，增强颗粒内厌氧芯的生长，这些颗粒是由大量的死细胞形成的，从而导致颗粒结构的崩塌。在颗粒污泥中加入10～50 mg/l TiO2纳米粒子，发现颗粒污泥中的颗粒生成稳定、致密、硝化率高的藻类细菌颗粒。作者提出，纳米粒子能以较少的丝状菌株刺激EPS的排泄，从而产生稳定的颗粒。

由于好氧颗粒污泥过程中产生的松散颗粒结构会导致反应器内生物质的洗涤，因此，丝状颗粒的过度生长往往被认为是好氧颗粒污泥工艺失败的原因。在进水pH值为4.5～8的条件下，以乙酸或葡萄糖为碳源培养好氧颗粒。他们的研究首次在实验上证实了酸性pH，而不是碳源（如乙酸或葡萄糖）控制好氧颗粒丝状结构。酸性pH降低细胞内c-diGMP含量，提高地三花的生长速度，导致真菌过度生长。因此，作者提出在碱性条件下保持悬浮液能有效地抑制好氧颗粒中丝状的过度生长。正酰基高丝氨酸内酯（AHL）降解酶的存在降低了好氧颗粒的结构稳定性。AHLs的水解降低了蛋白质的含量，从而降解了颗粒。

3 结语

在EBPR条件下，好氧颗粒污泥中能同时发生硝化、反硝化，以及除磷反应，好氧颗粒污泥技术将会发展成为一个能有效去除COD并同步脱氮除磷的非常有前景的新技术。

好氧颗粒污泥可以仅通过运行参数的相对小的范围内进行，包括类型的接种量、进料组成和有机负荷，喂养策略，反应器的几何形状、曝气强度、凝结时间、体积交换率[5]。然而，尚未建立全面的制粒机制，只是在理解粒化如何发生以及如何加速该方法方面已经取得了进展。

好氧颗粒在长期使用和贮存过程中的结构稳定性是其现场应用中的主要问题。近年来的研究提出了颗粒内外化学沉淀或颗粒内加入纳米粒子以提高其结构稳定性。保持碱性环境以抑制丝状过度生长的想法在提高颗粒操作稳定性方面具有潜在的应用价值。这些新的发现可以被看作是在好氧颗粒过程的潜在场应用方面向前迈出的一大步。