好氧颗粒污泥处理高氨氮废水研究进展

姚源，潘江，肖芃颖，陈婷婷，赵天涛，封丽,3，赵春阳

(1.重庆市生态环境科学研究院，重庆市生态环境遥感监测大数据应用技术协同创新中心，重庆 401147；2.重庆理工大学化学化工学院，重庆 4000543；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044；4.重庆川仪环境科技有限公司，重庆 401121)

高氨氮废水主要来源于畜禽养殖、垃圾渗滤液、皮革废水、焦化废水以及化肥厂等生产过程[1]。高氨氮废水未经处理直接排放容易引起水中藻类及其他微生物大量繁殖，导致水体富营养化；高氨氮废水排入自来水厂，会导致水厂运行故障而造成饮用水异味；处理高氨氮废水过程会产生大量硝酸盐及亚硝酸盐，长期饮用含有这类产物的水会诱发高铁血红蛋白血症，严重影响居民身体健康。

高氨氮废水处理主要有生物法、化学法、物理法三种，其中生物法具有经济有效、无二次污染等特点，是目前公认最具发展前景的氨氮处理方法[2]。传统生物脱氮处理工艺，虽然能够有效去除氨氮，但存在碳源、溶解氧不足，有大量剩余污泥等问题，为此，诞生了许多新型生物脱氮技术，例如短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺及厌氧氨氧化工艺等，其具有经济性能好、脱氮效率高等明显优势，但仍然存在一定的应用瓶颈。近20年来，好氧颗粒污泥因其致密的结构、良好的沉降性能、耐冲击负荷能力和多功能菌群等诸多优势，成为废水生物处理领域的新兴技术，且对高氨氮废水具有良好的去除效果，同时降解有毒、有害物质，已受到越来越多的关注。因此，研究好氧颗粒污泥对高氨氮废水的处理效果及影响因素具有重要的理论意义和实践价值。

据此，本文对好氧颗粒污泥处理高氨氮废水领域进行调研，探讨了好氧颗粒污泥技术在处理垃圾渗滤液、化肥工业污水、畜禽养殖废水的研究现状及处理效果，好氧颗粒污泥形成机理及主要影响因素，最后对好氧颗粒污泥技术处理高氨氮废水工程应用前景进行了展望。

1 好氧颗粒污泥技术处理高氨氮废水研究现状

据报道，好氧颗粒污泥技术目前已经在畜禽养殖废水、化肥工业废水、垃圾渗滤液等高氨氮废水领域展开研究。研究表明，好氧颗粒污泥与传统絮状污泥相比具有良好的沉降性能、高生物量、集多种微生物于一体等特点，使其在处理某些高浓度有机废水、难降解废水、高氨氮废水时仍能保持较好的去除效果。好氧颗粒污泥处理高氨氮废水部分示例见表1。

表1 好氧颗粒污泥技术处理高氨氮废水

垃圾渗滤液主要来源于填埋场，具有高氨氮、低生化性、含盐高、重金属多等特点，其中高氨氮是处理过程中一大难题。目前，处理垃圾渗滤液主要以物化法和生物法为主，物化法处理高氨氮废水，主要通过氨吹脱塔来进行去除，同时调节pH、温度等，这无疑增加运营成本。生化法，主要是在处理高氨氮废水时会产生大量游离氨导致生物活性降低，影响工艺正常运行。好氧颗粒污泥具有高生物量、沉降性好、抗冲击负荷强等优势，适用于处理高氨氮废水。Wei等[5]向GSBR反应器中接种好氧颗粒污泥处理垃圾渗滤液，反应器内出现同步硝化反硝化现象，且当氨氮浓度提升至788 mg/L，反应器内出现短程硝化反硝化，大量亚硝酸盐累积。好氧颗粒污泥由内向外厌氧、兼氧、好氧的特殊结构，处理高氨氮废水过程产生游离氨有助于氨氧化菌的富集，促进短程硝化反硝化工艺实现[8]，为处理垃圾渗滤液提供了新方向。

化肥行业生产排放的高氨氮废水，主要来源于企业生产尿素、氨等化肥过程。蔡佳青[9]研究好氧颗粒污泥对高氨氮化肥企业废水处理效果，颗粒污泥经过46天的培养及驯化对污染物有良好去除效果，稳定运行期间COD、氨氮平均去除效率约94.2 %、89.8 %。刘浩[10]等同样发现，好氧颗粒污泥对化肥工业废水中COD、氨氮去除效果良好，平均去除率分别达93.5 %和89.2 %，总氮去除率维持在66.5 %以上。

作为典型高氨氮废水-畜禽养殖废水，好氧颗粒污泥对其同样具有良好去除效果。相较于传统SBR工艺，好氧颗粒污泥在去除高浓度猪场废水及沼液具有潜在优势[11]。谢磊等[12]首先利用城市生活污水成功培养出好氧颗粒污泥，再处理高浓度猪场废水；在氨氮浓度稳定在800 mg/L左右条件下，COD、氨氮去除率一直稳定在80%以上，去除效果良好。王晓春等[13]同样研究好氧颗粒污泥对畜禽养殖废水处理效果，反应器经过35天稳定运行，COD、氨氮平均去除率为98.56 %、86.14 %，另外好氧颗粒污泥对畜禽养殖废水中四环素也有去除效果。

2 好氧颗粒污泥的特点、形成机理及影响因素

2.1 好氧颗粒污泥的特点

好氧颗粒污泥是活性污泥在好氧条件下通过形成高选择压，促进微生物自凝聚，从而形成外观规则、结构紧凑、轮廓清晰的生物聚合体[14]。好氧颗粒污泥受进水水质和接种污泥的不同形成颗粒一般有淡黄、棕色和黄色，粒径一般在0.20～5.00 mm之间，通常外观呈球形或椭球形,其特殊的结构可以形成厌氧-好氧环境，从而为不同微生物生长提供场所，实现同步脱氮除磷[15]。

2.2 好氧颗粒污泥的形成机理

好氧颗粒污泥是在好氧条件下，通过高选择压促使微生物进行自固定而形成的颗粒污泥，其本身是一种特殊的生物膜，其形成过程包括物理、化学及生物多种共同作用。目前国内外研究者，通过不同手段，如高通量测序、荧光原位杂交等从不同角度探索好氧颗粒污泥的形成，提出不同的机理假说。

2.2.1胞外多聚物(EPS)假说

胞外聚合物(EPS)是在特定环境条件下微生物为抵抗外界条件的改变而分泌一种高粘性聚合物，其成分主要以蛋白质、多糖、腐殖酸为主，还有部分DNA、脂肪、脂类及一些无机物。其中蛋白质可以改变细胞间疏水性，降低细胞表面的自由能，增强微生物之间粘连，从而形成结构致密、稳定的好氧颗粒污泥。另一主要成分多糖，主要分布在颗粒污泥内部及菌胶团细胞间隙，可以维持所形成颗粒污泥的完整性，与附着在颗粒表面的丝状菌嵌合形成好氧颗粒污泥，在形成过程中起骨架作用[16]。

2.2.2微生物自凝聚假说

自凝聚是指微生物在适当的条件下为应对外界环境改变而进行自我调节，改变自身特征发生凝聚，从而形成生物活性高、沉降性能好、密度大的生物聚合体，随后慢慢进化，最终形成好氧颗粒污泥。

2.2.3丝状菌假说

研究表明，当接种污泥当中含有丝状菌时，会将系统中球菌、杆菌及小颗粒等相互连接、缠绕形成颗粒污泥。当接种污泥中丝状菌占优势时，大量细菌会以丝状菌为载体进行吸附性生长，其相当于骨架作用，在剪切力、沉降时间改变下，形成好氧颗粒污泥。林勇山等[17]研究发现通过向絮状活性污泥中接种部分丝状菌，可以在15天就培养出理化性能良好的好氧颗粒污泥，大大缩短颗粒化时间。

2.3 影响好氧颗粒污泥形成的主要因素

好氧颗粒污泥形成是一个复杂的过程，包括物理、化学和生物共同作用。在有氧条件下，由絮状污泥逐步向颗粒污泥转化，这一过程也受到不同因素影响，比如有机负荷及组成、水力剪切力、沉降时间、反应器构造及金属离子等。

有机负荷过低，微生物生长缓慢；有机负荷过高造成系统内丝状菌大量繁殖，影响反应器稳定运行，适宜颗粒污泥形成有机负荷范围在2.50-15 kg COD/(m3·d)。王芳等[18]研究了不同有机负荷下(1.58 kg/(m3.d)、14.12 kg/(m3.d))好氧颗粒污泥对污染物去除效果，发现在两种负荷条件下颗粒污泥对污染均有良好去除效果，但高负荷下颗粒污泥的沉降性能比低负荷条件下好，且在低负荷下出现了污泥膨胀现象。因此适宜的有机负荷有利于好氧颗粒形成。

水力剪切力在颗粒形成及稳定运行过程中同样具有重要作用[19]。在序批式SBR反应器中，水力剪切力主要来源于气体流动，污泥在水力剪切力作用下相互碰撞，最后形成好氧颗粒污泥。研究表明只有当反应器水力剪切力提高到一定水平，好氧颗粒污泥才会形成。Liu等[20]研究表明只有当反应器内上升流速大于1.2 cm.s-1时，颗粒污泥才会形成；随着上升流速增加，颗粒污泥外观越来越规则，密度、强度越来越，还会促进微生物分泌大量EPS，细胞疏水性增强，有助于形成结构紧密好氧颗粒污泥[21]，维持反应器稳定运行。

沉降时间是影响污泥颗粒化的重要因素，在颗粒污泥形成过程中主要是对微生物进行筛选，将沉降性差的污泥排出反应器，留下沉降性良好的污泥进而实现颗粒化。Qin等[22]研究发现只有当沉降时间低于15 min时，才会出现好氧颗粒污泥，当沉降时间小于5 min时，颗粒污泥在反应器当中占据主导作用。同时在较短的沉降时间下，反应器当中的EPS含量明显增加，微生物活性及细菌表面的疏水性明显增强，颗粒化进程也明显加快。

3 好氧颗粒污泥处理高氨氮废水的影响因素

3.1 有机负荷的影响

有机负荷(OLR)对颗粒的形成与稳定有一定影响，有机负荷变化会产生不同选择压，富集不同微生物菌群影响污泥的颗粒化及稳定性[23]。研究表明[24],在较低有机负荷下，好氧颗粒污泥内部容易发生水解，导致颗粒污泥内部出现空洞而解体，影响反应器的稳定运行；当有机负荷过高时，颗粒污泥中微生物快速增长，颗粒粒径变大导致，颗粒结构变得疏松，稳定性变差。王香莲[25]在培养好氧颗粒污泥过程中频繁改变氨氮浓度造成颗粒污泥稳定性减弱，出现颗粒解体；当进水COD为2200 mg/L，氨氮浓度为240 mg/L，出水氨氮、亚硝酸盐均检测不出，TN去除率高达70 %，去除效果良好。

3.2 溶解氧的影响

在较低高溶解氧(DO)下由于传质阻力的存在会导致颗粒内部由于供氧不足而产生厌氧代谢，同时丝状菌大量繁殖，严重影响颗粒污泥的稳定性，甚至不能形成好氧颗粒污泥；适当的DO浓度促进颗粒污泥的形成及生长，颗粒粒径分布也比较集中；但DO过高，由于水力剪切力的作用导致颗粒污泥解体，影响系统的稳定运行。黄国玲等[26]研究发现氨氮浓度从300 mg/L逐步提升至900 mg/L，pH为8，曝气量为75 L/h时，脱氮效果最佳，氨氮去除率维持在96.7 %以上；曝气量较低会导致DO不足，颗粒污泥之间相互碰撞几率减少，曝气量过大会导致颗粒内部厌氧区的空间减少，不利于反硝化进行。董苗苗等[27]研究发现污泥的沉降性能、胞外聚合物中多糖(PS)含量随着DO的升高而增加，而胞外聚合物中蛋白质(PN)基本不变，且在较高DO条件下部分颗粒污泥出现解体。

3.3 其他方面

其他因素，例如进水C/N比、碳源种类、排水比、选择压、pH、温度、曝气时间、絮凝剂添加方式等都会对颗粒污泥造成影响。何理[28]首先利用合成废水在不同选择压下启动好氧颗粒污泥，得出最佳条件，后在不同排水比(73 %、66 %、50 %)下以实际畜禽养殖废水培养好氧颗粒污泥，发现在较小选择压形成的颗粒污泥粒径较大，且脱氮效果良好；排水比为66 %形成颗粒污泥具有较好的碳氮去除效果，而排水比50 %形成的颗粒污泥对磷去除效果较好。

4 结论与展望

好氧颗粒污泥因其良好的沉降性、抗冲击负荷强、高生物量等特点受到越来越多研究者的关注，对畜禽养殖废水、垃圾渗滤液、化肥工业废水等高氨氮有机废水具有良好的去除效果，且序批式反应器相较于传统工艺具有工艺简单、运行费用低、占地面积小等特点，使好氧颗粒污泥技术在处理高氨氮废水领域具有良好的应用价值。但由于异养微生物生长速度快，当运行条件(如容积负荷、曝气量等)控制不当时,易造成颗粒污泥解体，沉降性能下降，出水水质恶化，因此好氧颗粒污泥的稳定性成为其工业化推广的瓶颈，这将是今后的研究重点。