好氧颗粒污泥研究进展及处理新疆番茄酱废水的应用前景

包文婷，康增彦，王维红

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.中建三局安装工程有限公司，湖北 武汉 430079)

好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)是废水生物处理领域中的一项新技术[2]，是活性污泥絮体在一定条件下自凝聚，最终形成结构致密、形状规则的微生物聚合体，成熟的AGS呈球形或椭球形结构，颜色多为橙黄色、棕色、灰褐色[3]。与传统的活性污泥相比，其具有良好的沉降性、较高的生物量和稳定的处理效能而极具发展潜质[4]。对污水进行处理的过程中：序批式活性污泥法(sequencing batch reactor activated sludge process，SBR)由于可在同一反应池中，按时间顺序集进水、曝气、沉淀、排水和待机五个基本工序，具有工艺简单、占地少、投资省、出水效果好、可实现同步脱氮除磷等优点，而成为首选方案[5]。

1 好氧颗粒污泥研究现状分析

自1991年Mishima和Nakamura等[6]在上流式污泥床中首次发现AGS以来，该技术引起了全世界的广泛关注。AGS是活性污泥絮体在好氧环境下自凝聚，最终形成结构紧凑、外形规则的生物聚合体[7]。与传统活性污泥和厌氧颗粒污泥相比，AGS具有沉降性能良好、微生物菌群丰富、耐冲击负荷能力强、可处理高浓度有机废水等优点[8]。近年来，成为利用生物方法处理污水的一种新选择。

1997年，Morgenroth等[9]在SBR反应器中，通过较短的水力停留时间和排水时间实现了污泥颗粒化，以SBR法为基础培养AGS的研究快速展开。在此之后的20多年时间里，国内外研究者开始对AGS的形成及应用进行了广泛研究。对AGS进行了大量的培育实验，主要集中在两个方面：一是宏观层面采用不同基质培养颗粒污泥并探讨其形成机理，优化运行参数和环境因素，加快颗粒化过程[10]；二是颗粒污泥的物理、化学和生物特性，包括外形特征、分形特性、流变特性、分子生物学特性、微生物种群等[11]。而由于颗粒污泥的形成是物理、化学和生物协同作用的结果，过程复杂，影响因素繁多，不同基质培养的颗粒污泥其理化特性与适应条件有所不同。因此，关于AGS形成及稳定的机理仍然不明确，存在启动周期长、运行稳定性差、颗粒易解体等问题。使得国内外研究者一直致力于颗粒污泥反应器快速启动的研究[12]，并且积累了许多有价值的数据。

1.1 好氧颗粒污泥形成机制

由于AGS形成过程集物理、化学和生物的共同作用，过程复杂，形成机理尚不明确。国内外学者对AGS的形成机理提出若干假说，如微生物自凝聚假说、选择压驱动假说、胞外聚合物假说、丝状菌假说、诱导核假说等。彭永臻等[13]总结并整理了国内外好氧颗粒形成的3种假说。

1.1.1 微生物自凝聚假说 在适宜的环境条件下，通过控制水力剪切力、水力停留时间、沉降时间等，以菌群之间相互碰撞、粘附，使得微生物自发相互聚集成形状规则、结构稳定的颗粒污泥。

1.1.2 选择压驱动假说 选择压驱动是通过外部环境诱导完成颗粒化，属于物理选择。通过调节环境因素淘汰物理性能差的，截留活性强的污泥，加速菌群更新换代。

1.1.3 胞外多聚物(EPS)假说 EPS是微生物在一定条件下分泌于细胞表面的大分子聚合物，成分与细胞内类似，如：蛋白质(PN)、多糖(PS)、氨基酸、核酸等[14]，可促进微生物凝聚。

至于在不同培养环境及操作条件下，AGS的形成时间是不可预测的。很多研究认为AGS颗粒化时间较长，大约需要3～6个月才能形成颗粒污泥占主导的AGS[15]。然而，Liu等[16]通过低沉降时间和高有机负荷率，仅需17 d即可培养形成颗粒污泥主导的AGS。Liu等[17]采用一种结合高水力选择压(HSP)和高有机负荷(OLR)的新型策略加速AGS的形成，发现AGS在24 h内出现，3 d即达稳定状态。

不同操作条件及运行方式下，形成AGS的时间及性能差异很大。针对不同类型废水培养的AGS，加速颗粒化进程，稳定处理效能是时下国内外学者研究的热点，希望能获取更多颗粒形成的原位信息。

2 基于宏观层面的好氧颗粒污泥颗粒化因素研究分析

AGS的颗粒化过程较为复杂，受多种因素影响。常见影响因素如反应器构型、水流剪切力、有机负荷、基质类型等。

2.1 反应器构型

SBR反应器构型是影响AGS形成及稳定的重要因素之一。目前，大部分AGS都是在柱形上流式反应器中进行培养的，上升的气流或水流可以产生以反应器轴线为中心的涡流，反应器内的微生物持续受到水力剪切力作用而逐渐颗粒化[18]。理论上，当SBR反应器的高径比(H/D)较大时能够确保更长的循环路径，这为微生物聚集体提供更高的水流剪切力以及更有效的污泥碰撞频率，使得微生物絮体能够更快的形成结构密实、外形规则、颗粒粒径大、沉降性能好的AGS，并能通过污泥沉降速率的差别来选择优势粒径范围的颗粒污泥。同时，较大的H/D能减少反应器的占地面积。但因较高的造价及运行管理的困难不适于实际应用。

2.2 水流剪切力

水流剪切力对AGS的表面疏水性、EPS的产生、稳定性等都具有促进作用。在SBR反应器中，以曝气产生的表观气速来表示水流剪切力的大小[19]。Tay等[20]研究发现，只有当表观气速不小于1.2 cm/s时，水流剪切力才能达到一定强度而足以颗粒化。较大的剪切力会不断挂刷颗粒表面，使得形成的颗粒污泥表面更光滑，结构更紧密，同时刺激AGS分泌EPS，疏水性增强，利于微生物黏附聚集。研究指出，表观气速在1.2～3.6 cm/s范围内可形成AGS，大于2.5 cm/s时形成的AGS稳定性强。

2.3 有机负荷

较高的有机负荷条件可以加快制粒，但形成的AGS强度低、易膨胀大量丝状菌而解体。有研究在SBR中以2.5～22.5 kg COD/(m3·d)的OLR运行[21]。发现当OLR从6 kg COD/(m3·d)增加到12 kg COD/(m3·d)时，AGS逐渐从结构致密粒径(d)小于1 mm膨胀为d约为10 mm且分布大量丝状菌的大颗粒，继续膨胀后，AGS解体、失效。因此，可控制OLR在2～5 kg COD/(m3·d)。

2.4 底物类型

底物组成可影响AGS的结构和形态[22]。以葡萄糖为碳源的AGS丝状菌较多，形态松散，而乙酸钠培养的AGS多为杆状菌，结构紧密。这是因为，底物组成越复杂，降解所需的微生物种类越多，会产生较为复杂、分层微观结构的AGS，而简单的基质，其微生物结构也相对密实[23]。

其他因素如温度、溶解氧(DO)、pH、水力停留时间、沉淀时间、金属离子等也会影响AGS。国内外众多学者对AGS快速形成及稳定运行进行了大量实验研究，发现一般情况下在温度适宜(20～30 ℃)[24]、DO充足(一般2～6 mg/L)、pH适中(7～8)、水流剪切力较大下，通过缩短水力停留时间(HRT为6～12 h)及沉降时间，可选择出粒径较大、沉降性能较好的AGS，且投加金属离子、粉末等不同有机晶核均可加快污泥颗粒化速度，培养性质稳定的AGS。

3 基于高通量宏基因组学的好氧颗粒污泥微生物群落应用分析

AGS内部存在厌氧、兼氧、好氧复杂的空间结构，不同的单元能够为各功能微生物提供适宜的生存条件。在硝化细菌、反硝化细菌及异养菌共同作用下，可以达到同步脱氮除磷作用[25]。因此，分析研究AGS的微生物群落、优势菌群有助于探究AGS的形成机理。

如今，现代分子微生物学技术的运用在环境生态学领域迅速展开，成为研究AGS中微生物的先进方法，主要包括FISH，DGGE，qPCR，高通量测序等手段。其中，高通量宏基因组测序是最新手段[26]。

Yang等[27]利用高通量测序技术分析了4个常规污水处理厂处理垃圾填埋场渗滤液的微生物群落总体情况。严樟等[28]利用高通量测序技术分析温度对活性污泥微生物群落功能性的影响。结果表明，随着温度在5～35 ℃变化，微生物群落结构也会发生相应变化。并鉴定出147个门类，2 162个属及13 015个物种；其中占主导地位的门主要包括：变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)等。王维红等[29]在研究粒径对番茄酱废水AGS性能的影响中用5个不同粒径时期的样品进行细菌16S rDNA高通量测序，得到样品的不同时期细菌的纲水平分布。从微生物学角度证实1.6～2.0 mm颗粒污泥和1.0～1.6 mm颗粒污泥时期的样品的聚磷菌为优势菌，与前已测得的不同粒径期的颗粒污泥除磷效果结论相一致。

综上所述，国内外学者对AGS的形成及稳定研究主要在于工艺参数和环境条件的优化下对颗粒粒径、沉降性能及菌群分布进行选择。但是，目前对AGS系统的稳定构建及形成机理尚无明确定论，对于在低H/D的SBR反应器中培养AGS处理番茄酱废水及利用高通量测序分析优势菌群鲜有报道。因此，构建低H/D的SBR反应器培养AGS，可为新疆番茄酱生产废水处理系统的启动与适应提供理论指导和科学依据，为推进低H/D的SBR中AGS工程化应用给予技术支持。

4 低H/D的SBR反应器培养AGS研究分析

实际工程中，大H/D的SBR系统因造价高、运行管理比较困难等限制因素而难于生产运用[31]。因此，需要降低H/D，而H/D小于5的SBR反应器为了能够培养出较好的颗粒污泥，则需要更大的曝气量，研究多在SBR反应器底部通过微孔曝气方式提供表观气流以获得足够的水力剪切力，但成本较高。为此，只有通过其他的方法途径增加水力剪切速率，如利用水平机械搅拌来改变反应器内的流态分布，从而提高污泥絮体之间和颗粒污泥之间的有效碰撞次数。唐海等[32]分别采用H/D为1∶1，1.9∶1，6.3∶1的纯好氧SBR反应器研究AGS的形成与稳定性的影响因素，结果显示H/D为1∶1中未发现AGS形成，其他反应器中历时6～18 d形成AGS。研究随着H/D减小后，水力剪切力减小、循环路径变短，污泥碰撞次数减小以及流态分布不规律，使得形成的好氧颗粒不稳定，甚至可能形成不了颗粒污泥或者形成的时间比较长。近些年，低H/D的SBR反应器培养AGS的研究中多采用纯氧曝气、厌氧/好氧交替的运行方式[33]。Caluwé等[34]采用H/D=1.29的SBR反应器以预曝气-厌氧-好氧的运行方式历时30 d成功培养出AGS。高景峰等[35]采用H/D=1的SBR反应器以纯好氧的运行方式历时36 d成功培养AGS。吴昌永等[36]采用H/D=2.67的SBR反应器以厌氧-好氧方式历时35 d培养出AGS。以上研究均实现了污泥颗粒化，但运行方式较为复杂。李浩等[37]、王惠卿等[38]分别在H/D=2.7和1.2的纯好氧SBR反应器中成功颗粒化，时间较长。

关于引入机械搅拌对污泥颗粒化所起的作用，张小玲等[39]在H/D=3.29的SBR反应器中加入搅拌转速为800 r/min的机械搅拌联合鼓风机曝气，3 d 出现AGS，发现随着剪切力(0.12～0.22 N/m2)的增加，颗粒污泥的形状越规则，结构越密实；曲新月等[33]采用H/D=1.2的SBR反应器，认为由水平搅拌形成的具有足够剪切强度的旋涡二次流是促使低H/D的SBR反应器形成AGS的关键水力条件，且机械搅拌对剪切速率的贡献远大于表观气速。以上研究意味着机械搅拌的加入可能有助于低H/D的SBR中AGS的颗粒化进程。但目前对低H/D的SBR反应器中水平机械搅拌对AGS处理番茄酱废水的作用到底如何，尚无定论，对机械搅拌转速、转浆尺寸及形成的AGS形态、结构等也缺乏相应的研究。

5 结语及展望

目前，虽然有关AGS的颗粒化及结构稳定性研究已经取得了不少成果。已证实其颗粒化在宏观上受反应器及外界环境因子影响，微观上受微生物菌群等的调控。且在SBR反应器中培养AGS处理番茄酱废水的研究也有了一定进展。但需要重视的是，如何能早日推进SBR法AGS的工程化运用，如何能培养出适应于番茄酱生产周期且长期稳定运行的AGS，解决颗粒解体、除污效能下降等问题，仍然是AGS突破实验室小试阶段，走向实际生产运用的关键。而克服这一技术瓶颈就需要更加深入了解AGS的形成机制，并且构建占地小、投资省、适合实际工程运用的低H/D的SBR反应器。探究在其中引入水平机械搅拌，不同搅拌桨尺寸、转速等搅拌参数的影响。未来可借助高通量宏基因组学等现代分子生物技术手段，深入研究AGS的种群多样性及微生物群落演替规律，探究颗粒化过程中不同时期细菌在门、纲、属、种水平上的分布，解锁优势粒径、优势种群，从微生物学角度进一步认识了解并揭示AGS的形成过程及稳定机理。进而提出AGS快速启动并稳定运行的控制模式，以加快工程化运用，保护新疆水资源。