连续流中好氧颗粒污泥培养应用与发展

戚功奇

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022)

好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)与传统活性污泥相比，具有微生物结构更加紧密，沉降性能也更良好，泥水分离简单，可抵抗水力负荷冲击和有毒有害物质影响，单级同步脱氮除磷等优点，因此近年来得到广泛的研究和实际应用.目前，对AGS形成的影响因素、颗粒化机理、加速形成、稳定性和应用等方面的研究都有一定的进展[1].但是，目前好氧颗粒基本都是在序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，SBR)反应器中培养的，只适合小型工程项目，不适用大型水厂项目，其稳定性和启动时间难以在连续流中得到控制和解决，且没有统一的参考标准，难以应用到实际中.因此，本文对相关内容进行综述，希望能找到各个影响因素之间的联系，为后期归纳统一的标准奠定基础.

1 好氧颗粒研究热点

通过分析近10年1 400多篇研究成果发现，目前研究的热点有去除率、颗粒菌群结构、厌氧颗粒污泥、AGS、好氧颗粒在连续流中的研究等，如图1所示.根据现阶段发展状况，要求好氧颗粒能在连续流中培养并能稳定运行.

(a) 研究关系

(b) 研究热点图1 AGS研究关系和热点

图2反映了AGS在不同时间点、不同研究方向上的发展趋势，随着人们对于AGS研究的深入，发现需要解决的问题也越来越多.目前，已开展对AGS的机理、影响因素、培养反应器以及在微观微生物方面的研究，并在处理实际污废水中进行了试验，已经初步有了对其在污水处理与反应器结合等领域的探索.对于在连续流下培养AGS的难点——稳定性、快速启动及节能方面仍然存在问题.

图2 AGS研究前沿趋势

AGS研究的突显关键词如表1所示，可以看出：AGS经历了从最初单一地应用于水处理，并在SBR反应器得以开发和研究，到近些年来颗粒污泥的开发与创新、优中选优的比选，最后到AGS的全面探索.现如今连续流下AGS的培养经历了从表观到本质、从归纳到演绎、从微观到实际应用方面的全面大发展.

表1 AGS相关研究关键词突显

结合CiteSpace软件得出的结论，未来AGS的发展前景可能集中在：

1) 提高稳定性.颗粒污泥的解体和后期丝状细菌的过度增殖都是稳定性的制约原因.

2) 在实际工艺中应用.现在污水厂技术基本成熟，要想将AGS运用在连续流中，需要关注外置器的研究.

3) 应用AGS处理各种污废水.AGS具有高负荷高抗毒性，将来在高浓度有机废水处理和重金属废水处理方面将得到普遍应用，同时城市需水量增大，其对低浓度污水的处理也将成为研究热点.

4) AGS培养的优化方面.即如何快速起动、如何节能、如何优化颗粒选择方式等.

2 AGS形成机理假说及影响因素

好氧颗粒的结构类似于好氧区、兼性区和厌氧区的复合结构.基于前人的研究，颗粒的形成大致可以描述为在物理力作用下，微生物相互接触靠近开始絮集；并且已经形成的微生物絮体和无机质都可作为微生物附着的载体；然后微生物之间以及微生物与载体之间在各种物理、化学和生物力的作用下相互絮集，聚集体逐渐变大，结构更加紧密；同时微生物产生的胞外聚合物会将各微生物紧密的黏聚在一起，使微生物聚集体逐步趋于稳定；最终在水力剪切力作用下，使微生物聚集体更加致密、结构更加紧凑，最终形成AGS[2].

2.1 AGS机制的各种假说

2.1.1 选择压驱动假说

AGS的形成需要通过控制筛选条件(如沉降时间、曝气量、进水负荷等)，满足反应器中不同特性微生物的生长需求.现在，AGS基本是在SBR反应器中培养得到，是通过较短的沉降时间和较大高差的选择压将颗粒较小的轻质絮体排出，留下沉降性较好颗粒[3].但该假说未考虑颗粒化过程中生物变化所起的作用，而是主要侧重于颗粒化过程中污泥理化特性的变化.

2.1.2 胞外多聚物作用假说

微生物在生长过程中会分泌胞外聚合物(EPS)，其主要由多糖物质、蛋白质类和脂类组成，具有黏性，促进微生物之间的结合. Adav等[4]通过试验证明β-多糖是AGS的结构骨架，而蛋白类物质、脂类物质附着在β-多糖所搭建的骨架上，同时蛋白质(PN)提高了颗粒的稳定性，脂质(PS )增加了颗粒污泥的强度，使AGS的结构更加稳定.但并不能表明EPS就对颗粒化起绝对作用，因为微生物都会分泌EPS.

2.1.3 丝状菌作用假说

丝状菌常存在于水体中，菌丝较长，可以和球菌、杆菌结合形成框架.污水中的微生物附着在丝状细菌上，再通过水力剪切形成AGS.在SBR反应器中将丝状菌颗粒化，发现丝状菌以弯曲、分支、不规则的生长方式形成丝状颗粒，且多种丝状菌形成的颗粒强度比单一菌种形成的颗粒稳定性更高[5].李志华等[6]发现，通过在SBR反应器中加入絮状活性污泥和丝状菌，在常规培养中，丝状菌能够加强AGS的形成，并且能够去除污水中的多种物质，除污效果良好.但许多对AGS的研究却没有观察到内部存在丝状菌，因此该假说仍需继续改进.

2.1.4 自絮凝假说

微生物在一定条件下会自动发生絮集作用，这种变化随着时间的变化而趋于明显[7].结合选择压，这种现象可以很好地解释颗粒形成的原因，但是在低选择压下AGS会出现不稳定情况，使得该假说也不成立.因此，需要加强对其研究，以便来揭示AGS形成机理.

2.2 连续流态下培养AGS影响因素

相对于传统的间歇式好氧颗粒的培养，连续流培养的主要区别在于进水的方式不一样，使得水流的流态、沉淀时间和饱食饥饿期等难以控制.

1) 高负荷作用.在高负荷作用下，基质可进入颗粒污泥的内层，易形成强健的内核.

2) 饱食-饥饿期.从整体趋势上看，适当饱食饥饿期可降低细胞亲水性，促进EPS的分泌，从而有利于好氧颗粒化.

3) 水力剪切作用.AGS的形成需要一定强度的剪切力，一定程度上剪切力的增强会提高微生物浓度和颗粒沉降性能，同时选择出微生物活性较强的菌群，产生多糖类物质，构建颗粒骨架，促进AGS的形成.

4) 沉淀时间作用.沉淀时间不同所选择出来的絮体颗粒大小不一样.较短的沉淀时间可以将轻质絮体排出，留下沉淀性良好的絮体，从而快速培养出好氧颗粒.

总体来说，AGS的形成过程如图3所示，污废水处理过程如图4所示.

图3 AGS的形成

图4 污废水处理过程

3 连续流态下培养AGS的反应器

与传统的SBR反应器培养AGS不同，在连续流反应器中沉降过程是一个动态变化的过程，即无法选择所需的颗粒或絮体大小.则需在反应器内增加泥水分离装置进行污泥的选择，然后不断地筛选得到所需颗粒污泥.根据分离机制的不同，可以分为重力沉降、三相分离和过滤分离3种，也是现在设计反应器考虑的一个重点问题.

3.1 重力沉降型反应器

重力沉降分离是在反应区内设置专门的沉降区域，依靠AGS不同的沉降性能实现反应器内的泥水良好分离.但对表面水力负荷的选择难以实现对颗粒污泥的筛分与系统稳定同时有效[8]. Tao等[9]采用双沉区以较低有机物浓度的工业园区综合污水作为营养基质，150 d颗粒平均粒径为(105±3.2) μm，并对比了2个沉淀池的颗粒大小、特性及微生物种群结构等，取得了不错的污水处理效果，如图5(a)所示.

3.2 UASB型反应器

UASB是在反应器上部加了三相分离器，如图5(b)所示.通过严格的控制条件，使得泥水进行分离，从而选择出沉降性较好的污泥.其特点在于有较大的高径比和气液产生的内回流，有较好的选择压(见表2).

表2 升流式反应器中好氧颗粒污泥培养

3.3 外加型反应器

1) 过滤分离型反应器是利用粒径的限制对颗粒污泥进行选择，使得粒径大小合适的AGS保留在反应器内.目前基本是在SBR反应器中培养AGS，难以与实际工程相结合改造，这就需要在传统的污水处理工艺上加筛网或者旋流器进行颗粒的筛选.美国James River污水处理厂在采用外加水力旋流器之后，污泥沉降性能得到了明显的改善，产生了明显的颗粒污泥现象.

2) 膜组件型反应器是利用膜组件代替泥水分离器进行泥水分离，通过在反应器中加入膜组件给微生物提供了生长附着条件，并在适宜水力等条件下既可以形成AGS又可以减少膜污染.代陈程[15]在膜生物反应器中引入一定量的悬浮填料构建一体化的移动床膜生物反应器并在连续流模式下直接培养AGS.反应器在运行的第28天观察到AGS逐渐地光滑，结构也紧凑，对COD的去除效果稳定在为93.2%左右，同时对TN有良好的去除效率，达到85%.

3) Liu等[16]开发了一种新型的连续流生物反应器——AGS自形成动态膜( CGSFDMBR )，将分离器与膜组件结合在一起，如图5(c)所示.用于高效废水处理，在连续流运行条件下，成功培养出粒径约0.1 ～ 1.0 mm、沉降速度约15 ～ 25m / h的AGS.为维持AGS的稳定性，实施了基于颗粒污泥和絮状污泥沉降速度和颗粒粒径差异的策略，加了1个外部选择器.

(a) 双沉区连续流反应器

(c) 串联式连续流 AGS 反应器图5 连续流反应器类型

上述反应器的研究很多还停留在试验阶段，难于与实践结合，存在着许多不足：(1)由于反应器设计机制的不同，反应器构型千差万别，很难有一定的规范去参考，缺乏系统运行数据支撑不利于推广和应用；(2)反应器有效容积偏小，对反应器的流态研究也少，而流态会影响传质甚至颗粒的形成，对实际工程影响重大.因此，需要在原工程基础上进行突破，利用现代技术去研究影响连续流培养中的各种影响因素.

4 AGS快速启动和稳定性分析

好氧污泥造粒速度慢、稳定性差制约了AGS的推广应用，因此结合前人研究对AGS的快速启动和稳定性进行概述.

4.1 快速启动

厌氧颗粒污泥反应器启动时间较长，一直是工程应用中一大缺陷.相比之下，AGS的培养时间相对较短，但用模拟废水作为进水基质时，可以在较短的时间内培养出AGS[17]，若用实际废水为底物，该过程的耗时则往往更长[18-19].随着研究的深入，在接种污泥或者加入诱导核等情况下，AGS的快速启动取得显著效果，有以下几种：进水水质中无机物占比较大或金属阳离子浓度(钙镁阳离子)较大[20]；投加絮凝剂或载体等作为诱导核(活性炭、PAM、PAC)，从而加速好氧颗粒化的进程[21-22]；用接种污泥来促进好氧污泥颗粒化(厌氧颗粒、成熟AGS等)，大大缩短了AGS形成时间[23-24].除此之外，影响AGS快速培养的还有方法和标准：培养起点的不同(如接种污泥特性、处理水质等)，使得研究不具可比性，难以利用在其他试验上；对AGS培养的标准不同，一般都认为直径为0.3 mm的污泥即AGS；快速颗粒化的形成机制尚不明确，没有统一的方向去快速颗粒化.

4.2 稳定性

通过前人对AGS培养与研究，可以发现AGS的稳定性和菌群(丝状菌、分泌EPS的菌群等)的关联非常大，优势菌群及其丰度不仅影响其成粒，还决定其在运行下能否维持稳定性.对于稳定性的影响因素大概可分如下几类：

1) 选择压会使AGS中微生物的多样性和丰度下降，但选择出了利于AGS稳定的微生物.

2) EPS主要包括PN、PS，PN可提高了颗粒的稳定性，PS 可增加颗粒污泥的强度，EPS分泌的增加，可以提高AGS的稳定性.

3) DO会影响微生物的代谢，在低DO条件下丝状菌的大量繁殖，且传质受阻，内部细菌出现死亡，最终会导致AGS内部发生解体.

4) 影响AGS稳定运行的其他因素[25-29]还有许多，还需不断地探索.

5 结语

综上所述，AGS的培养是个复杂的过程，其形成机理与好氧颗粒长期稳定运行是限制连续流下AGS形成的瓶颈所在.这就要求对颗粒形成整体有一个系统化的认识，从而形成一套完美的在连续流下培养好氧颗粒的参考标准.未来可以通过结合科学技术，用现代分子生物技术来分析菌群的结构和生长；用AGS的多尺度模型来描述微生物代谢的动力学特性，推测底物转移过程，间接地去揭示形成机制；通过CFD解析反应器的水流流态、传质作用来提高AGS的稳定性.同时考虑与工程的实际参数结合，如改造的便捷性、以实际污泥为接种源、进水水质等，从而实现工程应用统一标准的制定，使AGS技术越来越成熟.