污泥颗粒化在废水处理领域的应用

2022-03-26裴维娜郭梦晗徐毓敏黄晓鹏张家轩

化学与生物工程 2022年3期

裴维娜，赵霞，郭梦晗，徐毓敏，黄晓鹏，张家轩

(兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州 730050)

好氧活性污泥技术一直是城镇污水及工业废水治理的主导技术，但其存在脱氮除磷工艺复杂、稳定性差、抗冲击能力弱、剩余污泥多、占地面积大等问题，制约现有污泥厂进行提标改造[1]。好氧颗粒污泥(AGS)结构致密、沉降性能好，在污泥水快速分离、同步反硝化除磷、高效降解有毒物质、减少污泥残渣等方面具有明显的技术优势和良好的应用前景。在此，作者在分析好氧颗粒污泥的特性和影响污泥颗粒化的主要因素的基础上，对好氧颗粒污泥在生物脱氮、生物除磷、重金属废水处理、高浓度有机废水处理等方面的应用进行综述，并对未来主要的研究方向进行展望，为好氧颗粒污泥技术的研究及应用提供参考。

1 好氧颗粒污泥的特性

好氧颗粒污泥是微生物在特定环境下自凝聚形成的一种颗粒状的活性污泥，即微生物凝聚体[2]。受氧传质限制因素，颗粒污泥外部为好氧区，内部为厌氧区或缺氧区，该区域的分布为好氧微生物、兼性厌氧微生物及厌氧微生物提供了各自适宜的生存条件和环境[3]。与传统的活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有结构紧凑、抗冲击能力强、沉降性能好、生物活性高等特点，在废水处理领域具有独特的优势，近年来引起了学者的广泛关注。

2 影响污泥颗粒化的主要因素

2.1 SBR反应器

SBR反应器(图1)本身运行的特点使其较容易培养出好氧颗粒污泥[4]。在SBR 系统中，所有反应过程均在同一个反应器内进行，不需要二沉池。但SBR反应器处理能力有限，多用于小型污水处理厂。在废水处理领域，也尝试在原有废水处理工艺的基础上培养好氧颗粒污泥，即在连续流反应器里培养好氧颗粒污泥。但实际运行后发现，SBR对自动化和运行管理的要求高、反应器容积小，目前仍处于实验室阶段，难以大规模应用[5]。而且好氧颗粒污泥培养难度大，在运行过程中容易出现好氧颗粒污泥解体，所以SBR反应器仍是培养好氧颗粒污泥的主流反应器。

图1 SBR反应器的运行过程Fig.1 Operation process of SBR reactor

2.2 接种污泥

好氧颗粒污泥、好氧活性污泥以及厌氧颗粒污泥通常为培养好氧颗粒污泥的接种污泥。卢然超等[5]利用厌氧颗粒污泥成功培养出具有除磷特性的好氧颗粒污泥。杨麒等[6]接种污水处理厂二沉池的活性污泥培养出可实现同步硝化反硝化的好氧颗粒污泥。Verawaty等[7]通过荧光标记探究接种部分好氧颗粒污泥促进污泥颗粒化的机理，荧光显微镜(FM)及扫描电子显微镜(SEM)技术成功观测到絮状污泥黏附接种至好氧颗粒污泥表面现象，表明接种好氧颗粒污泥充当了新颗粒形成的晶核，从而加速了好氧颗粒污泥的形成。此外，粉末活性炭、颗粒活性炭、生物炭等物质都是可以促进污泥快速颗粒化的载体。

2.3 微生物电化学系统

微生物电化学技术(MET)作为一种新型的废水处理工艺[8]，具有污泥产率低、运行过程中能量能自给自足、电流加速污染物的去除等特点，对分子量大、毒性强以及难降解有机污染物具有非常明显的去除效果，且具有同步去除污染物和能源化的特点，因而受到高度重视。胞外聚合物(EPS)普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，是微生物在生理活动中分泌的胞外黏性物质，具有重要的生理功能，可通过吸附无机离子去除污染物[9]。EPS组成复杂，主要由蛋白质(PN)和多糖(PS)组成。研究表明，EPS对生物絮凝有促进作用，胞外多糖包裹细胞壁，降低了细胞表面的有效临界电势而发生絮凝；且“胞外聚合物架桥学说”认为EPS是絮凝产生的物质基础，其中污泥表面的局部疏水特性是由于EPS中含有蛋白质和脂类等疏水分子；此外，EPS含有的阴离子基团可与二价阳离子结合，即通过减少细胞表面的负电荷将两个相邻的细胞进行物理连接，EPS与细菌细胞或者无机颗粒某些部位产生“桥联”作用，从而导致絮凝的发生[10]。这种高分子聚合物可以在颗粒间起到架桥作用，这对好氧颗粒污泥的形成及稳定具有重要意义。PN主要作为颗粒内核以及通过PS具有的凝胶特性促进好氧颗粒污泥形成并维持EPS的稳定性[11]。所以，可利用电刺激的方法促进EPS的形成，以此促进污泥颗粒化。

微生物燃料电池(MFC)[12]是利用微生物催化降解有机物，在产电的同时实现废水处理和污染控制的一种处理技术，近年来得到了广泛研究[13]。相较于其它好氧、厌氧处理，MFC污泥产量较低，并可用于低浓度废水的处理[14]。微生物电化学系统(MES)的工作原理是利用阳极微生物的代谢作用分解有机物，产生质子和电子，其中质子通过质子交换膜、电子通过外电路分别转移到阴极，在阴极发生还原反应。阳极菌群的胞外电子传递过程是MES的核心过程, 一个典型的MES包括阳极隔室、阴极隔室和分隔材料(图2)[8]。

图2 微生物电化学系统Fig.2 Microbial electrochemical system

3 好氧颗粒污泥技术的应用

3.1 生物脱氮

氮、磷是生活废水中常见的物质，也是导致水体富营养化的最重要因素。而好氧颗粒污泥中异养菌、硝化菌和反硝化菌的协同作用可以实现生物脱氮[15]。好氧颗粒污泥的结构及脱氮过程[16]见图3。

图3 好氧颗粒污泥的结构及脱氮过程Fig.3 Structure of aerobic granular sludge and denitrification process

3.2 生物除磷

生物除磷是聚磷菌和聚糖菌共同作用的结果，是好氧颗粒污泥除磷的方式。由于好氧颗粒污泥内部存在厌氧区，好氧颗粒污泥技术不需要单独的厌氧池。Cassidy等利用好氧颗粒污泥技术对屠宰废水进行处理，总磷去除率达到98%；Henriet等证明好氧颗粒污泥的总磷去除率高达90%，表明好氧颗粒污泥本身就具有很好的除磷效果。除了在活性污泥体系中存在的厌氧释磷-缺氧吸磷原理外，目前好氧颗粒污泥的除磷机理主要包括磷沉淀和EPS积累[17]。通过对好氧颗粒污泥技术的不断改进和完善，可以达到良好的除磷效果[18]。

3.3 重金属废水处理

微生物法在不引入其它有害物质的情况下能有效吸附去除水溶液中重金属离子，在重金属废水处理中具有独特的优势，弥补了现有技术的不足[19]。微生物细胞和EPS有机络合重金属离子是好氧颗粒污泥吸附重金属的主要途径[19]。研究发现，好氧颗粒污泥凭借其表面多孔性及良好的沉降性能成为理想的重金属吸附材料[20]。

3.4 高浓度有机废水处理

高浓度有机废水是指食品、医药、印染、纺织等行业排放的，含芳香族、杂环化合物、硫化物、氮化物等有毒有机化合物且COD浓度在2 000 mg·L-1以上的废水[21]。好氧颗粒污泥可以有效提高反应器内的污泥浓度, 增强反应器的处理能力。研究[22]表明, 当进水COD浓度为800 ～ 2 000 mg·L-1、有机负荷为2～4 kg·m-3·d-1时, 好氧颗粒污泥反应器可稳定运行。高浓度有机废水的传统处理方法包括物化处理法和生物处理法，其中生物处理法符合可持续发展理念，在废水处理领域应用广泛。传统的活性污泥技术(图4)剩余污泥产量大，容积负荷较低，抗冲击能力弱。从生物处理角度出发的好氧颗粒污泥技术克服了这些问题，能够高效去除高浓度有机废水中的氮磷，且具有一定的抗冲击能力和自我恢复能力，同时还具有处理量大、消耗小、管理方便及经济性等优点。从底物扩散、氧传质、微生物产物及微生物之间的竞争与生长等方面来看，好氧颗粒污泥代谢机制是一个复杂的过程[23]。刘莉莉等[24]通过啤酒废水驯化培养出好氧颗粒污泥, 发现好氧颗粒污泥经驯化后, 能够迅速适应以糖类有机污染物为主的啤酒废水, 驯化前后的污泥形态、生物活性差别不明显, 出水COD浓度保持在45 mg·L-1以下。

图4 传统的活性污泥技术Fig.4 Traditional activated sludge technology

3.5 微生物电化学系统处理

废水中存在的大量微生物具有传递电子的能力，促使MES阳极具有非常广泛的菌群来源，在混合菌群的MES中，具有胞外电子传递能力的菌株与其它菌株共同存在、相互依存和相互竞争[25]。在废水处理领域，与操作复杂、成本较高的物理法和易产生副产物、造成二次污染的化学法相比，MFC具有原料广泛、操作条件温和、清洁高效等优点[26-27]，在去除污染物的同时将其转化为电能。Lu等[28]利用MFC技术处理淀粉生产废水，COD去除率达到了98%。吴伟杰等[29]利用MFC技术处理COD浓度较高的生活污水，系统稳定运行后，最大输出功率密度为77.6 mW·m-3，平均输出功率密度约为43 mW·m-3，处理效果较好。Yokoyama等[30]利用MFC技术处理养殖废水时对牛粪便进行了处理，最大功率密度为0.34 mW·m-2，COD和BOD去除率分别为70%和84%。MFC技术处理含汞废水时的最大功率密度为433.1 W·m-2，回收率可达99.91%[31]。