连续流反应器中好氧颗粒污泥快速培养研究进展

麦智源,李 季,穆雨彤,王素蕾,曹浩然,张多英

(黑龙江大学建筑工程学院,黑龙江哈尔滨 150006)

好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)是微生物在一定条件下凝聚,最终形成结构致密的颗粒状微生物聚合体[1],1991 年由日本学者Mishima和Nakamura 首次发现,逐渐受到关注并应用于间歇式反应器(sequencing batch reactor,SBR)[2],是最有前景的污水生物处理技术之一。 与传统活性污泥技术相比,该技术具有沉降性能良好、生物量大、微生物结构紧凑以及耐毒物、耐冲击负荷等特点,并且可同时去除碳、氮、磷[3-4]。 培养出AGS 的过程称为颗粒化,AGS 的最佳粒径在1.8 ～3.0 mm[5]。 AGS 技术主要通过SBR 进行研究,因其具有良好的好氧颗粒化条件,如容易控制饱食/饥饿条件、选择压、水力剪切力等[6],然而基于SBR 进行的AGS 颗粒化试验周期一般按月计算,容易引起启动周期长、稳定性差、成本高、能耗大等问题[7]。 因此,很多研究集中在优化颗粒化策略、改善AGS 颗粒稳定性、缩短反应器启动时间等方面。 CFR 中的AGS 能够广泛去除污染物,并且具有与SBR 相当的污染物去除特性。 近年研究[8]发现,相比起SBR,连续流反应器(continuous flow reactor,CFR)具有以下优点:(1)操作简易、水力条件稳定;(2)更适应流量波动的运行模式;(3)可利用现有的基础设施,在不扩建的条件下维持高活性生物量。 由于世界上大多数大型污水处理厂的澄清池和曝气池都是以连续流模式运行的,随着SBR 好氧颗粒化技术在处理废水方面的成功,研究人员开始关注CFR 好氧颗粒化的应用[9]。然而,CFR 造粒的稳定性极易受到影响[10]。 国内外研究人员对CFR 中AGS 的培养方法、形成过程以及工艺运行等方面进行了优化并取得一定程度的进展。 本文根据AGS 颗粒化技术的发展,概括了SBR工艺实现快速颗粒化的调控策略,综述了SBR 的颗粒化原理应用于CFR 中的主要工艺及调控策略,最后针对在CFR 中实现快速颗粒化目前存在的主要问题以及未来前景进行了展望。

1 SBR 工艺实现快速颗粒化的调控方法

1.1 金属离子强化

二价金属离子在好氧颗粒化过程中起着重要作用,一些金属离子是微生物生长的必需元素。 同时,金属阳离子还可以在与废水中阴离子(如碳酸根离子和磷酸根离子)共存的情况下形成沉淀,因此,可以用来强化颗粒化,目前在快速颗粒化中最常应用的金属离子有Ca2+、Mg2+和Mn2+。

Ca2+可以与胞外多糖(PS)结合,形成结构更加稳定的复合物,并形成沉淀物作为细菌附着生长的支持介质,加速微生物的聚集[11-12]。 Barros 等[13]发现,Ca2+的添加提高了微生物胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)的产生,使其在较短的时间内形成较大的颗粒。 Liu 等[14]则采取了一种往回流污泥添加CaCl2的方法,可以使AGS 的形成时间缩短17 d。 尽管Ca2+的添加改善了AGS 的结构和密度,但是过量的投加将导致AGS中含有过高的无机物,可使灰分质量分数高达50%～84%,这将严重影响AGS 的生物活性[15-16]。与Ca2+一样,Mg2+可以促进微生物EPS 的产生,缩短颗粒化时间,形成致密、沉降性能好、PS 含量高的颗粒[17-18]。 将Mg2+应用于序批式膜生物反应器(sequencing batch membrane bioreactor,SMBR)中,还能使AGS 保持高通量率,同时可减少近50%的膜污染[19]。 鉴于Mn2+是生物体内多种酶的重要组成部分,添加少量的Mn2+可以改善AGS 的物理性质和生物性质[20]。

另外,EPS 为了形成稳定的复合物会优先与多价金属结合,因此,理论上Fe2+和Al3+也可以促进颗粒的形成[21],其中,Fe2+的添加可以改善AGS 的粒径和稳定性[22]。

1.2 以载体为核心的强化技术

AGS 以细菌自身为成核核心、以EPS 或丝状细菌为基质,在周围发展微生物群落[23]。 然而,这些构成物质都是可以被生物降解的,核心附近的微生物只能通过消耗周围的胞外PS 以促进生长,逐渐使颗粒污泥形成中空结构[24],缺乏稳定性。

添加载体物质有利于改善这种情况,如图1(a)所示。 常见的惰性载体物质如颗粒活性炭、碳纤维、鸟粪石等,具有较大的比表面积和较快的沉降速度,部分载体如颗粒活性炭具备特有的吸附性能,能为细菌的生长提供良好的微环境[25-26],进而加速微生物聚集,提高颗粒稳定性,缩短颗粒化时间。 不同的载体会产生不同的颗粒化效果。 沸石粉的多孔结构和所富含的矿物元素有利于微生物的生长和保持AGS 稳定性,能有效缩短颗粒化时长[27]。 Ming等[28]发现添加稻壳、米糠和核桃壳可以使AGS 的颗粒化时间缩短15 d,并且提高了AGS 抗冲击负荷能力,米糠可以提高AGS 的稳定性,而稻壳可以增加AGS 的尺寸。

图1 (a) 以惰性载体为核心的AGS 形成机理[35];(b) 基于AMPs 为核心的ABGS 形成机理[36]Fig.1 (a) AGS Formation Mechanism with Inert Carrier as the Core[35]; (b) ABGS Formation Mechanism Based on AMPs[36]

添加惰性载体可能会造成二次污染,使用生物质为载体可以避免这个问题[29]。 菌丝球(mycelial pellets,MPs)是微生物颗粒在发酵过程中由菌丝缠绕而成,其多孔的结构、大的比表面积和大量的官能团,使它们具有良好的吸附能力[30]。 而且,MPs 可分泌EPS 促进污泥聚集,还可以生产蛋白酶、过氧化物酶等,降解有机污染物[31]。 Geng 等[32]发现MPs 可以显著加速AGS 造粒过程,并且维持高活性的生物量,增加成熟颗粒尺寸。 藻-细菌颗粒污泥(algal-bacterial granular sludge,ABGS)是一种替代传统AGS 的新兴颗粒化技术,近年来引起了广泛关注[33]。 在高升流流速条件下,藻类细胞作为核心积累在ABGS 的内部,这种独特结构有利于维持ABGS颗粒的稳定性[34]。 应用藻类-菌丝球(algal-mycelial pellets,AMPs)作为初级核,可以使ABGS 成粒速度更快(缩短到12 d)。 基于AMPs 为核心的ABGS 形成机理如图1(b)所示。

1.3 实现快速颗粒化的SBR 工艺条件优化

SBR 工艺形成AGS 的必要条件如下。 (1)反应器构型:高径比(H/D)不小于5[37]。 (2)适宜的水力剪切力:表观气速不小于1.2 cm/s[38]。 (3)适宜的有机负荷:有机负荷率(organic loading rate,OLR)在2～5 kg CODCr/(m3·d),较高的有机负荷有利于快速颗粒化,但形成的AGS 强度低易解体。 在此基础上,优化工艺参数(曝气强度、溶解氧、沉降时间、水力停留时间、温度等)和进水有机物组成(OLR、碳氮比等)等条件能在一定程度上改善颗粒化进程。 此外,分段运行(例如先采用高OLR 快速形成颗粒,然后降低OLR 确保颗粒稳定性)也是一种有效的造粒策略[39]。 表1 中概括了为实现快速颗粒化可对SBR 工艺进行优化的主要策略和具体内容。

表1 实现快速颗粒化的SBR 工艺调控策略Tab.1 Control Stratege of SBR Process for Rapid Granulation

2 CFR 强化颗粒化工艺及优化控制

2.1 CFR 工艺的选择压优化

SBR 是按时间顺序由进水、曝气、沉淀、排水和闲置5 个不连续工序组成的工艺,而CFR 则是连续式工艺,在颗粒化原理上,与SBR 相比存在较大差异。 在SBR 中,有限的SBR 出水、沉淀时间可以产生一个选择压力,使得大颗粒AGS 比小颗粒AGS更容易被筛选出来,这种现象被称为基于沉降速度的选择压,是在SBR 中实现好氧颗粒化的最终驱动力[9]。 然而,这种选择压在CFR 中难以实现,在CFR 中的选择压是要通过内部或外部的固液分离器来实现的[40]。 研究人员也在探索如何将SBR 的基于沉降速度的选择压应用于CFR 中,目前的研究表明一般需要通过两种不同构型的分离器实现。

图2(a)是一种带有双沉淀池的连续流反应器(CFR-TST)[41],由一个曝气区、一个污泥回流区以及两个相同大小的沉淀池组成。 在两个沉淀池连接的地方设置了固定挡板和活动挡板,并在两块挡板之间预留出一定的空间使污泥通过。 这类反应器相当于利用了外部固液分离器(外接的沉淀池),通过调节活动挡板的高度,使污泥颗粒产生不同的沉降速度,进而形成选择压(降低活动挡板相对于液面的高度会减弱选择压)。 研究人员认为这是一种简单有效的利用沉降时间实现选择压的方法,同时可以避免应用旋流器可能出现的挥发性固体损失和无机物质积累,从而导致处理效率降低的问题。 反应器经过运行在第25 d 出现了平均粒径为0.42 mm的AGS;连续运行45 d 后,污泥沉降性能和生物量得到了提高(污泥容积指数和MLSS 分别稳定在25.8～31.3 mL/g 和4 200～4 600 mg/L)。

图2 (a) CFR-TST 立面图[41];(b) CFR 立面图[42]Fig.2 (a) Elevation of CFR-TST[41]; (b) Elevation of CFR[42]

而内部固液分离器则通常应用于升流式反应器,在同一个反应器内使用挡板将曝气反应区和沉淀区分隔开[图2(b)][42]。 一部分污水流经装置的曝气区进行气液分离,污水混合液流向反应器两侧的沉淀区,在沉淀区形成不同的沉淀速度,产生选择压。 还有研究设计了一种新型连续流反应器好氧颗粒污泥反应器(continuous flow aerobic granulation reactor,CFAGR),由斜管和折流板沉淀池等结构构建三相分离器进而形成选择压,筛分出沉降性能欠佳的颗粒,在第18 d 就成功实现了颗粒化[43]。 以上研究表明应用选择压能在一定程度上促进快速颗粒化,但该策略仍需解决与SBR 一样存在着颗粒化时间长以及连续曝气导致脱氮除磷效果不佳的问题[44]。

2.2 饱食/饥饿条件强化造粒

除了选择压,饱食/饥饿交替条件的运用可能是在SBR 中形成AGS 的另一个重要因素。 在造粒过程中可以适当地创造饥饿条件,营养物质的缺乏会使微生物聚集以提高生存能力,同时有可能促进EPS 的产生。 然而,连续流条件下的CFR 要实现饱食/饥饿的交替条件并不容易。

Sun 等[45]采用了一种多级全搅拌槽式反应器(CSTRs)利用生活污水培养AGS,在相同的重力选择压力和水力停留时间下,连续流系统分别在4室、6 室和8 室模式下运行,通过设置前两室为饱食条件,剩余后面的室为饥饿条件,使饱食室/饥饿室容积比分别为1.00、0.50 和0.33。 当饱食室/饥饿室容积比大于0.5 时,难以形成结构稳定的AGS,推测饱食/饥饿条件可能是CFR 快速颗粒化的先决条件;饱食室/饥饿室容积比为0.33 的条件下可以成功培养出AGS,并且在饱食条件下,AGS 表面会形成丝状结构,而到了后面的饥饿条件则消失了[46],饥饿条件对AGS 形成致密结构有着至关重要的作用。 Li 等[47]证实了周期性饥饿策略可以实现在第31 d 完成AGS 的快速颗粒化,比连续饱食策略早40 d,该研究也提供了在CFR 中如何实现饱食/饥饿的交替条件的思路,即控制进水流经厌氧区和好氧区,通过厌氧/好氧交替过程形成周期性的饥饿环境。

2.3 晶核策略强化颗粒化

微生物通过代谢活动可以使钙、铁、磷等在AGS 内部富集,被称为“核”[48],与AGS 维持结构稳定性和生物活性密切相关。 在CFR 中外加金属离子或载体物质对提高造粒效果不及SBR 应用该策略明显,因此,须利用原污水水质特点形成“内核”,来实现快速颗粒化,被称为“晶核策略”。

通过分析颗粒污泥EPS 的PN/PS 发现,稳定且高的PN/PS 对于维持AGS 的长期稳定性有着重要的意义。 另外,由于不同微生物种类有其独特的代谢产物和功能,一些物种被认为对AGS 的快速形成有着较大的贡献。 Xin 等[42]证实了钙元素主要以无机磷酸钙形式存在于颗粒污泥中,并且在污泥颗粒化过程中起着成核作用。 同时,试验还将反硝化优势菌(TN-14)接种到CFR 中,发现优势菌(TN-14)的代谢功能在促进污泥颗粒化过程中起着关键作用。 Chen 等[49]在连续流膜生物反应器中观察到丝状菌在内循环作用下启动颗粒化过程,并通过将生物质团聚体包裹在一起维持了颗粒的长期稳定性,在第76 d 成功实现颗粒化另外,在一些研究中提到在反应器启动阶段引入脱水污泥,提高污泥浓度并起到成核作用,且能在一定程度上提高污泥中的微生物种群丰富度,同样为快速颗粒化提供了可能性[11]。

2.4 其他造粒策略

Zhou 等[50]利用强水力剪切力和高OLR 的策略,设计了连续流气升式流化床反应器(continuous flow airlift fluidized bed reactor,CAFB),在相同的曝气强度下作用于固相的剪切力比在SBR 中强数百倍,无需控制沉降时间和饥饿时间,12 d 就培养出AGS。 CFR 工艺需要维持反应器中的生物量,因此,会用到回流系统。 而传统的回流泵系统容易使具有良好沉降性能的颗粒污泥遭到破坏,Li等[51]采用蠕动泵回流污泥,达到了不粉碎颗粒污泥的效果,使沉淀池中的颗粒实现50%的回收率。表2 中概括了常见的CFR 类型、工艺条件以及形成的AGS 粒径。

表2 CFR 类型、运行条件以及AGS 粒径Tab.2 Types of CFR, Operation Conditions and AGS Granular Size

3 结论

在CFR 中培养AGS 的技术日益受到关注,研究CFR 快速颗粒化也有了一定程度的需求,但在CFR 中培养AGS 的技术仍需探索和改进。 而同时需继续研究和整理SBR 快速颗粒化策略的意义就在于,从以往的研究来看,应用于SBR 中的一些强化颗粒化的策略在CFR 中依然可行,有望在未来更加深入地研究AGS 在CFR 中的形成机理。 综上所述,目前利用CFR 研究AGS 的快速颗粒化主要集中在以下几个方面。 (1)结合CFR 颗粒化机制,优化反应器条件:例如创造饱食/饥饿条件、优化选择压、选择适当的水力剪切力和OLR,促进微生物的聚集从而实现快速颗粒化。 (2)应用成核策略辅助颗粒化:探究外部添加金属离子、应用惰性载体诱导形成AGS 的方法,促使CFR 中微生物聚集,实现快速颗粒化。 (3)将优势菌应用于CFR 中实现快速颗粒化:近年越来越多的菌株代谢机理研究被应用到颗粒化中,无论是在SBR 中,还是在CFR 中,都有成功运用菌株代谢机理实现颗粒化的案例。 这些菌株都有着特殊的代谢功能和产物,有利于EPS 的产生以及使颗粒污泥形成致密结构,实现对污水中各类污染物的去除,可以在筛选、开发优势菌方面作进一步探索。 上述研究成果为AGS 的进一步应用提供了理论和技术依据,由于目前的研究仅限于实验室规模,对于实际工程应用仍有颗粒稳定性不足以及技术成本高的问题。 因此,有必要针对AGS 在CFR中的稳定存在机理、培养模式的整合以及颗粒絮体比例的优化等作进一步的探索研究,使CFR 培养AGS 的应用前景更为广阔。