【氣浮機】好氧顆粒污泥原理及應用

與普通活性污泥相比，它具有不易發(fā)生污泥膨脹、抗沖擊能力強、能承受高有機負荷，集不同性質(zhì)的微生物（好氧、兼氧和厭氧微生物）于一體等特點(diǎn)，近年的研究成果表明AGS能用于處理高濃度有機廢水、高含鹽度廢水及許多工業(yè)廢水。1991年Mishillla等最早發(fā)現了AGS，并第一次報道了利用連續流好氧上流式污泥床反應器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培養出AGS。人們從這一研究成果開(kāi)始了對AGS顆粒化的研究歷程。而國內學(xué)者對AGS的研究始于1995年，相對滯后于國外的研究。

   好氧顆粒污泥是由相互聚集的、多物種的微生物構成的團體，被認為是一種特殊的自固定化生物。在過(guò)去的20年中，廢水生物處理領(lǐng)域理論研究和工程應用證明，固定化的活性污泥在水質(zhì)凈化方面比懸浮活性污泥更具有效率。迄今為止，好氧顆粒污泥被認為是最有前途的廢水生物處理技術(shù)之一。由于好氧顆粒污泥具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來(lái)對其進(jìn)行的研究也逐漸增多.但是對于其形成機理卻是眾說(shuō)紛紜。沒(méi)有達成共識。筆者旨在通過(guò)對文獻的查閱和分析。綜述近年來(lái)好氧顆粒污泥形成機理的研究進(jìn)展并對不同機理之間的區別與聯(lián)系作一些思考。

  好氧顆粒污泥的基本特性

在好氧條件下，培養顆粒污泥的條件較為苛刻，并且在不同操作條件和培養目的下培育出的好氧顆粒污泥在顆粒大小、粒徑分布、顏色、功能上也都存在著(zhù)差異。好氧顆粒污泥的特性：表面光滑、較高密度和高強度、高生物量、耐沖擊負荷、抗有毒物質(zhì)。好氧顆粒污泥外觀(guān)一般為橙黃色或淺黃色，周洵平等總結了不同反應器在各自條件下培養的好氧顆粒污泥的特性

好氧顆粒污泥具有優(yōu)良的沉降性能和近乎球形的規則形狀。E.Morgenroth等口]研究指出，顆粒污泥的形狀系數穩定在0.45，縱橫比一般在0.79左右。好氧顆粒污泥本身的生物相極其豐富，主要是形態(tài)各異的球菌、桿菌等。不同的培養條件對好氧顆粒污泥微生物群落有一定的影響。

好氧顆粒污泥泥水分離性能好，在反應器中能形成較高的污泥濃度。從而提高了反應器的容積負荷和抗負荷沖擊能力；剩余污泥量少，能有效地縮小沉淀池的體積。減少污水處理廠(chǎng)的占地面積；另外.好氧顆粒污泥還具有同步硝化反硝化(SND)功能。

2好氧顆粒污泥形成機理

顆粒污泥的形成過(guò)程是一個(gè)包含物理、化學(xué)和生物作用的復雜過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可以看作是在流體動(dòng)力條件下.微生物自固定所形成的生物體聚團現象。由于操作條件、反應器類(lèi)型、進(jìn)水水質(zhì)、培養目的不同，因此現有的形成機理并不能詮釋所有顆粒污泥的形成情況。表2對不同的理論作了一個(gè)歸類(lèi)。

2.1晶核假說(shuō)

晶核假說(shuō)最先由G.Lettinga等提出，用于解釋厭氧顆粒污泥形成機理，他們認為：顆粒污泥的形成類(lèi)似于結晶過(guò)程。接種污泥或反應器運行過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)機鹽沉淀或惰性有機物質(zhì)作為晶核。顆粒污泥在晶核基礎上不斷發(fā)育，最終形成了成熟的顆粒污泥。對于好氧顆粒污泥，研究也證實(shí)了可適用于晶核假說(shuō)原理。J.J.Heijnen等向氣提式內循環(huán)反應器(BAS)中投加一定量的球狀惰性載體(直徑0.1mm)，形成了具有去除COD和氨氮能力的好氧生物膜顆粒污泥，證實(shí)了晶核假說(shuō)。J.P.vanderHoekc]認為：投加鈣離子會(huì )加速形成顆粒污泥的原因是鈣離子為顆粒污泥提供了晶核。劉麗等研究了鈣離子在顆粒污泥中的分布，結果表明，鈣粒子分布于顆粒中心，也證實(shí)了晶核假說(shuō)。晶核假說(shuō)經(jīng)過(guò)多年的研究得到一定程度的發(fā)展.劉建國等研究認為，好氧顆粒污泥的形成是絮狀污泥在形成較大粒徑菌膠團之后由于其內部DO缺乏，菌團逐漸解體，而細菌以解體的菌膠團為“內核”和“模板”進(jìn)行大量繁殖，并最終形成主體菌群，進(jìn)而形成沉降性能良好的顆粒污泥。這就是在晶核假說(shuō)基礎上發(fā)展起來(lái)的“二次成核”假說(shuō)。但是，有學(xué)者研究證明了在沒(méi)有投加“晶核”的條件下也會(huì )形成顆粒污泥。顆粒污泥并不是以晶核為基礎生長(cháng)，而是完全靠微生物自身的電中和作用形成的。因此說(shuō)晶核假說(shuō)還需要進(jìn)一步研究。

2.2選擇壓驅動(dòng)假說(shuō)

選擇壓可以看作水力負荷率和氣體負荷率(取決于污泥負荷率)的和，這兩個(gè)因素在不同沉降特征的污泥組分選擇中起重要作用n”。在反應器中，只有較大顆粒才能在給定的時(shí)間內沉淀下來(lái)，而密度較小的絮狀污泥由于其沉降性能不好則會(huì )被洗脫出系統。類(lèi)似于生物進(jìn)化理論，這個(gè)物理篩選過(guò)程為反應器中的生物量提供了一個(gè)“選擇壓”，那些適合系統的，密度高、體積大、沉降性能好的顆粒污泥才能存在于系統中。J.H.Tay等[]研究了不同的選擇壓對硝化細菌顆粒化的影響，并推斷了污泥顆粒化需要強選擇壓。X.H.Wang等[1進(jìn)行了選擇壓對顆粒穩定性影響的研究。結果表明.在過(guò)高的選擇壓下不能形成顆粒污泥，在較低的選擇壓下，顆粒污泥在形成后131d開(kāi)始分解，只有逐漸提高選擇壓才能培養出穩定成熟的顆粒污泥。

這個(gè)沉降一洗脫過(guò)程是一個(gè)純粹的物理篩選過(guò)程，沒(méi)有微生物的作用和反應，但是小的絮狀污泥形成大的顆粒污泥需要微生物分泌的胞外多聚物(EPS)相互黏合來(lái)抵抗高上流速度產(chǎn)生的剪切力以避免一開(kāi)始就被洗出[1引，否則，微小的絮狀污泥沒(méi)有機會(huì )隨著(zhù)環(huán)境變化而形成大顆粒污泥，而且事實(shí)證明，很多情況下顆粒污泥都是由小逐漸長(cháng)大成熟。因此以物理過(guò)程來(lái)解釋顆粒污泥形成的選擇壓驅動(dòng)理論仍需要進(jìn)一步完善。

2.3細胞表面疏水性假說(shuō)

根據熱力學(xué)原理，增加細胞表面疏水性將導致其表面Gibbs能降低，增強細胞間的親和力，使細胞間產(chǎn)生更強的連接，進(jìn)而形成一個(gè)致密結構，更進(jìn)一步促使凝聚成團的細菌脫離水相.因此可以說(shuō)細胞表面疏水性是微生物自聚集的重要推動(dòng)力。蔡春光等研究表明：在顆粒污泥形成過(guò)程中微生物細胞表面的疏水性發(fā)生了很大的變化.這表明顆粒污泥的形成與細胞表面疏水性的增加有密切聯(lián)系。較高的表面疏水性有利于顆粒污泥的形成。B.M.Wilen等也證明.接種污泥中疏水的細菌數目越多。形成良好沉降性能的好氧顆粒污泥的速度就越快。但是，并沒(méi)有研究者提到較低的表面疏水性不能形成顆粒污泥。因此，表面疏水性在顆粒污泥形成過(guò)程中起了輔助增強的作用，而不是決定性作用。

2.4胞外多聚物假說(shuō)

胞外多聚物(EPS)是顆粒污泥的一種重要的化學(xué)組成部分，其主要物質(zhì)是多聚糖、蛋白質(zhì)、酶蛋白、核酸、磷脂及腐殖酸。它能輔助細胞相互粘在一起，因此可能對于污泥顆粒化形成過(guò)程有幫助。EPS假說(shuō)是目前較為流行的一種理論。

L.W.HulshoffPol等研究表明.胞外多聚物中的成分和比例與污泥沉降性能有密切關(guān)系。J.ESchmidt等在總結前人工作的基礎上提出了胞外多聚物假說(shuō)模型。C.DiIacoci等研究證實(shí)了EPS對顆粒污泥形成的增強作用。有研究表明。饑餓條件會(huì )誘發(fā)EPS被它的生產(chǎn)者所降解，從而導致細菌分離n，事實(shí)上，在SBR反應器中，顆粒污泥的消失與胞外聚合物的急速下降緊密相關(guān)。但是饑餓條件也會(huì )引起細胞表面疏水性的降低。因此。引起細菌分離的關(guān)鍵因素不一定是EPS的減少，細胞表面疏水性的降低也起了一定作用。

從文獻來(lái)看，EPS只能對顆粒的形成起到增強作用，還不能決定顆粒能否形成。多數情況下細胞都會(huì )分泌EPS。但事實(shí)證明，不是所有情況下都培養出了好氧顆粒污泥。因此，EPS假說(shuō)雖然得到很多學(xué)者的認可.但是仍然需要進(jìn)一步完善。

2.5自凝聚原理

生物處理系統中的微生物在適當的環(huán)境條件下會(huì )產(chǎn)生自凝聚現象，形成一種密度、體積較大，活性和傳質(zhì)條件都較好的微生物共生體顆粒。好氧自凝顆粒污泥形成的兩個(gè)先決條件是適當的水流剪切作用和高濃度的溶解氧]。H.H.Fang~]指出，生物顆粒化現象是一種進(jìn)化發(fā)展的過(guò)程，即只有在適宜顆粒污泥存在的條件下，細菌才會(huì )慢慢地進(jìn)化，最終達到顆粒污泥狀態(tài)，也就是說(shuō)，只要條件適宜，顆粒污泥的形成是一個(gè)生物自身凝聚的自然過(guò)程。

自凝聚原理結合選擇壓理論，可以解決微小絮狀污泥無(wú)法形成顆粒污泥的問(wèn)題.E.Morgenroth等均在SBR中培養出好氧顆粒污泥。他們都采用了較短的沉降時(shí)間和水力停留時(shí)間，目的就是將沉降性能較差的絮狀污泥洗出，只留下密度較大、沉降性能較好的顆粒污泥。但自凝聚理論仍然不能解決較低選擇壓下顆粒分解的現象。

2.6絲狀菌假說(shuō)

J.J.Beun等]在SBR中培養好氧顆粒污泥時(shí)提出了好氧顆粒污泥形成過(guò)程。首先，接種污泥中優(yōu)勢菌(絲狀菌)在較強的水力剪切力的作用下形成球狀。球狀物為細菌的大量繁殖提供了良好的棲居地，由此細菌得到了大量的繁殖。之后，隨著(zhù)氧傳質(zhì)的限制，真菌形成的球狀物開(kāi)始分解、破裂，其中的菌膠團由于密度較大而留在了反應器中，細小的絮體被洗出。留在反應器中的菌膠團進(jìn)一步發(fā)展最終形成了好氧顆粒污泥。王海磊等認為，優(yōu)勢混合菌的加人是好氧顆粒污泥能夠形成的關(guān)鍵因素。他們在利用SBR和優(yōu)勢混合菌處理造紙廢水的過(guò)程中馴化出了好氧顆粒污泥。但是D.C.Peng等研究發(fā)現：好氧顆粒污泥的微生物主要由桿狀細菌組成，沒(méi)有發(fā)現絲狀菌。因此，絲狀菌假說(shuō)也需要進(jìn)一步研究完善。

2.7階段形成假說(shuō)

目前關(guān)于階段形成假說(shuō)有三階段說(shuō)和四階段說(shuō)。倪丙杰等㈣在總結前人的基礎上.認為各種假說(shuō)都有一定的合理性，但沒(méi)有將問(wèn)題聯(lián)合，因此他提出了三階段形成假說(shuō)。第一階段，微生物個(gè)體之間通過(guò)各種力的作用相互碰撞、吸附形成聚集體。第二階段，聚集體中的微生物繼續生長(cháng)，且在水力剪切力的作用下逐漸形成形狀規則的初生顆粒污泥。第三階段，好氧顆粒污泥穩定、成熟。隨著(zhù)顆粒污泥表面疏水性的增加和細菌分泌多聚糖的增多，粘連的微生物逐漸增加，顆粒污泥的粒徑隨之逐漸增加。但是顆粒污泥的粒徑增加到一定程度之后，在水力剪切力作用下顆粒的粒徑不再繼續增加，此時(shí)顆粒達到穩定、成熟期。具體參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

Y.Liu等認為好氧顆粒污泥的形成是微生物的一種自固定化現象，不需要載體支持，并提出了符合這個(gè)過(guò)程的四步驟學(xué)說(shuō)。第一步，微生物之間在流體擴散、重力或者熱力學(xué)力的作用下相互接觸而聚集。第二步，在物理的、化學(xué)的或者生物化學(xué)的初期引力下形成聚集體。第三步，微生物在其分泌的胞外多聚物等黏著(zhù)物的作用下形成聚集體。第四步，水的剪切力使顆粒污泥的三維結構更加成熟穩定。階段形成假說(shuō)綜合考慮了多種因素的作用，而不是僅限于單方面的實(shí)驗研究.這也為以后的研究提供了思路。

3結論

好氧顆粒污泥的形成機制仍處于研究中，還沒(méi)有形成定論。以上幾種假說(shuō)也都存在著(zhù)一定的局限性。但是從文獻來(lái)看，單一因素的實(shí)驗研究已經(jīng)不可能解釋顆粒污泥的形成機理。一方面，通過(guò)選擇壓方法培養出來(lái)的顆粒污泥的細胞表面疏水性較好，由于疏水性的增加而增強的細胞間親和力又為其自凝聚提供了推動(dòng)力。另一方面，微生物分泌的胞外多聚物在顆粒污泥的形成過(guò)程中也起了很重要的作用。因此，水力剪切力、胞外多聚物、微生物的自固定的聯(lián)合作用在好氧顆粒污泥形成過(guò)程中起了關(guān)鍵作用。隨著(zhù)PCR、FISH等技術(shù)的發(fā)展.將來(lái)也許可以從微生物自身找到顆粒污泥形成的關(guān)鍵因素。

另外。由于好氧顆粒污泥培養周期長(cháng).限制了其在工程中的應用，因此探討其形成機理的研究就顯得尤其重要。如何確定運行參數，縮短培養周期，提高形成的好氧顆粒污泥穩定性以及如何在工程應用中推廣將是以后研究的重點(diǎn)。

以下是工程案例（此部分案例內容為轉載整理，如有侵權請聯(lián)系刪除）。

1、南非Gansbaai污水處理廠(chǎng)

設計規模為5000立方米/天，出水經(jīng)過(guò)消毒后，作為灌溉用水回用。出水水質(zhì)見(jiàn)下表。

2、荷蘭Epe污水處理廠(chǎng)

設計規模為1500立方米/小時(shí)，在2011年投產(chǎn)。設計運行溫度范圍為8-25°C。該廠(chǎng)滿(mǎn)足荷蘭關(guān)于出水水質(zhì)、污泥處理、化學(xué)藥劑使用以及能耗等方面的所有標準。包括砂濾和污泥處理系統在內，該廠(chǎng)已經(jīng)成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠(chǎng)，并完全滿(mǎn)足荷蘭總氮小于5mg/L,總磷小于0.3mg/L的出水濃度限值。該廠(chǎng)證明Nereda工藝能降低25%的投資和運行費用，有更強的抗沖擊負荷。在pH達到10的條件下（短期工業(yè)污水混入），也能穩定運行。該廠(chǎng)的水質(zhì)見(jiàn)下表。

下面圖表中的數據表明，即使在平均水溫為10°C的冬季，Nerada好氧顆粒污泥系統也能正常平穩地啟動(dòng)。

下面圖表顯示了冬季期間啟動(dòng)Nereda系統時(shí)出水中氮和磷的變化。經(jīng)過(guò)近4個(gè)月的啟動(dòng)達到平穩后，出水中的氨氮和總磷均小于0.5mg/L。

污水廠(chǎng)的運行數據表明Nereda工藝能顯著(zhù)降低能耗。Epe污水廠(chǎng)基于傳統活性污泥法的原工藝能耗可達每天3500kWh,而使用Nereda工藝后，每日的能耗已經(jīng)降低到2000-2500kWh。

3、葡萄牙Frielas污水廠(chǎng)

設計處理規模為70000立方米/天。自1997年運行以來(lái)，一直為大里斯本地區的25萬(wàn)人口提供服務(wù)。為了提高運行能力，在后期的改造升級中，將6個(gè)平行的活性污泥系統中的一個(gè)改造為好氧顆粒污泥Nereda工藝，池容1000立方。

由于系統在冬季開(kāi)始啟動(dòng)，并且來(lái)水中有機物相對較低（COD小于300mg/L），啟動(dòng)時(shí)間相對較長(cháng)，達到穩定較慢。在成功啟動(dòng)并穩定運行后，Nereda工藝的SVI30約40mL/g，SVI5小于60mL/g。顆粒污泥占比80%以上，污泥濃度可達6-8g/L。相比原傳統活動(dòng)污泥系統，改造后的Nereda系統能顯著(zhù)減低能耗。圖表四（Figure4）中對比了在相同曝氣系統設備的工況下，Nereda和傳統活性污泥法（AS）平行兩套工藝對鼓風(fēng)機風(fēng)量的需求。長(cháng)期的運行結果表明，Nereda工藝能耗約為0.35kWh/kgCOD,比傳統工藝降低約30%。

4、荷蘭Garmerwolde污水廠(chǎng)

Garmerwolde污水廠(chǎng)服務(wù)周邊37.5萬(wàn)人口。自2005年，由于出廠(chǎng)水中營(yíng)養鹽濃度無(wú)法達到當地的排放標準，污水廠(chǎng)不得不進(jìn)行擴建升級。Garmerwolde污水廠(chǎng)額外新增了處理能力為9500立方（15萬(wàn)人口當量）的Nereda系統，使該廠(chǎng)日處理能力提高到30,000立方米，高峰時(shí)流量為4200立方米/小時(shí)。擴建工程自2013年開(kāi)始運行投產(chǎn)。出水水質(zhì)完全滿(mǎn)足排放標準要求（TN小于7mg/L；TP小于1mg/L）。該污水廠(chǎng)Nereda系統比傳統活性污泥系統的能耗降低了50-60%。