我國近些年水體富營養(yǎng)化和水污染嚴重，水污染控制技術的應用日益廣泛。我國現有污水廠大多數采用活性污泥法處理污水。但是活性污泥法有污泥膨脹、沉降性能較差、剩余污泥量大等問題，嚴重限制了我國的污水處理。好氧顆粒污泥是廢水系統中微生物在好氧條件下，微生物自生自凝聚形成的一種顆粒狀、結構緊密、沉降性能好、污染物處理效果明顯的特殊的活性污泥，相較傳統活性污泥，好氧顆粒污泥不會出現污泥膨脹、出水水質變差等問題。因此，好氧顆粒污泥應用與工業(yè)廢水中難降解有機物的去除。另外，顆粒污泥具有高容積負荷下降解高濃度有機廢水的良好生物活性，具有很高的經濟價值。
通過對好氧顆粒污泥特性的描述，以及對其形成機理進行描述，可以定性的了解好癢顆粒污泥的性質及應用；通過總結好氧顆粒污泥的的馴化及培養(yǎng)方法以及當下對好氧顆粒污泥的應用，預測污水廠應用好氧顆粒污泥的進一步發(fā)展。
1 好氧顆粒污泥的技術現狀
1.1 好氧顆粒污泥的特性
1.1.1 好氧顆粒污泥的物化性質
1） 基本性質
成熟的好氧顆粒污泥呈橙黃色，表面光滑，外觀為球形或橢球形，其粒徑在0.5-1.5 mm，縱橫比為0.76,形狀系數穩(wěn)定在0.45。好氧顆粒污泥的沉降速度與其大小和結構有關，一般在30-70m/h,約為傳統活性污泥(8~10 m/h)的3倍。好氧顆粒污泥主要包含C、H、O、N、S、P等6種元素，以及少量的Ca、Mg、Fe等金屬元素。由于所含無機元素種類不同，污泥顆粒可能出現不同的顏色。如當顆粒污泥含大量鈣元素是會呈現白色[1]。
采用氣升式內循環(huán)間歇反應器，分別以蔗糖和乙酸鈉為進水碳源對好氧污泥顆粒化進行研究發(fā)現，以蔗糖為碳源時，污泥顏色由接種時的棕黑色逐漸變?yōu)樽攸S色，在運行第7d 時，反應器內出現細小顆粒化污泥，隨后顆粒污泥逐漸增多長大，形成成熟的顆粒污泥。以乙酸鈉為碳源，發(fā)現接種的絮狀污泥在運行前10d，污泥顏色由棕黃色逐漸變成橙黃色，隨著運行，顆粒污泥逐漸長大，多數為不規(guī)則的圓形[2]。
2） 沉降性能
顆粒污泥的沉降性能受其結構和粒徑的影響，粒徑越大，密度越高，沉降效果越好。顆粒污泥的污泥體積指數（SVI）為12.6-64.5ml/g，而普通活性污泥的SVI在100-150ml/g左右[3]。好氧顆粒污泥的沉降速率是普通絮凝污泥的3倍，較好的沉降性能可以增加污泥在反應器內的停留時間，提高了污泥中微生物體的降解能力。相關研究表明，污泥直徑和沉降速率之間呈正相關。
3） EPS的組分
胞外聚合物（EPS）是由于微生物的代謝而產生的一類粘性物質，其中，蛋白質是EPS的主要成分。McSwain的研究表明，好氧顆粒污泥的EPS含量較高，其主要成分為多糖類和蛋白質類[4]，在好氧顆粒污泥的形成過程中，蛋白質類物質的存在是好氧顆粒污泥形成的重要因素，但是Adav等認為多糖類物質是好氧顆粒污泥形成的重要因素，其在研究中發(fā)現，好氧顆粒污泥EPS中多糖類/蛋白質類的比例明顯升高（由3.4升高到6.2），蛋白質與總糖的比值影響污泥的表面性質，是影響顆粒污泥形成的重要因素之一。表1中列出EPS在好氧顆粒污泥中的分布，觀察可發(fā)現，用乙酸鈉和苯酚培養(yǎng)的顆粒內核中的EPS主要以蛋白質為主，而外核以多糖為主。這種結構有利于污泥粒子間的凝聚和維持顆粒結構 [5]。
表1 EPS在好氧顆粒污泥中的分布
4） 溶解氧濃度
溶解氧濃度（DO）通過改變微生物生態(tài)系統和代謝途徑，可以影響顆粒污泥的形成和性能。通常采用純氧曝氣和增加壓力實現DO濃度維持在1.0mg/L。Chiu等[6]通過探針探測顆粒內部DO水平，推算出乙酸培養(yǎng)的顆粒污泥粒徑在1.28-2.50 mm范圍內，表觀氧擴散系數在1.24×10-9-2.28×10-9m2/s之間；苯酚培養(yǎng)的粒徑在0.42-0.78 mm范圍內的顆粒污泥，表觀氧擴散系數在2.50×10-9-7.65×10-9m2/s之間。Chiu等[7,8]研究表明由于聚集在顆粒外圍的活性細胞層消耗了大部分吸附的DO，因此在顆粒核心區(qū)不存在DO，在長期放置過程中顆粒污泥沒有可利用的DO。經過試驗表明，DO濃度并不是影響好氧顆粒污泥形成的關鍵因素，但是DO濃度會影響顆粒污泥的粒徑大小。較高的DO濃度下，污泥粒徑較大時，而當DO濃度較低時，顆粒污泥的粒徑相對較小（0.3-0.5mm）。
1.1.2 好氧顆粒污泥的微生物性質
好氧顆粒污泥主要由異養(yǎng)菌和硝化菌組成，顆粒本身的生物相包括形態(tài)各異的細菌（球菌、桿菌）。掃描電鏡(SEM)、光學顯微鏡以及和FISH聯合使用的CLSM都能用來觀察顆粒污泥種群結構，以鑒定不同條件下異養(yǎng)菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)，發(fā)現好氧顆粒污泥內微生物的種群結構和基質種類密切相關。
Jang等[9]發(fā)現氨氧化菌主要存在于顆粒污泥的外層及中層區(qū)域；王強等[10]觀察到顆粒污泥中存在大量絲狀菌和真菌，而絲狀菌的大量纏繞會形成顆粒的骨架。阮文權等[11]對同步脫氮好氧顆粒污泥內部分析，發(fā)現大量球菌分布在污泥顆粒外部，而桿菌主要分布在內部，外部結構緊實，而內部較為松散。顆粒表面生長著數量繁多、形態(tài)各異的原、后生動物。這些特殊的微生物結構對于提高出水水質、增加反應器處理負荷有重要的作用。
1.2 好氧顆粒污泥的形成機制
1.2.1 四步途徑
關于顆粒污泥的顆粒化過程，國內外學者已利用現代分子生物學技術進行了大量研究。Liu等[12]提出了好氧污泥顆粒的形成主要由以下四步途徑完成：①物理作用使得*初的細菌向細菌靠攏或細菌向基質表面運動,形成*初的微生物聚合體。基質可以是污泥中已經存在的細菌聚合體，也可以是惰性的無機或有機物。運動所需的作用力主要來自水流推動力、擴散力、重力、熱力以及細胞之間的相對運動；②物理、化學和生物之間的作用力，使得細菌與細菌之間以及細菌與固體表面之間相互吸附，進一步形成微生物聚合體，但是這種吸附是可逆的；③胞外聚合物(EPS)產生的生物凝膠是微生物細胞之間強有力的吸引力，這種吸引力使得細菌與細菌之間以及細菌與固體表面之間的吸附不再可逆，微生物聚合體逐漸形成；④在水力剪切力的作用下，結構穩(wěn)定的好氧顆粒污泥形成。
1.2.2 四種假說
1） 微生物自凝聚假說
微生物的自凝聚現象被認為是顆粒污泥形成的一個假說。Tay等[13]認為好氧污泥顆粒的形成是微生物在靜電斥力和水力作用下的自凝聚過程。發(fā)生在細胞內部、細胞之間的相互作用以及多種屬的細菌及細菌之間、蛋白質之間的吸附作用，使得微生物相互聚集形成緊密的有規(guī)則形狀的三維立體結構。事實上，好氧顆粒污泥可以看作是高密度的細菌團體，也可看作是一種特殊形式的生物膜。每個顆粒污泥包含上百萬個不同種類的細菌，細菌間的相互黏著促進了好氧污泥的顆粒化，*終形成具有規(guī)則橢圓形外觀的微生物聚合體。
2） 選擇驅動壓假說
在SBR反應器中，通過控制沉降時間，只有在某個特定的時間范圍內沉降速率快的顆粒污泥能在反應器內保存下來，而沉降性能差的就會從反應器中淘洗出去。這種沉降淘洗過程是一個純粹的物理屏蔽過程，與微生物的性質無關。Wang等認為顆粒污泥的穩(wěn)定性會隨著選擇壓的不斷增強而逐漸增強。Tay等通過變化排水口的高度獲得不同的選擇壓，比較了不同的選擇壓下好氧顆粒污泥的形成過程，研究發(fā)現硝化顆粒污泥需要高強度的選擇壓。
3） 胞外多聚物假說
EPS是微生物分泌于細胞表面的大分子黏性物質，能夠改變細胞表面的物理化學性質，主要包括蛋白質、多糖、腐殖質酸和油脂等，這些物質有利于微生物細胞凝聚，對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定起到重要作用。Liu等[15,16]認為，EPS是微生物細胞和顆粒態(tài)物質相連接的橋梁。高濃度的多糖可以幫助細胞之間的吸附，并且通過聚合物矩陣增強微生物結構，如果胞外多糖代謝機制受阻，將會影響微生物聚合體的形成。
2 好氧顆粒污泥的應用現狀
2.1 好氧顆粒污泥的培養(yǎng)
2.1.1 接種污泥的選擇
培養(yǎng)好氧顆粒污泥所用的種泥有三種選擇，分別是厭氧顆粒污泥、好氧絮狀污泥和好氧顆粒污泥。而使用厭氧顆粒污泥作為種泥，可以為好氧菌提供內部晶核作為良好的棲息地，是如今比較理想的接種污泥。而一般情況下，城鎮(zhèn)污水處理廠的活性污泥會因其易得，被廣泛用作接種污泥。一般而論，絲狀細菌和莢膜細菌豐富的接種污泥有利于顆粒化。與接種絮狀污泥相比，直接采用厭氧顆粒污泥進行馴化更為簡便且成功率高,啟動時間短。
2.1.2 顆粒化反應器的選擇
連續(xù)流反應器和SBR都可用于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)。目前連續(xù)流反應器主要用于培養(yǎng)硝化顆粒污泥,而絕大多數好氧顆粒污泥都是利用有機基質在SBR中培養(yǎng)。在Morgenorth利用SBR培養(yǎng)出好氧顆粒污泥之后，研究者們對SBR培養(yǎng)好氧顆粒污泥的條件及污泥的顆粒化過程進行了探討[18]，運行條件如表2。這些運行條件至今仍廣泛被用于在SBR中培養(yǎng)好氧顆粒污泥。培養(yǎng)好氧顆粒的關鍵參數是縮短沉淀時間和進水時間，保持一定的上升氣速和容積負荷.這與好氧顆粒化的機理是密切相關的。
表2 不同反應器中形成的顆粒性質
2.2 好氧顆粒污泥在污水處理中的應用
2.2.1 實驗室階段應用
1） 在處理高濃度廢水方面
好氧顆粒污泥具有結構致密、沉降性能好、污泥產率低的優(yōu)點，大大提高了反應器處理效率和抗沖擊負荷能力，已報道的顆粒化 SBＲ 反應器的有機負荷率可達 2.5-15 kg/( m3·d) ，MLSS 在 6-12 g/L之間，COD 去除率穩(wěn)定在 85%以上。
2）在有毒有機物降解方面
Tay 等首次報道了以苯酚為**碳源、負荷為 2.5 kg/( m3·d) 的 SBR反應器內獲得結構致密的好氧顆粒，反應器污泥濃度為( 8.2 ±0.8) g/L，泥產率( 以 VSS 計) 僅維持在( 0.41 ±0.03) g/g，TOC和苯酚去除率分別大于 98%和 99. 9%，比苯酚降解速率大于 0.55 g/( g·d)。Jang 等將 Propioniferax-likePG-02( 低半飽和速率常數的苯酚降解菌) 和 Comamonassp PG-08( 低苯酚降解活性的絮凝菌) 固定化后用以處理苯酚濃度為 250 mg/L 的有機廢水，其苯酚降解性能明顯優(yōu)于這2個菌株單獨存在下的降解性能，推測細菌共絮凝作用可能是污泥顆粒化的必要條件。
2.2.2 工程階段應在好氧顆粒污泥對城市生活污水的應用領域，以2004年荷蘭 DELFT大學的 van Loosdrecht等的研究成果*為顯著，已獲得全球**，并采用城市污水進行了中試研究，試驗證明其效果明顯。遲寒等[21]采用以乙酸鈉和蔗糖為有機碳源的配水，在 SBAＲ 中培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥，通過逐步提高進水中城市生活污水的比例來馴化培養(yǎng)顆粒污泥的活性及適應能力。當進水全部為城市生活污水時，反應器運行穩(wěn)定，在進水 COD、氨氮分別為( 100-150) 、( 25-30) mg/L 時，系統對 COD 和 NH3-N 的平均去除率分別達70%和90%；顆粒污泥的MLSS 基本在2000 ～3500 mg/L，SVI 為35-50 mL/g。
荷蘭 DHV 公司于 2008 年將 NeredaTM 好氧顆粒污泥工藝首次用于南非某污水處理廠的升級改造中。該工藝是由荷蘭 DHV 公司及代爾夫特理工大學、STW 和 STOWA 合作研究出的新型好氧顆粒污泥技術，原改造計劃分兩步：**步，擴建已有設施使其處理能力達到 2 000 m3/ d；第二步，新建一座規(guī)模為5000 m3/ d 的采用傳統活性污泥工藝的污水廠。基于投資和用地等方面考慮，Nereda TM 技術*終被用于該污水廠的升級改造。與傳統工藝相比NeredaTM技術的基建投資低 20% 左右，電耗節(jié)省 35%-45% ，年運行費用降低50% 左右。目前，該工程正在試運行[22]。
3 結論與展望
好氧顆粒污泥與傳統的活性污泥、生物膜技術相比有著諸多的優(yōu)勢，近幾年的研究也趨于成熟，但是由于異養(yǎng)微生物生長速度快，當運行條件控制不當時，易造成顆粒污泥解體，沉降性能下降，出水水質惡化等問題。另一方面，缺乏相關完整的數學模型使得好氧顆粒污泥的研究缺乏規(guī)律性和操作性。
污水廠使用好氧顆粒污泥可以抗較強的沖擊負荷，縮短污泥沉降時間，減少占地面積，剩余污泥量也相應減少。因此，可以預測隨著污水廠的發(fā)展，好氧顆粒污泥將在新工藝中用廣闊的應用空間。
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