我國近些年水體富營養(yǎng)化和水污染嚴(yán)重，水污染控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。我國現(xiàn)有污水廠大多數(shù)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(yán)重限制了我國的污水處理。好氧顆粒污泥是廢水系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)活性污泥，好氧顆粒污泥不會出現(xiàn)污泥膨脹、出水水質(zhì)變差等問題。因此，好氧顆粒污泥應(yīng)用與工業(yè)廢水中難降解有機(jī)物的去除。另外，顆粒污泥具有高容積負(fù)荷下降解高濃度有機(jī)廢水的良好生物活性，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值。
通過對好氧顆粒污泥特性的描述，以及對其形成機(jī)理進(jìn)行描述，可以定性的了解好癢顆粒污泥的性質(zhì)及應(yīng)用；通過總結(jié)好氧顆粒污泥的的馴化及培養(yǎng)方法以及當(dāng)下對好氧顆粒污泥的應(yīng)用，預(yù)測污水廠應(yīng)用好氧顆粒污泥的進(jìn)一步發(fā)展。
1 好氧顆粒污泥的技術(shù)現(xiàn)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(zhì)
1） 基本性質(zhì)
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(shù)穩(wěn)定在0.45。好氧顆粒污泥的沉降速度與其大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在30-70m/h,約為傳統(tǒng)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(jī)元素種類不同，污泥顆粒可能出現(xiàn)不同的顏色。如當(dāng)顆粒污泥含大量鈣元素是會呈現(xiàn)白色[1]。
采用氣升式內(nèi)循環(huán)間歇反應(yīng)器，分別以蔗糖和乙酸鈉為進(jìn)水碳源對好氧污泥顆粒化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，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(yùn)行第7d 時，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)細(xì)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(xiàn)接種的絮狀污泥在運(yùn)行前10d，污泥顏色由棕黃色逐漸變成橙黃色，隨著運(yùn)行，顆粒污泥逐漸長大，多數(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)（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(yīng)器內(nèi)的停留時間，提高了污泥中微生物體的降解能力。相關(guān)研究表明，污泥直徑和沉降速率之間呈正相關(guān)。
3） EPS的組分
胞外聚合物（EPS）是由于微生物的代謝而產(chǎn)生的一類粘性物質(zhì)，其中，蛋白質(zhì)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(zhì)類[4]，在好氧顆粒污泥的形成過程中，蛋白質(zhì)類物質(zhì)的存在是好氧顆粒污泥形成的重要因素，但是Adav等認(rèn)為多糖類物質(zhì)是好氧顆粒污泥形成的重要因素，其在研究中發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥EPS中多糖類/蛋白質(zhì)類的比例明顯升高（由3.4升高到6.2），蛋白質(zhì)與總糖的比值影響污泥的表面性質(zhì)，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(xiàn)，用乙酸鈉和苯酚培養(yǎng)的顆粒內(nèi)核中的EPS主要以蛋白質(zhì)為主，而外核以多糖為主。這種結(jié)構(gòu)有利于污泥粒子間的凝聚和維持顆粒結(jié)構(gòu) [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(tǒng)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(xiàn)DO濃度維持在1.0mg/L。Chiu等[6]通過探針探測顆粒內(nèi)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(nèi)，表觀氧擴(kuò)散系數(shù)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(nèi)的顆粒污泥，表觀氧擴(kuò)散系數(shù)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(xì)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(jīng)過試驗表明，DO濃度并不是影響好氧顆粒污泥形成的關(guān)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(dāng)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(zhì)
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(xì)菌（球菌、桿菌）。掃描電鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡以及和FISH聯(lián)合使用的CLSM都能用來觀察顆粒污泥種群結(jié)構(gòu)，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(xiàn)好氧顆粒污泥內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)和基質(zhì)種類密切相關(guān)。
Jang等[9]發(fā)現(xiàn)氨氧化菌主要存在于顆粒污泥的外層及中層區(qū)域；王強(qiáng)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(quán)等[11]對同步脫氮好氧顆粒污泥內(nèi)部分析，發(fā)現(xiàn)大量球菌分布在污泥顆粒外部，而桿菌主要分布在內(nèi)部，外部結(jié)構(gòu)緊實，而內(nèi)部較為松散。顆粒表面生長著數(shù)量繁多、形態(tài)各異的原、后生動物。這些特殊的微生物結(jié)構(gòu)對于提高出水水質(zhì)、增加反應(yīng)器處理負(fù)荷有重要的作用。
1.2 好氧顆粒污泥的形成機(jī)制
1.2.1 四步途徑
關(guān)于顆粒污泥的顆粒化過程，國內(nèi)外學(xué)者已利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)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(xì)菌向細(xì)菌靠攏或細(xì)菌向基質(zhì)表面運(yùn)動,形成***初的微生物聚合體。基質(zhì)可以是污泥中已經(jīng)存在的細(xì)菌聚合體，也可以是惰性的無機(jī)或有機(jī)物。運(yùn)動所需的作用力主要來自水流推動力、擴(kuò)散力、重力、熱力以及細(xì)胞之間的相對運(yùn)動；②物理、化學(xué)和生物之間的作用力，使得細(xì)菌與細(xì)菌之間以及細(xì)菌與固體表面之間相互吸附，進(jìn)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(chǎn)生的生物凝膠是微生物細(xì)胞之間強(qiáng)有力的吸引力，這種吸引力使得細(xì)菌與細(xì)菌之間以及細(xì)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(jié)構(gòu)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(xiàn)象被認(rèn)為是顆粒污泥形成的一個假說。Tay等[13]認(rèn)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(xì)胞內(nèi)部、細(xì)胞之間的相互作用以及多種屬的細(xì)菌及細(xì)菌之間、蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)。事實上，好氧顆粒污泥可以看作是高密度的細(xì)菌團(tuán)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(xì)菌，細(xì)菌間的相互黏著促進(jìn)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(qū)動壓假說
在SBR反應(yīng)器中，通過控制沉降時間，只有在某個特定的時間范圍內(nèi)沉降速率快的顆粒污泥能在反應(yīng)器內(nèi)保存下來，而沉降性能差的就會從反應(yīng)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(zhì)無關(guān)。Wang等認(rèn)為顆粒污泥的穩(wěn)定性會隨著選擇壓的不斷增強(qiáng)而逐漸增強(qiáng)。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(xiàn)硝化顆粒污泥需要高強(qiáng)度的選擇壓。
3） 胞外多聚物假說
EPS是微生物分泌于細(xì)胞表面的大分子黏性物質(zhì)，能夠改變細(xì)胞表面的物理化學(xué)性質(zhì)，主要包括蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)酸和油脂等，這些物質(zhì)有利于微生物細(xì)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(rèn)為，EPS是微生物細(xì)胞和顆粒態(tài)物質(zhì)相連接的橋梁。高濃度的多糖可以幫助細(xì)胞之間的吸附，并且通過聚合物矩陣增強(qiáng)微生物結(jié)構(gòu)，如果胞外多糖代謝機(jī)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(yīng)用現(xiàn)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(nèi)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(xì)菌和莢膜細(xì)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(jìn)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(yīng)器的選擇
連續(xù)流反應(yīng)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(yīng)器主要用于培養(yǎng)硝化顆粒污泥,而絕大多數(shù)好氧顆粒污泥都是利用有機(jī)基質(zhì)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(jìn)行了探討[18]，運(yùn)行條件如表2。這些運(yùn)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(guān)鍵參數(shù)是縮短沉淀時間和進(jìn)水時間，保持一定的上升氣速和容積負(fù)荷.這與好氧顆粒化的機(jī)理是密切相關(guān)的。
表2 不同反應(yīng)器中形成的顆粒性質(zhì)
2.2 好氧顆粒污泥在污水處理中的應(yīng)用
2.2.1 實驗室階段應(yīng)用
1） 在處理高濃度廢水方面
好氧顆粒污泥具有結(jié)構(gòu)致密、沉降性能好、污泥產(chǎn)率低的優(yōu)點，大大提高了反應(yīng)器處理效率和抗沖擊負(fù)荷能力，已報道的顆粒化 SBＲ 反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷率可達(dá) 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(jī)物降解方面
Tay 等首次報道了以苯酚為***碳源、負(fù)荷為 2.5 kg/( m3·d) 的 SBR反應(yīng)器內(nèi)獲得結(jié)構(gòu)致密的好氧顆粒，反應(yīng)器污泥濃度為( 8.2 ±0.8) g/L，泥產(chǎn)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(shù)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(jī)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(xì)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(yīng)在好氧顆粒污泥對城市生活污水的應(yīng)用領(lǐng)域，以2004年荷蘭 DELFT大學(xué)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(yīng)能力。當(dāng)進(jìn)水全部為城市生活污水時，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，在進(jìn)水 COD、氨氮分別為( 100-150) 、( 25-30) mg/L 時，系統(tǒng)對 COD 和 NH3-N 的平均去除率分別達(dá)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(xué)、STW 和 STOWA 合作研究出的新型好氧顆粒污泥技術(shù)，原改造計劃分兩步：***步，擴(kuò)建已有設(shè)施使其處理能力達(dá)到 2 000 m3/ d；第二步，新建一座規(guī)模為5000 m3/ d 的采用傳統(tǒng)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(shù)***終被用于該污水廠的升級改造。與傳統(tǒng)工藝相比NeredaTM技術(shù)的基建投資低 20% 左右，電耗節(jié)省 35%-45% ，年運(yùn)行費用降低50% 左右。目前，該工程正在試運(yùn)行[22]。
3 結(jié)論與展望
好氧顆粒污泥與傳統(tǒng)的活性污泥、生物膜技術(shù)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(dāng)運(yùn)行條件控制不當(dāng)時，易造成顆粒污泥解體，沉降性能下降，出水水質(zhì)惡化等問題。另一方面，缺乏相關(guān)完整的數(shù)學(xué)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(qiáng)的沖擊負(fù)荷，縮短污泥沉降時間，減少占地面積，剩余污泥量也相應(yīng)減少。因此，可以預(yù)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(yīng)用空間。
