強化生物除磷系統中好氧顆粒污泥形成與研究

李世龍，柯柏明

（武漢理工大學 資源與環境工程學院，430070）

強化生物除磷（enhanced biological phosphorus removal，EBPR）被認為是一種有效的除磷工藝，反應條件先厭氧后好氧，利用聚磷菌的富集生長去除水中大部分的磷[1]。EBPR法與其他傳統方法相比，是一個相對低廉和可持續的方法[2]，同時該工藝已經在全球范圍內開始應用[3]。目前，大多數EBPR工藝都是用于活性污泥法中，但是實際應用中會遇到許多問題，如污泥膨脹、設備占地面積大、能耗高和剩余污泥產生量多等問題[1]。

好氧顆粒污泥是在好氧條件下培養的，由系統中微生物聚集形成的形狀規則的聚集體[4]。與傳統活性污泥相比，它具有沉降快、污泥結構穩定、剩余污泥量少等優點，且具有高污泥濃度，能承受高強度廢水和沖擊載荷。目前已有眾多研究致力于好氧顆粒污泥的開發利用，如用于處理高濃度有機廢水[5]、高鹽廢水[6-7]、印染廢水[8]等。此外，好氧顆粒污泥結構中同時存在好氧、缺氧、厭氧三區[9]，因此能有效去除COD的同時能夠實現同步脫氮除磷，故在實際應用上廣闊的應用價值。

1 好氧顆粒污泥

1.1 好氧顆粒污泥技術的發展

1991年，好氧顆粒污泥最早由Mishima等[10]在好氧升流式污泥床反應器（AUSB） 中培養出來，但AUSB運行條件嚴格，需要純氧曝氣，運行條件和成本均較高。直到20世紀90年代中期Morgenroth[11]等首次采用序批式反應器（SBR），成功培養出好氧顆粒污泥，為后來SBR培養好氧顆粒污泥奠定了基礎，也標志著好氧顆粒污泥技術的誕生。

在此基礎上，好氧顆粒污泥的研究在1997年迅速展開，進入了快速發展期，主要集中在兩個方面：宏觀上，研究污泥在顆粒化過程中的形貌變化、形成機制，并優化培養參數。微觀上，從微生物菌群結構、蛋白等層面去分析顆粒化機理。

1.2 好氧顆粒污泥形成機制

好氧顆粒污泥的形成，是物理、化學、生物共同作用的結果。關于顆粒污泥的形成過程進行了大量的研究，但仍沒有統一定論，目前主要有四種假說：

1）自凝聚假說。系統中的微生物在各個力（水力、靜電斥力、范德華力等）作用下發生自凝聚，從而有活性污泥轉化成顆粒污泥。在細胞與細胞、細菌與細菌、蛋白質與蛋白質及其三者之間均廣泛的存在這些力[12]，使得微生物凝聚成規則的三維結構。好氧顆粒污泥結構從內到外包含的細菌多達幾百萬種，細菌之間的相互作用力也有助于促進該過程的進行。微生物聚合體不斷聚集變大并不斷壓縮，結構變得緊密，最終形成結構致密、外形規則的顆粒狀污泥。

（2） 胞外聚合物（EPS） 假說。 EPS是在一定環境條件下由微生物，主要是細菌，分泌于體外的一些高分子聚合物。主要成分與微生物的胞內成分相似，是一些高分子物質，如多糖（PS）、蛋白質（PN）和核酸等聚合物。胞外聚合物假說認為，這些胞外聚合物通過增加污泥表面疏水性和降低污泥表面電負性來促進顆粒化進程。

（3）選擇壓力假說。在培養顆粒污泥的過程中，可以通過控制沉降時間，篩選掉沉降性能較差的污泥[13]，從而實現污泥的顆粒化。選擇壓力又分為物理選擇壓和生物選擇壓，物理選擇壓主要包括攪拌、曝氣、高徑比、沉淀時間、體積交換率等；生物選擇壓主要包括進水組分、有機負荷率等。

（4） 晶核假說。反應器中存在的固體物質，微生物附著在上面，先是形成小顆粒，然后微生物不斷地生長繁殖，變成大顆粒。晶核一般來源于反應器中的惰性基質或沉淀[14]，甚至是污泥本身。

2 顆粒穩定性研究

長期儲存和運行過程中結構穩定性和生物活性的喪失是好氧顆粒過程在野外應用的主要挑戰。以乙酸鈉為碳源，顆粒在有機負荷＜15kg/m3d時保持結構穩定性，但在有機負荷＞18kg/m3d時失去穩定性。有機負荷的增加可以增加顆粒大小，增強顆粒內厭氧芯的生長，這些顆粒是由大量的死細胞形成的，從而導致顆粒結構的崩塌。在顆粒污泥中加入10～50 mg/l TiO2納米粒子，發現顆粒污泥中的顆粒生成穩定、致密、硝化率高的藻類細菌顆粒。作者提出，納米粒子能以較少的絲狀菌株刺激EPS的排泄，從而產生穩定的顆粒。

由于好氧顆粒污泥過程中產生的松散顆粒結構會導致反應器內生物質的洗滌，因此，絲狀顆粒的過度生長往往被認為是好氧顆粒污泥工藝失敗的原因。在進水pH值為4.5～8的條件下，以乙酸或葡萄糖為碳源培養好氧顆粒。他們的研究首次在實驗上證實了酸性pH，而不是碳源（如乙酸或葡萄糖）控制好氧顆粒絲狀結構。酸性pH降低細胞內c-diGMP含量，提高地三花的生長速度，導致真菌過度生長。因此，作者提出在堿性條件下保持懸浮液能有效地抑制好氧顆粒中絲狀的過度生長。正酰基高絲氨酸內酯（AHL）降解酶的存在降低了好氧顆粒的結構穩定性。AHLs的水解降低了蛋白質的含量，從而降解了顆粒。

3 結語

在EBPR條件下，好氧顆粒污泥中能同時發生硝化、反硝化，以及除磷反應，好氧顆粒污泥技術將會發展成為一個能有效去除COD并同步脫氮除磷的非常有前景的新技術。

好氧顆粒污泥可以僅通過運行參數的相對小的范圍內進行，包括類型的接種量、進料組成和有機負荷，喂養策略，反應器的幾何形狀、曝氣強度、凝結時間、體積交換率[5]。然而，尚未建立全面的制粒機制，只是在理解粒化如何發生以及如何加速該方法方面已經取得了進展。

好氧顆粒在長期使用和貯存過程中的結構穩定性是其現場應用中的主要問題。近年來的研究提出了顆粒內外化學沉淀或顆粒內加入納米粒子以提高其結構穩定性。保持堿性環境以抑制絲狀過度生長的想法在提高顆粒操作穩定性方面具有潛在的應用價值。這些新的發現可以被看作是在好氧顆粒過程的潛在場應用方面向前邁出的一大步。