好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水研究進(jìn)展

姚源，潘江，肖芃穎，陳婷婷，趙天濤，封麗,3，趙春陽

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶市生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 401147；2.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 4000543；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；4.重慶川儀環(huán)境科技有限公司，重慶 401121)

高氨氮廢水主要來源于畜禽養(yǎng)殖、垃圾滲濾液、皮革廢水、焦化廢水以及化肥廠等生產(chǎn)過程[1]。高氨氮廢水未經(jīng)處理直接排放容易引起水中藻類及其他微生物大量繁殖，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化；高氨氮廢水排入自來水廠，會導(dǎo)致水廠運(yùn)行故障而造成飲用水異味；處理高氨氮廢水過程會產(chǎn)生大量硝酸鹽及亞硝酸鹽，長期飲用含有這類產(chǎn)物的水會誘發(fā)高鐵血紅蛋白血癥，嚴(yán)重影響居民身體健康。

高氨氮廢水處理主要有生物法、化學(xué)法、物理法三種，其中生物法具有經(jīng)濟(jì)有效、無二次污染等特點(diǎn)，是目前公認(rèn)最具發(fā)展前景的氨氮處理方法[2]。傳統(tǒng)生物脫氮處理工藝，雖然能夠有效去除氨氮，但存在碳源、溶解氧不足，有大量剩余污泥等問題，為此，誕生了許多新型生物脫氮技術(shù)，例如短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝及厭氧氨氧化工藝等，其具有經(jīng)濟(jì)性能好、脫氮效率高等明顯優(yōu)勢，但仍然存在一定的應(yīng)用瓶頸。近20年來，好氧顆粒污泥因其致密的結(jié)構(gòu)、良好的沉降性能、耐沖擊負(fù)荷能力和多功能菌群等諸多優(yōu)勢，成為廢水生物處理領(lǐng)域的新興技術(shù)，且對高氨氮廢水具有良好的去除效果，同時(shí)降解有毒、有害物質(zhì)，已受到越來越多的關(guān)注。因此，研究好氧顆粒污泥對高氨氮廢水的處理效果及影響因素具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

據(jù)此，本文對好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)研，探討了好氧顆粒污泥技術(shù)在處理垃圾滲濾液、化肥工業(yè)污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的研究現(xiàn)狀及處理效果，好氧顆粒污泥形成機(jī)理及主要影響因素，最后對好氧顆粒污泥技術(shù)處理高氨氮廢水工程應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 好氧顆粒污泥技術(shù)處理高氨氮廢水研究現(xiàn)狀

據(jù)報(bào)道，好氧顆粒污泥技術(shù)目前已經(jīng)在畜禽養(yǎng)殖廢水、化肥工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等高氨氮廢水領(lǐng)域展開研究。研究表明，好氧顆粒污泥與傳統(tǒng)絮狀污泥相比具有良好的沉降性能、高生物量、集多種微生物于一體等特點(diǎn)，使其在處理某些高濃度有機(jī)廢水、難降解廢水、高氨氮廢水時(shí)仍能保持較好的去除效果。好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水部分示例見表1。

表1 好氧顆粒污泥技術(shù)處理高氨氮廢水

垃圾滲濾液主要來源于填埋場，具有高氨氮、低生化性、含鹽高、重金屬多等特點(diǎn)，其中高氨氮是處理過程中一大難題。目前，處理垃圾滲濾液主要以物化法和生物法為主，物化法處理高氨氮廢水，主要通過氨吹脫塔來進(jìn)行去除，同時(shí)調(diào)節(jié)pH、溫度等，這無疑增加運(yùn)營成本。生化法，主要是在處理高氨氮廢水時(shí)會產(chǎn)生大量游離氨導(dǎo)致生物活性降低，影響工藝正常運(yùn)行。好氧顆粒污泥具有高生物量、沉降性好、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)勢，適用于處理高氨氮廢水。Wei等[5]向GSBR反應(yīng)器中接種好氧顆粒污泥處理垃圾滲濾液，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)同步硝化反硝化現(xiàn)象，且當(dāng)氨氮濃度提升至788 mg/L，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)短程硝化反硝化，大量亞硝酸鹽累積。好氧顆粒污泥由內(nèi)向外厭氧、兼氧、好氧的特殊結(jié)構(gòu)，處理高氨氮廢水過程產(chǎn)生游離氨有助于氨氧化菌的富集，促進(jìn)短程硝化反硝化工藝實(shí)現(xiàn)[8]，為處理垃圾滲濾液提供了新方向。

化肥行業(yè)生產(chǎn)排放的高氨氮廢水，主要來源于企業(yè)生產(chǎn)尿素、氨等化肥過程。蔡佳青[9]研究好氧顆粒污泥對高氨氮化肥企業(yè)廢水處理效果，顆粒污泥經(jīng)過46天的培養(yǎng)及馴化對污染物有良好去除效果，穩(wěn)定運(yùn)行期間COD、氨氮平均去除效率約94.2 %、89.8 %。劉浩[10]等同樣發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥對化肥工業(yè)廢水中COD、氨氮去除效果良好，平均去除率分別達(dá)93.5 %和89.2 %，總氮去除率維持在66.5 %以上。

作為典型高氨氮廢水-畜禽養(yǎng)殖廢水，好氧顆粒污泥對其同樣具有良好去除效果。相較于傳統(tǒng)SBR工藝，好氧顆粒污泥在去除高濃度豬場廢水及沼液具有潛在優(yōu)勢[11]。謝磊等[12]首先利用城市生活污水成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，再處理高濃度豬場廢水；在氨氮濃度穩(wěn)定在800 mg/L左右條件下，COD、氨氮去除率一直穩(wěn)定在80%以上，去除效果良好。王曉春等[13]同樣研究好氧顆粒污泥對畜禽養(yǎng)殖廢水處理效果，反應(yīng)器經(jīng)過35天穩(wěn)定運(yùn)行，COD、氨氮平均去除率為98.56 %、86.14 %，另外好氧顆粒污泥對畜禽養(yǎng)殖廢水中四環(huán)素也有去除效果。

2 好氧顆粒污泥的特點(diǎn)、形成機(jī)理及影響因素

2.1 好氧顆粒污泥的特點(diǎn)

好氧顆粒污泥是活性污泥在好氧條件下通過形成高選擇壓，促進(jìn)微生物自凝聚，從而形成外觀規(guī)則、結(jié)構(gòu)緊湊、輪廓清晰的生物聚合體[14]。好氧顆粒污泥受進(jìn)水水質(zhì)和接種污泥的不同形成顆粒一般有淡黃、棕色和黃色，粒徑一般在0.20～5.00 mm之間，通常外觀呈球形或橢球形,其特殊的結(jié)構(gòu)可以形成厭氧-好氧環(huán)境，從而為不同微生物生長提供場所，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷[15]。

2.2 好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

好氧顆粒污泥是在好氧條件下，通過高選擇壓促使微生物進(jìn)行自固定而形成的顆粒污泥，其本身是一種特殊的生物膜，其形成過程包括物理、化學(xué)及生物多種共同作用。目前國內(nèi)外研究者，通過不同手段，如高通量測序、熒光原位雜交等從不同角度探索好氧顆粒污泥的形成，提出不同的機(jī)理假說。

2.2.1胞外多聚物(EPS)假說

胞外聚合物(EPS)是在特定環(huán)境條件下微生物為抵抗外界條件的改變而分泌一種高粘性聚合物，其成分主要以蛋白質(zhì)、多糖、腐殖酸為主，還有部分DNA、脂肪、脂類及一些無機(jī)物。其中蛋白質(zhì)可以改變細(xì)胞間疏水性，降低細(xì)胞表面的自由能，增強(qiáng)微生物之間粘連，從而形成結(jié)構(gòu)致密、穩(wěn)定的好氧顆粒污泥。另一主要成分多糖，主要分布在顆粒污泥內(nèi)部及菌膠團(tuán)細(xì)胞間隙，可以維持所形成顆粒污泥的完整性，與附著在顆粒表面的絲狀菌嵌合形成好氧顆粒污泥，在形成過程中起骨架作用[16]。

2.2.2微生物自凝聚假說

自凝聚是指微生物在適當(dāng)?shù)臈l件下為應(yīng)對外界環(huán)境改變而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，改變自身特征發(fā)生凝聚，從而形成生物活性高、沉降性能好、密度大的生物聚合體，隨后慢慢進(jìn)化，最終形成好氧顆粒污泥。

2.2.3絲狀菌假說

研究表明，當(dāng)接種污泥當(dāng)中含有絲狀菌時(shí)，會將系統(tǒng)中球菌、桿菌及小顆粒等相互連接、纏繞形成顆粒污泥。當(dāng)接種污泥中絲狀菌占優(yōu)勢時(shí)，大量細(xì)菌會以絲狀菌為載體進(jìn)行吸附性生長，其相當(dāng)于骨架作用，在剪切力、沉降時(shí)間改變下，形成好氧顆粒污泥。林勇山等[17]研究發(fā)現(xiàn)通過向絮狀活性污泥中接種部分絲狀菌，可以在15天就培養(yǎng)出理化性能良好的好氧顆粒污泥，大大縮短顆粒化時(shí)間。

2.3 影響好氧顆粒污泥形成的主要因素

好氧顆粒污泥形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括物理、化學(xué)和生物共同作用。在有氧條件下，由絮狀污泥逐步向顆粒污泥轉(zhuǎn)化，這一過程也受到不同因素影響，比如有機(jī)負(fù)荷及組成、水力剪切力、沉降時(shí)間、反應(yīng)器構(gòu)造及金屬離子等。

有機(jī)負(fù)荷過低，微生物生長緩慢；有機(jī)負(fù)荷過高造成系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌大量繁殖，影響反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，適宜顆粒污泥形成有機(jī)負(fù)荷范圍在2.50-15 kg COD/(m3·d)。王芳等[18]研究了不同有機(jī)負(fù)荷下(1.58 kg/(m3.d)、14.12 kg/(m3.d))好氧顆粒污泥對污染物去除效果，發(fā)現(xiàn)在兩種負(fù)荷條件下顆粒污泥對污染均有良好去除效果，但高負(fù)荷下顆粒污泥的沉降性能比低負(fù)荷條件下好，且在低負(fù)荷下出現(xiàn)了污泥膨脹現(xiàn)象。因此適宜的有機(jī)負(fù)荷有利于好氧顆粒形成。

水力剪切力在顆粒形成及穩(wěn)定運(yùn)行過程中同樣具有重要作用[19]。在序批式SBR反應(yīng)器中，水力剪切力主要來源于氣體流動，污泥在水力剪切力作用下相互碰撞，最后形成好氧顆粒污泥。研究表明只有當(dāng)反應(yīng)器水力剪切力提高到一定水平，好氧顆粒污泥才會形成。Liu等[20]研究表明只有當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)上升流速大于1.2 cm.s-1時(shí)，顆粒污泥才會形成；隨著上升流速增加，顆粒污泥外觀越來越規(guī)則，密度、強(qiáng)度越來越，還會促進(jìn)微生物分泌大量EPS，細(xì)胞疏水性增強(qiáng)，有助于形成結(jié)構(gòu)緊密好氧顆粒污泥[21]，維持反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。

沉降時(shí)間是影響污泥顆粒化的重要因素，在顆粒污泥形成過程中主要是對微生物進(jìn)行篩選，將沉降性差的污泥排出反應(yīng)器，留下沉降性良好的污泥進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆粒化。Qin等[22]研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)沉降時(shí)間低于15 min時(shí)，才會出現(xiàn)好氧顆粒污泥，當(dāng)沉降時(shí)間小于5 min時(shí)，顆粒污泥在反應(yīng)器當(dāng)中占據(jù)主導(dǎo)作用。同時(shí)在較短的沉降時(shí)間下，反應(yīng)器當(dāng)中的EPS含量明顯增加，微生物活性及細(xì)菌表面的疏水性明顯增強(qiáng)，顆粒化進(jìn)程也明顯加快。

3 好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水的影響因素

3.1 有機(jī)負(fù)荷的影響

有機(jī)負(fù)荷(OLR)對顆粒的形成與穩(wěn)定有一定影響，有機(jī)負(fù)荷變化會產(chǎn)生不同選擇壓，富集不同微生物菌群影響污泥的顆粒化及穩(wěn)定性[23]。研究表明[24],在較低有機(jī)負(fù)荷下，好氧顆粒污泥內(nèi)部容易發(fā)生水解，導(dǎo)致顆粒污泥內(nèi)部出現(xiàn)空洞而解體，影響反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷過高時(shí)，顆粒污泥中微生物快速增長，顆粒粒徑變大導(dǎo)致，顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松，穩(wěn)定性變差。王香蓮[25]在培養(yǎng)好氧顆粒污泥過程中頻繁改變氨氮濃度造成顆粒污泥穩(wěn)定性減弱，出現(xiàn)顆粒解體；當(dāng)進(jìn)水COD為2200 mg/L，氨氮濃度為240 mg/L，出水氨氮、亞硝酸鹽均檢測不出，TN去除率高達(dá)70 %，去除效果良好。

3.2 溶解氧的影響

在較低高溶解氧(DO)下由于傳質(zhì)阻力的存在會導(dǎo)致顆粒內(nèi)部由于供氧不足而產(chǎn)生厭氧代謝，同時(shí)絲狀菌大量繁殖，嚴(yán)重影響顆粒污泥的穩(wěn)定性，甚至不能形成好氧顆粒污泥；適當(dāng)?shù)腄O濃度促進(jìn)顆粒污泥的形成及生長，顆粒粒徑分布也比較集中；但DO過高，由于水力剪切力的作用導(dǎo)致顆粒污泥解體，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。黃國玲等[26]研究發(fā)現(xiàn)氨氮濃度從300 mg/L逐步提升至900 mg/L，pH為8，曝氣量為75 L/h時(shí)，脫氮效果最佳，氨氮去除率維持在96.7 %以上；曝氣量較低會導(dǎo)致DO不足，顆粒污泥之間相互碰撞幾率減少，曝氣量過大會導(dǎo)致顆粒內(nèi)部厭氧區(qū)的空間減少，不利于反硝化進(jìn)行。董苗苗等[27]研究發(fā)現(xiàn)污泥的沉降性能、胞外聚合物中多糖(PS)含量隨著DO的升高而增加，而胞外聚合物中蛋白質(zhì)(PN)基本不變，且在較高DO條件下部分顆粒污泥出現(xiàn)解體。

3.3 其他方面

其他因素，例如進(jìn)水C/N比、碳源種類、排水比、選擇壓、pH、溫度、曝氣時(shí)間、絮凝劑添加方式等都會對顆粒污泥造成影響。何理[28]首先利用合成廢水在不同選擇壓下啟動好氧顆粒污泥，得出最佳條件，后在不同排水比(73 %、66 %、50 %)下以實(shí)際畜禽養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)在較小選擇壓形成的顆粒污泥粒徑較大，且脫氮效果良好；排水比為66 %形成顆粒污泥具有較好的碳氮去除效果，而排水比50 %形成的顆粒污泥對磷去除效果較好。

4 結(jié)論與展望

好氧顆粒污泥因其良好的沉降性、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、高生物量等特點(diǎn)受到越來越多研究者的關(guān)注，對畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液、化肥工業(yè)廢水等高氨氮有機(jī)廢水具有良好的去除效果，且序批式反應(yīng)器相較于傳統(tǒng)工藝具有工藝簡單、運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小等特點(diǎn)，使好氧顆粒污泥技術(shù)在處理高氨氮廢水領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價(jià)值。但由于異養(yǎng)微生物生長速度快，當(dāng)運(yùn)行條件(如容積負(fù)荷、曝氣量等)控制不當(dāng)時(shí),易造成顆粒污泥解體，沉降性能下降，出水水質(zhì)惡化，因此好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性成為其工業(yè)化推廣的瓶頸，這將是今后的研究重點(diǎn)。