連續流好氧顆粒污泥形成難點與技術現狀綜述

李明亮，朱兆亮

(山東建筑大學 市政與環境工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

污水處理系統的效率取決于系統中微生物的代謝能力和處理過程最后階段固/液分離的有效性兩個方面。好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)憑借其同步硝化反硝化和高沉降速度可同時改善這兩方面的特性，近年來受到人們的廣泛關注[1－2]。學者們關注其物理化學性質、形成機理和在不同廢水中的應用情況，使用了眾多形式的反應器，其中大多使用序批式間歇反應器(Sequencing Batch Reactor，SBR)進行培養[3－4]。近年來對間歇式培養顆粒污泥的研究日趨完善，研究者開始將注意力轉向連續流反應器(Continuous Flow Reactor，CFR)，與SBR相比，CFR有以下優點:

(1)易于操作和控制 SBR需要進水、反應、沉淀和排水4個步驟進行循環，運行過程較為復雜，需要單獨控制每一步，雖然在實驗室中可以使用編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)逐一控制4個循環階段，但是自動閥門數量的增加和電路設計的使用也使得故障率增加，需要更為專業的人員進行維修管理。尤其是進水和排水階段，為盡可能地縮短運行周期，需要短時間內完成。快速地進水和排水極易改變反應器內的水力條件。進、排水在整個運行周期的時間占比是SBR系統的固有劣勢，而CFR系統的進、排水過程可以同時進行，系統內水力條件也較為穩定。

(2)流動模式 間歇式反應器的處理規模受到限制，一次只能處理少量的廢水，導致在運行過程中需要儲存大量待處理廢水。雖然可以通過按順序操作多個SBR或增加一個調節池解決，但這樣做需要更大的占地面積和高昂的資金成本，以及復雜的操作程序。CFR系統的進水流量是根據覆蓋地區的設計流量計算得出的，短時間流量的波動對連續流系統影響極小，好氧顆粒污泥良好的沉淀性能可以縮小沉淀池尺寸，節省占地面積。因此，CFR是處理大規模污水的最佳選擇。

(3)現有的基礎設施 目前大多數大型污水處理廠都在使用連續流系統，直接在現有基礎設施中實施好氧顆粒污泥比將現有操作轉換為間歇模式要簡單得多。此外，顆粒系統更高的生物量保留率將使CFR無須擴展現有基礎設施并且能夠有效提高處理性能。LI等[5]和黃梅等[6]分別在有效容積為60、303 L的改良型氧化溝中實現了好氧造粒，為工程上應用該技術提供了重要經驗。

只有當好氧顆粒污泥能夠穩定地維持在CFR才可能得到廣泛應用，在實際應用中還要求較短的啟動時間。快速啟動和顆粒穩定性是阻礙AGS技術廣泛應用的兩大因素，研究者們通常將SBR中形成的顆粒污泥接種至CFR中[7－8]，或者投加晶核類物質(鈉、鎂離子等)[9－10]，以獲得更快速的啟動。為維持AGS的穩定性，目前對CFR形成好氧顆粒的研究大多都借鑒SBR中形成好氧顆粒的優勢，通過優化反應器結構，模擬SBR中形成好氧顆粒污泥的循環模式和水力條件。盡管連續流比間歇循環有優勢，但在連續流中應用AGS是一項新的努力，為此文章綜述了好氧顆粒污泥在SBR中形成的有利條件和在CFR中好氧污泥造粒的難點及目前的解決方案，找出技術差距，并展望了未來的研究方向。

1 SBR反應器中好氧顆粒污泥的形成機理

目前普遍認可的穩定好氧顆粒污泥的形成機理是SARMA等[11]提出的4步造粒理論，即(1)由于細胞間相互作用力而發生細胞間碰撞，產生最初的細胞間粘附；(2)細胞表面疏水性的增加使細胞初始的凝聚力增強，自附著細胞逐漸產生微聚集體；(3)聚集微生物產生大量的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，其含量的增加也使微生物群體產生不可逆的聚集和生長；(4)隨著氣泡與水流形成柔性剪切力，微生物群體不斷聚集成為顆粒狀。顆粒的形成過程受接種污泥對外部環境中反應器配置和操作條件等流體動力學參數的響應，這些參數包括選擇壓力、水力剪切力、飽食/饑餓條件等，了解SBR中存在的這些培養條件和機制有助于更好地理解CFR中相似的造粒過程。

1.1 基于沉降速度的選擇壓力

SBR反應器的操作步驟是進水、反應、沉淀和排水的循環操作，在反應循環結束時，生物量只允許在短時間內沉淀，同時污水需要迅速從反應器中排出，由于密度較大的生物顆粒比密度較小的生物顆粒沉降更快，較短的沉降時間和上清液的快速排放產生了一個選擇壓力，具有良好沉降特性的生物量保留在系統中，即會將沉降性能較差的生物量沖洗出反應器，這種現象稱為基于沉降速度的選擇壓力。通過這種選擇壓力，除了篩選出具有良好沉降性能的顆粒污泥外，細胞疏水性和EPS的合成也得到了提高[12]。在眾多的研究中，沉降時間可認為是促進成功形成好氧顆粒的決定性因素[13]。值得注意的是，在未觀察到好氧顆粒形成的情況下，SBR所需的沉淀時長可以達到30 min，大多數的SBR實驗都是通過逐步減小沉淀時間來實現對生物量的選擇，因為在一個循環周期內，排出的污泥量必須小于新增殖的污泥量，以維持反應器內的生物量濃度，在這個原則的基礎上利用選擇壓篩選，逐步將形成的好氧顆粒保留在反應器內。這種趨勢表明，基于沉降速度的選擇壓力確實是SBR好氧顆粒化的最終驅動力。

1.2 水力剪切力

水力剪切力和沉降速度形式的選擇壓力同樣重要，是造粒過程的第一驅動力。在造粒的開始階段，水力流動使微生物間不斷碰撞聚集，剪切力來自汽水混合液的流動以及固體之間的碰撞[14]。剪切力還能夠誘導EPS分泌，使細胞表面疏水性增強，進而增加顆粒密度。剪切力對好氧顆粒的形狀和大小有著重要影響，其可以將成熟顆粒表面的老化細菌剝離，對顆粒外層細胞的生長速度起著平衡作用。剪切力去除了可能積聚在顆粒表面快速生長的絲狀細菌[15]。研究發現，在柱式SBR中，當氣體上升流速度＞1.2 cm/s時，好氧顆粒才能逐漸形成，并且在高動力剪切力下形成更致密、不易解體的好氧顆粒，但是氣體上升流速不宜＞7.08 cm/s，此時由于剪切力過強容易導致顆粒解體[16]。AGS反應器的水力特性很大程度上受反應器結構的影響，張遠等[17]研究了高徑比對好氧顆粒化的影響，在高徑比分別為5和2.5時培養出致密的顆粒污泥，而在高徑比為1.5時培養的顆粒污泥結構松散，粒徑較大。實際上，高徑比增大的直接結果是使水力剪切力發生改變，在曝氣量一定的條件下，更高的高徑比帶來更高的氣體上升流速。在柱式AGS反應器中，使用懸浮擋板可產生更高的水循環速率，設計不同的反應器結構也是改變水力剪切力的一種方式[18]。

1.3 飽食/饑餓條件

SBR的循環運行始于飽和期，結束于底物和營養物質受到限制的饑餓期。以醋酸鹽作碳源為例，存在醋酸鹽的時期稱為基質飽和期，這個周期的剩余部分稱為饑餓期，從飽和期到饑餓期的轉變過程中會有一些標志性的現象，如化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)濃度降低、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)濃度急劇增加、CO2產率降低、空氣飽和度升高[19]。如果進水來自反應器底部，底物濃度隨著污泥床高度的上升而減小，形成基質梯度，則饑餓期效應也隨之增強。當處于基質飽和期時，微生物群體將可快速生物降解的基質轉化為細胞內的可生物降解儲存基質，以備饑餓期利用；當環境中的營養物質耗盡時，利用儲存的糖原、聚－β－羥丁酸等進行內源性呼吸，導致微生物更容易聚集，以提高存活率。有研究發現這種變化還可以增強微生物細胞的疏水性，有利于微生物之間的黏附和聚集，饑餓期也有助于誘導EPS產量增加，這被認為能夠促進造粒[20]。飽/饑狀態產生的濃度梯度也使AGS內部細菌的生長速率相比外部細菌較慢，而且能夠抑制絲狀菌的生長，有利于維持AGS的穩定性。

1.4 底物組成

已知在使用不同廢水的SBR中好氧顆粒均能形成[21－23]，這表明廢水種類不是顆粒形成的決定性因素。研究表明:好氧顆粒分解難降解基質的能力比絮狀污泥更強，如降解苯酚等。因為易降解有機物在經過顆粒表層時就被分解利用，不易降解的有機物進入顆粒中心的可能性更大。并且已經證明即使在存在顆粒有機物的情況下，好氧顆粒也會形成，這是因為顆粒有機物雖然不能通過細胞膜，但是可以在吸附利用前進行細胞外水解。因此，將進水先通過厭氧階段處理有助于溶解顆粒物，使有機顆粒物更容易降解[24]。WAGNER等[25]研究發現，在處理含顆粒有機物廢水時，形成好氧顆粒需要兩個條件:(1)降低生物量快速沉降的選擇壓力；(2)延長厭氧時間，有利于顆粒有機物的水解和有機基質的利用。基質種類也會影響好氧顆粒的培養過程，如以醋酸鹽為底物可以促進致密顆粒的形成，而葡萄糖等易于生物降解的COD容易使絲狀細菌得到生長，不利于好氧顆粒的形成。

1.5 溶解氧

溶解氧濃度不是影響SBR反應器好氧顆粒化的主要因素，在成功的造粒實驗中，DO的范圍較為廣泛，從0.7～8 mg/L不等[26]。然而，溶解氧會影響顆粒穩定性，低溶解氧環境通常有利于絲狀菌生長和厭氧核心形成[27]，絲狀菌的過度生長和厭氧核心中發酵產生的氣體極易使顆粒解體。好氧顆粒的同步硝化反硝化是以顆粒外層氨氧化為基礎的，產生的硝酸鹽可以擴散到顆粒內部，并在其內部作為反硝化細菌的電子受體維持細胞生長。在缺氧/厭氧和有氧階段循環(如在具有缺氧或厭氧選擇器的反應器)中，由于絲狀生物在NO2－和NO3－還原方面不如非絲狀生物，因此若系統中存在缺氧/厭氧階段可抑制絲狀微生物生長，促進顆粒的形成。黃梅等[6]研究發現降低DO濃度有利于好氧顆粒污泥的反硝化過程，但容易導致污泥膨脹。DE KREUK等[28]利用添加氮氣的方法，在不改變氣體上升流速的情況下考察氧氣濃度降低對好氧顆粒的影響，結果表明，當氧飽和度從100%降低到40%時，顆粒在兩周內出現破裂現象，穩定后顆粒直徑也有所減小。

1.6 生長較慢的微生物(微生物的生長速率)

絲狀菌生長較快，吸收分解有機物的能力強，在低基質濃度的環境中相比其他細菌處于優勢地位，絲狀菌的過度生長易造成污泥上浮等問題，在AGS中尤為明顯，容易造成AGS解體，所以有學者研究了微生物的生長速率對顆粒穩定的影響，得出控制好氧顆粒穩定性一個重要參數是顆粒內微生物的實際生長速度。PICIOREANU[29]等將生物膜的穩定性與底物的擴散以及生物體的生長速度聯系在一起，如果顆粒內部的基質濃度梯度急劇下降，就會形成非均勻或絮凝狀的生物膜；如果濃度梯度是漸進的，則更容易產生規則的生物膜顆粒。較低的生長速率狀態下會產生更平滑的生物膜顆粒，這意味著當生物體以低速率生長時，更容易形成穩定的顆粒，如厭氧氨氧化顆粒污泥，可能是由于其生長較慢而容易聚集形成顆粒。在使用SBR實驗時，硝化細菌等生長緩慢的微生物存在會促進AGS的形成，KISHIDA[30]等利用硝化抑制劑——烯丙基硫脲來驗證了該結論。也有研究稱快速增長可能會降低顆粒的總生產力，在微生物群體中快速增長(使個體收益)和高效增長(使群體收益)之間存在權衡[31]，因為群體中某一類細菌的過度增長會破壞整個微生態系統的平衡，而環二鳥苷酸等信號分子作為不同菌種之間的“使者”，在維持生長速度的過程中起著重要的調節作用[32]。

2 連續流條件下好氧造粒的難點

與SBR相比，CFR中的好氧顆粒處在不同的培養環境中，因此基于SBR形成好氧顆粒的優勢將不能體現出來，如選擇壓力的應用、間歇性基質飽和期/饑餓期，以及污泥回流中設備對顆粒的損壞。

2.1 選擇壓力的應用

選擇性地保留沉降性能好、處理效率高的好氧顆粒可認為是SBR中傳統好氧造粒的最終驅動力。這種選擇壓力很容易應用于柱式SBR中，因為其可以控制較短的沉淀時間來對生物量進行選擇，但在CFR中實現起來較為困難，常規二次沉淀池設計通常需要較長的沉淀時間以達到澄清水質的目的。即使控制CFR沉降時間與SBR相當，由于水連續流動帶來的額外干擾，顆粒的沉降情況也與SBR中有所不同[33]。因此，選擇沉降性能較好的生物量要求CFR配備一個有效的選擇機制，用于從混合液中連續分離快速沉降顆粒并將其保留在反應器內。然而，大多數操作模式過于復雜[34－35]，或不能通過調整沉降速度選擇污泥[36]，因此在CFR中引入簡單有效的選擇壓力是非常必要的。

2.2 提供基質飽和/貧乏期

由于SBR間歇式的循環模式而產生的基質飽和/貧乏期被認為是促進好氧造粒的重要條件，但在CFR中提供該條件是十分困難的。CFR反應器是完全混合的，在一定的有機負荷條件下，進水中的底物進入反應器后被快速吸附分解，底物濃度一直保持在較低水平，出水中的有機物濃度與反應器內混合液的濃度大致相同。一般來說，好氧顆粒是因為基質種類和氧濃度梯度的差異產生分層，顆粒內部的生物量需要較高的底物濃度，較低的底物濃度導致有機物、溶解氧和其他營養物質無法進入顆粒的核心，當內部細菌無法耐受就會導致顆粒結構松散而發生解體。研究表明:在低底物濃度條件下，絮狀細菌比好氧顆粒更具優勢，并在反應器中占據主導地位。因此，在CFR中提供飽食/饑餓條件是CFR好氧造粒的另一個重要因素。

2.3 顆粒再循環

在傳統的CFR工藝中，通常需要外回流來維持系統中的生物量，這就不可避免地用到回流泵。如果這樣的外部裝置用于固液分離，使沉降更快的好氧顆粒回流到反應池，傳統的泵回流系統可能會破壞回流的顆粒。

3 CFR中好氧造粒技術的研究現狀

3.1 CFR中的選擇壓力

基于沉降速度的選擇壓力通常用于SBR反應器，而CFR則通過內部或外部的固液分離器來實現。用于上流式反應器的內部分離器通常使用一個擋板將反應器分為曝氣反應區與選擇沉降區，如圖1(a)和(b)所示[37－38]。右端的曝氣區提供水力剪切力和所需溶解氧，左端形成固液分離區，即顆粒選擇區，由于出水口設置在該區域，所以會產生一定的上升流速，沉速大于該流速的顆粒會沉降至底部，底部的斜板會使得顆粒重新進入曝氣區，由此產生選擇作用。而且圖1(b)中反應器可通過移動擋板改變固液分離區的容積，進而改變表面水力負荷，可以在顆粒形成的不同時期時來調節顆粒的固液分離效果。三相分離器是一種經典的帶有內部分離器的反應器形式，如圖1(c)所示[39]，隔板將反應器分為中心曝氣區和外部沉淀區，汽水混合液由于曝氣作用從裝置的中部向上流動，至頂部汽水分離后溢流向四周，斜板阻擋顆粒進入出水區域，使沉速較好的生物量再次沉降至反應器底部。雖然三相分離器最初的設計是應用于上流式厭氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB)中，但在好氧顆粒污泥的研究中也得到了廣泛應用。眾多研究表明在反應器中適當地增加擋板可以實現對好氧顆粒的選擇[40]。除增加內部分離器外，更為傳統的方法是增加一個外部分離器進行選擇，如圖1(d)所示。龍焙等[41]利用一個上流式反應器，通過斜管連接到外部擋板沉淀池，混合液進入沉淀池后，沉降較好的顆粒通過底部聯通管回流至反應區，沉降較差的絮狀污泥被篩選出反應器。鄒金特等[42]利用類似方法，使用兩個聯通的擋板沉淀池實現了對好氧顆粒的選擇。

圖1 利用沉淀區進行顆粒篩選的連續流AGS反應器圖

3.2 創造飽食/饑餓條件

如果AGS反應器沒有選擇壓力的作用，即使創造出飽食/饑餓條件也不會產生好氧顆粒，但是這種循環模式對造粒的促進作用是不可忽視的。LI等[43]為創造出飽食/饑餓條件，設計了一種對稱式的逆流折板反應器(Reverse Flow Baffled Reactor，RFBR)，如圖2所示。按照2 h正、逆向流的周期運行，兩端臨近出水口的池體作為選擇區域，每當該反應器流動方向發生改變時，基質飽和區和饑餓區就會發生互換，經過21 d的連續運行形成好氧顆粒，并在此后的135 d內保持穩定。LIU等[44]使用兩個AGS反應器串聯，即第一個反應器的出水是第二個反應器的進水，第一個反應器(注入進水)可以充當飽和階段，第二個反應器充當饑餓階段，如圖3所示。培養30 d后形成了直徑為0.1～1.0 mm的顆粒污泥。CORSINO等[45]在CFR反應器中接種SBR產生的好氧顆粒時，在連續流運行模式下，好氧顆粒會迅速失去結構完整性，產生以絲狀菌為主的松散的微生物聚集體，顆粒密度從100 g/L降低到50 g/L，蛋白質與多糖之比及總EPS顯著降低，顆粒尺寸減小；在改為間歇進水后，好氧顆粒的穩定性普遍提高。間歇進水并沒有使飽和期和饑餓期的基質濃度差變大，更可能的是延長了饑餓期的時間，使細菌表面產生更多的EPS以促進顆粒形成，見1.2中所述。

圖2 對稱式逆流折板反應器圖

圖3 串聯式連續流AGS反應器圖

3.3 顆粒污泥再循環系統

帶有外部分離器的好氧顆粒污泥反應器有一個明顯的缺點，即需要將沉降較好的污泥回流至反應器，雖然LI等[33]使用蠕動泵回流污泥(如圖4所示)，能夠培養出好氧顆粒，但是其對顆粒仍有一定程度的破壞，外部沉淀池的污泥回流管中因破碎而造成的顆粒損失是研究者們必須考慮的問題。氣提裝置可能是傳統泵回流系統的替代者，這種裝置的原理是在下部淹沒于液體中的揚水管中通入壓縮氣體，形成氣液兩相流，利用管內外混合液的密度差將汽水混合液提升。此外，該裝置還能為好氧造粒提供水力剪切力和溶解氧[46]。?DEGAARD[47]在流化床生物膜反應器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)中使用該方法用于轉移生物膜載體。ZOU等[48]將該裝置用于連續流AGS反應器(如圖5所示)，證明其可以用于外部沉淀池的污泥回流，且不會破壞好氧顆粒的結構。

圖4 泵回流顆粒污泥反應器圖

圖5 氣提回流顆粒污泥反應器圖

3.4 基于絲狀菌的好氧顆粒污泥

傳統的好氧顆粒污泥是微生物自聚集形成的，而絲狀菌形成的顆粒污泥首先依賴于絲狀細菌之間的纏繞，形成顆粒骨架，其他細菌再依附骨架形成微生物群。基于絲狀菌形成的好氧顆粒通常不需要基于沉降速度的選擇壓力，而且所需的水力剪切力可以通過攪拌實現，其思路是:接種絲狀菌/形成絲狀菌膨脹—提高水力剪切力—污泥顆粒化。利用絲狀菌在連續流中實現好氧污泥顆粒化似乎是一種更可行的方法，CHEN等[49]采用該思路設計了一種內循環膜生物反應器(Internal Circulation Membrane Bio-Reactor，IC-MBR)，如圖6(a)所示。

膜組件可以將絲狀菌截留在反應器內，并采用易于降解的葡萄糖作為碳源(見1.4中所述，葡萄糖利于絲狀菌的生長)，接種普通污泥運行8 d后污泥體積指數(Sludge Volume Index，SVI)值升高至328.65 mL/g，表明反應器中發生了絲狀菌膨脹，大量絲狀菌的存在有利于形成以纏繞為基礎的聚集體，并為其他細菌提供附著載體和顆粒骨架，37 d后可明顯觀察到顆粒污泥，造粒成功后SVI值在(100±20)mL/g，相比傳統顆粒污泥的SVI值較高。CHEN等[50]利用2 h的沉淀時間在連續流中成功培養出顆粒污泥，所使用的反應器如圖6(b)所示，其高徑比僅為1，溶解氧控制在4.2 mg/L，并以250 r/min的速度行攪拌，其剪切力主要來源于攪拌而不是曝氣，并將接種污泥中有無絲狀菌作為變量進行了對照試驗，結果只有接種污泥中含有絲狀細菌的反應器造粒成功，形成的顆粒污泥SVI在50～90 mL/g。

圖6 絲狀菌AGS連續流反應器圖

LI等[7]使用連續流反應器培養出好氧顆粒污泥以后，對其進行電鏡掃描和高通量焦磷酸測序，觀察到顆粒表面有大量絲狀細菌纏繞，焦磷酸測序結果表明絲狀古菌和絲狀菌的結合導致EPS和SVI的增加，證明絲狀菌在好氧造粒中發揮了重要作用[51]。絲狀菌顆粒污泥的形成似乎是傳統好氧顆粒的一個反例，反應器高徑比的增加和沉降時間的縮短在顆粒形成過程中并不重要，足夠數量的絲狀菌和可通過攪拌實現的高剪切力在顆粒污泥的形成中發揮了關鍵作用。

4 展望

好氧顆粒污泥憑借高處理效率和良好沉降能力而得到廣泛關注，為達到從絮狀污泥到顆粒污泥的轉變，在SBR反應器中進行了大量研究并取得了階段性成功，并且已經有在CFR中培養出好氧顆粒污泥成功案例，但是好氧顆粒污泥技術在實際應用中還有許多問題，需要在以下幾個方面進一步研究:

(1)優化造粒程度 好氧顆粒是以絮狀污泥為基礎形成的，而且在顆粒污泥的形成過程中絮狀污泥是一直存在的，在活性污泥系統中，任何形式的反應器都達不到100%顆粒比例，尤其是在連續流中，CFR的顆粒比例通常低于SBR。在應用過程中，為應對顆粒不穩定性，可以允許絮狀污泥與顆粒污泥并存的條件下持續發揮好氧顆粒污泥的優勢，即部分好氧顆粒化，并且致力于造粒程度最大化。

(2)選擇合適的顆粒篩選機制 好氧顆粒在氣體剪切力的作用下形成以后，為保持一定的顆粒比例，必須有相應的顆粒篩選機制將顆粒保留在反應器內，以保持系統高效的處理效率。SBR通過沉淀時間來選擇顆粒，而CFR一般通過控制顆粒選擇區(沉淀區)的停留時間來進行選擇，顆粒沉速在其中扮演著重要的角色，但是目前仍然沒有好氧顆粒在連續流狀態下的水力學模型，在應用中設計和選擇合適的顆粒篩選機制尤為重要。

(3)維持好氧顆粒污泥的長期穩定性 穩定性是制約好氧顆粒污泥大規模應用的一個重要因素，大多數研究中AGS的穩定時間約為100 d，而且在這期間顆粒比例是由無到有的增長趨勢，并不是穩定存在。目前的研究主要集中在形成顆粒，未來的研究需要從形成顆粒到失穩—再形成進行轉變并探究其穩定存在的機理。