好氧顆粒污泥技術：強化造粒培養

郝桂珍，趙 勇，徐 利，范宇成，盧炳珩

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000； 2.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

1 引言

隨著社會、城市化的發展以及人民生活水平的提高，造成的水體污染問題愈發嚴重，同時國家與地方政府對污水排放標準不斷提高，形勢依然嚴峻[1，2]。近年來，好氧顆粒污泥(AGS)因具有良好的沉降性能，豐富的生物量，結構密實以及抗沖擊負荷等優勢成為了國內外的研究熱點[3]，被認為是目前最具有發展前景的新型污水處理技術之一[4]。由于AGS的形成機理尚未明確，啟動周期耗時過長(1～2月)和運行不穩定以及顆粒化進程中受到多種因素的影響等限制了該技術在實際應用中的發展[5，6]。

大部分研究主要是圍繞AGS的快速培養和顆粒運行失穩問題。過去10年里研究發表的關于強化AGS的培養中，通常是投加金屬離子、惰性載體等方法強化AGS 的形成。極少有針對生物強化、投加有機物質以及群感效應(QS)對好氧污泥造粒的影響。對于該問題本文對近些年的研究成果進行綜合評述，將有助于理解造粒機理和加快AGS實際大規模的應用[7]。

2 強化造粒培養

2.1 添加微生物強化劑

AGS是微生物自凝聚形成的顆粒物，所以微生物群落在AGS的形成過程中發揮重要的作用，不同菌體的特的代謝和功能，導致其絮凝性能不同[8]。細胞之間的聚集是不同基因的菌株之間的細胞間粘附，促進信號流動，生物膜生長，為微生物提供生態位，進而影響AGS的微生物群落結構[9]。理論上，選擇合適的菌株強化好AGS是一種有效的方法。早在2006年，Jiang等[10]投加PG-2和PG-8菌株來強化AGS降解苯酚，發現投加二種菌株的反應器內第7 d出現顆粒污泥，第23 d顆粒污泥成熟，且具有良好的降解苯酚效果。宋志偉等[11]向反應器中投加絮凝菌株，與對照組對比，AGS形成時間提前了1周。

MBF是一種新型的生物絮凝劑，其是微生物的代謝產物，擁有較高的微生物親和性、絮凝性以及生物降解性等特點，所以得到越來越多的關注和研究[12]。梁梓軒等[13]在投加MBF加速AGS研究中，MBF組在第38 d培養成功；與對照組相比，MBF組出現了明顯的聚集體的絮凝現象。由于微生物聚合物的官能團(蛋白質等)能直接被微生物利用，而不是水解。所以還需要進一步分析微生物聚合物官能團以及可利用的生物量等。

以生物質(菌絲球)作為載體在好氧顆粒污泥的研究較少，菌絲球是由絲狀真菌經過發酵過程，相互纏繞形成球狀的的微生物顆粒[14]。Geng M等[15]投加菌絲球與活性污泥質量之比為1∶10至反應器，運行第22 d左右，污泥完成了顆粒化(平均粒徑為0.5 mm)，較對照組提前了18 d；菌絲球的投加避免了前期大量生物質的流失，提高了污泥沉降性能；菌絲球明顯加速了污泥顆粒化，且獨特的孔道結構，有更好的除污能力以及分泌更多的胞外多糖，尤其是胞外蛋白。尹志文等[16]投加50 g菌絲球的反應器在第12 d成功實現好氧污泥顆粒化(平均粒徑0.2 mm)，且微生物活性高，具有較強的的生物促進作用。

2.2 添加有機物質

殼聚糖是不溶于水的陽離子聚合物，由于環保無污染、可降解性特點，比合成的陽離子聚合物和多價的金屬離子更受歡迎[17]。目前已經在強化厭氧顆粒污泥研究中有所進展，其加速污泥顆粒化的原因是殼聚糖具有吸附、電荷中和以及顆粒間的架橋作用[18]。Jinte Zou等[19]投加殼聚糖基污泥團聚體，在10天內迅速實現了完全造粒。在AGS系統快速啟動時，避免了大量生物量的流失，促進了AGS的形成；此外，培養過程中絲狀菌和念珠菌的豐度和胞外聚合物含量的增加也有助于AGS的形成。

Junguo He等[20]低溫(10 ℃)下采用三聚氰胺骨架(MF)強化造粒，70 d內成功培養出沉降性能良好、顆粒穩定的AGS。前期在三聚氰胺骨架內植入接種污泥，避免污泥大量的流失，為后期的顆粒污泥提供骨架支撐，同時，顆粒化過程中胞外多糖含量顯著增加，提高AGS的穩定性，有效的加快污泥顆粒化。

近年來新興微污染物，例如抗生素甲氧芐啶(TMP)、磺胺甲惡唑(SMX)等通常存在于廢水中甚至地表水中，對環境污染問題造成威脅。Du等[21]指出SMX (1 mg/L)的存在下，觀察到更多的絲狀菌分泌EPS。Ant^onio Ricardo Mendes Barros等[22]評估TMP和SMX對污泥造粒影響；發現高劑量TMP和SMX(200mg/L)作用下生成的AGS具有良好的沉降性，加速造粒時間不理想。玉良斌等[23]研究表明投加TC有利于加速顆粒污泥(90 d)的形成，改善了污泥的相對疏水性和絮凝性；投加2 mg/L TC的反應器較對照組提前了10 d形成顆粒污泥，且污泥對TC有一定的去除效果，主要以吸附為主。

2.3 群感效應的影響

EPS是微生物為了適應環境變化在特定條件下分泌在細胞表面的有機大分子物質，主要包括蛋白質(PN)、多糖(PS)、腐殖酸等，被認為是一種生物細胞凝聚的黏合劑，對顆粒污泥的形成和穩定性具有重要的作用[24]。

群體感應(QS)是由感知信號分子，調節細胞間的相互作用，并在其濃度達到臨界點時實現基因的表達[25]。QS系統和細胞信號分子在污泥顆粒化過程中起著重要作用，能加速胞外聚合物的合成，提高微生物的表面附著能力[26]。信號分子不僅能促進EPS的分泌，而且能間接地影響AGS系統的運行性能和污泥特性。研究信號分子對AGS的形成及顆粒化的機理至關重要[27]。目前AGS中主要存在的信號分子有AHLs、AIPs、AI-2和C-di-GMP。

信號分子對顆粒污泥造粒的影響主要在于EPS的分泌、ATP以及污泥沉降性能的影響。研究表明信號分子通過調節EPS的濃度來加速細菌聚集并形成顆粒。Ma等[28]在AGS實驗中加入AHLs，結果表明AHLs濃度與EPS的含量呈正相關。Li等[29]得出信號分子AHLs能夠促進EPS的分泌，提高細胞表面疏水性，強化細菌體之間的聚集。ATP是微生物新陳代謝的主要能量來源。研究表明ATP可以調節微生物中群感效應誘導信號分子的生成，同時群感效應也會影響ATP的生成[30]。上知AHLs失活會使EPS的含量降低，從而破壞了顆粒結構，導致顆粒污泥密度較小，又因為AHLs含量與EPS中的PN含量呈正相關，因此，信號分子介導的群感效應可以調節EPS的含量影響微生物之間的粘附，從而影響顆粒污泥沉降性能。

3 討論

目前使用特殊菌株進行接種好氧顆粒污泥強化AGS的研究依然很少；筆者認為主要原因是特殊菌株的分離過程復雜，以及最終進入環境中菌株的安全性問題。MBF的來源有多種，其中從微生物的代謝產物中提取微生物絮凝劑是研究最多的。該方法無污染，環保是促進好氧污泥顆粒化最理想方法，同時為剩余污泥資源化開啟了新方向；菌絲球作為載體材料在促進好氧污泥顆粒化進程中有明顯的效果，并且菌絲球沉降性能良好，易于成球，營養需求簡單，生產成本低，相比于其他載體材料，具有生物相容性，粘附能力方面的優勢，在強化AGS的研究具有美好的前景。

有機類聚合物類如殼聚糖基泥、三聚氰胺骨架等前期通過截留豐富生物質，增加污泥濃度，促進顆粒污泥的形成，自身無污染；不像抗生素類物質TMP、SMX、TC，在促進顆粒污泥的同時，自身作為新的污染物質進水水中，形成的顆粒污泥對其去除率較低，往往需要其他介質的輔助作用，達到較高的去除率。

4 結論

本文總結了投加生物菌體、有機天然物質以及QS強化AGS的方法，一般是將AGS的形成時間控制在30 d內，甚至在10 d以內，是解決AGS啟動時間慢問題的替代方法。不同類型的強化方法雖然對AGS的形成機理不盡相同，但大多是依賴生物量的增加，或者引起微生物分泌的胞外蛋白和多糖的含量以及微生物群落的變化，間接影響顆粒污泥的粒徑大小和沉降性能。