連續流好氧顆粒污泥的成粒策略和應用現狀

寧靜，張芷琪，吳傳棟，劉源，李惠平，楊殿海，3

(1.同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092；2.廣東粵海水務投資有限公司，廣東 深圳 518021； 3.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

顆粒污泥是一種特殊形式的生物膜，具有固體濃度高、沉降性能好、污泥量少等優點。與傳統活性污泥(CAS)技術相比，好氧顆粒污泥(AGS)技術的運行費用降低20%～25%，耗電量降低23%～40%，占地面積降低50%～75%[1-3]。兩種污泥的理化性質差異見表1。

考慮到氧氣濃度梯度的存在，沿著AGS的顆粒半徑由內至外可劃分出厭氧區、缺氧區和好氧區，AGS分層的結構特點為聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)、反硝化細菌和硝化細菌等創造共存的條件，通過這些微生物協同去除污水中的有機物、氮和磷[4]。因此，AGS技術被預測為一種具有廣闊前景的污水處理技術，將取代活性污泥法在城鎮污水處理領域的主流地位[5]。AGS的脫氮除磷機理見圖1。

本文主要對AGS技術在污水處理方面的應用進行了綜述，概述了AGS的成粒機理、影響因素以及研究現狀，并總結了現有研究的不足，對目前存在的技術難點提出可行的解決方案，最后提出建議和展望。

表1 AGS和CAS的理化性能對比Table 1 Comparison of physical and chemical properties of AGS and CAS

圖1 AGS脫氮除磷機理圖Fig.1 Mechanism diagram of nitrogen and phosphorus removal by AGS

1 AGS培養理論

1.1 成粒機理

關于AGS的成粒機理在科學研究和工程應用中尚無定論，而假說大多從物理、化學和生物效應的角度出發解釋造粒過程。

1.1.1 胞外多聚物假說 胞外多聚物(EPS)的主要成分是蛋白質(PN)和多糖(PS)，PN可降低微生物間的靜電斥力，PS可作為黏合劑促進聚凝，EPS通過離子鍵和配位鍵等方式使微生物黏附、生長成為聚集體[14]。Liu等[15]發現EPS含量與SVI值呈負相關，而與AGS的形成呈強正相關。

1.1.2 絲狀菌假說 雖然絲狀菌幾乎不分泌EPS，但可通過絲狀外形相互纏繞構成初始骨架，在水力剪切力的削剪作用下，初始骨架逐漸長成顆粒污泥[16]。Graaff等[17]利用絲狀菌實現了AGS穩定造粒。Liu等[18]證明絲狀菌提升了AGS的沉降性能和反硝化能力。

1.1.3 誘導核假說 該假說認為微生物在誘導核表面附著、聚集和生長最終形成AGS。Liu等[19]投加聚合氯化鋁溶液將成粒時間縮短至7 d，Li等[20]添加污泥微粉將成粒時間縮短了15 d。因此，可以投加誘導成核劑加快AGS成粒。

1.1.4 微生物自凝聚假說 接種的絮凝菌分泌多糖和果膠等黏性物質，在菌體之間充當橋接菌，對AGS的形成有利。Ivanov等[21]采用絮凝菌培養 3 d，成功獲得AGS。Liang等[22]將兩種自聚集菌株共同培養，將成粒時間縮短至42 d。

1.1.5 信號分子假說 群體感應(QS)是一種廣泛存在于細菌中的生物過程，是指分泌和感應一種特定化學信號分子的細胞間通訊。微生物的QS系統對AGS的形成具有一定調節作用，通過調控EPS主要成分PN、PS的合成和分泌過程，促進微生物聚集體的形成[23]。Liu等[24]和Galloway等[25]均發現，饑餓期細菌分泌更多的AI-2信號分子促進EPS的產生。Li等[26]發現了基于AHL信號分子的AGS穩定性機制。

1.2 影響因素

通過改善進水條件和調整運行工況，有望將AGS啟動時間縮短至數周內并維持數月的穩定性。AGS的影響因素解析見圖2。

圖2 AGS影響因素解析圖Fig.2 Analytical graph of factors affecting AGS

1.2.1 沉降時間 通過縮短污泥的沉降時間，可以保留沉降性能良好的AGS并淘汰絮體。Anuar等[27]研究了不同粒徑AGS的沉降速度并總結公式，Edward等[28]建立了描述AGS沉降過程的多分散沉降模型。因此，借助數學模型估算沉降速度和沉降時間是可行的。

1.2.2 水力剪切力 水力剪切力主要來自曝氣和攪拌，影響因素包括高徑比、曝氣強度和上升氣流速度[29]。通常AGS中試裝置的高徑比>8[30]，但是趙錫峰等[31]認為高徑比并非顆粒化的必要條件。當高徑比減小時相應增大曝氣強度，可以彌補總體上水力剪切力的下降[32]。

1.2.3 交替的盛宴-饑荒營養機制 在非曝氣的污泥層內上升流進水和不同進水區之間交替進水，可以提供交替的盛宴-饑荒條件。Sun等[33]發現，盛宴期時絲狀菌快速向外擴張，饑荒期時絲狀結構收縮，AGS沉降性能提升。Li等[34]認為饑荒期能促進微生物聚集，對污泥顆粒化的初始階段有利。此外，盛宴期/饑荒期的比例對污泥顆粒化的影響大于重力選擇壓，后者可作為選擇壓的次要補償措施[35]。

1.2.4 基質組成 關于基質組成的研究主要集中在有機負荷(OLR)、碳源類型和進水C/N比。較高OLR雖然會加快顆粒化，但會造成AGS的運行穩定性變差[5]。Iorhemen等[36]建議采取高OLR加快顆粒化、低OLR維持長期穩定性的飼養策略。 碳源類型影響微生物的代謝途徑，使得特定菌種富集成為優勢種。例如，葡萄糖導致絲狀菌過度生長，醋酸鹽有利于變形菌的生長，乙酸鈉能夠培養出總氮去除效果好的污泥[37-38]。宋志偉等[39]發現進水C/N比與成粒速率呈正相關，而與顆粒穩定性呈負相關。

1.2.5 其他運行條件 控制污泥齡(SRT)可以篩選和保留特定菌種。一些觀點認為SRT在20～ 30 d 內對生物除磷過程有利[40]。pH直接影響污泥群落的優勢菌種與微生物的繁殖代謝，進而對污染物去除效果和污泥沉降性能產生影響[41]。最佳DO濃度取決于生物質濃度、顆粒大小、基質類型和有機負荷等特定因素[11]。適合大部分微生物生存的溫度為20～25 ℃，溫度過低(<10 ℃)導致絲狀菌的過度生長和顆粒解體，溫度過高(>30 ℃)導致蛋白質的變性和酶的失活[42]。污泥負荷(F/M)影響EPS的分泌，進而影響AGS穩定性[43]。

2 AGS的應用現狀

2.1 應用現狀

迄今為止，AGS技術規模化應用的成功案例僅限于在SBR內[7]。在全球范圍內共有70多座采用AGS工藝的污水處理廠，大部分位于西歐和南美，而我國僅有2座[1]。由此可見，AGS規模化應用仍然很少，關于AGS的成粒機理及影響因素的研究大多在SBR中完成的。考慮到現有的污水處理廠通常以連續流模式運行，在連續流條件下針對AGS的快速成粒、長期穩定性和優異處理性能開展研究，這對于AGS技術的推廣應用至關重要。

2.2 解決方案

針對AGS技術難點，國內外研究者提出相應的解決方案，見表2。

表2 連續流AGS工藝的技術難點、解決方案以及原理解析Table 2 Technical difficulties，solutions and explanations of continuous AGS process

3 問題與展望

現有AGS研究具有以下局限性：①實際污水處理廠的進水水質、水量和水溫隨季節波動，對連續流AGS系統的穩定性造成挑戰；②對AGS快速成粒的研究結論大多來自SBR裝置，在連續流條件下的AGS成粒機理有待探究；③長期運行的AGS系統往往面臨解體問題，對AGS的失穩管控研究仍需推進。

綜合國內外的研究狀況，筆者認為應從以下幾個方面開展研究：①快速培養。在連續流反應器中原位培養AGS、縮短AGS長達數月的培養周期、提高絮體污泥到顆粒污泥的轉換率，是推廣AGS技術的關鍵。②長期穩定性。實驗室研究大多在AGS形成后的數月內結束，而污水處理廠需要數年的穩定運行，應當從污泥粒徑控制、優勢菌種調控、微生物群體感應作用、表面熱力學等角度出發，探索AGS的失穩機制與調控策略。③新工藝的開發。應當考慮對占據主流的連續流污水處理工藝的改造難度，在滿足有效去除污水中污染物的前提下，避免設計大高徑比柱式、操作流程復雜、能耗大和藥耗大的工藝設備。此外，還可以將AGS技術與其他技術耦合，例如將AGS與生物膜結合，開發藻-菌顆粒污泥等。④資源回收。按照污水資源化的要求，污水處理廠除了凈化污水外還兼任“資源工廠”。通過對剩余污泥的處理處置，可以獲取沼氣、磷、EPS、類藻酸鹽外聚合物(ALE)和聚羥基鏈烷酸酯(PHA)等資源。

4 結束語

本文綜述了AGS的結構功能、成粒機理、影響因素和研究現狀，從物理與生物角度闡釋了選擇壓機制，分析了技術難點并提出解決方案，最后展望了AGS技術的未來發展方向。綜上所述，目前的研究成果缺乏對快速成粒、長期穩定性和失穩機制的深入理解，這仍是阻止AGS技術實現其優勢的主要障礙。此外，AGS技術還面臨著節能降耗、資源回收等一系列的可持續發展要求，需要進一步開展研究。