好氧顆粒污泥工藝原理|流程（好氧顆粒污泥的定義及應(yīng)用）
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好氧顆粒污泥與普通活性污泥相比，它具有不易發(fā)生污泥膨脹、抗沖擊能力強(qiáng)、能承受高有機(jī)負(fù)荷，集不同性質(zhì)的微生物(好氧、兼氧和厭氧微生物)于一體等特點(diǎn)，近年的研究成果表明AGS能用于處理高濃度有機(jī)廢水、高含鹽度廢水及許多工業(yè)廢水。1991年Mishillla等最早發(fā)現(xiàn)了AGS，并第一次報(bào)道了利用連續(xù)流好氧上流式污泥床反應(yīng)器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培養(yǎng)出AGS。人們從這一研究成果開(kāi)始了對(duì)AGS顆粒化的研究歷程。而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)AGS的研究始于1995年，相對(duì)滯后于國(guó)外的研究。
好氧顆粒污泥是由相互聚集的、多物種的微生物構(gòu)成的團(tuán)體，被認(rèn)為是一種特殊的自固定化生物。在過(guò)去的20年中，廢水生物處理領(lǐng)域理論研究和工程應(yīng)用證明，固定化的活性污泥在水質(zhì)凈化方面比懸浮活性污泥更具有效率。
迄今為止，好氧顆粒污泥被認(rèn)為是最有前途的廢水生物處理技術(shù)之一。由于好氧顆粒污泥具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來(lái)對(duì)其進(jìn)行的研究也逐漸增多，但是對(duì)于其形成機(jī)理卻是眾說(shuō)紛紜。沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。本文綜述了近年來(lái)好氧顆粒污泥形成機(jī)理的研究進(jìn)展并對(duì)不同機(jī)理之間的區(qū)別與聯(lián)系作一些思考。
1、好氧顆粒污泥的基本特性
在好氧條件下，培養(yǎng)顆粒污泥的條件較為苛刻，并且在不同操作條件和培養(yǎng)目的下培育出的好氧顆粒污泥在顆粒大小、粒徑分布、顏色、功能上也都存在著差異。
好氧顆粒污泥的特性：表面光滑、較高密度和高強(qiáng)度、高生物量、耐沖擊負(fù)荷、抗有毒物質(zhì)。好氧顆粒污泥外觀一般為橙黃色或淺黃色，周洵平等總結(jié)了不同反應(yīng)器在各自條件下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥的特性。
好氧顆粒污泥具有優(yōu)良的沉降性能和近乎球形的規(guī)則形狀。研究指出，顆粒污泥的形狀系數(shù)穩(wěn)定在0.45，縱橫比一般在0.79左右。好氧顆粒污泥本身的生物相極其豐富，主要是形態(tài)各異的球菌、桿菌等。不同的培養(yǎng)條件對(duì)好氧顆粒污泥微生物群落有一定的影響。
好氧顆粒污泥泥水分離性能好，在反應(yīng)器中能形成較高的污泥濃度。從而提高了反應(yīng)器的容積負(fù)荷和抗負(fù)荷沖擊能力；剩余污泥量少，能有效地縮小沉淀池的體積。減少污水處理廠的占地面積；另外，好氧顆粒污泥還具有同步硝化反硝化(SND)功能。
2、好氧顆粒污泥形成機(jī)理
顆粒污泥的形成過(guò)程是一個(gè)包含物理、化學(xué)和生物作用的復(fù)雜過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可以看作是在流體動(dòng)力條件下，微生物自固定所形成的生物體聚團(tuán)現(xiàn)象。由于操作條件、反應(yīng)器類(lèi)型、進(jìn)水水質(zhì)、培養(yǎng)目的不同，因此現(xiàn)有的形成機(jī)理并不能詮釋所有顆粒污泥的形成情況。
2.1、晶核假說(shuō)
晶核假說(shuō)最先由G.Lettinga等提出，用于解釋厭氧顆粒污泥形成機(jī)理，他們認(rèn)為：顆粒污泥的形成類(lèi)似于結(jié)晶過(guò)程。接種污泥或反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)機(jī)鹽沉淀或惰性有機(jī)物質(zhì)作為晶核。顆粒污泥在晶核基礎(chǔ)上不斷發(fā)育，最終形成了成熟的顆粒污泥。對(duì)于好氧顆粒污泥，研究也證實(shí)了可適用于晶核假說(shuō)原理。J.J.Heijnen等向氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(BAS)中投加一定量的球狀惰性載體(直徑0.1mm)，形成了具有去除COD和氨氮能力的好氧生物膜顆粒污泥，證實(shí)了晶核假說(shuō)。
J.P.vanderHoekc]認(rèn)為：投加鈣離子會(huì)加速形成顆粒污泥的原因是鈣離子為顆粒污泥提供了晶核。劉麗等研究了鈣離子在顆粒污泥中的分布，結(jié)果表明，鈣粒子分布于顆粒中心，也證實(shí)了晶核假說(shuō)。晶核假說(shuō)經(jīng)過(guò)多年的研究得到一定程度的發(fā)展.劉建國(guó)等研究認(rèn)為，好氧顆粒污泥的形成是絮狀污泥在形成較大粒徑菌膠團(tuán)之后由于其內(nèi)部DO缺乏，菌團(tuán)逐漸解體，而細(xì)菌以解體的菌膠團(tuán)為“內(nèi)核”和“模板”進(jìn)行大量繁殖，并最終形成主體菌群，進(jìn)而形成沉降性能良好的顆粒污泥。這就是在晶核假說(shuō)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的“二次成核”假說(shuō)。但是，有學(xué)者研究證明了在沒(méi)有投加“晶核”的條件下也會(huì)形成顆粒污泥。顆粒污泥并不是以晶核為基礎(chǔ)生長(zhǎng)，而是完全靠微生物自身的電中和作用形成的。因此說(shuō)晶核假說(shuō)還需要進(jìn)一步研究。
2.2、選擇壓驅(qū)動(dòng)假說(shuō)
選擇壓可以看作水力負(fù)荷率和氣體負(fù)荷率(取決于污泥負(fù)荷率)的和，這兩個(gè)因素在不同沉降特征的污泥組分選擇中起重要作用n”。在反應(yīng)器中，只有較大顆粒才能在給定的時(shí)間內(nèi)沉淀下來(lái)，而密度較小的絮狀污泥由于其沉降性能不好則會(huì)被洗脫出系統(tǒng)。類(lèi)似于生物進(jìn)化理論，這個(gè)物理篩選過(guò)程為反應(yīng)器中的生物量提供了一個(gè)“選擇壓”，那些適合系統(tǒng)的，密度高、體積大、沉降性能好的顆粒污泥才能存在于系統(tǒng)中。J.H.Tay等[]研究了不同的選擇壓對(duì)硝化細(xì)菌顆粒化的影響，并推斷了污泥顆?；枰獜?qiáng)選擇壓。X.H.Wang等[1進(jìn)行了選擇壓對(duì)顆粒穩(wěn)定性影響的研究。結(jié)果表明.在過(guò)高的選擇壓下不能形成顆粒污泥，在較低的選擇壓下，顆粒污泥在形成后131d開(kāi)始分解，只有逐漸提高選擇壓才能培養(yǎng)出穩(wěn)定成熟的顆粒污泥。
這個(gè)沉降一洗脫過(guò)程是一個(gè)純粹的物理篩選過(guò)程，沒(méi)有微生物的作用和反應(yīng)，但是小的絮狀污泥形成大的顆粒污泥需要微生物分泌的胞外多聚物(EPS)相互黏合來(lái)抵抗高上流速度產(chǎn)生的剪切力以避免一開(kāi)始就被洗出[1引，否則，微小的絮狀污泥沒(méi)有機(jī)會(huì)隨著環(huán)境變化而形成大顆粒污泥，而且事實(shí)證明，很多情況下顆粒污泥都是由小逐漸長(zhǎng)大成熟。因此以物理過(guò)程來(lái)解釋顆粒污泥形成的選擇壓驅(qū)動(dòng)理論仍需要進(jìn)一步完善。
2.3、細(xì)胞表面疏水性假說(shuō)
根據(jù)熱力學(xué)原理，增加細(xì)胞表面疏水性將導(dǎo)致其表面Gibbs能降低，增強(qiáng)細(xì)胞間的親和力，使細(xì)胞間產(chǎn)生更強(qiáng)的連接，進(jìn)而形成一個(gè)致密結(jié)構(gòu)，更進(jìn)一步促使凝聚成團(tuán)的細(xì)菌脫離水相.因此可以說(shuō)細(xì)胞表面疏水性是微生物自聚集的重要推動(dòng)力。蔡春光等研究表明：在顆粒污泥形成過(guò)程中微生物細(xì)胞表面的疏水性發(fā)生了很大的變化.這表明顆粒污泥的形成與細(xì)胞表面疏水性的增加有密切聯(lián)系。較高的表面疏水性有利于顆粒污泥的形成。
B.M.Wilen等也證明，接種污泥中疏水的細(xì)菌數(shù)目越多。形成良好沉降性能的好氧顆粒污泥的速度就越快。但是，并沒(méi)有研究者提到較低的表面疏水性不能形成顆粒污泥。因此，表面疏水性在顆粒污泥形成過(guò)程中起了輔助增強(qiáng)的作用，而不是決定性作用。
2.4、胞外多聚物假說(shuō)
胞外多聚物(EPS)是顆粒污泥的一種重要的化學(xué)組成部分，其主要物質(zhì)是多聚糖、蛋白質(zhì)、酶蛋白、核酸、磷脂及腐殖酸。它能輔助細(xì)胞相互粘在一起，因此可能對(duì)于污泥顆粒化形成過(guò)程有幫助。EPS假說(shuō)是目前較為流行的一種理論。
L.W.HulshoffPol等研究表明.胞外多聚物中的成分和比例與污泥沉降性能有密切關(guān)系。J.EScht等在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上提出了胞外多聚物假說(shuō)模型。C.DiIacoci等研究證實(shí)了EPS對(duì)顆粒污泥形成的增強(qiáng)作用。有研究表明。饑餓條件會(huì)誘發(fā)EPS被它的生產(chǎn)者所降解，從而導(dǎo)致細(xì)菌分離n，事實(shí)上，在SBR反應(yīng)器中，顆粒污泥的消失與胞外聚合物的急速下降緊密相關(guān)。但是饑餓條件也會(huì)引起細(xì)胞表面疏水性的降低。因此。引起細(xì)菌分離的關(guān)鍵因素不一定是EPS的減少，細(xì)胞表面疏水性的降低也起了一定作用。
從文獻(xiàn)來(lái)看，EPS只能對(duì)顆粒的形成起到增強(qiáng)作用，還不能決定顆粒能否形成。多數(shù)情況下細(xì)胞都會(huì)分泌EPS。但事實(shí)證明，不是所有情況下都培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥。因此，EPS假說(shuō)雖然得到很多學(xué)者的認(rèn)可.但是仍然需要進(jìn)一步完善。
2.5、自凝聚原理
生物處理系統(tǒng)中的微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下會(huì)產(chǎn)生自凝聚現(xiàn)象，形成一種密度、體積較大，活性和傳質(zhì)條件都較好的微生物共生體顆粒。好氧自凝顆粒污泥形成的兩個(gè)先決條件是適當(dāng)?shù)乃骷羟凶饔煤透邼舛鹊娜芙庋鮙。H.H.Fang~]指出，生物顆?；F(xiàn)象是一種進(jìn)化發(fā)展的過(guò)程，即只有在適宜顆粒污泥存在的條件下，細(xì)菌才會(huì)慢慢地進(jìn)化，最終達(dá)到顆粒污泥狀態(tài)，也就是說(shuō)，只要條件適宜，顆粒污泥的形成是一個(gè)生物自身凝聚的自然過(guò)程。
自凝聚原理結(jié)合選擇壓理論，可以解決微小絮狀污泥無(wú)法形成顆粒污泥的問(wèn)題.E.Morgenroth等均在SBR中培養(yǎng)出好氧顆粒污泥。他們都采用了較短的沉降時(shí)間和水力停留時(shí)間，目的就是將沉降性能較差的絮狀污泥洗出，只留下密度較大、沉降性能較好的顆粒污泥。但自凝聚理論仍然不能解決較低選擇壓下顆粒分解的現(xiàn)象。
2.6、絲狀菌假說(shuō)
J.J.Beun等]在SBR中培養(yǎng)好氧顆粒污泥時(shí)提出了好氧顆粒污泥形成過(guò)程。首先，接種污泥中優(yōu)勢(shì)菌(絲狀菌)在較強(qiáng)的水力剪切力的作用下形成球狀。球狀物為細(xì)菌的大量繁殖提供了良好的棲居地，由此細(xì)菌得到了大量的繁殖。之后，隨著氧傳質(zhì)的限制，真菌形成的球狀物開(kāi)始分解、破裂，其中的菌膠團(tuán)由于密度較大而留在了反應(yīng)器中，細(xì)小的絮體被洗出。留在反應(yīng)器中的菌膠團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展最終形成了好氧顆粒污泥。王海磊等認(rèn)為，優(yōu)勢(shì)混合菌的加人是好氧顆粒污泥能夠形成的關(guān)鍵因素。
他們?cè)诶肧BR和優(yōu)勢(shì)混合菌處理造紙廢水的過(guò)程中馴化出了好氧顆粒污泥。但是D.C.Peng等研究發(fā)現(xiàn)：好氧顆粒污泥的微生物主要由桿狀細(xì)菌組成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絲狀菌。因此，絲狀菌假說(shuō)也需要進(jìn)一步研究完善。
2.7、階段形成假說(shuō)
目前關(guān)于階段形成假說(shuō)有三階段說(shuō)和四階段說(shuō)。倪丙杰等㈣在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上,認(rèn)為各種假說(shuō)都有一定的合理性，但沒(méi)有將問(wèn)題聯(lián)合，因此他提出了三階段形成假說(shuō)。第一階段，微生物個(gè)體之間通過(guò)各種力的作用相互碰撞、吸附形成聚集體。第二階段，聚集體中的微生物繼續(xù)生長(zhǎng)，且在水力剪切力的作用下逐漸形成形狀規(guī)則的初生顆粒污泥。第三階段，好氧顆粒污泥穩(wěn)定、成熟。隨著顆粒污泥表面疏水性的增加和細(xì)菌分泌多聚糖的增多，粘連的微生物逐漸增加，顆粒污泥的粒徑隨之逐漸增加。但是顆粒污泥的粒徑增加到一定程度之后，在水力剪切力作用下顆粒的粒徑不再繼續(xù)增加，此時(shí)顆粒達(dá)到穩(wěn)定、成熟期。
Y.Liu等認(rèn)為好氧顆粒污泥的形成是微生物的一種自固定化現(xiàn)象，不需要載體支持，并提出了符合這個(gè)過(guò)程的四步驟學(xué)說(shuō)。第一步，微生物之間在流體擴(kuò)散、重力或者熱力學(xué)力的作用下相互接觸而聚集。第二步，在物理的、化學(xué)的或者生物化學(xué)的初期引力下形成聚集體。第三步，微生物在其分泌的胞外多聚物等黏著物的作用下形成聚集體。第四步，水的剪切力使顆粒污泥的三維結(jié)構(gòu)更加成熟穩(wěn)定。階段形成假說(shuō)綜合考慮了多種因素的作用，而不是僅限于單方面的實(shí)驗(yàn)研究,這也為以后的研究提供了思路。
3、結(jié)論
好氧顆粒污泥的形成機(jī)制仍處于研究中，還沒(méi)有形成定論。以上幾種假說(shuō)也都存在著一定的局限性。但是從文獻(xiàn)來(lái)看，單一因素的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)不可能解釋顆粒污泥的形成機(jī)理。一方面，通過(guò)選擇壓方法培養(yǎng)出來(lái)的顆粒污泥的細(xì)胞表面疏水性較好，由于疏水性的增加而增強(qiáng)的細(xì)胞間親和力又為其自凝聚提供了推動(dòng)力。另一方面，微生物分泌的胞外多聚物在顆粒污泥的形成過(guò)程中也起了很重要的作用。因此，水力剪切力、胞外多聚物、微生物的自固定的聯(lián)合作用在好氧顆粒污泥形成過(guò)程中起了關(guān)鍵作用。隨著PCR、FISH等技術(shù)的發(fā)展.將來(lái)也許可以從微生物自身找到顆粒污泥形成的關(guān)鍵因素。
另外，由于好氧顆粒污泥培養(yǎng)周期長(zhǎng)，限制了其在工程中的應(yīng)用，因此探討其形成機(jī)理的研究就顯得尤其重要。如何確定運(yùn)行參數(shù)，縮短培養(yǎng)周期，提高形成的好氧顆粒污泥穩(wěn)定性以及如何在工程應(yīng)用中推廣將是以后研究的重點(diǎn)。
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