污水生物處理中的好氧顆粒污泥技術
好氧顆粒污泥因其具有較高的微生物量，具備脫氮除磷能力和良好的沉淀性能，在工業廢水和城市污水處理中的應用潛力很大，但在其形成機理方面還存在問題并未徹底弄清。
本文分析了好氧顆粒污泥的特點及其形成過程的影響因素，如胞外聚合物、水力剪切力、溫度等；歸納了關于好氧顆粒污泥的形成假說，總結了其在城市污水和工業廢水處理方面的應用情況以及好氧顆粒污泥穩定性及形成機理方面存在的問題，論述了好氧顆粒污泥技術今后的發展趨勢。
污水生物處理系統內，微生物聚集的形式主要有絮狀污泥、生物膜和顆粒污泥3種，其中顆粒污泥由于具有微生物量多、沉降性好等優點而受到研究者的關注。
顆粒污泥中，好氧顆粒污泥（AGS）具有表面光滑、密度大、沉降性能良好、能夠維持較高的生物量以及承受較高的有機負荷等優點。M. Pronk等指出，好氧顆粒污泥系統的總體能耗為13.9 kW·h，比荷蘭傳統活性污泥廠的平均耗能水平低58%~63%，其出水水質可以達到傳統活性污泥法工藝的出水水質甚至更好。好氧顆粒污泥系統所需要的體積也比現有的常規活性污泥裝置所需要的體積低33%左右，在能耗和土建費用方面均有所減少。
與厭氧顆粒污泥相比，好氧顆粒污泥的形成周期較短，約為30 d。在耗能方面，好氧顆粒污泥可在常溫條件下進行培養，同時在污水濃度方面局限性小，對高濃度工業廢水和城市生活污水的處理均有良好效果。
污泥在好氧條件下進行培養，顆粒的分層結構形成好氧、缺氧和厭氧區域，其結構特征可以實現一定程度的脫氮除磷效果。本研究通過對近年來相關文獻的整理，擬對好氧顆粒污泥的形成機理進行總結，并對各影響因素之間的相互作用進行分析。
1 好氧顆粒污泥的形成機理
好氧顆粒污泥的形成是由眾多因素共同作用完成的復雜過程，其中既有微生物的作用，也包含物理、化學等方面的作用，國內外學者對于好氧顆粒污泥的形成進行了長期研究，主要形成以下幾種學說。
01 微生物自凝聚原理
自凝聚是一種在適當條件下自發產生的微生物凝聚現象。有研究表明，好氧顆粒污泥的形成是由種泥逐步致密聚集的漸進過程，通過各種影響力進而形成顆粒污泥。由水力剪切力、pH等眾多因素決定顆粒最終能否形成穩定的結構。
02 絲狀菌假說
在好氧顆粒污泥的培養過程中，接種污泥的微生物主要以絲狀菌為優勢菌種。反應器中培養出的顆粒污泥種類不同，絲狀菌在顆粒形成過程中所起到的作用也不同。
有研究通過對所培養出的不同顏色顆粒污泥進行破碎處理，得到絲狀菌在顆粒污泥中的形成結構。好氧顆粒污泥在反應器不同階段出現黃色、黑色及白色3種不同顏色的顆粒，不同顆粒污泥的菌種比例及形態結構都有所區別。總體來說，絲狀菌對好氧顆粒污泥的形成及穩定起到重要作用。不同顏色顆粒污泥的菌種組成及結構特點見表1。
03 細胞表面疏水性假說
根據熱力學理論，細胞表面疏水性上升會減少細胞表面多余的吉布斯能，進而增加細胞間的相互作用形成致密的穩定結構。
有研究表明，在3周的好氧顆粒污泥形成過程中，污泥的疏水性由接種污泥的39%上升到73%，由此證明細胞表面疏水性是細胞自身聚集和附著的重要親合力，對于好氧顆粒污泥的形成起到關鍵作用。疏水性對于細胞間的相互作用具有重要意義，這可能引起微生物的初始自身穩定，并進一步將細菌緊密地結合在一起。
04 選擇壓驅動假說
有研究表明，通過控制沉降時間進而控制選擇壓是序批式反應器（SBR）中好氧顆粒污泥形成的決定性因素。縮短沉降時間有助于洗出沉降性能差的絮體污泥，造成相對較強的選擇壓，促進好氧顆粒污泥的形成。
在一定范圍內，提高選擇壓會導致好氧顆粒污泥的粒徑變大。縮短沉降時間可顯著提高細胞多糖的產量、細胞表面疏水性及微生物活性，進而利于好氧顆粒污泥的形成。對選擇壓的控制和深入研究有助于更好地了解好氧顆粒污泥的形成機制。
X. H. Wang等通過逐步增加進水氨氮濃度來提高選擇壓，培養出具有良好穩定性的好氧顆粒污泥，提供了一種新的好氧顆粒污泥培養策略；今后應通過逐步改變選擇壓的方式開發好氧顆粒污泥生物反應器，使其具有更高的性能和效率。通過改變選擇壓的方式促進顆粒污泥的形成，這一方法在連續流反應器中同樣有效。
05 胞外聚合物假說
胞外聚合物（EPS）是在一定的適宜條件下由微生物分泌于細胞表面的大分子有機物質。自誘導體（autoinducer，AI）（信號分子）形成后釋放，可以在群體感應（Quorum sensing，QS）中被細菌探測到。QS是細菌在不斷變化的環境中生存和適應的一種現象，通過QS，細菌可以對種群密度進行監測，同時激活細菌生長的基因表達。
根據Y. Q. Liu等提出的假設，微生物細胞與其他微粒連接，形成顆粒化污泥的前身。EPS在好氧顆粒污泥的發育過程中起著重要作用。有研究表明，好氧顆粒污泥與普通絮狀活性污泥的EPS成分，如蛋白質和多糖的濃度和分布是不同的，從好氧顆粒污泥中提取EPS，其中檢測出帶負電荷的多糖和蛋白質，但未在活性污泥中檢測出。好氧顆粒污泥的EPS有機組分可以改變細菌的表面特性和顆粒污泥的物理特性，有利于細胞之間的聚集及穩定。
研究表明，在好氧顆粒污泥周圍松散附著的EPS是造粒過程的重要因素，主要由其中的蛋白質所決定。
EPS的形成取決于反應器內的運行方式及環境，控制好相關參數有利于EPS的適量產生，從而形成穩定的好氧顆粒污泥。根據結合程度的不同，EPS可分為溶解性EPS（soluble EPS，SEPS）和附著性EPS（bond EPS，BEPS），BEPS又分為松散附著性EPS（loosely bond EPS，LEPS）和緊密附著性EPS（tightly bond EPS，TEPS）。
06 階段形成假說
階段形成假說將好氧顆粒污泥的形成分為4個階段，每一階段由不同的作用力或物質發揮影響，促進接種污泥逐步形成顆粒污泥。
第一階段，由接種污泥表面細菌之間發生的物理運動來促進顆粒化，如水動力、擴散力等；
第二階段，由物理、化學及生物方面的各種吸引力來維持固體細胞表面和多個細胞之間的穩定連接，如范德華力、化學鍵及細胞膜融合等；
第三階段，微生物促使聚集的細菌成熟，EPS的產生、菌群的增長等過程均在此階段；
第四階段，通過水力剪切力形成穩定的三維結構。該形成機理是目前比較全面的一種顆粒污泥形成理論，但因各種因素間的相互影響，仍難以完整涵蓋好氧顆粒污泥整個形成過程。
2 好氧顆粒污泥形成的影響因素
好氧顆粒污泥能否形成及其形成周期長短、污泥質量如何、能否維持穩定，受其培養運行過程中多種因素的影響。通過對其深入研究，可以全面了解好氧顆粒污泥的形成及穩定適應條件，并據此對可變因素進行控制，對培養好氧顆粒污泥具有重要的意義。
01 碳源
碳源不同會導致培養出的好氧顆粒污泥存在差別。在其他條件相同的前提下，J. H. Tay等以葡萄糖為碳源培養出的顆粒污泥以絲狀菌為主，以乙酸為碳源培養出的顆粒污泥卻以桿狀細菌為主。
同時，單一碳源和混合碳源也對形成好氧顆粒污泥的結構及穩定性有所影響。高景峰等以蔗糖為唯一碳源培養好氧顆粒污泥，發現23 d后出現絲狀菌膨脹現象。之后改用蔗糖加等量蛋白胨的組合碳源，絲狀菌膨脹現象得到了有效的解決。
這說明，在培養好氧顆粒污泥的過程中采用單一碳源易引起絲狀菌膨脹，混合碳源可以有效抑制該現象，對維持好氧顆粒污泥的穩定起到重要作用。碳源種類雖然可以改變顆粒結構，但有人認為其對好氧顆粒污泥的形成不能起到決定性作用。
02 種泥
Z. Song等研究發現從啤酒廢水處理廠中取的污泥比城市污水處理廠中提取的污泥更適合培養好氧顆粒污泥，表明接種污泥對好氧顆粒污泥的形成有重要的影響。不同種泥的顆粒化乃至穩定所需時間不同，所培養出的顆粒污泥菌群結構也不相同，說明微生物種群變化同接種污泥有關。
微生物的活性對好氧顆粒污泥的影響不明顯，但受接種污泥疏水性的影響較大。有研究者在培養好氧顆粒污泥的過程中加入厭氧顆粒污泥，縮短了好氧顆粒污泥的形成時間，且污泥穩定、污水處理效果好。這為好氧顆粒污泥的培養提供了一個很好的選擇。
03 水力剪切力
一般來說，由上流曝氣引起的水動力湍流是系統的主要剪切力，反應器可以通過改變表面上升氣體流速來控制水力剪切力。當對顆粒污泥施加剪切力時，顆粒必須通過消耗非生長能量，改變細胞表面EPS的量來調節其代謝途徑，以維持與外部剪切力的平衡。
研究表明，當表面上升氣體流速達到1.2cm/s時可以形成密度大且表面光滑的顆粒污泥。水力剪切力越大，越容易形成穩定的顆粒結構、清晰的污泥輪廓及良好污染物降解性能。
為了在保證污水處理效果的情況下降低能源使用，沈忱等研究了低曝氣條件下反應器的運行及好氧顆粒污泥情況，結果發現，在能夠使污泥達到顆粒化的水力剪切力下，好氧顆粒污泥對污水的處理性能穩定，可以高效地進行脫氮除磷以及去除COD。
04 PN/PS
一般認為，多糖（polysacides，PS）可以調節細胞的內聚力和黏附力，在污泥顆粒化過程中對維持污泥結構的完整性起著至關重要的作用。有研究發現，隨著水力剪切力的增加，污泥中多糖含量與蛋白（proteins，PN）含量的比值也有顯著上升。
值得指出的是，顆粒污泥中多糖的含量至少比絮凝體中高出2倍，同時也觀察到多糖的含量比絮凝體和顆粒污泥中蛋白質含量高得多。這可能意味著胞外蛋白對微生物群落結構和穩定性的影響不如多糖大。
05 pH
張志等運行6個相同的反應器，僅控制pH不同。結果表明，當pH在8.4時，細胞產生最少量的EPS，當pH上升到9.0時，EPS少量上升。
EPS上升有助于保護顆粒污泥，減少被酸堿值過高所帶來的傷害。研究結果證明控制pH使EPS產量增加，有利于提高污泥的耐沖擊能力，使顆粒污泥更加穩定。
06 溫度
溫度可以顯著影響生物過程中的微生物代謝和群落結構。A. Gonzalez-Martinez等在低溫下研究北極圈好氧顆粒污泥的性狀及菌群，發現溫度的改變會導致顆粒污泥菌群變化，是維持污泥結構正常或導致解體的重要因素。
此外，有研究表明，與溫適應接種物相比，冷適應接種物顯示出優異的顆粒狀生物質形成能力。在低溫條件下培養的好氧顆粒污泥，低溫啟動時，3周內就可以有效去除有機物，這表明低溫環境下好氧顆粒污泥更容易培養。
07 細胞表面電荷
一般來說，微生物細胞表面帶有負電荷。相似電荷之間的排斥可防止細胞在沒有另一種機制的幫助下彼此附著。二價陽離子如Ca2+中和微生物表面電荷已被認為是促進初始細胞附著的可能機制。范德華力也可能有助于這種細胞吸引力。DLVO理論同樣適用于分析細胞表面負荷對污泥產生的相互作用。
08 反應器類型及運行方式
好氧顆粒污泥多在SBR中進行培養。在反應器運行期間，由于高表面負電荷所引起的靜電斥力、疏水性低所形成的水包圍面以及EPS之間的相互作用，細胞表面存在的過多EPS會使得初始的黏附過程困難，EPS與細胞表面負電荷呈正相關性，與疏水性呈負相關。
SBR反應器的曝氣過程導致了長時間的饑餓期，EPS消耗至合理數量導致具有低負電荷和高表面疏水性的污泥形成，繼而顆粒繼續增長達到穩定顆粒化。
研究表明，為保證顆粒污泥的穩定性和良好的出水質量，飽食周期的長度不應超過總周期長度的25%。同時，在柱狀上升流反應器中，反應器高度與直徑（H/D）的比例較高，可以保證較好的顆粒流動軌跡，從而為微生物聚集提供良好條件。
此外，好氧顆粒污泥也可在其他反應器中形成。列舉了文獻中幾種成功培養出好氧顆粒污泥的反應器類型，見表2。
3 好氧顆粒污泥的應用
好氧顆粒污泥具有同時脫氮除磷、去除有機污染物、去除重金屬等作用，且去除效果良好。在城市污水和工業廢水處理中已經有相關應用。
01 脫氮
由于顆粒污泥的結構特征，溶解氧在污泥的不同部位存在差別。因為顆粒污泥外部生存的活性細胞層消耗了大部分氧，所以顆粒污泥核心處沒有氧。污水中脫氮所需要的好氧條件和缺氧條件都能夠在顆粒污泥內實現。因此，好氧顆粒污泥能夠實現良好的生物脫氮效果，從而用于實際的污水脫氮。
好氧顆粒污泥在處理主流工藝污水以及合成廢水時均顯示出良好的脫氮性能。Y. Liang等采用機械混合和曝氣技術將全程自養脫氮工藝（CANON）顆粒污泥培養40 d，運行期間處理合成污水、主流污水的平均氮去除速率（NRR）分別為3.22、1.11kgN/（m3·d）。出水硝酸鹽濃度低，未發現硝酸鹽積聚。
此外，也可通過控制其他因素達到良好的脫氮效果。影響顆粒污泥同步硝化反硝化的因素包括污水中的溶解氧、污泥的顆粒大小、電子供體可用性以及微生物活性等，例如，微堿性條件有利于亞硝化的進行。
低氧濃度條件下氮的去除效率更高，但無法維持好氧顆粒污泥的結構穩定。不同培養條件下產生的硝化細菌也會導致不同的脫氮效果。好氧顆粒污泥的結構及大體脫氮過程見圖1。
02 除磷
污泥中的聚磷菌在好氧條件下過量地攝取磷，在厭氧條件下釋放磷。好氧顆粒污泥表面溶解氧含量大，顆粒內部可以達到缺氧甚至厭氧狀態。基于這一原理，好氧顆粒污泥可以實現污水除磷的功能。
溫度、pH、鹽分、有機負荷、廢水底物類型和曝氣都對好氧顆粒污泥除磷效果具有影響。
O. Henriet等通過差異選擇含有高比例聚磷菌的顆粒來改進SBR中好氧顆粒污泥的除磷性能。
結果表明，沉降時間的增加與污泥床的均勻凈化相結合，規模和密度分布更為廣泛，這導致改進后的磷去除率超過90%，同時保持良好的氮和COD去除。通過對工藝的不斷改進和完善，好氧顆粒污泥可以取得良好的除磷效果。
03 有毒物質及難降解物質的去除
好氧顆粒污泥具有致密的核結構，對外部粒子具有較高的防擴散性，因此細胞整體對有毒物質具有很高的耐受能力。A. F. Duque等研究表明，好氧顆粒污泥可有效去除合成廢水中有毒的2-氯苯酚。
也有研究表明好氧顆粒污泥可以去除2，4-二硝基甲苯。此外，磷酸三丁酯的水解產物正丁醇可以被好氧顆粒污泥快速生物降解。石油化合物的去除效果可高達90%。好氧顆粒污泥具有優異的生物營養物質去除能力以及有毒或頑固污染物的生物降解性能。
好氧顆粒污泥相關工藝是常規活性污泥工藝的替代工藝，用于去除營養物、持久性污染物和水回用。未來應致力于進一步研究好氧顆粒污泥的形成機制，改善低強度污水中的好氧顆粒污泥形成。
現階段，有關好氧顆粒污泥的研究大多仍在模擬廢水的反應器中進行，今后應著力于在實際污水和工業廢水處理中運用研究。
同時，關注運行條件對好氧顆粒污泥穩定性的影響，防止如溶液中含鹽量不當導致顆粒污泥失穩解體等問題的出現；另外，也要著重研究如何加速好氧顆粒污泥的培養、強化同步高效脫氮除磷措施等。
4 結論
（1）表面光滑、粒徑大、性能良好的好氧顆粒污泥能夠實現較好的污水處理效果，可以同時高效脫氮和除磷，并保持良好的有機物去除效果，還可以去除有毒有害物質；好氧顆粒污泥在不同種類廢水處理過程中的效能、去除微污染物的機理方面需要進一步研究。
（2）好氧顆粒污泥的形成是在多種機制共同影響下的結果，目前還缺乏能夠準確完整描述其形成的假說，對其形成機理還需要進一步研究，特別是其形成過程中胞外聚合物的功能及調控措施。
（3）好氧顆粒污泥的培養過程中，污泥顆粒化以及顆粒污泥的各種特性受多因素的影響，任一因素的改變都可能導致顆粒污泥的解體、粒徑大小的改變；今后應著重對于好氧顆粒污泥內各微生物之間的協作和生態位及其影響因素進行研究。
（4）對于好氧顆粒污泥的培養研究大多仍處于實驗規模，未來應逐漸向實際污水發展；好氧顆粒污泥在實際應用中的穩定性仍然是一個挑戰，今后需要對好氧顆粒污泥系統的穩定維持、節能和回收資源方面的影響因素及控制策略進行研究；另外，如何加速好氧顆粒污泥形成仍將是一個研究熱點。
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