唐朝春，簡美鵬，劉 名，邵鵬輝

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

污泥顆?；F(xiàn)象最早在UASB 厭氧系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，Mishima 等[1]于1991年首次在上向流好氧反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了具有良好沉淀性能、粒徑在2～8 mm 之間的好氧顆粒污泥。借鑒厭氧顆粒污泥培養(yǎng)機制，近年來國內(nèi)外研究者對好氧顆粒污泥做了大量深入的研究[2-6]，為好氧顆粒污泥的應(yīng)用提供了理論支撐與技術(shù)指導。好氧顆粒污泥是在一定水力剪切力作用下源于微生物的一種聚集體顆粒[7]，具有規(guī)則的外形、密實的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的沉降性能和耐沖擊負荷高等優(yōu)點[8]，從而可以應(yīng)用于處理高濃度有機廢水、有毒有害廢水等[9-11]，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。然而，好氧顆粒污泥穩(wěn)定運行一段時間后易發(fā)生絲狀菌膨脹、微生物活性降低、顆粒內(nèi)核瓦解等問題，最終導致顆粒污泥失穩(wěn)解體[12]，如何實現(xiàn)好氧顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行是未來研究的難題之一。

1 好氧顆粒污泥的形成機理

目前關(guān)于好氧顆粒污泥的形成機理還沒有統(tǒng)一的定論，根據(jù)好氧顆粒污泥形成過程中各因素的促進作用，目前比較認同的大致可以分為“絲狀菌假說”、“胞外聚合物假說”、“選擇壓驅(qū)動假說”、“自凝聚假說”。

1.1 絲狀菌假說

一定數(shù)量的絲狀菌對于好氧顆粒污泥的形成有促進作用[13]。好氧顆粒污泥形成的初始階段，絲狀菌可以作為內(nèi)核的骨架，菌膠團便附著于上，形成穩(wěn)定的聚合體。趙霞等[14]研究發(fā)現(xiàn)，絲狀菌在顆粒污泥形成過程中起著搭接、骨架、交織和網(wǎng)捕的作用。

1.2 胞外聚合物假說

細菌在胞外能夠分泌一種黏性物，即俗稱的胞外聚合物（EPS），由蛋白質(zhì)、聚多糖、腐殖酸和脂肪酸等構(gòu)成，有助于形成顆粒污泥[15-16]。其中胞外多糖可以通過離子鍵或氫鍵與絮體污泥發(fā)生凝聚作用[17]。蛋白質(zhì)就降低污泥表面電位、促進污泥聚集可能起著重要的作用[5]。Liu 等[16，18]發(fā)現(xiàn)顆粒污泥中EPS 能夠在臨近細胞之間或者細胞與其它顆粒物質(zhì)之間形成架橋，最終形成絮凝體。Tay 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在顆粒污泥中多聚糖的含量比污泥絮體高2～3 倍。蔡春光等[20]研究了顆粒形成過程中EPS中蛋白質(zhì)和總糖的比值變化，結(jié)果增加了近2.5 倍。污泥表面電荷降低，疏水性增加，說明了蛋白質(zhì)和多糖的比值與污泥表面電荷負相關(guān)，與疏水性正相關(guān)。

1.3 選擇壓驅(qū)動假說

選擇壓分為水力選擇壓和生物選擇壓兩種。王惠卿等[21]在不同高徑比反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)細而高的SBR 反應(yīng)器便于形成好氧顆粒污泥。提高有機負荷率、縮短沉降時間、延長饑餓時間和加強水力剪切力，均有利于好氧顆粒污泥的形成[22-23]。而通過改變進水營養(yǎng)組分負荷的不同還可以優(yōu)化培養(yǎng)出相適應(yīng)的微生物種群，Yang 等[24]在較高N/C 條件下能夠培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，且發(fā)現(xiàn)硝化菌占優(yōu)勢菌屬。Tsuneda 等[25]利用無機碳源成功培養(yǎng)出硝化性能良好的硝化顆粒污泥。

1.4 自凝聚假說

自凝聚是生物處理系統(tǒng)中，微生物在適當環(huán)境條件下，相互聚合形成一種密度、體積比較大、活性和傳質(zhì)條件都比較好的微生物共生體顆粒的現(xiàn)象[26]。Tay 等[27]提到好氧污泥顆粒的形成過程是微生物在靜電斥力和水力作用下的自凝聚過程。因此好氧顆粒污泥其實是一種特殊形式的生物膜。

2 影響好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的因素

好氧顆粒污泥不能長期穩(wěn)定存在是目前不能工業(yè)化放大的關(guān)鍵因素之一。好氧顆粒污泥的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在絲狀膨脹、顆粒污泥內(nèi)核自身代謝瓦解、微生物活性降低等，最終導致好氧顆粒污泥發(fā)生失穩(wěn)解體。引起好氧顆粒污泥失穩(wěn)的原因主要為以下幾方面。

2.1 溫度

溫度是影響微生物生長和生存的重要因素之一，目前大多數(shù)研究報道的好氧顆粒污泥都是在室溫（20～25 ℃）下進行的。

Song 等[28]分別在25 ℃、30 ℃、35 ℃下培養(yǎng)好氧顆粒污泥，而溫度在30 ℃的條件下培養(yǎng)出成熟的顆粒污泥具有更致密的結(jié)構(gòu)和沉降性能，生物活性也更好。暴瑞玲等[29]在20 ℃培養(yǎng)出顆粒污泥后提高溫度到26 ℃，運行47 天后發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥的胞外聚合物中蛋白質(zhì)與多糖的比值降低，最終顆粒污泥解體。而Winkler 等[30]研究發(fā)現(xiàn)顆粒污泥的沉降性能隨著溫度的降低而下降。

De Kreuk 等[31]在8 ℃條件下培養(yǎng)得到的好氧顆粒污泥形狀不規(guī)則、不穩(wěn)定且有大量絲狀菌存在，最終導致顆粒污泥大量流失；而當啟動溫度在20 ℃條件下好氧顆粒污泥培養(yǎng)成功后，隨后降低溫度到15 ℃、8 ℃過程中顆粒污泥穩(wěn)定性沒有影響。

2.2 pH 值

不同菌種都有適宜其生長的pH值，低pH值 是導致好氧顆粒污泥發(fā)生絲狀膨脹的主要原 因[32-33]。紀樹蘭等[34]運用絲狀微生物的鑒別方法確定了好氧顆粒污泥發(fā)生絲狀膨脹的微生物為一種絲狀真菌，并且該種微生物在低pH 值環(huán)境條件下極易生長繁殖。Yang 等[35]發(fā)現(xiàn)在pH 值為4.0 條件下，好氧顆粒污泥的粒徑可達到7.0 mm，且真菌類為優(yōu)勢菌種，結(jié)構(gòu)較疏松；而在pH 值為8.0 的條件下培養(yǎng)好氧顆粒污泥的粒徑僅為4.8 mm，且細菌類為優(yōu)勢菌種，結(jié)構(gòu)緊湊。Seviour 等[36]研究了不同pH值條件下的好氧顆粒污泥EPS 凝膠特性，發(fā)現(xiàn)在pH ＜9 時，顆粒污泥的胞外聚合物展現(xiàn)出很強凝膠性能。

2.3 有機負荷率與氨氮濃度

成熟好氧顆粒污泥的特性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性與有機負荷率密切相關(guān)。Eduardo Isanta 等[37]在低有機負荷下長期運行后發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥由于絲狀菌的大量生長而最終解體。然而在高有機負荷條件下，好氧顆粒污泥同樣也會絲狀膨脹最終導致瓦解失穩(wěn)[38-40]。宋志偉等[41]探討了成熟顆粒污泥在不同的污泥負荷下對其穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明污泥負荷過高或過低均不利于顆粒污泥的穩(wěn)定。

氨氮濃度的高低將會影響到好氧顆粒污泥的生長。汪皓東[42]研究了不同氨氮負荷下好氧顆粒污泥的生長變化情況，發(fā)現(xiàn)當氨氮濃度為60 mg/L 時，好氧顆粒污泥表面結(jié)構(gòu)開始松散并滋生絲狀菌，當進一步提高到80 mg/L 時，好氧顆粒污泥開始明顯的解體。李志華等[43]發(fā)現(xiàn)氨氮沖擊負荷是導致顆粒污泥解體的主要原因之一。

2.4 溶解氧與顆粒粒徑

溶解氧對好氧顆粒污泥的形成和穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，低溶解氧會導致顆粒污泥內(nèi)部供氧不足，容易發(fā)生顆粒內(nèi)核厭氧代謝。Mosquera-Corral等[44]在降低了40%后溶解氧后顆粒污泥開始解體。Liu 等[45]提到在低DO 的情況下成熟的顆粒污泥會因為絲狀膨脹而失穩(wěn)。

顆粒粒徑的大小將影響到基質(zhì)的傳質(zhì)阻力和氧的傳遞效率。Wang 等[46]在MBR 反應(yīng)器內(nèi)接種好氧顆粒污泥發(fā)現(xiàn)粒徑大于0.9 mm 的顆粒污泥在運行24 天后有瓦解的現(xiàn)象，而粒徑在0.18～0.9 mm 之間的顆粒污泥呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。李軍等[47]分析了城市污水廠普通推流式曝氣池內(nèi)篩選出的好氧顆粒污泥的特性，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥直徑主要為0.2～0.8 mm。因此控制顆粒污泥粒徑是維持好氧顆粒污泥穩(wěn)定的因素之一。

2.5 飽食-饑餓期

SBR 反應(yīng)器的運行方式使得反應(yīng)期可分為兩個階段[27]：底物豐富期和底物匱乏期。 Castellanos等[48]研究發(fā)現(xiàn)底物基質(zhì)的缺乏對細胞表面疏水性能有很大影響。Liu 等[49]發(fā)現(xiàn)較短的饑餓時間將導致好氧顆粒污泥不穩(wěn)定，而過長則好氧顆粒污泥密實度差，而且反應(yīng)器運行效率低不利于實際應(yīng)用，最終得出最佳饑餓時間為3.3 h。McSwain 等[50]通過調(diào)節(jié)不同的進水時間與曝氣時間來達到飽食-饑餓模式間歇培養(yǎng)，結(jié)果顯示進水時間與曝氣時間的比值越大，則豐富期/匱乏期越大，所形成的好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)越緊湊密實。Liu 等[51]研究發(fā)現(xiàn)饑餓期并非是好氧顆粒污泥形成的必要條件，但饑餓期對于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性具有一定的促進作用。高大文等[52]還發(fā)現(xiàn)饑餓時間的縮短不會造成好氧顆粒系統(tǒng)發(fā)生解體現(xiàn)象。因此，有效控制好饑餓時間的長短對于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性有重要的作用。

2.6 水力剪切力

水力剪切力的強度對污泥的顆?；€(wěn)定有很大的影響。較高的水力剪切力不僅能使顆粒污泥更加密實穩(wěn)定，而且對絲狀菌也有一定的抑制作用。Tay等[53]研究發(fā)現(xiàn)較高的水力剪切力能夠培養(yǎng)出表面光滑、結(jié)構(gòu)密實、機械強度高、微生物含量高的顆粒污泥，而且還發(fā)現(xiàn)較高的水力剪切力能刺激好氧顆粒污泥分泌更多的胞外聚合物（EPS）。Adav 等[54]也考察了水力剪切力對苯酚為基質(zhì)的好氧顆粒污泥的形成作用和EPS 的含量的影響。較高的水力剪切力不僅能夠促進污泥的顆?；?，而且還可以提供充足的氧氣來抑制絲狀菌的大量繁殖，有利于好氧顆粒污泥的長期穩(wěn)定運行。

2.7 污泥齡

絲狀菌的最大比增長速率要低于菌膠團，較長時間的污泥停留時間將有利于絲狀菌的生長[55]。汪善全等[56]鑒定了好氧顆粒污泥出現(xiàn)的絲狀微生物一般出現(xiàn)在污泥齡長的系統(tǒng)出現(xiàn)。然而太短污泥齡難以進行硝化反硝化作用，不利于好氧顆粒污泥生長[1]。

2.8 有毒有害物質(zhì)及其它因素

當水體中的重金屬濃度超過一定程度時，就會對微生物的生長和代謝產(chǎn)生抑制作用。Wang 等[57]通過長期添加Cu2+和Ni2+考察重金屬對好氧顆粒污泥性質(zhì)的影響，結(jié)果顯示Cu2+對顆粒污泥毒性較大，污泥濃度和生物多樣性明顯下降，而Ni2+對顆粒污泥毒性較小。Su 等[58]發(fā)現(xiàn)在好氧顆粒污泥系統(tǒng)中，硫化物負荷率超過0.3 kgS2-/(m3·d)時，顆粒污泥由于絲狀硫菌屬大量生長而沉降性能變差。

Li 等[59]發(fā)現(xiàn)鹽度對好氧顆粒污泥的性質(zhì)有很大影響，在鹽度為5%情況下，好氧顆粒污泥絲狀占優(yōu)，并最終顆粒污泥瓦解。宋志偉等[41]研究了兩種接種污泥對好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性影響，結(jié)果啤酒廠的接種污泥形成的成熟顆粒污泥比城市污水廠的要更穩(wěn)定。Adav 等[60]研究了顆粒污泥存儲后活性恢復的研究，發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥不能穩(wěn)定儲存的原因是胞內(nèi)蛋白水解。

3 好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的強化

3.1 抑制絲狀膨脹

有機負荷率（OLR）、溶解氧（DO）和pH 值是培養(yǎng)好氧顆粒污泥形成和保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的3 個關(guān)鍵的運行控制參數(shù)，控制不當極易發(fā)生絲狀膨脹。Kim 等[61]通過采用不同的有機負荷率來培養(yǎng)好氧顆粒污泥，最后得到最佳的有機負荷率為2.5 kg/(m3·d)。Li 等[39]利用兩個反應(yīng)器R1 和R2，其有機 負 荷 率 分 別 為 2.0 g COD/(L·d) 和 0.5 g COD/(L·d)，經(jīng)過100 天培養(yǎng)結(jié)果發(fā)現(xiàn)低負荷下培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥有大量絲狀菌存在，結(jié)構(gòu)疏松，粒徑高大20 mm，而高負荷下培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥主要為細菌類，結(jié)構(gòu)密實，粒徑在2～3 mm，并提出適當提高有機負荷率有助于抑制絲狀菌的生長，保持污泥顆粒的穩(wěn)定。

低溶解氧有利于絲狀菌的繁殖，易導致好氧顆粒污泥解體，McSwain 等[62]發(fā)現(xiàn)如果DO 從8 mg/L降低為5 mg/L 的話，好氧顆粒污泥的飽食/饑餓體系和基質(zhì)降解動力學將會受到影響，且有絲狀菌富集。穩(wěn)定運行的顆粒污泥一般均需要較高的曝氣量，Liu 等[63]通過在饑餓階段降低曝氣量發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥從球狀變?yōu)榱碎L條狀，但污泥的沉降性能并未發(fā)生改變，并指出控制飽食階段的曝氣量是好氧顆粒污泥維持穩(wěn)定的關(guān)鍵。

真菌一般在低pH 值條件下利于繁殖生長，控制好pH 值是抑制顆粒污泥絲狀膨脹的關(guān)鍵。紀樹蘭等[34]通過運行過程中投加NaHCO3調(diào)節(jié)pH 值至7 左右來達到控制絲狀膨脹，并取得了一定的 效果。

3.2 促進胞外多聚物的分泌

高的水力剪切力將可刺激微生物分泌大量的EPS，從而導致疏水性增加[23，64-65]。而Zhang 等[66]研究顯示微生物胞外蛋白分泌量的減少及某種蛋白質(zhì)的消失可能是好氧顆粒污泥解體的根本原因。然而Adav 等[67]用酶選擇性地水解EPS 中蛋白質(zhì)、α-多聚糖、β-多聚糖和脂肪酸來探究對顆粒污泥的穩(wěn)定性影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的水解對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響不明顯，而水解β-多聚糖引起了顆粒污泥瓦解。高景峰等[68]借助EPS 多重熒光染色表明適當?shù)陌舛嗵鞘呛醚躅w粒污泥形成和維持穩(wěn)定的基礎(chǔ)。戚韓英[69]證實了芳香族類蛋白的減少是好氧顆粒污泥失穩(wěn)的主要原因。因此，通過提高水力剪切力可維持好氧顆粒污泥的穩(wěn)定。

3.3 富集慢速增長的微生物

楊珊珊等[70]發(fā)現(xiàn)顆粒污泥表面或內(nèi)部微生物生長速度過快是導致顆粒污泥結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的主要原因，而較長的污泥齡有利于顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定。優(yōu)化選擇生長速率較慢的微生物比如聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs），其細胞表面的負電荷較生長速率快的微生物低，表面疏水性高，使得細胞易于聚集在一起，且形成的顆粒污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[71]。一般可以采用厭氧-好氧匱乏交替的方式來培養(yǎng)此類菌群[72]，也有采用較高的N/C 比或P/C 比來培養(yǎng)生長速率較慢的硝化細菌或聚磷菌的顆粒污泥。Liu 等[73]采用不同的N/C 比篩選硝化菌來培養(yǎng)好氧顆粒污泥并研究了其穩(wěn)定性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高N/C 比下形成的顆粒污泥中含有大量的硝化菌，雖然其平均粒徑隨N/C 比的升高而逐漸減小，但是顆粒的疏水性能和沉降性能卻 最好。

李志華等[74]利用無機碳源在SBR 反應(yīng)器中培養(yǎng)出結(jié)構(gòu)極為密實的自養(yǎng)菌顆粒污泥，且所富集的硝化菌有利于維持好氧顆粒污泥的穩(wěn)定；還分析比較了異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌對好氧顆粒污泥的影響，發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)菌EPS 與孔隙率能夠達到動態(tài)平衡，因此能夠長期維持穩(wěn)定[75]。

3.4 強化顆粒內(nèi)核

好氧顆粒污泥內(nèi)核瓦解是失穩(wěn)的主要原因之一[76]。而內(nèi)核瓦解主要原因是：顆粒污泥內(nèi)部微生物缺氧進行內(nèi)源呼吸而自溶，或是顆粒內(nèi)部微生物老化導致結(jié)構(gòu)疏松[77]。

魏燕杰等[78]通過投加粉末活性炭降低污泥生長速率和產(chǎn)率，避免了因傳質(zhì)阻力引起的顆粒內(nèi)部瓦解，保證了好氧顆粒污泥的穩(wěn)定。

3.5 其它措施

劉鳳閣等[79]研究表明絲狀真菌不僅能依靠其結(jié)構(gòu)特性增強顆粒污物穩(wěn)定性，而且可以消除細菌代謝產(chǎn)物在顆粒內(nèi)的積累，改善顆粒內(nèi)微生物生態(tài)環(huán)境，從而提高顆粒污泥的穩(wěn)定性。

李志華等[80]開發(fā)新型反應(yīng)器保證了顆粒污泥粒徑的增長和密度擴大，有效維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

汪善全等[81]將反應(yīng)器中進水基質(zhì)由葡萄糖換為難生物降解廢水時，能夠快速有效控制顆粒污泥中絲狀微生物的過度增殖。吳蕾等[82]也通過變換水質(zhì)來達到控制絲狀菌的過度增長，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

好氧顆粒污泥技術(shù)是一種具有很大應(yīng)用前景的水處理技術(shù)，已成為污水處理領(lǐng)域研究的熱點，也取得了大量的研究成果。不過，好氧顆粒污泥技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用較少，其中顆粒污泥的穩(wěn)定性是限制其實際應(yīng)用的最大瓶頸。如何實現(xiàn)好氧顆粒污泥的長期穩(wěn)定運行是目前研究領(lǐng)域的重點，深入探究好氧顆粒污泥的形成機理，應(yīng)用現(xiàn)代分子生物技術(shù)解析功能菌群的生長和分布規(guī)律，為好氧顆粒污泥的工業(yè)化應(yīng)用作鋪墊，意義重大。

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