黃全江，王三反，吳　楠，賀　輝，于文統(tǒng)，叢　林

(蘭州交通大學(xué) 寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州730070)

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連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展

黃全江，王三反，吳楠，賀輝，于文統(tǒng)，叢林

(蘭州交通大學(xué) 寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州730070)

概述了連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展,包括連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥的形成機(jī)理、影響因素和反應(yīng)器的特點(diǎn)，并對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

連續(xù)流；好氧顆粒污泥；機(jī)理；影響因素；反應(yīng)器

好氧顆粒污泥技術(shù)以其良好的沉降性能和較高的污染物處理能力，受到越來(lái)越多學(xué)者的熱捧。好氧顆粒污泥的研究最早可以追溯到1991年，Mishima等[1]在連續(xù)流好氧升流式污泥床反應(yīng)器(AUSB)中成功培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥，然而其運(yùn)行條件苛刻(必須以純氧曝氣)，且不具備脫氮除磷性能。之后研究發(fā)現(xiàn)[2]，序批式反應(yīng)器(SBR)相對(duì)于傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器有更強(qiáng)的水力傳質(zhì)壓力、更優(yōu)良的污泥篩分效果、更佳的絲狀菌控制性能，能夠相對(duì)容易地培養(yǎng)出性能優(yōu)異的好氧顆粒污泥。目前，好氧顆粒污泥的研究大都集中在SBR中。但是，SBR只適用于小型污水處理系統(tǒng)，與實(shí)際工程中的大型污水處理系統(tǒng)——連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)還存在一定的差距。作者概述了連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望了其應(yīng)用前景。

1　連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

連續(xù)流態(tài)下的好氧顆粒污泥在本質(zhì)上同SBR中的好氧顆粒污泥一樣，是微生物借助反應(yīng)器中特殊的水力條件，改變其自身的細(xì)胞表面特性或代謝機(jī)制，通過(guò)黏附作用而形成的聚集體。關(guān)于其形成過(guò)程，目前比較公認(rèn)的顆粒化過(guò)程是Liu等[3]提出的4步途徑模型：

(1)在物理作用力下，微生物之間相互靠攏或向附著體表面運(yùn)動(dòng)，形成最初的微生物聚集體。已經(jīng)存在的微生物聚集體和惰性物質(zhì)均可以作為微生物生長(zhǎng)附著的載體或晶核；(2)微生物之間、微生物與附著體之間在物理、化學(xué)和生物的作用力下相互吸附，微生物聚集體進(jìn)一步變大、緊密，但是這種吸附并不穩(wěn)定而是可逆的；(3)微生物之間通過(guò)胞外聚合物產(chǎn)生的生物凝膠強(qiáng)有力地相互粘連、吸附在一起，這種吸附不再可逆，微生物聚集體逐步趨于穩(wěn)定；(4)在水力剪切力對(duì)微生物聚集體的塑形作用下，微生物聚集體更加致密，生物間的間距進(jìn)一步縮小，結(jié)構(gòu)更加緊密，最終形成好氧顆粒污泥。

2　連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)好氧顆粒污泥的影響因素

連續(xù)流反應(yīng)器和間歇式反應(yīng)器的主要區(qū)別是進(jìn)水方式的差異，而進(jìn)水方式對(duì)污泥的形態(tài)及其沉降性能影響很大。連續(xù)流反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥的主要影響因素有水力剪切力、沉淀時(shí)間、飽食-饑餓期、基質(zhì)類型及有機(jī)負(fù)荷等。

2.1水力剪切力

水力剪切力是上升的水流或氣流對(duì)好氧顆粒污泥表面形成的剪切作用力，其作用機(jī)理是對(duì)生物體施加一定的生物選擇壓，一般通過(guò)表面氣速表征。由于不同剪切力下的微生物的聚集性質(zhì)有所差異，所以最終形成的好氧顆粒污泥的粒徑、外形結(jié)構(gòu)、沉降性能等也各不相同。研究表明[4-5]，一定強(qiáng)度的剪切力是好氧顆粒污泥形成的必要條件，提高剪切力強(qiáng)度，可以在一定程度上提高生物固體濃度和沉降性能，同時(shí)增強(qiáng)微生物活性，較高的剪切力能促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。牛姝等[6]在三相分離型反應(yīng)器(CAFB)中培養(yǎng)好氧顆粒污泥時(shí)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)流反應(yīng)器中不存在對(duì)循環(huán)時(shí)間和沉淀時(shí)間的控制，剪切力是促進(jìn)好氧顆粒污泥形成的主要因素。由流體剪切力模型可知，連續(xù)流水流作用施加于顆粒或絮體表面的剪切力遠(yuǎn)大于SBR中氣相施加的剪切力，因此在連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥性能比SBR中的更加優(yōu)異。

2.2沉淀時(shí)間

沉淀時(shí)間影響好氧顆粒污泥培養(yǎng)過(guò)程中絮凝體的篩分過(guò)程。在較短的沉淀時(shí)間下，水力條件將促進(jìn)污泥的篩分，使松散的絮狀污泥被篩除，而密度較大的顆粒污泥將繼續(xù)留在反應(yīng)器中。隨著時(shí)間的推進(jìn)，顆粒污泥逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群。有研究表明[7]，較短的沉淀時(shí)間會(huì)促使細(xì)胞表面生成更多的胞外聚合物，胞外聚合物能夠提升細(xì)胞表面的疏水性，進(jìn)而促進(jìn)顆粒污泥的形成。然而，魯文娟等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)流傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中進(jìn)行的好氧顆粒污泥培養(yǎng)，即使污泥沉淀時(shí)間設(shè)為2.0 h，仍可以成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，這表明較短的沉淀時(shí)間并不是好氧顆粒污泥形成的必要條件。

2.3飽食-饑餓期

飽食-饑餓期是影響好氧顆粒污泥的培養(yǎng)與保持穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵因素。Liu等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，較短的饑餓期能夠加快顆粒污泥的形成速度，但形成的顆粒污泥不穩(wěn)定。絲狀菌的過(guò)度繁殖是好氧顆粒污泥解體的主要原因之一[11]。de Icreuk等[12]發(fā)現(xiàn)絲狀菌有機(jī)體只在低基質(zhì)濃度梯度的污泥絮凝組織中過(guò)度繁殖。在連續(xù)流反應(yīng)器中，由于反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)充分混合，顆粒污泥表層幾乎不存在基質(zhì)濃度梯度，而在顆粒污泥內(nèi)部卻容易形成易于絲狀菌繁殖的基質(zhì)濃度梯度[13]。此外，眾多研究表明，交替的飽食-饑餓期變化能夠抑制絲狀菌的繁殖，同時(shí)也可以促進(jìn)顆粒絮凝體的生成。沒(méi)有飽食-饑餓期的變化，絮凝體將不會(huì)發(fā)展成為優(yōu)勢(shì)群體。劉琳[14]研究了饑餓時(shí)間對(duì)穩(wěn)態(tài)好氧顆粒污泥系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)短的饑餓期并不會(huì)引起顆粒污泥的失穩(wěn)，但長(zhǎng)的饑餓期會(huì)引發(fā)絲狀菌的大量繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。這說(shuō)明合適的饑餓時(shí)間可以促進(jìn)顆粒污泥系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能且保持高效，但較長(zhǎng)的饑餓期并不可取。

2.4基質(zhì)類型及有機(jī)負(fù)荷

好氧顆粒污泥與一般生物膜類似，能夠用于一般生物培養(yǎng)的基質(zhì)基本上都可用于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，基質(zhì)類型對(duì)好氧顆粒污泥的形成過(guò)程基本無(wú)影響，但是不同有機(jī)質(zhì)培養(yǎng)的好氧顆粒污泥菌群組成及結(jié)構(gòu)卻有很大的差別。在以葡萄糖為主要基質(zhì)的培養(yǎng)體系中，形成的好氧顆粒污泥表面容易長(zhǎng)出大量絲狀菌，外觀呈絨毛狀，而在以醋酸鈉為主要基質(zhì)的反應(yīng)器內(nèi)，形成的好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)緊密，顆粒污泥主要是由桿菌組成[15]。隨著基質(zhì)成分種類的增多，好氧顆粒污泥的菌群結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)[16]。

基于SBR的大量研究表明，有機(jī)負(fù)荷的大小影響系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌的生長(zhǎng)速率[17]，一定負(fù)荷范圍內(nèi)，負(fù)荷越高，顆粒污泥的粒徑越大，但其結(jié)構(gòu)卻越松散，培養(yǎng)后期極易發(fā)生顆粒污泥的解體。然而，沈耀良等[18]對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥的運(yùn)行效能進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，增加進(jìn)水中有機(jī)物濃度，不僅能加速污泥顆粒化，而且可以使反應(yīng)器更加穩(wěn)定高效地運(yùn)行。因此，好氧顆粒污泥在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)對(duì)有機(jī)負(fù)荷的變化適應(yīng)性比在SBR內(nèi)更強(qiáng)，這將有利于連續(xù)流反應(yīng)器的應(yīng)用推廣。

3　常見(jiàn)連續(xù)流態(tài)下培養(yǎng)好氧顆粒污泥的反應(yīng)器特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的SBR好氧顆粒污泥不同，連續(xù)流反應(yīng)器不存在靜態(tài)的沉降過(guò)程，因此在反應(yīng)器內(nèi)需要另加泥水分離裝置進(jìn)行泥水分離。根據(jù)泥水分離機(jī)制的不同，連續(xù)流好氧顆粒污泥反應(yīng)器可以分為重力沉降分離型、三相分離型和過(guò)濾分離型。

3.1重力沉降分離型反應(yīng)器

重力沉降分離型反應(yīng)器的主要特征是在反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)立專門的沉降區(qū)域，依靠好氧顆粒污泥的優(yōu)良沉降性能實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)的泥水良好分離。設(shè)立的沉降區(qū)可以是單獨(dú)的二沉池[18]，也可以是在主反應(yīng)區(qū)設(shè)置一定的沉降區(qū)[8]，甚至可以把排泥管道作為沉降區(qū)[19]。然而對(duì)表面水力負(fù)荷的選擇難以保持對(duì)顆粒污泥的篩分與系統(tǒng)穩(wěn)定同時(shí)有效，因此，目前關(guān)于重力沉降分離型反應(yīng)器的研究并不多見(jiàn)。

3.2三相分離型反應(yīng)器

三相分離型反應(yīng)器(CAFB)是目前連續(xù)流培養(yǎng)好氧顆粒污泥的主要反應(yīng)裝置，通常結(jié)構(gòu)是升流區(qū)、降流區(qū)及三相分離器。CAFB由于其較大的高徑比和反應(yīng)器中液、氣的密度差而使得混合液產(chǎn)生規(guī)則的內(nèi)循環(huán)流。這種內(nèi)循環(huán)流具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：(1)增強(qiáng)污泥絮體和小顆粒聚集的剪切作用力；(2)作用于顆粒污泥表面，有助于形成表面平滑、形狀規(guī)則的顆粒污泥；(3)循環(huán)流量遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量，污水實(shí)際停留時(shí)間較長(zhǎng)；(4)反應(yīng)器內(nèi)混合液濃度均一，屬于完全混合態(tài)，相較SBR的流態(tài)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

研究發(fā)現(xiàn)[20-23]，與SBR中好氧顆粒污泥的形成不同，CAFB中好氧顆粒污泥的形成不受沉降時(shí)間、進(jìn)水有機(jī)物濃度等的影響，內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的水力剪切力是促進(jìn)好氧顆粒污泥形成的主要作用力。雖然三相分離器能夠很好地實(shí)現(xiàn)泥水分離，但還不能完全滿足好氧顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)劇烈的氣流擾動(dòng)及選擇性排泥的要求，因此，三相分離器還需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3過(guò)濾分離型反應(yīng)器

過(guò)濾分離型反應(yīng)器的原理是利用篩網(wǎng)對(duì)顆粒污泥進(jìn)行篩分，使得大小適宜的好氧顆粒污泥保留在反應(yīng)器內(nèi)。Liu等[24-25]利用添加篩網(wǎng)的生物選擇池的連續(xù)流自生動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器與傳統(tǒng)好氧顆粒污泥反應(yīng)器對(duì)顆粒污泥穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，通過(guò)粒徑選擇培養(yǎng)的好氧顆粒污泥與水力選擇壓培養(yǎng)的性能沒(méi)有太大區(qū)別，粒徑選擇培養(yǎng)的顆粒污泥有更大的粒徑、更低的含水率和更好的脫氮除磷效率,但其沉降性能不如水力選擇壓培養(yǎng)的。雖然這種泥水分離方式具有較高的篩分效率，但其運(yùn)行及控制都較為繁瑣，且易堵塞篩網(wǎng)，并不適宜大規(guī)模應(yīng)用。

4　存在的問(wèn)題與展望

目前，運(yùn)用連續(xù)流反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥普遍存在如下問(wèn)題：(1)連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥形成的機(jī)理尚不明確，在SBR內(nèi)對(duì)好氧顆粒污泥適宜的條件，在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)不一定仍然適宜；(2)連續(xù)流反應(yīng)器與SBR對(duì)不同影響因素的控制難易程度不一，SBR中易于調(diào)節(jié)的部分因素在連續(xù)流反應(yīng)器中不存在或難以控制；(3)連續(xù)流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以直接應(yīng)用于實(shí)際工程中。因此，需要加強(qiáng)連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥的形成機(jī)理研究，對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

盡管目前連續(xù)流反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的培養(yǎng)研究較少，但已經(jīng)有越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)其關(guān)注、研究，并取得了一定成果。連續(xù)流反應(yīng)器相較SBR具有更多的工程應(yīng)用可能性，隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信不難實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。

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Research Progress on Aerobic Granular Sludge Technology under Continuous-Flow Condition

HUANG Quan-jiang，WANG San-fan，WU Nan，HE Hui，YU Wen-tong，CONG Lin

(TheEngineeringResearchCenterofMinistryofEducationinColdandAridAreasWaterResourcesComprehensiveUtilization，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070,China)

Researchprogressonaerobicgranularsludgetechnologyunderacontinuous-flowconditionisreviewed，includingtheformationmechanismofaerobicgranularsludgeunderacontinuous-flowcondition，influencefactorsandthecharacteristicsofthereactor.Theapplicationsofthistechnologyareprospected.

continuous-flow；aerobicgranularsludge；mechanism；influencefactor；reactor

2016-04-04

黃全江(1993-)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：水處理技術(shù)及膜技術(shù)，E-mail：hqjspring@126.com；通訊作者：王三反，教授，E-mail:ty197@mail.lzjtu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.003

X 703.1

A

1672-5425(2016)09-0012-03

黃全江，王三反，吳楠，等.連續(xù)流態(tài)下好氧顆粒污泥技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(9)：12-14，22.