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)理卻是眾說紛紜。沒有達(dá)成共識(shí)。本文綜述了近年來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
顆粒污泥的形成過程是一個(gè)包含物理、化學(xué)和生物作用的復(fù)雜過程，這個(gè)過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
晶核假說最先由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：顆粒污泥的形成類似于結(jié)晶過程。接種污泥或反應(yīng)器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的無機(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。
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。晶核假說經(jīng)過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。這就是在晶核假說基礎(chǔ)上發(fā)展起來的“二次成核”假說。但是，有學(xué)者研究證明了在沒有投加“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。因此說晶核假說還需要進(jìn)一步研究。
2.2、選擇壓驅(qū)動(dòng)假說
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，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)。類似于生物進(jìn)化理論，這個(gè)物理篩選過程為反應(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，并推斷了污泥顆粒化需要強(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)沉降一洗脫過程是一個(gè)純粹的物理篩選過程，沒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)相互黏合來抵抗高上流速度產(chǎn)生的剪切力以避免一開始就被洗出[1引，否則，微小的絮狀污泥沒有機(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。因此以物理過程來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
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
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程有幫助。EPS假說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，生物顆粒化現(xiàn)象是一種進(jìn)化發(fā)展的過程，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，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法形成顆粒污泥的問題.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
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，沒有發(fā)現(xiàn)絲狀菌。因此，絲狀菌假說也需要進(jìn)一步研究完善。
2.7、階段形成假說
目前關(guān)于階段形成假說有三階段說和四階段說。倪丙杰等㈣在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上,認(rèn)為各種假說都有一定的合理性，但沒有將問題聯(lián)合，因此他提出了三階段形成假說。第一階段，微生物個(gè)體之間通過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)過程的四步驟學(xué)說。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，還沒有形成定論。以上幾種假說也都存在著一定的局限性。但是從文獻(xiàn)來看，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，通過選擇壓方法培養(yǎng)出來的顆粒污泥的細(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程中起了關(guān)鍵作用。隨著PCR、FISH等技術(shù)的發(fā)展.將來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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