好氧颗粒污泥的稳定运行条件及应用研究进展

第34卷第6期2019年12月山东建筑大学学报JOUＲNALOFSHANDONGJIANZHUUNIVEＲSITYVol．34No．6Dec．2019收稿日期:2019－10－17基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFF0209903);山东省自然科学基金项目(ZＲ2018BEE036)作者简介:李琦(1994－)，女，在读硕士，主要从事水处理理论与技术等方面的研究．E-mail:[e-mail]通讯作者*:朱兆亮(1975－)，男，副教授，博士，主要从事水污染控制技术等方面的研究．E-mail:[e-mail]:10．12077/sdjz．2019．06．011好氧颗粒污泥的稳定运行条件及应用研究进展李琦，朱兆亮*，李明亮，翟杨(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101)摘要:好氧颗粒污泥具有沉降性能高、剩余污泥量少等优点，成为工业废水处理的一种新方法，探讨其稳定运行条件及在实际工业废水中的处理效果，有助于推动其工艺的基础性研究及工业化应用。文章概述了好氧颗粒污泥的特性，阐述了有机负荷率、底物组成、水流剪切力、间歇性饱食—饥饿喂养方式、进水组成等运行条件对好氧颗粒稳定性的影响，分析了其稳定运行条件，介绍了其在纺织废水、橡胶废水、牲畜废水和垃圾渗滤液等废水处理中的应用效果，并对深入研究好氧颗粒污泥形成机理的方法进行了展望。关键词:好氧颗粒污泥;稳定运行条件;应用中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1673－7644(2019)06－0063－06ＲesearchprogressontheoperatingconditionsstabilityandapplicationofaerobicgranularsludgeLIQi，ZHUZhaoliang*，LIMingliang，etal．(SchoolofMunicipalandEnvironmentEngineering，ShangdongJianzhuUniversity，Jinan250101，China)Abstract:Aerobicgranularsludgetechnologyhasbecomeanewmothodinthefieldofsewagetreatmentduetoitsexcellentsedimentationperformanceandlowresidualsludgevolume．Bystudyingitsinstabilityinlong-termoperationandtheapplicationinindustrialwastewatermanagement，itwillbehelppromotethefoundationalresearchandindustrialapplication．ThearticlesummarizestheAGScharacteristics，anddiscussestheformationandstableoperationofAGSbyfactorssuchasorganicloadingrate，substratetype，waterflowshearstress，intermittentfeast-famineandinfluentcomposition，analyzethestableoperatingconditions，andliststheAGSinpracticalapplicationofindustrialwastewatertreatment，includingthetextilewastewater，therubberwastewater，livestockwastewaterandmunicipallandfillleachate．Moreover，thispaperstatesthestudyprospectofAGSformationmechanism．Keywords:aerobicgranularsludge;stabilityoperatingconditions;application0引言20世纪90年代末，在曝气反应器中培养了一种新型的活性污泥—好氧颗粒污泥AGS(AerobicGranularSludge)。好氧颗粒AG(AerobicGranular)是无载体固定的，由细菌和胞外聚合物EPS(ExtracellularPolymericSubstances)组成致密的聚集体，因此可以认为其是一种通过细胞间的自固定而逐渐颗粒化的特殊生物膜结构［1］。AGS作为一项污水深度处理工艺，其具有污水处理能力强、生物量高、抗冲击负荷能力强及剩余污泥少等优点，因而受64山东建筑大学学报2019年到广泛关注。同时，与传统活性污泥系统相比，AGS工艺的运营成本、电力需求、空间需求分别降低了20%～25%、23%～40%、50%～75%;与膜生物反应器相比，其用电量降低了35%～70%。这些特点使AGS工艺成为工业废水处理的一种新选择。AGS已在污水处理厂的连续流反应器中得到了广泛应用，但在这种连续流动的方式下，好氧颗粒的稳定性容易受到影响［2］。在长期的运行中，AGS的稳定运行存在着最佳的工艺参数。然而，许多操作参数，如有机负荷率OLＲ(OrganicLoadingＲate)、基质类型、水流剪切力、间歇性饱食—饥饿期、进水组成等，在一定程度上影响了好氧颗粒的稳定性［3］。探讨不同操作条件对AGS稳定性的影响及其在实际工业废水处理中的应用，有助于推动AGS工艺的基础性研究及工业化应用。1好氧颗粒污泥的特性AGS的接种污泥为普通活性污泥，培养在高径比小、沉降时间短、纯氧曝气的序批式反应器SBＲ(SequencingBatchＲeactor)中［4－5］。通过重复间歇操作运行，可为微生物聚合体的生长提供条件，使其形成可快速沉降的致密颗粒。AGS良好的沉降性能使生物反应器内的生物质浓度更高、泥水分离效果更好，有利于紧凑型反应器的设计，并可以分批操作，无需二次沉降。此外，高生物量提高了体积转化率，从而提高了系统的有机负荷率。在传统活性污泥系统中，微生物会形成形状不规则的聚集体或絮状物，其结构松散，粒径为50～300μm。在特定的操作条件下，可形成结构致密且较大的近球形聚集体，构成所谓的好氧颗粒，其粒径一般为0．5～2．0mm［6］。污泥沉降速率、污泥比表面积和疏水性数值均随好氧颗粒粒径的增加而增大，而污泥体积指数SVI(SludgeVolumeIndex)则随之减小［7－8］。好氧颗粒通常是分层的微生物结构体，其三维结构沿径向产生溶解氧DO(DissolvedOxygen)和底物浓度梯度，导致微生物及其代谢的分层［9－12］。好氧颗粒污泥多层结构由异养及好氧微生物组成的外层好氧区和存在反硝化的由厌氧微生物组成的缺氧及厌氧核心，从而使AGS能够进行各种好氧、厌氧代谢活动，如图1所示。图1好氧颗粒污泥多层结构示意图2运行条件对好氧颗粒稳定性的影响当前的生物反应器运行条件，如有机负荷率、底物组成、水流剪切力、饱食—饥饿期、进水组成等不仅影响好氧颗粒的宏观特征，如大小、形状和沉降性，还影响内部微生物分布及其代谢活性。因此，这些操作因素的变化会对好氧颗粒稳定性造成影响。2．1有机负荷率对好氧颗粒稳定性的影响2．1．1低有机负荷率对好氧颗粒稳定性的影响生活污水是一种低浓度废水，在雨季期间有机物含量更会大幅度降低。近年来，国内外学者尝试在低有机负荷率下培养和运行AGS［13－16］。Peyong等［17］研究了在OLＲ在0．13～1．2kgCOD/(m3·d)条件下好氧颗粒中微生物的形态和结构变化。在OLＲ为0．54kgCOD/(m3·d)的真实生活废水中，成熟好氧颗粒(平均粒径为2．2mm)的稳定性在2个月的操作期间中恶化，即大颗粒逐渐分解成小颗粒，随后从反应器中流出。然而，在随后调节OLＲ为0．6kgCOD/(m3·d)时，则可以保持颗粒的完整性。另外，Zhang等［18］发现好氧颗粒OLＲ为0．58kgCOD/(m3·d)和低曝气速率运行时，呈现疏松、多孔的中空结构，并且当直径≥1mm时变得不稳定。在沉降能力下降的同时，好氧颗粒中的EPS含量下降，因此降低了颗粒结构的整体强度。因此，在处理低浓度废水时，粒径小的颗粒有利于保持长期的沉降性能和操作稳定性，且OLＲ应＞0．6kgCOD/(m3·d)，可保持AG的完整性。2．1．2高有机负荷率对好氧颗粒稳定性的影响大多数活性污泥系统在OLＲ为0．5～2．0kgCOD/(m3·d)下运行。为了提高AGS的处理能力，一些研究侧重于在OLＲ为2．5～22．5kgCOD/(m3·d)条件下运行SBＲ［19］。在OLＲ为6kgCOD/(m3·d)时，致密的好氧颗粒(d≤1mm)逐渐第6期李琦，等:好氧颗粒污泥的稳定运行条件及应用研究进展65膨胀为以丝状菌为主导的好氧颗粒(d约为10mm)，当AG膨胀至16mm时，好氧颗粒分解、污泥沉降能力恶化，随之反应器失效。尽管高OLＲ有利于快速制粒，但在约2周时间内，颗粒污泥急剧膨胀。因此，为了保证反应器长期的稳定运行，OLＲ必须从12kgCOD/(m3·d)降至6kgCOD/(m3·d)。Long等［3］发现在连续流反应器中OLＲ从5kgCOD/(m3·d)逐渐增至15kgCOD/(m3·d)时，以醋酸钠为基质的成熟好氧颗粒可在65d内保持稳定性。然而，当OLＲ增加到18kgCOD/(m3·d)时，由于氧气和底物耗尽，形成了由死细胞组成的黑色内核，粒径＞1．4mm的好氧颗粒解体，反应器流出物中絮状污泥含量高，导致AGS的处理能力降低。Ｒío等［20］使用海产品工业废水培养好氧颗粒，其OLＲ为2～5kgCOD/(m3·d)，生成的颗粒污泥粒径达到2．4mm，表面光滑、结构紧凑，当OLＲ在3～13kgCOD/(m3·d)变化时，好氧颗粒的尺寸急剧增加(dmax=11mm)并解体。因此，为了增强AGS的稳定性，可将OLＲ控制在2～5kgCOD/(m3·d)。2．2底物组成对好氧颗粒稳定性的影响在OLＲ相同的情况下利用不同底物培养AGS，形成的好氧颗粒的稳定性具有明显差异，表明底物组成在好氧颗粒稳定性中起了一定影响。底物组成高度影响好氧颗粒的形态和结构［21］。如葡萄糖喂养的好氧颗粒中丝状菌占优势，表现出松散的形态，而醋酸钠、乙酸酯喂养的好氧颗粒中杆菌逐渐取代丝状菌，因此好氧颗粒的结构更加紧凑，细胞之间的联系更加紧密，这表明富含能量的底物(如葡萄糖、蔗糖)会诱导丝状菌的增殖。底物组成越复杂，其降解所需的微生物种类和阶段越多，因此可以产生具有分层、复杂微观结构的好氧颗粒，而简单的基质(如醋酸盐、甲酸盐)所培养的颗粒污泥，其微生物结构相对密实简单。生活污水和工业废水中含有各种有机、无机化合物，这种复杂底物组成通过影响好氧颗粒内的微生物种类及所产生的EPS类型从而影响好氧颗的稳定性［9］。生活污水中除了以溶解形式存在的底物之外，还有一部分污染物以胶体和颗粒的形式存在，这些物质不易生物降解。比较用醋酸盐与生活污水培养的AGS发现，用生活污水培养的好氧颗粒结构不规则且密度小［22］，这主要是由于生活污水中存在的胶体和颗粒物影响颗粒污泥结构的稳定性。因此，在外部添加可溶性碳源可提高好氧颗粒的稳定性［17］。2．3水流剪切力对好氧颗粒稳定性的影响曝气强度、表观气速和反应器的高径比决定了反应器内的水流剪切力［23］。水流剪切力对好氧颗粒结构、EPS产生、好氧颗粒污泥稳定性以及好氧颗粒的快速形成具有促进作用。较高的剪切力能促进好氧污泥颗粒化，有利于在长期运行中增强好氧颗粒的稳定性，而相对较低的水流剪切力则有利于好氧颗粒污泥粒径的增加。在AGS反应器中，水流剪切力的大小通过曝气量来控制，用表观气速来表示［24］。已有研究表明，只有在表面气速达到1．2cm/s时，才会在反应器中生成AGS［25］，在此前提下水流剪切力与AGS的EPS含量、比耗氧速率SOUＲ(SpecificO