好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展董晶晶

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2018，24(1):0177-01862018-02-25DOI:10.19675/j.cnki.1006-687x.2017.02008收稿日期Received:2017-02-06接受日期Accepted:2017-03-17*国家自然科学基金项目（51478416）资助SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51478416)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展*董晶晶1吴迪1马柯1徐向阳1,2朱亮1,2**1浙江大学环境与资源学院杭州3100582浙江省水体污染控制与环境安全技术重点实验室杭州310058摘要好氧颗粒污泥是微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊的生物聚集体，具有结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强、多功能微生物分区定殖等特点，其在废水强化脱氮除磷与难降解有机物去除方面具有明显的技术优势.针对目前工业和养殖废水及城镇生活污水等碳氮比低、处理出水总氮达标压力大等突出问题，综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺，介绍其脱氮机制及技术优势，阐明不同好氧颗粒污泥脱氮工艺的特点与颗粒污泥特性，同时总结各种工艺的启动条件及富集相应功能菌的好氧颗粒污泥的形成因素，评估不同工艺应用于实际废水生物处理的可行性.在此基础上进一步分析进水基质组成（不同碳氮比）、运行模式（连续曝气和间歇曝气）、运行条件（溶解氧浓度、温度和pH）等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮性能与稳定运行的影响.最后提出应进一步优化好氧颗粒污泥强化脱氮工艺的运行参数，解析好氧颗粒污泥微生物菌群功能，揭示好氧颗粒污泥形成与结构稳定的微生物学机理.（图3表2参86）关键词好氧颗粒污泥；脱氮工艺；影响因素；强化机制；废水生物处理CLCX703Reviewonenhanceddenitrificationofaerobicgranularsludgetechnology*DONGJingjing1,WUDi1,MAKe1,XUXiangyang1,2&ZHULiang1,2**1CollegeofEnvironmental&ResourceScienceofZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2ZhejiangProvinceKeyLaboratoryforWaterPollutionControlandEnvironmentalSafety,Hangzhou310058,ChinaAbstractAerobicgranularsludge(AGS)isakindofbiologicalaggregateformedbymicrobialself-immobilization,withadvantagesofcompactstructure,excellentsettingability,strongresistancetoinfluentloadingrates,anddiversityinmicrobialspecies.Italsohasotheradvantages,suchasenhancedremovalofnitrogen,phosphorus,andrefractoryorganics.Inviewof(1)lowmassconcentrationratiobetweenchemicaloxygendemand(COD)andtotalnitrogen(TN)ofindustrialandaquaculturewastewater,andurbandomesticwastewaterand(2)strictstandardforTNremoval,thepresentreviewillustratesseveraldenitrificationprocessesinAGS,includingcompletelyautotrophicnitrification,simultaneousnitrificationanddenitrification,shortcutnitrification-denitrification,partialnitrification-anaerobicammoniaoxidation,andheterotrophicnitrification-aerobicdenitrification.ThenitrogenremovalmechanismandtechnicaladvantagesofAGSprocesshavebeenexpounded.Inaddition,thecharacteristicsofdenitrificationprocessesbasedonAGShavealsobeenpresented.Thestart-upconditionsofvariousprocessesandtheformationfactorsofAGSenrichedwithcorrespondingfunctionalbacteriahavebeensummarized,andthefeasibilityoftheapplicationofdifferentprocessesinbiologicaltreatmentofwastewaterhasbeenevaluated.Furthermore,theinfluencefactors,suchasinfluentcomposition(differentCOD/TNratio),operationalmode(continuousaerationandintermittentaeration),andoperatingconditions(dissolvedoxygenconcentration,temperature,andpH)onenhancednitrogenremovalandstableoperationofAGSprocesshavebeendiscussed,whichprovidesguidanceforoptimizationofnitrogenremovalperformanceofAGS.Wehavealsopointedthetrendforfurtherresearch,suchasoptimizationoftheoperatingparametersofAGS-enhancednitrogenremovalprocesses,analysisofmicrobialcommunityfunctionofAGS,microbiologicalmechanismofAGSformation,andstructuralstability.Keywordsaerobicgranularsludge;nitrogenremovalprocess;influencefactor;strengtheningmechanism;biologicaltreatmentofwastewater178应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol期好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展随着社会与工业发展对氮素需求量的急剧增加，大量含氮化合物随工业废水、养殖废水、生活污水、农业径流等进入河流、湖库、海洋，造成环境水体水质恶化和水体富营养化，严重影响水生生态环境和人畜饮水安全[1-2].目前，污水处理厂普遍采用缺氧-好氧法（Anoxic/Oxic，A/O）、厌氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2/O）、氧化沟及序批式活性污泥法（Sequencingbatchreactoractivatedsludgeprocess，SBR）等脱氮工艺，上述工艺在进水高氨氮条件下极易发生硝化抑制[3-4]、亚硝酸盐积累[5-6]等问题，加上硝化反硝化微生物生长极其缓慢、出水总氮标准日益提高，强化生物脱氮新工艺研发迫在眉睫.目前，生物脱氮新技术主要有短程硝化反硝化工艺（Singlereactorforhighactivityammoniaremovalovernitrite，SHARON）、厌氧氨氧化工艺（Anaerobicammoniumoxidation，ANAMMOX）、限氧自养型硝化反硝化工艺（Oxygenlimitedautotrophicnitrificationdenitrification，OLAND）以及同步硝化反硝化工艺（Simultaneousnitrificationdenitrification，SND），其虽较传统生物脱氮工艺具有经济性能好、脱氮效率高等明显优势，但仍存在一定的应用瓶颈.SHARON中长久稳定地维持NO2-积累的途径还有待探索；ANAMMOX启动较慢，厌氧氨氧化菌（Anammox，AMX）对水质条件敏感；OLAND面临的严峻挑战是自养型亚硝酸细菌的活性较低；SND由于生物絮体微缺氧区的形成往往不稳定，难保证出水水质稳定达标.近20年来，好氧颗粒污泥因其致密的结构、良好的沉降性能、耐冲击负荷能力和多功能菌群成为废水生物处理的新兴技术[7]，研究者对好氧颗粒污泥形成机制、影响因素、菌群结构等开展了大量研究[8-10].此外，好氧颗粒污泥与上述生物脱氮新技术的结合在废水生物处理中也呈现出明显的技术优势和良好的应用前景.针对目前城镇污水等碳氮比低、出水总氮达标压力大等突出问题，本文综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺，介绍其脱氮机制及技术优势，同时分析进水基质组成、运行条件（溶解氧浓度、温度和pH）、运行模式等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮与稳定运行的影响，最后对好氧颗粒污泥强化脱氮工艺研发与技术应用进行展望，为好氧颗粒污泥脱氮工艺性能优化及微生物菌群功能与机理研究提供参考.1好氧颗粒污泥强化脱氮工艺1.1全自养硝化颗粒污泥工艺硝化细菌生长速率缓慢、生物产量低且对环境条件极为敏感，很难长期大量持留在反应体系内，这使得硝化反应成为生物脱氮的限制性步骤.自养硝化颗粒污泥的形成使硝化微生物以聚集体的形式持留在反应器内，提高体系内硝化污泥浓度，进而促进硝化反应进程，在处理高氨无机废水方面具有良好的应用前景.然而，由于自养型的硝化细菌生长缓慢且胞外多糖产量低，细胞间的黏附作用差，较难形成生物聚集体，国内外学者在强化自养硝化污泥颗粒化方面进行了大量研究.缩短硝化颗粒污泥培养时间的方式主要分为两种：一是调控颗粒培养的运行条件，二是增加促进细胞间粘附的外部因素.Tay等在SBR中研究了水力选择压（SBR运行周期）对硝化颗粒污泥形成的影响，结果表明采用较长运行周期时间（12h）的反应器由于水力选择压较弱无法形成硝化颗粒污泥，而较短的运行周期（3h）导致硝化污泥被大量洗出，同样使得硝化污泥颗粒化失败，周期为6h和12h的运行条件下，两周后成功培养出粒径0.25mm、比重1.014的硝化颗粒污泥[11].合适的水力选择压能够刺激微生物活性、促进增强细胞间粘附性的胞外多糖产生、增加细胞表面疏水性，进而促进硝化颗粒污泥的形成.Tsuneda等亦通过逐步缩短水力停留时间进而强化水力选择压的方式在连续流好氧流化床反应器内成功培养出粒径350μm的硝化好氧颗粒污泥[12].Chen等采取短的初始沉降时间和快速增加氨氮负荷的方法显著强化了体系生物选择压，实现了硝化颗粒污泥的快速培养，55d内进水氨氮浓度从200mg/L增加到1000mg/L，污泥容积指数（Sludgevolumeindex，SVI）从92mL/g下降到15mL/g，颗粒平