好氧颗粒污泥特性应用及形成机理研究进展

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2014，20(4):732-7422014-08-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2014.01009收稿日期Received:2014-01-03接受日期Accepted:2014-04-13*国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07314-002，2013ZX07315-003）、国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室开放基金（SMARC2013D006）、污染控制与资源化研究国家重点实验室开放课题（PCRRF13022）和中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP11434）资助SupportedbytheMajorScienceandTechnologyProgramforWaterPollutionControlandTreatment(2013ZX07314-002&2013ZX07315-003),theOpenFundfromtheStateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofMicroorganismApplicationandRiskControl(SMARC2013D006),theStateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuseFoundation(PCRRF13022)andtheFundamentalResearchFundsforCentralUniversities(JUSRP11434)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])好氧颗粒污泥特性、应用及形成机理研究进展*王硕1,2于水利3徐巧1付强1李激1**1江南大学环境与土木工程学院无锡2141222清华大学国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室北京1000843哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090摘要好氧颗粒污泥因具有良好的沉降性能、较高的生物量、对污染物较高的去除能力，以及在工程应用中占地面积较少和运行成本较低，近年来被广泛关注.本文综述了絮状污泥的颗粒化过程，好氧颗粒污泥形成的影响因素及其物理、化学和生物学特性.研究发现，好氧颗粒污泥在生活污水、高浓度有机废水和富含有毒有害物质的废水处理中均可发挥重要作用，可以高效去除污水中的氮磷污染物、工业废水中的有机物、毒性物质和重金属等.好氧颗粒污泥的形成机理存在4种假说，基于絮状污泥颗粒化过程中形成的胞外聚合物及其助凝作用被普遍认为是好氧颗粒污泥的形成机理.最后进行了问题分析和前景展望，认为突破培养过程相对漫长、培养条件相对严苛技术瓶颈的好氧颗粒污泥技术对废水处理效能的提升具有重要意义.图3参110关键词好氧颗粒污泥；颗粒化过程；胞外聚合物；废水处理；形成机理CLCX703Characteristics,applicationandformationmechanismsofaerobicgranularsludge:recentadvances*WANGShuo1,2,YUShuili3,XUQiao1,FUQiang1&LIJi1**1SchoolofEnvironmentandCivilEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China2StateEnvironmentProtectionKeyLaboratoryofMicroorganismApplicationandRiskControl(SMARC),TsinghuaUniversity,Beijing100084,China3StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,ChinaAbstractAerobicgranularsludgehasattractedmuchattentionforitshighsettlingproperty,biomassretention,andcontaminantremovalefficiencyaswellasthesubsequentlowspacerequirementandoperationexpenseinwastewatertreatmentplant.Thisreviewprovidesrecentadvancesinstudyofaerobicgranularsludge,includingtheformationprocessfromflocsludge,formationinfluencingfactorsandphysical,chemicalandbiologicalsludgecharacteristics.Manystudiesdemonstratedtheimportanceofaerobicgranularsludgeintreatmentofdomesticsewage,high-concentrationorganicwastewaterandwastewatercontainingtoxicandhazardousmaterials,whichmeansthatnitrogen,phosphorus,organics,toxicsubstanceandheavymetalcanbeeffectivelyremovedbyaerobicgranularsludge.Inaddition,theformationmechanismofaerobicgranularsludgeisgenerallyshowntobetheformationofextracellularpolymericsubstancesandtheirflocculation.Finally,thereviewdiscussestheproblemsandpossiblefuturetrendsofaerobicgranularsludge:theaerobicgranularsludgetechnologyispromisinginenhancingtheefficiencyofwastewatertreatmentifthetechnicalbottlenecksofformationperiodandconditionsarepassedthrough.Keywordsaerobicgranularsludge;granulationprocess;extracellularpolymericsubstances;wastewatertreatment;formationmechanisms73320卷王硕等应用与环境生物学报好氧颗粒污泥技术是一种新型的环境生物技术，近年来已经成为生物法污水处理工艺的重要技术.目前已经被广泛地应用在高浓度有机废水、富含有毒有害污染物废水、富含重金属废水、富含核废料废水、印染废水以及生活污水的处理中[1].好氧颗粒污泥是一种特殊的生物膜结构，通过细胞间的自固定（Self-immobilized）而逐渐颗粒化，形成球状或椭球状结构.相对于传统的活性污泥工艺，好氧颗粒污泥技术最显著的特点就是具有良好的沉降性能，以保证泥水可以得到快速分离而提高体系处理效能[2].目前，好氧颗粒污泥技术已经形成工业化，并成功应用在荷兰Ede污水处理厂.Lettinga在上世纪70年代末首先发现了厌氧活性污泥的颗粒化现象，但是厌氧颗粒污泥存在较多缺点，比如微生物代时较长，反应器启动时间较长，工作温度较高，厌氧运行条件较难调控以及对生活污水中主要污染物质氮和磷去除能力较低.直到上世纪90年代末，好氧活性污泥的颗粒化现象才被发现，Heijnen和MarkvanLoosdrecht于1998年申请了第一项关于好氧颗粒污泥的专利.好氧颗粒污泥技术问世后，其紧密的结构确保了好氧颗粒污泥较高的生物量，其颗粒内部不同的微环境为各功能微生物提供了适宜的生存条件，保证了功能微生物的多样性，其良好沉降性能实现了较好的泥水分离效果，同时具备较高的抵御高有机负荷和毒性物质的能力，因而成为学者的研究热点.1好氧颗粒污泥的形成好氧颗粒污泥的形成是一个较为复杂的过程，受很多操作条件制约，比如接种污泥、底物组成、有机负荷、反应器类型和运行以及培养策略等.在适宜的生长条件下，经过一段时间的驯化培养，表面光滑、结构紧密的颗粒污泥即可以培养成功.有些颗粒污泥的核心呈黑色，说明因为溶解氧浓度梯度的存在，好氧颗粒污泥内部逐级形成好氧区域、缺氧区域和厌氧区域.1.1接种污泥接种污泥的种类对好氧颗粒污泥的颗粒化过程影响较大.一般情况下，城镇污水处理厂的活性污泥会被用作接种污泥来培养好氧颗粒污泥.主要是因为活性污泥中的疏水性微生物种群占优势（绝大部分游离态亲水性细菌会随出水被直接排放），其对污泥絮体的粘附能力要高于亲水性微生物种群，有助于活性污泥的颗粒化[3].Wilen等在研究中发现接种污泥中疏水性微生物越多，活性污泥的颗粒化进程越快，并且形成的颗粒污泥具有良好的沉降性能[4].当采用厌氧颗粒污泥作为接种污泥培养好氧颗粒污泥时，其污泥浓度和沉降性能均有明显的下降，经过约45d驯化培养，好氧颗粒污泥性能才趋于稳定[5].1.2底物组成葡萄糖[6]、乙酸钠[6-7]、乙醇[8]、苯酚和淀粉[9-10]等都可以作为培养好氧颗粒污泥的底物.Schwarzenbeck等[11]和Wang等[12-13]也分别报道了利用实际废水可以成功培养出好氧颗粒污泥.当以苯酚作为唯一的碳源和能源物质时，好氧颗粒污泥也可以被成功培养，其优势菌群为Proteobacterium[14-15]，Adav更是成功地在富含苯酚的污水中成功培育出只含有单一菌种的好氧颗粒污泥[16].然而，Bao等在研究中发现，当以葡萄糖为底物时，极易引起反应体系中的污泥膨胀，丝状菌的大量生长会导致反应器运行失败[17-18]，因而，近年来学者们多以乙酸钠作为碳源培养好氧颗粒污泥.Mahoney等早在1987年就提出，阳离子（二价离子，三价离子）如Ca2+、Mg2+和Fe3+等，可以有效吸附带负电荷细胞而形成微生物核心[19].当向反应体系中添加100mg/LCa2+时，可以加速活性污泥的颗粒化进程，好氧颗粒污泥形成仅需16d，但是不添加Ca2+时，好氧颗粒污泥形成需要32d[20].Li等在研究Mg2+对活性污泥颗粒化进程影响时发现，当向反应体系中添加10mg/LMg2+时，好氧颗粒污泥由原来的32d缩短到仅需要18d，并且颗粒污泥的粒径增大了61%[21].底物溶液的pH会显著影响微生物的生长速率.当有机负荷较高时，微生物代谢产生的大量CO2会降低溶液的pH[22]，而较低的pH非常适宜真菌的生长.真菌个体较细菌大，同时真菌可以通过释放质子以交换底物溶液中的NH4+而维持溶液较低的pH水平，使其保持良好的代谢能力和生长速率，因此较低溶液pH条件下真菌的存在有利于活性污泥的颗粒化[23-24].Yang等在研究中发现，当pH为4.0时，真菌占优势的好氧颗粒污泥，其粒径可以达到7.0mm，而当pH为8.0时，细菌占优势的好氧颗粒污泥，其粒径仅为4.8mm[25].1.3反应器运行目前报道，所有的好氧颗粒污泥都是在序批式污泥反应器（Sequencingbatchreactor，SBR）中被培养出来的.反应器运行方式包括进水、曝气、沉降和排水4个步骤.Liu等在研究中发现，当将反应周期由1.5h延长至8h时，污泥比生长速率会下降88%，相对应污泥产率（VSS/COD）由0.316g/g下降至0.063g/g；当反应周期设定为1.5h时，颗粒污泥的粒径最大，反应周期为4h时，颗粒污泥的结构最