好氧颗粒污泥脱氮功能的研究与进展蓝如辉

2010年第7期广东化工第37卷总第207期·87·好氧颗粒污泥脱氮功能的研究与进展蓝如辉(广东万绿环保工程有限公司，广东广州100000)[摘要]好氧颗粒污泥技术是近几十年来发展起来的一种新型微生物自固定化技术，通过特定的培育手段可以实现污泥颗粒化。这种颗粒污泥具有生物密度大、沉降性好、抗冲击能力强等优点，有的还具有优良的脱氮除磷等功能。文章论述了有关好氧颗粒污泥形成过程中的理化及生物学特征和影响因素，如沉降时间、水流剪力、溶解氧(DO)、胞外多聚糖(EPS)等。还介绍了全自养颗粒污泥，如硝化颗粒污泥方面的研究。[关键词]好氧颗粒污泥；影响因素；硝化；亚硝化[中图分类号]TQ[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2010)07-0087-02ResearchandDvelopmentofAerobicGanularSludge’sFnctioninRemovetheNitrogenLanRuhui(GuangdongWanluEnvironmentalEngineerCO.,Ltd.,Guangzhou100000,China)Abstract:Aerobicgranularsludge(AGS)technologyisanewmicrobiologyself-immobilizationtechnologywhichhasprogressedintherecentdecades.Thegranulationcanbeachievedthroughspecialcultivation.Thiskindofgranularsludgehashighmicrobialdensity,goodsettleabilityandstrongerresistancetoshockloading.SomeofAGSalsohavegoodcapacitytoremovenitrogenandphosphorus.Thepapersummarizedphysical,chemicalandbiologicalcharacteristicsandsomeeffectingfactorsontheformationofaerobicgranularsludgesuchassettlingtime,watershearforce,dissolvedoxygenandextracellularpolymericsubstance(EPS).Thecompletelyautotrophicgranularsludge,suchasnitrifyinggranularsludge,wasalsomentioned.Keywords:aerobicgranularsludge(AGS)；influencingfactor；nitrification；short-cutnitrification污泥颗粒化(granulation)是指废水生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下，相互聚集形成一种密度较大、体积较大、体质条件较好的微生物聚集体。按照微生物代谢过程中电子受体的不同，颗粒污泥可分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥两类。近年来，在处理高浓度有机废水中，厌氧颗粒污泥的形成得到较好的研究和应用。然而，对于一般市政生活污水，它的应用受到限制。目前，好氧颗粒污泥的研究越来越受到普遍关注，特别是因为以下优点，如：沉降速率高、污泥浓度大以及抗冲击负荷能力强等。好氧颗粒污泥的高沉淀速率和较好的泥水分离效果使得水力停留时间大大缩短，从而节省了基建用地。1好氧颗粒污泥的理化及生物学特性1.1理化特性成熟的好氧颗粒污泥一般为浅黄色的圆形或椭圆形颗粒，外层结构较密实，内层较疏松。在不同试验条件下培养获得的颗粒污泥的粒径变化范围较大(0.3～5.0mm)，在SBR中经济有效的直径为1～3mm。好氧颗粒污泥的含水率多为97%～98%，密度为1.0068～1.0072g/cm3，具有很高的沉降速率和较小的SVI值。通过CHNS/O元素分析仪和电感耦合放射光谱仪(ICP)对不同碳氮比培养基和不同培养时间所得到的好氧颗粒污泥所含的大量元素分析结果显示，好氧颗粒污泥的主要组成元素为C、H、O、N、S、P。1.2生物学特性好氧颗粒污泥主要由细菌、丝状真菌等微生物及其产生的胞外多聚物等相互嵌合构成，其微生物菌群存在多样性和较强的适应性。依据荧光原位杂交(FISH)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、实时荧光定量PCR等分子生物学技术以及传统的细菌分离鉴定手段发现，具有脱氮功能的好氧颗粒污泥中含有大量氨氧化细菌(AOB)、亚硝酸盐氧化细菌(NOB)、硝酸盐氧化细菌、反硝化细菌等。它们大多为球菌或杆菌，在分类学上属于真细菌，分属假单胞菌属(Pseudomonas)、亚硝化单胞菌属(Nitro-somonas)、硝化杆菌属(Nitrospira)、气单胞菌属(Aeromonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)等。2好氧颗粒污泥形成的影响因素在好氧条件下，污泥的颗粒化是由絮状污泥逐渐形成颗粒污泥的复杂过程，受到很多相互关联的因素影响。2.1沉降时间和水流剪切力沉降时间对好氧颗粒污泥形成过程的影响很大，但有关结论并不统一。多数学者认为较短的沉降时间可以洗出絮状污泥，许多SBR反应器都是通过控制较短的沉降时间获得颗粒污泥。淘洗生物量是生物聚集的选择，在6～15min内能沉降下来的生物量才能留在反应器中[1]，10min之内的沉降时间是好氧颗粒污泥形成的关键因素[2]。但与此相对的是在沉降时间为2.5h，SVI达到80～100mg/L的SBR反应器中仍然可出现颗粒污泥[3]，甚至反应器闲置一个月，不进水也不曝气，颗粒污泥仍然稳定存在[4]。好氧颗粒污泥的机械强度、密度、稳定性与反应器中水流剪切力有直接关系，较高的剪切力会刺激细胞产生更多的胞外多聚物，促进细胞间的吸附和凝聚，加速颗粒化过程[5]。2.2剪力和基质负荷平衡颗粒污泥通常被认为是自我聚集的具有球状结构的生物膜，生物膜的形态和强度与基质负荷及剪力有关，当生物膜的生长和脱落与表面基质浓度和剪力之间达到平衡时，便可形成光滑的生物膜[6]。LIU等[7]认为较高剪切力是颗粒污泥形成的关键因素之一，在较高的基质负荷下提高水流剪切力，丝状菌易破碎并随反应器出水排走，有利于形成密实、沉降性能较好的颗粒污泥。2.3DO浓度在好氧系统中，如果基质充足，DO浓度就很低，在饥饿状态下DO浓度则接近饱和[8]。如果曝气过程中加入碳源，颗粒污泥外表面基质浓度及DO浓度都很高，异养微生物生长快速，生物膜的外层将以异养微生物为主。在颗粒污泥内层，DO浓度降低，导致缺氧直至无氧，异养微生物只能利用氮或其他的电子受体，自养微生物开始出现[9]。对于实际污水处理厂，曝气过程涉及动力费用，出于经济性考虑，希望在比较低的DO浓度下运行。但DO浓度低时必然降低剪切力，对颗粒污泥的形成是不利的。2.4疏水性和饥饿时间饥饿时间对于颗粒污泥的形成比生物选择的影响更大。SBR周期性饥饿会使微生物表面变得更加疏水，便于吸附和聚集，有效对抗饥饿，形成更大的球状颗粒[10]，如酵母细胞在饥饿的情况下可以形成更多相互连接的纤丝[11]。饥饿不仅影响疏水性，同时对微生物选择性和生理特性也有影响，较短的饥饿时间有利于颗粒形成。2.5胞外多聚糖(EPS)EPS具有持水、保护、吸附细菌及有机碳源等作用，通常[收稿日期]2010-03-26[作者简介]蓝如辉(1981-)，男，广东人，硕士研究生，技术部经理，主要研究方向为大气污染控制。广东化工2010年第7期·88·期被认为比疏水性更能促进细胞聚集[12]。颗粒污泥外层疏水性高于内核层，而内核EPS浓度比外层高大约5倍[13]。EPS在维持颗粒污泥稳定上有至关重要的作用[14]，固定化细胞的EPS比悬浮的多出50%以上[15]。3好氧颗粒污泥脱氮的研究通过驯化培养，目前许多学者在好氧硝化颗粒污泥脱氮、好氧亚硝化颗粒污泥脱氮、同步硝化反硝化颗粒污泥脱氮及颗粒污泥同步脱氮除磷方面开展研究，取得了一系列的研究成果，推动了好氧颗粒污泥生物脱氮技术的发展。3.1模仿厌氧颗粒形成模式来培养硝化颗粒污泥受到厌氧颗粒形成的启发，人们开始尝试通过在上流式反应器中创造类似厌氧颗粒体系中的剪切环境来培养硝化颗粒。deBeer等最早利用一个锥形的流化床培养出了粒径为1～3mm的硝化颗粒(Debeeretal.，1993；Schrammetal.，1998；Letal.，2005)。但他们需在流化床之前设置一个预曝气池，而且系统内的回流比为47.0～70.5；进水经过预曝气后由底部进入流化床，但在约1m的高度时，其中的溶解氧就已被耗尽。由于有效反应器高度被限制在1m左右，氨氮负荷只能达到0.3kg·m-3·d-1，远低于一般的气升式反应器中的1·8kg·m-3·d-1。另外，较高的回流比也加剧了对能耗的需求，减小了被工业放大的可能性。Tsuneda等也利用流化床培养出了硝化颗粒污泥(Tsunedaetal.，2003；2004)。他们培养出的硝化颗粒平均粒径为346µm，氨氮负荷为1kg·m-3·d-1。虽然他们的体系不需要预曝气池，但其反应器的高径比达到601∶，反应器内径为5cm，高达到3m；且反应器运行需将曝气严格控制在0.07～0.20L·min-1·L-1之间，过高或过低都会导致颗粒化的失败。WanganYang的课题组近年来对好氧颗粒污泥的培养及生物脱氮方面进行了初步研究(WanganYang，2004；Huetal.，2005；Liuetal.，2005；WanandKang，2005)。在SBR反应器中，以醋酸钠为碳源，接种UASB厌氧颗粒污泥，在好氧曝气条件下运行，发现在运行过程中污泥颗粒经历了解体-重组长大的过程。污泥浓度先增加后降低，在运行两个月后逐渐稳定在5g·L-1，SVI值稳定在30～4mL·g-1.在40～60d内反应器中颗粒污泥一直占主体成分，悬浮相污泥浓度低于0.5g·L-1。最终形成的颗粒污泥，其形态、大小稳定，好氧颗粒污泥与接种污泥相比，在粒径、沉降速度、含水率以及惰性成分的含量上都有一定的变化。电镜观察还发现，接种厌氧颗粒污泥中的微生物以球菌为主，而培养得到的好氧颗粒污泥中的微生物以丝状菌和杆菌为主(Huetal.，2005)。Tokutomi等研究了同时接种厌氧颗粒污泥和硝化污泥，在气升式反应器中培养硝化颗粒(Tokutom，i2004；Tokutomietal.，2006)。他们逐步将氨氮负荷由1.6kg·m-3·d-1增至2.6kg·m-3·d-1，最后培养出了平均大小为700µm的硝化颗粒。运行过程也需对曝气进行严格控制。综上所述，利用厌氧颗粒化的形成模式来培养硝化颗粒，主要有以下几点不足：(1)反应体系复杂研究者一般通过添加预曝气池，或增加高径比来培养硝化颗粒。此外，这些系统都需专门的泥水分离体系，例如三相分离器或外置的沉淀池。(2)运行要求高。deBeer需要47.0～70.5的高回流比，而Tsuneda和Tokutomi则需严格控制曝气。(3)系统达到稳定和颗粒形成所需时间长。Tsuneda的体系运行100d才形成硝化颗粒，在300d平均粒径才达到346µm；而deBeer和Tokutomi的体系达到稳定都至少需要60d。(4)氨氮处理能力偏低。生物膜气升式悬浮反应器BAS的氨氮负荷可达5.0kg·m-3·d-1而硝化颗粒的处理能力只有0.36～2·6kg·m-3·d-1(Garridoetal.，1997)。3.2以硝化生物膜反应器培养硝化颗粒另一类连续流硝化颗粒则是在硝化生物膜反应器中培养。硝化生物膜在生长后期，由于传质限制其内部细菌开始溶解，再加上外部剪切作用导致生物膜解体。一部分沉淀性能较好的生物膜可被截留在反应器中，经过一定时间的剪切逐渐形成硝化颗粒(Tijhuisetal.，1995；vanBenthumetal.，1