【干货】好氧颗粒污泥原理及应用

与普通活性污泥相比，它具有不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷，集不同性质的微生物（好氧、兼氧和厌氧微生物）于一体等特点，近年的研究成果表明AGS能用于处理高浓度有机废水、高含盐度废水及许多工业废水。1991年Mishillla等最早发现了AGS，并第一次报道了利用连续流好氧上流式污泥床反应器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培养出AGS。人们从这一研究成果开始了对AGS颗粒化的研究历程。而国内学者对AGS的研究始于1995年，相对滞后于国外的研究。

好氧颗粒污泥是由相互聚集的、多物种的微生物构成的团体，被认为是一种特殊的自固定化生物。在过去的20年中，废水生物处理领域理论研究和工程应用证明，固定化的活性污泥在水质净化方面比悬浮活性污泥更具有效率。迄今为止，好氧颗粒污泥被认为是最有前途的废水生物处理技术之一。由于好氧颗粒污泥具有很多优点，因此，近年来对其进行的研究也逐渐增多.但是对于其形成机理却是众说纷纭。没有达成共识。笔者旨在通过对文献的查阅和分析。综述近年来好氧颗粒污泥形成机理的研究进展并对不同机理之间的区别与联系作一些思考。

1、好氧颗粒污泥的基本特性

在好氧条件下，培养颗粒污泥的条件较为苛刻，并且在不同操作条件和培养目的下培育出的好氧颗粒污泥在颗粒大小、粒径分布、颜色、功能上也都存在着差异。好氧颗粒污泥的特性：表面光滑、较高密度和高强度、高生物量、耐冲击负荷、抗有毒物质。好氧颗粒污泥外观一般为橙黄色或浅黄色，周洵平等总结了不同反应器在各自条件下培养的好氧颗粒污泥的特性

好氧颗粒污泥具有优良的沉降性能和近乎球形的规则形状。E.Morgenroth等口]研究指出，颗粒污泥的形状系数稳定在0.45，纵横比一般在0.79左右。好氧颗粒污泥本身的生物相极其丰富，主要是形态各异的球菌、杆菌等。不同的培养条件对好氧颗粒污泥微生物群落有一定的影响。

好氧颗粒污泥泥水分离性能好，在反应器中能形成较高的污泥浓度。从而提高了反应器的容积负荷和抗负荷冲击能力；剩余污泥量少，能有效地缩小沉淀池的体积。减少污水处理厂的占地面积；另外.好氧颗粒污泥还具有同步硝化反硝化(SND)功能。

2、好氧颗粒污泥形成机理

颗粒污泥的形成过程是一个包含物理、化学和生物作用的复杂过程，这个过程可以看作是在流体动力条件下.微生物自固定所形成的生物体聚团现象。由于操作条件、反应器类型、进水水质、培养目的不同，因此现有的形成机理并不能诠释所有颗粒污泥的形成情况。表2对不同的理论作了一个归类。

2.1          晶核假说

晶核假说最先由G.Lettinga等提出，用于解释厌氧颗粒污泥形成机理，他们认为：颗粒污泥的形成类似于结晶过程。接种污泥或反应器运行过程中产生的无机盐沉淀或惰性有机物质作为晶核。颗粒污泥在晶核基础上不断发育，最终形成了成熟的颗粒污泥。对于好氧颗粒污泥，研究也证实了可适用于晶核假说原理。J.J.Heijnen等向气提式内循环反应器(BAS)中投加一定量的球状惰性载体(直径0.1mm)，形成了具有去除COD和氨氮能力的好氧生物膜颗粒污泥，证实了晶核假说。J.P.vanderHoekc]认为：投加钙离子会加速形成颗粒污泥的原因是钙离子为颗粒污泥提供了晶核。刘丽等研究了钙离子在颗粒污泥中的分布，结果表明，钙粒子分布于颗粒中心，也证实了晶核假说。晶核假说经过多年的研究得到一定程度的发展.刘建国等研究认为，好氧颗粒污泥的形成是絮状污泥在形成较大粒径菌胶团之后由于其内部DO缺乏，菌团逐渐解体，而细菌以解体的菌胶团为“内核”和“模板”进行大量繁殖，并最终形成主体菌群，进而形成沉降性能良好的颗粒污泥。这就是在晶核假说基础上发展起来的“二次成核”假说。但是，有学者研究证明了在没有投加“晶核”的条件下也会形成颗粒污泥。颗粒污泥并不是以晶核为基础生长，而是完全靠微生物自身的电中和作用形成的。因此说晶核假说还需要进一步研究。

2.2选择压驱动假说

选择压可以看作水力负荷率和气体负荷率(取决于污泥负荷率)的和，这两个因素在不同沉降特征的污泥组分选择中起重要作用n”。在反应器中，只有较大颗粒才能在给定的时间内沉淀下来，而密度较小的絮状污泥由于其沉降性能不好则会被洗脱出系统。类似于生物进化理论，这个物理筛选过程为反应器中的生物量提供了一个“选择压”，那些适合系统的，密度高、体积大、沉降性能好的颗粒污泥才能存在于系统中。J.H.Tay等[]研究了不同的选择压对硝化细菌颗粒化的影响，并推断了污泥颗粒化需要强选择压。X.H.Wang等[1进行了选择压对颗粒稳定性影响的研究。结果表明.在过高的选择压下不能形成颗粒污泥，在较低的选择压下，颗粒污泥在形成后131d开始分解，只有逐渐提高选择压才能培养出稳定成熟的颗粒污泥。

这个沉降一洗脱过程是一个纯粹的物理筛选过程，没有微生物的作用和反应，但是小的絮状污泥形成大的颗粒污泥需要微生物分泌的胞外多聚物(EPS)相互黏合来抵抗高上流速度产生的剪切力以避免一开始就被洗出[1引，否则，微小的絮状污泥没有机会随着环境变化而形成大颗粒污泥，而且事实证明，很多情况下颗粒污泥都是由小逐渐长大成熟。因此以物理过程来解释颗粒污泥形成的选择压驱动理论仍需要进一步完善。

2.3细胞表面疏水性假说

根据热力学原理，增加细胞表面疏水性将导致其表面Gibbs能降低，增强细胞间的亲和力，使细胞间产生更强的连接，进而形成一个致密结构，更进一步促使凝聚成团的细菌脱离水相.因此可以说细胞表面疏水性是微生物自聚集的重要推动力。蔡春光等研究表明：在颗粒污泥形成过程中微生物细胞表面的疏水性发生了很大的变化.这表明颗粒污泥的形成与细胞表面疏水性的增加有密切联系。较高的表面疏水性有利于颗粒污泥的形成。B.M.Wilen等也证明.接种污泥中疏水的细菌数目越多。形成良好沉降性能的好氧颗粒污泥的速度就越快。但是，并没有研究者提到较低的表面疏水性不能形成颗粒污泥。因此，表面疏水性在颗粒污泥形成过程中起了辅助增强的作用，而不是决定性作用。

2.4   胞外多聚物假说

胞外多聚物(EPS)是颗粒污泥的一种重要的化学组成部分，其主要物质是多聚糖、蛋白质、酶蛋白、核酸、磷脂及腐殖酸。它能辅助细胞相互粘在一起，因此可能对于污泥颗粒化形成过程有帮助。EPS假说是目前较为流行的一种理论。

L.W.HulshoffPol等研究表明.胞外多聚物中的成分和比例与污泥沉降性能有密切关系。J.ESchmidt等在总结前人工作的基础上提出了胞外多聚物假说模型。C.DiIacoci等研究证实了EPS对颗粒污泥形成的增强作用。有研究表明。饥饿条件会诱发EPS被它的生产者所降解，从而导致细菌分离n，事实上，在SBR反应器中，颗粒污泥的消失与胞外聚合物的急速下降紧密相关。但是饥饿条件也会引起细胞表面疏水性的降低。因此。引起细菌分离的关键因素不一定是EPS的减少，细胞表面疏水性的降低也起了一定作用。

从文献来看，EPS只能对颗粒的形成起到增强作用，还不能决定颗粒能否形成。多数情况下细胞都会分泌EPS。但事实证明，不是所有情况下都培养出了好氧颗粒污泥。因此，EPS假说虽然得到很多学者的认可.但是仍然需要进一步完善。

2.5         自凝聚原理

生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下会产生自凝聚现象，形成一种密度、体积较大，活性和传质条件都较好的微生物共生体颗粒。好氧自凝颗粒污泥形成的两个先决条件是适当的水流剪切作用和高浓度的溶解氧]。H.H.Fang~]指出，生物颗粒化现象是一种进化发展的过程，即只有在适宜颗粒污泥存在的条件下，细菌才会慢慢地进化，最终达到颗粒污泥状态，也就是说，只要条件适宜，颗粒污泥的形成是一个生物自身凝聚的自然过程。

自凝聚原理结合选择压理论，可以解决微小絮状污泥无法形成颗粒污泥的问题.E.Morgenroth等均在SBR中培养出好氧颗粒污泥。他们都采用了较短的沉降时间和水力停留时间，目的就是将沉降性能较差的絮状污泥洗出，只留下密度较大、沉降性能较好的颗粒污泥。但自凝聚理论仍然不能解决较低选择压下颗粒分解的现象。

2.6         丝状菌假说

J.J.Beun等]在SBR中培养好氧颗粒污泥时提出了好氧颗粒污泥形成过程。首先，接种污泥中优势菌(丝状菌)在较强的水力剪切力的作用下形成球状。球状物为细菌的大量繁殖提供了良好的栖居地，由此细菌得到了大量的繁殖。之后，随着氧传质的限制，真菌形成的球状物开始分解、破裂，其中的菌胶团由于密度较大而留在了反应器中，细小的絮体被洗出。留在反应器中的菌胶团进一步发展最终形成了好氧颗粒污泥。王海磊等认为，优势混合菌的加人是好氧颗粒污泥能够形成的关键因素。他们在利用SBR和优势混合菌处理造纸废水的过程中驯化出了好氧颗粒污泥。但是D.C.Peng等研究发现：好氧颗粒污泥的微生物主要由杆状细菌组成，没有发现丝状菌。因此，丝状菌假说也需要进一步研究完善。

2.7         阶段形成假说

目前关于阶段形成假说有三阶段说和四阶段说。倪丙杰等㈣在总结前人的基础上.认为各种假说都有一定的合理性，但没有将问题联合，因此他提出了三阶段形成假说。第一阶段，微生物个体之间通过各种力的作用相互碰撞、吸附形成聚集体。第二阶段，聚集体中的微生物继续生长，且在水力剪切力的作用下逐渐形成形状规则的初生颗粒污泥。第三阶段，好氧颗粒污泥稳定、成熟。随着颗粒污泥表面疏水性的增加和细菌分泌多聚糖的增多，粘连的微生物逐渐增加，颗粒污泥的粒径随之逐渐增加。但是颗粒污泥的粒径增加到一定程度之后，在水力剪切力作用下颗粒的粒径不再继续增加，此时颗粒达到稳定、成熟期。

具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

Y.Liu等认为好氧颗粒污泥的形成是微生物的一种自固定化现象，不需要载体支持，并提出了符合这个过程的四步骤学说。第一步，微生物之间在流体扩散、重力或者热力学力的作用下相互接触而聚集。第二步，在物理的、化学的或者生物化学的初期引力下形成聚集体。第三步，微生物在其分泌的胞外多聚物等黏着物的作用下形成聚集体。第四步，水的剪切力使颗粒污泥的三维结构更加成熟稳定。阶段形成假说综合考虑了多种因素的作用，而不是仅限于单方面的实验研究.这也为以后的研究提供了思路。

3  结论

好氧颗粒污泥的形成机制仍处于研究中，还没有形成定论。以上几种假说也都存在着一定的局限性。但是从文献来看，单一因素的实验研究已经不可能解释颗粒污泥的形成机理。一方面，通过选择压方法培养出来的颗粒污泥的细胞表面疏水性较好，由于疏水性的增加而增强的细胞间亲和力又为其自凝聚提供了推动力。另一方面，微生物分泌的胞外多聚物在颗粒污泥的形成过程中也起了很重要的作用。因此，水力剪切力、胞外多聚物、微生物的自固定的联合作用在好氧颗粒污泥形成过程中起了关键作用。随着PCR、FISH等技术的发展.将来也许可以从微生物自身找到颗粒污泥形成的关键因素。

另外。由于好氧颗粒污泥培养周期长.限制了其在工程中的应用，因此探讨其形成机理的研究就显得尤其重要。如何确定运行参数，缩短培养周期，提高形成的好氧颗粒污泥稳定性以及如何在工程应用中推广将是以后研究的重点。

以下是工程案例（此部分案例内容为转载整理，如有侵权请联系删除）。

1、南非Gansbaai污水处理厂

设计规模为5000立方米/天，出水经过消毒后，作为灌溉用水回用。出水水质见下表。

2、荷兰Epe污水处理厂

设计规模为1500立方米/小时，在2011年投产。设计运行温度范围为8-25°C。该厂满足荷兰关于出水水质、污泥处理、化学药剂使用以及能耗等方面的所有标准。包括砂滤和污泥处理系统在内，该厂已经成为荷兰全国能耗最低的市政污水厂，并完全满足荷兰总氮小于5mg/L,总磷小于0.3mg/L的出水浓度限值。该厂证明Nereda工艺能降低25%的投资和运行费用，有更强的抗冲击负荷。在pH达到10的条件下（短期工业污水混入），也能稳定运行。该厂的水质见下表。

下面图表中的数据表明，即使在平均水温为10°C的冬季，Nerada好氧颗粒污泥系统也能正常平稳地启动。

下面图表显示了冬季期间启动Nereda系统时出水中氮和磷的变化。经过近4个月的启动达到平稳后，出水中的氨氮和总磷均小于0.5mg/L。

污水厂的运行数据表明Nereda工艺能显著降低能耗。Epe污水厂基于传统活性污泥法的原工艺能耗可达每天3500kWh,而使用Nereda工艺后，每日的能耗已经降低到2000-2500kWh。

3、葡萄牙Frielas污水厂

设计处理规模为70000立方米/天。自1997年运行以来，一直为大里斯本地区的25万人口提供服务。为了提高运行能力，在后期的改造升级中，将6个平行的活性污泥系统中的一个改造为好氧颗粒污泥Nereda工艺，池容1000立方。

由于系统在冬季开始启动，并且来水中有机物相对较低（COD小于300mg/L），启动时间相对较长，达到稳定较慢。在成功启动并稳定运行后，Nereda工艺的SVI30约40mL/g，SVI5小于60mL/g。颗粒污泥占比80%以上，污泥浓度可达6-8g/L。相比原传统活动污泥系统，改造后的Nereda系统能显著减低能耗。图表四（Figure4）中对比了在相同曝气系统设备的工况下，Nereda和传统活性污泥法（AS）平行两套工艺对鼓风机风量的需求。长期的运行结果表明，Nereda工艺能耗约为0.35kWh/kgCOD,比传统工艺降低约30%。

4、荷兰Garmerwolde污水厂

Garmerwolde污水厂服务周边37.5万人口。自2005年，由于出厂水中营养盐浓度无法达到当地的排放标准，污水厂不得不进行扩建升级。Garmerwolde污水厂额外新增了处理能力为9500立方（15万人口当量）的Nereda系统，使该厂日处理能力提高到30,000立方米，高峰时流量为4200立方米/小时。扩建工程自2013年开始运行投产。出水水质完全满足排放标准要求（TN小于7mg/L；TP小于1mg/L）。该污水厂Nereda系统比传统活性污泥系统的能耗降低了50-60%。