连续流好氧颗粒污泥形成难点与技术现状综述

李明亮，朱兆亮

(山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

污水处理系统的效率取决于系统中微生物的代谢能力和处理过程最后阶段固/液分离的有效性两个方面。好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)凭借其同步硝化反硝化和高沉降速度可同时改善这两方面的特性，近年来受到人们的广泛关注[1－2]。学者们关注其物理化学性质、形成机理和在不同废水中的应用情况，使用了众多形式的反应器，其中大多使用序批式间歇反应器(Sequencing Batch Reactor，SBR)进行培养[3－4]。近年来对间歇式培养颗粒污泥的研究日趋完善，研究者开始将注意力转向连续流反应器(Continuous Flow Reactor，CFR)，与SBR相比，CFR有以下优点:

(1)易于操作和控制 SBR需要进水、反应、沉淀和排水4个步骤进行循环，运行过程较为复杂，需要单独控制每一步，虽然在实验室中可以使用编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)逐一控制4个循环阶段，但是自动阀门数量的增加和电路设计的使用也使得故障率增加，需要更为专业的人员进行维修管理。尤其是进水和排水阶段，为尽可能地缩短运行周期，需要短时间内完成。快速地进水和排水极易改变反应器内的水力条件。进、排水在整个运行周期的时间占比是SBR系统的固有劣势，而CFR系统的进、排水过程可以同时进行，系统内水力条件也较为稳定。

(2)流动模式 间歇式反应器的处理规模受到限制，一次只能处理少量的废水，导致在运行过程中需要储存大量待处理废水。虽然可以通过按顺序操作多个SBR或增加一个调节池解决，但这样做需要更大的占地面积和高昂的资金成本，以及复杂的操作程序。CFR系统的进水流量是根据覆盖地区的设计流量计算得出的，短时间流量的波动对连续流系统影响极小，好氧颗粒污泥良好的沉淀性能可以缩小沉淀池尺寸，节省占地面积。因此，CFR是处理大规模污水的最佳选择。

(3)现有的基础设施 目前大多数大型污水处理厂都在使用连续流系统，直接在现有基础设施中实施好氧颗粒污泥比将现有操作转换为间歇模式要简单得多。此外，颗粒系统更高的生物量保留率将使CFR无须扩展现有基础设施并且能够有效提高处理性能。LI等[5]和黄梅等[6]分别在有效容积为60、303 L的改良型氧化沟中实现了好氧造粒，为工程上应用该技术提供了重要经验。

只有当好氧颗粒污泥能够稳定地维持在CFR才可能得到广泛应用，在实际应用中还要求较短的启动时间。快速启动和颗粒稳定性是阻碍AGS技术广泛应用的两大因素，研究者们通常将SBR中形成的颗粒污泥接种至CFR中[7－8]，或者投加晶核类物质(钠、镁离子等)[9－10]，以获得更快速的启动。为维持AGS的稳定性，目前对CFR形成好氧颗粒的研究大多都借鉴SBR中形成好氧颗粒的优势，通过优化反应器结构，模拟SBR中形成好氧颗粒污泥的循环模式和水力条件。尽管连续流比间歇循环有优势，但在连续流中应用AGS是一项新的努力，为此文章综述了好氧颗粒污泥在SBR中形成的有利条件和在CFR中好氧污泥造粒的难点及目前的解决方案，找出技术差距，并展望了未来的研究方向。

1 SBR反应器中好氧颗粒污泥的形成机理

目前普遍认可的稳定好氧颗粒污泥的形成机理是SARMA等[11]提出的4步造粒理论，即(1)由于细胞间相互作用力而发生细胞间碰撞，产生最初的细胞间粘附；(2)细胞表面疏水性的增加使细胞初始的凝聚力增强，自附着细胞逐渐产生微聚集体；(3)聚集微生物产生大量的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，其含量的增加也使微生物群体产生不可逆的聚集和生长；(4)随着气泡与水流形成柔性剪切力，微生物群体不断聚集成为颗粒状。颗粒的形成过程受接种污泥对外部环境中反应器配置和操作条件等流体动力学参数的响应，这些参数包括选择压力、水力剪切力、饱食/饥饿条件等，了解SBR中存在的这些培养条件和机制有助于更好地理解CFR中相似的造粒过程。

1.1 基于沉降速度的选择压力

SBR反应器的操作步骤是进水、反应、沉淀和排水的循环操作，在反应循环结束时，生物量只允许在短时间内沉淀，同时污水需要迅速从反应器中排出，由于密度较大的生物颗粒比密度较小的生物颗粒沉降更快，较短的沉降时间和上清液的快速排放产生了一个选择压力，具有良好沉降特性的生物量保留在系统中，即会将沉降性能较差的生物量冲洗出反应器，这种现象称为基于沉降速度的选择压力。通过这种选择压力，除了筛选出具有良好沉降性能的颗粒污泥外，细胞疏水性和EPS的合成也得到了提高[12]。在众多的研究中，沉降时间可认为是促进成功形成好氧颗粒的决定性因素[13]。值得注意的是，在未观察到好氧颗粒形成的情况下，SBR所需的沉淀时长可以达到30 min，大多数的SBR实验都是通过逐步减小沉淀时间来实现对生物量的选择，因为在一个循环周期内，排出的污泥量必须小于新增殖的污泥量，以维持反应器内的生物量浓度，在这个原则的基础上利用选择压筛选，逐步将形成的好氧颗粒保留在反应器内。这种趋势表明，基于沉降速度的选择压力确实是SBR好氧颗粒化的最终驱动力。

1.2 水力剪切力

水力剪切力和沉降速度形式的选择压力同样重要，是造粒过程的第一驱动力。在造粒的开始阶段，水力流动使微生物间不断碰撞聚集，剪切力来自汽水混合液的流动以及固体之间的碰撞[14]。剪切力还能够诱导EPS分泌，使细胞表面疏水性增强，进而增加颗粒密度。剪切力对好氧颗粒的形状和大小有着重要影响，其可以将成熟颗粒表面的老化细菌剥离，对颗粒外层细胞的生长速度起着平衡作用。剪切力去除了可能积聚在颗粒表面快速生长的丝状细菌[15]。研究发现，在柱式SBR中，当气体上升流速度＞1.2 cm/s时，好氧颗粒才能逐渐形成，并且在高动力剪切力下形成更致密、不易解体的好氧颗粒，但是气体上升流速不宜＞7.08 cm/s，此时由于剪切力过强容易导致颗粒解体[16]。AGS反应器的水力特性很大程度上受反应器结构的影响，张远等[17]研究了高径比对好氧颗粒化的影响，在高径比分别为5和2.5时培养出致密的颗粒污泥，而在高径比为1.5时培养的颗粒污泥结构松散，粒径较大。实际上，高径比增大的直接结果是使水力剪切力发生改变，在曝气量一定的条件下，更高的高径比带来更高的气体上升流速。在柱式AGS反应器中，使用悬浮挡板可产生更高的水循环速率，设计不同的反应器结构也是改变水力剪切力的一种方式[18]。

1.3 饱食/饥饿条件

SBR的循环运行始于饱和期，结束于底物和营养物质受到限制的饥饿期。以醋酸盐作碳源为例，存在醋酸盐的时期称为基质饱和期，这个周期的剩余部分称为饥饿期，从饱和期到饥饿期的转变过程中会有一些标志性的现象，如化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)浓度降低、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)浓度急剧增加、CO2产率降低、空气饱和度升高[19]。如果进水来自反应器底部，底物浓度随着污泥床高度的上升而减小，形成基质梯度，则饥饿期效应也随之增强。当处于基质饱和期时，微生物群体将可快速生物降解的基质转化为细胞内的可生物降解储存基质，以备饥饿期利用；当环境中的营养物质耗尽时，利用储存的糖原、聚－β－羟丁酸等进行内源性呼吸，导致微生物更容易聚集，以提高存活率。有研究发现这种变化还可以增强微生物细胞的疏水性，有利于微生物之间的黏附和聚集，饥饿期也有助于诱导EPS产量增加，这被认为能够促进造粒[20]。饱/饥状态产生的浓度梯度也使AGS内部细菌的生长速率相比外部细菌较慢，而且能够抑制丝状菌的生长，有利于维持AGS的稳定性。

1.4 底物组成

已知在使用不同废水的SBR中好氧颗粒均能形成[21－23]，这表明废水种类不是颗粒形成的决定性因素。研究表明:好氧颗粒分解难降解基质的能力比絮状污泥更强，如降解苯酚等。因为易降解有机物在经过颗粒表层时就被分解利用，不易降解的有机物进入颗粒中心的可能性更大。并且已经证明即使在存在颗粒有机物的情况下，好氧颗粒也会形成，这是因为颗粒有机物虽然不能通过细胞膜，但是可以在吸附利用前进行细胞外水解。因此，将进水先通过厌氧阶段处理有助于溶解颗粒物，使有机颗粒物更容易降解[24]。WAGNER等[25]研究发现，在处理含颗粒有机物废水时，形成好氧颗粒需要两个条件:(1)降低生物量快速沉降的选择压力；(2)延长厌氧时间，有利于颗粒有机物的水解和有机基质的利用。基质种类也会影响好氧颗粒的培养过程，如以醋酸盐为底物可以促进致密颗粒的形成，而葡萄糖等易于生物降解的COD容易使丝状细菌得到生长，不利于好氧颗粒的形成。

1.5 溶解氧

溶解氧浓度不是影响SBR反应器好氧颗粒化的主要因素，在成功的造粒实验中，DO的范围较为广泛，从0.7～8 mg/L不等[26]。然而，溶解氧会影响颗粒稳定性，低溶解氧环境通常有利于丝状菌生长和厌氧核心形成[27]，丝状菌的过度生长和厌氧核心中发酵产生的气体极易使颗粒解体。好氧颗粒的同步硝化反硝化是以颗粒外层氨氧化为基础的，产生的硝酸盐可以扩散到颗粒内部，并在其内部作为反硝化细菌的电子受体维持细胞生长。在缺氧/厌氧和有氧阶段循环(如在具有缺氧或厌氧选择器的反应器)中，由于丝状生物在NO2－和NO3－还原方面不如非丝状生物，因此若系统中存在缺氧/厌氧阶段可抑制丝状微生物生长，促进颗粒的形成。黄梅等[6]研究发现降低DO浓度有利于好氧颗粒污泥的反硝化过程，但容易导致污泥膨胀。DE KREUK等[28]利用添加氮气的方法，在不改变气体上升流速的情况下考察氧气浓度降低对好氧颗粒的影响，结果表明，当氧饱和度从100%降低到40%时，颗粒在两周内出现破裂现象，稳定后颗粒直径也有所减小。

1.6 生长较慢的微生物(微生物的生长速率)

丝状菌生长较快，吸收分解有机物的能力强，在低基质浓度的环境中相比其他细菌处于优势地位，丝状菌的过度生长易造成污泥上浮等问题，在AGS中尤为明显，容易造成AGS解体，所以有学者研究了微生物的生长速率对颗粒稳定的影响，得出控制好氧颗粒稳定性一个重要参数是颗粒内微生物的实际生长速度。PICIOREANU[29]等将生物膜的稳定性与底物的扩散以及生物体的生长速度联系在一起，如果颗粒内部的基质浓度梯度急剧下降，就会形成非均匀或絮凝状的生物膜；如果浓度梯度是渐进的，则更容易产生规则的生物膜颗粒。较低的生长速率状态下会产生更平滑的生物膜颗粒，这意味着当生物体以低速率生长时，更容易形成稳定的颗粒，如厌氧氨氧化颗粒污泥，可能是由于其生长较慢而容易聚集形成颗粒。在使用SBR实验时，硝化细菌等生长缓慢的微生物存在会促进AGS的形成，KISHIDA[30]等利用硝化抑制剂——烯丙基硫脲来验证了该结论。也有研究称快速增长可能会降低颗粒的总生产力，在微生物群体中快速增长(使个体收益)和高效增长(使群体收益)之间存在权衡[31]，因为群体中某一类细菌的过度增长会破坏整个微生态系统的平衡，而环二鸟苷酸等信号分子作为不同菌种之间的“使者”，在维持生长速度的过程中起着重要的调节作用[32]。

2 连续流条件下好氧造粒的难点

与SBR相比，CFR中的好氧颗粒处在不同的培养环境中，因此基于SBR形成好氧颗粒的优势将不能体现出来，如选择压力的应用、间歇性基质饱和期/饥饿期，以及污泥回流中设备对颗粒的损坏。

2.1 选择压力的应用

选择性地保留沉降性能好、处理效率高的好氧颗粒可认为是SBR中传统好氧造粒的最终驱动力。这种选择压力很容易应用于柱式SBR中，因为其可以控制较短的沉淀时间来对生物量进行选择，但在CFR中实现起来较为困难，常规二次沉淀池设计通常需要较长的沉淀时间以达到澄清水质的目的。即使控制CFR沉降时间与SBR相当，由于水连续流动带来的额外干扰，颗粒的沉降情况也与SBR中有所不同[33]。因此，选择沉降性能较好的生物量要求CFR配备一个有效的选择机制，用于从混合液中连续分离快速沉降颗粒并将其保留在反应器内。然而，大多数操作模式过于复杂[34－35]，或不能通过调整沉降速度选择污泥[36]，因此在CFR中引入简单有效的选择压力是非常必要的。

2.2 提供基质饱和/贫乏期

由于SBR间歇式的循环模式而产生的基质饱和/贫乏期被认为是促进好氧造粒的重要条件，但在CFR中提供该条件是十分困难的。CFR反应器是完全混合的，在一定的有机负荷条件下，进水中的底物进入反应器后被快速吸附分解，底物浓度一直保持在较低水平，出水中的有机物浓度与反应器内混合液的浓度大致相同。一般来说，好氧颗粒是因为基质种类和氧浓度梯度的差异产生分层，颗粒内部的生物量需要较高的底物浓度，较低的底物浓度导致有机物、溶解氧和其他营养物质无法进入颗粒的核心，当内部细菌无法耐受就会导致颗粒结构松散而发生解体。研究表明:在低底物浓度条件下，絮状细菌比好氧颗粒更具优势，并在反应器中占据主导地位。因此，在CFR中提供饱食/饥饿条件是CFR好氧造粒的另一个重要因素。

2.3 颗粒再循环

在传统的CFR工艺中，通常需要外回流来维持系统中的生物量，这就不可避免地用到回流泵。如果这样的外部装置用于固液分离，使沉降更快的好氧颗粒回流到反应池，传统的泵回流系统可能会破坏回流的颗粒。

3 CFR中好氧造粒技术的研究现状

3.1 CFR中的选择压力

基于沉降速度的选择压力通常用于SBR反应器，而CFR则通过内部或外部的固液分离器来实现。用于上流式反应器的内部分离器通常使用一个挡板将反应器分为曝气反应区与选择沉降区，如图1(a)和(b)所示[37－38]。右端的曝气区提供水力剪切力和所需溶解氧，左端形成固液分离区，即颗粒选择区，由于出水口设置在该区域，所以会产生一定的上升流速，沉速大于该流速的颗粒会沉降至底部，底部的斜板会使得颗粒重新进入曝气区，由此产生选择作用。而且图1(b)中反应器可通过移动挡板改变固液分离区的容积，进而改变表面水力负荷，可以在颗粒形成的不同时期时来调节颗粒的固液分离效果。三相分离器是一种经典的带有内部分离器的反应器形式，如图1(c)所示[39]，隔板将反应器分为中心曝气区和外部沉淀区，汽水混合液由于曝气作用从装置的中部向上流动，至顶部汽水分离后溢流向四周，斜板阻挡颗粒进入出水区域，使沉速较好的生物量再次沉降至反应器底部。虽然三相分离器最初的设计是应用于上流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB)中，但在好氧颗粒污泥的研究中也得到了广泛应用。众多研究表明在反应器中适当地增加挡板可以实现对好氧颗粒的选择[40]。除增加内部分离器外，更为传统的方法是增加一个外部分离器进行选择，如图1(d)所示。龙焙等[41]利用一个上流式反应器，通过斜管连接到外部挡板沉淀池，混合液进入沉淀池后，沉降较好的颗粒通过底部联通管回流至反应区，沉降较差的絮状污泥被筛选出反应器。邹金特等[42]利用类似方法，使用两个联通的挡板沉淀池实现了对好氧颗粒的选择。

图1 利用沉淀区进行颗粒筛选的连续流AGS反应器图

3.2 创造饱食/饥饿条件

如果AGS反应器没有选择压力的作用，即使创造出饱食/饥饿条件也不会产生好氧颗粒，但是这种循环模式对造粒的促进作用是不可忽视的。LI等[43]为创造出饱食/饥饿条件，设计了一种对称式的逆流折板反应器(Reverse Flow Baffled Reactor，RFBR)，如图2所示。按照2 h正、逆向流的周期运行，两端临近出水口的池体作为选择区域，每当该反应器流动方向发生改变时，基质饱和区和饥饿区就会发生互换，经过21 d的连续运行形成好氧颗粒，并在此后的135 d内保持稳定。LIU等[44]使用两个AGS反应器串联，即第一个反应器的出水是第二个反应器的进水，第一个反应器(注入进水)可以充当饱和阶段，第二个反应器充当饥饿阶段，如图3所示。培养30 d后形成了直径为0.1～1.0 mm的颗粒污泥。CORSINO等[45]在CFR反应器中接种SBR产生的好氧颗粒时，在连续流运行模式下，好氧颗粒会迅速失去结构完整性，产生以丝状菌为主的松散的微生物聚集体，颗粒密度从100 g/L降低到50 g/L，蛋白质与多糖之比及总EPS显著降低，颗粒尺寸减小；在改为间歇进水后，好氧颗粒的稳定性普遍提高。间歇进水并没有使饱和期和饥饿期的基质浓度差变大，更可能的是延长了饥饿期的时间，使细菌表面产生更多的EPS以促进颗粒形成，见1.2中所述。

图2 对称式逆流折板反应器图

图3 串联式连续流AGS反应器图

3.3 颗粒污泥再循环系统

带有外部分离器的好氧颗粒污泥反应器有一个明显的缺点，即需要将沉降较好的污泥回流至反应器，虽然LI等[33]使用蠕动泵回流污泥(如图4所示)，能够培养出好氧颗粒，但是其对颗粒仍有一定程度的破坏，外部沉淀池的污泥回流管中因破碎而造成的颗粒损失是研究者们必须考虑的问题。气提装置可能是传统泵回流系统的替代者，这种装置的原理是在下部淹没于液体中的扬水管中通入压缩气体，形成气液两相流，利用管内外混合液的密度差将汽水混合液提升。此外，该装置还能为好氧造粒提供水力剪切力和溶解氧[46]。ØDEGAARD[47]在流化床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)中使用该方法用于转移生物膜载体。ZOU等[48]将该装置用于连续流AGS反应器(如图5所示)，证明其可以用于外部沉淀池的污泥回流，且不会破坏好氧颗粒的结构。

图4 泵回流颗粒污泥反应器图

图5 气提回流颗粒污泥反应器图

3.4 基于丝状菌的好氧颗粒污泥

传统的好氧颗粒污泥是微生物自聚集形成的，而丝状菌形成的颗粒污泥首先依赖于丝状细菌之间的缠绕，形成颗粒骨架，其他细菌再依附骨架形成微生物群。基于丝状菌形成的好氧颗粒通常不需要基于沉降速度的选择压力，而且所需的水力剪切力可以通过搅拌实现，其思路是:接种丝状菌/形成丝状菌膨胀—提高水力剪切力—污泥颗粒化。利用丝状菌在连续流中实现好氧污泥颗粒化似乎是一种更可行的方法，CHEN等[49]采用该思路设计了一种内循环膜生物反应器(Internal Circulation Membrane Bio-Reactor，IC-MBR)，如图6(a)所示。

膜组件可以将丝状菌截留在反应器内，并采用易于降解的葡萄糖作为碳源(见1.4中所述，葡萄糖利于丝状菌的生长)，接种普通污泥运行8 d后污泥体积指数(Sludge Volume Index，SVI)值升高至328.65 mL/g，表明反应器中发生了丝状菌膨胀，大量丝状菌的存在有利于形成以缠绕为基础的聚集体，并为其他细菌提供附着载体和颗粒骨架，37 d后可明显观察到颗粒污泥，造粒成功后SVI值在(100±20)mL/g，相比传统颗粒污泥的SVI值较高。CHEN等[50]利用2 h的沉淀时间在连续流中成功培养出颗粒污泥，所使用的反应器如图6(b)所示，其高径比仅为1，溶解氧控制在4.2 mg/L，并以250 r/min的速度行搅拌，其剪切力主要来源于搅拌而不是曝气，并将接种污泥中有无丝状菌作为变量进行了对照试验，结果只有接种污泥中含有丝状细菌的反应器造粒成功，形成的颗粒污泥SVI在50～90 mL/g。

图6 丝状菌AGS连续流反应器图

LI等[7]使用连续流反应器培养出好氧颗粒污泥以后，对其进行电镜扫描和高通量焦磷酸测序，观察到颗粒表面有大量丝状细菌缠绕，焦磷酸测序结果表明丝状古菌和丝状菌的结合导致EPS和SVI的增加，证明丝状菌在好氧造粒中发挥了重要作用[51]。丝状菌颗粒污泥的形成似乎是传统好氧颗粒的一个反例，反应器高径比的增加和沉降时间的缩短在颗粒形成过程中并不重要，足够数量的丝状菌和可通过搅拌实现的高剪切力在颗粒污泥的形成中发挥了关键作用。

4 展望

好氧颗粒污泥凭借高处理效率和良好沉降能力而得到广泛关注，为达到从絮状污泥到颗粒污泥的转变，在SBR反应器中进行了大量研究并取得了阶段性成功，并且已经有在CFR中培养出好氧颗粒污泥成功案例，但是好氧颗粒污泥技术在实际应用中还有许多问题，需要在以下几个方面进一步研究:

(1)优化造粒程度 好氧颗粒是以絮状污泥为基础形成的，而且在颗粒污泥的形成过程中絮状污泥是一直存在的，在活性污泥系统中，任何形式的反应器都达不到100%颗粒比例，尤其是在连续流中，CFR的颗粒比例通常低于SBR。在应用过程中，为应对颗粒不稳定性，可以允许絮状污泥与颗粒污泥并存的条件下持续发挥好氧颗粒污泥的优势，即部分好氧颗粒化，并且致力于造粒程度最大化。

(2)选择合适的颗粒筛选机制 好氧颗粒在气体剪切力的作用下形成以后，为保持一定的颗粒比例，必须有相应的颗粒筛选机制将颗粒保留在反应器内，以保持系统高效的处理效率。SBR通过沉淀时间来选择颗粒，而CFR一般通过控制颗粒选择区(沉淀区)的停留时间来进行选择，颗粒沉速在其中扮演着重要的角色，但是目前仍然没有好氧颗粒在连续流状态下的水力学模型，在应用中设计和选择合适的颗粒筛选机制尤为重要。

(3)维持好氧颗粒污泥的长期稳定性 稳定性是制约好氧颗粒污泥大规模应用的一个重要因素，大多数研究中AGS的稳定时间约为100 d，而且在这期间颗粒比例是由无到有的增长趋势，并不是稳定存在。目前的研究主要集中在形成颗粒，未来的研究需要从形成颗粒到失稳—再形成进行转变并探究其稳定存在的机理。