周 瑤 ，王少坡 ，于靜潔 ，趙 明 ，王 棟 ，邱春生 ，孫力平

（1.天津城建大學(xué)，天津300384；2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；3.天津三博水科技有限公司，天津300384）

污水生物處理系統(tǒng)內(nèi)，微生物聚集的形式主要有絮狀污泥、生物膜和顆粒污泥3種，其中顆粒污泥由于具有微生物量多、沉降性好等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的關(guān)注。顆粒污泥中，好氧顆粒污泥（AGS）具有表面光滑、密度大、沉降性能良好、能夠維持較高的生物量以及承受較高的有機(jī)負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)〔1〕。 M.Pronk 等〔2〕指出，好氧顆粒污泥系統(tǒng)的總體能耗為13.9 kW·h，比荷蘭傳統(tǒng)活性污泥廠的平均耗能水平低58%～63%，其出水水質(zhì)可以達(dá)到傳統(tǒng)活性污泥法工藝的出水水質(zhì)甚至更好。好氧顆粒污泥系統(tǒng)所需要的體積也比現(xiàn)有的常規(guī)活性污泥裝置所需要的體積低33%左右，在能耗和土建費(fèi)用方面均有所減少。

與厭氧顆粒污泥相比，好氧顆粒污泥的形成周期較短，約為30 d。在耗能方面，好氧顆粒污泥可在常溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)，同時(shí)在污水濃度方面局限性小，對(duì)高濃度工業(yè)廢水和城市生活污水的處理均有良好效果。污泥在好氧條件下進(jìn)行培養(yǎng)，顆粒的分層結(jié)構(gòu)形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)域，其結(jié)構(gòu)特征可以實(shí)現(xiàn)一定程度的脫氮除磷效果〔3〕。 本研究通過對(duì)近年來相關(guān)文獻(xiàn)的整理，擬對(duì)好氧顆粒污泥的形成機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)各影響因素之間的相互作用進(jìn)行分析。

1 好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

好氧顆粒污泥的形成是由眾多因素共同作用完成的復(fù)雜過程，其中既有微生物的作用，也包含物理、化學(xué)等方面的作用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于好氧顆粒污泥的形成進(jìn)行了長期研究，主要形成以下幾種學(xué)說。

1.1 微生物自凝聚原理

自凝聚是一種在適當(dāng)條件下自發(fā)產(chǎn)生的微生物凝聚現(xiàn)象。有研究表明，好氧顆粒污泥的形成是由種泥逐步致密聚集的漸進(jìn)過程，通過各種影響力進(jìn)而形成顆粒污泥〔1〕。 由水力剪切力〔4〕、pH〔5〕等眾多因素決定顆粒最終能否形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

1.2 絲狀菌假說

在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程中，接種污泥的微生物主要以絲狀菌為優(yōu)勢(shì)菌種〔1〕。反應(yīng)器中培養(yǎng)出的顆粒污泥種類不同，絲狀菌在顆粒形成過程中所起到的作用也不同。有研究通過對(duì)所培養(yǎng)出的不同顏色顆粒污泥進(jìn)行破碎處理，得到絲狀菌在顆粒污泥中的形成結(jié)構(gòu)〔6〕。好氧顆粒污泥在反應(yīng)器不同階段出現(xiàn)黃色、黑色及白色3種不同顏色的顆粒，不同顆粒污泥的菌種比例及形態(tài)結(jié)構(gòu)都有所區(qū)別〔7〕。總體來說，絲狀菌對(duì)好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定起到重要作用。不同顏色顆粒污泥的菌種組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表1。

表1 顆粒污泥不同分類及其特征

1.3 細(xì)胞表面疏水性假說

根據(jù)熱力學(xué)理論，細(xì)胞表面疏水性上升會(huì)減少細(xì)胞表面多余的吉布斯能，進(jìn)而增加細(xì)胞間的相互作用形成致密的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。有研究表明，在3周的好氧顆粒污泥形成過程中，污泥的疏水性由接種污泥的39%上升到73%，由此證明細(xì)胞表面疏水性是細(xì)胞自身聚集和附著的重要親合力，對(duì)于好氧顆粒污泥的形成起到關(guān)鍵作用〔1〕。疏水性對(duì)于細(xì)胞間的相互作用具有重要意義，這可能引起微生物的初始自身穩(wěn)定，并進(jìn)一步將細(xì)菌緊密地結(jié)合在一起〔8〕。

1.4 選擇壓驅(qū)動(dòng)假說

有研究表明，通過控制沉降時(shí)間進(jìn)而控制選擇壓是序批式反應(yīng)器（SBR）中好氧顆粒污泥形成的決定性因素〔9〕?？s短沉降時(shí)間有助于洗出沉降性能差的絮體污泥，造成相對(duì)較強(qiáng)的選擇壓，促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。在一定范圍內(nèi)，提高選擇壓會(huì)導(dǎo)致好氧顆粒污泥的粒徑變大〔10〕。縮短沉降時(shí)間可顯著提高細(xì)胞多糖的產(chǎn)量、細(xì)胞表面疏水性及微生物活性，進(jìn)而利于好氧顆粒污泥的形成〔11〕。對(duì)選擇壓的控制和深入研究有助于更好地了解好氧顆粒污泥的形成機(jī)制。X.H.Wang等〔12〕通過逐步增加進(jìn)水氨氮濃度來提高選擇壓，培養(yǎng)出具有良好穩(wěn)定性的好氧顆粒污泥，提供了一種新的好氧顆粒污泥培養(yǎng)策略；今后應(yīng)通過逐步改變選擇壓的方式開發(fā)好氧顆粒污泥生物反應(yīng)器，使其具有更高的性能和效率。通過改變選擇壓的方式促進(jìn)顆粒污泥的形成，這一方法在連續(xù)流反應(yīng)器中同樣有效〔13〕。

1.5 胞外聚合物假說

胞外聚合物（EPS）是在一定的適宜條件下由微生物分泌于細(xì)胞表面的大分子有機(jī)物質(zhì)。自誘導(dǎo)體（autoinducer，AI）（信號(hào)分子）形成后釋放，可以在群體感應(yīng)（Quorum sensing，QS）中被細(xì)菌探測(cè)到。QS 是細(xì)菌在不斷變化的環(huán)境中生存和適應(yīng)的一種現(xiàn)象，通過QS，細(xì)菌可以對(duì)種群密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)激活細(xì)菌生長的基因表達(dá)。根據(jù)Y.Q.Liu等〔14〕提出的假設(shè)，微生物細(xì)胞與其他微粒連接，形成顆?；勰嗟那吧?。EPS在好氧顆粒污泥的發(fā)育過程中起著重要作用。有研究表明，好氧顆粒污泥與普通絮狀活性污泥的EPS成分，如蛋白質(zhì)和多糖的濃度和分布是不同的，從好氧顆粒污泥中提取EPS，其中檢測(cè)出帶負(fù)電荷的多糖和蛋白質(zhì)，但未在活性污泥中檢測(cè)出〔15〕。好氧顆粒污泥的EPS有機(jī)組分可以改變細(xì)菌的表面特性和顆粒污泥的物理特性，有利于細(xì)胞之間的聚集及穩(wěn)定。研究表明，在好氧顆粒污泥周圍松散附著的EPS是造粒過程的重要因素，主要由其中的蛋白質(zhì)所決定。EPS的形成取決于反應(yīng)器內(nèi)的運(yùn)行方式及環(huán)境，控制好相關(guān)參數(shù)有利于EPS的適量產(chǎn)生，從而形成穩(wěn)定的好氧顆粒污泥〔16〕。根據(jù)結(jié)合程度的不同，EPS 可分為溶解性 EPS（soluble EPS，SEPS）和附著性 EPS（bond EPS，BEPS）〔17〕，BEPS 又分為松散附著性 EPS（loosely bond EPS，LEPS）和緊密附著性 EPS（tightly bond EPS，TEPS）。

1.6 階段形成假說

階段形成假說將好氧顆粒污泥的形成分為4個(gè)階段，每一階段由不同的作用力或物質(zhì)發(fā)揮影響，促進(jìn)接種污泥逐步形成顆粒污泥。第一階段，由接種污泥表面細(xì)菌之間發(fā)生的物理運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)顆?；缢畡?dòng)力、擴(kuò)散力等；第二階段，由物理、化學(xué)及生物方面的各種吸引力來維持固體細(xì)胞表面和多個(gè)細(xì)胞之間的穩(wěn)定連接，如范德華力、化學(xué)鍵及細(xì)胞膜融合等；第三階段，微生物促使聚集的細(xì)菌成熟，EPS的產(chǎn)生、菌群的增長等過程均在此階段；第四階段，通過水力剪切力形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)〔18〕。該形成機(jī)理是目前比較全面的一種顆粒污泥形成理論，但因各種因素間的相互影響，仍難以完整涵蓋好氧顆粒污泥整個(gè)形成過程。

2 好氧顆粒污泥形成的影響因素

好氧顆粒污泥能否形成及其形成周期長短、污泥質(zhì)量如何、能否維持穩(wěn)定，受其培養(yǎng)運(yùn)行過程中多種因素的影響〔19〕。通過對(duì)其深入研究，可以全面了解好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定適應(yīng)條件，并據(jù)此對(duì)可變因素進(jìn)行控制，對(duì)培養(yǎng)好氧顆粒污泥具有重要的意義。

2.1 碳源

碳源不同會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥存在差別。在其他條件相同的前提下，J.H.Tay等〔20〕以葡萄糖為碳源培養(yǎng)出的顆粒污泥以絲狀菌為主，以乙酸為碳源培養(yǎng)出的顆粒污泥卻以桿狀細(xì)菌為主。同時(shí)，單一碳源和混合碳源也對(duì)形成好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性有所影響。高景峰等〔21〕以蔗糖為唯一碳源培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)23 d后出現(xiàn)絲狀菌膨脹現(xiàn)象。之后改用蔗糖加等量蛋白胨的組合碳源，絲狀菌膨脹現(xiàn)象得到了有效的解決。這說明，在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過程中采用單一碳源易引起絲狀菌膨脹，混合碳源可以有效抑制該現(xiàn)象，對(duì)維持好氧顆粒污泥的穩(wěn)定起到重要作用。碳源種類雖然可以改變顆粒結(jié)構(gòu)，但有人認(rèn)為其對(duì)好氧顆粒污泥的形成不能起到?jīng)Q定性作用〔22〕。

2.2 種泥

Z.Song等〔23〕研究發(fā)現(xiàn)從啤酒廢水處理廠中取的污泥比城市污水處理廠中提取的污泥更適合培養(yǎng)好氧顆粒污泥，表明接種污泥對(duì)好氧顆粒污泥的形成有重要的影響。不同種泥的顆?；酥练€(wěn)定所需時(shí)間不同〔24〕，所培養(yǎng)出的顆粒污泥菌群結(jié)構(gòu)也不相同，說明微生物種群變化同接種污泥有關(guān)。微生物的活性對(duì)好氧顆粒污泥的影響不明顯，但受接種污泥疏水性的影響較大〔23〕。有研究者在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過程中加入?yún)捬躅w粒污泥，縮短了好氧顆粒污泥的形成時(shí)間，且污泥穩(wěn)定、污水處理效果好〔25〕。這為好氧顆粒污泥的培養(yǎng)提供了一個(gè)很好的選擇。

2.3 水力剪切力

一般來說，由上流曝氣引起的水動(dòng)力湍流是系統(tǒng)的主要剪切力，反應(yīng)器可以通過改變表面上升氣體流速來控制水力剪切力。當(dāng)對(duì)顆粒污泥施加剪切力時(shí)，顆粒必須通過消耗非生長能量，改變細(xì)胞表面EPS的量來調(diào)節(jié)其代謝途徑，以維持與外部剪切力的平衡。研究表明，當(dāng)表面上升氣體流速達(dá)到1.2cm/s時(shí)可以形成密度大且表面光滑的顆粒污泥〔8〕。水力剪切力越大，越容易形成穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)、清晰的污泥輪廓及良好污染物降解性能。

為了在保證污水處理效果的情況下降低能源使用，沈忱等〔26〕研究了低曝氣條件下反應(yīng)器的運(yùn)行及好氧顆粒污泥情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在能夠使污泥達(dá)到顆?；乃羟辛ο?，好氧顆粒污泥對(duì)污水的處理性能穩(wěn)定，可以高效地進(jìn)行脫氮除磷以及去除COD。

2.4 PN/PS

一般認(rèn)為，多糖（polysaccharides，PS）可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的內(nèi)聚力和黏附力，在污泥顆粒化過程中對(duì)維持污泥結(jié)構(gòu)的完整性起著至關(guān)重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著水力剪切力的增加，污泥中多糖含量與蛋白（proteins，PN）含量的比值也有顯著上升。值得指出的是，顆粒污泥中多糖的含量至少比絮凝體中高出2倍，同時(shí)也觀察到多糖的含量比絮凝體和顆粒污泥中蛋白質(zhì)含量高得多。這可能意味著胞外蛋白對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響不如多糖大〔8〕。

2.5 pH

張志等〔5〕運(yùn)行6個(gè)相同的反應(yīng)器，僅控制pH不同。結(jié)果表明，當(dāng)pH在8.4時(shí)，細(xì)胞產(chǎn)生最少量的EPS，當(dāng)pH上升到9.0時(shí)，EPS少量上升。EPS上升有助于保護(hù)顆粒污泥，減少被酸堿值過高所帶來的傷害。研究結(jié)果證明控制pH使EPS產(chǎn)量增加，有利于提高污泥的耐沖擊能力，使顆粒污泥更加穩(wěn)定。

2.6 溫度

溫度可以顯著影響生物過程中的微生物代謝和群落結(jié)構(gòu)〔27〕。 A.Gonzalez-Martinez 等〔28〕在低溫下研究北極圈好氧顆粒污泥的性狀及菌群，發(fā)現(xiàn)溫度的改變會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥菌群變化，是維持污泥結(jié)構(gòu)正?；?qū)е陆怏w的重要因素。此外，有研究表明，與溫適應(yīng)接種物相比，冷適應(yīng)接種物顯示出優(yōu)異的顆粒狀生物質(zhì)形成能力。在低溫條件下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥，低溫啟動(dòng)時(shí)，3周內(nèi)就可以有效去除有機(jī)物〔29〕，這表明低溫環(huán)境下好氧顆粒污泥更容易培養(yǎng)。

2.7 細(xì)胞表面電荷

一般來說，微生物細(xì)胞表面帶有負(fù)電荷。相似電荷之間的排斥可防止細(xì)胞在沒有另一種機(jī)制的幫助下彼此附著。二價(jià)陽離子如Ca2+中和微生物表面電荷已被認(rèn)為是促進(jìn)初始細(xì)胞附著的可能機(jī)制。范德華力也可能有助于這種細(xì)胞吸引力〔30〕。DLVO理論同樣適用于分析細(xì)胞表面負(fù)荷對(duì)污泥產(chǎn)生的相互作用〔31〕。

2.8 反應(yīng)器類型及運(yùn)行方式

好氧顆粒污泥多在SBR中進(jìn)行培養(yǎng)。在反應(yīng)器運(yùn)行期間，由于高表面負(fù)電荷所引起的靜電斥力、疏水性低所形成的水包圍面以及EPS之間的相互作用，細(xì)胞表面存在的過多EPS會(huì)使得初始的黏附過程困難，EPS與細(xì)胞表面負(fù)電荷呈正相關(guān)性，與疏水性呈負(fù)相關(guān)〔32〕。SBR反應(yīng)器的曝氣過程導(dǎo)致了長時(shí)間的饑餓期，EPS消耗至合理數(shù)量導(dǎo)致具有低負(fù)電荷和高表面疏水性的污泥形成，繼而顆粒繼續(xù)增長達(dá)到穩(wěn)定顆?；?3〕。研究表明，為保證顆粒污泥的穩(wěn)定性和良好的出水質(zhì)量，飽食周期的長度不應(yīng)超過總周期長度的25%〔34〕。同時(shí)，在柱狀上升流反應(yīng)器中，反應(yīng)器高度與直徑（H/D）的比例較高，可以保證較好的顆粒流動(dòng)軌跡，從而為微生物聚集提供良好條件〔35〕。

此外，好氧顆粒污泥也可在其他反應(yīng)器中形成。列舉了文獻(xiàn)中幾種成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥的反應(yīng)器類型，見表2。

表2 各反應(yīng)器顆?；勰嗵匦?/p>

3 好氧顆粒污泥的應(yīng)用

好氧顆粒污泥具有同時(shí)脫氮除磷、去除有機(jī)污染物、去除重金屬等作用，且去除效果良好。在城市污水和工業(yè)廢水處理中已經(jīng)有相關(guān)應(yīng)用。

3.1 脫氮

由于顆粒污泥的結(jié)構(gòu)特征，溶解氧在污泥的不同部位存在差別。因?yàn)轭w粒污泥外部生存的活性細(xì)胞層消耗了大部分氧，所以顆粒污泥核心處沒有氧〔39-40〕。污水中脫氮所需要的好氧條件和缺氧條件都能夠在顆粒污泥內(nèi)實(shí)現(xiàn)。因此，好氧顆粒污泥能夠?qū)崿F(xiàn)良好的生物脫氮效果，從而用于實(shí)際的污水脫氮。

好氧顆粒污泥在處理主流工藝污水以及合成廢水時(shí)均顯示出良好的脫氮性能。Y.Liang等〔41〕采用機(jī)械混合和曝氣技術(shù)將全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）顆粒污泥培養(yǎng)40 d，運(yùn)行期間處理合成污水、主流污水的平均氮去除速率（NRR）分別為 3.22、1.11 kgN/（m3·d）。出水硝酸鹽濃度低，未發(fā)現(xiàn)硝酸鹽積聚。

此外，也可通過控制其他因素達(dá)到良好的脫氮效果。影響顆粒污泥同步硝化反硝化的因素包括污水中的溶解氧、污泥的顆粒大小、電子供體可用性以及微生物活性等〔42〕，例如，微堿性條件有利于亞硝化的進(jìn)行〔43〕。低氧濃度條件下氮的去除效率更高，但無法維持好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定〔44〕。不同培養(yǎng)條件下產(chǎn)生的硝化細(xì)菌也會(huì)導(dǎo)致不同的脫氮效果〔45〕。好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)及大體脫氮過程見圖1〔46〕。

圖1 好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)及大體脫氮過程

3.2 除磷

污泥中的聚磷菌在好氧條件下過量地?cái)z取磷，在厭氧條件下釋放磷。好氧顆粒污泥表面溶解氧含量大，顆粒內(nèi)部可以達(dá)到缺氧甚至厭氧狀態(tài)?；谶@一原理，好氧顆粒污泥可以實(shí)現(xiàn)污水除磷的功能。

溫度、pH、鹽分、有機(jī)負(fù)荷、廢水底物類型和曝氣都對(duì)好氧顆粒污泥除磷效果具有影響〔47〕。

O.Henriet等〔48〕通過差異選擇含有高比例聚磷菌的顆粒來改進(jìn)SBR中好氧顆粒污泥的除磷性能。結(jié)果表明，沉降時(shí)間的增加與污泥床的均勻凈化相結(jié)合，規(guī)模和密度分布更為廣泛，這導(dǎo)致改進(jìn)后的磷去除率超過90%，同時(shí)保持良好的氮和COD去除。通過對(duì)工藝的不斷改進(jìn)和完善，好氧顆粒污泥可以取得良好的除磷效果〔49〕。

3.3 廢水中有毒物質(zhì)及難降解物質(zhì)的去除

好氧顆粒污泥具有致密的核結(jié)構(gòu)，對(duì)外部粒子具有較高的防擴(kuò)散性，因此細(xì)胞整體對(duì)有毒物質(zhì)具有很高的耐受能力〔18〕。 A.F.Duque 等〔50〕研究表明，好氧顆粒污泥可有效去除合成廢水中有毒的2-氯苯酚。也有研究表明好氧顆粒污泥可以去除2，4-二硝基甲苯〔51〕。此外，磷酸三丁酯的水解產(chǎn)物正丁醇可以被好氧顆粒污泥快速生物降解〔52〕。石油化合物的去除效果可高達(dá)90%〔53〕。好氧顆粒污泥具有優(yōu)異的生物營養(yǎng)物質(zhì)去除能力以及有毒或頑固污染物的生物降解性能〔54〕。

好氧顆粒污泥相關(guān)工藝是常規(guī)活性污泥工藝的替代工藝，用于去除營養(yǎng)物、持久性污染物和水回用。未來應(yīng)致力于進(jìn)一步研究好氧顆粒污泥的形成機(jī)制，改善低強(qiáng)度污水中的好氧顆粒污泥形成?，F(xiàn)階段，有關(guān)好氧顆粒污泥的研究大多仍在模擬廢水的反應(yīng)器中進(jìn)行，今后應(yīng)著力于在實(shí)際污水和工業(yè)廢水處理中運(yùn)用研究〔55〕。同時(shí)，關(guān)注運(yùn)行條件對(duì)好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響，防止如溶液中含鹽量不當(dāng)導(dǎo)致顆粒污泥失穩(wěn)解體〔56〕等問題的出現(xiàn)；另外，也要著重研究如何加速好氧顆粒污泥的培養(yǎng)、強(qiáng)化同步高效脫氮除磷措施等。

4 結(jié)論

（1）表面光滑、粒徑大、性能良好的好氧顆粒污泥能夠?qū)崿F(xiàn)較好的污水處理效果，可以同時(shí)高效脫氮和除磷，并保持良好的有機(jī)物去除效果，還可以去除有毒有害物質(zhì)；好氧顆粒污泥在不同種類廢水處理過程中的效能、去除微污染物的機(jī)理方面需要進(jìn)一步研究。

（2）好氧顆粒污泥的形成是在多種機(jī)制共同影響下的結(jié)果，目前還缺乏能夠準(zhǔn)確完整描述其形成的假說，對(duì)其形成機(jī)理還需要進(jìn)一步研究，特別是其形成過程中胞外聚合物的功能及調(diào)控措施。

（3）好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程中，污泥顆?；约邦w粒污泥的各種特性受多因素的影響，任一因素的改變都可能導(dǎo)致顆粒污泥的解體、粒徑大小的改變；今后應(yīng)著重對(duì)于好氧顆粒污泥內(nèi)各微生物之間的協(xié)作和生態(tài)位及其影響因素進(jìn)行研究。

（4）對(duì)于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)研究大多仍處于實(shí)驗(yàn)規(guī)模，未來應(yīng)逐漸向?qū)嶋H污水發(fā)展；好氧顆粒污泥在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，今后需要對(duì)好氧顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定維持、節(jié)能和回收資源方面的影響因素及控制策略進(jìn)行研究；另外，如何加速好氧顆粒污泥形成仍將是一個(gè)研究熱點(diǎn)。