姚源，潘江，肖芃穎，陳婷婷，趙天濤，封麗,3，趙春陽(yáng)

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶市生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 401147；2.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 4000543；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；4.重慶川儀環(huán)境科技有限公司，重慶 401121)

高氨氮廢水主要來(lái)源于畜禽養(yǎng)殖、垃圾滲濾液、皮革廢水、焦化廢水以及化肥廠等生產(chǎn)過(guò)程[1]。高氨氮廢水未經(jīng)處理直接排放容易引起水中藻類(lèi)及其他微生物大量繁殖，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化；高氨氮廢水排入自來(lái)水廠，會(huì)導(dǎo)致水廠運(yùn)行故障而造成飲用水異味；處理高氨氮廢水過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量硝酸鹽及亞硝酸鹽，長(zhǎng)期飲用含有這類(lèi)產(chǎn)物的水會(huì)誘發(fā)高鐵血紅蛋白血癥，嚴(yán)重影響居民身體健康。

高氨氮廢水處理主要有生物法、化學(xué)法、物理法三種，其中生物法具有經(jīng)濟(jì)有效、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，是目前公認(rèn)最具發(fā)展前景的氨氮處理方法[2]。傳統(tǒng)生物脫氮處理工藝，雖然能夠有效去除氨氮，但存在碳源、溶解氧不足，有大量剩余污泥等問(wèn)題，為此，誕生了許多新型生物脫氮技術(shù)，例如短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝及厭氧氨氧化工藝等，其具有經(jīng)濟(jì)性能好、脫氮效率高等明顯優(yōu)勢(shì)，但仍然存在一定的應(yīng)用瓶頸。近20年來(lái)，好氧顆粒污泥因其致密的結(jié)構(gòu)、良好的沉降性能、耐沖擊負(fù)荷能力和多功能菌群等諸多優(yōu)勢(shì)，成為廢水生物處理領(lǐng)域的新興技術(shù)，且對(duì)高氨氮廢水具有良好的去除效果，同時(shí)降解有毒、有害物質(zhì)，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此，研究好氧顆粒污泥對(duì)高氨氮廢水的處理效果及影響因素具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

據(jù)此，本文對(duì)好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)研，探討了好氧顆粒污泥技術(shù)在處理垃圾滲濾液、化肥工業(yè)污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的研究現(xiàn)狀及處理效果，好氧顆粒污泥形成機(jī)理及主要影響因素，最后對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)處理高氨氮廢水工程應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 好氧顆粒污泥技術(shù)處理高氨氮廢水研究現(xiàn)狀

據(jù)報(bào)道，好氧顆粒污泥技術(shù)目前已經(jīng)在畜禽養(yǎng)殖廢水、化肥工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等高氨氮廢水領(lǐng)域展開(kāi)研究。研究表明，好氧顆粒污泥與傳統(tǒng)絮狀污泥相比具有良好的沉降性能、高生物量、集多種微生物于一體等特點(diǎn)，使其在處理某些高濃度有機(jī)廢水、難降解廢水、高氨氮廢水時(shí)仍能保持較好的去除效果。好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水部分示例見(jiàn)表1。

表1 好氧顆粒污泥技術(shù)處理高氨氮廢水

垃圾滲濾液主要來(lái)源于填埋場(chǎng)，具有高氨氮、低生化性、含鹽高、重金屬多等特點(diǎn)，其中高氨氮是處理過(guò)程中一大難題。目前，處理垃圾滲濾液主要以物化法和生物法為主，物化法處理高氨氮廢水，主要通過(guò)氨吹脫塔來(lái)進(jìn)行去除，同時(shí)調(diào)節(jié)pH、溫度等，這無(wú)疑增加運(yùn)營(yíng)成本。生化法，主要是在處理高氨氮廢水時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量游離氨導(dǎo)致生物活性降低，影響工藝正常運(yùn)行。好氧顆粒污泥具有高生物量、沉降性好、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，適用于處理高氨氮廢水。Wei等[5]向GSBR反應(yīng)器中接種好氧顆粒污泥處理垃圾滲濾液，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)同步硝化反硝化現(xiàn)象，且當(dāng)氨氮濃度提升至788 mg/L，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)短程硝化反硝化，大量亞硝酸鹽累積。好氧顆粒污泥由內(nèi)向外厭氧、兼氧、好氧的特殊結(jié)構(gòu)，處理高氨氮廢水過(guò)程產(chǎn)生游離氨有助于氨氧化菌的富集，促進(jìn)短程硝化反硝化工藝實(shí)現(xiàn)[8]，為處理垃圾滲濾液提供了新方向。

化肥行業(yè)生產(chǎn)排放的高氨氮廢水，主要來(lái)源于企業(yè)生產(chǎn)尿素、氨等化肥過(guò)程。蔡佳青[9]研究好氧顆粒污泥對(duì)高氨氮化肥企業(yè)廢水處理效果，顆粒污泥經(jīng)過(guò)46天的培養(yǎng)及馴化對(duì)污染物有良好去除效果，穩(wěn)定運(yùn)行期間COD、氨氮平均去除效率約94.2 %、89.8 %。劉浩[10]等同樣發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥對(duì)化肥工業(yè)廢水中COD、氨氮去除效果良好，平均去除率分別達(dá)93.5 %和89.2 %，總氮去除率維持在66.5 %以上。

作為典型高氨氮廢水-畜禽養(yǎng)殖廢水，好氧顆粒污泥對(duì)其同樣具有良好去除效果。相較于傳統(tǒng)SBR工藝，好氧顆粒污泥在去除高濃度豬場(chǎng)廢水及沼液具有潛在優(yōu)勢(shì)[11]。謝磊等[12]首先利用城市生活污水成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，再處理高濃度豬場(chǎng)廢水；在氨氮濃度穩(wěn)定在800 mg/L左右條件下，COD、氨氮去除率一直穩(wěn)定在80%以上，去除效果良好。王曉春等[13]同樣研究好氧顆粒污泥對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水處理效果，反應(yīng)器經(jīng)過(guò)35天穩(wěn)定運(yùn)行，COD、氨氮平均去除率為98.56 %、86.14 %，另外好氧顆粒污泥對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中四環(huán)素也有去除效果。

2 好氧顆粒污泥的特點(diǎn)、形成機(jī)理及影響因素

2.1 好氧顆粒污泥的特點(diǎn)

好氧顆粒污泥是活性污泥在好氧條件下通過(guò)形成高選擇壓，促進(jìn)微生物自凝聚，從而形成外觀規(guī)則、結(jié)構(gòu)緊湊、輪廓清晰的生物聚合體[14]。好氧顆粒污泥受進(jìn)水水質(zhì)和接種污泥的不同形成顆粒一般有淡黃、棕色和黃色，粒徑一般在0.20～5.00 mm之間，通常外觀呈球形或橢球形,其特殊的結(jié)構(gòu)可以形成厭氧-好氧環(huán)境，從而為不同微生物生長(zhǎng)提供場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷[15]。

2.2 好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

好氧顆粒污泥是在好氧條件下，通過(guò)高選擇壓促使微生物進(jìn)行自固定而形成的顆粒污泥，其本身是一種特殊的生物膜，其形成過(guò)程包括物理、化學(xué)及生物多種共同作用。目前國(guó)內(nèi)外研究者，通過(guò)不同手段，如高通量測(cè)序、熒光原位雜交等從不同角度探索好氧顆粒污泥的形成，提出不同的機(jī)理假說(shuō)。

2.2.1胞外多聚物(EPS)假說(shuō)

胞外聚合物(EPS)是在特定環(huán)境條件下微生物為抵抗外界條件的改變而分泌一種高粘性聚合物，其成分主要以蛋白質(zhì)、多糖、腐殖酸為主，還有部分DNA、脂肪、脂類(lèi)及一些無(wú)機(jī)物。其中蛋白質(zhì)可以改變細(xì)胞間疏水性，降低細(xì)胞表面的自由能，增強(qiáng)微生物之間粘連，從而形成結(jié)構(gòu)致密、穩(wěn)定的好氧顆粒污泥。另一主要成分多糖，主要分布在顆粒污泥內(nèi)部及菌膠團(tuán)細(xì)胞間隙，可以維持所形成顆粒污泥的完整性，與附著在顆粒表面的絲狀菌嵌合形成好氧顆粒污泥，在形成過(guò)程中起骨架作用[16]。

2.2.2微生物自凝聚假說(shuō)

自凝聚是指微生物在適當(dāng)?shù)臈l件下為應(yīng)對(duì)外界環(huán)境改變而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，改變自身特征發(fā)生凝聚，從而形成生物活性高、沉降性能好、密度大的生物聚合體，隨后慢慢進(jìn)化，最終形成好氧顆粒污泥。

2.2.3絲狀菌假說(shuō)

研究表明，當(dāng)接種污泥當(dāng)中含有絲狀菌時(shí)，會(huì)將系統(tǒng)中球菌、桿菌及小顆粒等相互連接、纏繞形成顆粒污泥。當(dāng)接種污泥中絲狀菌占優(yōu)勢(shì)時(shí)，大量細(xì)菌會(huì)以絲狀菌為載體進(jìn)行吸附性生長(zhǎng)，其相當(dāng)于骨架作用，在剪切力、沉降時(shí)間改變下，形成好氧顆粒污泥。林勇山等[17]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)向絮狀活性污泥中接種部分絲狀菌，可以在15天就培養(yǎng)出理化性能良好的好氧顆粒污泥，大大縮短顆?；瘯r(shí)間。

2.3 影響好氧顆粒污泥形成的主要因素

好氧顆粒污泥形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括物理、化學(xué)和生物共同作用。在有氧條件下，由絮狀污泥逐步向顆粒污泥轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程也受到不同因素影響，比如有機(jī)負(fù)荷及組成、水力剪切力、沉降時(shí)間、反應(yīng)器構(gòu)造及金屬離子等。

有機(jī)負(fù)荷過(guò)低，微生物生長(zhǎng)緩慢；有機(jī)負(fù)荷過(guò)高造成系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌大量繁殖，影響反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，適宜顆粒污泥形成有機(jī)負(fù)荷范圍在2.50-15 kg COD/(m3·d)。王芳等[18]研究了不同有機(jī)負(fù)荷下(1.58 kg/(m3.d)、14.12 kg/(m3.d))好氧顆粒污泥對(duì)污染物去除效果，發(fā)現(xiàn)在兩種負(fù)荷條件下顆粒污泥對(duì)污染均有良好去除效果，但高負(fù)荷下顆粒污泥的沉降性能比低負(fù)荷條件下好，且在低負(fù)荷下出現(xiàn)了污泥膨脹現(xiàn)象。因此適宜的有機(jī)負(fù)荷有利于好氧顆粒形成。

水力剪切力在顆粒形成及穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中同樣具有重要作用[19]。在序批式SBR反應(yīng)器中，水力剪切力主要來(lái)源于氣體流動(dòng)，污泥在水力剪切力作用下相互碰撞，最后形成好氧顆粒污泥。研究表明只有當(dāng)反應(yīng)器水力剪切力提高到一定水平，好氧顆粒污泥才會(huì)形成。Liu等[20]研究表明只有當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)上升流速大于1.2 cm.s-1時(shí)，顆粒污泥才會(huì)形成；隨著上升流速增加，顆粒污泥外觀越來(lái)越規(guī)則，密度、強(qiáng)度越來(lái)越，還會(huì)促進(jìn)微生物分泌大量EPS，細(xì)胞疏水性增強(qiáng)，有助于形成結(jié)構(gòu)緊密好氧顆粒污泥[21]，維持反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。

沉降時(shí)間是影響污泥顆?；闹匾蛩兀陬w粒污泥形成過(guò)程中主要是對(duì)微生物進(jìn)行篩選，將沉降性差的污泥排出反應(yīng)器，留下沉降性良好的污泥進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆?；?。Qin等[22]研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)沉降時(shí)間低于15 min時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)好氧顆粒污泥，當(dāng)沉降時(shí)間小于5 min時(shí)，顆粒污泥在反應(yīng)器當(dāng)中占據(jù)主導(dǎo)作用。同時(shí)在較短的沉降時(shí)間下，反應(yīng)器當(dāng)中的EPS含量明顯增加，微生物活性及細(xì)菌表面的疏水性明顯增強(qiáng)，顆粒化進(jìn)程也明顯加快。

3 好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水的影響因素

3.1 有機(jī)負(fù)荷的影響

有機(jī)負(fù)荷(OLR)對(duì)顆粒的形成與穩(wěn)定有一定影響，有機(jī)負(fù)荷變化會(huì)產(chǎn)生不同選擇壓，富集不同微生物菌群影響污泥的顆?；胺€(wěn)定性[23]。研究表明[24],在較低有機(jī)負(fù)荷下，好氧顆粒污泥內(nèi)部容易發(fā)生水解，導(dǎo)致顆粒污泥內(nèi)部出現(xiàn)空洞而解體，影響反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷過(guò)高時(shí)，顆粒污泥中微生物快速增長(zhǎng)，顆粒粒徑變大導(dǎo)致，顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松，穩(wěn)定性變差。王香蓮[25]在培養(yǎng)好氧顆粒污泥過(guò)程中頻繁改變氨氮濃度造成顆粒污泥穩(wěn)定性減弱，出現(xiàn)顆粒解體；當(dāng)進(jìn)水COD為2200 mg/L，氨氮濃度為240 mg/L，出水氨氮、亞硝酸鹽均檢測(cè)不出，TN去除率高達(dá)70 %，去除效果良好。

3.2 溶解氧的影響

在較低高溶解氧(DO)下由于傳質(zhì)阻力的存在會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部由于供氧不足而產(chǎn)生厭氧代謝，同時(shí)絲狀菌大量繁殖，嚴(yán)重影響顆粒污泥的穩(wěn)定性，甚至不能形成好氧顆粒污泥；適當(dāng)?shù)腄O濃度促進(jìn)顆粒污泥的形成及生長(zhǎng)，顆粒粒徑分布也比較集中；但DO過(guò)高，由于水力剪切力的作用導(dǎo)致顆粒污泥解體，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。黃國(guó)玲等[26]研究發(fā)現(xiàn)氨氮濃度從300 mg/L逐步提升至900 mg/L，pH為8，曝氣量為75 L/h時(shí)，脫氮效果最佳，氨氮去除率維持在96.7 %以上；曝氣量較低會(huì)導(dǎo)致DO不足，顆粒污泥之間相互碰撞幾率減少，曝氣量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部厭氧區(qū)的空間減少，不利于反硝化進(jìn)行。董苗苗等[27]研究發(fā)現(xiàn)污泥的沉降性能、胞外聚合物中多糖(PS)含量隨著DO的升高而增加，而胞外聚合物中蛋白質(zhì)(PN)基本不變，且在較高DO條件下部分顆粒污泥出現(xiàn)解體。

3.3 其他方面

其他因素，例如進(jìn)水C/N比、碳源種類(lèi)、排水比、選擇壓、pH、溫度、曝氣時(shí)間、絮凝劑添加方式等都會(huì)對(duì)顆粒污泥造成影響。何理[28]首先利用合成廢水在不同選擇壓下啟動(dòng)好氧顆粒污泥，得出最佳條件，后在不同排水比(73 %、66 %、50 %)下以實(shí)際畜禽養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)在較小選擇壓形成的顆粒污泥粒徑較大，且脫氮效果良好；排水比為66 %形成顆粒污泥具有較好的碳氮去除效果，而排水比50 %形成的顆粒污泥對(duì)磷去除效果較好。

4 結(jié)論與展望

好氧顆粒污泥因其良好的沉降性、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、高生物量等特點(diǎn)受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液、化肥工業(yè)廢水等高氨氮有機(jī)廢水具有良好的去除效果，且序批式反應(yīng)器相較于傳統(tǒng)工藝具有工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小等特點(diǎn)，使好氧顆粒污泥技術(shù)在處理高氨氮廢水領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價(jià)值。但由于異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)速度快，當(dāng)運(yùn)行條件(如容積負(fù)荷、曝氣量等)控制不當(dāng)時(shí),易造成顆粒污泥解體，沉降性能下降，出水水質(zhì)惡化，因此好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性成為其工業(yè)化推廣的瓶頸，這將是今后的研究重點(diǎn)。