付香云,余 誠,王凱軍,馬金元,劉 敏

連續(xù)流培養(yǎng)好氧顆粒污泥研究進展

付香云,余 誠,王凱軍*,馬金元,劉 敏

(清華大學環(huán)境學院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室,北京 100084)

好氧顆粒污泥(AGS)因其沉降性能好,生物量高,抗沖擊能力強等優(yōu)點而受到青睞.相比于傳統(tǒng)的序批式反應器(SBR),連續(xù)流AGS技術(shù)具有易于操作控制以及匹配實際污水廠的大水量,連續(xù)流的優(yōu)勢,因而更具有研究價值和應用潛力.通過文獻分析和整理,歸納了連續(xù)流AGS技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),總結(jié)了連續(xù)流培養(yǎng)AGS的研究現(xiàn)狀和經(jīng)驗教訓,并對未來的研究方向進行展望,以期進一步推進連續(xù)流AGS技術(shù)的實際應用.

好氧顆粒污泥；連續(xù)流；培養(yǎng)策略；選擇壓；飽食饑餓

近年來,好氧顆粒污泥(AGS)在污水處理領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注.與傳統(tǒng)活性污泥相比,好氧顆粒污泥具有沉降性能好,生物量高,抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點,是一種極具發(fā)展前景的污水處理技術(shù).

1997年,Morgenroth等[1]使用序批式反應器(SBR)成功培養(yǎng)出AGS,之后幾乎所有研究都局限于SBR[2].2021年6月10日,在Web of ScienceTM數(shù)據(jù)庫中檢索“aerobic granular sludge”,得到相關(guān)文獻近4020篇,其中95%以上是在SBR中開展.SBR被認為是促進顆粒污泥化的理想反應器,其沉淀時間短,間歇進水改善污泥沉降性,營造飽食期和饑餓期,為污泥顆?；峁┝己脳l件[3].因此,目前序批式AGS技術(shù)被廣泛研究乃至實際應用.推廣較好的Nereda?已經(jīng)被應用于荷蘭,葡萄牙等國的40余座污水處理廠[4-5].然而,Nereda?的充排時間短,對泵送系統(tǒng)的要求較高,適用于水量較小的污水處理系統(tǒng).而現(xiàn)階段普遍是大規(guī)模污水處理,且大多數(shù)為連續(xù)流系統(tǒng),相較于將現(xiàn)有連續(xù)流水處理流程改造為SBR,在現(xiàn)有的連續(xù)流基礎(chǔ)設(shè)施中培養(yǎng)AGS能顯著節(jié)省改造成本,更具有研究價值和應用潛力.此外,連續(xù)流運行方式的工藝操作和控制均優(yōu)于SBR,其運行和維護更方便.因此,近年來,針對連續(xù)流反應器(CFR)中的AGS研究呈上升趨勢.

連續(xù)流AGS研究在形成條件,工藝運行控制等方面取得了一些進展,但仍在顆?；伴L期穩(wěn)定運行方面面臨挑戰(zhàn)[6-7].因此,本文詳細總結(jié)了AGS的培養(yǎng)理論,梳理了連續(xù)流AGS的研究現(xiàn)狀,分析了連續(xù)流AGS發(fā)展過程中的經(jīng)驗和教訓,最后對研究方向進行展望,以期為連續(xù)流AGS的研究和推廣應用提供支撐.

1 AGS的培養(yǎng)理論

1.1 AGS的形成機理

Beun等[8]提出絲狀菌起到固定化聚集生長的框架作用.微生物附著于框架并不斷生長,顆粒表面的絲狀菌在剪切力作用下脫落,顆粒變得更加密實.粒徑過大的顆粒由于內(nèi)部氧的限制而發(fā)生溶解,顆粒碎片沉降下來并保留在反應器內(nèi)繼續(xù)生成顆粒污泥.但是,對AGS的微觀觀察并不總能發(fā)現(xiàn)絲狀菌,AGS內(nèi)的微生物主要是桿菌或球菌.Peng等[9]認為胞外聚合物(EPS)在顆?；^程中發(fā)揮重要作用.首先是一些微小個體附著生長,然后細菌由于EPS的黏結(jié)作用被固定,形成微小顆粒的絮體,最后是大量微生物在EPS的作用下形成顆粒污泥.然而,并沒有證據(jù)表明EPS是好氧顆?；臎Q定因素,大量的試驗結(jié)果只是表明EPS有促進作用.Hulshoff Pol發(fā)現(xiàn)幾乎在所有實驗中,污泥總量方面表現(xiàn)出非常相似的沖洗淘汰現(xiàn)象:隨著有機負荷逐步提高,系統(tǒng)內(nèi)污泥量減少,污泥流失;隨著顆粒污泥的形成,系統(tǒng)內(nèi)的污泥量逐漸恢復[10].由此提出了選擇壓理論,即顆?；^程的本質(zhì)是污泥顆粒的連續(xù)選擇過程.Beun等[11]認為首先是細小顆粒污泥,絲狀菌和污泥絮體在反應器內(nèi)混合生長,增加水力選擇壓以保證顆粒污泥不被懸浮污泥淘汰,在沉淀過程中沉速大的顆粒污泥沉淀下來,而絲狀菌和污泥絮體被排出反應器;被截留的AGS在后續(xù)水力剪切力作用下不斷生長成熟.

1.2 AGS顆粒化的影響因素

截止目前,關(guān)于AGS顆?；绊懸蛩氐难芯恐饕赟BR中進行,了解SBR中顆?；挠绊懸蛩貙斫膺B續(xù)流AGS技術(shù)非常必要.SBR中被廣泛討論的影響因素有:基于沉降速度的選擇壓,周期性的飽食-饑餓循環(huán),曝氣引起的剪切力作用,基質(zhì)組成和有機負荷等.

基于沉淀速度的選擇壓是SBR中污泥顆?；臎Q定因素[12].顆粒污泥的沉淀速度大于絮狀污泥,通過逐漸縮短沉淀時間,選擇沉淀性能好的聚集體,淘汰沉降性能差的絮狀污泥.有研究報道,在沉淀時間為30min的SBR中沒有形成AGS[13],而實際生產(chǎn)中,Nereda?工藝在沉淀時間為30min的情況下也實現(xiàn)了污泥顆?；痆5].這可能是由于Nereda?是一種特殊的深槽工藝,有更大的沉淀高度,允許更長的沉淀時間[7].除了選擇出沉降性能較好的污泥外,利用沉速選擇壓還促進EPS的產(chǎn)生,提高細胞表面疏水性[14].

飽食-饑餓交替循環(huán)是污泥顆?；^程的重要因素.SBR的周期運行開始于營養(yǎng)物充足的飽食期,結(jié)束于營養(yǎng)物質(zhì)受到限制的饑餓期.在底部進水且有一定高度的反應器中(如Nereda?工藝[5]),飽食-饑餓還表現(xiàn)為從進水到出水方向的基質(zhì)濃度梯度.飽食-饑餓交替可以誘導EPS分泌,增強微生物細胞表面的疏水性,從而促進細胞形成聚集體[15-16].值得關(guān)注的是,即使由SBR提供了飽食-饑餓交替,如果沉淀時間很長(如30min),也不會形成AGS[13],這說明了沉淀速度選擇壓的必要性.

水力剪切力對AGS形成和結(jié)構(gòu)有重要影響[8,17]. Tay等設(shè)計4個SBR的氣速從0.3cm/s到3.6cm/s變化,高氣速的反應器在第11d有顆粒污泥產(chǎn)生,而低氣速的反應器內(nèi)沒有觀察到顆粒污泥產(chǎn)生[8].因此,剪切力對AGS形成有重要作用.大高徑比升流式反應器的結(jié)構(gòu)形式所造成的水力條件有利于顆?；痆18],提供的水力剪切力將好氧顆粒剪切成規(guī)則的球形[13].同時,高的水力剪切力有助于去除堆積在顆粒表面的快速生長的絲狀菌[6,19],對形成更規(guī)則,更密實的顆粒污泥有利.剪切力也被證明可以誘導EPS的分泌[20],增強細胞表面的疏水性[14].

基質(zhì)類型影響顆粒化進程和顆粒性質(zhì).進水中不溶性顆粒有機物占主導時,好氧顆?；艿揭种芠21],延長厭氧時間有利于顆粒物的水解和有機基質(zhì)的利用[21-22].除了影響顆粒化進程,基質(zhì)類型還會影響顆粒污泥的性質(zhì).不同類型的基質(zhì)中均培養(yǎng)出了AGS,已經(jīng)公認醋酸鹽會促進密集聚集體的形成[23],而葡萄糖和其他易降解COD則會導致絲狀菌過度生長而不利于顆?；痆24].Beun等[8]的研究則表明使用足夠高的水力剪切力和較大的溶解氧濃度,可以在易降解COD基質(zhì)中實現(xiàn)顆?；?Pronk 等表明,易降解COD在厭氧階段被緩慢生長細菌轉(zhuǎn)化,是使用易降解COD培養(yǎng)AGS的必要條件[25].

有機負荷(OLR)[26]和溶解氧(DO)也有不同程度的影響.好氧顆粒化可以在較寬的OLR范圍內(nèi)(2.5～15gCOD/(L·d))實現(xiàn)[14].OLR影響顆?；臅r間及顆粒結(jié)構(gòu),較高OLR會更快形成大而疏松的顆粒,較低OLR會較慢形成小而致密的顆粒[14,27].DO在0.7～6.0mg/L均有成功顆?；慕?jīng)驗[13].低DO環(huán)境會形成厭氧核心[14],DO為1～2mg/L時,DO在污泥顆粒內(nèi)的擴散深度約為100μm,粒徑更大的顆粒內(nèi)部將進入?yún)捬鯛顟B(tài).短期內(nèi)(如數(shù)周),厭氧狀態(tài)并不影響顆粒污泥的強度和穩(wěn)定性[1].但是,隨著運行時間的延長,AGS的活性和結(jié)構(gòu)會發(fā)生退化.Morgenroth等厭氧實驗至130d后,COD去除效率從87%降低到56%.同時,顆粒污泥含量減少,開始形成絮狀污泥[1].同樣,在Mosquera-Corral等[28]的研究中,當氧飽和濃度被降低到40%時,顆粒密度降低甚至崩解.

AGS形成的過程很復雜,是以上因素甚至更多因素共同作用的結(jié)果.截止到目前為止,盡管在這方面開展了大量研究,也仍不明確AGS形成的具體機制.

2 連續(xù)流AGS的研究現(xiàn)狀

SBR中好氧顆粒化經(jīng)驗非常豐富,但其復雜的排序批量操作模式和高昂的工程改造成本阻礙了顆粒污泥技術(shù)的實際應用,因此,實現(xiàn)AGS在連續(xù)流條件下穩(wěn)定運行具有研究和應用價值.但CFR與SBR培養(yǎng)條件迥異,連續(xù)流AGS技術(shù)面臨以下3方面的挑戰(zhàn):

第一,應用沉淀速度選擇壓的難度大.SBR中控制沉淀時間選擇性地保留沉降性能好的污泥,是污泥顆?；尿?qū)動力.然而,CFR沒有單獨的沉淀階段,即使在CFR中設(shè)計類似于SBR的沉淀時間,由于連續(xù)的水流干擾,顆粒也很難沉淀,仍需要額外的污泥篩選措施[29].最有效的辦法是設(shè)計一種連續(xù)分離快速沉降污泥的方式.已有的眾多設(shè)計,結(jié)構(gòu)復雜,策略繁瑣,無法在實踐中實現(xiàn)[30-32].設(shè)計基于沉淀速度的高效選擇方法是目前的主要難點.第二,難以創(chuàng)造飽食-饑餓循環(huán).CFR中底物濃度通常很低[33],絮狀污泥和絲狀菌在低基質(zhì)濃度下的競爭力大于顆粒污泥,在反應器中占主導地位[30-31].向CFR接種成熟顆粒污泥時,低基質(zhì)濃度限制基質(zhì)擴散進入顆粒核心,顆粒發(fā)展成疏松結(jié)構(gòu),甚至崩塌[29,34].第三,顆粒污泥回流造成顆粒破壞.SBR的污泥始終被截留在同一個反應器中,不涉及污泥回流.部分CFR研究設(shè)計了外部沉淀池截留AGS,需要將沉淀區(qū)的顆粒污泥回流到反應區(qū).顆粒污泥在回流泵送過程中可能被破壞,顯著影響連續(xù)流系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

一些研究克服上述困難,也測試了其他創(chuàng)造性辦法,成功在連續(xù)流條件下培育出顆粒污泥.顆粒化的產(chǎn)物可分為3種類型:厭氧氨氧化AGS,絲狀AGS和常規(guī)AGS[7].厭氧氨氧化AGS被用于部分硝化-厭氧氨氧化(PN/A)過程[35].絲狀AGS是由于絲狀菌和微生物的碰撞,纏繞而形成,不需要基于沉淀速度的選擇壓,所以沉淀性能差.例如,Chen等[36]人的研究中,生成的顆粒污泥SVI超過100mL/g.常規(guī)AGS是廢水處理中最常見的,其形成依賴于應用的選擇壓力,具有沉淀速度快,結(jié)構(gòu)緊湊,形狀清晰等優(yōu)點,本文將重點介紹常規(guī)AGS的連續(xù)流顆?；晒?包括上述三大難點的對策和其他因素對連續(xù)流顆粒化進程的影響.

2.1 連續(xù)流顆?；倪x擇壓

通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn),選擇壓仍然是連續(xù)流好氧顆?；谋匾獥l件.連續(xù)流中的選擇壓存在兩種形式:沉淀速度選擇壓和顆粒粒徑選擇壓(表1).不同研究的設(shè)計思路不同,應用選擇壓的實驗設(shè)計也千差萬別.

2.1.1 沉降速度選擇壓 連續(xù)流中沉淀速度選擇壓可借助于內(nèi)部分離器(區(qū))或外部分離器.內(nèi)部分離器通過設(shè)計巧妙的隔板實現(xiàn).Xin[37-39]等(圖1a),沈耀良等[40-41]應用隔板將反應器的曝氣區(qū)和沉降區(qū)分開,減少曝氣對顆粒沉降的干擾,使顆粒污泥被截留.Liu等[31]設(shè)計了一種內(nèi)循環(huán)氣升式反應器,底部為氣提式反應器(ALR),上部為鼓泡塔(圖1b),優(yōu)點在于下部隔板強化液體循環(huán),將顆粒污泥滯留在反應器下方.內(nèi)部分離的另一個例子是三相分離器(圖1c)[30,42-44],其設(shè)計來源于UASB.連續(xù)流出流時顆粒污泥被三相分離器阻擋,流向反應器的側(cè)面,實現(xiàn)污泥的篩選.Zhou等[34]用帶三相分離器的連續(xù)流ALR培養(yǎng)12d實現(xiàn)顆粒化,但在實驗第35d發(fā)生了污泥膨脹.除內(nèi)部分離器以外,有研究在氧化溝中設(shè)計內(nèi)部沉淀區(qū)實現(xiàn)污泥顆?；?Xu等[45]設(shè)計了帶沉淀區(qū)的氧化溝,實現(xiàn)了生活污水的顆粒化.Li[32]等在氧化溝中通過可調(diào)節(jié)的擋板控制沉降時間,并設(shè)計斜板便于顆粒污泥沉降.120d后培養(yǎng)出平均粒徑0.6mm,沉降性能優(yōu)異(SVI=44mL/g)的顆粒污泥.

除上述內(nèi)部分離器(區(qū)),外部分離器也被用于選擇顆粒沉淀速度.Long[46-47]等人引入斜管及帶垂直擋板的沉淀池(圖2a),混合污泥在斜管內(nèi)上升的過程中即起到一定的污泥截留作用,沉淀池進一步篩選截留污泥并回流到反應器中.Li等[29]采用多個出水口的外部沉淀池(圖2b),通過減小沉淀高度逐漸縮短沉淀時間,進而淘汰沉淀速度低的污泥.

有研究團隊報道,連續(xù)流好氧顆?；?qū)動力是剪切力,而不需要基于沉淀速度的選擇壓力[48].然而,該團隊系列的研究是在帶三相分離器的氣提式反應器中完成,三相分離器本身就提供了一種基于沉淀速度的選擇機制,因此,認為驅(qū)動力是水力剪切力這一論斷不具有說服力.

圖1 利用沉淀速度選擇壓的內(nèi)部分離器

圖2 利用沉淀速度選擇壓的外部分離器

2.1.2 顆粒粒徑選擇壓 基于顆粒粒徑的選擇壓是利用篩網(wǎng)對顆粒進行篩分,顆粒大的污泥被截留,粒徑較小的污泥或絮狀污泥則隨水流走.Liu等[49]運行了3個反應器:利用沉速選擇壓的SBR,利用顆粒粒徑選擇壓的CFR1(圖3),同時利用沉速選擇壓和顆粒粒徑選擇壓的CFR2.結(jié)果顯示,相比于SBR, CFR更快地達到穩(wěn)定的顆粒化程度,并且顆粒較大,但顆粒的沉降性能稍差.這一篩分策略的優(yōu)勢在于,大顆粒將占主導地位,塌陷的死亡細胞會被排出系統(tǒng),但沉降性能差的大顆粒污泥也會被截留.

圖3 基于顆粒粒徑選擇壓的連續(xù)流反應器[49]

表1 應用選擇壓的連續(xù)流AGS研究

續(xù)表1

表1注:*該連續(xù)流AGS研究應用基于顆粒粒徑的選擇壓,表1中其他文獻均應用基于沉淀速度的選擇壓;Ⅰ曝氣區(qū)1.7L,沉淀區(qū)0.6L;Ⅱ底物濃度過低使菌膠團生長受到抑制,絲狀菌大量繁殖,導致污泥膨脹,最終污泥大量流失,顆粒污泥破碎,裝置未能長期穩(wěn)定運行;ⅢCSTR容積18L,沉淀池容積4.5L;Ⅳ 20d后將SBR絮凝污泥接種到連續(xù)流中;Ⅴ活性污泥和剩余污泥制成的微粉,于第32～72d加入;Ⅵ厭氧區(qū)水力停留時間2.4h,好氧區(qū)水力停留時間3.6h;Ⅶ SBR有效容積6L,MBR有效容積9L;Ⅷ好氧區(qū)有效容積20L,沉淀區(qū)有效容積2L,厭氧區(qū)有效容積12L;Ⅸ好氧區(qū)DO=5mg/L,缺氧區(qū)DO<0.15mg/L;Ⅹ好氧區(qū)DO=5mg/L,厭氧區(qū)DO<0.05mg/L.

2.2 創(chuàng)造飽食-饑餓條件

小試規(guī)模的連續(xù)流顆?；瘜嶒炛?創(chuàng)造飽食-饑餓交替并不常見,部分體量較大的研究有意地創(chuàng)造該條件(表2).Li等[56]使用了逆流折流板反應器(有效體積120L),進水端底物豐盛,經(jīng)過反應器的長流道,COD和其他營養(yǎng)物質(zhì)被消耗,在出水端為饑餓區(qū).在一個總周期為4h的試驗中,2h為正向流動,2h為反向流動,實現(xiàn)飽食和饑餓的循環(huán).利用城市污水在21d內(nèi)形成了AGS,并穩(wěn)定至實驗開始后的135d. Long等[46]也采用了類似的正反循環(huán)創(chuàng)造飽食-饑餓條件.有效體積為24.2L的連續(xù)流反應器被等分為兩部分(圖2a, R1和R2),循環(huán)時間為4h,前2h,R1進水R2出水,后2h,R2進水R1出水,以此實現(xiàn)兩個反應器內(nèi)的飽食-饑餓循環(huán).實驗結(jié)果表明,有機負荷為15gCOD/(L·d)時,接種的成熟AGS在CFR中穩(wěn)定了65d[46].

Corsino等[57]通過間歇進水創(chuàng)造飽食-饑餓的條件,并觀察接種的成熟AGS的變化.無間歇進水時,AGS迅速失去結(jié)構(gòu)完整性,形成松散蓬松的微生物聚集體.間歇進水的條件下,顆粒沒有破裂,但由于缺少水力選擇壓,新的顆粒也沒有形成.Li等[58]通過動態(tài)進水策略為連續(xù)流創(chuàng)造飽食-饑餓條件.在該研究中,試驗被分為4個階段,4個階段的“動態(tài)”體現(xiàn)在峰流量和正常流量,以及各自持續(xù)時間的不同.通過上述動態(tài)進水策略和曝氣控制,在連續(xù)流反應器中利用生活污水培養(yǎng)出結(jié)構(gòu)緊湊,粒徑穩(wěn)定的AGS. Sun等[59-61]將多個全混式反應器串聯(lián)近似為活塞流反應器(PFR,總體積128L,圖4),實現(xiàn)PFR前端飽食區(qū),后端饑餓區(qū).PFR運行90d后達到了持續(xù)好氧顆?；姆€(wěn)定狀態(tài).這些研究為解決連續(xù)流創(chuàng)造飽食-饑餓條件提供了參考.

圖4 推流式反應器中創(chuàng)造前端飽食,后端饑餓條件[59]

表2 應用飽食饑餓的連續(xù)流AGS研究

注:Ⅰ缺氧段DO:0.6～1.8mg/L,好氧段DO:1.8～3.2mg/L;Ⅱ運行94d后粒徑達到2～4mm;Ⅲ由4個相同的反應器組成,每個反應器有效容積6.16L;Ⅳ 12.4 / 4.1 / 2.1分別為各串聯(lián)反應器(4室 / 6室 / 8室)中顆粒粒徑(單位: mm);Ⅴ固體滯留時間(SRT)根據(jù)PFR中的出水TSS和平均MLSS估計.

2.3 顆粒污泥回流系統(tǒng)

利用外部分離器的CFR(如圖2)需將沉淀區(qū)的顆粒污泥回流到反應區(qū),但是回流設(shè)備可能破壞回流聚集體[32,56].Li等[29]使用蠕動泵進行污泥回流,然而有研究表明,蠕動泵工作過程中會碾壓破壞預成型的顆粒[59].Li[32]在氧化溝內(nèi)安裝了無回流污泥泵的內(nèi)濾池,不使用回流泵,有效保證AGS的完整.Zou等[52]采用了氣提式污泥回流系統(tǒng)(空氣流量0.1m3/h),Sun等[59-61]也利用一種空氣驅(qū)動的污泥回流方式,將污泥回流到反應器前端,沒有造成顆粒結(jié)構(gòu)破壞.

2.4 水力剪切力

水力剪切力對連續(xù)流顆粒化的重要性存在一些爭議.Zhou等[48]通過熒光標記觀察了氣提式反應器中顆?；膭討B(tài)過程,并得出顆粒形成是由于水力剪切力造成生物質(zhì)不斷分離,碰撞和聚集,分離的部分發(fā)展成顆粒核心,并認為剪切力作用于顆粒形態(tài),最終形成致密,光滑成熟的顆粒.Chen等認為水力剪切力造成生物質(zhì)碰撞,纏繞,是顆?；闹饕?qū)動力[36],可是最終形成的顆粒卻不是常規(guī)的AGS.邱光磊等[63]認為膜分離區(qū)相對較強的水力剪切力是MBR中污泥顆?；闹饕?qū)動力.Zhou等[48]也認為剪切力是連續(xù)流好氧顆粒化的驅(qū)動力,但該結(jié)論的得出忽略了三相分離器提供的沉速選擇壓.另有研究提出,只要有足夠的剪切力和絲狀菌存在,AGS就有可能形成,但該研究設(shè)置了沉淀池對沉淀速度進行選擇[50].所以水力剪切力的作用是否大于選擇壓還有待商榷.

不可否認的是水力剪切力對連續(xù)流AGS的特性(顆粒大小,強度)有顯著影響.Sajjad等[64]研究表明,同等有機負荷的SBR中顆粒尺寸為0.8mm,而MBR中顆粒尺寸只達到0.2mm,分析了可能的原因:一方面連續(xù)流系統(tǒng)基質(zhì)濃度較低,另一方面MBR中恒定曝氣提供了較大的剪切力.Lee等通過超聲波法測定,連續(xù)流條件下培養(yǎng)的顆粒比從SBR反應器中接種的顆粒具有更高的強度[65].

2.5 生物強化

表3 應用水力剪切力或生物強化的連續(xù)流AGS研究

注:Ⅰ先以SBR啟動形成顆粒,再連續(xù)流運行;Ⅱ穩(wěn)定運行55d后由于DO減少,顆粒塌陷;Ⅲ反應區(qū)容積1.5L,沉淀區(qū)容積0.3L;*表1 中參考文獻[31][53]等,表2中文獻[46][53]等也應用了接種成熟的AGS的策略,此表未列出

生物強化指人為地投加成熟AGS或特殊工程菌等強化污泥顆?；?這在現(xiàn)階段的連續(xù)流研究中較常見(表1,表3).接種成熟AGS以便于CFR快速啟動是常用的策略.通常是在實驗開始時一次性接種[29,31],如梁東博等[53]在連續(xù)流反應器中接種成熟AGS,并在不同溫度下控制DO和NH4+-N比值實現(xiàn)連續(xù)流AGS短程硝化.李冬等[55]接種AGS后,在獨立的缺氧池和好氧池組成的缺氧/好氧交替連續(xù)流系統(tǒng)中,探究曝氣強度和HRT[54],混合液回流比和有機負荷對連續(xù)流系統(tǒng)的影響.實驗期間整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行,AGS形態(tài)完整,沉降性能良好.一次性接種的方法在小試規(guī)模的實驗中很容易實現(xiàn),但卻難以應用于中試或是實際生產(chǎn),AGS接種至連續(xù)流系統(tǒng)后顆粒解體也被多次報道[51].Sajjad等[64]使用了一種連續(xù)的接種技術(shù),即培養(yǎng)顆粒污泥的SBR與MBR并行運行,成熟的AGS被連續(xù)地接種到MBR,實現(xiàn)AGS工藝的快速啟動,連續(xù)運行.接種特殊工程菌是另一種策略.Xin等[37]將反硝化菌TN-14接種到CFR中,使AGS在40d內(nèi)快速形成.Wan等[66]在SBR培養(yǎng)的顆粒中接種了某種假黃單胞菌(),該菌在顆粒中富集,提高顆粒在連續(xù)流中的穩(wěn)定性.除此以外,有研究使用無機載體(如活性炭)強化連續(xù)流顆?；痆67-68],但筆者認為生成的顆粒更接近于生物膜,而不滿足AGS“自凝聚”的定義.

2.6 其他因素

溫度對連續(xù)流AGS的影響體現(xiàn)在好氧顆?；皖w粒性能兩方面.已有研究溫度多控制在20～30℃[29-31,49],Reino等[69]在10℃下成功實現(xiàn)好氧顆?；?并且發(fā)現(xiàn)耐冷細菌產(chǎn)生的EPS能增強顆粒的穩(wěn)定性,使其適應低溫環(huán)境,但是低溫下AGS的微生物多樣性會減少.溫度對顆粒性能的影響顯著,Lee等將溫度從28℃降至10℃時,觀察到COD去除率從85%左右降低至26%[65].

污泥齡(SRT)和水力停留時間(HRT)是重要的參數(shù)[7].連續(xù)流好氧顆?；膶嶒炛?通常不會控制SRT(表1-3),但過長的SRT會引起絲狀菌過度生長,使顆粒的沉降性下降[70].HRT對連續(xù)流AGS系統(tǒng)的影響更明顯.連續(xù)流的HRT應盡量短,以保證沖洗淘汰絮狀污泥并提升處理效率,但HRT過小會造成污泥流失,系統(tǒng)失穩(wěn).HRT還可能影響顆粒的性質(zhì),例如Qian[71]的研究中,HRT從2.0h降低至0.9h時,AGS的密實度提高,粒徑增大(0.9mm增大至1.2mm).

連續(xù)流顆?；挠袡C負荷率(OLR)范圍大多在0.1～4.8gCOD/(L·d).在較高的OLR下,AGS也能夠保持較好的穩(wěn)定性,例如Chen等[72]逐漸升高OLR至31.3kgCOD/(m3·d),獲得較好的COD去除效果(>90%),但進一步升高OLR至39kgCOD/(m3·d)時, COD去除率明顯降低(<50%).龍焙等[47]將OLR從4.8kgCOD/(m3·d)逐漸增大至18kgCOD/(m3·d)后, AGS逐漸解體,各項理化特性在10d內(nèi)迅速惡化,并最終導致系統(tǒng)崩潰.原因可能是,過高的OLR使得顆粒核心發(fā)展成死細胞甚至引起顆粒坍塌.

3 存在的問題與展望

為滿足AGS實際應用的需求,連續(xù)流好氧顆粒化技術(shù)得到持續(xù)發(fā)展,現(xiàn)有研究存在局限性:(1)接種成熟AGS并研究其在CFR系統(tǒng)中穩(wěn)定性的研究較多,而專注于CFR系統(tǒng)中原位培養(yǎng)AGS的研究相對欠缺;(2)研究多在實驗室規(guī)模開展,向?qū)嶋H生活污水的過渡仍然缺乏.大多數(shù)實驗研究采用模擬廢水,且多在相對恒定的溫度下進行,但實際污水廠進水水質(zhì),水量及溫度都隨季節(jié)波動,連續(xù)流AGS系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性也缺乏論證;(3)與SBR情況相似,大高徑比柱式反應器被大量使用,而這種類型的反應器在國內(nèi)主流的污水處理廠中很少使用.現(xiàn)有的污水廠處理設(shè)施能否通過工程改造,應用連續(xù)流顆?；募夹g(shù),仍需探索.

基于現(xiàn)有研究的局限性,今后連續(xù)流AGS技術(shù)的發(fā)展方向應注重以下方面:(1)以實際生活污水為基質(zhì),在接種活性污泥的基礎(chǔ)上實現(xiàn)連續(xù)流顆?；?仍然有很多不明確的地方,歸根到底是缺乏對AGS的顆?；瘷C理的研究.(2)連續(xù)流AGS的長期穩(wěn)定運行問題.已有研究的運行時間有較大的差異,有連續(xù)流AGS穩(wěn)定運行達390d[73],而有的只維持了十幾天.大部分研究的實驗在顆粒形成后的60d內(nèi)結(jié)束,缺乏連續(xù)流AGS長期穩(wěn)定性的研究.是否能結(jié)合1年中的水溫水質(zhì)變化,調(diào)整培養(yǎng)策略,以實現(xiàn)連續(xù)流AGS的長期穩(wěn)定性是潛在的研究方向.(3)如何促進連續(xù)流AGS的實際應用. 大多數(shù)實際污水處理廠均以連續(xù)流方式運行,因此連續(xù)流AGS的實際應用意義重大.要實現(xiàn)這種生產(chǎn)性應用,其一,要實現(xiàn)實際流態(tài)下的飽食-饑餓交替的基質(zhì)條件.已經(jīng)有一些研究提出了可行的辦法,仍需要更多的研究在實際生產(chǎn)中模擬重現(xiàn).其二,是選擇壓力的應用.本文中涉及的大部分文獻是在小試規(guī)模,且主要在柱式反應器中應用選擇壓力,這些經(jīng)驗如何應用到實際的污水處理反應器還需要進一步探討.

4 結(jié)論

對連續(xù)流AGS認識和應用已有重大進展,基于沉淀速度/顆粒粒徑的選擇壓力是連續(xù)流顆?；闹饕?qū)動力,飽食-饑餓交替的基質(zhì)條件發(fā)揮重要作用.其他因素,例如水力剪切力,菌種投加,有機負荷等,共同作用于顆粒化過程,影響顆粒污泥的性能.成功顆?；难芯繋缀醵紙蟮懒薃GS良好的性能,實際生活污水中也成功馴化出AGS,展示了連續(xù)流AGS技術(shù)的潛力.但目前為止,盡管開展了大量研究,序批式和連續(xù)流研究中的顆?；瘷C理都不明確,長期穩(wěn)定運行方面仍面臨挑戰(zhàn),生產(chǎn)規(guī)模的應用也需要進一步推進.

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FU Xiang-yun, YU Cheng, WANG Kai-jun*, MA Jin-yuan, LIU Min

(State Key Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control , School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2022,42(4)：1726～1736

Aerobic granular sludge (AGS) has attracted much attention for its excellent settleability, high biomass concentration and outstanding performance in resisting shock loading. Compared with traditional sequencing batch reactor (SBR), continuous flow reactor (CFR) has the advantages of easy control, moreover, matching the scale and continuous flow mode of most actual sewage plants. Therefore, continuous flow aerobic granulation technology is more feasible for widespread and application. Through literature analysis and organization, the challenges of continuous flow AGS technology was summarized. In order to further promote the practical application of continuous flow AGS technology, this work provided the current advances on continuous flow AGS cultivation, combed the experiences and lessons and finally proposed the future research directions.

aerobic granular sludge；continuous flow；training strategy；selection pressure；feast and famine

X703

A

1000-6923(2022)04-1726-11

付香云(1998-),女,四川成都人,碩士研究生,研究方向為廢水生物處理技術(shù).發(fā)表論文2篇.

2021-09-16

國家科技重大專項(2018ZX07105004,2017ZX07102-003)

*責任作者, 教授, wkj@tsinghua.edu.cn