好氧颗粒污泥的研究进展_王建龙

环境科学学报29卷1引言(Introduction)污泥颗粒化(granulation)是指废水生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下,相互聚集形成一种密度较大、体积较大、体质条件较好的微生物聚集体(王建龙,2002).微生物自身具有凝聚或附着于固体表面的特性,只要条件适当,这种现象便会自然发生.按照微生物代谢过程中电子受体的不同,颗粒污泥可分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥两类.污泥颗粒化现象最早在升流式污泥床反应器中发现,即厌氧微生物相互凝聚形成沉降性能和生物活性都十分好的颗粒污泥.随后,人们也发现了好氧处理过程中污泥颗粒化现象.颗粒污泥的研究起源于上世纪80年代.Lettinga教授等发明的升流式厌氧颗粒污泥床工艺(UpflowAnaerobicSludgeBlanket,UASB)极大地推动了对厌氧颗粒污泥的研究和应用(Lettingaetal.,1980;Hulshoffetal.,1983).厌氧颗粒污泥显示出极强的有机废水处理能力,有机负荷可高达40kg·m-3·d-1).厌氧颗粒污泥技术已经成功地应用于多种工业有机废水的处理,如制糖废水、酒精蒸馏废水、啤酒废水和淀粉废水等(Guiotetal.,1991;LettingaandHulshoffPol,1991;Fangetal.,1995;Blonskajaetal.,2003;Tiwarietal.,2006).但厌氧颗粒污泥技术也存在着很多不足.首先,厌氧颗粒污泥工艺一般需要2～8个月才能完成启动,工艺的运行一般需在30℃的中温条件下,需要较高的能耗且易受自然环境的限制(LiuandTay,2004);其次,厌氧颗粒污泥的优势在于处理高浓度有机废水,但出水COD依然较高,仍需后续处理,因此并不十分适合处理低浓度有机废水;此外,厌氧颗粒污泥工艺去除氮磷的能力有限.为了缩短污泥颗粒化的时间,加快反应器的启动,同时增强颗粒污泥的脱氮除磷能力,近年来好氧颗粒污泥的研究逐渐得到关注.综合来看,好氧颗粒污泥主要具有以下优势:(1)与厌氧颗粒污泥类似,好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能,可以有效提高反应器的污泥浓度和容积负荷;(2)颗粒污泥结构密实,可削弱有毒物质对微生物的影响,增强对一些较为敏感的细菌(如硝化菌)的保护,因而有利于提高系统的处理能力和稳定性;(3)相比于厌氧颗粒污泥,好氧颗粒污泥启动期短,可在常温下培养运行;(4)好氧颗粒污泥不仅能处理低浓度废水,如城市污水等,而且在处理高浓度有机废水时,也可达到很高的去除率,且不需后续处理;(5)好氧颗粒污泥具有较强的脱氮除磷能力.以下对好氧颗粒污泥的研究进展进行介绍.好氧颗粒污泥按照微生物所利用的碳源不同,可分为异养与自养两类.在本文中,好氧颗粒污泥一般指异养颗粒污泥,即利用有机基质培养的颗粒污泥;而硝化颗粒则是指用无机碳源培养的颗粒污泥.2好氧颗粒污泥的研究历史(Theresearchhistoryofaerobicgranularsludge)好氧污泥颗粒化的两个先决条件是适当的水力剪切作用和高浓度的溶解氧.好氧颗粒污泥的研究始于20世纪90年代初,这一阶段都是利用连续流反应器来培养好氧颗粒.基于厌氧颗粒污泥在UASB中的形成模式,Mishima和Shin等利用纯氧曝气,在好氧升流式污泥床反应器(AerobicUpflowSludgeBlanket,AUSB)中接种活性污泥,成功地培养出了好氧颗粒污泥(MishimaandNakamura,1991;Shinetal.,1992).但反应器运行条件较为苛刻,需要纯氧曝气,且污泥没有去除氮磷能力.随后,Debeer等在流化床反应器中,利用将进水在反应器外预先曝气的方法培养出了硝化颗粒污泥(Debeeretal.,1993).但反应体系的回流比高达47,溶解氧(DissolvedOxygen,DO)在反应器约1m的高度即被消耗完,其硝化能力只有0.36kg·m-3·d-1),远低于当时气升式反应器的1.81kg·m-3·d-1.Tijhuis等和vanBenthum等在运行连续流生物膜气升式悬浮反应器(BiofilmAifliftSuspension,BAS)的过程中也发现,生物膜颗粒(有载体)会分解形成硝化颗粒(Tijhuisetal.,1995;vanBenthumetal.,1996).但这些硝化颗粒需要以生物膜颗粒作为前体,且只有利用降解速度较慢的基质(如氨氮)才能形成.由于此阶段好氧颗粒培养方式的诸多局限,导致好氧颗粒污泥的应用研究,即使是在实验室范围内也受到很大限制,所以这一阶段对好氧颗粒污泥的研究报道并不多见.为好氧颗粒污泥研究发展带来革新动力的是20世纪90年代中期对污泥膨胀的研究(Adavetal.,2008).Krishna等发现,聚-β-羟基丁酸酯(p