什么是好氧顆粒污泥？
【無(wú)錫水處理設(shè)備http://m.ccdkw.cn】好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge），簡(jiǎn)稱(chēng)AGS，是通過(guò)微生物自凝聚作用形成的顆粒狀活性污泥。
與普通活性污泥相比，它具有不易發(fā)生污泥膨脹、抗沖擊能力強(qiáng)、能承受高有機(jī)負(fù)荷，集不同性質(zhì)的微生物（好氧、兼氧和厭氧微生物）于一體等特點(diǎn)，近年的研究成果表明AGS能用于處理高濃度有機(jī)廢水、高含鹽度廢水及許多工業(yè)廢水。1991年Mishima等最早發(fā)現(xiàn)了AGS，并第一次報(bào)道了利用連續(xù)流好氧上流式污泥床反應(yīng)器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培養(yǎng)出AGS。人們從這一研究成果開(kāi)始了對(duì)AGS顆粒化的研究歷程。
好氧顆粒污泥具有致密的結(jié)構(gòu)與較大的粒徑，由于氧氣傳質(zhì)限制，顆粒污泥呈現(xiàn)外部為好氧區(qū)，內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)的狀況，為好氧、兼性及厭氧微生物提供了各自適宜的生存環(huán)境，由此使得好氧顆粒污泥能夠進(jìn)行各種好氧、厭氧代謝活動(dòng)。與傳統(tǒng)活性污泥絮體相比，好氧顆粒污泥具有以下優(yōu)勢(shì)：形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)緊湊致密，沉降性能好，生物量較高，同時(shí)具備多種微生物功能，剩余污泥量較少，對(duì)生物毒素以及有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的耐受能力強(qiáng)等，已成為最有前途的廢水生物處理技術(shù)之一。
二、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(guò)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，純水設(shè)備國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于好氧顆粒污泥的形成進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，主要形成以下幾種學(xué)說(shuō)。
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(guò)程，通過(guò)各種影響力進(jìn)而形成顆粒污泥。由水力剪切力、pH等眾多因素決定顆粒最終能否形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
2、絲狀菌假說(shuō)
在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過(guò)程中，接種污泥的微生物主要以絲狀菌為優(yōu)勢(shì)菌種。反應(yīng)器中培養(yǎng)出的顆粒污泥種類(lèi)不同，絲狀菌在顆粒形成過(guò)程中所起到的作用也不同。
有研究通過(guò)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)。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。總體來(lái)說(shuō)，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(jiàn)表1。
3、細(xì)胞表面疏水性假說(shuō)
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(guò)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。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。
4、選擇壓驅(qū)動(dòng)假說(shuō)
有研究表明，通過(guò)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。純水設(shè)備縮短沉降時(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。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。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等通過(guò)逐步增加進(jìn)水氨氮濃度來(lái)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(guò)逐步改變選擇壓的方式開(kāi)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(guò)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。
5、胞外聚合物假說(shuō)
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(guò)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(zhǎng)的基因表達(dá)。
根據(jù)Y. Q. Liu等提出的假設(shè)，微生物細(xì)胞與其他微粒連接，形成顆粒化污泥的前身。EPS在好氧顆粒污泥的發(fā)育過(guò)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，純水設(shè)備如蛋白質(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。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?chē)缮⒏街?span>EPS是造粒過(guò)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。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），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）。
6、階段形成假說(shuō)
階段形成假說(shuō)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(lái)促進(jìn)顆粒化，如水動(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(lái)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(zhǎng)等過(guò)程均在此階段；
第四階段，通過(guò)水力剪切力形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)。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(guò)程。
三、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(zhǎng)短、污泥質(zhì)量如何、能否維持穩(wěn)定，受其培養(yǎng)運(yùn)行過(guò)程中多種因素的影響。通過(guò)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。
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(shuō)明，在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過(guò)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(lèi)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。
2、種泥
Z. Song等研究發(fā)現(xiàn)從啤酒廢水處理廠(chǎng)中取的污泥比城市污水處理廠(chǎng)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。不同種泥的顆粒化乃至穩(wěn)定所需時(shí)間不同，所培養(yǎng)出的顆粒污泥菌群結(jié)構(gòu)也不相同，說(shuō)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。有研究者在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過(guò)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。這為好氧顆粒污泥的培養(yǎng)提供了一個(gè)很好的選擇。
3、水力剪切力
一般來(lái)說(shuō)，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(guò)改變表面上升氣體流速來(lái)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(guò)消耗非生長(zhǎng)能量，改變細(xì)胞表面EPS的量來(lái)調(diào)節(jié)其代謝途徑，純水設(shè)備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。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)到顆粒化的水力剪切力下，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。
一般認(rèn)為，多糖（polysacides，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(guò)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(guān)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。
張志等運(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(guò)高所帶來(lái)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。
6、溫度
溫度可以顯著影響生物過(guò)程中的微生物代謝和群落結(jié)構(gòu)。A. Gonzalez-Martinez等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)正常或?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，這表明低溫環(huán)境下好氧顆粒污泥更容易培養(yǎng)。
7、細(xì)胞表面電荷
一般來(lái)說(shuō)，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(méi)有另一種機(jī)制的幫助下彼此附著。二價(jià)陽(yáng)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。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。
8、反應(yīng)器類(lèi)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(guò)多EPS會(huì)使得初始的黏附過(guò)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)。
SBR反應(yīng)器的曝氣過(guò)程導(dǎo)致了長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定顆粒化。
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(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)總周期長(zhǎng)度的25%。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。
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(lèi)型，見(jiàn)表2。
四、國(guó)內(nèi)首座好氧顆粒污泥（AGS）污水處理廠(chǎng)案例
龍游縣城南工業(yè)污水處理廠(chǎng)位于浙江省衢州市龍游縣城南工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，位于浙江省西部，金衢盆地中部。污水廠(chǎng)總占地：0.77公頃，所有用地均為已征用地，并無(wú)新增征地拆遷。一期、二期處理規(guī)模為每天4萬(wàn)立方米，工藝為：格柵旋流沉砂池+CAST(二期 AAO)+反硝化深床濾池+消毒接觸池。三期為本工程每天2萬(wàn)立方米，純水設(shè)備在節(jié)省占地、無(wú)需新增征地情況下，采用國(guó)內(nèi)首次落地投產(chǎn)的AGS好氧顆粒污泥處理技術(shù)，全部為新建，是浙江省的重點(diǎn)市政建設(shè)工程和龍游縣的重點(diǎn)民生工程，于2020年投運(yùn)，工藝為：進(jìn)水泵房+細(xì)格柵、曝氣沉砂池+調(diào)節(jié)池+好氧顆粒污泥（AGS）生物池+高效澄清池+反硝化深床濾池+消毒接觸池+退水泵房。
1、占地面積小，滿(mǎn)足不另行征地的要求
由于能達(dá)到高生物量濃度（8-15g/L）和高污泥沉降速度，所需的生物反應(yīng)器體積大大減小。此外，可以在同一反應(yīng)器中進(jìn)行污泥沉降和增強(qiáng)的生物營(yíng)養(yǎng)物去除，因此不需要二沉池和獨(dú)立的厭氧/缺氧區(qū)，這使得系統(tǒng)更加緊湊，并顯著地減少了所需的占地面積。原有生化處理設(shè)施每組占地面積 4000 平方米左右，采用 AGS 好氧顆粒污泥工藝占地面積約為 1000 平方米。
2、成功對(duì)工業(yè)廢水完成污泥顆粒培養(yǎng)及篩選
污泥顆粒培養(yǎng)：污泥顆粒篩選：
3、AGS的低碳表現(xiàn)
4、處理能力強(qiáng)
可以處理上游200多家企業(yè)復(fù)雜的混合廢水。
5、低能耗、低藥耗、生物除磷效率提高
由于所有的生物反應(yīng)和沉降過(guò)程都發(fā)生在一個(gè)反應(yīng)器中，所以需要較少的機(jī)械設(shè)備。例如污泥循環(huán)泵，混合器和移動(dòng)潷水器在 AGS 技術(shù)中是多余的。由于機(jī)械設(shè)備的這種減少，與傳統(tǒng)的 BNR 裝置（注：傳統(tǒng)脫氮除磷工藝）相比，AGS技術(shù)的總能耗顯著降低。
由于 AGS 顆粒對(duì)磷(P)的高吸收，實(shí)現(xiàn)低磷排放值所需的化學(xué)品量減少；且正常運(yùn)行時(shí)無(wú)需投加碳源；從而進(jìn)一步降低化學(xué)品和污泥處理的操作成本。
6、運(yùn)行管理
整個(gè)生化工藝實(shí)現(xiàn)高水準(zhǔn)全自動(dòng)運(yùn)行，包括用電設(shè)備運(yùn)行、藥劑的投加，生化參數(shù)與各先關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)做到了遠(yuǎn)程智慧管控，改變了對(duì)工業(yè)污水廠(chǎng)的一貫傳統(tǒng)刻板設(shè)計(jì)，并為企業(yè)節(jié)約了60%人工。純水設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備, 無(wú)錫純水設(shè)備,無(wú)錫水處理設(shè)備，無(wú)錫去離子水設(shè)備, 醫(yī)用GMP純化水設(shè)備。 半導(dǎo)體超純水設(shè)備。
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