摘 要：好氧顆粒是一種大型的生物聚集體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，可用于高效的廢水處理。通過好氧顆粒化工藝的發(fā)展、顆粒化機(jī)理、強(qiáng)化生物除磷 （enhanced biological phosphorus removal，EBPR） 系統(tǒng)中顆粒污泥形成研究、顆粒污泥菌群結(jié)構(gòu)研究和顆粒穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了新的綜述。

強(qiáng)化生物除磷 （enhanced biological phospho- rus removal，EBPR） 被認(rèn)為是一種有效的除磷工 藝，反應(yīng)條件先厭氧后好氧，利用聚磷菌的富集 生長去除水中大部分的磷[1]。EBPR 法與其他傳統(tǒng) 方法相比，是一個(gè)相對(duì)低廉和可持續(xù)的方法， 同時(shí)該工藝已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開始應(yīng)用。

目前， 大多數(shù) EBPR 工藝都是用于活性污泥法中，但是 實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到許多問題，如污泥膨脹、設(shè)備 占地面積大、能耗高和剩余污泥產(chǎn)生量多等問 題。

好氧顆粒污泥是在好氧條件下培養(yǎng)的，由系 統(tǒng)中微生物聚集形成的形狀規(guī)則的聚集體 。與 傳統(tǒng)活性污泥相比，它具有沉降快、污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)，且具有高污泥濃度， 能承受高強(qiáng)度廢水和沖擊載荷。目前已有眾多研 究致力于好氧顆粒污泥的開發(fā)利用，如用于處理 高濃度有機(jī)廢水、高鹽廢水 、印染廢水等。 此外，好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在好氧、缺 氧、厭氧三區(qū)，因此能有效去除 COD 的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)同步脫氮除磷，故在實(shí)際應(yīng)用上廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

1 好氧顆粒污泥

1.1 好氧顆粒污泥技術(shù)的發(fā)展

1991 年，好氧顆粒污泥最早由 Mishima 等[10]在好氧升流式污泥床反應(yīng)器 （AUSB） 中培養(yǎng)出 來，但 AUSB 運(yùn)行條件嚴(yán)格，需要純氧曝氣，運(yùn) 行條件和成本均較高。直到 20 世紀(jì) 90 年代中期 Morgenroth [11] 等首次采用序批式反應(yīng)器 （SBR）， 成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，為后來 SBR 培養(yǎng)好氧 顆粒污泥奠定了基礎(chǔ)，也標(biāo)志著好氧顆粒污泥技 術(shù)的誕生。

在此基礎(chǔ)上，好氧顆粒污泥的研究在 1997 年迅速展開，進(jìn)入了快速發(fā)展期，主要集中在兩個(gè)方面：宏觀上，研究污泥在顆?；^程中的形貌變化、形成機(jī)制，并優(yōu)化培養(yǎng)參數(shù)。微觀上，從微生物菌群結(jié)構(gòu)、蛋白等層面去分析顆粒化機(jī)理。

1.2 好氧顆粒污泥形成機(jī)制

好氧顆粒污泥的形成，是物理、化學(xué)、生物共同作用的結(jié)果。關(guān)于顆粒污泥的形成過程進(jìn)行了大量的研究，但仍沒有統(tǒng)一定論，目前主要有四種假說：

（1） 自凝聚假說。系統(tǒng)中的微生物在各個(gè)力（水力、靜電斥力、范德華力等） 作用下發(fā)生自凝聚，從而有活性污泥轉(zhuǎn)化成顆粒污泥。在細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)菌與細(xì)菌、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)及其三者之間均廣泛的存在這些力，使得微生物凝聚成規(guī)則的三維結(jié)構(gòu)。好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外包含的細(xì)菌多達(dá)幾百萬種，細(xì)菌之間的相互作用力也有助于促進(jìn)該過程的進(jìn)行。微生物聚合體不斷聚集變大并不斷壓縮，結(jié)構(gòu)變得緊密，最終形成結(jié)構(gòu)致密、外形規(guī)則的顆粒狀污泥。

（2） 胞外聚合物 （EPS） 假說。 EPS 是在一定環(huán)境條件下由微生物，主要是細(xì)菌，分泌于體外的一些高分子聚合物。主要成分與微生物的胞內(nèi)成分相似，是一些高分子物質(zhì)，如多糖 （PS）、蛋白質(zhì) （PN） 和核酸等聚合物。胞外聚合物假說認(rèn)為，這些胞外聚合物通過增加污泥表面疏水性和降低污泥表面電負(fù)性來促進(jìn)顆?；M(jìn)程。

（3） 選擇壓力假說。在培養(yǎng)顆粒污泥的過程中，可以通過控制沉降時(shí)間，篩選掉沉降性能較差的污泥，從而實(shí)現(xiàn)污泥的顆?；?。選擇壓力又分為物理選擇壓和生物選擇壓，物理選擇壓主要包括攪拌、曝氣、高徑比、沉淀時(shí)間、體積交換率等；生物選擇壓主要包括進(jìn)水組分、有機(jī)負(fù)荷率等。

（4） 晶核假說。反應(yīng)器中存在的固體物質(zhì)，微生物附著在上面，先是形成小顆粒，然后微生物不斷地生長繁殖，變成大顆粒。晶核一般來源于反應(yīng)器中的惰性基質(zhì)或沉淀，甚至是污泥本身。

2 顆粒穩(wěn)定性研究

長期儲(chǔ)存和運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生物活性的喪失是好氧顆粒過程在野外應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。以乙酸鈉為碳源，顆粒在有機(jī)負(fù)荷<15kg/m3d時(shí)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但在有機(jī)負(fù)荷>18kg/m3d 時(shí)失去穩(wěn)定性。有機(jī)負(fù)荷的增加可以增加顆粒大小，增強(qiáng)顆粒內(nèi)厭氧芯的生長，這些顆粒是由大量的死細(xì)胞形成的，從而導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)的崩塌。

在顆粒污泥中加入 10~50 mg/l TiO2 納米粒子，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥中的顆粒生成穩(wěn)定、致密、硝化率高的藻類細(xì)菌顆粒。作者提出，納米粒子能以較少的絲狀菌株刺激 EPS 的排泄，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的顆粒。

由于好氧顆粒污泥過程中產(chǎn)生的松散顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)的洗滌，因此，絲狀顆粒的過度生長往往被認(rèn)為是好氧顆粒污泥工藝失敗的原因。在進(jìn)水 pH 值為 4.5~8 的條件下，以乙酸或葡萄糖為碳源培養(yǎng)好氧顆粒。他們的研究首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了酸性 pH，而不是碳源 （如乙酸或葡萄糖） 控制好氧顆粒絲狀結(jié)構(gòu)。酸性pH 降低細(xì)胞內(nèi) c-diGMP 含量，提高地三花的生長速度，導(dǎo)致真菌過度生長。因此，作者提出在堿性條件下保持懸浮液能有效地抑制好氧顆粒中絲狀的過度生長。正?；呓z氨酸內(nèi)酯 （AHL）降解酶的存在降低了好氧顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。AHLs 的水解降低了蛋白質(zhì)的含量，從而降解了顆粒。

3 結(jié)語

在 EBPR 條件下，好氧顆粒污泥中能同時(shí)發(fā)生硝化、反硝化，以及除磷反應(yīng)，好氧顆粒污泥技術(shù)將會(huì)發(fā)展成為一個(gè)能有效去除 COD 并同步脫氮除磷的非常有前景的新技術(shù)。

好氧顆粒污泥可以僅通過運(yùn)行參數(shù)的相對(duì)小的范圍內(nèi)進(jìn)行，包括類型的接種量、進(jìn)料組成和有機(jī)負(fù)荷，喂養(yǎng)策略，反應(yīng)器的幾何形狀、曝氣強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、體積交換率 。然而，尚未建立全面的制粒機(jī)制，只是在理解?；绾伟l(fā)生以及如何加速該方法方面已經(jīng)取得了進(jìn)展。

好氧顆粒在長期使用和貯存過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的主要問題。近年來的研究提出了顆粒內(nèi)外化學(xué)沉淀或顆粒內(nèi)加入納米粒子以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。保持堿性環(huán)境以抑制絲狀過度生長的想法在提高顆粒操作穩(wěn)定性方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。這些新的發(fā)現(xiàn)可以被看作是在好氧顆粒過程的潛在場(chǎng)應(yīng)用方面向前邁出的一大步。