好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展

北极星环保网讯:摘 要   好氧颗粒污泥是微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊的生物聚集体，具有结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强、多功能微生物分区定殖等特点，其在废水强化脱氮除磷与难降解有机物去除方面具有明显的技术优势.  针对目前工业和养殖废水及城镇生活污水等碳氮比低、处理出水总氮达标压力大等突出问题，综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺，介绍其脱氮机制及技术优势，阐明不同好氧颗粒污泥脱氮工艺的特点与颗粒污泥特性，同时总结各种工艺的启动条件及富集相应功能菌的好氧颗粒污泥的形成因素，评估不同工艺应用于实际废水生物处理的可行性.  在此基础上进一步分析进水基质组成(不同碳氮比)、运行模式(连续曝气和间歇曝气)、运行条件(溶解氧浓度、温度和pH)等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮性能与稳定运行的影响.  最后提出应进一步优化好氧颗粒污泥强化脱氮工艺的运行参数，解析好氧颗粒污泥微生物菌群功能，揭示好氧颗粒污泥形成与结构稳定的微生物学机理.

关键词 好氧颗粒污泥;脱氮工艺;影响因素;强化机制;废水生物处理

随着社会与工业发展对氮素需求量的急剧增加，大量含氮化合物随工业废水、养殖废水、生活污水、农业径流等进入河流、湖库、海洋，造成环境水体水质恶化和水体富营养化，严重影响水生生态环境和人畜饮水安全[1-2].  目前，污水处理厂普遍采用缺氧-好氧法(Anoxic/Oxic，A/O)、厌氧-缺氧-好氧法(Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2/O)、氧化沟及序批式活性污泥法(Sequencing  batch reactor activated sludge  process，SBR)等脱氮工艺，上述工艺在进水高氨氮条件下极易发生硝化抑制[3-4]、亚硝酸盐积累[5-6]等问题，加上硝化反硝化微生物生长极其缓慢、出水总氮标准日益提高，强化生物脱氮新工艺研发迫在眉睫.

目前，生物脱氮 新技 术主要有短程硝化反硝化 工艺(Single reactor for high activity ammonia removal over  nitrite，SHARON)、厌氧氨氧化工艺(Anaerobic ammonium oxidation，ANA  MMOX)、限氧自养型硝化反硝化工艺(Oxygen limited autotrophic nitrification denitrification， O L  A N D)以及同步硝化反硝化 工艺(S i m u l t a n e o u snitrification denitrification，SND)，其虽较传统生物脱氮工艺具有经济性能好、脱氮效率高等明显优势，但仍存在一定的应用瓶颈.

SHARON中长久稳定地维持NO2-积累的途径还有待探索;ANAMMOX启动较慢，厌氧氨氧化菌(Anammox，AMX)对水质条件敏感;OLAND面临的严峻挑战是自养型亚硝酸细菌的活性较低;SND由于生物絮体微缺氧区的形成往往不稳定，难保证出水水质稳定达标.

近 20年来，好氧颗粒污泥因其致密的结构、良好的沉降性能、耐冲击负荷能力和多功能菌群成为废水生物处理的新兴技术[7]，研究者对好氧颗粒污泥形成机制、影响因素、菌群结构等开展了大量研究[8-10].  此外，好氧颗粒污泥与上述生物脱氮新技术的结合在废水生物处理中也呈现出明显的技术优势和良好的应用前景.

针对目前城镇污水等碳氮比低、出水总氮达标压力大等突出问题，本文综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺，介绍其脱氮机制及技术优势，同时分析进水基质组成、运行条件(溶解氧浓度、温度和pH)、运行模式等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮与稳定运行的影响，最后对好氧颗粒污泥强化脱氮工艺研发与技术应用进行展望，为好氧颗粒污泥脱氮工艺性能优化及微生物菌群功能与机理研究提供参考.

1 好氧颗粒污泥强化脱氮工艺

1.1 全自养硝化颗粒污泥工艺

硝化细菌生长速率缓慢、生物产量低且对环境条件极为敏感，很难长期大量持留在反应体系内，这使得硝化反应成为生物脱氮的限制性步骤.  自养硝化颗粒污泥的形成使硝化微生物以聚集体的形式持留在反应器内，提高体系内硝化污泥浓度，进而促进硝化反应进程，在处理高氨无机废水方面具有良好的应用前景.

然而，由于自养型的硝化细菌生长缓慢且胞外多糖产量低，细胞间的黏附作用差，较难形成生物聚集体，国内外学者在强化自养硝化污泥颗粒化方面进行了大量研究.  缩短硝化颗粒污泥培养时间的方式主要分为两种：一是调控颗粒培养的运行条件，二是增加促进细胞间粘附的外部因素.

Tay等在SBR中研究了水力选择压(SBR运行周期)对硝化颗粒污泥形成的影响，结果表明采用较长运行周期时间(12  h)的反应器由于水力选择压较弱无法形成硝化颗粒污泥，而较短的运行周期(3 h)导致硝化污泥被大量洗出，同样使得硝化污泥颗粒化失败，周期为6 h和12  h的运行条件下，两周后成功培养出粒径0.25 mm、比重1.014的硝化颗粒污泥[11].

合适的水力选择压能够刺激微生物活性、促进增强细胞间粘附性的胞外多糖产生、增加细胞表面疏水性，进而促进硝化颗粒污泥的形成.  Tsuneda等亦通过逐步缩短水力停留时间进而强化水力选择压的方式在连续流好氧流化床反应器内成功培养出粒径350 μm的硝化好氧颗粒污泥[12].

Chen等采取短的初始沉降时间和快速增加氨氮负荷的方法显著强化了体系生物选择压，实现了硝化颗粒污泥的快速培养，55 d内进水氨氮浓度从 200 mg/L增加到1  000 mg/L，污泥容积指数(Sludge volume index，SVI)从92 mL/g下降到15 mL/g，颗粒平均粒径从106 μm增加到369  μm [3]. 因此，通过调控反应器运行条件来强化体系内水力选择压和生物选择压的方式能够明显加快硝化污泥颗粒化进程.

为减少自养硝化颗粒污泥反应器启动时间，外部促进因素亦是一种强化方式.  Wang等应用稳恒磁场来促进含铁聚合物的积累进而在增强污泥沉降性能同时刺激胞外多聚物的产生，以此来促进污泥絮凝团聚形成颗粒，反应器运行 25  d即获得致密紧实的硝化颗粒 [13].  Li等向自养硝化污泥体系中投加群体感应信号分子N-酰基高丝氨酸内酯，以加快生物量增长速率，促进微生物活性和胞外蛋白的产生量，促进了硝化细菌间的吸附和聚集，进而实现硝化污泥的快速颗粒化[14].

1.2 同步硝化反硝化颗粒污泥工艺

同步硝化反硝化颗粒污泥工艺是基于颗粒污泥致密结构和较大粒径所形成的梯级溶氧环境特征，外部好氧-内部缺氧的分层结构使得功能微生物分区定殖[15]，研究者们应用荧光原位杂交技术(Fluorescence  in situ hybridization，FISH)和微电极等方法对好氧颗粒污泥内部菌群分布进行了研究，发现氨氧化菌(Ammonia oxidizing  bacteria，AOB)、亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidizing  bacteria，NOB)可与异养菌共存于好氧颗粒污泥中，其中颗粒外层70-100 μm处主要分布氨氧化菌Nitrosomonas  sp.，其内层为亚硝酸盐氧化菌Nitrobacter sp.和Nitrospira sp.，硝化反应主要发生在颗粒表层300 μm内，而距表面800-900  μm处则以兼性菌Rhodocyclaceae bacterium 和Paracccus marcusii以及厌氧菌Bacteroides  sp.为主[16]，颗粒内部多样化菌群可实现功能耦合，完成同步硝化反硝化脱氮，如图1所示.

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