好氧颗粒污泥的快速培养与污泥特性分析

王昌稳¹，李军¹，赵白航¹，王永磊^1,2，刘国洋¹

(1. 北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京，100124；

2. 山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南，250101)

摘要：为研究不同沉淀时间对污泥颗粒化过程的影响，采用序批式反应器，通过逐步缩短沉淀时间快速培养出好氧颗粒污泥。研究结果表明：在此过程中，污泥浓度逐渐降低，沉降性逐渐改善，污泥中无机质含量逐渐增加；不同沉淀时间所培养的污泥粒径不同，且污泥平均粒径与沉淀时间具有很好的负相关性；只有沉淀时间小于5 min，才能形成颗粒污泥。污泥胞外聚合物(EPS)含量分析结果表明多糖在污泥颗粒化过程中起主要作用；在沉淀时间从7 min缩短至5 min的污泥颗粒化过程中，胞外聚合物中多糖的含量(以VSS计)由(140.98±19.54) mg/g增加到(310.79±50.86) mg/g；缩短沉淀时间是序批式反应器中快速培养好氧颗粒污泥的有效策略，且污泥快速好氧颗粒化要求的沉淀时间不能长于5 min。

关键词：序批式反应器；好氧颗粒污泥；沉淀时间；胞外聚合物

中图分类号：X703.1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)06-2623-06

Rapid cultivation of aerobic granular sludge and analysis of sludge characteristics

WANG Changwen¹, LI Jun¹, ZHAO Baihang¹, WANG Yonglei^{1, 2}, LIU Guoyang¹

(1. Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science & Water Environment Recovery Engineering,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2. College of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Abstract: In order to explore the effect of different settling times on aerobic granulation, test was carried out in a sequencing batch reactor (SBR), where aerobic granular sludge was rapidly cultured through shortening settling time step by step. The results show that during the procedure, the mixed liquor suspended sludge decreased gradually, while, the sludge settleability was improved and the inorganic content in the sludge increased. The sludge particle size differed under different settling time, and the average particle size has a good negative correlation with the settling time. Moreover, aerobic granular sludge will form if the settling time is shorter than 5 min. The polysaccharide plays a main role in sludge granulation. During the granulation procedure in which the settling time is shortened from 7 min to 5 min, the polysaccharide in extracellular polymeric substances (EPS) increases from (140.98±19.54) mg/g to (310.79±50.86) mg/g. Shortening the settling time is an effective strategy to cultivate aerobic granular sludge in a sequencing batch reactor, and the settling time required for successful aerobic granulation will not be longer than 5 min.

Key words: sequencing batch reactor; aerobic granular sludge; settling time; extracellular polymeric substances

好氧颗粒污泥(aerobic granlular sludge, AGS)是微生物自凝聚形成的一种特殊形式的活性污泥，具有沉降性好、结构密实、生物量浓度高、抗冲击负荷和抵抗有毒有害物质的能力。1991年，Mishima等^[1]首先在一个连续流上向流好氧污泥床反应器中报道了好氧颗粒污泥。好氧颗粒污泥具有诸多优势，许多研究者在实验室规模的好氧颗粒污泥反应器中开展了多种高浓度有机废水、金属废水、含毒物质废水及生活污水的研究^[2-5]。好氧颗粒污泥被认为是具有广阔应用前景的废水处理技术之一。好氧颗粒污泥的广泛应用首先要解决颗粒污泥的快速培养问题。早期好氧颗粒污泥的培养是通过连续流反应器实现的，但反应器运行条件极其苛刻，需要纯氧曝气，导致好氧颗粒污泥的研究即使在实验室范围内也受到很大程度的限制^[6]。自从Morgenroth等^[7]在序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)中培养了好氧颗粒污泥后，SBR 的运行模式一直被广泛用于培养好氧颗粒污泥。本文作者采用序批式反应器通过缩短沉淀时间，培养好氧颗粒污泥并考察了这一过程中污泥特性、粒径及胞外聚合物的变化，以期更深入地理解污泥好氧颗粒化过程及其机理。

1  材料和方法

1.1  SBR反应器及运行方式

试验采用SBR 反应器，高为120 cm，直径为18 cm，总体积为30.52 L，有效容积为25.43 L，由有机玻璃制成在反应器壁上的垂直方向设置一排间距为20 cm 的取样口，底部设有排泥管。以黏砂块作为微孔曝气器，采用鼓风曝气，转子流量计控制恒定曝气量为1 L/h。由温度控制仪控制反应器内温度，保持在25~28 ℃。SBR反应器的运行通过时间程序控制器实现对反应过程的自动控制，每天运行3个周期，每个周期包含5 min 进水，7.5 h 好氧曝，沉淀时间按试验阶段确定(由初始的15 min逐步降低到2 min)，5 min排水和5 min 闲置时间。排水比为60%。水力停留时间大约为10 h。

1.2  试验水质与接种污泥

试验采用人工模拟废水启动反应器，以乙酸钠为有机碳源，ρ(COD)为250 mg/L，ρ(NH₄⁺-N)为100 mg/L，其他具体成分见表1。接种污泥为实验室连续流A²O脱氮除磷反应器剩余污泥。该污泥沉降性能良好，反应器初始接种污泥MLSS质量浓度为3 780 mg/L，污泥容积指数(SVI)为98。

1.3  分析方法

COD，NH₄⁺-N，NO₃^--N，NO₂^--N和MLSS等指标采用标准方法测定^[8]；颗粒污泥采用奥林巴斯BX41进行微生物相观察；颗粒污泥粒径分布采用马尔文Mastersizer 2000 激光粒度仪测量。

扫描电镜样品制备：取出部分颗粒污泥，清洗后，经25%戊二醛固定1.5 h 后，PBS清洗3遍，随后经体积分数为50%，70%，80%，90%和100%乙醇梯度脱水，每次10~15 min，最后用乙酸异戊酯置换。于37 ℃干燥后，在样品表面镀上一层1500 nm 厚的金属膜，采用Hitachi S-4300型扫描电镜进行观察。

EPS提取和测定：取50 mL 污泥混合液，在4 000 r/min下离心5 min，之后弃去上清液并以磷酸盐缓冲液补足体积，在80 ℃下水浴提取30 min，提取后的混合液经5 000 r/min下离心30 min， 取上清液经0.22 μm滤膜过滤，滤出液为分离得到的EPS，并以蛋白质(PN)和多糖(PS) 表征其含量。PN的测量采用考马斯亮蓝法，PS的测量采用蒽酮-硫酸法。

表1  人工模拟废水成分组成

Table 1  Compositions of artificial wastewater

2  结果与讨论

2.1  好氧颗粒污泥的培养过程

接种污泥为褐黄色，结构松散，形态不规则，平均粒径为 105.23 μm(图1(a))。通过不断缩短沉淀时间形成选择压力，只有在某个特定的时间范围内沉降速率快的颗粒污泥能在反应器内保存下来，而沉降性能差的就会从反应器中淘洗出去。活性污泥在这个过程中逐渐聚集颗粒化以应对较短沉淀时间所形成的选择压力^[9]。沉淀时间为10 min时，污泥颜色仍为褐黄色，但结构更加密实，形态趋于球形(图1(b))；反应器运行到第18天时，沉淀时间为7 min，此时观察到反应器内污泥形态发生重大变化，污泥变为浅黄色，且有细砂状的颗粒污泥出现，平均粒径较小，为 480.74 μm，但绝大部分还是絮状污泥，此后继续缩短沉淀时间强化对絮体污泥的淘洗；沉淀时间为3 min时，运行1周后，好氧颗粒污泥培养成熟，外观浅黄色，规则球形，平均粒径为636.56 μm(图1(c)和(d))。污泥沉降性良好，SVI平均为63。

图1  各阶段活性污泥的光学显微照片

Fig. 1  Optical micrographs of activated sludge in different stages

Liu等^[10]通过研究，提出了污泥好氧颗粒化的4个步骤：(1) 微生物与微生物通过水力学、扩散、重力或其他热力学力接触形成聚集体；(2) 通过物理(范德华力、相反电位、热力学力)、化学(离子配对、三重离子配对、内部颗粒架桥)或生化(细胞膜融合、细胞受体吸引、细胞表面吸引)的力形成初期聚集；(3) 细胞集群和EPS分泌形成生物胶迫使微生物形成聚集体；(4) 水力剪切力促使形成颗粒三维结构稳定化。由图1(a)和(b)可见：污泥的初始聚集过程。污泥由松散不规则的絮体逐渐形成密实规则化的聚集体。

图2所示为培养成熟的好氧颗粒污泥的扫描电镜照片。由图2可以看出：外观接近球状，表面有许多孔隙和通道，这些孔隙和通道的存在有利于水中物质和溶解氧深入好氧颗粒污泥内部(图2(a))。放大5 000倍的扫描电镜照片很好地呈现了颗粒污泥内部的形态(图2(b))。颗粒污泥内部也布满了孔隙，细菌多为杆状和球状。好氧颗粒污泥是由许多微小聚合体聚集在一起的，这些微小的聚合体带有内在孔隙和无细胞的通道网络结构。微小聚集体通过胞外聚合物(EPS)、丝状菌等骨架聚合在一起形成球状颗粒污泥。

图2  好氧颗粒污泥扫描电镜照片

Fig. 2  Scanning electron micrographs of aerobic granular sludge

2.2  污泥特性变化

颗粒污泥培养过程中，每天在1个运行周期好氧段结束前5 min取混合液，测量SVI，混合物悬浮固体(MLSS)质量浓度和混合物挥发性悬浮固体(MLVSS)质量浓度等污泥特性指标，结果如图3所示。从图3可见：随着沉淀时间的不断缩短，沉降性较差的污泥排出反应器，污泥浓度(MLSS和MLVSS)逐渐降低，沉降性(SVI)逐渐提高。但在每一个沉淀时间的运行阶段内，初始污泥质量浓度较低，随着活性污泥对该沉淀时间的适应，污泥逐渐实现增殖，污泥质量浓度有所上升，同时沉降性降低。这也是好氧颗粒污泥反应器所面对的难题之一，即长时间运行，颗粒污泥会解体^[11-12]。当沉淀时间为3 min时，好氧颗粒污泥培养成熟，MLSS质量浓度为1 600 mg/L左右，SVI平均为63。

污泥颗粒化过程中，混合物挥发性悬浮固体(MLVSS)质量浓度与混合物悬浮固体(MLSS)质量浓度之比不断降低(从0.78减少到0.44)，表明污泥中无机质含量逐渐增加。同MLSS和SVI的变化规律一致，在每个沉淀时间阶段内，该值也会有小幅度上升。在污泥颗粒化过程中，微生物会选择性积累一些金属离子增加自身密度以改善沉降性能。一些学者研究发现：2价和3价金属离子在微生物聚集体自固定过程中有重要作用^[13-14]。Lei等^[15]研究发现：SBR反应器中，随着沉淀时间的缩短，活性污泥中钙含量明显增加，钙含量的增加导致挥发性固体(VS)质量浓度与总固体(TS)质量浓度之比从0.88减少到0.53。污泥中无机质含量的增加改善了污泥的沉降性能，以此来应对较短沉淀时间形成的选择压力。

2.3  污泥粒径变化

在每个沉淀时间运行阶段的末期，取混合液用Mastersizer 2000 激光粒度仪测量污泥粒径分布。结果表明：沉淀时间越短，污泥平均粒径越大；当沉淀时间为15，10，7，5和3 min时，污泥平均粒径分别为256.99，365.74，480.73，546.62和636.56 μm。实验过程中观察到沉淀时间为7 min时，反应器内出现颗粒污泥，此时污泥平均粒径为480.73 μm，远远大于絮体污泥的粒径。污泥平均粒径与沉淀时间的关系见图4。从图4可见：污泥平均粒径与沉淀时间具有很好的负线性相关性(相关性系数R²为0.979 9)。试验结果表明：较短的沉淀时间是SBR反应器快速有效地培养好氧颗粒污泥的策略之一。Qin等^[16]研究认为SBR反应器中较弱的选择压力不能形成颗粒污泥，成功培养颗粒污泥的沉淀时间不能长于5 min。面对较短的沉淀时间所形成的选择压力，微生物会调整自身的新陈代谢方式以抵抗和应对外界压力，比如分泌更多EPS来黏结微生物细胞，改变细胞表面疏水性，积累更多无机物质改善自身沉降性能等。

图3  试验过程中污泥特性变化

Fig. 3  Sludge characteristics variation during experiment

2.4  胞外聚合物的作用

胞外聚合物(EPS)是微生物分泌于细胞表面的大分子黏性物质，能够改变细胞表面的物理化学性质，主要包括蛋白质、多糖、腐殖质酸和油脂等。这些物质有利于微生物细胞凝聚，对颗粒污泥的形成和稳定起到重要作用。Liu等^[17]认为，EPS是微生物细胞和颗粒态物质相连接的桥梁。高浓度的多糖有助于细胞之间的吸附，并且通过聚合物矩阵增强微生物结构，若胞外多糖代谢机制受阻，将会影响微生物聚合体的形成^[18-20]。

污泥颗粒化过程中胞外聚合物的变化如图5所示。从图5可见：在沉淀时间不断缩短的过程中，污泥EPS中多糖(PS)与蛋白质(PN)都呈现出先下降后上升的趋势；当沉淀时间为7 min时，反应器内出现好氧颗粒污泥；在此后阶段，可以认为是污泥颗粒化的过程。在此过程中，PS的质量分数(以VSS计)由(140.98±19.54) mg/g增加到(310.79±50.86) mg/g，PN的质量分数由(44.08±1.55) mg/g增加到(73.66±3.56) mg/g。但PN与PS质量分数之比逐渐降低(由0.316减少到0.241)，表明胞外聚合物中多糖类物质在污泥颗粒化过程中起到主要作用，与Liu等^[17]的研究结果一致。Adav等^[21]用特定酶选择性的水解好氧颗粒污泥EPS中的蛋白质、α-多糖、β-多糖和脂类，然后考察水解后颗粒污泥的稳定性，发现尽管蛋白质位于颗粒的核心区域且含量丰富，蛋白质的选择性去除对颗粒污泥结构稳定性影响不大，但β-多糖的去除引起颗粒解体。污泥的颗粒结构主要由β-多糖构成骨干网络稳定化，嵌入蛋白质、脂类、α-多糖和微生物细胞。因此，EPS中特定物质的富集能强化污泥颗粒化过程和增强颗粒稳定性。

图4  污泥平均粒径与沉淀时间的关系

Fig. 4  Relationship between average sludge particle size and settling time

图5  污泥颗粒化过程中胞外聚合物的变化

Fig. 5  Variations of EPS during the sludge granulation

3  结论

(1) 不同沉淀时间对SBR中污泥特性有显著影响。污泥平均粒径与沉淀时间具有较好的负相关性。

(2) 缩短沉淀时间是SBR中快速培养好氧颗粒污泥的有效策略。SBR中污泥快速好氧颗粒化所要求的沉淀时间不能长于5 min。

(3) 污泥颗粒化过程中MLVSS与MLSS质量浓度之比不断降低，污泥中无机质含量增加，是污泥应对短沉淀时间形成的选择压力的方式。

(4) 污泥好氧颗粒化过程中，胞外聚合物中多糖与蛋白质的质量分数均有所增大。但多糖质量分数增加更明显，表明胞外聚合物中多糖类物质在污泥颗粒化过程中起更主要的作用。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-06-05；修回日期：2012-09-14

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078008)；北京市自然科学基金资助项目(8122005)；北京市教委重点基金资助项目(KZ201110005008)；北京工业大学第十届研究生科技基金资助项目(ykj-2012-6867)

通信作者：李军(1964-)，男，山东淄博人，教授，博士生导师，从事污水处理与资源化研究；电话：13611249208；E-mail：jglijun@bjut.edu.cn