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  • 污水生物处理中好氧颗粒污泥的形成机理
  • 发布时间: 2020/10/28 点击次数:129 
  • 污水生物处理系统内,微生物聚集的形式主要有絮状污泥、生物膜和颗粒污泥3种,其中颗粒污泥由于具有微生物量多、沉降性好等优点而受到研究者的关注。

    颗粒污泥中,好氧颗粒污泥(AGS)具有表面光滑、密度大、沉降性能良好、能够维持较高的生物量以及承受较高的有机负荷等优点。M. Pronk等指出,好氧颗粒污泥系统的总体能耗为13.9 kW·h,比荷兰传统活性污泥厂的平均耗能水平低58%~63%,其出水水质可以达到传统活性污泥法工艺的出水水质甚至更好。好氧颗粒污泥系统所需要的体积也比现有的常规活性污泥装置所需要的体积低33%左右,在能耗和土建费用方面均有所减少。

    与厌氧颗粒污泥相比,好氧颗粒污泥的形成周期较短,约为30 d。在耗能方面,好氧颗粒污泥可在常温条件下进行培养,同时在污水浓度方面局限性小,对高浓度工业废水和城市生活污水的处理均有良好效果。

    污泥在好氧条件下进行培养,颗粒的分层结构形成好氧、缺氧和厌氧区域,其结构特征可以实现一定程度的脱氮除磷效果。本研究通过对近年来相关文献的整理,拟对好氧颗粒污泥的形成机理进行总结,并对各影响因素之间的相互作用进行分析。

     

    好氧颗粒污泥的形成机理

    好氧颗粒污泥的形成是由众多因素共同作用完成的复杂过程,其中既有微生物的作用,也包含物理、化学等方面的作用,国内外学者对于好氧颗粒污泥的形成进行了长期研究,主要形成以下几种学说。


    01

    微生物自凝聚原理

    自凝聚是一种在适当条件下自发产生的微生物凝聚现象。有研究表明,好氧颗粒污泥的形成是由种泥逐步致密聚集的渐进过程,通过各种影响力进而形成颗粒污泥。由水力剪切力、pH等众多因素决定颗粒最终能否形成稳定的结构。


    02

    丝状菌假说

    在好氧颗粒污泥的培养过程中,接种污泥的微生物主要以丝状菌为优势菌种。反应器中培养出的颗粒污泥种类不同,丝状菌在颗粒形成过程中所起到的作用也不同。

    有研究通过对所培养出的不同颜色颗粒污泥进行破碎处理,得到丝状菌在颗粒污泥中的形成结构。好氧颗粒污泥在反应器不同阶段出现黄色、黑色及白色3种不同颜色的颗粒,不同颗粒污泥的菌种比例及形态结构都有所区别。总体来说,丝状菌对好氧颗粒污泥的形成及稳定起到重要作用。不同颜色颗粒污泥的菌种组成及结构特点见表1。

    表1 颗粒污泥不同分类及其特征


    03 细胞表面疏水性假说

    根据热力学理论,细胞表面疏水性上升会减少细胞表面多余的吉布斯能,进而增加细胞间的相互作用形成致密的稳定结构。

    有研究表明,在3周的好氧颗粒污泥形成过程中,污泥的疏水性由接种污泥的39%上升到73%,由此证明细胞表面疏水性是细胞自身聚集和附着的重要亲合力,对于好氧颗粒污泥的形成起到关键作用。疏水性对于细胞间的相互作用具有重要意义,这可能引起微生物的初始自身稳定,并进一步将细菌紧密地结合在一起。


    04 选择压驱动假说

    有研究表明,通过控制沉降时间进而控制选择压是序批式反应器(SBR)中好氧颗粒污泥形成的决定性因素。缩短沉降时间有助于洗出沉降性能差的絮体污泥,造成相对较强的选择压,促进好氧颗粒污泥的形成。

    在一定范围内,提高选择压会导致好氧颗粒污泥的粒径变大。缩短沉降时间可显著提高细胞多糖的产量、细胞表面疏水性及微生物活性,进而利于好氧颗粒污泥的形成。对选择压的控制和深入研究有助于更好地了解好氧颗粒污泥的形成机制。

    X. H. Wang等通过逐步增加进水氨氮浓度来提高选择压,培养出具有良好稳定性的好氧颗粒污泥,提供了一种新的好氧颗粒污泥培养策略;今后应通过逐步改变选择压的方式开发好氧颗粒污泥生物反应器,使其具有更高的性能和效率。通过改变选择压的方式促进颗粒污泥的形成,这一方法在连续流反应器中同样有效。

     

    05胞外聚合物假说

    胞外聚合物(EPS)是在一定的适宜条件下由微生物分泌于细胞表面的大分子有机物质。自诱导体(autoinducer,AI)(信号分子)形成后释放,可以在群体感应(Quorum sensing,QS)中被细菌探测到。QS是细菌在不断变化的环境中生存和适应的一种现象,通过QS,细菌可以对种群密度进行监测,同时激活细菌生长的基因表达。

    根据Y. Q. Liu等提出的假设,微生物细胞与其他微粒连接,形成颗粒化污泥的前身。EPS在好氧颗粒污泥的发育过程中起着重要作用。有研究表明,好氧颗粒污泥与普通絮状活性污泥的EPS成分,如蛋白质和多糖的浓度和分布是不同的,从好氧颗粒污泥中提取EPS,其中检测出带负电荷的多糖和蛋白质,但未在活性污泥中检测出。好氧颗粒污泥的EPS有机组分可以改变细菌的表面特性和颗粒污泥的物理特性,有利于细胞之间的聚集及稳定。

    研究表明,在好氧颗粒污泥周围松散附着的EPS是造粒过程的重要因素,主要由其中的蛋白质所决定。

    EPS的形成取决于反应器内的运行方式及环境,控制好相关参数有利于EPS的适量产生,从而形成稳定的好氧颗粒污泥。根据结合程度的不同,EPS可分为溶解性EPS(soluble EPS,SEPS)和附着性EPS(bond EPS,BEPS),BEPS又分为松散附着性EPS(loosely bond EPS,LEPS)和紧密附着性EPS(tightly bond EPS,TEPS)。


    06

    阶段形成假说

    阶段形成假说将好氧颗粒污泥的形成分为4个阶段,每一阶段由不同的作用力或物质发挥影响,促进接种污泥逐步形成颗粒污泥。

    第一阶段,由接种污泥表面细菌之间发生的物理运动来促进颗粒化,如水动力、扩散力等;

    第二阶段,由物理、化学及生物方面的各种吸引力来维持固体细胞表面和多个细胞之间的稳定连接,如范德华力、化学键及细胞膜融合等;

    第三阶段,微生物促使聚集的细菌成熟,EPS的产生、菌群的增长等过程均在此阶段;

    第四阶段,通过水力剪切力形成稳定的三维结构。该形成机理是目前比较全面的一种颗粒污泥形成理论,但因各种因素间的相互影响,仍难以完整涵盖好氧颗粒污泥整个形成过程。

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