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  • 好氧颗粒污泥的性质及形成机制
  • 发布时间: 2020/11/9 点击次数:106 
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     引言 

    20 世纪90 年代末,在曝气反应器中培养了一种新型的活性污泥—好氧颗粒污泥  AGS (  Aerobic Granular Sludge) 。

    好氧颗粒污泥是在有氧条件下 , 微生 物 通过 自 聚集形成具有 颗粒状规则外 形、 结构密实 、 沉降性能 优 良 、 污 染 物 处 理效 果 明 显 的 特 殊 的 微生 物 聚 集 体 , 即 在流体动 力 条件下 微生 物 自 固 定形成生 物体 团 聚 的特殊过程 , 较传统活性污 泥工艺 , 好氧 颗 粒污 泥 不 易 出 现 污 泥 膨 胀 和 处 理 水 质 变 差 等 问 题。

    作为一项污水深度处理工艺,AGS具有污水处理能力强、生物量高、抗冲击负荷能力强及剩余污泥少等优点,因而受到广泛关注。

    好氧颗粒污泥的形成机制


    好氧颗粒污泥的形成过程是一个包含物理 、化学和生物作用的复杂过程。目前,对于好氧颗粒污泥成粒机理仍然众说纷纭,尚未形成统一定论,但是从文献来看,与市政污水处理工艺密切相关的理论得到更多学者认可。

    1.1  丝状菌假说
    丝状菌可相互缠绕,构成颗粒污泥的初始骨架, 微生物在表面附着,生长繁殖,在水力选择压下,逐渐形成颗粒污泥(图 2)。

    在污泥颗粒化初期,真菌在丝状菌表面富集,形成颗粒污泥的雏形。丝状菌菌丝种属和缠绕方式与颗粒污泥密实程度有关。李志华等对不同丝状菌颗粒污泥进行了分析,发现以真菌为主的颗粒污泥,粒径为 2.83 mm,结构更加密实且沉降性能最佳;以发硫菌Ⅱ、微丝菌为主的颗粒污泥粒径 2.21~3.74 mm,表面光滑,沉速较小;而以浮游球衣菌、Type 0041 为主的颗粒污泥,沉降性较差,易于破碎。


    1.2  胞外多聚物假说
    胞外多聚物(EPS)是微生物分泌的高分子物质,它能够改变细胞表面的荷电性、疏水性,在好氧颗粒污泥形成过程中起着重要作用。EPS 通过离子键、配位键等方式与微生物结合,促进细菌 - 细菌、 细菌 - 固体的粘附,形成凝聚核;粘附的微生物持续生长、繁殖,颗粒不断增大,形成规则、稳定的颗粒污泥(如图)。

    蛋白质(PN)和多糖(PS)是 EPS的主要成分。蛋白质含有氨基,可降低微生物间的静电斥力,而多糖可作为粘合剂促进微生物及小分子颗粒之间的聚集。通常高有机负荷、低沉降时间、高水力剪切力以及Ca、Mg等金属离子的存在可促进EPS的分泌,利于颗粒污泥的形成。
    同时,EPS 在维持颗粒污泥结构的稳定性方面发挥着重要作用。PN 提高了颗粒污泥的絮凝性和稳定性,而 PS 增加了颗粒污泥的机械强度。

    此外,β-多糖在颗粒污泥的结构稳定中起了一种类似粘合剂的作用,将蛋白质、脂质和 α- 多糖粘结起来,从而形成稳定的颗粒污泥。

    1.3  诱导核假说
    诱导核假说认为污泥颗粒化过程以诱导核为基础,微生物在诱导核表面附着、聚集、生长,最终形成成熟的颗粒污泥(如图)。

    充当诱导核的物质种类较多,可以是微生物聚集体,非溶性无机盐晶体,颗粒污泥或碎片等。通过人为投加颗粒载体,可加快污泥颗粒化的进程。一些学者通过向序批式活性污泥法反应器(SBR)投加生物碳、磁性纳米粒、硅藻土等惰性载体,极大地促进了颗粒污泥的形成。

    1.4  微生物自凝聚假说

    自凝聚假说强调了微生物自身的作用。在高剪切力下,微生物的代谢途径发生改变,分泌黏性物质(多糖和果胶类物质),菌体之间相互聚集形成密度较大,活性和传质更好的微生物聚集体,从而增强抗压能力。微生物在此基础上不断生长、繁殖,形成结构紧密,表面光滑的颗粒污泥。
    研究者还发现,微生物可通过分布在表面的类外源絮凝素与其他细菌表面的甘露糖残基结合,实现微生物的自絮凝。此外,系统自凝聚菌株的大量存在,可提高颗粒化成功率和进程。
    针对废水的复杂性和多样性,自絮凝菌株的筛选和培育显得尤为重要,高自凝聚能力功能菌的筛选仍是一个待克服的难题。

    1.5  信号分子假说

    微生物具有的群体感应 (Quorum sensing,QS)系统对颗粒污泥的形成具有一定的调节作用。
    根据细菌群体感应信号分子的不同,QS 系统可分为 3 类:


    1)以酰化高丝氨酸内脂(N-acyl homoserine lactones, AHLs) 为自诱导物的革兰氏阴性菌 QS 系统;

    2)以修饰的寡肽(Auto inducing peptide,AIP)为沟通语言的革兰氏阳性菌 QS 系统;

    3)种间 QS 系统,其信号分子为自诱导物 -2(Autoinducer-2,AI-2)。

    目前,好氧污泥颗粒化的研究主要以 AI-2 和AHLs 展开。AHLs 和 AI-2 含量的增加有助于促进污泥的黏附和 EPS 的分泌,提高好氧颗粒污泥的稳定性。在外界压力下,细菌分泌大量的信号分子,当其含量达到阈值后,微生物引发 QS 系统,改变微生物的细胞理化性质、分泌 EPS,以适应环境的变化(如图)。

    受外界压力的影响,QS 系统会诱导生物膜产生大量的 EPS,微生物从入侵模式转化为保护模式,利用 EPS 对抗环境威胁。

    WANG 等发现,有机负荷冲击将诱导细胞产生胞外环鸟苷二磷酸和胞外多糖,影响细菌的粘附性和疏水性。LIU 等和 GALLOWAY 等发现,细菌处于饥饿期会分泌更多的 AI-2,促进 EPS 的产生,利于细菌的粘附和聚集。适当调节外压可以增强群体感应强度,激发信号分子的产生,加快污泥颗粒化进程。但外压过大会抑制 QS 系统,降低微生物活性,不利于颗粒的形成。

    目前,颗粒污泥 QS 系统的研究相对较少,现阶段研究主要通过信号分子的变化推断颗粒污泥的形成。但是,对信号分子的激发和调控机制尚不明确。且 QS 控制特征以 AHLs 和 AI-2 这 2 种信号分子为主,而对其它信号分子的发现和研究仍存在不足。
    结语:相较于传统活性脱氮除磷工艺技术,好氧颗粒污泥诸多优势已变成当前研究热点,虽说成形理论还存在一些争议性,但值得一提的是,市政污水厂污水处理中,相较于传统污水处理工艺,好氧颗粒污泥处理技术抗冲击能力强、缩短停留时间、降低池容、减少占地。

    氧颗粒污泥技术的诞生也是为好氧生化工艺注入了新的活力,有利于我国在市政污水领域占领技术先机,以促进行业高质量发展。

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