污水生物处理中的好氧颗粒污泥技术

污水生物处理中的好氧颗粒污泥技术

由于其微生物质量高，去除氮和去除磷的能力，它具有在工业废水和城市废水处理中的巨大潜力，但其形成机制仍然存在问题，尚未完全理解。

本文分析了有氧颗粒污泥及其在形成过程中的影响因子的特征，例如细胞外聚合物，液压剪切力，温度等。总结了有氧颗粒状污泥形成的假设，并总结了其城市污水。在应用工业废水处理的应用以及有氧颗粒状污泥的稳定性和形成机理中，讨论了有氧颗粒状污泥技术的未来发展趋势。

在污水生物处理系统中，微生物聚集的主要形式包括絮凝污泥，生物膜和颗粒状污泥。其中，颗粒状的污泥吸引了研究人员的注意力，因为它的优势是大型微生物质量和良好的沉积。

在颗粒状的污泥中，有氧颗粒状污泥（AGS）具有光滑的表面，高密度，良好的沉降性能，能够维持高生物量和承受高的有机负载。 M. Pronk等。指出，有氧颗粒状污泥系统的总体能耗为13.9 kW·H，比传统荷兰活性污泥厂的平均能源消耗水平低58％至63％。废水质量可以达到传统的活性污泥。过程过程的废水质量甚至更好。有氧颗粒状污泥系统所需的数量也比现有常规活性污泥设备所需的体积低约33％，并且减少了能源消耗和土木工程成本。

与厌氧颗粒状污泥相比，有氧颗粒污泥的形成周期短，大约30天。在能源消耗方面，可以在正常温度条件下种植有氧颗粒状污泥，与此同时，污水浓度的限制很小，在治疗高浓度的工业废水和城市家庭废水方面具有良好的结果。

污泥在有氧条件下培养，颗粒的分层结构形成有氧，低氧和厌氧区域，其结构特征可以实现一定程度的去除氮和去除磷的效果。这项研究总结了近年来相关文献的有氧颗粒污泥的形成机理，并分析了各种影响因素之间的相互作用。

1。有氧颗粒污泥的形成机理

有氧颗粒状污泥的形成是许多因素的联合作用完成的复杂过程，包括微生物的作用以及物理和化学方面。国内外学者已经对有氧颗粒状污泥的形成进行了长期研究。 ，主要形成以下理论。

01微生物自我结肠原理

自凝是在适当条件下自发产生的微生物聚集的现象。研究表明，有氧颗粒状污泥的形成是种子污泥逐渐繁殖的逐渐过程，然后通过各种影响形成颗粒污泥。诸如液压剪切力和pH之类的许多因素决定了颗粒是否最终可以形成稳定的结构。

02丝状细菌假设

在培养有氧颗粒状污泥的过程中，接种污泥的微生物主要使用丝状细菌作为主要细菌。反应器中培养的颗粒状污泥的类型是不同的，丝状细菌在颗粒形成过程中的作用也不同。

已经对颗粒污泥中丝状细菌的形成结构进行了研究，并用不同的颜色粉碎和处理栽培的颗粒污泥。有氧颗粒状污泥以三种不同的颗粒出现：在反应堆的不同阶段，黄色，黑色和白色。不同颗粒状污泥的细菌种类比和形态结构不同。一般而言，丝状细菌在有氧颗粒污泥的形成和稳定性中起着重要作用。表1显示了不同颜色的细菌种类的细菌种类的组成和结构特征。

03细胞表面上的疏水性假设

根据热力学理论，细胞表面的疏水性增加将减少细胞表面上的过量吉布斯能量，从而增加细胞之间的相互作用，形成致密和稳定的结构。

研究表明，在三周的有氧颗粒状污泥形成期间，污泥的疏水性从接种污泥的39％增加到73％，这证明了细胞表面的疏水性是聚集和附着的重要因素。细胞本身。组合在有氧颗粒污泥的形成中起关键作用。疏水性对于细胞到细胞相互作用具有重要意义，这可能会导致微生物的初始自动稳定，并将细菌紧密地结合在一起。

04选择压力驱动假设

研究表明，控制沉降时间然后控制选择性压力是序列批处理反应器（SBR）中有氧颗粒污泥形成的决定性因素。缩短沉降时间有助于以较差的定居性能清洗泡沫污泥，从而导致相对较强的选择压力，并促进有氧颗粒状污泥的形成。

在一定范围内，增加选择压力将导致有氧颗粒污泥的粒径较大。缩短沉积时间可以显着提高细胞多糖，细胞表面疏水性和微生物活性的产量，从而促进有氧颗粒状污泥的形成。对选择压力的控制和深入研究可以帮助更好地了解有氧颗粒状污泥的形成机理。

XH Wang等。在入口中，氮氮的浓度逐渐增加，以增加选择性压力并培养有氧颗粒污泥以良好的稳定性，从而提供了新的有氧颗粒状污泥培养策略；将来，选择性压力应逐渐改变。开发有氧颗粒污泥生物反应器的方法使它们具有更高的性能和效率。通过改变选定的压力，该方法在连续流动反应堆中同样有效。

05细胞外聚合物假设

细胞外聚合物（EPS）是在某些适当条件下细胞表面上的微生物分泌的大分子有机物质。自动诱导剂（，AI）（信号分子）在形成后释放，可以在种群传感（，QS）中通过细菌检测到。 QS是一种现象，其中细菌在不断变化的环境中生存和适应。通过QS，细菌可以监测种群密度，同时激活细菌生长的基因表达。

根据YQ Liu等人提出的假设，微生物细胞与其他颗粒相连，以形成颗粒状污泥的前身。 EPS在有氧颗粒污泥的发展中起着重要作用。研究表明，有氧颗粒状污泥（例如蛋白质和多糖）的EPS成分的浓度和分布与普通的絮凝活性污泥不同。从有氧颗粒污泥中提取EPS，并检测到带负电荷的多糖。和蛋白质，但未在活性污泥中检测到。有氧颗粒污泥的EPS有机成分可以改变细菌的表面特征和颗粒污泥的物理特征，这有利于细胞之间的聚集和稳定性。

研究表明，在有氧颗粒状污泥周围松散附着的EPS是颗粒过程中的重要因素，主要由其中蛋白质确定。

EP的形成取决于反应器中的工作模式和环境。控制相关参数有利于适当量的EPS，从而形成稳定的有氧颗粒污泥。根据结合程度，可以将EPS分为溶解度EPS（EPS，SEPS）和粘附EPS（键EPS，BEPS）。 BEP进一步分为松散的粘附EPS（键EPS，LEPS）和紧密的粘附EPS（键EPS，TEPS）。

06阶段形成假设

阶段形成假设将有氧颗粒状污泥的形成分为4个阶段，每个阶段都受到不同力或物质的影响，并促进了颗粒状污泥接种污泥的逐渐形成。

在第一阶段，物理运动发生在接种污泥表面上的细菌之间，将其促进到肉芽中，例如流体动力学，扩散力等。

在第二阶段，使用各种物理，化学和生物学吸引力来维持固体细胞表面和多个细胞之间的稳定连接，例如范德华力，化学键和细胞膜融合；

在第三阶段，微生物促进了聚集细菌的成熟，并且EPS的产生和细菌菌群的生长均在此阶段。

在第四阶段，通过液压剪切力形成稳定的三维结构。这种形成机制目前是颗粒状污泥形成的相对全面的理论，但是由于各种因素之间的相互影响，仍然很难完全覆盖有氧颗粒状污泥的整个形成过程。

2种影响有氧颗粒污泥形成的因素

有氧颗粒状的污泥是否可以形成，其形成周期，质量和稳定性在其培养过程中受到各种因素的影响。通过对其进行深入研究，我们可以完全理解有氧颗粒污泥的形成和稳定的适应条件，并基于此的控制可变因素，这对有氧颗粒状污泥的培养具有重要意义。

01碳源

不同的碳源将导致有氧颗粒状污泥培养的差异。在其他条件相同的前提下，JH Tay培养的颗粒状污泥和其他葡萄糖作为碳源主要是丝状细菌，而由乙酸作为碳源作为碳源的颗粒污泥主要是棒状细菌。

同时，单个碳源和混合碳源也对有氧颗粒状污泥形成的结构和稳定性产生了影响。 Gao 和其他人用蔗糖作为唯一的碳源培养了有氧颗粒污泥，并发现23天后丝状细菌肿胀。后来，使用了蔗糖的组合源，加上等量的蛋白蛋白，并有效地解决了丝状细菌的膨胀现象。

这表明，在培养有氧颗粒状污泥的过程中使用单个碳源很容易导致丝状细菌膨胀。混合碳源可以有效抑制这种现象，并在维持有氧颗粒污泥的稳定性中起重要作用。尽管碳源物种可以改变粒子结构，但有些人认为它不能在有氧颗粒污泥的形成中起决定性作用。

02种泥浆

Z. Song等。发现与从城市污水处理厂提取的污泥相比，从啤酒废水处理厂取出的污泥更适合于种植有氧颗粒污泥，这表明接种污泥对于有氧颗粒状污泥的形成很重要。影响。颗粒化甚至不同泥浆的稳定性所需的时间不同，培养的颗粒状污泥的植物结构也不同，表明微生物种群的变化与接种污泥有关。

微生物的活性对有氧颗粒状污泥的影响很小，但受接种污泥的疏水性很大的影响。一些研究人员在种植有氧颗粒污泥的过程中添加了厌氧颗粒状污泥，从而缩短了有氧颗粒污泥的形成时间，污泥稳定，污水处理效果很好。这为有氧颗粒污泥的种植提供了一个不错的选择。

03液压剪力

一般而言，由上游曝气引起的流体动力湍流是系统的主要剪切力，反应器可以通过改变表面向上的气流流速来控制液压剪切力。当将剪切力施加到颗粒污泥上时，颗粒必须通过消耗非生长能量并改变细胞表面上的EPS量来调节其代谢途径，以保持与外部剪切力的平衡。

研究表明，当表面上升的气体流速达到1.2 cm/s时，可以形成较大的密度和光滑的表面。液压剪切力越大，形成稳定的粒子结构，清晰的污泥剖面和良好的污染物降解性能就越容易。

为了减少能源利用，同时确保污水处理的影响，沉陈和其他人在低曝气条件下研究了反应堆和有氧颗粒状污泥的运行。他们发现，在水力剪切中，可以使污泥在武力下达到颗粒化，有氧颗粒状污泥在污水处理方面具有稳定的性能，并且可以有效地去除氮和磷并去除COD。

04 PN/PS

通常认为，多糖（PS）可以调节细胞的凝聚力和粘附，并在污泥肉芽过程中维持污泥结构的完整性方面起着至关重要的作用。一些研究发现，随着液压剪切力的增加，污泥中多糖含量与蛋白质（，Pn）含量的比率也显着增加。

值得指出的是，颗粒状污泥中多糖的含量至少是泡沫中的两倍。同时，还观察到，多糖的含量远高于泡沫和颗粒污泥中的含量。这可能意味着细胞外蛋白对微生物群落结构和稳定性的影响较小，而不是多糖。

05 ph

Zhang Zhi等。运行6个相同的反应堆，仅对不同的pH进行控制。结果表明，当pH值为8.4时，细胞会产生最小量的EPS，而当pH值上升到9.0时，EPS以少量EPS的速度上升。

EP的上升有助于保护颗粒状污泥并减少过度pH值引起的损害。研究结果证明，控制pH会增加EPS的产量，这有助于提高污泥的影响并使颗粒状污泥更稳定。

06温度

温度可以显着影响生物过程中的微生物代谢和社区结构。 A.-等。研究了低温下北极圆圈中有氧颗粒污泥的特征和菌群，发现温度变化将导致颗粒状污泥的菌群变化，这是维持污泥正常结构或导致崩溃的重要因素。

此外，研究表明，与热适应的接种物相比，冷适应的接种物具有出色的颗粒生物量形成能力。低温条件下培养的有氧颗粒状污泥可以在低温开始时有效地消除有机物，这表明有氧颗粒状污泥在低温环境中更容易培养。

07细胞表面电荷

一般而言，微生物细胞在表面上带有负电荷。相似电荷之间的排斥会阻止细胞在没有其他机制的帮助下彼此附着。二价阳离子（例如CA2+中和微生物表面电荷）已被认为是促进初始细胞附着的可能机制。范德华力也可能有助于这种细胞吸引力。 DLVO理论也适用于分析污泥上细胞表面载荷的相互作用。

08反应堆类型和操作模式

有氧颗粒污泥主要在SBR中培养。在反应堆的运行过程中，由于高表面负电荷引起的静电排斥，由低疏水性形成的周围表面的水以及EPS之间的相互作用，细胞表面上的EPS过多将使初始粘附过程变得困难。它与细胞表面上的负电荷有正相关，并且与疏水性负相关。

SBR反应器的曝气过程导致长时间的饥饿，EPS消耗量合理，导致形成低负电荷和高表面疏水性的污泥，颗粒继续生长并达到稳定的颗粒。

研究表明，为了确保颗粒状污泥的稳定性和良好的水质质量，饱腹循环的长度不应超过总周期长度的25％。同时，在柱状流量反应器中，反应器高度与直径（H/D）的比率相对较高，这可以确保良好的粒子流轨迹，从而为微生物聚集提供了良好的条件。

另外，还可以在其他反应堆中形成有氧颗粒状污泥。列出了文献中成功培养有氧颗粒污泥的几种类型的反应堆，请参见表2。

3使用有氧颗粒污泥的应用

有氧颗粒状污泥具有同时去除氮和去除磷，去除有机污染物，去除重金属并消除良好去除效果的功能。在城市污水和工业废水处理中有相关的应用。

01氮化

由于颗粒状污泥的结构特征，溶解的氧气在污泥的不同部分中有所不同。由于活跃的细胞层在颗粒污泥之外生存的大部分氧气，因此颗粒污泥的核心没有氧气。在颗粒状污泥中可以实现清除氮所需的有氧和缺氧条件。因此，有氧颗粒状污泥可以实现良好的生物硝化作用，因此可用于实际的污水硝化作用。

处理主流工艺污水和合成废水时，有氧颗粒状污泥显示出良好的氮去除性能。 Y. Liang等。使用机械混合和曝气技术来培养自养氮去除过程（佳能）颗粒状污泥的整个过程40天。在操作过程中，合成污水和主流污水的平均氮去除率（NRR）分别为3.22和1.11kgn。 /（M3·D）。废水的硝酸盐浓度低，没有发现硝酸盐积累。

另外，还可以通过控制其他因素来实现良好的氮去除效果。影响颗粒污泥同步硝化和反硝化的因素包括在污水中溶解氧，污泥的粒径，电子供体的可用性和微生物活性。例如，稍微碱性的条件有利于硝化的进展。

在低氧气浓度条件下，氮的去除效率较高，但是无法维持有氧颗粒污泥的结构稳定性。在不同培养条件下产生的硝化细菌也将导致不同的非硝化作用。有氧颗粒污泥的结构和一般的氮去除过程如图1所示。

02去除磷

污泥中的多磷细菌在有氧条件下吸收过量的磷，并在厌氧条件下释放磷。有氧颗粒表面上溶解的氧含量很大，并且内部颗粒可以达到缺氧甚至厌氧状态。基于此原理，有氧颗粒状污泥可以实现从污水中去除磷的功能。

温度，pH，盐，有机负荷，废水底物类型和曝气都对有氧颗粒污泥的磷去除效应有影响。

O.等。使用了含有高比例的多磷酸细菌的颗粒的差异选择，以改善SBR中有氧污泥的磷去除性能。

结果表明，沉降时间的增加与污泥床的均匀纯化相结合的规模和密度分布更大，导致磷的去除率提高了90％以上，同时保持良好的氮和COD去除。通过持续改进和改进过程，有氧颗粒污泥可以实现良好的磷去除效应。

03去除有毒和难以降解的物质

有氧颗粒污泥具有致密的核结构，并且对外部颗粒具有较高的抗扩散性，因此整个细胞对有毒物质具有很高的耐受性。 AF Duque等。已经表明，有氧颗粒状污泥可以有效地去除合成废水中的有毒2-氯苯酚。

还有研究表明，有氧颗粒状污泥可以去除2,4-二硝基苯二苯。另外，可以通过有氧颗粒状污泥迅速生物降解N-丁醇，即磷酸支丁基的水解物。石油化合物的去除效应高达90％。有氧颗粒状污泥具有极好的二氮植物去除能力和有毒或顽固污染物的可生物降解特性。

有氧颗粒状污泥相关的过程是用于去除营养，持续污染物和水再利用的常规活性污泥过程的替代过程。将来，我们应该专注于进一步研究有氧颗粒污泥的形成机理，并改善低强度污水中有氧颗粒污泥的形成。

在此阶段，大多数关于有氧颗粒污泥的研究仍在模拟废水的反应堆中进行，将来我们应该专注于实际废水和工业废水处理的应用。

同时，请注意操作条件对有氧颗粒污泥稳定性的影响，以防止诸如溶液中盐含量不当之类的问题，从而导致颗粒状污泥的不稳定性和分解；此外，我们还应该专注于研究如何加速有氧颗粒状污泥培养并增强同步和有效的氮去除措施等。

4结论

（1）具有光滑表面，较大粒径和良好性能的有氧颗粒污泥可以达到良好的污水处理效果，可以同时有效去除氮和磷，保持良好的有机物去除效果，还可以去除有毒和有害物质。 ;有氧颗粒污泥在处理不同类型的废水和去除微污染物的机制方面需要进一步研究。

（2）有氧颗粒污泥的形成是多种机制的关节影响的结果。目前缺乏假设可以准确并完全描述其形成。需要进一步研究其形成机制，尤其是在其形成过程中细胞外的。聚合物的功能和调节度量。

（3）在有氧颗粒污泥的种植过程中，污泥的颗粒和污泥的各种特征受到多种因素的影响。任何因素的变化都可能导致污泥的瓦解和污泥粒径的变化。 ;将来，我们应该专注于有氧颗粒状污泥中微生物之间的合作和生态位及其影响因素。

（4）关于有氧颗粒状污泥种植的大多数研究仍处于实验规模上，并且将来应该逐渐发展为实际的污水；在实际应用中，有氧颗粒状污泥的稳定性仍然是一个挑战，未来需要污染有氧颗粒状污泥。研究了稳定维护，节能和资源回收泥浆系统的影响因素和控制策略；此外，如何加速有氧颗粒状污泥的形成仍然是研究热点。