好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水技術

　　高氨氮廢水主要來源于畜禽養(yǎng)殖、垃圾滲濾液、皮革廢水、焦化廢水以及化肥廠等生產過程。高氨氮廢水未經處理直接排放容易引起水中藻類及其他微生物大量繁殖，導致水體富營養(yǎng)化;高氨氮廢水排入自來水廠，會導致水廠運行故障而造成飲用水異味;處理高氨氮廢水過程會產生大量硝酸鹽及亞硝酸鹽，長期飲用含有這類產物的水會誘發(fā)高鐵血紅蛋白血癥，嚴重影響居民身體健康。

　　高氨氮廢水處理主要有生物法、化學法、物理法三種，其中生物法具有經濟有效、無二次污染等特點，是目前公認最具發(fā)展前景的氨氮處理方法。傳統(tǒng)生物脫氮處理工藝，雖然能夠有效去除氨氮，但存在碳源、溶解氧不足，有大量剩余污泥等問題，為此，誕生了許多新型生物脫氮技術，例如短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝及厭氧氨氧化工藝等，其具有經濟性能好、脫氮效率高等明顯優(yōu)勢，但仍然存在一定的應用瓶頸。近20年來，好氧顆粒污泥因其致密的結構、良好的沉降性能、耐沖擊負荷能力和多功能菌群等諸多優(yōu)勢，成為廢水生物處理領域的新興技術，且對高氨氮廢水具有良好的去除效果，同時降解有毒、有害物質，已受到越來越多的關注。因此，研究好氧顆粒污泥對高氨氮廢水的處理效果及影響因素具有重要的理論意義和實踐價值。

　　據此，本文對好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水領域進行調研，探討了好氧顆粒污泥技術在處理垃圾滲濾液、化肥工業(yè)污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的研究現狀及處理效果，好氧顆粒污泥形成機理及主要影響因素，最后對好氧顆粒污泥技術處理高氨氮廢水工程應用前景進行了展望。

　　一、好氧顆粒污泥技術處理高氨氮廢水研究現狀

　　據報道，好氧顆粒污泥技術目前已經在畜禽養(yǎng)殖廢水、化肥工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等高氨氮廢水領域展開研究。研究表明，好氧顆粒污泥與傳統(tǒng)絮狀污泥相比具有良好的沉降性能、高生物量、集多種微生物于一體等特點，使其在處理某些高濃度有機廢水、難降解廢水、高氨氮廢水時仍能保持較好的去除效果。好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水部分示例見表1。

　　垃圾滲濾液主要來源于填埋場，具有高氨氮、低生化性、含鹽高、重金屬多等特點，其中高氨氮是處理過程中一大難題。目前，處理垃圾滲濾液主要以物化法和生物法為主，物化法處理高氨氮廢水，主要通過氨吹脫塔來進行去除，同時調節(jié)pH、溫度等，這無疑增加運營成本。生化法，主要是在處理高氨氮廢水時會產生大量游離氨導致生物活性降低，影響工藝正常運行。好氧顆粒污泥具有高生物量、沉降性好、抗沖擊負荷強等優(yōu)勢，適用于處理高氨氮廢水。Wei等向GSBR反應器中接種好氧顆粒污泥處理垃圾滲濾液，反應器內出現同步硝化反硝化現象，且當氨氮濃度提升至788mg/L，反應器內出現短程硝化反硝化，大量亞硝酸鹽累積。好氧顆粒污泥由內向外厭氧、兼氧、好氧的特殊結構，處理高氨氮廢水過程產生游離氨有助于氨氧化菌的富集，促進短程硝化反硝化工藝實現，為處理垃圾滲濾液提供了新方向。

　　化肥行業(yè)生產排放的高氨氮廢水，主要來源于企業(yè)生產尿素、氨等化肥過程。蔡佳青研究好氧顆粒污泥對高氨氮化肥企業(yè)廢水處理效果，顆粒污泥經過46天的培養(yǎng)及馴化對污染物有良好去除效果，穩(wěn)定運行期間COD、氨氮平均去除效率約94.2%，89.8%。劉浩等同樣發(fā)現，好氧顆粒污泥對化肥工業(yè)廢水中COD、氨氮去除效果良好，平均去除率分別達93.5%和89.2%，總氮去除率維持在66.5%以上。

　　作為典型高氨氮廢水-畜禽養(yǎng)殖廢水，好氧顆粒污泥對其同樣具有良好去除效果。相較于傳統(tǒng)SBR工藝，好氧顆粒污泥在去除高濃度豬場廢水及沼液具有潛在優(yōu)勢。謝磊等首先利用城市生活污水成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，再處理高濃度豬場廢水;在氨氮濃度穩(wěn)定在800mg/L左右條件下，COD、氨氮去除率一直穩(wěn)定在80%以上，去除效果良好。王曉春等同樣研究好氧顆粒污泥對畜禽養(yǎng)殖廢水處理效果，反應器經過35天穩(wěn)定運行，COD、氨氮平均去除率為98.56%、86.14%，另外好氧顆粒污泥對畜禽養(yǎng)殖廢水中四環(huán)素也有去除效果

　　二、好氧顆粒污泥的特點、形成機理及影響因素

　　2.1好氧顆粒污泥的特點

　　好氧顆粒污泥是活性污泥在好氧條件下通過形成高選擇壓，促進微生物自凝聚，從而形成外觀規(guī)則、結構緊湊、輪廓清晰的生物聚合體。好氧顆粒污泥受進水水質和接種污泥的不同形成顆粒一般有淡黃、棕色和黃色，粒徑一般在0.20-5.00mm之間，通常外觀呈球形或橢球形，其特殊的結構可以形成厭氧-好氧環(huán)境，從而為不同微生物生長提供場所，實現同步脫氮除磷。

　　2.2好氧顆粒污泥的形成機理

　　好氧顆粒污泥是在好氧條件下，通過高選擇壓促使微生物進行自固定而形成的顆粒污泥，其本身是一種特殊的生物膜，其形成過程包括物理、化學及生物多種共同作用。目前國內外研究者，通過不同手段，如高通量測序、熒光原位雜交等從不同角度探索好氧顆粒污泥的形成，提出不同的機理假說。

　　2.2.1胞外多聚物(EPS)假說

　　胞外聚合物(EPS)是在特定環(huán)境條件下微生物為抵抗外界條件的改變而分泌一種高粘性聚合物，其成分主要以蛋白質、多糖、腐殖酸為主，還有部分DNA、脂肪、脂類及一些無機物。其中蛋白質可以改變細胞間疏水性，降低細胞表面的自由能，增強微生物之間粘連，從而形成結構致密、穩(wěn)定的好氧顆粒污泥。另一主要成分多糖，主要分布在顆粒污泥內部及菌膠團細胞間隙，可以維持所形成顆粒污泥的完整性，與附著在顆粒表面的絲狀菌嵌合形成好氧顆粒污泥，在形成過程中起骨架作用。

　　2.2.2微生物自凝聚假說

　　自凝聚是指微生物在適當的條件下為應對外界環(huán)境改變而進行自我調節(jié)，改變自身特征發(fā)生凝聚，從而形成生物活性高、沉降性能好、密度大的生物聚合體，隨后慢慢進化，最終形成好氧顆粒污泥

　　2.2.3絲狀菌假說

　　研究表明，當接種污泥當中含有絲狀菌時，會將系統(tǒng)中球菌、桿菌及小顆粒等相互連接、纏繞形成顆粒污泥。當接種污泥中絲狀菌占優(yōu)勢時，大量細菌會以絲狀菌為載體進行吸附性生長，其相當于骨架作用，在剪切力、沉降時間改變下，形成好氧顆粒污泥。林勇山等研究發(fā)現通過向絮狀活性污泥中接種部分絲狀菌，可以在15天就培養(yǎng)出理化性能良好的好氧顆粒污泥，大大縮短顆?；瘯r間。

　　2.3影響好氧顆粒污泥形成的主要因素

　　好氧顆粒污泥形成是一個復雜的過程，包括物理、化學和生物共同作用。在有氧條件下，由絮狀污泥逐步向顆粒污泥轉化，這一過程也受到不同因素影響，比如有機負荷及組成、水力剪切力、沉降時間、反應器構造及金屬離子等。

　　有機負荷過低，微生物生長緩慢；有機負荷過高造成系統(tǒng)內絲狀菌大量繁殖，影響反應器穩(wěn)定運行，適宜顆粒污泥形成有機負荷范圍在2.50-15kgCOD/(m3-d)。王芳等問研究了不同有機負荷下(1.58kg/(m3.d)、14.12kg/(m3.d))好氧顆粒污泥對污染物去除效果，發(fā)現在兩種負荷條件下顆粒污泥對污染均有良好去除效果，但高負荷下顆粒污泥的沉降性能比低負荷條件下好，且在低負荷下出現了污泥膨脹現象。因此適宜的有機負荷有利于好氧顆粒形成

　　水力剪切力在顆粒形成及穩(wěn)定運行過程中同樣具有重要作用。在序批式SBR反應器中，水力剪切力主要來源于氣體流動，污泥在水力剪切力作用下相互碰撞，最后形成好氧顆粒污泥。研究表明只有當反應器水力剪切力提高到一定水平，好氧顆粒污泥才會形成。Liu等研究表明只有當反應器內上升流速大于1.2cm.s-1時，顆粒污泥才會形成;隨著上升流速增加，顆粒污泥外觀越來越規(guī)則，密度、強度越來越，還會促進微生物分泌大量EPS，細胞疏水性增強，有助于形成結構緊密好氧顆粒污泥，維持反應器穩(wěn)定運行。

　　沉降時間是影響污泥顆?；闹匾蛩?，在顆粒污泥形成過程中主要是對微生物進行篩選，將沉降性差的污泥排出反應器，留下沉降性良好的污泥進而實現顆?；in等研究發(fā)現只有當沉降時間低于15min時，才會出現好氧顆粒污泥，當沉降時間小于5min時，顆粒污泥在反應器當中占據主導作用。同時在較短的沉降時間下，反應器當中的EPS含量明顯增加，微生物活性及細菌表面的疏水性明顯增強，顆粒化進程也明顯加快。

　　三、好氧顆粒污泥處理高氨氮廢水的影響因素

　　3.1有機負荷的影響

　　有機負荷(OLR)對顆粒的形成與穩(wěn)定有一定影響，有機負荷變化會產生不同選擇壓，富集不同微生物菌群影響污泥的顆?；胺€(wěn)定性皿研究表明，在較低有機負荷下，好氧顆粒污泥內部容易發(fā)生水解，導致顆粒污泥內部出現空洞而解體，影響反應器的穩(wěn)定運行;當有機負荷過高時，顆粒污泥中微生物快速增長，顆粒粒徑變大導致，顆粒結構變得疏松，穩(wěn)定性變差。王香蓮在培養(yǎng)好氧顆粒污泥過程中頻繁改變氨氮濃度造成顆粒污泥穩(wěn)定性減弱，出現顆粒解體;當進水COD為2200mg/L，氨氮濃度為240mg/L，出水氨氮、亞硝酸鹽均檢測不出，TN去除率高達70%，去除效果良好。

　　3.2溶解氧的影響

　　在較低高溶解氧(DO)下由于傳質阻力的存在會導致顆粒內部由于供氧不足而產生厭氧代謝，同時絲狀菌大量繁殖，嚴重影響顆粒污泥的穩(wěn)定性，甚至不能形成好氧顆粒污泥;適當的DO濃度促進顆粒污泥的形成及生長，顆粒粒徑分布也比較集中;但DO過高，由于水力剪切力的作用導致顆粒污泥解體，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。黃國玲等研究發(fā)現氨氮濃度從300mg/L逐步提升至900mg/L，pH為8，曝氣量為75L/h時，脫氮效果最佳，氨氮去除率維持在96.7%以上;曝氣量較低會導致DO不足，顆粒污泥之間相互碰撞幾率減少，曝氣量過大會導致顆粒內部厭氧區(qū)的空間減少，不利于反硝化進行。董苗苗等研究發(fā)現污泥的沉降性能、胞外聚合物中多糖(PS)含量隨著DO的升高而增加，而胞外聚合物中蛋白質(PN)基本不變，且在較高DO條件下部分顆粒污泥出現解體。

　　3.3其他方面

　　其他因素，例如進水C/N比、碳源種類、排水比、選擇壓、pH、溫度、曝氣時間、絮凝劑添加方式等都會對顆粒污泥造成影響。何理「如首先利用合成廢水在不同選擇壓下啟動好氧顆粒污泥，得出最佳條件，后在不同排水比(73%、66%、50%)下以實際畜禽養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現在較小選擇壓形成的顆粒污泥粒徑較大，且脫氮效果良好;排水比為66%形成顆粒污泥具有較好的碳氮去除效果，而排水比50%形成的顆粒污泥對磷去除效果較好。

　　四、結論與展望

　　好氧顆粒污泥因其良好的沉降性、抗沖擊負荷強、高生物量等特點受到越來越多研究者的關注，對畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液、化肥工業(yè)廢水等高氨氮有機廢水具有良好的去除效果，且序批式反應器相較于傳統(tǒng)工藝具有工藝簡單、運行費用低、占地面積小等特點，使好氧顆粒污泥技術在處理高氨氮廢水領域具有良好的應用價值。但由于異養(yǎng)微生物生長速度快，當運行條件(如容積負荷、曝氣量等)控制不當時，易造成顆粒污泥解體，沉降性能下降，出水水質惡化，因此好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性成為其工業(yè)化推廣的瓶頸，這將是今后的研究重點。（來源：重慶市生態(tài)環(huán)境科學研究院；重慶市生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測大數據應用技術協同創(chuàng)新中心；重慶理工大學化學化工學院；重慶大學材料科學與工程學院；重慶川儀環(huán)境科技有限公司）