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- 好氧顆粒污泥的性質及形成機制
- 發布時間： 2020-11-9 點擊次數：1464
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引言
20 世紀90 年代末，在曝氣反應器中培養了一種新型的活性污泥—好氧顆粒污泥 AGS ( Aerobic Granular Sludge) 。
好氧顆粒污泥是在有氧條件下 ， 微生 物 通過 自 聚集形成具有 顆粒狀規則外 形、 結構密實 、 沉降性能 優 良 、 污 染 物 處 理效 果 明 顯 的 特 殊 的 微生 物 聚 集 體 ， 即 在流體動 力 條件下 微生 物 自 固 定形成生 物體 團 聚 的特殊過程 ， 較傳統活性污 泥工藝 ， 好氧 顆 粒污 泥 不 易 出 現 污 泥 膨 脹 和 處 理 水 質 變 差 等 問 題。
作為一項污水深度處理工藝，AGS具有污水處理能力強、生物量高、抗沖擊負荷能力強及剩余污泥少等優點，因而受到廣泛關注。
好氧顆粒污泥的形成機制
好氧顆粒污泥的形成過程是一個包含物理 、化學和生物作用的復雜過程。目前，對于好氧顆粒污泥成粒機理仍然眾說紛紜，尚未形成統一定論，但是從文獻來看，與市政污水處理工藝密切相關的理論得到更多學者認可。 1.1 絲狀菌假說 絲狀菌可相互纏繞，構成顆粒污泥的初始骨架， 微生物在表面附著，生長繁殖，在水力選擇壓下，逐漸形成顆粒污泥（圖 2）。 
在污泥顆粒化初期，真菌在絲狀菌表面富集，形成顆粒污泥的雛形。絲狀菌菌絲種屬和纏繞方式與顆粒污泥密實程度有關。李志華等對不同絲狀菌顆粒污泥進行了分析，發現以真菌為主的顆粒污泥，粒徑為 2.83 mm，結構更加密實且沉降性能****；以發硫菌Ⅱ、微絲菌為主的顆粒污泥粒徑 2.21～3.74 mm，表面光滑，沉速較小；而以浮游球衣菌、Type 0041 為主的顆粒污泥，沉降性較差，易于破碎。
1.2 胞外多聚物假說 胞外多聚物（EPS）是微生物分泌的高分子物質，它能夠改變細胞表面的荷電性、疏水性，在好氧顆粒污泥形成過程中起著重要作用。EPS 通過離子鍵、配位鍵等方式與微生物結合，促進細菌 - 細菌、 細菌 - 固體的粘附，形成凝聚核；粘附的微生物持續生長、繁殖，顆粒不斷增大，形成規則、穩定的顆粒污泥（如圖）。 
蛋白質（PN）和多糖（PS）是 EPS的主要成分。蛋白質含有氨基，可降低微生物間的靜電斥力，而多糖可作為粘合劑促進微生物及小分子顆粒之間的聚集。通常高有機負荷、低沉降時間、高水力剪切力以及Ca、Mg等金屬離子的存在可促進EPS的分泌，利于顆粒污泥的形成。 同時，EPS 在維持顆粒污泥結構的穩定性方面發揮著重要作用。PN 提高了顆粒污泥的絮凝性和穩定性，而 PS 增加了顆粒污泥的機械強度。 此外，β-多糖在顆粒污泥的結構穩定中起了一種類似粘合劑的作用，將蛋白質、脂質和 α- 多糖粘結起來，從而形成穩定的顆粒污泥。
1.3 誘導核假說 誘導核假說認為污泥顆粒化過程以誘導核為基礎，微生物在誘導核表面附著、聚集、生長，最終形成成熟的顆粒污泥（如圖）。 充當誘導核的物質種類較多，可以是微生物聚集體，非溶性無機鹽晶體，顆粒污泥或碎片等。通過人為投加顆粒載體，可加快污泥顆粒化的進程。一些學者通過向序批式活性污泥法反應器（SBR）投加生物碳、磁性納米粒、硅藻土等惰性載體，極大地促進了顆粒污泥的形成。
1.4 微生物自凝聚假說 自凝聚假說強調了微生物自身的作用。在高剪切力下，微生物的代謝途徑發生改變，分泌黏性物質（多糖和果膠類物質），菌體之間相互聚集形成密度較大，活性和傳質更好的微生物聚集體，從而增強抗壓能力。微生物在此基礎上不斷生長、繁殖，形成結構緊密，表面光滑的顆粒污泥。 研究者還發現，微生物可通過分布在表面的類外源絮凝素與其他細菌表面的甘露糖殘基結合，實現微生物的自絮凝。此外，系統自凝聚菌株的大量存在，可提高顆粒化成功率和進程。 針對廢水的復雜性和多樣性，自絮凝菌株的篩選和培育顯得尤為重要，高自凝聚能力功能菌的篩選仍是一個待克服的難題。 1.5 信號分子假說 微生物具有的群體感應 （Quorum sensing，QS）系統對顆粒污泥的形成具有一定的調節作用。 根據細菌群體感應信號分子的不同，QS 系統可分為 3 類： 1）以酰化高絲氨酸內脂（N-acyl homoserine lactones， AHLs） 為自誘導物的革蘭氏陰性菌 QS 系統； 2）以修飾的寡肽（Auto inducing peptide，AIP）為溝通語言的革蘭氏陽性菌 QS 系統； 3）種間 QS 系統，其信號分子為自誘導物 -2（Autoinducer-2，AI-2）。 目前，好氧污泥顆粒化的研究主要以 AI-2 和AHLs 展開。AHLs 和 AI-2 含量的增加有助于促進污泥的黏附和 EPS 的分泌，提高好氧顆粒污泥的穩定性。在外界壓力下，細菌分泌大量的信號分子，當其含量達到閾值后，微生物引發 QS 系統，改變微生物的細胞理化性質、分泌 EPS，以適應環境的變化（如圖）。 
受外界壓力的影響，QS 系統會誘導生物膜產生大量的 EPS，微生物從入侵模式轉化為保護模式，利用 EPS 對抗環境威脅。
WANG 等發現，有機負荷沖擊將誘導細胞產生胞外環鳥苷二磷酸和胞外多糖，影響細菌的粘附性和疏水性。LIU 等和 GALLOWAY 等發現，細菌處于饑餓期會分泌更多的 AI-2，促進 EPS 的產生，利于細菌的粘附和聚集。適當調節外壓可以增強群體感應強度，激發信號分子的產生，加快污泥顆粒化進程。但外壓過大會抑制 QS 系統，降低微生物活性，不利于顆粒的形成。 目前，顆粒污泥 QS 系統的研究相對較少，現階段研究主要通過信號分子的變化推斷顆粒污泥的形成。但是，對信號分子的激發和調控機制尚不明確。且 QS 控制特征以 AHLs 和 AI-2 這 2 種信號分子為主，而對其它信號分子的發現和研究仍存在不足。 結語：相較于傳統活性脫氮除磷工藝技術，好氧顆粒污泥諸多優勢已變成當前研究熱點，雖說成形理論還存在一些爭議性，但值得一提的是，市政污水廠污水處理中，相較于傳統污水處理工藝，好氧顆粒污泥處理技術抗沖擊能力強、縮短停留時間、降低池容、減少占地。 好氧顆粒污泥技術的誕生也是為好氧生化工藝注入了新的活力，有利于我國在市政污水領域占領技術先機，以促進行業高質量發展。
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