1.3 好氧颗粒污泥形成过程的优化研究进展

目前针对优化好氧颗粒污泥的形成过程，主要从加速其形成过程的方向展开。

1.3.1 投加辅助材料或改变接种污泥组分

金属离子可以作为最初的晶核供细菌黏附，加速好氧颗粒污泥的形成过程 ^[68-71] 。研究指出，Ca ²⁺ 的投加量为100 mg/L时，经过16天的培养可以形成好氧颗粒污泥，而在不投加Ca ²⁺ 的SBR中，颗粒化时长延长至32天。另外，在SBR内投加Ca ²⁺ 后，形成的好氧颗粒污泥具有优异的沉降性及强度 ^[68] 。Li等 ^[72] 考察Mg ²⁺ 对好氧颗粒污泥形成过程的影响，发现Mg ²⁺ 同样可以加速SBR中好氧颗粒污泥的形成过程，且颗粒粒径大、内部结构紧实（图1.11）。Wan等 ^[73] 从钙沉淀作为颗粒内核的角度完善好氧颗粒污泥形成过程的机理，即多种晶体在碱性环境下形成无机内核供微生物附着，随后这些微生物分泌PS逐渐形成好氧颗粒污泥的框架。其中，附着在内核上的功能菌主要有 Sphingomonas sp.、 Paracoccus sp.、 Sinorhizobium americanum strain和 Flavobacterium sp.，这些菌体会促进胞外循环双鸟苷酸环化酶（c-di-GMP）合成、Psl和Slg基因表达和PS分泌量，继而加速好氧颗粒污泥的形成。

S： d ＜0.2mm；B：0.2mm＜ d ＜0.6 mm；C：0.6 mm＜ d ＜1.5 mm；D： d ＞1.5 mm

Liu等 ^[74] 证实投加500 mg/L的聚合氯化铝（poly aluminum chloride，PSC）可以加速好氧颗粒污泥的形成过程，颗粒化时长由17天缩短到7天，好氧颗粒污泥的平均粒径为3.2 mm，不投加PSC的反应器内形成的颗粒较小（2.7 mm），如图1.12所示。而且，PSC会明显提高好氧颗粒污泥的沉降性、紧实性、机械强度以及EPS分泌量。且投加PSC对COD和 处理效果的影响较小。Liu等 ^[75] 随后考察PSC对破碎好氧颗粒污泥再次颗粒化的影响，发现PSC会促进电荷中和并诱导架桥作用，继而改变污泥表观特性。重组后的好氧颗粒污泥的粒径大、结构紧实，且出水效果显著提高。

通过改变接种污泥组分也可以加速好氧颗粒污泥的形成过程。Ivanov等 ^[76] 在接种污泥中混入具有高自聚和共聚能力的纯菌培养基（ Klebsiella pneumoniae strain B和 Pseudomonas veronii strain F，自聚指数分别是65%和51%，共聚指数为58%），仅经过8天便培养出平均粒径为446μm的好氧颗粒污泥。Coma等 ^[77] 选取两个SBR，在反应器R1中完全接种絮状污泥，反应器R2的接种污泥，10%为破碎颗粒，90%为絮状污泥。结果发现，虽然两个反应器均可以培养出好氧颗粒污泥。但是R1中始终存在絮状污泥，处理效果达到稳定时对氮和磷去除率分别为75%和93%，而R2中的污泥实现完全颗粒化，且耗时较短，氮和磷去除率分别达到84%和99%。另外，添加10%的破碎颗粒作为接种污泥，不仅可以防止微生物流失，还能维持反应器稳定的处理性能。Verawaty等 ^[78] 将碾碎颗粒作为接种污泥，利用CLSM观察80天内污泥形态变化，结果显示絮状污泥会黏附在接种污泥表面，降低其在颗粒化过程中被淘洗出反应器的概率，进而明显缩短好氧颗粒污泥的形成过程，且能保持反应器较好的处理性能。Liu等 ^[79] 将长时间储存的好氧颗粒污泥作为接种污泥，培养2天后好氧颗粒污泥的活性便能完全恢复，运行5天后反应器内部会形成新生好氧颗粒污泥，且这些新生的好氧颗粒污泥在成熟稳定后，粒径和形态与接种污泥相近。Song等 ^[80] 分别选取啤酒污水处理厂和市政污水处理厂中的污泥作为接种污泥，证实沉降性能优异的活性污泥可以加速好氧颗粒污泥的形成过程。

尽管以上措施均能在一定程度上加速好氧颗粒污泥的形成过程，但是需要额外添加辅助材料，不同程度地增大实际运行费用并将工艺复杂化。

1.3.2 调控运行条件

Qin等 ^[13，53] 指出直接将ST设定在较低值可以缩短好氧颗粒污泥的形成过程，而逐步降低ST的运行方式会延长好氧颗粒污泥的形成过程。Yang等 ^[81] 通过提高OLR的方式加速了好氧颗粒污泥的形成过程。研究发现OLR骤升后，会刺激 Pseudomonas 、 Clostridium 、 Thauera 和 Arthrobacter 分泌c-di-GMP并合成大量的藻酸盐样胞外多糖（SLE），这些黏性物质作为好氧颗粒污泥的前驱体，显著促进好氧颗粒污泥的形成过程，由此认为微生物大量分泌SLE是加速颗粒污泥形成过程的必要因素。

添加PSC的反应器：（a）2天，（c）20天，（e）30天，（g）50天；不添加PSC的反应器：（b）2天，（d）20天，（f）30天，（h）50天

Gao等 ^[82] 分别考察提高OLR（R1）、降低ST（R2）、延长饥饿时长（R3）和提高剪切力（R4）四种运行方式对好氧颗粒污泥形成的影响，结果显示四种方式下均能培养出好氧颗粒污泥，颗粒化过程分别经历21天、11天、16天和16天，但不同的运行方式对好氧颗粒污泥的形成过程和特性具有不同的影响。例如，逐渐降低ST的反应器R2内颗粒形成速度最快，且EPS含量最高，在延长饥饿时长或提高剪切力的运行模式下获得的颗粒完整度高、粒径小，逐步提高OLR的反应器R1内好氧颗粒污泥的粒径较大（图1.13）。

1.3.3 耦合选择压

通过以上研究可以看出，虽然好氧颗粒污泥的形成受到众多因素的影响，但是好氧颗粒污泥的形成过程并不取决于单一因素，而是多重因素共同作用的结果。

Zhang等 ^[83] 研究OLR和水力选择压对好氧颗粒污泥形成过程的影响，证实在由高负荷污水[OLR-24Kg COD/（m ³ ·d）]、短周期时长（30min）和短ST（1min）产生耦合选择压的作用下，7h内便可培养出好氧颗粒污泥，但是其稳定性差，2天内发生破碎现象。Liu等 ^[84] 采用强水力选择压和高负荷的耦合运行模式培养出好氧颗粒污泥，并考察这种培养方式在不同ST、配水基质、反应器类型、体积交换律和剪切力环境下的适用性，结果证实此方式对优化培养好氧颗粒污泥并加速其形成过程是行之有效的。但是，高负荷条件下形成的颗粒不稳定，14天后结构会变得蓬松。

Long等 ^[85] 通过间歇式接种好氧颗粒污泥，并施加选择压，加快了好氧颗粒污泥在中试规模下的形成速度（18天）。其快速形成机理包括晶核假说和选择压假说，即在实验过程中投加成熟好氧颗粒污泥，可以作为悬浮污泥的晶核，促进新生颗粒的形成；较短的ST、较高的水力剪切力和厌氧-好氧（anaerobic-aerobic，S/O）运行模式构成水力选择压对污泥进行筛选；通过控制基质浓度和厌氧进食机制营造生物选择压（厌氧环境下，较高基质浓度可以提高基质转移驱动力，同时抑制丝状菌繁殖）。结合以上因素的共同作用，最终保证好氧颗粒污泥的快速形成。

Lochmatter等 ^[63] 利用正交实验考察污染物负荷、曝气机制、投加烯丙基硫脲、曝气速率、降低ST方式、pH值和温度对好氧颗粒污泥形成过程的影响，确定有利于颗粒污泥快速形成的条件包括：①好氧阶段高低DO交替运行；②运行起始7天内沉淀时间的设定以防止过分排泥为基准；③培养初期严格控制污染物浓度，确保好氧曝气开始前COD全部耗尽；④20℃；⑤中性pH值。

耦合以上选择压可以加速好氧颗粒污泥的形成过程，颗粒化时长小于30天。好氧颗粒污泥的形成过程中采用的高剪切力 ^[20，60] 和厌氧进食模式有利于生长速率慢的聚磷菌（phosphorus accumulating organisms，PSOs）和聚糖菌（glycogen accumulating organisms，GSOs）大量繁殖 ^[12] ，这是形成结构稳定、紧实好氧颗粒污泥的关键条件。另外，曝气机制会显著影响反硝化性能 ^[86] ，弱碱性和低温条件也有利于富集PSOs ^[87] 。但是，以上运行模式时期较短（约50天），且需要人为调控有机负荷以确保COD在厌氧阶段完全脱除，使操作管理复杂化。而且，曝气机制和DO依然存在再优化的可能性。 1fwBw2NpWGtGgZTIsnEHt6OXw81l2OtCE9Xh6pCtYFcSRxxpO6jdij6mCdSUF0ux