1. 引言
作为一种新型污水处理技术，好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge, AGS)除具有优异的沉降性能、较高的微生物浓度[1]和良好的抗冲击负荷能力外，其独特的结构特征也为脱氮除磷微生物提供了适宜的生长环境，并且在运行过程中能简化工艺流程，减小占地面积，提高经济效益[2] [3]。本试验使用序批式间歇活性污泥法(SBR)，是污水处理过程中一种非常有效的工艺手段[4] [5]。然而，AGS的形成是一个复杂的过程，受颗粒粒径、底质类型、营养物质等多种因素的影响，导致污泥颗粒化周期长，所需的反应器高径比较大，难以在实际生产场地开展中试研究，这极大地限制了该技术的工业化应用[3]。本文以SBR为实验装置，研究快速造粒的方法，以及AGS去除化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)的效果，并提出好氧颗粒污泥技术在市政污水、工业废水等领域的发展趋势[6]。
2. 实验部分
2.1. 材料与装置
硅藻土、牡蛎壳购自山西太原，菌种购自上海甘度环境工程有限公司；无水葡萄糖购自于上海凌峰化学试剂有限公司，氯化铵、亚硝酸钠购自上海泰坦科技股份有限公司，磷酸二氢钾、氢氧化钠购自于国际集团化学试剂有限公司，均为分析纯；COD测试盒、TN测试盒和TP测试盒购自北京泰克赛维科技有限公司；实验配制溶液所用纯水均来自Millipore品牌的Direct-Q3UV型号/超纯水一体机。
试验所用反应器为高硼硅玻璃圆形量筒，高度为454 mm，内直径为61 mm，管直径为66 mm，有效容积为1 L，换水率为90%。曝气设备为塞尔SC-36力霸增氧器，以气泡石作为微孔曝气器，曝气头置于反应器底部。试验装置示意图如图1所示。
1——曝气设备；2——导气管；3——反应装置；4——溶解氧计；5——pH计；6——阀门；7——进水箱；8——曝气头。
Figure 1. Schematic diagram of the experimental apparatus
图1. 试验装置示意图
2.2. 培养基质预处理
选择硅藻土和牡蛎壳作为好氧颗粒污泥的培养基质。将两种材料分别进行研磨，并通过50~300目的筛网进行分级筛选，收集不同粒径的颗粒样品。将筛选后的6 g无机颗粒物分别投入含有1 L自来水的高硼硅玻璃量筒中，使用曝气器进行曝气，观察并记录颗粒的悬浮状态，硅藻土和牡蛎壳悬浮效果最佳的粒径范围分别是250~300目、200~250目。如图2所示。
Figure 2. Selection of particle size for diatomite (left) and oyster shells (right)
图2. 硅藻土 (左)和牡蛎壳 (右)颗粒粒径选择
2.3. 反应阶段
SBR反应包括进水、曝气、沉淀、排水过程，运行周期为24 h，其中进水为1 min，曝气为1386~1416 min，沉淀为20~50 min，出水为3 min。夏季26℃进行，冬季20℃进行，维持pH值在8左右，并定期使用光学显微镜观察污泥中微生物的生长状况，记录微生物的形态和数量变化。培养初期进水采用人工配制的模拟废水，以动态连续实验室小试为主，采用模拟生活自配污水，即以葡萄糖为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，添加菌种。在污泥驯化阶段以COD:N:P = 350:50:1的原则进行配水。在稳定运行阶段，COD比值逐步提高到500，1000，N比值逐步提高到120，150。根据培养情况，取水样，待分析COD，TN和TP，评估污泥对污染物的处理能力。
2.4. 分析检测
COD测定采用美国环保署(USEPA)消解比色法；TN测定采用过硫酸盐氧化法；TP测定采用USEPA PhosVer 3消解–抗坏血酸法；污泥沉降比(SV)和污泥体积指数(SVI)按GB/T 23486-2009标准方法测定；混合液悬浮固体浓度(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)按GB/T 11901-1989标准方法测定。
2.5. 污泥特性分析
停止曝气，使用吸虹法去除系统上清液，将颗粒污泥转移至聚丙烯广口瓶，0~4℃避光冷藏。分析污泥的折光率、吸光度、粒度分布，以及利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)观察污泥的微观结构和形态[7]-[9]。污泥粒度通过由Spectris plc制造的Nano-Zs90 Malverne激光粒度分析仪测得。
3. 结果与讨论
3.1. 活性污泥的形态结构
图3是硅藻土AGS和牡蛎壳AGS培养过程中的外观形态变化。第0~3 d时，反应器内硅藻土AGS为棕色，牡蛎壳AGS为乳白色，以细小棕色颗粒污泥为主，仅有少量污泥开始聚集成不规则棕色絮状小颗粒，同时伴随污泥解体现象；随着运行至第25 d，颗粒数量逐渐增多，硅藻土AGS颜色由深棕色向浅褐色过渡，牡蛎壳AGS由浅黄色向浅褐色过渡并观察到白色絮状团附着于小颗粒表面；当运行至第60 d，颗粒完整度显著提高，形态趋于饱满光滑，颜色进一步加深为棕褐色，颗粒呈近似球形或椭球形，表面光滑、结构致密，最终形成颜色均一、形态规则且活性良好的成熟好氧颗粒污泥。
Figure 3. Morphological changes during the cultivation process of diatomite AGS (a)~(d) and oyster shell AGS (c)~(h)
图3. 硅藻土AGS (a)~(d)和牡蛎壳AGS (c)~(h)培养过程中的外观形态变化
图4是硅藻土AGS的生长过程。在培养过程中，发现光学显微镜中硅藻土AGS颜色由初始的小颗粒逐渐变为大颗粒。Day 3和Day 10时，AGS逐渐团聚。Day 18时，AGS形状更加饱满，颗粒结构更加紧实，实现颗粒化进程。
Figure 4. Growth process of diatomite AGS
图4. 硅藻土AGS的生长过程
图5是牡蛎壳AGS的生长过程。在培养过程中，发现光学显微镜中牡蛎壳AGS颜色由初始的小颗粒逐渐变为大颗粒。Day 3时，AGS形状饱满。Adva等人报道较高的曝气强度会促进小颗粒间的聚集，但同时也会引起丝状菌过度生长[10]，然而丝状菌的大量增殖可以为AGS的形成提供骨架。图4 Day 10的硅藻土污泥颗粒分散，说明丝状菌膨胀明显。而图5 Day 10和Day 18牡蛎壳颗粒紧凑，丝状菌膨胀现象减轻。牡蛎壳污泥粒度为3.19 μm，牡蛎壳污泥粒度为18.33 μm，与形貌结构趋势相同。
Figure 5. Growth process of oyster shell AGS
图5. 牡蛎壳AGS的生长过程
图6为硅藻土污泥及牡蛎壳污泥的SEM图片。如图所示，好氧颗粒污泥呈椭球型，轮廓清晰，表面相对光滑略有粗糙感[11]，具有较密实的结构，表面有明显的孔洞或孔隙，有助于提升颗粒污泥的表面积，使好氧颗粒污泥具有更加丰富的微生物相。这些孔洞或孔隙还能为微生物固着生长提供固着点，使得微生物与污水充分接触，有利于水中污染物的去除。另一方面这些孔隙是营养物质和气体传递的通道，也是颗粒污泥内部微生物排放代谢产物的通道[12]。
Figure 6. (a)~(c) SEM images of diatomite AGS; (d)~(f) SEM images of oystershell AGS
图6. (a)~(c) 硅藻土AGS的SEM图像；(d)~(f) 牡蛎壳AGS的SEM图像
3.2. 沉降性能
培养初期开始第25天，SV30/SV5比值中硅藻土污泥为0.816，牡蛎壳污泥为0.612，污泥沉降速率快且稳定；硅藻土污泥和牡蛎壳污泥的MLSS分别为3860 mg/L和4500 mg/L，表明污泥中微生物和有机物的总量较高；硅藻土污泥SVI为20.73 mL/g，牡蛎壳污泥为13.33 mL/g。两者均远低于膨胀阈值，沉降迅速，颗粒结构致密。
3.3. 污染物的去除效果
图7是硅藻土AGS和牡蛎壳AGS的去除效果。硅藻土AGS实验中(图7(a))，初始第22~27天，COD为300 mg/L，COD去除率去除效果较好。第41天，COD从300 mg/L提升到500 mg/L，为适应中浓度COD，硅藻土AGS的COD去除率仅为42.31%，后期第42~44天去除效果逐渐提升。第46天，COD从500 mg/L提升到1000 mg/L，硅藻土AGS适应高浓度COD，去除效果有所波动。
牡蛎壳AGS实验(图7(b))，试验第35天时，COD从500 mg/L提升到1000 mg/L时，牡蛎壳AGS初期适应高浓度COD，COD去除率仅为1.81%，近乎为零。然而，在驯化阶段，微生物迅速繁殖并大量消耗COD。随后，COD去除率显著提升：第37天达到65.27%，第39天升至75.54%，第43天增至89.95%，至第46天高达95.87%。结果表明牡蛎壳AGS对COD的去除效果极为显著，培养效果良好。第24天，牡蛎壳AGS还处于驯化培养阶段，去除TN的能力较弱，仅为16.25% (图7(c))，后期去除效果渐渐升高。表明牡蛎壳AGS对TN有一定的去除效果。图7(d)为牡蛎壳AGS对TP的去除效果，利用控制变量的方法，调节进水浓度。在初期TP去除率较低，在后期调整曝气强度，随后，TP去除率显著提升，第58天后去除率稳定在60%以上，牡蛎壳AGS对TP的去除效果显著，培养效果良好。牡蛎壳AGS所含的CaCO3微量溶蚀，对反应器内pH形成自限型缓冲，pH稳定在7~8，有利于对污染物的去除。
Figure 7. Removal effect of diatomite sludge on COD (a); Removal effect of oyster shells sludge on COD (b); TN (c) and TP (d)
图7. 硅藻土污泥对COD (a)的去除效果；牡蛎壳污泥对COD (b)；TN (c)；TP (d)的去除效果
3.4. 应用潜能
3.4.1. 市政污水处理
AGS技术可以应用于市政污水处理厂，通过快速培养和稳定运行，显著提高处理效率，减少反应器的占地面积，降低运行成本。该技术能够有效去除污水中的COD、TN和TP，确保出水水质达到国家排放标准。本文中以牡蛎壳为基质的AGS在第46天时COD去除率高达95.87%，表明其在处理市政污水时具有显著优势。
3.4.2. 工业废水处理
在工业废水处理中，AGS技术可以针对不同类型的废水(如食品加工废水、制药废水、化工废水等)进行定制化培养，提高对特定污染物的去除效果。通过优化培养条件，AGS能够快速适应高浓度、高毒性废水，显著提高处理效率，降低处理成本。本文中，牡蛎壳AGS在TP去除方面表现出色，第58天后TP去除率稳定在62%以上，显示出其在工业废水处理中的潜力。
3.4.3. 中小城镇污水处理
对于中小城镇和农村地区，AGS技术可以结合SBR工艺，实现高效、经济的污水处理。该技术操作简单，运行稳定，适合在资源有限的地区推广使用，能够有效解决中小城镇和农村地区的污水处理问题。本文中，AGS在不同粒径的无机颗粒物(如硅藻土和牡蛎壳)培养下均能成功实现颗粒化进程，表明其在中小城镇污水处理中的适用性。
4. 结论
本文开发了快速培养AGS的方法，使用硅藻土和牡蛎壳作为无机颗粒物，结合SBR反应装置，实现了AGS的高效形成和稳定运行。研究发现成熟AGS具有椭球型结构，表面光滑且有明显孔隙，有利于微生物固着生长和污染物去除。200~250目的牡蛎壳AGS具有良好的悬浮状态和颗粒化效果，显著的COD、TN和TP去除效果，研究结果为市政污水、工业废水和中小城镇污水处理提供了新的思路。
基金项目
大学生创新训练计划项目(cx2404010)。
NOTES
*通讯作者。