蘇州科技大學(xué)陳重軍：厭氧氨氧化顆粒污泥的研究進(jìn)展

全康環(huán)保:推薦理由：自活性污泥法成功用于城市污水處理以來，歷經(jīng)百年，彌久不衰。但隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量有機(jī)污染物進(jìn)入水環(huán)境，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、水華現(xiàn)象、藍(lán)藻爆發(fā)事件頻發(fā)。同時(shí)為了進(jìn)一步降低傳統(tǒng)活性污泥法能耗、占地面積，提高氮、磷的去除效能和能源回收，顆粒污泥技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)教授Mark van Loosdrecht院士指出，未來污水處理生物技術(shù)主要是厭氧氨氧化(Anammox)、好氧顆粒污泥(AGS)技術(shù)。由于Anammox 微生物繁殖速率低，世代周期長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中容易隨污泥流失導(dǎo)致難以快速培養(yǎng)。而顆粒污泥因其具有優(yōu)異的沉降性能，可以保留大量生物群體，抵抗沖擊能力強(qiáng)，能有效解決污泥流失的困境，對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。耦合Anammox和顆粒污泥的優(yōu)勢(shì)，因而有關(guān)Anammox顆粒污泥相關(guān)研究迅速開展。然而有關(guān)Anammox顆粒污泥的性質(zhì)、影響因素、局限性和應(yīng)用的研究進(jìn)展相關(guān)報(bào)道并不多見。蘇州科技大學(xué)陳重軍副教授一直從事Anammox相關(guān)研究，并對(duì)Anammox顆粒污泥特性、形成因素、應(yīng)用狀況進(jìn)行分析。近期，該研究小組將此研究成果以“Research advances in anammox granular sludge: A review”為題，發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域期刊Critical Reviews in Environmental Science and Technology。

――同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院、《中國(guó)給水排水》青年編委 劉俊 博士

該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（51508366）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2020M671400）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20201450）的資助。研究成果以“Research advances in Anammox granular sludge: A review”為題，發(fā)表在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（SCI，IF= 8.302，1區(qū)Top）DOI:10.1080/10643389.2020.1831358

中文摘要

厭氧氨氧化 (Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌(AnAOB)以NO2--N為電子受體，氧化NH4+-N為N2的過程。該過程無需外加有機(jī)碳源，主要應(yīng)用于高氨氮、低碳源廢水處理，為實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)低耗脫氮提供了新途徑。然而，AnAOB繁殖速率低，倍增時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中很容易隨污泥流失導(dǎo)致難以快速培養(yǎng)。顆粒污泥因其具有優(yōu)異的沉降性能，可以保留大量生物群體，抵抗沖擊能力強(qiáng)，能有效解決污泥流失的難題，對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，成為Anammox的主要選擇形式。本文綜述了厭氧氨氧化顆粒污泥的性質(zhì)、影響因素、局限性以及應(yīng)用的研究進(jìn)展，旨為厭氧氨氧化顆粒污泥的研究和工程應(yīng)用提供參考。

圖文摘要

1 引言

傳統(tǒng)生物脫氮工藝是基于硝化-反硝化過程，最后轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓に嚵鞒涕L(zhǎng)，脫氮負(fù)荷低，占地面積大，投資高。因此，進(jìn)一步探索高效率、低能耗的廢水脫氮技術(shù)已成為廢水脫氮領(lǐng)域的重要內(nèi)容。厭氧氨氧化 (Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌(AnAOB)以NO2--N為電子受體，氧化NH4+-N為N2的過程。該過程無需外加有機(jī)碳源，主要應(yīng)用于高氨氮、低碳源廢水處理，為實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)低耗脫氮提供了新途徑。然而，AnAOB繁殖速率低，倍增時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中很容易隨污泥流失導(dǎo)致難以快速培養(yǎng)。顆粒污泥因其具有優(yōu)異的沉降性能，可以保留大量生物群體，抵抗沖擊能力強(qiáng)，能有效解決污泥流失的難題，對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，成為Anammox的主要選擇形式。本文綜述了厭氧氨氧化顆粒（AnGS）的性質(zhì)、影響因素、局限性以及應(yīng)用的研究進(jìn)展，希望能為AnGS的研究和工程應(yīng)用提供借鑒。

圖1 Anammox顆粒污泥（表觀、顯微態(tài)）

2 圖文導(dǎo)圖

該綜述首先介紹了AnGS的優(yōu)點(diǎn)及形成過程。顆粒污泥比絮體污泥更致密，微生物結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，AnGS可以在不需要載體的情況下確保完全的生物量保留。此外，由于它們的高沉降速度，可以采用高水力負(fù)荷，而不會(huì)對(duì)生物量造成相應(yīng)的沖刷。顆粒污泥由微生物細(xì)胞、胞外聚合物(EPS)和無機(jī)物等組成。AnGS的形成過程見圖2。

圖2 AnGS形成過程機(jī)理研究

文章介紹了AnGS的性質(zhì)、影響因素、局限性及應(yīng)用的研究進(jìn)展。AnGS一般呈球形且表面光滑，可分為沉降顆粒和漂浮顆粒，沉降顆粒的平均粒徑為（2.96±0.99）mm，小于漂浮顆粒的平均直徑，即(4.58±1.22)mm，研究發(fā)現(xiàn)沉降性能和反應(yīng)器的總體性能呈現(xiàn)正相關(guān)，即顆粒沉降性越高，反應(yīng)器的性能越好。而AnGS的粒徑與密度成反比。因此，增大粒徑會(huì)導(dǎo)致AnGS的密度降低，從而導(dǎo)致顆粒污泥的上浮。根據(jù)Anammox工藝的沉降模型，1.75~4.00mm的粒徑被認(rèn)為是Anammox工藝有效運(yùn)行的最佳粒徑。為防止顆粒污泥上浮，建議AnGS的粒徑始終保持在2.20mm以上。AnGS獨(dú)特的胭脂色也表明了AnAOB的高活性，但它們的顏色仍然可以從胭脂紅到褐色或黑色，主要受到AnAOB中血紅素c的濃度影響，見圖3、4。

圖3 厭氧氨氧化顆粒污泥形態(tài)（表觀、顯微態(tài)、SEM）（Daetal.,2019）

圖4 厭氧氨氧化顆粒污泥表面SEM(A(D)、B(E)、C(F)分別為黑色、棕色、紅色AnGS)

同時(shí)，一定濃度有機(jī)物的存在會(huì)對(duì)AnGS的污泥特性造成影響，隨著濃度的升高，AnGS由磚紅色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)造成顯著影響（見圖5）。AnGS的形成及性能不僅受底物濃度、溫度、pH值、HRT和SRT等因素的影響，胞外聚合物(EPS)的聚集、流體動(dòng)力剪切力和攪拌速度、無機(jī)離子的存在以及廢水中納米顆粒的存在等因素的影響不容忽視。

圖5 厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性質(zhì)變化（在COD濃度分別為0, 50, 100, 150 and 200 mg/L脅迫100d，平均粒徑、沉降速度、完整度系數(shù)和濕密度）

厭氧氨氧化顆粒污泥在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模和工程應(yīng)用各個(gè)層面上均取得成功，具有巨大優(yōu)勢(shì)，見表1。

表1 厭氧氨氧化顆粒污泥在不同反應(yīng)器中的應(yīng)用

然而，厭氧氨氧化在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些局限性。比如顆粒污泥的上浮現(xiàn)象、AnGS的儲(chǔ)存及重金屬的影響等，仍然限制著AnGS的大規(guī)模應(yīng)用。較高脫氮負(fù)荷導(dǎo)致氮?dú)猱a(chǎn)量的增加可能是AnGS上浮的主要原因之一。也有專家認(rèn)為顆粒污泥內(nèi)部形成的氣穴也會(huì)造成顆粒上浮。而對(duì)于AnGS的儲(chǔ)存，應(yīng)該選擇新方法替代冷凍保存。而重金屬的不同類型、數(shù)量會(huì)不同程度地抑制AnGS的形成，也為厭氧氨氧化顆粒污泥處理工業(yè)廢水帶來了難度。

3 結(jié)論與展望

研究者們已對(duì)AnGS的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、影響因素等進(jìn)行了研究，為Anammox快速顆?；头€(wěn)定運(yùn)行提供了基礎(chǔ)，但仍存在一些局限性。比如厭氧氨氧化顆粒污泥的上浮、儲(chǔ)存及重金屬敏感性均限制AnGS的大規(guī)模應(yīng)用，亟待在未來研究中著手解決。