, 王硕1,3,4, 王玉莹1, 蒋志坚2, 李激1,3,4
1. 江南大学环境与土木工程学院, 无锡 214122;
2. 国联环保能源集团有限公司, 无锡 214131;
3. 江苏省厌氧生物技术重点试验室, 无锡 214122;
4. 江苏高校水处理技术与材料协同创新中心, 苏州 215009
收稿日期: 2017-05-18; 修回日期: 2017-06-16; 录用日期: 2017-06-16
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2015ZX07306-001）；国家自然科学基金（No.51408264）；江苏省重点研发计划（社会发展）科技示范工程（No.BE2015622）
作者简介: 唐堂(1993-), 男, E-mail: Ttang630@163.com
通讯作者（责任作者）: 李激, E-mail: lji18@126.com
摘要: 为探索好氧颗粒污泥形成机理，开展了不同培养方式下絮状污泥颗粒化特性研究.选取3种培养方式：人工配水培养、海藻酸钠强化培养和农村模拟污水培养，利用灰色关联分析法，对比3种不同培养方式下，污泥颗粒化过程中各影响因素灰色关联度系数，筛选好氧颗粒污泥培养的关键因素.研究发现，人工配水培养方式下经过40 d成功出现好氧颗粒污泥，投加海藻酸钠强化培养方式下经过20 d出现好氧颗粒污泥，农村模拟污水经过55 d培养出好氧颗粒污泥.3种培养方式下出现的好氧颗粒污泥均具有密实的结构和较好的沉降性能，同时可实现对污染物的高效去除.利用数据处理系统（Data Processing System，DPS）对各影响因素的灰色关联度进行分析，发现不同培养方式下污泥颗粒化过程中起主导作用的影响因素并非唯一，水力停留时间和胞外聚合物在各培养方式中均具有较高的关联度系数，对好氧颗粒污泥的形成具有关键作用.
关键词:好氧颗粒污泥培养方式影响因素灰色关联度
Characteristics and gray relational analysis of sludge granulation process under different cultivation strategies
TANG Tang1,2
, WANG Shuo1,3,4, WANG Yuying1, JANG Zhijian2, LI Ji1,3,4 1. School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122;
2. Guolian Environment and Energy Group, Wuxi 214131;
3. Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122;
4. Jiangsu College of Water Treatment Technology and Material Collaborative Innovation Center, Suzhou 215009
Received 18 May 2017; received in revised from 16 June 2017; accepted 16 June 2017
Supported by the Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment (No.2015ZX07306-001), the National Natural Science Foundation of China (No.51408264) and the Demonstration Project of Conceptual Wastewater Treatment Plant, Social Development Funding of Jiangsu Province (No.BE2015622)
Biography: TANG Tang(1993—), male, E-mail: Ttang630@163.com
*Corresponding author: LI Ji, E-mail: lji18@126.com
Abstract: In order to explore the formation mechanism of aerobic granular sludge (AGS), the contaminants removal performances and EPS secretion characteristics of AGS under different cultivation strategies were investigated, including AGS cultivated by synthetic wastewater, enhancing sodium alginate and rural domestic sewage. Based on the coefficient of gray relation (GR), the influence factors in the formation of AGS could be clarified. The experimental results show that the mature AGS were obtained after 40, 20 and 55 days by different cultivation strategies, respectively. The granules could all present good settling property and stable structure, as well as high contaminants removal efficiencies. According to the GR analysis by data processing system (DPS), it could be found that the main influence factors of AGS formation was not unique, the relatively high GR coefficients of hydraulic retention time (HRT) and extracellular polymeric substances (EPS) demonstrated that HRT and EPS acted as the important roles in the formation of AGS.
Key words: aerobic granular sludgecultivation methodsinfluence factorsgrey relational analysis
1 引言(Introduction)好氧颗粒污泥具有沉降性能好、生物量高且微生物多样性丰富、抗冲击负荷能力强及不易发生污泥膨胀等优势(郝晓地等，2011)，近年来针对其研究和应用日益增多.好氧颗粒污泥技术在2003年首次得到实际工程应用后，至今在全球已有超过40例工程运用，中国浙江等地区也已开展规模化运行并取得较好的污染物去除效果(唐堂等，2016；Li et al., 2014；Pronk et al., 2015).
好氧颗粒污泥技术的推广主要受培养周期过长制约，好氧颗粒污泥的形成过程较为复杂，其主要原因在于好氧颗粒污泥的形成机理尚未得到阐明，且污泥颗粒化的影响因素较多，主次不明确.现阶段****研究较多的影响因素有：进水组分和浓度、剪切力、沉降时间、胞外聚合物、溶解氧、金属离子等(Wan et al., 2014；Wang et al., 2016).成熟好氧颗粒污泥的形成受众多影响因素的综合作用，不同的影响因素对颗粒形成均会产生一定作用，但是否是污泥颗粒化的关键性因素仍存较大的不确定性，尚需深入研究.
关于好氧颗粒污泥培养过程中影响因素的分析目前大多集中在单一培养方式下，所得到的结论只适用于已选定的培养方式(Yu, 2008)，不同培养方式下最大关联因素不同，不具备普遍适用性，且目前研究中关于不同培养方式下各影响因素主次关系对比的研究较少.利用灰色关联度分析可以将复杂的多因素进行优化，进而简化成一个因素的灰色关联度.通过灰色关联度理论可以较准确、较完整地预测絮状污泥颗粒化过程中，不同影响因素对污泥颗粒化影响的重要程度.Zhu等(2013)利用灰色关联度分析发现，在人工配水培养方式下有机负荷、剪切力和沉降时间是影响好氧颗粒污泥形成的关键性因素.Xie等(2014)通过灰色关联度计算发现，好氧颗粒污泥的沉降性能、胞外聚合物含量和生物量在吸附重金属过程中发挥重要作用.
本文分别采用人工配水培养、海藻酸钠强化培养、农村模拟污水培养的方式驯化好氧颗粒污泥，研究絮状污泥颗粒化过程中各指标的变化规律.通过灰色关联度分析对比3种不同培养方式下，培养过程中各影响因素的关联度系数，筛选不同培养方式下最大关联因素，这对好氧颗粒污泥快速、稳定、高效培养具有重要意义.
2 实验部分(Experiments)2.1 反应器运行使用3组相同的序批式反应器(Sequencing batch reactor，SBR)培养好氧颗粒污泥，R1为实验室人工配水培养，R2为海藻酸钠强化培养，R3为农村模拟污水培养.SBR反应器有效高度100 cm，直径10 cm，有效体积4 L.运行周期4 h，包括进水60 min，沉淀时间由15 min逐渐缩短到3 min，排水5 min，其余为曝气时间.接种污泥取自无锡市某污水处理厂生化池.
R1为实验室人工配水培养，经大量文献查阅确定的进水COD、C/N比和C/P比均有利于好氧颗粒污泥的形成，水质接近雨污分流后城镇生活污水.污水污染物：COD 600 mg·L-1，NH4+-N 60 mg·L-1，PO43--P 16 mg·L-1.配水组分：NaAc 8560 mg·L-1，NH4Cl 2240 mg·L-1，MgSO4·7H2O 1804 mg·L-1，K2HPO4 735 mg·L-1，KCl 350 mg·L-1，KH2PO4 288 mg·L-1.
R2模拟污水污染物含量与R1相同，在R1的基础上投加海藻酸钠颗粒，海藻酸钠是一种常见的天然多糖类物质，具有较好的黏性和稳定性.同时，海藻酸钠也存在于细菌的胞外多糖中，可以促进活性污泥絮体的形成及加快生物膜的产生.颗粒制备方法如下(李超敏等，2006)：0.67 g·L-1 MgCl2溶于3%海藻酸钠溶液中配制成A液，1.07 g·L-1CaCl2(过量)溶于100 g水中配制成B液.将B液放在磁力搅拌器上，用针管吸取A液，匀速滴加至B液中，低温中速搅拌24 h，倒掉上清液即得海藻酸钠颗粒，将所得到的海藻酸钠颗粒分6个周期投加到R2中.
R3为模拟分散型农村污水(王硕等，2015)，各污染物含量为：COD 130~320 mg·L-1，NH4+-N 50~65 mg·L-1，PO43--P 3~14 mg·L-1.
2.2 胞外聚合物(EPS)提取取一定量(30 mL)污泥混合液，用50 W超声功率作用污泥悬浮液2 min，破坏单细胞和微生物菌落的絮体结构以使其形成均质状态(超声强度不宜过强，否则容易导致细胞解体)，加入180 μL甲酰胺并于4 ℃条件下提取1 h，再加入1 mol·L-1 NaOH溶液12 mL于4 ℃条件下提取3 h，所得混合液置于离心管中，在4 ℃、10000 r·min-1条件下离心20 min，所得上清液用0.2 μm滤膜过滤，即得污泥EPS样品(Liang et al., 2010).提取后的蛋白质使用考马斯亮蓝法测定，多糖采用硫酸-蒽铜法测定(Adav et al., 2008).
2.3 灰色关联度分析采用DPS数据处理系统进行灰色关联度计算分析，选取进水COD、水力停留时间(HRT)、胞外聚合物含量(EPS)、污泥有机负荷(OLR)4个影响因素进行计算.灰色关联系数和灰色关联度由公式(1)和式(2)计算得到.
 | (1) |
 | (2) |
2.4 分析方法试验中水质指标COD、氨氮测定方法参照《水与废水检测分析方法(第四版)》测定.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 人工配水培养好氧颗粒污泥随着反应器运行，R1在40 d出现成熟好氧颗粒污泥.培养出的好氧颗粒污泥为淡黄色密实球体，粒径约4 mm.较培养初期，反应器中生物量浓度增幅明显，从初始的3 g·L-1增长到8 g·L-1.污泥沉降性能较好，SVI持续降低最终稳定在50 mL·g-1左右.
3.1.1 污染物去除污泥颗粒化过程中COD去除效果如图 1a所示，在反应器运行前期COD去除率较低，维持在80%左右.其原因一方面在于活性污泥被接种至新的环境，污泥微生物尚未适应而表现出活性迅速降低；另一方面是由于初始阶段大量污泥被排出反应器，停留在反应器中的微生物量较少.随着污泥颗粒化的推进，微生物活性逐渐恢复、生物量不断增长，对COD的去除率逐步升高，去除率可以达到85%以上.当成熟好氧颗粒污泥形成后，COD去除率可以稳定维持在85%左右，反应器出水COD低于50 mg·L-1，优于中国污水处理厂出水一级A标准.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 R1反应器污泥颗粒化过程中污染物去除情况(a.COD, b.NH4+-N, c.PO43--P) Fig. 1Contaminants removal efficiencies during granulation process in R1 reactor |
污泥颗粒化过程中NH4+-N去除效果如图 1b所示，反应器运行初期，氨氮的去除率维持在60%左右且波动性较大.主要是由于初始阶段大量污泥被排出，导致生物量减少，对微生物的硝化活性造成一定程度的影响，氨氮去除效能低.随着生物量的增加，同时微生物逐渐适应运行环境，氨氮的去除率逐渐升高，最终可以达到90%左右.出水氨氮浓度维持在5 mg·L-1左右，基本可以达到一级A排放标准.相较于COD去除率稳定的增长，氨氮去除率增长过程中波动性较大.主要原因在于经过一段适应时间后，各类微生物菌群相互影响、竞争，但运行过程中的高曝气量有利于硝化细菌的增长，使硝化细菌逐步成为反应器内优势菌种，在后期运行过程中氨氮去除率维持较高水平.
好氧颗粒污泥中微生物多样性丰富，成熟颗粒中含有大量聚磷菌，在厌氧环境下聚磷菌利用进水中碳源合成能源物质，好氧环境下利用储存在其细胞内的物质作为能源，发挥其超量吸磷的作用，实现对磷的高效去除.培养前期，反应器中絮状污泥占较大比例，同时接种污泥在除磷药剂的长期驯化下聚磷菌活性较弱，导致前期磷的去除效果较差(图 1c).反应器运行至30 d后，磷的去除效能逐步提升，去除率可以达到50%以上.随着运行过程中对反应器中SRT的严格控制，反应器定期排泥，磷酸盐的去除效果得到进一步的改善，可以接近80%.可以看出，相较于絮状污泥，成熟好氧颗粒污泥的生物除磷能力具有显著优势.
3.1.2 胞外聚合物变化胞外聚合物具有粘附性而被认为在好氧颗粒污泥的形成过程中发挥重要作用，微生物细胞EPS的累积与生物吸附和微生物聚集密切相关(Miksch et al., 2012).如图 2所示，在絮状污泥颗粒化过程中，多糖(PS)含量基本保持不变，维持在6 mg·g-1(以MLSS计)左右，蛋白质(PN)含量从38 mg·g-1增加到11.2 mg·g-1.蛋白质的增量远远高于多糖的增量，蛋白质增量占EPS增量的90%以上.表明EPS内蛋白质类物质含量增加是絮状活性污泥颗粒化的重要因素，其作为EPS内的主要成分，有利于保持颗粒污泥的稳定性.PN/PS比值从0.7逐渐增加到1.7，在40 d左右颗粒污泥初步形成时PN/PS比值出现快速增长，PN/PS比值的增加有利于颗粒污泥的稳定性提高(鲁磊等，2015).
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 R1反应器胞外聚合物及其组分变化 Fig. 2Variations of EPS and its components in R1 reactor |
3.2 海藻酸钠强化培养好氧颗粒污泥在3.1节培养方式的基础上，通过投加少量海藻酸钠加快好氧颗粒污泥培养.反应器运行20 d左右，出现成熟好氧颗粒污泥，理化特性与正常培养好氧颗粒污泥接近无明显差异.
3.2.1 污染物去除效果反应器运行初始阶段，R2中COD的去除效果略低于R1，经过一段时间后，COD去除率迅速增长到80%以上且增长稳定(图 3a).最终当污泥颗粒化完全后，两者对污染物去除效果差异较小.R2对氨氮的去除率变化与R1基本相似，在反应器运行初期，氨氮的去除率出现降低现象，只能到达40%左右(图 3b).随着生物量的增加，同时微生物逐渐适应运行环境，氨氮的去除率逐渐升高，最终可以达到80%左右.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 R2反应器污泥颗粒化过程中污染物去除情况(a.COD, b.NH4+-N, c.PO43--P) Fig. 3Contaminants removal efficiencies during granulation process in R2 reactor |
R2对磷酸盐的去除变化趋势基本与R1相似，但相较于R1，投加海藻酸钠后各阶段对磷酸盐的去除率波动变化较小(图 3c).主要由于投加海藻酸钠后，反应器中有适宜微生物附着的载体，有利于菌群的富集进而缓解外界环境变化对微生物活性的冲击，污染物去除效果稳定.
3.2.2 胞外聚合物变化如图 4所示，相较于接种污泥，R2中成熟好氧颗粒污泥的EPS出现大幅增长，且增量主要体现在蛋白质的增长上，多糖含量前期有一定程度的增高，之后略有下降.PN/PS比值也从0.7增加到3.3.对比R1和R2，R1中EPS含量增长约10 mg·g-1(以MLSS计)，R2中EPS含量增长约30 mg·g-1(以MLSS计)，表明海藻酸钠对微生物的活性和生长具有促进作用，EPS中蛋白质类物质含量增加明显，占EPS增量的80%以上.EPS内蛋白质类物质含量增加是絮状活性污泥颗粒化的重要原因，有利于保持颗粒污泥的稳定性.此外，研究表明，PN亦可通过静电作用降低细胞表面电荷，细胞间排斥力的减小促进了污泥小颗粒的聚集.此外，蛋白质中氨基酸的疏水性基团在微生物凝聚中也发挥重要作用，同步促进了小颗粒的凝聚(王福琨等，2013).与R1中多糖含量基本保持不变不同，R2中多糖含量前期出现快速增长，从5 mg·g-1(以MLSS计)增长到15 mg·g-1(以MLSS计).随着反应器的逐步运行，多糖的含量逐步降低到初始水平.R2中出现多糖先大幅增加后逐渐减小的现象，其主要原因在于：①在反应器运行过程中，有一部分海藻酸钠颗粒混杂在污泥中一起被作为提取EPS的样品，造成多糖含量增加；②海藻酸钠作为一种多糖类物质可以被微生物利用，使得R2中多糖含量减少.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 R2反应器胞外聚合物及其组分变化 Fig. 4Variations of EPS and its components in R2 reactor |
3.3 农村污水培养好氧颗粒污泥利用农村污水对好氧颗粒污泥进行培养，反应器运行至第55 d时絮状活性污泥基本实现颗粒化.成熟的好氧颗粒污泥呈金黄色，形状规则表面较光滑，绝大部分颗粒粒径在1.5~2.5 mm之间.反应器内生物量显著增加至5.7 g·L-1，SVI从反应器启动阶段的124.6 mL·g-1下降到41.9 mL·g-1并趋于稳定.
3.3.1 污染物去除效果R3运行初始阶段，由于活性污泥沉降性能较差，大量活性污泥被冲出反应器，导致污泥生物量急剧下降，对污染物的去除效果较差.随着污泥生物量的增加和沉降性能的提高，其对氨氮和COD的去除能力也逐渐增强.在好氧颗粒污泥形成后，其对氨氮的去除效能继续升高并趋于稳定，COD和氨氮的去除率高达93.1%和90.4%.颗粒污泥对磷酸盐的去除能力逐步增长，在20 d左右出现小幅度的下降，但随着颗粒化污泥的形成去除率不断升高，实现了对磷酸盐的较好去除，去除率稳定在80%以上.在反应器运行后期，好氧颗粒污泥对污染物的去除能力均得到加强，表明污泥微生物在颗粒内部微环境中逐渐完成群落演替过程，其对污染物的转化能力显著提高.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 R3反应器颗粒化过程中污染物去除情况(a.COD, b.NH4+-N, c.PO43--P) Fig. 5Contaminants removal efficiencies during granulation process in R3 reactor |
3.3.2 胞外聚合物变化如图 6所示，在初始阶段微生物代谢产生的EPS中，多糖类物质始终处于稳定存在状态，好氧颗粒污泥形成后，其EPS内多糖类物质含量一直保持在8~12 mg·g-1(以MLSS计)之间，而EPS内蛋白质类物质含量则明显上升，由初始阶段的4.6 mg·g-1(以MLSS计)升高到颗粒污泥成熟时的29.2 mg·g-1 (以MLSS计)，蛋白质类物质含量提高6.3倍，同时PN/PS也由0.54升高到2.64，这表明EPS内蛋白质类物质含量增加是活性污泥颗粒化的重要因素.蛋白质类物质作为EPS的主要成分，有利于保持颗粒污泥的稳定性，为生活在好氧颗粒污泥内部的微生物提供适宜的生长环境.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 R3反应器胞外聚合物及其组分变化 Fig. 6Variations of EPS and its components in R3 reactor |
3.4 灰色关联度分析选定絮状污泥颗粒化过程中4个因素进行计算分析，其中，X1为进水COD，X2为有机负荷(OLR)，X3为EPS含量，X4为水力停留时间(HRT)，利用DPS数据处理系统软件计算3种培养方式下各因素的灰色关联度系数，结果如表 1所示.
表 1(Table 1)
| 表 1 灰色关联系数 Table 1 Gray correlative degree | ||||||||||||||||||||||||
表 1 灰色关联系数 Table 1 Gray correlative degree
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灰色关联系数越高，表明该因素对污泥颗粒化影响的重要程度越高.在人工配水培养方式下对污泥颗粒化影响因素重要程度排序为：HRT＞EPS＞OLR＞进水COD；通过投加海藻酸钠强化培养方式下好氧污泥颗粒化影响因素的重要程度为：EPS＞HRT＞OLR＞进水COD；在实际污水培养好氧颗粒污泥过程中影响因素的重要程度为：EPS＞HRT＞OLR＞进水COD.不同培养方式下在污泥颗粒化过程中发挥主导作用的影响因素并非唯一，其中，HRT和EPS在各种培养方式中均具有较高的关联度系数.在人工配水培养方式下，HRT的关联度系数最高，在培养过程中HRT逐步改变所形成的选择压可以有效筛选污泥，将沉降性能好、聚合程度高的污泥截留在反应器内(陈洁等，2006).在海藻酸钠强化培养和农村模拟污水培养方式中，EPS的关联系数均为最高，EPS作为污泥微生物生长过程中分泌的产物对微生物的粘附、凝聚具有重要作用.有研究表明，通过调控HRT和OLR可以影响EPS的分泌(宫小燕等，2009；杨忠林等，2012)，同时进水水质的不同对EPS也有一定影响(史长东等，2012)，因此，EPS作为颗粒化过程中的重要因素也是由于HRT、OLR和COD共同作用的结果.仅次于EPS，OLR也是污泥颗粒化的重要因素，OLR的高低直接影响着培养过程中微生物生长底物的充足与匮乏.Wang等(2006)在研究中发现，如果设定较长时间的污泥饥饿期，会使颗粒污泥逐渐失稳进而解体；而间歇设定较短的饥饿期，会促进活性污泥的颗粒化并使颗粒污泥趋于稳定.虽然设置饥饿期不是培养好氧颗粒污泥的先决条件，但适当调控反应器运行，保持底物充足/底物匮乏状态，对培养好氧颗粒污泥可以发挥促进作用(Liu et al., 2008).在众多因素中进水COD与颗粒化过程关联度最低，不同的碳源种类、不同的COD，均可以成功培养出好氧颗粒污泥(Adav et al., 2008).此外，研究中还发现，除X3外，R1和R2的X1、X2和X4结果均相同，表明海藻酸钠的投加发挥了载体作用，微生物附着在其上后有利于适应新环境以实现快速增长，进而使EPS含量增加，加快了污泥颗粒化进程.
4 结论(Conclusions)1) 人工配水条件下40 d培养出颗粒污泥，海藻酸钠强化培养方式下运行20 d出现颗粒污泥，利用农村模拟污水55 d培养出颗粒污泥.3种条件下培养出的颗粒污泥均具有密实的结构和较好的沉降性能，对污染物均可以实现较好的去除.
2) EPS在颗粒化过程中增加明显，R1、R2和R3的增量分别到达10、30和30 mg·g-1(以MLSS计)，蛋白质在EPS增量中占主要比例，是颗粒化进程的重要因素.多糖含量变化较小，PN/PS比值从0.7分别增加到1.7、3.3和2.6，形成的颗粒污泥的稳定性较高.
3) 不同培养方式下对颗粒化过程起主导作用的影响因素并非唯一，其中，HRT和EPS在各种培养方式中均具有较高的关联度系数.在人工配水培养方式下，HRT的关联度系数最高，海藻酸钠强化培养和农村污水培养方式下均为EPS的关联系数最高，但EPS的分泌受HRT、OLR等外界因素影响.因此，在颗粒化培养过程中应不断调整HRT和OLR以适应颗粒化进程需求.
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