1 引言
好氧顆粒污泥具有沉降性能好、生物量高且微生物多樣性豐富、抗沖擊負荷能力強及不易發生污泥膨脹等優勢，近年來針對其研究和應用日益增多.好氧顆粒污泥技術在2003年首次得到實際工程應用后，至今在全球已有超過40例工程運用，中國浙江等地區也已開展規模化運行并取得較好的污染物去除效果.
好氧顆粒污泥技術的推廣主要受培養周期過長制約，好氧顆粒污泥的形成過程較為復雜，其主要原因在于好氧顆粒污泥的形成機理尚未得到闡明，且污泥顆粒化的影響因素較多，主次不明確.現階段學者研究較多的影響因素有：進水組分和濃度、剪切力、沉降時間、胞外聚合物、溶解氧、金屬離子等.成熟好氧顆粒污泥的形成受眾多影響因素的綜合作用，不同的影響因素對顆粒形成均會產生一定作用，但是否是污泥顆粒化的關鍵性因素仍存較大的不確定性，尚需深入研究.
關于好氧顆粒污泥培養過程中影響因素的分析目前大多集中在單一培養方式下，所得到的結論只適用于已選定的培養方式，不同培養方式下最大關聯因素不同，不具備普遍適用性，且目前研究中關于不同培養方式下各影響因素主次關系對比的研究較少.利用灰色關聯度分析可以將復雜的多因素進行優化，進而簡化成一個因素的灰色關聯度.通過灰色關聯度理論可以較準確、較完整地預測絮狀污泥顆粒化過程中，不同影響因素對污泥顆粒化影響的重要程度.Zhu等利用灰色關聯度分析發現，在人工配水培養方式下有機負荷、剪切力和沉降時間是影響好氧顆粒污泥形成的關鍵性因素.Xie等通過灰色關聯度計算發現，好氧顆粒污泥的沉降性能、胞外聚合物含量和生物量在吸附重金屬過程中發揮重要作用.
本文分別采用人工配水培養、海藻酸鈉強化培養、農村模擬污水培養的方式馴化好氧顆粒污泥，研究絮狀污泥顆粒化過程中各指標的變化規律.通過灰色關聯度分析對比3種不同培養方式下，培養過程中各影響因素的關聯度系數，篩選不同培養方式下最大關聯因素，這對好氧顆粒污泥快速、穩定、高效培養具有重要意義.
2 實驗部分
2.1 反應器運行
使用3組相同的序批式反應器培養好氧顆粒污泥，R1為實驗室人工配水培養，R2為海藻酸鈉強化培養，R3為農村模擬污水培養.SBR反應器有效高度100 cm，直徑10 cm，有效體積4 L.運行周期4 h，包括進水60 min，沉淀時間由15 min逐漸縮短到3 min，排水5 min，其余為曝氣時間.接種污泥取自無錫市某污水處理廠生化池.
R1為實驗室人工配水培養，經大量文獻查閱確定的進水COD、C/N比和C/P比均有利于好氧顆粒污泥的形成，水質接近雨污分流后城鎮生活污水.污水污染物：COD 600 mg·L-1，NH4+-N 60 mg·L-1，PO43--P 16 mg·L-1.配水組分：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模擬污水污染物含量與R1相同，在R1的基礎上投加海藻酸鈉顆粒，海藻酸鈉是一種常見的天然多糖類物質，具有較好的黏性和穩定性.同時，海藻酸鈉也存在于細菌的胞外多糖中，可以促進活性污泥絮體的形成及加快生物膜的產生.顆粒制備方法如下：0.67 g·L-1 MgCl2溶于3%海藻酸鈉溶液中配制成A液，1.07 g·L-1CaCl2(過量)溶于100 g水中配制成B液.將B液放在磁力攪拌器上，用針管吸取A液，勻速滴加至B液中，低溫中速攪拌24 h，倒掉上清液即得海藻酸鈉顆粒，將所得到的海藻酸鈉顆粒分6個周期投加到R2中.
R3為模擬分散型農村污水，各污染物含量為：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超聲功率作用污泥懸浮液2 min，破壞單細胞和微生物菌落的絮體結構以使其形成均質狀態(超聲強度不宜過強，否則容易導致細胞解體)，加入180 μL甲酰胺并于4 ℃條件下提取1 h，再加入1 mol·L-1 NaOH溶液12 mL于4 ℃條件下提取3 h，所得混合液置于離心管中，在4 ℃、10000 r·min-1條件下離心20 min，所得上清液用0.2 μm濾膜過濾，即得污泥EPS樣品.提取后的蛋白質使用考馬斯亮藍法測定，多糖采用硫酸-蒽銅法測定.
2.3 灰色關聯度分析
采用DPS數據處理系統進行灰色關聯度計算分析，選取進水COD、水力停留時間(HRT)、胞外聚合物含量(EPS)、污泥有機負荷(OLR)4個影響因素進行計算.灰色關聯系數和灰色關聯度由公式(1)和式(2)計算得到.
式中，ξ0i(j)和ε分別表示灰色關聯系數和灰色關聯度;△0i、△min和△max分別代表參考序列與比較序列之差的絕對值、參考序列與比較序列之差的絕對值中的最小值和最大值;ρ為分辨系數，取值范圍為0≤ρ≤1，通常取ρ=0.5;i和j分別代表參考序列數和因子數.
2.4 分析方法
試驗中水質指標COD、氨氮測定方法參照《水與廢水檢測分析方法(第四版)》測定.
3 結果與討論
3.1 人工配水培養好氧顆粒污泥
隨著反應器運行，R1在40 d出現成熟好氧顆粒污泥.培養出的好氧顆粒污泥為淡黃色密實球體，粒徑約4 mm.較培養初期，反應器中生物量濃度增幅明顯，從初始的3 g·L-1增長到8 g·L-1.污泥沉降性能較好，SVI持續降低最終穩定在50 mL·g-1左右.
3.1.1 污染物去除
污泥顆粒化過程中COD去除效果如圖 1a所示，在反應器運行前期COD去除率較低，維持在80%左右.其原因一方面在于活性污泥被接種至新的環境，污泥微生物尚未適應而表現出活性迅速降低;另一方面是由于初始階段大量污泥被排出反應器，停留在反應器中的微生物量較少.隨著污泥顆粒化的推進，微生物活性逐漸恢復、生物量不斷增長，對COD的去除率逐步升高，去除率可以達到85%以上.當成熟好氧顆粒污泥形成后，COD去除率可以穩定維持在85%左右，反應器出水COD低于50 mg·L-1，優于中國污水處理廠出水一級A標準.
污泥顆粒化過程中NH4+-N去除效果如圖 1b所示，反應器運行初期，氨氮的去除率維持在60%左右且波動性較大.主要是由于初始階段大量污泥被排出，導致生物量減少，對微生物的硝化活性造成一定程度的影響，氨氮去除效能低.隨著生物量的增加，同時微生物逐漸適應運行環境，氨氮的去除率逐漸升高，最終可以達到90%左右.出水氨氮濃度維持在5 mg·L-1左右，基本可以達到一級A排放標準.相較于COD去除率穩定的增長，氨氮去除率增長過程中波動性較大.主要原因在于經過一段適應時間后，各類微生物菌群相互影響、競爭，但運行過程中的高曝氣量有利于硝化細菌的增長，使硝化細菌逐步成為反應器內優勢菌種，在后期運行過程中氨氮去除率維持較高水平.
好氧顆粒污泥中微生物多樣性豐富，成熟顆粒中含有大量聚磷菌，在厭氧環境下聚磷菌利用進水中碳源合成能源物質，好氧環境下利用儲存在其細胞內的物質作為能源，發揮其超量吸磷的作用，實現對磷的高效去除.培養前期，反應器中絮狀污泥占較大比例，同時接種污泥在除磷藥劑的長期馴化下聚磷菌活性較弱，導致前期磷的去除效果較差(圖 1c).反應器運行至30 d后，磷的去除效能逐步提升，去除率可以達到50%以上.隨著運行過程中對反應器中SRT的嚴格控制，反應器定期排泥，磷酸鹽的去除效果得到進一步的改善，可以接近80%.可以看出，相較于絮狀污泥，成熟好氧顆粒污泥的生物除磷能力具有顯著優勢.
3.1.2 胞外聚合物變化
胞外聚合物具有粘附性而被認為在好氧顆粒污泥的形成過程中發揮重要作用，微生物細胞EPS的累積與生物吸附和微生物聚集密切相關.如圖 2所示，在絮狀污泥顆粒化過程中，多糖(PS)含量基本保持不變，維持在6 mg·g-1(以MLSS計)左右，蛋白質(PN)含量從38 mg·g-1增加到11.2 mg·g-1.蛋白質的增量遠遠高于多糖的增量，蛋白質增量占EPS增量的90%以上.表明EPS內蛋白質類物質含量增加是絮狀活性污泥顆粒化的重要因素，其作為EPS內的主要成分，有利于保持顆粒污泥的穩定性.PN/PS比值從0.7逐漸增加到1.7，在40 d左右顆粒污泥初步形成時PN/PS比值出現快速增長，PN/PS比值的增加有利于顆粒污泥的穩定性提高.
3.2 海藻酸鈉強化培養好氧顆粒污泥
在3.1節培養方式的基礎上，通過投加少量海藻酸鈉加快好氧顆粒污泥培養.反應器運行20 d左右，出現成熟好氧顆粒污泥，理化特性與正常培養好氧顆粒污泥接近無明顯差異.
3.2.1 污染物去除效果
反應器運行初始階段，R2中COD的去除效果略低于R1，經過一段時間后，COD去除率迅速增長到80%以上且增長穩定(圖 3a).最終當污泥顆粒化完全后，兩者對污染物去除效果差異較小.R2對氨氮的去除率變化與R1基本相似，在反應器運行初期，氨氮的去除率出現降低現象，只能到達40%左右(圖 3b).隨著生物量的增加，同時微生物逐漸適應運行環境，氨氮的去除率逐漸升高，最終可以達到80%左右.
R2對磷酸鹽的去除變化趨勢基本與R1相似，但相較于R1，投加海藻酸鈉后各階段對磷酸鹽的去除率波動變化較小(圖 3c).主要由于投加海藻酸鈉后，反應器中有適宜微生物附著的載體，有利于菌群的富集進而緩解外界環境變化對微生物活性的沖擊，污染物去除效果穩定.
3.2.2 胞外聚合物變化
如圖 4所示，相較于接種污泥，R2中成熟好氧顆粒污泥的EPS出現大幅增長，且增量主要體現在蛋白質的增長上，多糖含量前期有一定程度的增高，之后略有下降.PN/PS比值也從0.7增加到3.3.對比R1和R2，R1中EPS含量增長約10 mg·g-1(以MLSS計)，R2中EPS含量增長約30 mg·g-1(以MLSS計)，表明海藻酸鈉對微生物的活性和生長具有促進作用，EPS中蛋白質類物質含量增加明顯，占EPS增量的80%以上.EPS內蛋白質類物質含量增加是絮狀活性污泥顆粒化的重要原因，有利于保持顆粒污泥的穩定性.此外，研究表明，PN亦可通過靜電作用降低細胞表面電荷，細胞間排斥力的減小促進了污泥小顆粒的聚集.此外，蛋白質中氨基酸的疏水性基團在微生物凝聚中也發揮重要作用，同步促進了小顆粒的凝聚.與R1中多糖含量基本保持不變不同，R2中多糖含量前期出現快速增長，從5 mg·g-1(以MLSS計)增長到15 mg·g-1(以MLSS計).隨著反應器的逐步運行，多糖的含量逐步降低到初始水平.R2中出現多糖先大幅增加后逐漸減小的現象，其主要原因在于：①在反應器運行過程中，有一部分海藻酸鈉顆粒混雜在污泥中一起被作為提取EPS的樣品，造成多糖含量增加;②海藻酸鈉作為一種多糖類物質可以被微生物利用，使得R2中多糖含量減少.
3.3 農村污水培養好氧顆粒污泥
利用農村污水對好氧顆粒污泥進行培養，反應器運行至第55 d時絮狀活性污泥基本實現顆粒化.成熟的好氧顆粒污泥呈金黃色，形狀規則表面較光滑，絕大部分顆粒粒徑在1.5~2.5 mm之間.反應器內生物量顯著增加至5.7 g·L-1，SVI從反應器啟動階段的124.6 mL·g-1下降到41.9 mL·g-1并趨于穩定.
3.3.1 污染物去除效果
R3運行初始階段，由于活性污泥沉降性能較差，大量活性污泥被沖出反應器，導致污泥生物量急劇下降，對污染物的去除效果較差.隨著污泥生物量的增加和沉降性能的提高，其對氨氮和COD的去除能力也逐漸增強.在好氧顆粒污泥形成后，其對氨氮的去除效能繼續升高并趨于穩定，COD和氨氮的去除率高達93.1%和90.4%.顆粒污泥對磷酸鹽的去除能力逐步增長，在20 d左右出現小幅度的下降，但隨著顆粒化污泥的形成去除率不斷升高，實現了對磷酸鹽的較好去除，去除率穩定在80%以上.在反應器運行后期，好氧顆粒污泥對污染物的去除能力均得到加強，表明污泥微生物在顆粒內部微環境中逐漸完成群落演替過程，其對污染物的轉化能力顯著提高.
3.3.2 胞外聚合物變化
如圖 6所示，在初始階段微生物代謝產生的EPS中，多糖類物質始終處于穩定存在狀態，好氧顆粒污泥形成后，其EPS內多糖類物質含量一直保持在8~12 mg·g-1(以MLSS計)之間，而EPS內蛋白質類物質含量則明顯上升，由初始階段的4.6 mg·g-1(以MLSS計)升高到顆粒污泥成熟時的29.2 mg·g-1 (以MLSS計)，蛋白質類物質含量提高6.3倍，同時PN/PS也由0.54升高到2.64，這表明EPS內蛋白質類物質含量增加是活性污泥顆粒化的重要因素.蛋白質類物質作為EPS的主要成分，有利于保持顆粒污泥的穩定性，為生活在好氧顆粒污泥內部的微生物提供適宜的生長環境.
3.4 灰色關聯度分析
選定絮狀污泥顆粒化過程中4個因素進行計算分析，其中，X1為進水COD，X2為有機負荷(OLR)，X3為EPS含量，X4為水力停留時間(HRT)，利用DPS數據處理系統軟件計算3種培養方式下各因素的灰色關聯度系數，結果如表 1所示.
灰色關聯系數越高，表明該因素對污泥顆粒化影響的重要程度越高.在人工配水培養方式下對污泥顆粒化影響因素重要程度排序為：HRT>EPS>OLR>進水COD;通過投加海藻酸鈉強化培養方式下好氧污泥顆粒化影響因素的重要程度為：EPS>HRT>OLR>進水COD;在實際污水培養好氧顆粒污泥過程中影響因素的重要程度為：EPS>HRT>OLR>進水COD.不同培養方式下在污泥顆粒化過程中發揮主導作用的影響因素并非唯一，其中，HRT和EPS在各種培養方式中均具有較高的關聯度系數.在人工配水培養方式下，HRT的關聯度系數最高，在培養過程中HRT逐步改變所形成的選擇壓可以有效篩選污泥，將沉降性能好、聚合程度高的污泥截留在反應器內.在海藻酸鈉強化培養和農村模擬污水培養方式中，EPS的關聯系數均為最高，EPS作為污泥微生物生長過程中分泌的產物對微生物的粘附、凝聚具有重要作用.有研究表明，通過調控HRT和OLR可以影響EPS的分泌，同時進水水質的不同對EPS也有一定影響，因此，EPS作為顆粒化過程中的重要因素也是由于HRT、OLR和COD共同作用的結果.僅次于EPS，OLR也是污泥顆粒化的重要因素，OLR的高低直接影響著培養過程中微生物生長底物的充足與匱乏.Wang等在研究中發現，如果設定較長時間的污泥饑餓期，會使顆粒污泥逐漸失穩進而解體;而間歇設定較短的饑餓期，會促進活性污泥的顆粒化并使顆粒污泥趨于穩定.雖然設置饑餓期不是培養好氧顆粒污泥的先決條件，但適當調控反應器運行，保持底物充足/底物匱乏狀態，對培養好氧顆粒污泥可以發揮促進作用.在眾多因素中進水COD與顆粒化過程關聯度最低，不同的碳源種類、不同的COD，均可以成功培養出好氧顆粒污泥.此外，研究中還發現，除X3外，R1和R2的X1、X2和X4結果均相同，表明海藻酸鈉的投加發揮了載體作用，微生物附著在其上后有利于適應新環境以實現快速增長，進而使EPS含量增加，加快了污泥顆粒化進程.
4 結論
1) 人工配水條件下40 d培養出顆粒污泥，海藻酸鈉強化培養方式下運行20 d出現顆粒污泥，利用農村模擬污水55 d培養出顆粒污泥.3種條件下培養出的顆粒污泥均具有密實的結構和較好的沉降性能，對污染物均可以實現較好的去除.
2) EPS在顆粒化過程中增加明顯，R1、R2和R3的增量分別到達10、30和30 mg·g-1(以MLSS計)，蛋白質在EPS增量中占主要比例，是顆粒化進程的重要因素.多糖含量變化較小，PN/PS比值從0.7分別增加到1.7、3.3和2.6，形成的顆粒污泥的穩定性較高.具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3) 不同培養方式下對顆粒化過程起主導作用的影響因素并非唯一，其中，HRT和EPS在各種培養方式中均具有較高的關聯度系數.在人工配水培養方式下，HRT的關聯度系數最高，海藻酸鈉強化培養和農村污水培養方式下均為EPS的關聯系數最高，但EPS的分泌受HRT、OLR等外界因素影響.因此，在顆粒化培養過程中應不斷調整HRT和OLR以適應顆粒化進程需求.
