一、什么是好氧颗粒污泥？


好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge），简称AGS，是通过微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥。


与普通活性污泥相比，它具有不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷，集不同性质的微生物（好氧、兼氧和厌氧微生物）于一体等特点，近年的研究成果表明AGS能用于处理高浓度有机废水、高含盐度废水及许多工业废水。1991年Mishima等最早发现了AGS，并第一次报道了利用连续流好氧上流式污泥床反应器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培养出AGS。人们从这一研究成果开始了对AGS颗粒化的研究历程。

好氧颗粒污泥具有致密的结构与较大的粒径，由于氧气传质限制，颗粒污泥呈现外部为好氧区，内部存在缺氧或厌氧区的状况，为好氧、兼性及厌氧微生物提供了各自适宜的生存环境，由此使得好氧颗粒污泥能够进行各种好氧、厌氧代谢活动。与传统活性污泥絮体相比，好氧颗粒污泥具有以下优势：形状规则，结构紧凑致密，沉降性能好，生物量较高，同时具备多种微生物功能，剩余污泥量较少，对生物毒素以及有机负荷波动的耐受能力强等，已成为最有前途的废水生物处理技术之一。


二、好氧颗粒污泥的形成机理


好氧颗粒污泥的形成是由众多因素共同作用完成的复杂过程，其中既有微生物的作用，也包含物理、化学等方面的作用，国内外学者对于好氧颗粒污泥的形成进行了长期研究，主要形成以下几种学说。


1、微生物自凝聚原理


自凝聚是一种在适当条件下自发产生的微生物凝聚现象。有研究表明，好氧颗粒污泥的形成是由种泥逐步致密聚集的渐进过程，通过各种影响力进而形成颗粒污泥。由水力剪切力、pH等众多因素决定颗粒最终能否形成稳定的结构。


2、丝状菌假说


在好氧颗粒污泥的培养过程中，接种污泥的微生物主要以丝状菌为优势菌种。反应器中培养出的颗粒污泥种类不同，丝状菌在颗粒形成过程中所起到的作用也不同。


有研究通过对所培养出的不同颜色颗粒污泥进行破碎处理，得到丝状菌在颗粒污泥中的形成结构。好氧颗粒污泥在反应器不同阶段出现黄色、黑色及白色3种不同颜色的颗粒，不同颗粒污泥的菌种比例及形态结构都有所区别。总体来说，丝状菌对好氧颗粒污泥的形成及稳定起到重要作用。不同颜色颗粒污泥的菌种组成及结构特点见表1。

3、细胞表面疏水性假说


根据热力学理论，细胞表面疏水性上升会减少细胞表面多余的吉布斯能，进而增加细胞间的相互作用形成致密的稳定结构。


有研究表明，在3周的好氧颗粒污泥形成过程中，污泥的疏水性由接种污泥的39%上升到73%，由此证明细胞表面疏水性是细胞自身聚集和附着的重要亲合力，对于好氧颗粒污泥的形成起到关键作用。疏水性对于细胞间的相互作用具有重要意义，这可能引起微生物的初始自身稳定，并进一步将细菌紧密地结合在一起。


4、选择压驱动假说


有研究表明，通过控制沉降时间进而控制选择压是序批式反应器（SBR）中好氧颗粒污泥形成的决定性因素。缩短沉降时间有助于洗出沉降性能差的絮体污泥，造成相对较强的选择压，促进好氧颗粒污泥的形成。


在一定范围内，提高选择压会导致好氧颗粒污泥的粒径变大。缩短沉降时间可显著提高细胞多糖的产量、细胞表面疏水性及微生物活性，进而利于好氧颗粒污泥的形成。对选择压的控制和深入研究有助于更好地了解好氧颗粒污泥的形成机制。


X.H.Wang等通过逐步增加进水氨氮浓度来提高选择压，培养出具有良好稳定性的好氧颗粒污泥，提供了一种新的好氧颗粒污泥培养策略；今后应通过逐步改变选择压的方式开发好氧颗粒污泥生物反应器，使其具有更高的性能和效率。通过改变选择压的方式促进颗粒污泥的形成，这一方法在连续流反应器中同样有效。


5、胞外聚合物假说


胞外聚合物（EPS）是在一定的适宜条件下由微生物分泌于细胞表面的大分子有机物质。自诱导体（autoinducer，AI）（信号分子）形成后释放，可以在群体感应（Quorum sensing，QS）中被细菌探测到。QS是细菌在不断变化的环境中生存和适应的一种现象，通过QS，细菌可以对种群密度进行监测，同时激活细菌生长的基因表达。


根据Y.Q.Liu等提出的假设，微生物细胞与其他微粒连接，形成颗粒化污泥的前身。EPS在好氧颗粒污泥的发育过程中起着重要作用。有研究表明，好氧颗粒污泥与普通絮状活性污泥的EPS成分，如蛋白质和多糖的浓度和分布是不同的，从好氧颗粒污泥中提取EPS，其中检测出带负电荷的多糖和蛋白质，但未在活性污泥中检测出。好氧颗粒污泥的EPS有机组分可以改变细菌的表面特性和颗粒污泥的物理特性，有利于细胞之间的聚集及稳定。


研究表明，在好氧颗粒污泥周围松散附着的EPS是造粒过程的重要因素，主要由其中的蛋白质所决定。


EPS的形成取决于反应器内的运行方式及环境，控制好相关参数有利于EPS的适量产生，从而形成稳定的好氧颗粒污泥。根据结合程度的不同，EPS可分为溶解性EPS（soluble EPS，SEPS）和附着性EPS（bond EPS，BEPS），BEPS又分为松散附着性EPS（loosely bond EPS，LEPS）和紧密附着性EPS（tightly bond EPS，TEPS）。


6、阶段形成假说


阶段形成假说将好氧颗粒污泥的形成分为4个阶段，每一阶段由不同的作用力或物质发挥影响，促进接种污泥逐步形成颗粒污泥。


第一阶段，由接种污泥表面细菌之间发生的物理运动来促进颗粒化，如水动力、扩散力等；


第二阶段，由物理、化学及生物方面的各种吸引力来维持固体细胞表面和多个细胞之间的稳定连接，如范德华力、化学键及细胞膜融合等；


第三阶段，微生物促使聚集的细菌成熟，EPS的产生、菌群的增长等过程均在此阶段；


第四阶段，通过水力剪切力形成稳定的三维结构。该形成机理是目前比较全面的一种颗粒污泥形成理论，但因各种因素间的相互影响，仍难以完整涵盖好氧颗粒污泥整个形成过程。


三、好氧颗粒污泥形成的影响因素


好氧颗粒污泥能否形成及其形成周期长短、污泥质量如何、能否维持稳定，受其培养运行过程中多种因素的影响。通过对其深入研究，可以全面了解好氧颗粒污泥的形成及稳定适应条件，并据此对可变因素进行控制，对培养好氧颗粒污泥具有重要的意义。


1、碳源


碳源不同会导致培养出的好氧颗粒污泥存在差别。在其他条件相同的前提下，J.H.Tay等以葡萄糖为碳源培养出的颗粒污泥以丝状菌为主，以乙酸为碳源培养出的颗粒污泥却以杆状细菌为主。


同时，单一碳源和混合碳源也对形成好氧颗粒污泥的结构及稳定性有所影响。高景峰等以蔗糖为唯一碳源培养好氧颗粒污泥，发现23 d后出现丝状菌膨胀现象。之后改用蔗糖加等量蛋白胨的组合碳源，丝状菌膨胀现象得到了有效的解决。


这说明，在培养好氧颗粒污泥的过程中采用单一碳源易引起丝状菌膨胀，混合碳源可以有效抑制该现象，对维持好氧颗粒污泥的稳定起到重要作用。碳源种类虽然可以改变颗粒结构，但有人认为其对好氧颗粒污泥的形成不能起到决定性作用。


2、种泥


Z.Song等研究发现从啤酒废水处理厂中取的污泥比城市污水处理厂中提取的污泥更适合培养好氧颗粒污泥，表明接种污泥对好氧颗粒污泥的形成有重要的影响。不同种泥的颗粒化乃至稳定所需时间不同，所培养出的颗粒污泥菌群结构也不相同，说明微生物种群变化同接种污泥有关。


微生物的活性对好氧颗粒污泥的影响不明显，但受接种污泥疏水性的影响较大。有研究者在培养好氧颗粒污泥的过程中加入厌氧颗粒污泥，缩短了好氧颗粒污泥的形成时间，且污泥稳定、污水处理效果好。这为好氧颗粒污泥的培养提供了一个很好的选择。


3、水力剪切力


一般来说，由上流曝气引起的水动力湍流是系统的主要剪切力，反应器可以通过改变表面上升气体流速来控制水力剪切力。当对颗粒污泥施加剪切力时，颗粒必须通过消耗非生长能量，改变细胞表面EPS的量来调节其代谢途径，以维持与外部剪切力的平衡。


研究表明，当表面上升气体流速达到1.2cm/s时可以形成密度大且表面光滑的颗粒污泥。水力剪切力越大，越容易形成稳定的颗粒结构、清晰的污泥轮廓及良好污染物降解性能。


为了在保证污水处理效果的情况下降低能源使用，沈忱等研究了低曝气条件下反应器的运行及好氧颗粒污泥情况，结果发现，在能够使污泥达到颗粒化的水力剪切力下，好氧颗粒污泥对污水的处理性能稳定，可以高效地进行脱氮除磷以及去除COD。


4、PN/PS


一般认为，多糖（polysacides，PS）可以调节细胞的内聚力和黏附力，在污泥颗粒化过程中对维持污泥结构的完整性起着至关重要的作用。有研究发现，随着水力剪切力的增加，污泥中多糖含量与蛋白（proteins，PN）含量的比值也有显著上升。


值得指出的是，颗粒污泥中多糖的含量至少比絮凝体中高出2倍，同时也观察到多糖的含量比絮凝体和颗粒污泥中蛋白质含量高得多。这可能意味着胞外蛋白对微生物群落结构和稳定性的影响不如多糖大。


5、pH


张志等运行6个相同的反应器，仅控制pH不同。结果表明，当pH在8.4时，细胞产生最少量的EPS，当pH上升到9.0时，EPS少量上升。


EPS上升有助于保护颗粒污泥，减少被酸碱值过高所带来的伤害。研究结果证明控制pH使EPS产量增加，有利于提高污泥的耐冲击能力，使颗粒污泥更加稳定。


6、温度


温度可以显著影响生物过程中的微生物代谢和群落结构。A.Gonzalez-Martinez等在低温下研究北极圈好氧颗粒污泥的性状及菌群，发现温度的改变会导致颗粒污泥菌群变化，是维持污泥结构正常或导致解体的重要因素。


此外，有研究表明，与温适应接种物相比，冷适应接种物显示出优异的颗粒状生物质形成能力。在低温条件下培养的好氧颗粒污泥，低温启动时，3周内就可以有效去除有机物，这表明低温环境下好氧颗粒污泥更容易培养。


7、细胞表面电荷


一般来说，微生物细胞表面带有负电荷。相似电荷之间的排斥可防止细胞在没有另一种机制的帮助下彼此附着。二价阳离子如Ca2+中和微生物表面电荷已被认为是促进初始细胞附着的可能机制。范德华力也可能有助于这种细胞吸引力。DLVO理论同样适用于分析细胞表面负荷对污泥产生的相互作用。


8、反应器类型及运行方式


好氧颗粒污泥多在SBR中进行培养。在反应器运行期间，由于高表面负电荷所引起的静电斥力、疏水性低所形成的水包围面以及EPS之间的相互作用，细胞表面存在的过多EPS会使得初始的黏附过程困难，EPS与细胞表面负电荷呈正相关性，与疏水性呈负相关。


SBR反应器的曝气过程导致了长时间的饥饿期，EPS消耗至合理数量导致具有低负电荷和高表面疏水性的污泥形成，继而颗粒继续增长达到稳定颗粒化。


研究表明，为保证颗粒污泥的稳定性和良好的出水质量，饱食周期的长度不应超过总周期长度的25%。同时，在柱状上升流反应器中，反应器高度与直径（H/D）的比例较高，可以保证较好的颗粒流动轨迹，从而为微生物聚集提供良好条件。


此外，好氧颗粒污泥也可在其他反应器中形成。列举了文献中几种成功培养出好氧颗粒污泥的反应器类型，见表2。

四、国内首座好氧颗粒污泥（AGS）污水处理厂案例


龙游县城南工业污水处理厂位于浙江省衢州市龙游县城南工业开发区，位于浙江省西部，金衢盆地中部。污水厂总占地：0.77公顷，所有用地均为已征用地，并无新增征地拆迁。一期、二期处理规模为每天4万立方米，工艺为：格栅旋流沉砂池+CAST(二期AAO)+反硝化深床滤池+消毒接触池。三期为本工程每天2万立方米，在节省占地、无需新增征地情况下，采用国内首次落地投产的AGS好氧颗粒污泥处理技术，全部为新建，是浙江省的重点市政建设工程和龙游县的重点民生工程，于2020年投运，工艺为：进水泵房+细格栅、曝气沉砂池+调节池+好氧颗粒污泥（AGS）生物池+高效澄清池+反硝化深床滤池+消毒接触池+退水泵房。


1、占地面积�。悴涣硇姓鞯氐囊�


由于能达到高生物量浓度（8-15g/L）和高污泥沉降速度，所需的生物反应器体积大大减小。此外，可以在同一反应器中进行污泥沉降和增强的生物营养物去除，因此不需要二沉池和独立的厌氧/缺氧区，这使得系统更加紧凑，并显著地减少了所需的占地面积。原有生化处理设施每组占地面积4000平方米左右，采用AGS好氧颗粒污泥工艺占地面积约为1000平方米。


2、成功对工业废水完成污泥颗粒培养及筛选


污泥颗粒培养：污泥颗粒筛�。�


3、AGS的低碳表现


4、处理能力强


可以处理上游200多家企业复杂的混合废水。


5、低能耗、低药耗、生物除磷效率提高


由于所有的生物反应和沉降过程都发生在一个反应器中，所以需要较少的机械设备。例如污泥循环泵，混合器和移动滗水器在AGS技术中是多余的。由于机械设备的这种减少，与传统的BNR装置（注：传统脱氮除磷工艺）相比，AGS技术的总能耗显著降低。


由于AGS颗粒对磷(P)的高吸收，实现低磷排放值所需的化学品量减少；且正常运行时无需投加碳源；从而进一步降低化学品和污泥处理的操作成本。


6、运行管理


整个生化工艺实现高水准全自动运行，包括用电设备运行、药剂的投加，生化参数与各先关设备实现联动运行，同时做到了远程智慧管控，改变了对工业污水厂的一贯传统刻板设计，并为企业节约了60%人工。