一、什么是好氧顆粒污泥？

好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge），簡(jiǎn)稱AGS，是通過(guò)微生物自凝聚作用形成的顆粒狀活性污泥。

與普通活性污泥相比，它具有不易發(fā)生污泥膨脹、抗沖擊能力強(qiáng)、能承受高有機(jī)負(fù)荷，集不同性質(zhì)的微生物（好氧、兼氧和厭氧微生物）于一體等特點(diǎn)，近年的研究成果表明AGS能用于處理高濃度有機(jī)廢水、高含鹽度廢水及許多工業(yè)廢水。1991年Mishima等早發(fā)現(xiàn)了AGS，并第一次報(bào)道了利用連續(xù)流好氧上1流式污泥床反應(yīng)器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培養(yǎng)出AGS。人們從這一研究成果開(kāi)始了對(duì)AGS顆粒化的研究歷程。

好氧顆粒污泥具有致密的結(jié)構(gòu)與較大的粒徑，由于氧氣傳質(zhì)限制，顆粒污泥呈現(xiàn)外部為好氧區(qū)，內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)的狀況，為好氧、兼性及厭氧微生物提供了各自適宜的生存環(huán)境，由此使得好氧顆粒污泥能夠進(jìn)行各種好氧、厭氧代謝活動(dòng)。與傳統(tǒng)活性污泥絮體相比，好氧顆粒污泥具有以下優(yōu)勢(shì)：形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)緊湊致密，沉降性能好，生物量較高，同時(shí)具備多種微生物功能，剩余污泥量較少，對(duì)生物毒素以及有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的耐受能力強(qiáng)等，已成為有前途的廢水生物處理技術(shù)之一。

二、好氧顆粒污泥的形成機(jī)理

好氧顆粒污泥的形成是由眾多因素共同作用完成的復(fù)雜過(guò)程，其中既有微生物的作用，也包含物理、化學(xué)等方面的作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于好氧顆粒污泥的形成進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，主要形成以下幾種學(xué)說(shuō)。

1、微生物自凝聚原理

自凝聚是一種在適當(dāng)條件下自發(fā)產(chǎn)生的微生物凝聚現(xiàn)象。有研究表明，好氧顆粒污泥的形成是由種泥逐步致密聚集的漸進(jìn)過(guò)程，通過(guò)各種影響力進(jìn)而形成顆粒污泥。由水力剪切力、pH等眾多因素決定顆粒終能否形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

2、絲狀菌假說(shuō)

在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過(guò)程中，接種污泥的微生物主要以絲狀菌為優(yōu)勢(shì)菌種。反應(yīng)器中培養(yǎng)出的顆粒污泥種類不同，絲狀菌在顆粒形成過(guò)程中所起到的作用也不同。

有研究通過(guò)對(duì)所培養(yǎng)出的不同顏色顆粒污泥進(jìn)行破碎處理，得到絲狀菌在顆粒污泥中的形成結(jié)構(gòu)。好氧顆粒污泥在反應(yīng)器不同階段出現(xiàn)黃1色、黑色及白色3種不同顏色的顆粒，不同顆粒污泥的菌種比例及形態(tài)結(jié)構(gòu)都有所區(qū)別?？傮w來(lái)說(shuō)，絲狀菌對(duì)好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定起到重要作用。不同顏色顆粒污泥的菌種組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

3、細(xì)胞表面疏水性假說(shuō)

根據(jù)熱力學(xué)理論，細(xì)胞表面疏水性上升會(huì)減少細(xì)胞表面多余的吉布斯能，進(jìn)而增加細(xì)胞間的相互作用形成致密的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

有研究表明，在3周的好氧顆粒污泥形成過(guò)程中，污泥的疏水性由接種污泥的39%上升到73%，由此證明細(xì)胞表面疏水性是細(xì)胞自身聚集和附著的重要親合力，對(duì)于好氧顆粒污泥的形成起到關(guān)鍵作用。疏水性對(duì)于細(xì)胞間的相互作用具有重要意義，這可能引起微生物的初始自身穩(wěn)定，并進(jìn)一步將細(xì)菌緊密地結(jié)合在一起。

4、選擇壓驅(qū)動(dòng)假說(shuō)

有研究表明，通過(guò)控制沉降時(shí)間進(jìn)而控制選擇壓是序批式反應(yīng)器（SBR）中好氧顆粒污泥形成的決定性因素?？s短沉降時(shí)間有助于洗出沉降性能差的絮體污泥，造成相對(duì)較強(qiáng)的選擇壓，促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。

在一1定范圍內(nèi)，提高選擇壓會(huì)導(dǎo)致好氧顆粒污泥的粒徑變大?？s短沉降時(shí)間可顯著提高細(xì)胞多糖的產(chǎn)量、細(xì)胞表面疏水性及微生物活性，進(jìn)而利于好氧顆粒污泥的形成。對(duì)選擇壓的控制和深入研究有助于更好地了解好氧顆粒污泥的形成機(jī)制。

X. H. Wang等通過(guò)逐步增加進(jìn)水氨氮濃度來(lái)提高選擇壓，培養(yǎng)出具有良好穩(wěn)定性的好氧顆粒污泥，提供了一種新的好氧顆粒污泥培養(yǎng)策略；今后應(yīng)通過(guò)逐步改變選擇壓的方式開(kāi)發(fā)好氧顆粒污泥生物反應(yīng)器，使其具有更高的性能和效率。通過(guò)改變選擇壓的方式促進(jìn)顆粒污泥的形成，這一方法在連續(xù)流反應(yīng)器中同樣有效。

5、胞外聚合物假說(shuō)

胞外聚合物（EPS）是在一1定的適宜條件下由微生物分泌于細(xì)胞表面的大分子有機(jī)物質(zhì)。自誘導(dǎo)體（autoinducer，AI）（信號(hào)分子）形成后釋放，可以在群體感應(yīng)（Quorum sensing，QS）中被細(xì)菌探測(cè)到。QS是細(xì)菌在不斷變化的環(huán)境中生存和適應(yīng)的一種現(xiàn)象，通過(guò)QS，細(xì)菌可以對(duì)種群密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)激1活細(xì)菌生長(zhǎng)的基因表達(dá)。

根據(jù)Y. Q. Liu等提出的假設(shè)，微生物細(xì)胞與其他微粒連接，形成顆?；勰嗟那吧?。EPS在好氧顆粒污泥的發(fā)育過(guò)程中起著重要作用。有研究表明，好氧顆粒污泥與普通絮狀活性污泥的EPS成分，如蛋白質(zhì)和多糖的濃度和分布是不同的，從好氧顆粒污泥中提取EPS，其中檢測(cè)出帶負(fù)電荷的多糖和蛋白質(zhì)，但未在活性污泥中檢測(cè)出。好氧顆粒污泥的EPS有機(jī)組分可以改變細(xì)菌的表面特性和顆粒污泥的物理特性，有利于細(xì)胞之間的聚集及穩(wěn)定。

研究表明，在好氧顆粒污泥周圍松散附著的EPS是造粒過(guò)程的重要因素，主要由其中的蛋白質(zhì)所決定。

EPS的形成取決于反應(yīng)器內(nèi)的運(yùn)行方式及環(huán)境，控制好相關(guān)參數(shù)有利于EPS的適量產(chǎn)生，從而形成穩(wěn)定的好氧顆粒污泥。根據(jù)結(jié)合程度的不同，EPS可分為溶解性EPS（soluble EPS，SEPS）和附著性EPS（bond EPS，BEPS），BEPS又分為松散附著性EPS（loosely bond EPS，LEPS）和緊密附著性EPS（tightly bond EPS，TEPS）。

6、階段形成假說(shuō)

階段形成假說(shuō)將好氧顆粒污泥的形成分為4個(gè)階段，每一階段由不同的作用力或物質(zhì)發(fā)揮影響，促進(jìn)接種污泥逐步形成顆粒污泥。

第一階段，由接種污泥表面細(xì)菌之間發(fā)生的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)促進(jìn)顆?；?，如水動(dòng)力、擴(kuò)散力等；

第二階段，由物理、化學(xué)及生物方面的各種吸引力來(lái)維持固體細(xì)胞表面和多個(gè)細(xì)胞之間的穩(wěn)定連接，如范德華力、化學(xué)鍵及細(xì)胞膜融合等；

第三階段，微生物促使聚集的細(xì)菌成熟，EPS的產(chǎn)生、菌群的增長(zhǎng)等過(guò)程均在此階段；

第四階段，通過(guò)水力剪切力形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)。該形成機(jī)理是目前比較全1面的一種顆粒污泥形成理論，但因各種因素間的相互影響，仍難以完整涵蓋好氧顆粒污泥整個(gè)形成過(guò)程。

三、好氧顆粒污泥形成的影響因素

好氧顆粒污泥能否形成及其形成周期長(zhǎng)短、污泥質(zhì)量如何、能否維持穩(wěn)定，受其培養(yǎng)運(yùn)行過(guò)程中多種因素的影響。通過(guò)對(duì)其深入研究，可以全1面了解好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定適應(yīng)條件，并據(jù)此對(duì)可變因素進(jìn)行控制，對(duì)培養(yǎng)好氧顆粒污泥具有重要的意義。

1、碳源

碳源不同會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥存在差別。在其他條件相同的前提下，J. H. Tay等以葡萄糖為碳源培養(yǎng)出的顆粒污泥以絲狀菌為主，以乙酸為碳源培養(yǎng)出的顆粒污泥卻以桿狀細(xì)菌為主。

同時(shí)，單一碳源和混合碳源也對(duì)形成好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性有所影響。高景峰等以蔗糖為唯1一碳源培養(yǎng)好氧顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)23 d后出現(xiàn)絲狀菌膨脹現(xiàn)象。之后改用蔗糖加等量蛋白胨的組合碳源，絲狀菌膨脹現(xiàn)象得到了有效的解決。

這說(shuō)明，在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過(guò)程中采用單一碳源易引起絲狀菌膨脹，混合碳源可以有效抑制該現(xiàn)象，對(duì)維持好氧顆粒污泥的穩(wěn)定起到重要作用。碳源種類雖然可以改變顆粒結(jié)構(gòu)，但有人認(rèn)為其對(duì)好氧顆粒污泥的形成不能起到?jīng)Q定性作用。

2、種泥

Z. Song等研究發(fā)現(xiàn)從啤酒廢水處理廠中取的污泥比城市污水處理廠中提取的污泥更適合培養(yǎng)好氧顆粒污泥，表明接種污泥對(duì)好氧顆粒污泥的形成有重要的影響。不同種泥的顆粒化乃至穩(wěn)定所需時(shí)間不同，所培養(yǎng)出的顆粒污泥菌群結(jié)構(gòu)也不相同，說(shuō)明微生物種群變化同接種污泥有關(guān)。

微生物的活性對(duì)好氧顆粒污泥的影響不明顯，但受接種污泥疏水性的影響較大。有研究者在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過(guò)程中加入?yún)捬躅w粒污泥，縮短了好氧顆粒污泥的形成時(shí)間，且污泥穩(wěn)定、污水處理效果好。這為好氧顆粒污泥的培養(yǎng)提供了一個(gè)很好的選擇。

3、水力剪切力

一般來(lái)說(shuō)，由上1流曝氣引起的水動(dòng)力湍流是系統(tǒng)的主要剪切力，反應(yīng)器可以通過(guò)改變表面上升氣體流速來(lái)控制水力剪切力。當(dāng)對(duì)顆粒污泥施加剪切力時(shí)，顆粒必1須通過(guò)消耗非生長(zhǎng)能量，改變細(xì)胞表面EPS的量來(lái)調(diào)節(jié)其代謝途徑，以維持與外部剪切力的平衡。

研究表明，當(dāng)表面上升氣體流速達(dá)到1.2cm/s時(shí)可以形成密度大且表面光滑的顆粒污泥。水力剪切力越大，越容易形成穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)、清晰的污泥輪廓及良好污染物降解性能。

為了在保證污水處理效果的情況下降低能源使用，沈忱等研究了低曝氣條件下反應(yīng)器的運(yùn)行及好氧顆粒污泥情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在能夠使污泥達(dá)到顆?；乃羟辛ο?，好氧顆粒污泥對(duì)污水的處理性能穩(wěn)定，可以高1效地進(jìn)行脫氮除磷以及去除COD。

4、PN/PS

一般認(rèn)為，多糖（polysacides，PS）可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的內(nèi)聚力和黏附力，在污泥顆?；^(guò)程中對(duì)維持污泥結(jié)構(gòu)的完整性起著至關(guān)重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著水力剪切力的增加，污泥中多糖含量與蛋白（proteins，PN）含量的比值也有顯著上升。

值得指出的是，顆粒污泥中多糖的含量至少比絮凝體中高出2倍，同時(shí)也觀察到多糖的含量比絮凝體和顆粒污泥中蛋白質(zhì)含量高得多。這可能意味著胞外蛋白對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響不如多糖大。

5、pH

張志等運(yùn)行6個(gè)相同的反應(yīng)器，僅控制pH不同。結(jié)果表明，當(dāng)pH在8.4時(shí)，細(xì)胞產(chǎn)生少量的EPS，當(dāng)pH上升到9.0時(shí)，EPS少量上升。

EPS上升有助于保護(hù)顆粒污泥，減少被酸堿值過(guò)高所帶來(lái)的傷害。研究結(jié)果證明控制pH使EPS產(chǎn)量增加，有利于提高污泥的耐沖擊能力，使顆粒污泥更加穩(wěn)定。

6、溫度

溫度可以顯著影響生物過(guò)程中的微生物代謝和群落結(jié)構(gòu)。A. Gonzalez-Martinez等在低溫下研究北極圈好氧顆粒污泥的性狀及菌群，發(fā)現(xiàn)溫度的改變會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥菌群變化，是維持污泥結(jié)構(gòu)正?；?qū)е?a href="/Article-detail-id-95592.html" title="解體">解體的重要因素。

此外，有研究表明，與溫適應(yīng)接種物相比，冷適應(yīng)接種物顯示出優(yōu)異的顆粒狀生物質(zhì)形成能力。在低溫條件下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥，低溫啟動(dòng)時(shí)，3周內(nèi)就可以有效去除有機(jī)物，這表明低溫環(huán)境下好氧顆粒污泥更容易培養(yǎng)。

7、細(xì)胞表面電荷

一般來(lái)說(shuō)，微生物細(xì)胞表面帶有負(fù)電荷。相似電荷之間的排斥可防止細(xì)胞在沒(méi)有另一種機(jī)制的幫助下彼此附著。二價(jià)陽(yáng)離子如Ca2+中和微生物表面電荷已被認(rèn)為是促進(jìn)初始細(xì)胞附著的可能機(jī)制。范德華力也可能有助于這種細(xì)胞吸引力。DLVO理論同樣適用于分析細(xì)胞表面負(fù)荷對(duì)污泥產(chǎn)生的相互作用。

8、反應(yīng)器類型及運(yùn)行方式

好氧顆粒污泥多在SBR中進(jìn)行培養(yǎng)。在反應(yīng)器運(yùn)行期間，由于高表面負(fù)電荷所引起的靜電斥力、疏水性低所形成的水包圍面以及EPS之間的相互作用，細(xì)胞表面存在的過(guò)多EPS會(huì)使得初始的黏附過(guò)程困難，EPS與細(xì)胞表面負(fù)電荷呈正相關(guān)性，與疏水性呈負(fù)相關(guān)。

SBR反應(yīng)器的曝氣過(guò)程導(dǎo)致了長(zhǎng)時(shí)間的饑餓期，EPS消耗至合理數(shù)量導(dǎo)致具有低負(fù)電荷和高表面疏水性的污泥形成，繼而顆粒繼續(xù)增長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定顆?；?。

研究表明，為保證顆粒污泥的穩(wěn)定性和良好的出水質(zhì)量，飽食周期的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)總周期長(zhǎng)度的25%。同時(shí)，在柱狀上升流反應(yīng)器中，反應(yīng)器高度與直徑（H/D）的比例較高，可以保證較好的顆粒流動(dòng)軌跡，從而為微生物聚集提供良好條件。

此外，好氧顆粒污泥也可在其他反應(yīng)器中形成。列舉了文獻(xiàn)中幾種成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥的反應(yīng)器類型，見(jiàn)表2。

四、國(guó)內(nèi)首座好氧顆粒污泥（AGS）污水處理廠案例

某工業(yè)污水處理廠位于浙江省某地工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，污水廠總占地：0.77公頃，所有用地均為已征用地，并無(wú)新增征地拆遷。一期、二期處理規(guī)模為每天4萬(wàn)立方米，工藝為：格柵旋流沉砂池+CAST(二期 AAO)+反硝化深床濾池+消毒接觸池。三期為本工程每天2萬(wàn)立方米，在節(jié)省占地、無(wú)需新增征地情況下，采用國(guó)內(nèi)首1次落地投產(chǎn)的AGS好氧顆粒污泥處理技術(shù)，全部為新建，于2020年投運(yùn)，工藝為：進(jìn)水泵房+細(xì)格柵、曝氣沉砂池+調(diào)節(jié)池+好氧顆粒污泥（AGS）生物池+高1效澄清池+反硝化深床濾池+消毒接觸池+退水泵房。

1、占地面積小，滿足不另行征地的要求

由于能達(dá)到高生物量濃度（8-15g/L）和高污泥沉降速度，所需的生物反應(yīng)器體積大大減小。此外，可以在同一反應(yīng)器中進(jìn)行污泥沉降和增強(qiáng)的生物營(yíng)養(yǎng)物去除，因此不需要二沉池和獨(dú)立的厭氧/缺氧區(qū)，這使得系統(tǒng)更加緊湊，并顯著地減少了所需的占地面積。原有生化處理設(shè)施每組占地面積 4000 平方米左右，采用 AGS 好氧顆粒污泥工藝占地面積約為 1000 平方米。

2、成功對(duì)工業(yè)廢水完成污泥顆粒培養(yǎng)及篩選

污泥顆粒培養(yǎng)：污泥顆粒篩選：

3、AGS的低碳表現(xiàn)

4、處理能力強(qiáng)

可以處理上游200多家企業(yè)復(fù)雜的混合廢水。

5、低能耗、低藥耗、生物除磷效率提高

由于所有的生物反應(yīng)和沉降過(guò)程都發(fā)生在一個(gè)反應(yīng)器中，所以需要較少的機(jī)械設(shè)備。例如污泥循環(huán)泵，混合器和移動(dòng)潷水器在 AGS 技術(shù)中是多余的。由于機(jī)械設(shè)備的這種減少，與傳統(tǒng)的 BNR 裝置（注：傳統(tǒng)脫氮除磷工藝）相比，AGS技術(shù)的總能耗顯著降低。

由于 AGS 顆粒對(duì)磷(P)的高吸收，實(shí)現(xiàn)低磷排放值所需的化學(xué)品量減少；且正常運(yùn)行時(shí)無(wú)需投加碳源；從而進(jìn)一步降低化學(xué)品和污泥處理的操作成本。

6、運(yùn)行管理

整個(gè)生化工藝實(shí)現(xiàn)高水準(zhǔn)全自動(dòng)運(yùn)行，包括用電設(shè)備運(yùn)行、藥劑的投加，生化參數(shù)與各先關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)做到了遠(yuǎn)程智慧管控，改變了對(duì)工業(yè)污水廠的一貫傳統(tǒng)刻板設(shè)計(jì)，并為企業(yè)節(jié)約了60%人工。