连续流好氧颗粒污泥的成粒策略和应用现状

宁静，张芷琪，吴传栋，刘源，李惠平，杨殿海，3

(1.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092；
2.广东粤海水务投资有限公司，广东 深圳 518021；

3.污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

颗粒污泥是一种特殊形式的生物膜，具有固体浓度高、沉降性能好、污泥量少等优点。与传统活性污泥(CAS)技术相比，好氧颗粒污泥(AGS)技术的运行费用降低20%～25%，耗电量降低23%～40%，占地面积降低50%～75%[1-3]。两种污泥的理化性质差异见表1。

考虑到氧气浓度梯度的存在，沿着AGS的颗粒半径由内至外可划分出厌氧区、缺氧区和好氧区，AGS分层的结构特点为聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)、反硝化细菌和硝化细菌等创造共存的条件，通过这些微生物协同去除污水中的有机物、氮和磷[4]。因此，AGS技术被预测为一种具有广阔前景的污水处理技术，将取代活性污泥法在城镇污水处理领域的主流地位[5]。AGS的脱氮除磷机理见图1。

本文主要对AGS技术在污水处理方面的应用进行了综述，概述了AGS的成粒机理、影响因素以及研究现状，并总结了现有研究的不足，对目前存在的技术难点提出可行的解决方案，最后提出建议和展望。

表1 AGS和CAS的理化性能对比Table 1 Comparison of physical and chemical properties of AGS and CAS

图1 AGS脱氮除磷机理图Fig.1 Mechanism diagram of nitrogen and phosphorus removal by AGS

1.1 成粒机理

关于AGS的成粒机理在科学研究和工程应用中尚无定论，而假说大多从物理、化学和生物效应的角度出发解释造粒过程。

1.1.1 胞外多聚物假说 胞外多聚物(EPS)的主要成分是蛋白质(PN)和多糖(PS)，PN可降低微生物间的静电斥力，PS可作为黏合剂促进聚凝，EPS通过离子键和配位键等方式使微生物黏附、生长成为聚集体[14]。Liu等[15]发现EPS含量与SVI值呈负相关，而与AGS的形成呈强正相关。

1.1.2 丝状菌假说 虽然丝状菌几乎不分泌EPS，但可通过丝状外形相互缠绕构成初始骨架，在水力剪切力的削剪作用下，初始骨架逐渐长成颗粒污泥[16]。Graaff等[17]利用丝状菌实现了AGS稳定造粒。Liu等[18]证明丝状菌提升了AGS的沉降性能和反硝化能力。

1.1.3 诱导核假说 该假说认为微生物在诱导核表面附着、聚集和生长最终形成AGS。Liu等[19]投加聚合氯化铝溶液将成粒时间缩短至7 d，Li等[20]添加污泥微粉将成粒时间缩短了15 d。因此，可以投加诱导成核剂加快AGS成粒。

1.1.4 微生物自凝聚假说 接种的絮凝菌分泌多糖和果胶等黏性物质，在菌体之间充当桥接菌，对AGS的形成有利。Ivanov等[21]采用絮凝菌培养 3 d，成功获得AGS。Liang等[22]将两种自聚集菌株共同培养，将成粒时间缩短至42 d。

1.1.5 信号分子假说 群体感应(QS)是一种广泛存在于细菌中的生物过程，是指分泌和感应一种特定化学信号分子的细胞间通讯。微生物的QS系统对AGS的形成具有一定调节作用，通过调控EPS主要成分PN、PS的合成和分泌过程，促进微生物聚集体的形成[23]。Liu等[24]和Galloway等[25]均发现，饥饿期细菌分泌更多的AI-2信号分子促进EPS的产生。Li等[26]发现了基于AHL信号分子的AGS稳定性机制。

1.2 影响因素

通过改善进水条件和调整运行工况，有望将AGS启动时间缩短至数周内并维持数月的稳定性。AGS的影响因素解析见图2。

图2 AGS影响因素解析图Fig.2 Analytical graph of factors affecting AGS

1.2.1 沉降时间 通过缩短污泥的沉降时间，可以保留沉降性能良好的AGS并淘汰絮体。Anuar等[27]研究了不同粒径AGS的沉降速度并总结公式，Edward等[28]建立了描述AGS沉降过程的多分散沉降模型。因此，借助数学模型估算沉降速度和沉降时间是可行的。

1.2.2 水力剪切力 水力剪切力主要来自曝气和搅拌，影响因素包括高径比、曝气强度和上升气流速度[29]。通常AGS中试装置的高径比>8[30]，但是赵锡峰等[31]认为高径比并非颗粒化的必要条件。当高径比减小时相应增大曝气强度，可以弥补总体上水力剪切力的下降[32]。

1.2.3 交替的盛宴-饥荒营养机制 在非曝气的污泥层内上升流进水和不同进水区之间交替进水，可以提供交替的盛宴-饥荒条件。Sun等[33]发现，盛宴期时丝状菌快速向外扩张，饥荒期时丝状结构收缩，AGS沉降性能提升。Li等[34]认为饥荒期能促进微生物聚集，对污泥颗粒化的初始阶段有利。此外，盛宴期/饥荒期的比例对污泥颗粒化的影响大于重力选择压，后者可作为选择压的次要补偿措施[35]。

1.2.4 基质组成 关于基质组成的研究主要集中在有机负荷(OLR)、碳源类型和进水C/N比。较高OLR虽然会加快颗粒化，但会造成AGS的运行稳定性变差[5]。Iorhemen等[36]建议采取高OLR加快颗粒化、低OLR维持长期稳定性的饲养策略。

碳源类型影响微生物的代谢途径，使得特定菌种富集成为优势种。例如，葡萄糖导致丝状菌过度生长，醋酸盐有利于变形菌的生长，乙酸钠能够培养出总氮去除效果好的污泥[37-38]。宋志伟等[39]发现进水C/N比与成粒速率呈正相关，而与颗粒稳定性呈负相关。

1.2.5 其他运行条件 控制污泥龄(SRT)可以筛选和保留特定菌种。一些观点认为SRT在20～ 30 d 内对生物除磷过程有利[40]。pH直接影响污泥群落的优势菌种与微生物的繁殖代谢，进而对污染物去除效果和污泥沉降性能产生影响[41]。最佳DO浓度取决于生物质浓度、颗粒大小、基质类型和有机负荷等特定因素[11]。适合大部分微生物生存的温度为20～25 ℃，温度过低(<10 ℃)导致丝状菌的过度生长和颗粒解体，温度过高(>30 ℃)导致蛋白质的变性和酶的失活[42]。污泥负荷(F/M)影响EPS的分泌，进而影响AGS稳定性[43]。

2.1 应用现状

迄今为止，AGS技术规模化应用的成功案例仅限于在SBR内[7]。在全球范围内共有70多座采用AGS工艺的污水处理厂，大部分位于西欧和南美，而我国仅有2座[1]。由此可见，AGS规模化应用仍然很少，关于AGS的成粒机理及影响因素的研究大多在SBR中完成的。考虑到现有的污水处理厂通常以连续流模式运行，在连续流条件下针对AGS的快速成粒、长期稳定性和优异处理性能开展研究，这对于AGS技术的推广应用至关重要。

2.2 解决方案

针对AGS技术难点，国内外研究者提出相应的解决方案，见表2。

表2 连续流AGS工艺的技术难点、解决方案以及原理解析Table 2 Technical difficulties，solutions and explanations of continuous AGS process

现有AGS研究具有以下局限性：①实际污水处理厂的进水水质、水量和水温随季节波动，对连续流AGS系统的稳定性造成挑战；
②对AGS快速成粒的研究结论大多来自SBR装置，在连续流条件下的AGS成粒机理有待探究；
③长期运行的AGS系统往往面临解体问题，对AGS的失稳管控研究仍需推进。

综合国内外的研究状况，笔者认为应从以下几个方面开展研究：①快速培养。在连续流反应器中原位培养AGS、缩短AGS长达数月的培养周期、提高絮体污泥到颗粒污泥的转换率，是推广AGS技术的关键。②长期稳定性。实验室研究大多在AGS形成后的数月内结束，而污水处理厂需要数年的稳定运行，应当从污泥粒径控制、优势菌种调控、微生物群体感应作用、表面热力学等角度出发，探索AGS的失稳机制与调控策略。③新工艺的开发。应当考虑对占据主流的连续流污水处理工艺的改造难度，在满足有效去除污水中污染物的前提下，避免设计大高径比柱式、操作流程复杂、能耗大和药耗大的工艺设备。此外，还可以将AGS技术与其他技术耦合，例如将AGS与生物膜结合，开发藻-菌颗粒污泥等。④资源回收。按照污水资源化的要求，污水处理厂除了净化污水外还兼任“资源工厂”。通过对剩余污泥的处理处置，可以获取沼气、磷、EPS、类藻酸盐外聚合物(ALE)和聚羟基链烷酸酯(PHA)等资源。

本文综述了AGS的结构功能、成粒机理、影响因素和研究现状，从物理与生物角度阐释了选择压机制，分析了技术难点并提出解决方案，最后展望了AGS技术的未来发展方向。综上所述，目前的研究成果缺乏对快速成粒、长期稳定性和失稳机制的深入理解，这仍是阻止AGS技术实现其优势的主要障碍。此外，AGS技术还面临着节能降耗、资源回收等一系列的可持续发展要求，需要进一步开展研究。