肖 飛，丁旭升，王維紅

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)技術(shù)作為近年來興起的污水處理技術(shù)[1]，具有良好的沉降性能、高生物相、高耐毒性、抗沖擊負荷強、多重生物功效等大多數(shù)普通活性污泥難以比擬的優(yōu)點，已成為廢水處理領(lǐng)域的研究熱點。研究表明[2-3]，該技術(shù)與荷蘭Nereda工藝相結(jié)合，應(yīng)用于實際工程，通過中試和生產(chǎn)性試驗，取得了良好的實際效果。然而，在實際工程中，AGS的快速形成是制約該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸，且現(xiàn)有研究多集中在實驗室規(guī)模下進行。

近年來，AGS相關(guān)的研究成果日益增多，但這些成果僅從AGS的形成機制、影響因素等方面來闡述，很少有研究收集關(guān)于AGS快速形成、應(yīng)用以及穩(wěn)定性的系列數(shù)據(jù)。因此，有必要針對近十幾年來國內(nèi)外AGS的研究進展進行全面梳理，進一步明晰AGS快速培養(yǎng)和應(yīng)用研究領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)。文獻計量學(xué)是采用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的計量方法對某一研究領(lǐng)域的大規(guī)模文獻進行時空分析，可以實現(xiàn)該領(lǐng)域技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。有關(guān)生物炭[4]、食品大數(shù)據(jù)[5]、物聯(lián)網(wǎng)研究[6]、營養(yǎng)基因組學(xué)[7]等文獻計量分析已有報道，但基于AGS的文獻計量學(xué)分析尚未見報道。

基于此，本文基于中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫和Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫，采用文獻計量學(xué)方法對2008—2021年間收錄的AGS研究領(lǐng)域的文獻進行量化分析，同時運用VOSviewer可視化分析工具對AGS研究領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞進行重點梳理和總結(jié)，以期深入了解影響AGS的形成機制、顆粒污泥的快速形成及其應(yīng)用的因素，推動AGS技術(shù)的基礎(chǔ)性研究以及工業(yè)化應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于CNKI數(shù)據(jù)庫和WOS核心合集數(shù)據(jù)庫，以“好氧顆粒污泥”和“aerobic granular sludge”作為檢索項，共檢索得到2008—2021年間發(fā)表的文獻4 070篇，其中CNKI收錄2 079篇，WOS核心合集收錄1 991篇；CNKI國內(nèi)發(fā)表和國外發(fā)表分別為765和1 314篇，占總發(fā)文量的18.8%和32.3%。

1.2 研究方法

利用文獻計量學(xué)方法對文獻進行量化分析。使用CNKI和WOS系統(tǒng)自帶統(tǒng)計分析功能，對收集到的發(fā)文量進行統(tǒng)計分析及篩選分類。同時，運用VOSviewer 1.6.16可視化分析軟件，將文獻進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類分析，以揭示AGS研究熱點和研究現(xiàn)狀及趨勢。

2 研究熱點分析

關(guān)鍵詞是論文的核心，對關(guān)鍵詞的計量分析，不僅有助于快速了解該領(lǐng)域的研究熱點，且可預(yù)測未來的研究方向。知識圖譜中以圓的大小表示研究熱度，曲線代表熱點間的共現(xiàn)關(guān)系，不同顏色代表不同的聚類分析，如圖1和圖2所示。

2.1 國內(nèi)AGS領(lǐng)域研究熱點

圖1為CNKI數(shù)據(jù)庫繪制的AGS領(lǐng)域研究熱點知識圖譜。紅色表示聚類1，核心內(nèi)容為有關(guān)AGS形成機制的研究，如明婕等[8]基于群體感應(yīng)為核心的“信號分子假說”，從分子生物學(xué)角度闡釋AGS的形成機制。綠色表示聚類2，核心內(nèi)容為有關(guān)影響顆粒污泥快速形成的研究，如常笑麗等[9]研究表明，施入細土和厭氧顆粒均有助于AGS快速形成，同時培養(yǎng)出的AGS不僅具有致密的空間結(jié)構(gòu)和高孔隙率，而且在顆粒外表面還富集大量微生物。橙色表示聚類3，核心內(nèi)容為有關(guān)顆粒污泥穩(wěn)定性丟失的研究，如黃思琦等[10]研究證實，當含鹽質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，AGS開始出現(xiàn)顆粒解體及污水去除效果減弱，含鹽質(zhì)量分數(shù)增加到5%時，顆粒污泥解體、上浮現(xiàn)象有所緩解。黃色表示聚類4，核心內(nèi)容為AGS對不同環(huán)境條件的響應(yīng)研究，如王琳等[11]實驗結(jié)果表明，酸度是影響AGS生物吸附Pb2+的關(guān)鍵因素。也有研究發(fā)現(xiàn)，不同碳氮比(C/N)條件下也能培養(yǎng)出AGS，且C/N為4的系統(tǒng)脫碳硝化效果較好，抗沖擊負荷能力強。此外，在低溫環(huán)境(15 ℃)培養(yǎng)出的成熟AGS具有良好短程硝化功能[12]；在常溫環(huán)境(<30 ℃)下，AGS富集更多硝化菌，提高硝化菌的活性和生長速率，促進脫氮效果。相反，在高溫環(huán)境(≥30 ℃)培養(yǎng)出的AGS對COD、氨氮和磷酸鹽具有優(yōu)異的去除效果，尤其是在C/N為8、進水負荷率為1.6、溫度為50 ℃形成的AGS。研究還證實，AGS在不同溫度下的成功顆粒化也可能與鐵、鋁、鈣等元素的積累相關(guān)[13]。在低曝氣量下，AGS具有較高處理效能，對廢水中COD、氨氮和磷的去除率最高[14]；在高曝氣量下，當溶解氧(DO)為7～8 mg/L時，顆粒仍保持長期穩(wěn)定性，對系統(tǒng)除磷效果影響不大。但是，將曝氣策略調(diào)整為低/高后，系統(tǒng)的脫氮除磷性能惡化，同時形成的顆粒結(jié)構(gòu)疏松，沉降性和穩(wěn)定性均惡化[15-16]。紫色表示聚類5，核心內(nèi)容為有關(guān)AGS應(yīng)用的研究，如陳啟偉等[17]采用AGS處理人工番茄醬廢水，取得較好效果。同時，有學(xué)者對AGS處理畜禽養(yǎng)殖沼液進行研究，發(fā)現(xiàn)沼液和豬場廢水中含有的高濃度污染物不會對AGS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著毒性脅迫，可實現(xiàn)有機物和氨氮的穩(wěn)定去除[18-19]。此外，還有學(xué)者利用成熟的高鹽AGS處理高鹽榨菜廢水，發(fā)現(xiàn)高鹽AGS對COD有較好的降解效果，去除率在97%以上，但對TN的去除效果較差。這主要是因為，硝化菌所利用的能量僅來自于有機物的同化作用[20]。Hou等[21]試驗結(jié)果表明，不同鹽度(1%、2%、4%)的耐鹽AGS對COD的去除均有良好效果，與空白試驗相比(不投加鹽)，交替鹽度不僅顯著提高了反應(yīng)器的COD去除率，而且還能富集更多的微生物。

2.2 國外AGS領(lǐng)域研究熱點

圖2為WOS核心合集數(shù)據(jù)庫繪制的AGS領(lǐng)域研究熱點知識圖譜。從圖2可以看出，以“aerobic granular sludge”為中心的其他關(guān)鍵詞節(jié)點包括“nitrificationg”“biological treatment”“wastewater treatment”“SBR”“biosorption”“active recovery”等。可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外研究熱點大致相同，同樣包括AGS培養(yǎng)反應(yīng)器的類型、不同類型廢水處理的應(yīng)用以及生物脫氮除磷的研究內(nèi)容3個方面。

圖2 國外AGS領(lǐng)域研究熱點知識圖譜Fig. 2 Knowledge map of AGS research hotspots at abroad

2.3 國內(nèi)外AGS領(lǐng)域研究熱點高頻詞

采用VOSviewer軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過人工篩除部分中文和英文詞義相同以及相近的關(guān)鍵詞，按照關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次和中心度高低，得到國內(nèi)外AGS領(lǐng)域排名前16的關(guān)鍵詞，見表1。對比國內(nèi)外AGS領(lǐng)域高頻詞表，發(fā)現(xiàn)有以下異同點：①主要研究熱點都是“AGS啟動的反應(yīng)器類型”“形成機理”，以及“AGS的應(yīng)用”；②在實驗室培養(yǎng)AGS的過程中，AGS的穩(wěn)定性主要受到兩種荷載的作用，一個是“水動力”，另一個是“氣動力”，國內(nèi)外研究熱點都集中于這兩點，以及多荷載耦合動力分析；③整體來說，國內(nèi)的研究重點偏向于AGS形成機理方向，但是從關(guān)鍵詞“microbial community”“pilot scale”“activity recovery”等可以看出國際上研究熱點會更加偏向AGS工業(yè)化應(yīng)用以及解體恢復(fù)。

表1 國內(nèi)外AGS領(lǐng)域研究熱點高頻詞比較

3 好氧顆粒污泥的形成、特性

3.1 好氧顆粒污泥形成的影響因素

目前，國內(nèi)外學(xué)者公認影響AGS形成的因素較多，過程較復(fù)雜。其中，與培養(yǎng)污泥的種類、水力剪切力、反應(yīng)器構(gòu)型、誘導(dǎo)核、曝氣量、進水方式、沉降時間、底物成分及有機負荷等因素息息相關(guān)，污泥種類、底物基質(zhì)及反應(yīng)器控制條件是決定顆粒污泥快速造粒的主要因素。因此，控制相對精確的反應(yīng)條件是成功培養(yǎng)AGS的關(guān)鍵。

3.1.1 接種種泥

有研究表明[22]，接種污泥濃度與AGS的形成無必然關(guān)聯(lián)，而只與接種污泥特性有關(guān)。在大量的文獻研究中[23]，顆粒污泥主要是以活性污泥為接種污泥，活性污泥的微生物種群類型較為豐富，附著在活性污泥表面/內(nèi)層的微生物類型是形成AGS的重要條件。不同類型的微生物具有親水和疏水的特性，疏水微生物越多，顆粒污泥的沉降性能越好，AGS越容易形成。主要是因為疏水性微生物對污泥絮體粘附能力較強，易于吸附在活性污泥絮體表面，同時接種污泥中含有大量的莢膜菌和絲狀菌，有助于沉降性能優(yōu)越的顆粒污泥快速顆?；Ｊ姓鬯畯S[24]、番茄醬廢水處理廠[17]和啤酒廢水處理廠[25]的污泥均可作為接種污泥，選用番茄醬廢水處理廠污泥作為種泥時，培養(yǎng)出的AGS粒徑較大；選用啤酒廢水處理廠污泥時，種泥中含有較高自凝聚的菌群，能分泌較多胞外聚合物(EPS)，更易形成結(jié)構(gòu)緊密、穩(wěn)定性較好的AGS。

3.1.2 底物基質(zhì)(碳源和金屬離子)

研究發(fā)現(xiàn)，采用合成有機廢水[26-27](葡萄糖、乙酸鈉、苯酚、蔗糖)、市政污水[24]以及部分工業(yè)廢水[28-30](馬鈴薯加工廢水、屠宰廢水、奶制品廢水)等基質(zhì)培養(yǎng)活性污泥，也能成功顆?；?。但不同基質(zhì)條件下培養(yǎng)的顆粒污泥在其形成過程、物化性能、結(jié)構(gòu)及微生物種類組成方面存在明顯差別。當以苯酚為碳源時，反應(yīng)體系中僅培養(yǎng)出含單一菌種的AGS，優(yōu)勢菌為變形菌門Proteobacterium；以蔗糖為碳源培養(yǎng)出的AGS，微生物主要由硝化菌群和短桿菌組成，具有良好的脫氮能力；而以葡萄糖為底物時，反應(yīng)體系中的絲狀菌將過度增殖，引起污泥膨脹，不利于AGS的形成。此外，當以工業(yè)廢水作為唯一碳源時，顆粒污泥主要形成好氧亞硝酸鹽顆粒(ANG)，ANG具有良好的沉降性能和脫氮性能，優(yōu)勢菌為亞硝酸菌。

金屬陽離子可與污泥表面負電荷通過結(jié)合或架橋方式形成穩(wěn)定的三維立體結(jié)構(gòu)，加速污泥成粒過程并維持其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即形成微生物核心，如Fe3+、Mg2+、Ca2+等。Fe3+具有絮凝作用，可使活性污泥絮體增大，增強絮體中氧的傳質(zhì)阻力，限制了內(nèi)層微生物對氧的利用率，從而改善污泥的穩(wěn)定性，降低污泥的厚度，提高處理效率[31]。Mg2+和Ca2+對污泥顆粒促進成粒主要與EPS有關(guān)，Mg2+易與EPS中多糖(PN)的酰胺基絡(luò)合，Ca2+易與蛋白質(zhì)(PS)中OH-結(jié)合，形成疏水性強且黏性較大的AGS[32]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)臐舛确秶鷥?nèi)，Al3+、Cu2+、Hg2+和Ni2+的加入對污泥活性有促進作用，促進AGS凝聚。李洋媚[33]以鋁鹽探究活性污泥中微生物活性，發(fā)現(xiàn)添加鋁絮凝劑的裝置微生物類型更多。周橄等[34]也指出，納米氧化銅(CuO NPs)能釋放微量游離Cu2+，可促進微生物的聚集和生長，提高了污泥濃度。李娟英等[35]實驗結(jié)果顯示，當Hg2+濃度分別為5 mg/L和40 mg/L時，活性污泥的硝化抑制率分別大于30%和70%。對于Ni2+離子而言，其可改善污泥絮體的形成[36]。

陳穎等[37]從成粒模型角度總結(jié)了AGS的典型結(jié)構(gòu)，并從宏觀和微觀兩個層面論述了影響AGS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的條件,其指出AGS的結(jié)構(gòu)形態(tài)主要受宏觀尺度(反應(yīng)器、反應(yīng)體系)的影響，微生物和污泥理化性質(zhì)受微觀尺度的影響。提出AGS的快速?；途S持長期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是加快AGS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

3.1.3 有機負荷

據(jù)報道[38]，AGS可承受有機負荷(OLR)的范圍為2.5～15 kg/(m3·d),不同的OLR對污泥顆?；M程的影響存在差異,較高的OLR更有助于促進細胞分泌EPS，增加其PS和PN含量；低OLR條件下，PS和PN含量增加相對較少，雖然過高的OLR也能成功顆粒化，但是顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，長時間運行易發(fā)生失穩(wěn)解體現(xiàn)象，影響反應(yīng)體系除污效果。Yang等[39]通過調(diào)控OLR會產(chǎn)生相應(yīng)的選擇壓，選擇壓的存在可以促進AGS的快速形成，其形成經(jīng)歷了馴化、顆?；⑸L和成熟4個階段。也有研究發(fā)現(xiàn)，OLR和反應(yīng)器高徑比(RH/D)呈線性相關(guān)[40]，RH/D值越大，AGS生物質(zhì)產(chǎn)量比例越高；RH/D值越小，動力學(xué)參數(shù)(Ks)測量的AGS的有效性降低，生物質(zhì)產(chǎn)量比例減小。

3.1.4 水力剪切力

水力剪切力主要為序批式活性污泥(SBR)裝置提供上升氣流[41-43]，AGS顆?；^程的速率取決于剪切力的強度。在較低的氣體流速時，不利于顆粒污泥形成，主要是由于反應(yīng)器內(nèi)絲狀菌過度繁殖造成；氣體流速較高時，污泥顆?；涌?，粒徑越大，污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越高，這是因為較高的水力剪切力刺激細胞分泌大量的EPS，同時顆粒表面還富集了更多的疏水性微生物，不僅改善了AGS的穩(wěn)定性，也增強了顆粒結(jié)構(gòu)的抗剪性能。研究證實，只有當表觀氣速大于1.2 cm/s時，才能形成AGS，但AGS的形成不僅與表觀氣速有關(guān)，還與底物濃度有關(guān)[37]。當顆粒污泥在相同的水力剪切力作用下培養(yǎng)時，在低濃度廢水中能夠顆?；?，但在高濃度廢水中卻無法形成。

3.1.5 沉淀時間

一般而言，與絮體污泥相比，顆粒污泥相對密實度較高，具有一定傳質(zhì)阻力，兩者在反應(yīng)器中共存時，由于底物基質(zhì)一定，但絮體污泥內(nèi)部的空間較大，微生物生長速率較快，導(dǎo)致顆粒污泥的生長受到抑制，長時間得不到營養(yǎng)物質(zhì)補給，難以在反應(yīng)器內(nèi)存活。Bindhu等[44]報道，在SBR裝置中，好氧顆粒污泥僅在沉降時間為5 min時能成功培養(yǎng)且占優(yōu)勢，而在沉降時間為10、15和20 min時，反應(yīng)器中為顆粒污泥與絮狀污泥的混合物，這是因為較長的水力停留時間會降低懸浮、絮體污泥的洗脫頻率，抑制顆粒污泥的形成，這與Zhao等[45]研究結(jié)果類似。楊月喬等[46]研究結(jié)果也證實，當反應(yīng)器的沉淀時間由15 min縮短至5 min時，污泥沉淀性能更好。主要原因是隨著沉淀時間的減少，污泥流失減弱，促進了污泥EPS含量的增加，有利于污泥顆?；?。此外，減少沉淀時間還可富集更高的微生物量，進而影響系統(tǒng)除污能力[47]。唐堂等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在含海藻酸鈉和不含海藻酸鈉的兩組AGS反應(yīng)器中，可通過改變沉降時間，逐步實現(xiàn)顆?；^程中污泥特性的變化，并且兩組反應(yīng)器分別在20、40 d后可實現(xiàn)絮體污泥顆?；：Ｔ逅徕c的投加有利于EPS的增加，顆粒表面具有更高的微生物量。

3.1.6 反應(yīng)器高徑比

現(xiàn)有研究證實，AGS的形成主要在RH/D>5的培養(yǎng)器中馴化。較高的RH/D可以提供更高的水力剪切力、循環(huán)途徑以及污泥碰撞頻率，使微生物絮體或顆粒污泥更快地形成結(jié)構(gòu)致密、形貌規(guī)則、粒徑較大的AGS。然而，在RH/D<5的SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)AGS，則需要較大的曝氣量，成本較高。曲新月等[49]采用RH/D=1.2的SBR反應(yīng)器成功實現(xiàn)了顆粒污泥的?；@與Van Loosdrecht等[50]采用RH/D=1.29的結(jié)果一致。研究還表明，當RH/D=2.67時，采用厭氧-好氧的運行方式，可成功培養(yǎng)AGS[51]。此外，李冬等[52]采用RH/D分別為3∶1、4.5∶1和6∶1的3組SBR反應(yīng)器也成功培養(yǎng)出AGS，且顆粒相對聚集。

3.1.7 反應(yīng)器運行方式

現(xiàn)有研究表明，活性污泥的馴化主要采用SBR反應(yīng)器進行。SBR系統(tǒng)的間歇式進水方式易發(fā)生貧營養(yǎng)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，AGS表面疏水性增強，細胞間黏附作用增強，微生物形成聚集體以抵抗饑餓。同時，細胞表面疏水性與貧營養(yǎng)狀態(tài)的時間呈正相關(guān)[53-54]。因此，有學(xué)者在SBR系統(tǒng)中采用不同的進水時間來改變貧-富營養(yǎng)交替的循環(huán)周期，且在3 min厭氧進水的條件下，成功培養(yǎng)出光滑、致密的AGS。這是由于貧-富營養(yǎng)化的周期性交替，更有利于EPS的分泌，促進顆粒狀絮凝體的形成，同時決定了DO向顆粒內(nèi)部的傳遞深度[55]。在曝氣階段，適當?shù)钠貧鈴姸炔粌H使AGS結(jié)構(gòu)更加密實，還能提供足夠的DO，減少絲狀菌的生長，維持污泥的穩(wěn)定性，這與沈忱等[14]的結(jié)果一致。低曝氣量有利于磷的去除，但DO變化不顯著；高曝氣量時，較大的水力剪切力造成污泥顆粒被沖刷破壞，顆粒失穩(wěn)解體。當曝氣深度小于50 cm時，氧的傳質(zhì)阻力增加，顆?；屎虴PS降低，顆粒易解體；當曝氣深度大于等于70 cm時，AGS受到的水力剪切力增強，顆?；屎臀勰酀舛忍岣?，污染物去除效果較好，同時顆粒仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性[56]。據(jù)最新研究發(fā)現(xiàn)， AGS培養(yǎng)裝置的類型還包括氣提式間歇(SBAR)反應(yīng)器等，尹志文[57]試驗結(jié)果表明，在投加菌絲球數(shù)量相同的情況下，SBAR反應(yīng)器培養(yǎng)出的AGS優(yōu)于其他反應(yīng)器，且顆粒污泥結(jié)構(gòu)更加致密、穩(wěn)定性強。此外，顆粒周圍的菌膠團聚集程度高，表面含有豐富的菌群結(jié)構(gòu)，桿菌和球菌相互交錯排列。

3.1.8 其他因素

溫度也是影響AGS形成的因素，主要影響微生物活性，大部分微生物的適宜生存溫度為20～25 ℃。當溫度過低時，系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌過度生長，生物質(zhì)流失嚴重，顆粒破碎解體；溫度過高時，PS變性甚至蛋白酶失活，造成整個系統(tǒng)崩潰[37]。污泥停留時間(SRT)是維持顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。SRT過長，反應(yīng)器內(nèi)老化污泥無法排出，導(dǎo)致新生污泥更替時間變長，易造成AGS解體[58]。此外，有學(xué)者通過投加黏土和改性粉煤灰(MFA)也成功培養(yǎng)出AGS。馮殿寶等[59]通過番茄自身攜帶的黏土作為媒介，證實黏土有利于AGS的形成，且形成的AGS微生物相豐富，主要為Proteobacteria(變形菌門)。伍昌年等[60]將MFA添加到SBR裝置中，發(fā)現(xiàn)其微生物以MFA為載體而富集，改善了污泥性能，強化了對各基質(zhì)的去除。

綜上所述，通過調(diào)整水力剪切力、沉降時間、有機負荷、反應(yīng)器構(gòu)型、饑餓期等參數(shù)可促進微生物的快速凝聚[61]。

3.2 好氧顆粒污泥的特性

3.2.1 好氧顆粒污泥的物理特性

AGS的物理特性包括污泥形態(tài)變化、沉降速率、色度、密度和污泥容積指數(shù)等。顆粒的沉降性能是污水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，決定了泥水分離效率。較高的沉降速度對微生物截留量和有機物的降解能力具有促進作用。此外，沉降速率為20～70 m/h，AGS成粒較好，結(jié)構(gòu)致密，這與Adav等[62]結(jié)果一致。張新喜等[63]采用人工建立的相關(guān)模型檢測污泥容積指數(shù)(SVI)，發(fā)現(xiàn)判別污泥沉降性能的正確率較高。這是因為，污泥的水阻系數(shù)較顆粒的水阻系數(shù)小。然而，楊雄等[64]研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷缺乏對污泥沉降性能有影響。當進水缺乏氮元素、SVI小于100 mL/g時，系統(tǒng)內(nèi)菌膠團分泌大量EPS，污泥沉降性能良好，鏡檢可見顆粒物質(zhì)存在；短期進水缺乏氮磷、SVI大于120 mL/g時，污泥沉降性能惡化，絲狀菌數(shù)量減少，系統(tǒng)滋生大量球狀菌；當進水缺乏磷元素、SVI大于120且小于250 mL/g時，系統(tǒng)內(nèi)聚磷菌大量流失，限制菌膠團對碳源的利用，EPS分泌減少，引發(fā)污泥膨脹。因此，培養(yǎng)AGS過程中氮、磷正常供給至關(guān)重要。AGS的SVI值為37～70 mL/g、沉降速率為10～42 m/h、密度保持在1.029～1.036 g/cm3時，具有較好的沉降性能。

3.2.2 好氧顆粒污泥的化學(xué)特性

AGS的化學(xué)特性主要以EPS和比氧耗速率(SOUR)為主，它是控制微生物活性的主要因素。細胞表面疏水性在顆?；^程中起著關(guān)鍵作用。較高的細胞表面疏水性會增強細胞間的相互作用，促進致密聚集體的形成[50]，并分泌大量EPS，EPS的變化對AGS的形成過程及其穩(wěn)定性均具有較大的影響。EPS可劃分為緊密型、松散型和溶解型，它們主要分布在顆粒穩(wěn)定期、解體期和顆粒初期。初期時，EPS和細菌分布均勻，AGS表層聚集大量的細菌，內(nèi)部組成成分是EPS；穩(wěn)定期時，松散型EPS含量較低，緊密型EPS含量較高，PN含量高于PS，緊密型EPS中PS和PN含量增加，增強了AGS的穩(wěn)定；解體期，顆粒中EPS含量顯著減少，內(nèi)部菌體之間排斥力升高，出現(xiàn)內(nèi)層空化現(xiàn)象。究其原因，是由于解體期顆粒粒徑較大，傳輸通道受限，AGS內(nèi)部厭氧內(nèi)核及生物衰亡水解，導(dǎo)致內(nèi)部空洞出現(xiàn)[65]。蔣勗欣等[66]闡述了影響EPS含量的主要因素，EPS中其他組分通過共價、絮凝作用與其他無機物結(jié)合。張云霞等[67]發(fā)現(xiàn)，EPS分為不可生物降解和可生物降解，不可生物降解EPS與顆粒立體結(jié)構(gòu)有關(guān)，可生物降解EPS可作為顆粒污泥自身能源。但在AGS的培養(yǎng)過程中，反應(yīng)器內(nèi)的底物基質(zhì)處于缺乏期時，顆粒內(nèi)微生物通過內(nèi)源呼吸作用消耗EPS，過度消耗則AGS無法形成。因此，較高的EPS含量是AGS形成的關(guān)鍵因素。但EPS不宜過多，太多可能阻塞營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧通道，使顆粒內(nèi)礦化，穩(wěn)定性下降。朱珂辰[68]在研究中證實，SOUR突躍作為絲狀菌在活性污泥中膨脹的預(yù)警信號，可以判定活性污泥沉降性惡化，有利于AGS的培養(yǎng)。

3.2.3 好氧顆粒污泥的生物特性

有研究表明，采用高通量測序技術(shù)和掃描電鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡、實時熒光定量PCR等顯微技術(shù)可以研究AGS培養(yǎng)過程中相應(yīng)細菌豐度的變化。此外，還可通過高通量測序技術(shù)觀察AGS的微生物群落結(jié)構(gòu)[69]。AGS存在多種細菌，如異養(yǎng)菌、硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等，其微生物多樣性與培養(yǎng)基質(zhì)成分、反應(yīng)器類型和顆粒結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。表2表明不同培養(yǎng)基質(zhì)中AGS微生物組成也不同[70-80]。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同培養(yǎng)基質(zhì)條件下形成的AGS微生物種類存在差異，主要以Proteobacteria、Sphingobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes等微生物為主，Proteobacteria和Bacteroidetes是降解人工合成廢水的優(yōu)勢菌。反應(yīng)器類型也是影響AGS微生物多樣性的原因。研究表明[81-82]， 在SBAR裝置中接種普通絮狀污泥，采用人工配制的模擬生活污水，成功培養(yǎng)出AGS，通過SEM發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)出的AGS顆粒粗糙，表面以桿菌和球菌為主；而采用SBR馴化出的AGS，顆粒表面更加粗糙，微生物主要以球菌為主，有少量的桿菌。也有報道，在SBAR裝置中經(jīng)2，4-二氯酚廢水馴化出的AGS結(jié)構(gòu)致密，并且含有一定數(shù)量的反硝化菌、Flavobacteria和酸桿菌門Acidobacteria。Abdullah等[83]研究發(fā)現(xiàn)，以棕櫚油加工廢水為碳源的BASR裝置也能將絮體污泥成功顆?；?。經(jīng)SEM和高通量測序結(jié)果表明，AGS微生物分布以球形細菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群為主。一些研究還發(fā)現(xiàn)，AGS處理橄欖油廢水時，微生物菌群主要以好氧變形菌為主，隨著橄欖油供應(yīng)量增加到600 mg/L時，好氧降解菌數(shù)量減少[84]。

AGS空間結(jié)構(gòu)的不同也是造成微生物多樣性的原因之一。目前，AGS外觀一般為圓形或橢圓形，但是王維紅等[85]試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)出的AGS呈“稻殼狀”?！暗練睢盇GS外層包裹的微生物主要以聚磷菌(90%以上)占優(yōu)勢，其次是鐘蟲屬Vorticella，同時顆粒內(nèi)部空洞較大，缺氧區(qū)與好氧區(qū)共存，形成了鮮明的微生物分布區(qū)。另外，還發(fā)現(xiàn)了少量發(fā)硫菌屬Thiothrix和綠彎菌門Chloroflexi。而一般形態(tài)的AGS核心部分主要為聚糖菌、Flavobacteria、微桿菌科Microbacteriaceae及球形細菌。

表2 不同培養(yǎng)基質(zhì)中AGS微生物組成

4 好氧顆粒污泥技術(shù)的應(yīng)用

4.1 印染廢水的處理

紡織印染廢水色度深、高有機負荷、pH變化大、水質(zhì)成分復(fù)雜且含芳香環(huán)及苯環(huán)結(jié)構(gòu)。馬登月[86]研究發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖和乙酸鈉為底物，亞甲基藍、剛果紅染料為模擬廢水，可成功培養(yǎng)出兩種不同性狀的AGS。亞甲基藍AGS的中、外層富集大量絲狀菌和真菌，內(nèi)層以桿菌為主；剛果紅AGS顆粒表面光滑，結(jié)構(gòu)緊密，兩種AGS對亞甲基藍、剛果紅的最大吸附量分別為256.41、175.44 mg/g。Franca等[87]試驗結(jié)果表明，采用遞加偶氮染料的方式，培養(yǎng)出特異性AGS。在AGS中，附著在內(nèi)層的偶氮染料還原菌可在厭氧條件下還原偶氮染料的偶氮鍵，并在后續(xù)好氧生物階段礦化有毒的磺化芳香胺，使染料去除率高達93%以上，成功生物脫色。李黔花等[75]考察了AGS處理印染廢水的效果，發(fā)現(xiàn)AGS對陽離子染料降解和CDD去除的功能菌為磁螺菌屬，這與Lotito等[88]研究結(jié)果一致。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，染料廢水的去除不僅依賴于AGS中細菌的作用，還與EPS有關(guān)，EPS對染料廢水的生物吸附具有一定貢獻，顆粒內(nèi)的厭氧微生物通過消耗緊密結(jié)合的EPS作為碳源和能量源，使染料降解。

pH值是影響AGS對染料廢水吸附效率的主要因素，表現(xiàn)在：pH值較低時，AGS對酸性紅、橘黃吸附較好；中性時，對孔雀綠吸附較好；pH值較大時，對結(jié)晶紫吸附較好。這是因為pH值主要影響顆粒與染料分子間的作用力及AGS表面吸附位點。此外，AGS對紡織印染廢水中染料的吸附量還與染料初始濃度有關(guān)。AGS作為具有高生物相的活性吸附材料，不僅有效克服了普通生物吸附劑存在的固液分離問題，而且有望成為一種有利于染料廢水處理的環(huán)保型生物吸附劑。

4.2 高濃度有機廢水的處理

4.3 有毒有機廢水的處理

有研究表明，AGS獨特的結(jié)構(gòu)已被證實對外界有毒物質(zhì)具有抗性。苯酚作為微生物的碳源之一，但也具有毒性，易造成微生物的死亡。劉前進等[93]研究表明，苯酚溶液為60 mg/L時，AGS具有較好的顆粒狀，結(jié)構(gòu)密實；大于300 mg/L時，顆粒結(jié)構(gòu)強度較差，易解體。這是由于苯酚溶液濃度過高，微生物死亡，顆粒結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)層結(jié)構(gòu)破壞，菌膠團溶解。然而，適當濃度的苯酚溶液可以防止AGS解體，為AGS的儲存提供有價值的參考。劉國洋等[94]試驗表明，當進水苯酚濃度為3 g/L時，AGS對苯酚去除率為98.33%，去除效果較好。掃描電鏡顯示，加入苯酚溶液的AGS顆粒表面更加光滑，結(jié)構(gòu)致密，粒徑更大，表明苯酚毒性刺激了更多的EPS分泌。除此之外，AGS也對嘧啶類[95]、甲基叔丁基醚[96-97]和三甲基甲醇廢水[98]具有良好的去除性能。田世烜等[99]研究表明，AGS對嘧啶廢水的降解能力較好。魏永軍[100]實驗表明，AGS對甲醇廢水吸附性能較好，COD去除率高。

4.4 重金屬廢水的處理

海藻、真菌生物質(zhì)、活性污泥和天然高分子材料可被作為生物吸附劑。目前使用的生物吸附劑大多為懸浮微生物，但存在處理后難以分離、生物吸附劑穩(wěn)定性差、回收困難等缺點[101]。AGS作為吸附劑時，對Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附作用與pH、金屬離子濃度有關(guān)[102]。pH過低時，溶液中游離的H+會在EPS上占據(jù)少量的吸附位點，并使EPS表面質(zhì)子化，增加表面斥力，導(dǎo)致吸附效率低；pH過高時，EPS的電荷ζ電位降低，顆粒表面呈負電性，金屬離子的吸附量隨電勢的減小而增大。金屬離子初始濃度越低，AGS對金屬離子吸附能力越小，吸附量越少；隨著初始含量升高，金屬離子吸附量也升高，吸附驅(qū)動力更強，但是吸附容量不可能是無限的，因此吸附量會趨于飽和。當Pb2+、Cu2+和Cd2+3種離子共存時，其吸附量分別為43.80%、43.01%和18.95%。馬明海等[103]以絮狀污泥為種泥，考察了AGS對Zn2+、Cu2+和Pb2+的影響，結(jié)果表明，AGS對Zn2+和Cu2+的吸附量與基質(zhì)濃度有關(guān)，當重金屬離子濃度為250 mg/L時，氨氮去除率降低，COD去除率提高，對金屬離子的最大吸附量分別為246.1和180 mg/g。此外，重金屬離子的加入還會使污泥顆粒變小。李姝等[104]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)干燥失活的AGS對Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附效果均較好，吸附能力依次為Pb2+

4.5 核廢水的處理

核廢水的影響非常之大，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，還會對人類造成致命打擊，產(chǎn)生基因突變、致癌和致畸的后果，特別是鈾元素，其能夠以粉塵和氣溶膠的形式通過呼吸進入人體，引起呼吸道疾病。有研究表明，成熟的AGS可用于去除水中溶解性鈾[105]。郭棟清等[106]綜述了含鈾廢水的去除方法，其中生物修復(fù)主要是利用微生物的特性將鈾離子進行沉淀。Martins等[107]將AGS與含鈾廢水共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)成熟的顆粒污泥對鈾、鉻去除效果較好。采用16SrRNA基因分析表明，腸桿菌科和紅環(huán)菌科成員對含鉻廢水去除有益，并且具有一定生物修復(fù)能力。研究還表明，鈾濃度與pH呈負相關(guān)，pH值在1～6時，AGS的攝鈾速率最快。苑士超等[108]試驗表明，pH值在5.2～6.6時，鈾去除率高達95%；pH值大于6.6時，鈾去除率降低到50%。其中，含鈾廢水的去除主要依賴于顆粒污泥的氧化和吸附的共同作用。

5 結(jié)語與展望

AGS作為一種新型的污水處理技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、沉降性能好、微生物相豐富、生物截留率高等優(yōu)點，可以在一定程度上彌補傳統(tǒng)活性污泥法的缺陷(進水水質(zhì)變化的適應(yīng)性較低)。然而，在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)和應(yīng)用中，也存在著穩(wěn)定性差、能耗高、反硝化能力差等問題。若能系統(tǒng)地研究好氧顆粒污泥的形成機理、微生物群體關(guān)系以及有機物降解過程的協(xié)同效應(yīng)，加大中試和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)力度，將更好推動好氧顆粒污泥的工業(yè)化應(yīng)用。