郭之晗，徐云翔，李天皓，黃子川，劉文如，2，3，沈耀良，2，3

（1 蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2 江蘇省環(huán)境科學與工程重點實驗室，江蘇蘇州 215009；3 江蘇高校水處理技術與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009）

在污水處理領域中，活性污泥法是最為成熟且應用廣泛的技術之一，顆粒污泥是由微生物自凝聚作用而形成的具有特殊形式的活性污泥。與傳統(tǒng)的絮狀污泥相比，好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge,AGS）具有結構密實穩(wěn)定、抗沖擊負荷能力強、沉降性能好、微生物種群豐富、特殊分層結構等特點，因而有著泥水分離效果好、可處理高濃度毒害廢水及同步脫氮除磷等優(yōu)勢。這也使得AGS工藝成為廢水處理的一種新途徑，有著廣闊的應用前景。

目前國內外學者針對AGS 的結構特性、理化性質、影響因素、成型條件、微生物類型及對各類廢水的處理效果展開了大量研究，為好氧顆粒污泥的工程化應用提供了理論基礎。然而有工程報道表明，AGS反應器啟動時間長且始終存在一定的絮狀污泥，證明了AGS在工程應用方面不容樂觀。其中顆粒培養(yǎng)成型時間長、長期運行顆粒易失穩(wěn)也成為了限制其應用的瓶頸。因此，如何促進好氧顆粒污泥快速成型，并在實際運行中維持其結構和功能的穩(wěn)定性，避免出現顆粒解體等問題成為了目前研究的熱點及該技術推廣應用的關鍵。

縱觀以往關于AGS 的綜述，內容多集中于顆粒形成機制、影響因素、各類型廢水處理中的應用等方面，關于維持顆粒穩(wěn)定運行的方法鮮有涉及。因此，本文針對性地分析了影響AGS 穩(wěn)定性的因素，列舉了強化顆粒污泥穩(wěn)定化應用的方法，并提出了AGS工藝今后發(fā)展的方向與研究重點。

1 好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響因素

1.1 反應器運行方式

1.1.1 反應器類型與構造

目前關于好氧顆粒污泥技術的研究多數是基于間歇式反應器展開的，這是由于連續(xù)流工藝會造成系統(tǒng)中底物濃度梯度的降低，不利于AGS 的穩(wěn)定維持，甚至導致顆粒污泥的解體破碎，張瑞環(huán)等的研究亦表明，絲狀菌的滋生導致顆粒污泥的穩(wěn)定性降低是連續(xù)流中AGS培養(yǎng)應用的限制因素。相較而言，序批式反應器（SBR）的曝氣作用與短沉降時間能加速顆粒的成型，同時顆粒在摩擦力的作用下也更密實。另一方面，SBR的間歇運行方式所形成的飽食/饑餓狀態(tài)能抑制絲狀菌的生長，沉降性能好的菌膠團則處于優(yōu)勢生長，從而提高顆粒污泥的穩(wěn)定性。

針對SBR 而言，反應器的高徑比、運行周期等因素也會對顆粒的穩(wěn)定性造成影響。通常認為較高的SBR高徑比（/）能夠促進顆粒的形成，加快培養(yǎng)速度。張遠等研究了低/情況下好氧污泥顆?；捌浞€(wěn)定性的影響機制。結果表明在低/條件下，適當提高/能產生高的基質擴散系數，有利于顆粒結構的維持和微生物代謝。SBR不同的運行周期會形成不同的饑餓期，從而對顆粒污泥的性質造成影響。Liu等在研究中發(fā)現，短運行周期（1.5h）下培養(yǎng)的顆粒污泥在運行一段時間后解體，而在運行周期相對較長（4h 和8h）的反應器中，長期運行下AGS 仍能保持較好的穩(wěn)定性；Wang 等在研究中發(fā)現，循環(huán)時間3h 條件下運行的顆粒粒徑較大、顆粒飽滿、強度高，而在循環(huán)時間12h下的顆粒粒徑小、強度低。另一方面，王海彪等則發(fā)現過長的運行周期（12h）下顆粒污泥沉降性能惡化，絮狀污泥明顯增加，長期運行解體嚴重，而在相對較短的運行周期（3～6h）下的污泥卻能始終保持較低的SVI 值、較高的粒徑及密度。Liu 等在另一項研究中，設置了1.5h、4h、8h 三組不同的循環(huán)時間，長期運行中觀察到，短循環(huán)周期（1.5h）下的顆粒粒徑最大，但顆粒沉降性能反而不佳，長循環(huán)周期（8h）下由于曝氣時間過長，顆粒污泥濃度最低，同時顆粒結構松散，而循環(huán)時間為4h下的污泥指數（SVI）值低，沉降性能最好，同時顆粒結構也較為緊致。因此，綜上所述，過長和過短的循環(huán)周期均不利于顆粒污泥的穩(wěn)定運行，綜合而言4～6h 為最佳運行周期，此時顆粒污泥具有良好的沉淀性能、較高的污染物降解速率，同時能保持較強的穩(wěn)定性。

1.1.2 水流剪切力

水流剪切力是好氧顆粒污泥形成的關鍵性因素，其對好氧顆粒結構、胞外聚合物（EPS）產生、細胞代謝、顆粒的快速形成具有促進作用。一般認為，高水流剪切有利于帶動絲狀菌緊密纏繞，形成結構密實、抗負荷能力強的顆粒污泥，進而提高顆粒的穩(wěn)定性。Tay等的研究表明，剪切力對表觀氣速有重要影響，只有當表觀氣速大于1.2cm/s時方可形成顆粒污泥。同時，高剪切力能促進多糖的產生，提高AGS的疏水性，使得顆粒污泥結構更加致密。產生的多糖可以增強好氧顆粒污泥的結構，對好氧顆粒的結構穩(wěn)定性起著重要作用。Chen等的研究亦表明，在低剪切力（0.8cm/s 與1.6cm/s）條件下運行，顆粒形狀逐漸變得不規(guī)則，結構松散；而在高剪切力（2.4cm/s 與3.2cm/s）條件下培養(yǎng)的好氧顆粒形態(tài)穩(wěn)定，外觀清晰，結構致密而緊湊，經過120天的運行仍然保持良好的性能。

王超等發(fā)現，AGS的尺寸會隨著剪切力的增加而增大，在一定范圍內，水流剪切力的增加對好氧顆粒污泥中微生物的活性具有促進作用。這是由于較高的剪切力能提高好氧顆粒污泥微生物的比耗氧速率（SOUR），有利于分泌更多的EPS，提高污泥的快速吸附能力并建立完善的自我調節(jié)與保護機制，進而提高顆粒的穩(wěn)定性。

1.1.3 有機負荷

進水有機負荷（OLR）影響AGS中微生物活性及種群類別，從而對顆粒污泥的形成與結構穩(wěn)定性起到重要作用。早前已有研究表明，在有機負荷小于2.0kg/(m?d)時，無法成功培養(yǎng)好氧顆粒污泥，同時過高或過低的有機負荷均會對AGS 的穩(wěn)定性產生負面影響。

在Peyong 等的研究中，成熟的AGS 在低有機負荷[0.6kg/(m?d)]下運行兩個月后，穩(wěn)定性惡化并逐漸解體。Zhang 等研究了AGS 在低OLR[0.58kg/(m?d)]下運行時的變化：顆粒結構松散、多孔，當顆粒直徑增加到1mm時開始變得不穩(wěn)定，沉降性能也隨之下降，同時AGS 中EPS 含量下降，降低了顆粒結構的整體強度。Rusanowska等的研究表明，一定范圍內相對較低的有機負荷能使顆粒中EPS 含量增加，但更低的OLR 將會導致顆粒解體破碎。這些現象可能是由于低OLR 下有機化合物的消耗時間較短，因此微生物的饑餓時間更長。研究還發(fā)現，在低OLR 條件下，粒徑較小的顆粒EPS含量和成分更穩(wěn)定。

對于高負荷的情況，Liu 等在12kg/(m?d)的條件下能快速培養(yǎng)AGS，然而兩周后顆粒污泥逐漸膨脹并解體，當OLR 降至6kg/(m?d)后，AGS 逐漸恢復穩(wěn)定的顆粒結構。Zheng 等的研究發(fā)現，在高負荷條件下[6kg/(m?d)]，以細菌為主導的好氧顆粒在運行過程中逐漸變得不穩(wěn)定并轉變?yōu)榇蟪叽绲慕z狀顆粒，顆粒內部出現傳質限制，導致顆粒內部出現厭氧菌。這使得顆粒變得不穩(wěn)定并逐漸崩解。目前所提出的關于高OLR 下的顆粒解體的原因主要包括：絲狀微生物的過度生長、厭氧顆粒核心處的細胞內蛋白質水解、細胞分泌蛋白質減少。顆粒EPS結構變弱導致微生物自動聚集能力的喪失。

1.1.4 飽食-饑餓期

目前，絕大多數好氧顆粒污泥的培養(yǎng)是在SBR反應器中進行的，而SBR 獨特的間歇式運行特點使得反應過程分為底物豐富與匱乏兩個階段，即飽食期與饑餓期。間歇進料可以促進形成光滑、結構緊密的顆粒污泥，近年來研究者們針對飽食-饑餓期對AGS穩(wěn)定性的影響總結如表1所示。

表1 飽食-饑餓期對AGS穩(wěn)定性影響及分析

綜上所述，運行過程中合理的饑餓時間對顆粒的穩(wěn)定性具有重要作用，相對而言饑餓期較長更利于顆粒的長期穩(wěn)定運行，根據經驗，飽食/饑餓期為1/2～1/4時，AGS 的結構最為緊密，EPS 含量高、不易解體，穩(wěn)定性最好。由于短期饑餓能加速顆粒的成型，因此可以在運行初期采用較短的饑餓期以促進顆粒的形成，之后延長饑餓期以提高顆粒的穩(wěn)定性。

1.2 進水水質

1.2.1 底物類型

進水碳源種類會對系統(tǒng)中微生物以及顆粒的形態(tài)和結構產生影響，進而影響到AGS運行中的穩(wěn)定性。有研究表明，以蔗糖、葡萄糖為碳源培養(yǎng)的顆粒結構松散、表面蓬松，這是由于葡萄糖容易降解且富含能量，會加速絲狀菌的生長繁殖，促使顆粒粒徑增長，導致結構松散。相比葡萄糖，乙酸鹽培養(yǎng)的AGS結構緊密而穩(wěn)定；單獨的乙酸鈉培養(yǎng)出的AGS顆?；潭炔睿w粒周圍有大量絮狀污泥使AGS 呈絮團狀；而當蔗糖與乙酸鈉混合作為碳源時，形成的AGS 表面光滑，無絲狀菌，顆粒化程度高，穩(wěn)定性強。這是由于底物組成復雜時，其被降解所需的微生物種類更多，故可產生具有分層、結構復雜的顆粒污泥。

1.2.2 C/N比

碳源是微生物生長、繁殖必須的物質，氮源則是合成微生物體內蛋白質的主要原料。同時，由于自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物營養(yǎng)類型的不同，不同C/N比下培養(yǎng)的顆粒污泥生物多樣性、微生物群落分布和形態(tài)結構會有明顯差異。一般研究認為，較高C/N比下運行的AGS工藝啟動時間短，但形成的顆粒污泥形狀不規(guī)則、結構松散同時大量絲狀菌纏繞，易出現顆粒解體現象；而在相對低的C/N比運行條件下，形成的顆粒粒徑小，但結構致密，同時在高氨氮水平下可長期穩(wěn)定運行。但亦有研究認為，在過低的C/N 比下，微生物群落豐富度降低，EPS含量下降，對AGS的物理強度、沉降性能等產生負面影響甚至造成顆粒結構發(fā)生解體。近年來關于C/N比對AGS穩(wěn)定性影響的研究總結如表2所示。

表2 C/N比對AGS穩(wěn)定性影響及分析

總結研究，為了保持AGS 較好的去除效果和良好的穩(wěn)定性，將C/N 比控制在5～10 之間最為適宜。

1.2.3 F/M比

在相同的有機負荷下，AGS的穩(wěn)定性不同可能是由于系統(tǒng)中生物量的差異造成的。事實上，進水食料與微生物量的比例（F/M比）是影響微生物生長和污染物去除的重要因素之一。Wu 等的研究發(fā)現，當F/M 比控制在0.4～0.5g COD/（gVSS·d）時，AGS沉降性好、污染物去除效率高，微生物多樣性豐富同時穩(wěn)定性最強。相同的結論在Kang等的研究亦有證明，當F/M 比由0.4g COD/（gVSS·d）降至0.2g COD/gVSS·d 時，出現顆粒解體的現象，而當重新調整至0.4 后，系統(tǒng)中重新形成了顆粒。在一項利用AGS 處理高濃度有機廢水的實驗中，研究者認為，F/M 比對成熟顆粒的穩(wěn)定性起著決定性作用。當F/M 比在0.5～1.4g COD/（gVSS·d）之間時，顆粒沉降性能良好且穩(wěn)定，而當F/M比增加到2.2g COD/（gVSS·d）以上時，會導致顆粒蓬松、膨脹并逐漸解體。

因此，一定條件下相對較低的F/M比有利于提高AGS的穩(wěn)定性，但存在著閾值，過低的F/M比將不利于AGS 的穩(wěn)定。一般情況下F/M 比在0.4～1.0g COD/（gVSS·d）時最為適宜。

1.3 污泥的理化性質

1.3.1 顆粒粒徑

好氧顆粒污泥的表面存在著各種活性細菌，絲狀微生物貫穿內部，而核心則是由EPS 組成。因此，AGS的尺寸與結構會對基質的傳質產生影響進而影響顆粒的穩(wěn)定性。在顆粒污泥中，絲狀微生物相對于其他物種由于具有較高的表面積，能夠在底物缺乏、溶解氧（DO）稀少的環(huán)境中更具生存競爭力從而能更好地生存。因此，當AGS 粒徑過大時將導致內部基質及溶解氧傳質受阻，絲狀菌大量生長，污泥變得膨脹甚至解體，嚴重損害顆粒的穩(wěn)定性。因此將顆粒粒徑控制在適當范圍內至關重要，目前的研究認為1～3mm 是SBR 反應器中最佳的粒徑范圍，Long 等也在最新的研究中指出，2～3mm 是AGS 最適宜的粒徑范圍，在此區(qū)間內，粒徑增長最慢，更容易保持穩(wěn)定。然而，在實際應用中顆粒最佳粒徑的選擇仍要綜合考慮反應器的結構、操作條件以及處理廢水的成分。

1.3.2 胞外聚合物組成

胞外聚合物（EPS）是分布于細胞表面的高分子物質，主要由蛋白質（PN）、多糖（PS）、核酸等成分組成（圖1為顆粒表面CLSM圖），按存在形式可分為溶解態(tài)SB-EPS 與結合態(tài)EPS（包括松散結合態(tài)LB-EPS 與緊密結合態(tài)TB-EPS），如圖2所示，在維持顆粒污泥空間結構的完整性和穩(wěn)定性方面有著重要的作用。然而，關于EPS中各組分的構成對顆粒穩(wěn)定性的影響眾說紛紜，目前仍無明確定論。多數研究認為PN 在顆粒長期穩(wěn)定運行中發(fā)揮著主要作用。Zhao 等的研究發(fā)現，具有較高PN/PS 比的顆粒能夠分泌更多的胞外蛋白，PN 能作為保護劑維持顆粒的內部結構，提高AGS 的穩(wěn)定性；王玉瑩等的研究認為，AGS 的形成過程中，會分泌大量的PN 來調控其結構穩(wěn)定性以適應水質的波動，同時PN/PS比越大越有利于AGS的穩(wěn)定；Zhu 等在研究中發(fā)現，顆粒的最小沉降速度、疏水性、表面電荷均隨PN 含量的增加而增大，結果表明EPS 尤其是PN 組分對AGS 的形成和穩(wěn)定起著關鍵作用。與此同時，有些學者認為PS比PN 對顆粒結構穩(wěn)定性的影響更顯著。Martinez等認為，高PN/PS 比的顆粒沉降性能較差，而較低的PN/PS比則有利于改善細胞表面的疏水性，使得AGS 趨于穩(wěn)定。需要指出的是，EPS 的含量并非越高越好。Corsino 等在其最新研究提出，在短周期內EPS 富集較快，過高的EPS 會導致顆?？紫兜亩氯瑥拈L遠考慮將會導致顆粒的破壞與解體。

圖1 顆粒污泥表面CLSM圖[46]

圖2 EPS結構示意圖

1.4 微生物角度

1.4.1 微生物生長速率

顆粒的穩(wěn)定性與微生物的生長速率有一定的關聯(lián)。通常，生長緩慢的微生物被證明對生物膜的密度和穩(wěn)定性有著積極的影響。這是由于這些微生物可以在飽食階段快速儲存基質并在饑餓階段通過相對緩慢的生長過程來參與競爭。相對而言，生長速率較快的微生物在一定的條件下快速降解進水基質，容易造成絲狀菌的大量生長，不利于AGS 結構的穩(wěn)定。Liu 等發(fā)現，在高N/COD 條件下，生長速率較低的好氧顆粒在相對密度、污泥容積指數和細胞疏水性方面均表現出更好的性能。同時研究證明，通過選擇富集生長緩慢的硝化菌可以顯著提高AGS的穩(wěn)定性。

1.4.2 微生物菌落結構

在好氧顆粒污泥中，不同的菌群相互競爭和協(xié)作形成共生的關系，這種復雜的關系對提高AGS結構性能的穩(wěn)定有一定幫助。侯愛月等利用聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳技術（PCR-DGGE）觀測到隨著顆粒的形成，微生物的豐度及多樣性不斷增加，同時，不利于顆粒穩(wěn)定性的微生物逐漸被淘汰。另外，微生物的種類也對顆粒的密實度和穩(wěn)定性產生一定影響。劉鳳閣等通過對顆粒污泥內的真菌進行分離鑒定，發(fā)現AGS 內各種真菌的協(xié)同作用可以有效消除在顆粒內積累的細菌代謝產物，改善顆粒內微生物的生態(tài)環(huán)境，進而增強AGS的穩(wěn)定性。李志華等研究了自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌顆粒污泥的特性，研究發(fā)現，自養(yǎng)菌顆粒污泥的密實度隨粒徑增大而增加，顆粒趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)中EPS與孔隙率能夠達到動態(tài)平衡是其長期維持穩(wěn)定的主要原因。此外，同一種微生物在不同情況下帶來的影響也不相同。以常見的絲狀菌為例，少量生長的絲狀菌可作為顆粒骨架，增強AGS 的強度并維持穩(wěn)定，但過度生長的絲狀菌反而會破壞其結構穩(wěn)定性，導致顆粒松散并解體。

1.4.3 微生物群感效應

由信號分子作為介導，存在于微生物之間的通信交流機制稱為群感效應（quorum sensing,QS）。微生物感知環(huán)境中信號分子的濃度，進行胞內或胞外的信息交流，根據周圍環(huán)境調控特定基因的表達，進而實現群體行為的調控。信號分子作為群感效應的信息傳遞者，其種類與濃度在微生物行為調控中起著重要作用。好氧顆粒污泥中常見的信號分子大致可以分為三類：-酰化高絲氨酸內酯類化合物（AHLs）、自體誘導肽（AIPs）和種間信號分子自體誘導分子（AI-2）。因為革蘭氏陰性菌在微生物中往往為優(yōu)勢微生物，因此群感效應的實現途徑主要是由以AHLs為代表的革蘭氏陰性菌信號分子調控，目前關于AGS 方面的研究多數也是基于AHLs展開的。

已有大量的研究表明群感效應參與調節(jié)污泥的各項生理功能，包括細胞分化、生物膜的形成和胞外聚合物的合成。群體感應調控底物的分解轉化，促進EPS 分泌，進而提升顆粒結構的穩(wěn)定性。張智明通過投加C8-HSL、3OHC8-HSL 等AHLs，顯著提升了底物的降解速率及EPS 產率，其中顆粒污泥的PN 增幅更為顯著，表明AHLs 強化EPS的生成，促進顆粒污泥結構的穩(wěn)定。Li等進行對比實驗發(fā)現，投加了AHLs的顆粒污泥比未投加AHLs 的顆粒污泥中胞外聚合物的含量更高，PN 含量的提升尤為明顯。宋志偉等通過分別投加C10-HSL、C12-HSL 和C14-HSL 三種信號分子進行對比研究，三種信號分子的投加均有助于AGS性能的改善（對比于空白組），顯著提升了系統(tǒng)EPS 的生成，有利于維持顆粒形態(tài)的完整，而TB-EPS 則是維持其穩(wěn)定性的重要因素。研究還發(fā)現，投加C12-HSL 的AGS 具有較大的粒徑，同時能保持優(yōu)異的沉降性能和較高的污染物降解效果。另一方面，AI-2 也有著相同的作用，Liu 等通過延長SBR 饑餓期，有效促進了AI-2 分泌，進而調控EPS 的大量分泌，強化了AGS 的顆粒化。Sun等通過交變有機負荷法，促進了AGS 系統(tǒng)中AI-2含量大幅增加，強化了大分子EPS的產生。結合

1.3.2 節(jié)的內容，EPS 的增加，尤其是高含量的PN可以增加顆粒表面的疏水性，有利于功能微生物在顆粒表面的附著，進而提高顆粒的穩(wěn)定性。

由于能量的代謝與微生物的活動息息相關，因此，部分學者嘗試從ATP 代謝的角度探究QS 對好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響。Zhang等的研究發(fā)現，在AGS結構逐漸失穩(wěn)的過程中，ATP的含量會隨著AHLs 濃度降低而降低。同時當EPS 合成受阻時，QS 則通過增強ATP 的合成來提升顆粒穩(wěn)定性。張智明發(fā)現，投加AHLs 的系統(tǒng)中污泥的ATP 含量是空白對照組的10 倍。以上研究均表明，系統(tǒng)中AHLs型QS能有效調控微生物ATP的合成，ATP同時為EPS 的分泌供給能量，間接維持顆粒的穩(wěn)定性。

在進一步探究QS 效應信號分子對顆粒污泥穩(wěn)定性的影響及作用機理的過程中，部分學者嘗試投加干擾物質以抑制、減少信號分子的分泌。Lyu等投加香草醛以抑制AGS 系統(tǒng)中AHLs 的產生，過程中顆粒污泥的PN 含量明顯降低，AGS 逐漸解體。Li 等向成熟的AGS 系統(tǒng)中投加AHLs 降解酶致使AHLs失活，同時微生物附著能力降低，顆粒結構惡化。

綜上所述，QS 信號分子的濃度對顆粒的形成與穩(wěn)定起著重要的影響，高濃度的信號分子有助于顆粒結構的穩(wěn)定，因此有研究嘗試外源添加信號分子的途徑修復解體的AGS。胡遠超向解體的AGS 系統(tǒng)中加入AHLs，經修復后的解體污泥顆粒結構逐漸規(guī)則完整，顆粒密度、疏水性顯著提升。由此，對微生物群感效應及信號分子展開深入研究，對好氧顆粒污泥的長期穩(wěn)定運行有著重要意義。

2 提高好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的策略與方法

2.1 調整曝氣

眾所周知，曝氣是好氧顆?；^程中最重要的操作條件之一。SBR反應器獨有的間歇操作模式使得在飽食期和饑餓期內微生物生理特性與動力學特征有所不同，在飽食期碳源的快速降解比在饑餓期需要消耗更多的氧氣，同時饑餓期的溶解氧接近飽和值，饑餓期內微生物對氧氣的利用率低。因此，需要在運行的不同階段提供不同的溶解氧與剪切力，以維持顆粒的穩(wěn)定性。Liu 等研究了在饑餓期減少曝氣對好氧顆粒污泥SBR 反應器運行性能的影響，研究證明，減少曝氣量后的三個月內好氧顆粒污泥仍然能保持穩(wěn)定運行；在之后的進一步研究中，Liu 等發(fā)現，饑餓期內調整曝氣，顆粒的沉降性能不受影響，但形態(tài)發(fā)生變化，這表明在饑餓期間，微生物群落會調整其種群和種類，以適應較低的DO濃度和剪切力。通過縮短曝氣能保持顆粒穩(wěn)定運行，同時減少了大量的能源消耗。Zhang等采用了一種在饑餓期階梯降低曝氣的方式提升了顆粒穩(wěn)定性同時降低了能耗，研究中利用PCR及熒光原位雜交技術（FISH）技術對微生物分布進行了檢測，過程中香農多樣性指數顯著增加，小月菌屬（）、紅細菌屬（）等微生物占比均明顯提高，而這些微生物普遍存在于性能穩(wěn)定的顆粒污泥中。另一方面，Chen等在內循環(huán)膜生物反應器（IC-MBR）中研究了短期曝氣對顆粒運行過程的影響。顆粒成熟并長期運行一年后，顆粒粒徑較小，當提供短時間曝氣后，反應器中的微生物群落發(fā)生了明顯改變，顆粒表面疏水性增加，促進了絲狀菌生長，同時顆粒迅速重塑為結構緊湊、邊緣清晰的大顆粒，這有助于AGS 長期穩(wěn)定地運行。

2.2 改變進料方式

SBR反應器常見的運行模式包括完全的好氧反應與先厭氧進料隨后進行反應。不同的進料方式會帶來不同的底物擴散速率與微生物消耗速率，這將影響生物膜內的底物梯度，進而決定了生物膜的穩(wěn)定性。目前已有大量的研究表明，厭氧慢進料對AGS的穩(wěn)定運行具有一定的幫助。Yuan等對比了厭氧進水5min后曝氣（R）與厭氧進水60min后曝氣（R）兩種不同方式對AGS穩(wěn)定性的影響，長期運行中發(fā)現，R中顆粒松散不規(guī)則，生物量濃度隨著運行逐漸降低，而R中顆粒飽滿緊湊，同時R中具有更高的群落豐富度與多樣性，這可能是由于厭氧期的延長有利于AGS 中厭氧區(qū)的形成，進而形成致密的顆粒結構。結果證明，延長厭氧期有助于顆粒的穩(wěn)定性。Iorhemen 等在研究中發(fā)現，長期的厭氧緩慢進料過程有利于進水中碳的吸收，使細菌在饑餓期內能夠利用所儲存的碳，進而抑制了異養(yǎng)菌的活性，提升了顆粒的穩(wěn)定性，這與1.4 節(jié)中的觀點一致。與此同時，有學者提出了不同的看法。在最近的報道中，Carrera等研究對比了完全好氧進料（R）與厭氧進水后好氧反應（R）兩種方式對處理高鹽度廢水的影響，結果表明，隨著OLR 與鹽度的變化，R中的顆粒幾乎不受影響，而R中的顆粒卻難以適應進水鹽度的波動變得不穩(wěn)定，另外發(fā)現R對有機物的去除效果更好，實驗說明了厭氧進料的方式雖有助于廢水的處理效果，但對顆粒的穩(wěn)定運行并無幫助，這與先前Thwaites 等的研究結論相似。因此，實際應用中采用何種進料方式，需要綜合考慮到處理水類型、底物種類、反應器結構等諸多因素的影響。

2.3 添加載體顆粒

在好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，通過投加載體顆?？梢约铀貯GS 成型的過程，這是由于AGS 中含有的SiO、Fe 等無機物質，可在AGS 形成時為微生物黏附提供晶核，促進顆?；^程。根據X射線熒光分析，在顆粒成型后晶核與EPS 一同增強了AGS的穩(wěn)定性，為應用載體顆粒提高好氧顆粒穩(wěn)定性提供理論基礎。常見的投加載體包括粉末活性炭、聚合氯化鋁（PAC）、顆?；钚蕴浚℅AC）、磁性納米顆粒（MNPs）等。魏燕杰等證明，投加粉末活性炭能強化系統(tǒng)水力選擇壓，提升污泥的強度，調節(jié)污泥濃度與粒徑大小，避免因傳質阻力引起的顆粒內部分裂，從而有助于AGS 系統(tǒng)持久維持穩(wěn)定。梁梓軒等對比了PAC、GAC、MBF三種不同的載體對顆粒污泥結構特性的影響，結果證明，投加PAC 和GAC 的顆粒結構致密，這是由于PAC 強化型顆粒形成了“蛋白外殼-β 多糖內核雙層構造”，而GAC促進顆粒內部形成高密度蛋白包裹的顆?；钚蕴俊Ａ硗?，三組投加載體均可以顯著提升AGS抗水力剪切能力。Li等通過選擇性排泥結合投加GAC 的方式進行快速顆?；^程中發(fā)現，GAC 的加入有利于細菌細胞的附著生長，同時能產生沉降速度快、泥水分離性能顯著改善的顆粒污泥。在最新的研究中，Liang 等針對GAC 對AGS 的細胞外聚合物和結構穩(wěn)定性進行研究并發(fā)現，投加GAC 的好氧顆粒EPS 中的蛋白質含量明顯升高，β-多糖維持了顆粒的外層結構，PN 則維持顆粒的內層結構。

另一方面，投加載體顆粒還能通過抑制污泥中絲狀細菌和藻類的生長來提高AGS 的穩(wěn)定性。Li等通過在反應器中投加干污泥微粉抑制了膨脹污泥中絲狀菌的生長，微粉運動產生的摩擦力增加迫使向外伸展的絲狀物收縮以形成顆粒。Liang等研究了投加MNPs 對顆?；^程的影響，實驗證明MNPs能抑制絲狀菌的生長，提高顆粒的致密性，從而改善AGS的性能。進一步的研究還發(fā)現，MNPs 的添加提升了顆粒EPS 中蛋白質和多糖的含量，顯著提高了顆粒表面疏水性。另有報道稱，投加載體的另一優(yōu)勢是當AGS 老化和解體時，載體能夠使分解的小絮體迅速重新凝聚，從而快速形成新的顆粒。

2.4 選擇生長緩慢的微生物

如1.4 節(jié)所述，生物膜的穩(wěn)定性與微生物的生長速度、微生物結構密切相關。生長緩慢的微生物對生物膜的密度和穩(wěn)定性有積極的影響，當異養(yǎng)菌生長過快時，生長緩慢的細菌在競爭中被淘汰，AGS 中功能微生物數量減少，不僅降低了去除效果，穩(wěn)定性也隨之變差。目前常見的選擇生長緩慢微生物的途徑包括逐步提升進水氨氮濃度、采用厭氧進料及選擇性排泥。

孫寓姣等利用FISH檢測出AGS呈層狀結構，同時生長緩慢的AOB 主要分布在顆粒表層，NOB多分布在內層，可通過逐步提升進水氨氮負荷來選擇富集AOB。Xia 等通過逐步提升進水氨氮濃度的方式對AGS 的穩(wěn)定性進行研究，隨著NH-N 濃度的增加，硝化細菌活性和顆粒粒徑顯著增加并達到平衡，氨氮、總氮的去除效果優(yōu)越同時顆粒的沉降性能顯著提高。Wang 等在研究中發(fā)現，高濃度與低濃度的NH-N 均不利于AGS 的穩(wěn)定，前者抑制了硝化菌的活性，后者導致絲狀菌大量生長。但逐步提升NH-N 濃度，卻能篩選富集生長緩慢的細菌，抑制絲狀菌的生長。

另一方面，De Kreuk等提出了在曝氣階段前延長厭氧緩慢進料時間的方式來選擇富集反應器中的聚磷菌，將底物以PHB 的形式儲存，有助于微生物在好氧階段利用儲存的碳源緩慢生長，不僅提升了對污染物的去除能力，也增強了AGS 的穩(wěn)定性。Sheng 等的研究發(fā)現，每天按10%的比例從反應器中排出疏松的污泥絮體可能為不同的微生物提供不同的生物生態(tài)位。因此，選擇性污泥排放會對密度高、生長緩慢的微生物起到篩選作用。Zhang 等通過采用不同的污泥排放模式，限制顆粒的直徑，排放出成熟的較大顆粒，積累較小顆粒，同時反應器好氧、厭氧、缺氧交替運行，選擇富集了生長緩慢的AOB、NOB 等微生物，確保了顆粒污泥的長期穩(wěn)定。

2.5 減小傳質阻力

一般認為，好氧顆粒污泥呈層狀分布，顆粒中存在著許多孔隙與通道。外部的溶解氧和營養(yǎng)基質通過孔隙傳送到顆粒內部，同時，微生物將代謝產物輸送到外界。當這些孔隙縮小時，顆粒內部便會出現傳質限制，阻礙了顆粒內部營養(yǎng)物質和DO的利用，生物反應受限，同時有毒害的代謝產物積聚，AGS 的活性減弱，其穩(wěn)定性也將隨之降低。研究表明，顆粒的孔隙隨著AGS 粒徑的增大而逐漸縮小，因此大粒徑顆粒通常具有較高的傳質阻力。Liu 等發(fā)現，在傳質受阻情況下，顆粒的內部將形成厭氧層，同時饑餓條件會加劇微生物對底物的競爭。Farooqi 等在中試規(guī)模的SBR 反應器中培養(yǎng)出了粒徑達到2～4mm 的顆粒，隨著粒徑的增加，傳質阻力變大，厭氧區(qū)擴大，由于缺乏營養(yǎng)物質最終顆粒污泥解體。Zhang 等的研究表明，AGS 的粒徑小于1mm 時，更有利于其長期穩(wěn)定運行。

由此可見，通過合理的手段控制顆粒粒徑以減小傳質阻力，對于AGS工藝的穩(wěn)定運行至關重要。鑒于此，越來越多的研究專注于AGS 生長粒徑的控制，并取得了一定的成效。Iorhemen 等保持污泥齡不變，通過定期排放反應器底部老化、成熟的顆粒，使得新舊顆粒良好混合，對系統(tǒng)內粒徑的維持有幫助。Zhou 等通過在反應器內部添加漏斗型篩網，對大顆粒選擇性地施加剪切力以優(yōu)化顆粒尺寸分布，成功限制了大顆粒的過度生長，實現了反應器中AGS 的穩(wěn)定運行。Feng 等在反應器中采用了一種帶有刺狀物的曝氣裝置，反應過程中大顆粒會與尖刺不停地碰撞、摩擦而受到限制，最終成功將系統(tǒng)中的平均粒徑控制在300μm 左右。Long 等通過人工篩分最優(yōu)粒徑的方法，提高了反應器中2～3mm 粒徑顆粒的比例，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提升。Cao等在反應器中設置不同孔徑的篩網，對比發(fā)現，設有2.5mm網孔篩反應器中的顆粒大小保持在最佳范圍內，顆粒污泥具有最好的沉降性能，同時成熟顆粒的結構緊密，污染物去除效果也最佳。綜上所述，合理地控制AGS的粒徑，限制大顆粒的過度生長，對好氧顆粒污泥的長期穩(wěn)定運行具有一定的幫助。

3 結語

隨著過去二十余年的發(fā)展，好氧顆粒污泥技術逐漸發(fā)展成熟并走向實際應用，然而長期運行易失穩(wěn)的缺點成為其推廣的阻礙，亟需進一步優(yōu)化及改善，在工程應用中維持其結構的長久穩(wěn)定，防止出現污泥上浮、沉降性能變差、顆粒解體、處理效果惡化等問題，仍然是好氧顆粒技術在工業(yè)化應用中的關鍵。從宏觀角度看，反應器構型、運行方式、進水體系是影響其穩(wěn)定性的主要因素，同時也受到顆粒結構、微生物群落等微觀因素的調控。

就目前而言，AGS技術仍被重點應用于生活污水的處理中，然而工業(yè)廢水成分復雜，同時含有大量的特定物質，需要選擇富集不同類型的生物菌種，成為AGS 技術面臨的一大挑戰(zhàn)。因此，該技術未來的發(fā)展方向與研究重點應包括：①繼續(xù)深入探究AGS的形成機理，同時對EPS進行更好地分離與表征；②利用現代基因組學工具，進一步探究群感效應分子與AGS 穩(wěn)定結構的相關性，同時探究EPS的產生與某些特定微生物種群的關聯(lián)；③針對不同的處理對象（如工業(yè)廢水），利用基因工程培養(yǎng)、選擇特定的工程菌種，為處理特定污染物廢水提供理論依據；④深入了解AGS 中微生物生態(tài)學與顆粒穩(wěn)定性的詳細機制，以推廣AGS 技術的工業(yè)化應用。