寧靜，張芷琪，吳傳棟，劉源，李惠平，楊殿海，3

(1.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092；2.廣東粵海水務(wù)投資有限公司，廣東 深圳 518021； 3.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

顆粒污泥是一種特殊形式的生物膜，具有固體濃度高、沉降性能好、污泥量少等優(yōu)點。與傳統(tǒng)活性污泥(CAS)技術(shù)相比，好氧顆粒污泥(AGS)技術(shù)的運行費用降低20%～25%，耗電量降低23%～40%，占地面積降低50%～75%[1-3]。兩種污泥的理化性質(zhì)差異見表1。

考慮到氧氣濃度梯度的存在，沿著AGS的顆粒半徑由內(nèi)至外可劃分出厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，AGS分層的結(jié)構(gòu)特點為聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)、反硝化細菌和硝化細菌等創(chuàng)造共存的條件，通過這些微生物協(xié)同去除污水中的有機物、氮和磷[4]。因此，AGS技術(shù)被預(yù)測為一種具有廣闊前景的污水處理技術(shù)，將取代活性污泥法在城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域的主流地位[5]。AGS的脫氮除磷機理見圖1。

本文主要對AGS技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用進行了綜述，概述了AGS的成粒機理、影響因素以及研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了現(xiàn)有研究的不足，對目前存在的技術(shù)難點提出可行的解決方案，最后提出建議和展望。

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

圖1 AGS脫氮除磷機理圖Fig.1 Mechanism diagram of nitrogen and phosphorus removal by AGS

1 AGS培養(yǎng)理論

1.1 成粒機理

關(guān)于AGS的成粒機理在科學研究和工程應(yīng)用中尚無定論，而假說大多從物理、化學和生物效應(yīng)的角度出發(fā)解釋造粒過程。

1.1.1 胞外多聚物假說 胞外多聚物(EPS)的主要成分是蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)，PN可降低微生物間的靜電斥力，PS可作為黏合劑促進聚凝，EPS通過離子鍵和配位鍵等方式使微生物黏附、生長成為聚集體[14]。Liu等[15]發(fā)現(xiàn)EPS含量與SVI值呈負相關(guān)，而與AGS的形成呈強正相關(guān)。

1.1.2 絲狀菌假說 雖然絲狀菌幾乎不分泌EPS，但可通過絲狀外形相互纏繞構(gòu)成初始骨架，在水力剪切力的削剪作用下，初始骨架逐漸長成顆粒污泥[16]。Graaff等[17]利用絲狀菌實現(xiàn)了AGS穩(wěn)定造粒。Liu等[18]證明絲狀菌提升了AGS的沉降性能和反硝化能力。

1.1.3 誘導核假說 該假說認為微生物在誘導核表面附著、聚集和生長最終形成AGS。Liu等[19]投加聚合氯化鋁溶液將成粒時間縮短至7 d，Li等[20]添加污泥微粉將成粒時間縮短了15 d。因此，可以投加誘導成核劑加快AGS成粒。

1.1.4 微生物自凝聚假說 接種的絮凝菌分泌多糖和果膠等黏性物質(zhì)，在菌體之間充當橋接菌，對AGS的形成有利。Ivanov等[21]采用絮凝菌培養(yǎng) 3 d，成功獲得AGS。Liang等[22]將兩種自聚集菌株共同培養(yǎng)，將成粒時間縮短至42 d。

1.1.5 信號分子假說 群體感應(yīng)(QS)是一種廣泛存在于細菌中的生物過程，是指分泌和感應(yīng)一種特定化學信號分子的細胞間通訊。微生物的QS系統(tǒng)對AGS的形成具有一定調(diào)節(jié)作用，通過調(diào)控EPS主要成分PN、PS的合成和分泌過程，促進微生物聚集體的形成[23]。Liu等[24]和Galloway等[25]均發(fā)現(xiàn)，饑餓期細菌分泌更多的AI-2信號分子促進EPS的產(chǎn)生。Li等[26]發(fā)現(xiàn)了基于AHL信號分子的AGS穩(wěn)定性機制。

1.2 影響因素

通過改善進水條件和調(diào)整運行工況，有望將AGS啟動時間縮短至數(shù)周內(nèi)并維持數(shù)月的穩(wěn)定性。AGS的影響因素解析見圖2。

圖2 AGS影響因素解析圖Fig.2 Analytical graph of factors affecting AGS

1.2.1 沉降時間 通過縮短污泥的沉降時間，可以保留沉降性能良好的AGS并淘汰絮體。Anuar等[27]研究了不同粒徑AGS的沉降速度并總結(jié)公式，Edward等[28]建立了描述AGS沉降過程的多分散沉降模型。因此，借助數(shù)學模型估算沉降速度和沉降時間是可行的。

1.2.2 水力剪切力 水力剪切力主要來自曝氣和攪拌，影響因素包括高徑比、曝氣強度和上升氣流速度[29]。通常AGS中試裝置的高徑比>8[30]，但是趙錫峰等[31]認為高徑比并非顆?；谋匾獥l件。當高徑比減小時相應(yīng)增大曝氣強度，可以彌補總體上水力剪切力的下降[32]。

1.2.3 交替的盛宴-饑荒營養(yǎng)機制 在非曝氣的污泥層內(nèi)上升流進水和不同進水區(qū)之間交替進水，可以提供交替的盛宴-饑荒條件。Sun等[33]發(fā)現(xiàn)，盛宴期時絲狀菌快速向外擴張，饑荒期時絲狀結(jié)構(gòu)收縮，AGS沉降性能提升。Li等[34]認為饑荒期能促進微生物聚集，對污泥顆?；某跏茧A段有利。此外，盛宴期/饑荒期的比例對污泥顆?；挠绊懘笥谥亓x擇壓，后者可作為選擇壓的次要補償措施[35]。

1.2.4 基質(zhì)組成 關(guān)于基質(zhì)組成的研究主要集中在有機負荷(OLR)、碳源類型和進水C/N比。較高OLR雖然會加快顆?；?，但會造成AGS的運行穩(wěn)定性變差[5]。Iorhemen等[36]建議采取高OLR加快顆?；?、低OLR維持長期穩(wěn)定性的飼養(yǎng)策略。 碳源類型影響微生物的代謝途徑，使得特定菌種富集成為優(yōu)勢種。例如，葡萄糖導致絲狀菌過度生長，醋酸鹽有利于變形菌的生長，乙酸鈉能夠培養(yǎng)出總氮去除效果好的污泥[37-38]。宋志偉等[39]發(fā)現(xiàn)進水C/N比與成粒速率呈正相關(guān)，而與顆粒穩(wěn)定性呈負相關(guān)。

1.2.5 其他運行條件 控制污泥齡(SRT)可以篩選和保留特定菌種。一些觀點認為SRT在20～ 30 d 內(nèi)對生物除磷過程有利[40]。pH直接影響污泥群落的優(yōu)勢菌種與微生物的繁殖代謝，進而對污染物去除效果和污泥沉降性能產(chǎn)生影響[41]。最佳DO濃度取決于生物質(zhì)濃度、顆粒大小、基質(zhì)類型和有機負荷等特定因素[11]。適合大部分微生物生存的溫度為20～25 ℃，溫度過低(<10 ℃)導致絲狀菌的過度生長和顆粒解體，溫度過高(>30 ℃)導致蛋白質(zhì)的變性和酶的失活[42]。污泥負荷(F/M)影響EPS的分泌，進而影響AGS穩(wěn)定性[43]。

2 AGS的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

迄今為止，AGS技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的成功案例僅限于在SBR內(nèi)[7]。在全球范圍內(nèi)共有70多座采用AGS工藝的污水處理廠，大部分位于西歐和南美，而我國僅有2座[1]。由此可見，AGS規(guī)模化應(yīng)用仍然很少，關(guān)于AGS的成粒機理及影響因素的研究大多在SBR中完成的?？紤]到現(xiàn)有的污水處理廠通常以連續(xù)流模式運行，在連續(xù)流條件下針對AGS的快速成粒、長期穩(wěn)定性和優(yōu)異處理性能開展研究，這對于AGS技術(shù)的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。

2.2 解決方案

針對AGS技術(shù)難點，國內(nèi)外研究者提出相應(yīng)的解決方案，見表2。

表2 連續(xù)流AGS工藝的技術(shù)難點、解決方案以及原理解析Table 2 Technical difficulties，solutions and explanations of continuous AGS process

3 問題與展望

現(xiàn)有AGS研究具有以下局限性：①實際污水處理廠的進水水質(zhì)、水量和水溫隨季節(jié)波動，對連續(xù)流AGS系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成挑戰(zhàn)；②對AGS快速成粒的研究結(jié)論大多來自SBR裝置，在連續(xù)流條件下的AGS成粒機理有待探究；③長期運行的AGS系統(tǒng)往往面臨解體問題，對AGS的失穩(wěn)管控研究仍需推進。

綜合國內(nèi)外的研究狀況，筆者認為應(yīng)從以下幾個方面開展研究：①快速培養(yǎng)。在連續(xù)流反應(yīng)器中原位培養(yǎng)AGS、縮短AGS長達數(shù)月的培養(yǎng)周期、提高絮體污泥到顆粒污泥的轉(zhuǎn)換率，是推廣AGS技術(shù)的關(guān)鍵。②長期穩(wěn)定性。實驗室研究大多在AGS形成后的數(shù)月內(nèi)結(jié)束，而污水處理廠需要數(shù)年的穩(wěn)定運行，應(yīng)當從污泥粒徑控制、優(yōu)勢菌種調(diào)控、微生物群體感應(yīng)作用、表面熱力學等角度出發(fā)，探索AGS的失穩(wěn)機制與調(diào)控策略。③新工藝的開發(fā)。應(yīng)當考慮對占據(jù)主流的連續(xù)流污水處理工藝的改造難度，在滿足有效去除污水中污染物的前提下，避免設(shè)計大高徑比柱式、操作流程復雜、能耗大和藥耗大的工藝設(shè)備。此外，還可以將AGS技術(shù)與其他技術(shù)耦合，例如將AGS與生物膜結(jié)合，開發(fā)藻-菌顆粒污泥等。④資源回收。按照污水資源化的要求，污水處理廠除了凈化污水外還兼任“資源工廠”。通過對剩余污泥的處理處置，可以獲取沼氣、磷、EPS、類藻酸鹽外聚合物(ALE)和聚羥基鏈烷酸酯(PHA)等資源。

4 結(jié)束語

本文綜述了AGS的結(jié)構(gòu)功能、成粒機理、影響因素和研究現(xiàn)狀，從物理與生物角度闡釋了選擇壓機制，分析了技術(shù)難點并提出解決方案，最后展望了AGS技術(shù)的未來發(fā)展方向。綜上所述，目前的研究成果缺乏對快速成粒、長期穩(wěn)定性和失穩(wěn)機制的深入理解，這仍是阻止AGS技術(shù)實現(xiàn)其優(yōu)勢的主要障礙。此外，AGS技術(shù)還面臨著節(jié)能降耗、資源回收等一系列的可持續(xù)發(fā)展要求，需要進一步開展研究。