一、什么是好氧顆粒污泥？

好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge），簡稱AGS，是通過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，它具有不易發生污泥膨脹、抗沖擊能力強、能承受高有機負荷，集不同性質的微生物（好氧、兼氧和厭氧微生物）于一體等特點，近年的研究成果表明AGS能用于處理高濃度有機廢水、高含鹽度廢水及許多工業廢水。1991年Mishima等最早發現了AGS，并第一次報道了利用連續流好氧上流式污泥床反應器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培養出AGS。人們從這一研究成果開始了對AGS顆粒化的研究歷程。

好氧顆粒污泥具有致密的結構與較大的粒徑，由于氧氣傳質限制，顆粒污泥呈現外部為好氧區，內部存在缺氧或厭氧區的狀況，為好氧、兼性及厭氧微生物提供了各自適宜的生存環境，由此使得好氧顆粒污泥能夠進行各種好氧、厭氧代謝活動。與傳統活性污泥絮體相比，好氧顆粒污泥具有以下優勢：形狀規則，結構緊湊致密，沉降性能好，生物量較高，同時具備多種微生物功能，剩余污泥量較少，對生物毒素以及有機負荷波動的耐受能力強等，已成為最有前途的廢水生物處理技術之一。

二、好氧顆粒污泥的形成機理

好氧顆粒污泥的形成是由眾多因素共同作用完成的復雜過程，其中既有微生物的作用，也包含物理、化學等方面的作用，國內外學者對于好氧顆粒污泥的形成進行了長期研究，主要形成以下幾種學說。

1、微生物自凝聚原理

自凝聚是一種在適當條件下自發產生的微生物凝聚現象。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過程，通過各種影響力進而形成顆粒污泥。由水力剪切力、pH等眾多因素決定顆粒最終能否形成穩定的結構。

2、絲狀菌假說

在好氧顆粒污泥的培養過程中，接種污泥的微生物主要以絲狀菌為優勢菌種。反應器中培養出的顆粒污泥種類不同，絲狀菌在顆粒形成過程中所起到的作用也不同。

有研究通過對所培養出的不同顏色顆粒污泥進行破碎處理，得到絲狀菌在顆粒污泥中的形成結構。好氧顆粒污泥在反應器不同階段出現黃色、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結構都有所區別。總體來說，絲狀菌對好氧顆粒污泥的形成及穩定起到重要作用。不同顏色顆粒污泥的菌種組成及結構特點見表1。

3、細胞表面疏水性假說

根據熱力學理論，細胞表面疏水性上升會減少細胞表面多余的吉布斯能，進而增加細胞間的相互作用形成致密的穩定結構。

有研究表明，在3周的好氧顆粒污泥形成過程中，污泥的疏水性由接種污泥的39%上升到73%，由此證明細胞表面疏水性是細胞自身聚集和附著的重要親合力，對于好氧顆粒污泥的形成起到關鍵作用。疏水性對于細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定，并進一步將細菌緊密地結合在一起。

4、選擇壓驅動假說

有研究表明，通過控制沉降時間進而控制選擇壓是序批式反應器（SBR）中好氧顆粒污泥形成的決定性因素。縮短沉降時間有助于洗出沉降性能差的絮體污泥，造成相對較強的選擇壓，促進好氧顆粒污泥的形成。

在一定范圍內，提高選擇壓會導致好氧顆粒污泥的粒徑變大。縮短沉降時間可顯著提高細胞多糖的產量、細胞表面疏水性及微生物活性，進而利于好氧顆粒污泥的形成。對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制。

X. H. Wang等通過逐步增加進水氨氮濃度來提高選擇壓，培養出具有良好穩定性的好氧顆粒污泥，提供了一種新的好氧顆粒污泥培養策略；今后應通過逐步改變選擇壓的方式開發好氧顆粒污泥生物反應器，使其具有更高的性能和效率。通過改變選擇壓的方式促進顆粒污泥的形成，這一方法在連續流反應器中同樣有效。

5、胞外聚合物假說

胞外聚合物（EPS）是在一定的適宜條件下由微生物分泌于細胞表面的大分子有機物質。自誘導體（autoinducer，AI）（信號分子）形成后釋放，可以在群體感應（Quorum sensing，QS）中被細菌探測到。QS是細菌在不斷變化的環境中生存和適應的一種現象，通過QS，細菌可以對種群密度進行監測，同時激活細菌生長的基因表達。

根據Y. Q. Liu等提出的假設，微生物細胞與其他微粒連接，形成顆粒化污泥的前身。EPS在好氧顆粒污泥的發育過程中起著重要作用。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，其中檢測出帶負電荷的多糖和蛋白質，但未在活性污泥中檢測出。好氧顆粒污泥的EPS有機組分可以改變細菌的表面特性和顆粒污泥的物理特性，有利于細胞之間的聚集及穩定。

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

EPS的形成取決于反應器內的運行方式及環境，控制好相關參數有利于EPS的適量產生，從而形成穩定的好氧顆粒污泥。根據結合程度的不同，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

階段形成假說將好氧顆粒污泥的形成分為4個階段，每一階段由不同的作用力或物質發揮影響，促進接種污泥逐步形成顆粒污泥。

第一階段，由接種污泥表面細菌之間發生的物理運動來促進顆粒化，如水動力、擴散力等；

第二階段，由物理、化學及生物方面的各種吸引力來維持固體細胞表面和多個細胞之間的穩定連接，如范德華力、化學鍵及細胞膜融合等；

第三階段，微生物促使聚集的細菌成熟，EPS的產生、菌群的增長等過程均在此階段；

第四階段，通過水力剪切力形成穩定的三維結構。該形成機理是目前比較全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形成過程。

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短、污泥質量如何、能否維持穩定，受其培養運行過程中多種因素的影響。通過對其深入研究，可以全面了解好氧顆粒污泥的形成及穩定適應條件，并據此對可變因素進行控制，對培養好氧顆粒污泥具有重要的意義。

1、碳源

碳源不同會導致培養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出的顆粒污泥以絲狀菌為主，以乙酸為碳源培養出的顆粒污泥卻以桿狀細菌為主。

同時，單一碳源和混合碳源也對形成好氧顆粒污泥的結構及穩定性有所影響。高景峰等以蔗糖為唯一碳源培養好氧顆粒污泥，發現23 d后出現絲狀菌膨脹現象。之后改用蔗糖加等量蛋白胨的組合碳源，絲狀菌膨脹現象得到了有效的解決。

這說明，在培養好氧顆粒污泥的過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象，對維持好氧顆粒污泥的穩定起到重要作用。碳源種類雖然可以改變顆粒結構，但有人認為其對好氧顆粒污泥的形成不能起到決定性作用。

2、種泥

Z. Song等研究發現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好氧顆粒污泥，表明接種污泥對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定所需時間不同，所培養出的顆粒污泥菌群結構也不相同，說明微生物種群變化同接種污泥有關。

微生物的活性對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。有研究者在培養好氧顆粒污泥的過程中加入厭氧顆粒污泥，縮短了好氧顆粒污泥的形成時間，且污泥穩定、污水處理效果好。這為好氧顆粒污泥的培養提供了一個很好的選擇。

3、水力剪切力

一般來說，由上流曝氣引起的水動力湍流是系統的主要剪切力，反應器可以通過改變表面上升氣體流速來控制水力剪切力。當對顆粒污泥施加剪切力時，顆粒必須通過消耗非生長能量，改變細胞表面EPS的量來調節其代謝途徑，以維持與外部剪切力的平衡。

研究表明，當表面上升氣體流速達到1.2cm/s時可以形成密度大且表面光滑的顆粒污泥。水力剪切力越大，越容易形成穩定的顆粒結構、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器的運行及好氧顆粒污泥情況，結果發現，在能夠使污泥達到顆粒化的水力剪切力下，好氧顆粒污泥對污水的處理性能穩定，可以高效地進行脫氮除磷以及去除COD。

4、PN/PS

一般認為，多糖（polysacides，PS）可以調節細胞的內聚力和黏附力，在污泥顆粒化過程中對維持污泥結構的完整性起著至關重要的作用。有研究發現，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，同時也觀察到多糖的含量比絮凝體和顆粒污泥中蛋白質含量高得多。這可能意味著胞外蛋白對微生物群落結構和穩定性的影響不如多糖大。

5、pH

張志等運行6個相同的反應器，僅控制pH不同。結果表明，當pH在8.4時，細胞產生最少量的EPS，當pH上升到9.0時，EPS少量上升。

EPS上升有助于保護顆粒污泥，減少被酸堿值過高所帶來的傷害。研究結果證明控制pH使EPS產量增加，有利于提高污泥的耐沖擊能力，使顆粒污泥更加穩定。

6、溫度

溫度可以顯著影響生物過程中的微生物代謝和群落結構。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，發現溫度的改變會導致顆粒污泥菌群變化，是維持污泥結構正常或導致解體的重要因素。

此外，有研究表明，與溫適應接種物相比，冷適應接種物顯示出優異的顆粒狀生物質形成能力。在低溫條件下培養的好氧顆粒污泥，低溫啟動時，3周內就可以有效去除有機物，這表明低溫環境下好氧顆粒污泥更容易培養。

7、細胞表面電荷

一般來說，微生物細胞表面帶有負電荷。相似電荷之間的排斥可防止細胞在沒有另一種機制的幫助下彼此附著。二價陽離子如Ca2+中和微生物表面電荷已被認為是促進初始細胞附著的可能機制。范德華力也可能有助于這種細胞吸引力。DLVO理論同樣適用于分析細胞表面負荷對污泥產生的相互作用。

8、反應器類型及運行方式

好氧顆粒污泥多在SBR中進行培養。在反應器運行期間，由于高表面負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，細胞表面存在的過多EPS會使得初始的黏附過程困難，EPS與細胞表面負電荷呈正相關性，與疏水性呈負相關。

SBR反應器的曝氣過程導致了長時間的饑餓期，EPS消耗至合理數量導致具有低負電荷和高表面疏水性的污泥形成，繼而顆粒繼續增長達到穩定顆粒化。

研究表明，為保證顆粒污泥的穩定性和良好的出水質量，飽食周期的長度不應超過總周期長度的25%。同時，在柱狀上升流反應器中，反應器高度與直徑（H/D）的比例較高，可以保證較好的顆粒流動軌跡，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器中形成。列舉了文獻中幾種成功培養出好氧顆粒污泥的反應器類型，見表2。

四、國內首座好氧顆粒污泥（AGS）污水處理廠案例

龍游縣城南工業污水處理廠位于浙江省衢州市龍游縣城南工業開發區，位于浙江省西部，金衢盆地中部。污水廠總占地：0.77公頃，所有用地均為已征用地，并無新增征地拆遷。一期、二期處理規模為每天4萬立方米，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2萬立方米，在節省占地、無需新增征地情況下，采用國內首次落地投產的AGS好氧顆粒污泥處理技術，全部為新建，是浙江省的重點市政建設工程和龍游縣的重點民生工程，于2020年投運，工藝為：進水泵房+細格柵、曝氣沉砂池+調節池+好氧顆粒污泥（AGS）生物池+高效澄清池+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，所需的生物反應器體積大大減小。此外，可以在同一反應器中進行污泥沉降和增強的生物營養物去除，因此不需要二沉池和獨立的厭氧/缺氧區，這使得系統更加緊湊，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、成功對工業廢水完成污泥顆粒培養及篩選

污泥顆粒培養：污泥顆粒篩選：

3、AGS的低碳表現

4、處理能力強

可以處理上游200多家企業復雜的混合廢水。

5、低能耗、低藥耗、生物除磷效率提高

由于所有的生物反應和沉降過程都發生在一個反應器中，所以需要較少的機械設備。例如污泥循環泵，混合器和移動潷水器在 AGS 技術中是多余的。由于機械設備的這種減少，與傳統的 BNR 裝置（注：傳統脫氮除磷工藝）相比，AGS技術的總能耗顯著降低。

由于 AGS 顆粒對磷(P)的高吸收，實現低磷排放值所需的化學品量減少；且正常運行時無需投加碳源；從而進一步降低化學品和污泥處理的操作成本。

6、運行管理

整個生化工藝實現高水準全自動運行，包括用電設備運行、藥劑的投加，生化參數與各先關設備實現聯動運行，同時做到了遠程智慧管控，改變了對工業污水廠的一貫傳統刻板設計，并為企業節約了60%人工。

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