好氧顆粒污(wu)泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技(ji)術是污(wu)(wu)水處理(li)(li)領(ling)域(yu)的一(yi)項(xiang)革命性(xing)(xing)創新(xin)，其核(he)心在于(yu)通過微生(sheng)物的自凝聚能力(li)，在無需載(zai)體的情(qing)況(kuang)下形成致密(mi)、高(gao)效的顆粒狀生(sheng)物膜。這項(xiang)技(ji)術憑借其優異(yi)的污(wu)(wu)泥(ni)沉降性(xing)(xing)能、顯著減(jian)少占(zhan)地面積、大幅(fu)降低能耗、污(wu)(wu)染(ran)物高(gao)效同(tong)(tong)步去除(chu)能力(li)，正深刻(ke)改變傳(chuan)統污(wu)(wu)水處理(li)(li)工(gong)藝技(ji)術格局。AGS系統在同(tong)(tong)一(yi)個反應器內實現(xian)有(you)機物、氮、磷等污(wu)(wu)染(ran)物同(tong)(tong)步去除(chu)及固液(ye)分(fen)離，極大簡化了工(gong)藝流程。

本(ben)報告深入(ru)剖析好氧(yang)顆(ke)粒污泥(ni)的(de)形成機制與(yu)特性、形態與(yu)結構特征、機理、影響因素，并(bing)詳細(xi)闡(chan)述序批式（Sequencing Batch Reactor, SBR）和連續流（Continuous Flow Reactor, CFR）系統(tong)中的設計、運行控(kong)制及實際工程應用案例。

一、顆粒(li)形成與特性

1、定義(yi)

以微生(sheng)物來源構成的(de)生(sheng)物膜聚集(ji)體，具(ju)有(you)在低(di)水力剪切(qie)力的(de)情況下不發生(sheng)絮凝，比傳統(tong)活性污(wu)泥(ni)具(ju)有(you)更快的(de)沉降速(su)度的(de)特點(dian)。

這(zhe)定義(yi)強調AGS的(de)三個關鍵(jian)屬(shu)性(xing)：首先，其本質是微生物(wu)的(de)自聚集體(ti)，無需外部載體(ti)即可形成穩定的(de)結構；其次，與傳統(tong)活性(xing)污泥(ni)絮(xu)體(ti)不同(tong)，AGS在(zai)低剪切力條件下仍能(neng)保持(chi)離散(san)的(de)顆粒形態，不會發生絮(xu)凝；最后，其沉降速(su)度遠超(chao)傳統(tong)活性(xing)污泥(ni)，這(zhe)是實(shi)現緊湊(cou)型污水處理的(de)關鍵(jian)。

圖(tu)1 活性污泥與(yu)好氧顆(ke)粒污泥對比圖(tu)

圖源：AquaNereda_Presentation_WWOA_Lake_Michigan

?粒(li)徑：AGS的最小粒(li)徑通常為(wei)0.2mm，其中SBR-AGS典型范(fan)圍為(wei)0.3～2.5mm，CFR-AGS粒(li)徑≤1mm。

?密度：約 1035±14 kg /m3 。

圖(tu)2 好氧(yang)顆粒(li)污泥(ni)粒(li)徑(jing)圖(tu)

圖源(yuan)：Aerobic Granular Sludge_ASPIRE HongKong 2019—Mark Van Loosdrecht

污(wu)(wu)泥(ni)容(rong)積(ji)(ji)指(zhi)數（Sludge Volume Index, SVI）：SVI??是指(zhi)污(wu)(wu)泥(ni)混合液(ye)經50分鐘靜沉后，1克干污(wu)(wu)泥(ni)所(suo)占(zhan)的(de)容(rong)積(ji)(ji)（單位：mL/g）；同理(li)，SVI?是分鐘靜沉后1克干污(wu)(wu)泥(ni)所(suo)占(zhan)的(de)容(rong)積(ji)(ji)；該指(zhi)標(biao)是用來衡(heng)量活(huo)性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)沉降性(xing)的(de)關鍵指(zhi)標(biao)。通常AGS的(de)SVI??＜60 mL/g，且SVI?/SVI??比值接近(jin)1.0，該指(zhi)標(biao)量化了(le)AGS卓越(yue)的(de)沉降性(xing)能(neng)。此外(wai)，顆粒污(wu)(wu)泥(ni)還具備足夠的(de)物理(li)強度，以承受反應(ying)器內(nei)水流(liu)的(de)高剪切力，從而在動態(tai)水流(liu)中保持結構完整性(xing)。

圖3 活(huo)性污(wu)泥(ni)與好氧(yang)顆粒(li)污(wu)泥(ni)沉降性對比圖

圖源(yuan)：AquaNereda_Presentation_WWOA_Lake_Michigan

2、工藝技術原理(li)

AGS技術核(he)心是利用微生物(wu)自(zi)聚集形成高(gao)效顆粒狀生物(wu)膜，無需外部載(zai)體。其創新性體現在(zai)：

?單反應(ying)器(qi):在同一反應(ying)器(qi)內完(wan)成有機物、氮磷去除(chu)及(ji)泥(ni)水分離，實(shi)現緊(jin)湊高效處(chu)理。

?設(she)計實現(xian)：①序批式(shi)（SBR）通(tong)過時(shi)間分隔創(chuang)造厭氧/缺(que)氧/好氧環(huan)境。一(yi)個典型的SBR循環(huan)包括進水、反(fan)應(ying)(ying)（曝氣）、沉降和(he)排水等(deng)(deng)階段，這些階段在(zai)時(shi)間上依次進行，從而(er)在(zai)同一(yi)反(fan)應(ying)(ying)器內周(zhou)期性(xing)地創(chuang)造出(chu)厭氧、缺(que)氧、好氧等(deng)(deng)不同的氧化還原環(huan)境，使得(de)多(duo)種生物(wu)反(fan)應(ying)(ying)得(de)以高效協(xie)同。②連續(xu)流(liu)(liu)（CFR）：通(tong)過空間設(she)計模(mo)擬濃度(du)梯(ti)度(du)，維(wei)持顆(ke)粒穩定性(xing)，通(tong)過串聯(lian)多(duo)級反(fan)應(ying)(ying)器、設(she)置內部(bu)隔板或引入外部(bu)選(xuan)擇器等(deng)(deng)方式(shi)，CFR系統能夠模(mo)擬SBR中底物(wu)和(he)氧氣的濃度(du)梯(ti)度(du)，并施加(jia)物(wu)理選(xuan)擇壓力，從而(er)在(zai)連續(xu)流(liu)(liu)條件下誘導(dao)和(he)維(wei)持顆(ke)粒的生長(chang) 。

?顆粒微環境優勢：致密結(jie)構自(zi)然形成好氧(yang)(yang)外(wai)層(ceng)（硝化）與(yu)缺氧(yang)(yang)/厭氧(yang)(yang)內層(ceng)（反(fan)硝化/釋磷(lin)），實現多反(fan)應同(tong)步進行(xing)。

?革命性效益：較傳(chuan)統工藝(yi)減少50%占(zhan)地與能耗，降低30%運行成(cheng)本(ben)，成(cheng)為可持續污(wu)水處理標桿技術。  

3、形(xing)態與結構特征

圖(tu)4 活性污泥與好氧顆粒污泥對比圖(tu)

圖源：AquaNereda_AGS_Technology_WhitePaper_2019

好氧顆(ke)粒污泥（AGS）的(de)主(zhu)要形(xing)態與結(jie)構(gou)特征如下(xia)：

?宏(hong)觀形態：呈球形或類(lei)球形，結構致(zhi)密，邊界清晰，表面相對光滑(hua)，顏(yan)色(se)多為棕色(se)、棕黃色(se)或白色(se)。  

?尺寸范圍：0.2毫米(mi)至6.8毫米(mi)不(bu)等，但(dan)在連續流反應器（CFR）中培養的(de)顆粒平(ping)均尺寸通常(chang)小于1毫米(mi)（可能(neng)與低底(di)物濃度有關）。  

?特(te)殊結構：部分顆粒表(biao)面可能出現指狀突起(qi)，降低其終沉降速度達27%，從(cong)而(er)影響反應器(qi)內(nei)污(wu)泥濃(nong)度和床層穩定性。  

AGS在微(wei)觀結構(gou)上(shang)具(ju)有精密(mi)組織，核心(xin)為致密(mi)生物(wu)(wu)量(liang)聚集體，生物(wu)(wu)量(liang)濃度達35?50 kg/m3，沉降(jiang)(jiang)后污泥床中(zhong)可達25 kg/m3。這種高密(mi)度結構(gou)使其沉降(jiang)(jiang)速度快，并能(neng)(neng)維(wei)持反(fan)(fan)應器(qi)內(nei)(nei)高生物(wu)(wu)量(liang)濃度。顆(ke)粒內(nei)(nei)部(bu)(bu)的(de)分層(ceng)結構(gou)是(shi)實現多(duo)功能(neng)(neng)集成(cheng)(cheng)的(de)關(guan)鍵。外(wai)(wai)層(ceng)為好氧(yang)(yang)區(qu)，富集好氧(yang)(yang)異養菌(jun)（OHO、PAO、GAO）和自養硝化(hua)細(xi)(xi)菌(jun)（AOB、NOB），負責有機(ji)物(wu)(wu)降(jiang)(jiang)解和氨(an)氮硝化(hua)；內(nei)(nei)層(ceng)因缺氧(yang)(yang)形成(cheng)(cheng)厭氧(yang)(yang)區(qu)，富集反(fan)(fan)硝化(hua)菌(jun)（DOHO、DPAO、DGAO）、厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)菌(jun)（Anammox）、聚磷(lin)菌(jun)（PAO），進(jin)(jin)行反(fan)(fan)硝化(hua)和磷(lin)釋放。這種"智能(neng)(neng)分區(qu)"使復雜(za)生物(wu)(wu)反(fan)(fan)應能(neng)(neng)微(wei)觀同(tong)步進(jin)(jin)行。胞(bao)外(wai)(wai)聚合物(wu)(wu)（EPS）是(shi)維(wei)持AGS結構(gou)穩定(ding)性和細(xi)(xi)胞(bao)間(jian)連(lian)接的(de)關(guan)鍵成(cheng)(cheng)分，主(zhu)要由(you)多(duo)糖、蛋(dan)白質(zhi)等(deng)大(da)分子構(gou)成(cheng)(cheng)。EPS形成(cheng)(cheng)微(wei)生物(wu)(wu)間(jian)的(de)復雜(za)網絡(luo)，增(zeng)強顆(ke)粒結構(gou)穩定(ding)性并促進(jin)(jin)細(xi)(xi)胞(bao)粘附，同(tong)時也是(shi)微(wei)生物(wu)(wu)應對環境壓力（如饑餓、有毒物(wu)(wu)質(zhi)）的(de)保護機(ji)制。此(ci)外(wai)(wai)顆(ke)粒核心(xin)可能(neng)(neng)無(wu)細(xi)(xi)胞(bao)空隙，可能(neng)(neng)與(yu)內(nei)(nei)部(bu)(bu)擴散限制有關(guan)。

4、形成機制

好氧顆粒(li)污(wu)泥的形成機制可歸納為三(san)個關鍵(jian)環節：微生物自聚集、環境選擇壓力調控、底(di)物代(dai)謝協同(tong)作(zuo)用。

?微(wei)生物自(zi)聚(ju)集(ji)機制： 微(wei)生物自(zi)聚(ju)集(ji)始于絮體(ti)階段（Flocs）的微(wei)生物絲(si)狀菌（filaments）、桿菌（rods）、球菌（cocci）在(zai)選擇壓力（Selection pressure）、生長調控(kong)（Growth）因素驅動(dong)下，形(xing)成致密核(he)殼結(jie)(jie)構（Microbial granule）。通(tong)過細胞表面疏水性增(zeng)加實現可逆粘附。隨后，胞外聚(ju)合物（EPS）作為"膠水"形(xing)成網絡，促使不可逆聚(ju)集(ji)和生長，最終穩(wen)定(ding)微(wei)生物聚(ju)集(ji)體(ti)。EPS在(zai)維持顆粒結(jie)(jie)構穩(wen)定(ding)性起到關鍵(jian)作用。

圖5 好氧顆(ke)粒污泥形成機(ji)制

圖源：Sarma, S.J. et al., 2017. Finding knowledge gaps in aerobic granulation technology

?“飽(bao)食(shi)-饑(ji)餓(e)(e)”機制：“飽(bao)食(shi)-饑(ji)餓(e)(e)”策略是AGS（好氧顆(ke)粒污泥）形(xing)成的核(he)心(xin)機制。通過周期性底(di)物(wu)(wu)供應（如(ru)SBR或CFR系統），微生(sheng)物(wu)(wu)在(zai)“飽(bao)食(shi)期”快(kuai)速攝取底(di)物(wu)(wu)（如(ru)乙酸(suan)鹽）并(bing)轉(zhuan)化為聚羥基(ji)脂肪(fang)酸(suan)酯（PHA）等儲存(cun)(cun)物(wu)(wu)質；在(zai)“饑(ji)餓(e)(e)期”則消耗儲存(cun)(cun)物(wu)(wu)PHA維持生(sheng)長。這(zhe)種策略使高效儲存(cun)(cun)底(di)物(wu)(wu)的微生(sheng)物(wu)(wu)（如(ru)聚磷菌PAO、聚糖菌GAO）在(zai)競爭中占據(ju)優勢，促(cu)進致密顆(ke)粒結構形(xing)成。

?選擇(ze)壓力機制：  

① 水力剪切(qie)力：顆(ke)粒形(xing)成的關(guan)鍵因素，它促進微生(sheng)物運(yun)動、碰撞和EPS分泌，增強細胞疏(shu)水性，利于(yu)微聚集體形(xing)成。適當剪切(qie)力還能去除過長絲狀菌，維持顆(ke)粒致密光滑的形(xing)態。  

②沉降(jiang)速度： AGS系統通過設定(ding)較(jiao)短的(de)沉降(jiang)時間，選擇(ze)性(xing)洗出沉降(jiang)慢的(de)生(sheng)物量(liang)（如松散絮(xu)體和小(xiao)顆粒(li)），僅保留沉降(jiang)速度快的(de)顆粒(li)，從而(er)富(fu)集沉降(jiang)性(xing)能優異的(de)顆粒(li)。  

③厭氧進水(shui)選擇：通過底部進水(shui)方(fang)式對(dui)顆粒(li)污泥的形(xing)成(cheng)(cheng)和穩定(ding)起關鍵作用。使顆粒(li)與高濃(nong)度進水(shui)充分接觸，促(cu)進PAO/GAO等(deng)微生物高效儲(chu)存底物。大顆粒(li)因沉降速(su)度快(kuai)而優先接觸底物，形(xing)成(cheng)(cheng)"強(qiang)(qiang)者更強(qiang)(qiang)"的正反饋(kui)循環。  

④GFS/n-GFS比(bi)例：廢水(shui)中(zhong)顆粒形成底(di)物(wu)(wu)（GFS，如揮發性(xing)脂肪酸、可厭氧轉化(hua)(hua)的(de)易生物(wu)(wu)降解底(di)物(wu)(wu)）與非顆粒形成底(di)物(wu)(wu)（n-GFS）的(de)比(bi)例及飽(bao)食/饑(ji)餓比(bi)是決定污(wu)泥(ni)顆粒化(hua)(hua)能否從(cong)滯后階(jie)(jie)段過(guo)渡(du)到快速顆粒化(hua)(hua)階(jie)(jie)段的(de)關(guan)鍵因素(su)。  

⑤碎(sui)(sui)粒聚合(he)： 顆(ke)粒生(sheng)長到(dao)一定尺寸(cun)后會(hui)破碎(sui)(sui)成(cheng)小碎(sui)(sui)片，這(zhe)些碎(sui)(sui)片可作為新(xin)顆(ke)粒種子(zi)，加速顆(ke)粒化(hua)過(guo)程并跳過(guo)初始(shi)滯后階段。

5、污(wu)染物(wu)去除

?脫氮：硝(xiao)(xiao)化(hua)（自養菌）：① 氨氧化(hua)細菌（AOB）NH?? → NO??；②亞硝(xiao)(xiao)酸鹽氧化(hua)細菌（NOB）：NO?? → NO??；反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)（異(yi)養菌）：NO?? → N?（釋放(fang)至大氣(qi)），包括①(D)OHO：(反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua))普通(tong)異(yi)養菌/②(D)PAO：(反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua))聚(ju)磷菌/③(D)GAO：(反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua))聚(ju)糖菌。

?除(chu)(chu)磷(lin)(lin)(lin)：厭(yan)氧階段(duan)(duan)聚(ju)磷(lin)(lin)(lin)菌(jun)（PAO）攝取(qu)揮發性(xing)脂肪(fang)酸（VFA），以聚(ju)羥(qian)基脂肪(fang)酸酯（PHA）形式儲存，同(tong)時分解聚(ju)磷(lin)(lin)(lin)酸鹽(yan)釋放PO?3?；好氧/缺氧階段(duan)(duan)：聚(ju)磷(lin)(lin)(lin)菌(jun)（PAO）氧化PHA，吸收過(guo)量PO?3?并(bing)儲存為聚(ju)磷(lin)(lin)(lin)酸鹽(yan)（PP），本階段(duan)(duan)除(chu)(chu)磷(lin)(lin)(lin)量較厭(yan)氧階段(duan)(duan)高(gao)18%；反硝化聚(ju)磷(lin)(lin)(lin)菌(jun)（DPAO）可(ke)同(tong)步脫氮除(chu)(chu)磷(lin)(lin)(lin)，降低(di)曝氣與碳需求；聚(ju)糖(tang)菌(jun)（GAO）競爭碳源(yuan)但(dan)不除(chu)(chu)磷(lin)(lin)(lin)，可(ke)通過(guo)調控高(gao)P:COD、低(di)COD:N、高(gao)DO抑制其活(huo)性(xing)。

?COD去除：好氧(yang)階(jie)段普通異(yi)養菌(jun)（OHO）以O?為電子(zi)受體(ti)(ti)，將COD轉化為CO?；缺氧(yang)階(jie)段(反硝(xiao)化)普通異(yi)養菌(jun)(DOHO)反硝(xiao)化消耗COD；厭氧(yang)階(jie)段聚(ju)(ju)磷菌(jun)（PAO）/聚(ju)(ju)糖菌(jun)（GAO）儲(chu)存(cun)揮發(fa)性脂(zhi)肪(fang)酸（VFA），即易生物降解COD（rbCOD）。

圖6 不(bu)同菌種不(bu)同功能反應(ying)統計圖

圖源：DESIGN OF AEROBIC GRANULAR SLUDGE REACTORS BATCH VERSUS CONTINUOUS SYSTEMS

6、影響(xiang)因素

好氧顆粒(li)污泥的形成、維(wei)持、性能受多種因(yin)素的綜(zong)合(he)影響，具體(ti)如下：

?易生(sheng)(sheng)物(wu)降解(jie)COD（rbCOD）： 影(ying)響顆粒(li)穩(wen)定(ding)性。rbCOD的可用性對顆粒(li)的形成(cheng)和長期穩(wen)定(ding)性至關重要(yao)。研究表明，好氧rbCOD攝取占主(zhu)導(dao)(dao)會導(dao)(dao)致絲狀(zhuang)菌(jun)過度生(sheng)(sheng)長，進(jin)而引起顆粒(li)不(bu)穩(wen)定(ding)、生(sheng)(sheng)物(wu)量流失(shi) ；厭氧rbCOD攝取占主(zhu)導(dao)(dao)促進(jin)AGS顆粒(li)穩(wen)定(ding)。

表1 厭氧/好氧rbCOD的(de)AGS代謝(xie)對比(bi)表

?有機(ji)負(fu)荷率（OLR）：影(ying)響顆粒強度(du)和大(da)小(xiao)。低OLR形成(cheng)小(xiao)且(qie)致密的顆粒，高(gao)(gao)OLR產生大(da)而脆(cui)弱的顆粒，過(guo)高(gao)(gao)則導(dao)致顆粒解體(ti)。

?水力(li)剪(jian)(jian)切力(li)：對顆粒形成至關重要。低強(qiang)度(du)水力(li)剪(jian)(jian)切力(li)則引發絲(si)狀菌(jun)過度(du)增(zeng)殖和絮體問題；中強(qiang)度(du)能促進致密穩定結構生(sheng)成，去除過長(chang)絲(si)狀菌(jun)并增(zeng)強(qiang)細胞粘附；高強(qiang)度(du)水力(li)剪(jian)(jian)切力(li)易致顆粒破碎(sui)。

?沉降(jiang)(jiang)時間：短沉降(jiang)(jiang)時間是AGS實現顆粒選(xuan)擇的(de)關(guan)鍵，通過(guo)控制沉降(jiang)(jiang)時間洗出(chu)沉降(jiang)(jiang)性(xing)能差的(de)生物量(liang)（如絮體和小(xiao)型顆粒），保(bao)留富集(ji)沉降(jiang)(jiang)性(xing)能好的(de)顆粒。

?水力停留時間（HRT）/SBR循環時間： 短HRT、SBR循環時間利于懸浮生物量(liang)的(de)洗出從而促進顆粒化過程。

?進水模式： 反應器底(di)部(bu)在厭氧(yang)階段以(yi)推流進水模式被證(zheng)實比(bi)脈沖進水模式更能有效(xiao)地將底(di)物優(you)先分配給大顆粒，從而(er)顯(xian)著增(zeng)強顆粒化(hua)過程的穩定(ding)性和效(xiao)率。

?溶解(jie)氧（DO）濃度(du)： DO濃度(du)對顆粒內部的(de)氧氣(qi)滲透深度(du)和(he)厭氧區(qu)大(da)小(xiao)有決定(ding)(ding)性影響(xiang)，進而影響(xiang)同時(shi)硝化(hua)反硝化(hua)（SND）的(de)效率和(he)顆粒的(de)穩定(ding)(ding)性。低(di)DO濃度(du)有利于節能和(he)脫(tuo)氮，但過低(di)可能導致顆粒不穩定(ding)(ding)和(he)絲狀菌生長。

?溫(wen)(wen)度(du)：①啟動(dong)(dong)溫(wen)(wen)度(du)： 在8°C下啟動(dong)(dong)AGS反應器(qi)易導(dao)(dao)致(zhi)顆(ke)粒(li)結構(gou)(gou)(gou)不(bu)(bu)規則、生物(wu)量流失及運行不(bu)(bu)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)，尤其在好氧rbCOD攝取占主(zhu)導(dao)(dao)情況下更顯著。策略：建(jian)議初始在20°C左右啟動(dong)(dong)，待(dai)顆(ke)粒(li)結構(gou)(gou)(gou)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)后逐步(bu)降溫(wen)(wen)，可提升系統穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性與脫(tuo)氮效(xiao)能(neng)。②低溫(wen)(wen)影(ying)響： 顆(ke)粒(li)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)后，其硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)受溫(wen)(wen)度(du)影(ying)響小于傳統活性污泥（CAS），因生物(wu)膜(mo)結構(gou)(gou)(gou)及同步(bu)硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)反硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)（SND）能(neng)力可維持自養微生物(wu)活性。低溫(wen)(wen)仍(reng)會降低脫(tuo)氮除磷效(xiao)率，尤其在碳源不(bu)(bu)足時。

?污(wu)(wu)泥接種(zhong)與強(qiang)(qiang)化(hua)：①接種(zhong)： 投(tou)加成熟顆粒污(wu)(wu)泥或特定(ding)功能菌可加速AGS啟(qi)動，提高顆粒形(xing)成效率(lv)及穩定(ding)性(xing)。②強(qiang)(qiang)化(hua)： 投(tou)加絮狀(zhuang)污(wu)(wu)泥（作為生物核）或Ca2?（中和電荷），可促(cu)進顆粒快速形(xing)成并增(zeng)強(qiang)(qiang)其穩定(ding)性(xing)和沉(chen)降性(xing)。

?微生物群(qun)落組成：①PAO/GAO的豐度： 聚(ju)磷菌(jun)(jun)（PAO）和(he)聚(ju)糖菌(jun)(jun)（GAO）是(shi)厭(yan)氧(yang)COD儲存(cun)的關鍵功能菌(jun)(jun)群(qun)，其豐度直接影響AGS的穩定(ding)性(xing)和(he)除(chu)磷效率。PAO促進顆(ke)粒結(jie)構(gou)致密化(hua)（通(tong)過(guo)(guo)聚(ju)磷代謝(xie)增強沉(chen)降性(xing)），提高系統除(chu)磷能力(li)；GAO過(guo)(guo)度增殖可能削弱PAOs功能，導(dao)致除(chu)磷效率下降。②絲狀細菌(jun)(jun)： 絲狀細菌(jun)(jun)過(guo)(guo)度生長會導(dao)致顆(ke)粒結(jie)構(gou)松散、沉(chen)降性(xing)能差。

圖(tu)(tu)6 好氧顆粒污(wu)泥FISH分析圖(tu)(tu)

圖(tu)源：AquaNereda_Presentation_WWOA_Lake_Michigan

?顆粒(li)孔(kong)隙(xi)限制(zhi)(zhi)：顆粒(li)的(de)孔(kong)隙(xi)結構利于實現"空間分層代(dai)謝"，但致密結構會阻礙底物(wu)(wu)向內(nei)部擴散使(shi)代(dai)謝產物(wu)(wu)積累(lei)，降(jiang)低核心微生(sheng)物(wu)(wu)活性，可能(neng)影響反(fan)應效(xiao)率（如硝化、除(chu)磷）。這種結構特性既是(shi)(shi)顆粒(li)污泥能(neng)實現高效(xiao)脫氮除(chu)磷的(de)基礎，也是(shi)(shi)工藝(yi)控制(zhi)(zhi)需要精確把握(wo)的(de)關鍵參數(shu)。

圖7 好氧顆(ke)粒(li)污泥分層傳(chuan)質示意圖

圖源(yuan)：Nanchariaah, Y.V. et al, 2018. Aerobic granular sludge technology: Mechanisms of granulation and biotechnological applications

二、序批式工藝(yi)

1、工藝(yi)流程

序批式好氧顆粒污泥(ni)（SBR-AGS）工(gong)(gong)藝核心(xin)是所有工(gong)(gong)藝階段均在(zai)同一個反應器進(jin)行，主(zhu)要(yao)包(bao)含如下階段：

?進(jin)水(shui)與(yu)潷(bi)水(shui)階段（厭(yan)氧期(qi)）：反(fan)應器(qi)底部(bu)(bu)進(jin)水(shui)，上升水(shui)流(liu)推動(dong)(dong)沉降(jiang)在(zai)底部(bu)(bu)的(de)(de)污泥(ni)(ni)床(chuang)，出水(shui)從反(fan)應器(qi)頂部(bu)(bu)堰口排出。  底部(bu)(bu)進(jin)水(shui)促進(jin)高濃(nong)度進(jin)水(shui)與(yu)污泥(ni)(ni)床(chuang)的(de)(de)充(chong)分混(hun)合，加速PAO/GAO對易降(jiang)解COD的(de)(de)厭(yan)氧攝取與(yu)儲存；上升水(shui)流(liu)通(tong)過流(liu)速控(kong)制實現污泥(ni)(ni)截留與(yu)清(qing)水(shui)排出，減(jian)少(shao)出水(shui)擾動(dong)(dong)，維持系統穩定性。

?反(fan)應階段（曝(pu)氣期）：反(fan)應器底部(bu)(bu)的(de)曝(pu)氣器開始鼓入空氣為系統提供氧(yang)氣使顆(ke)粒污泥在(zai)(zai)整個反(fan)應器內充分混合并(bing)提供水力剪切力。主(zhu)要進行(xing)有機物(wu)(wu)的(de)好氧(yang)降(jiang)解(jie)、氨氮的(de)硝(xiao)化反(fan)應。由于AGS顆(ke)粒內部(bu)(bu)存(cun)在(zai)(zai)氧(yang)氣濃度梯度，即使在(zai)(zai)曝(pu)氣期間，顆(ke)粒核心仍能維持缺氧(yang)環境(jing)，從而實現同時硝(xiao)化反(fan)硝(xiao)化（Simultaneous Nitrification-Denitrification, SND）。此外(wai)，聚磷菌（PAO）在(zai)(zai)此階段利用儲存(cun)的(de)PHA進行(xing)磷的(de)攝取，實現生物(wu)(wu)除磷。

?沉(chen)(chen)降(jiang)與排(pai)放階(jie)段：停止曝氣后顆(ke)粒污(wu)泥(ni)迅(xun)速沉(chen)(chen)降(jiang)至(zhi)反應器底部，在(zai)(zai)位(wei)于污(wu)泥(ni)床(chuang)頂(ding)部的排(pai)放口排(pai)泥(ni)以去除系統(tong)中沉(chen)(chen)降(jiang)性較差(cha)的污(wu)泥(ni)絮體。主要(yao)實現快速高效的固液分離，通過排(pai)泥(ni)控(kong)制(zhi)以維持顆(ke)粒污(wu)泥(ni)在(zai)(zai)系統(tong)中的優(you)勢(shi)地位(wei)。

圖(tu)(tu)8 SBR-AGS工藝(yi)流程示意圖(tu)(tu)

圖(tu)源：Aerobic Granular Sludge Process Wolcott WWTP Unified Govt. of KCK - Lewes BPW Presentation by Brandon J. Coleman, PE

2、工藝控制

SBR-AGS系統主(zhu)要運行控制參數如下：

?污(wu)(wu)泥濃(nong)度（MLSS）： 典型運(yun)行(xing)MLSS濃(nong)度為 8?15 g/L 。以?sterr?d污(wu)(wu)水(shui)處理(li)廠的(de)穩定運(yun)行(xing)期，平均MLSS達到 8.8?9.1 g/L。

?污泥(ni)體積指數（SVI）： AGS的SVI?接近SVI??，典(dian)型(xing)值在 30?60 mL/g 之間(jian)。以?sterr?d污水處理廠的平均SVI??為 46?47 mL/g ，而同期CAS的SVI??為263 mL/g。

?污(wu)泥停留時(shi)間（SRT）/顆粒停留時(shi)間分布（GRTD）：顆粒大(da)小與(yu)SRT直接相關，大(da)顆粒及(ji)核(he)心生物(wu)量停留時(shi)間更(geng)長。?sterr?d污(wu)水廠AGS系(xi)統(tong)平(ping)均SRT達28-66天。

?體(ti)積(ji)(ji)(ji)交換比（VER）： 為(wei)每個循環進水容(rong)積(ji)(ji)(ji)與反應(ying)器總容(rong)積(ji)(ji)(ji)之(zhi)比，通(tong)常范圍35-55%。

?曝氣控制(zhi)： 在線監(jian)測NH??-N濃度當達(da)到預設(she)的設(she)定點(dian)（例如2-3.5 mg/L）時停止(zhi)曝氣 ；曝氣的溶解氧(yang)常規范(fan)圍1.0-2.0 mg/L，冬季(ji)提升至2.5-3 mg/L以保障硝化(hua)效(xiao)率。

SBR-AGS系統過程(cheng)控(kong)制策略如下(xia)：

?硝酸鹽(yan)產率： 動(dong)態監(jian)測(ce)氨氮、硝酸鹽(yan)、磷酸鹽(yan)、溶解氧、氧化(hua)還(huan)原(yuan)電位等多參數(shu)而調整溶解氧設(she)定(ding)實現(xian)同步硝化(hua)反硝化(hua)（SND）最大(da)轉化(hua)以及最小能耗。

?氮氣(qi)(qi)脫氣(qi)(qi)： 進(jin)水(shui)前短時(shi)曝氣(qi)(qi)以去除過(guo)飽和溶解在污(wu)泥混合(he)液中(zhong)易導致污(wu)泥上浮的氮氣(qi)(qi)。

圖9 采用Nereda技術(shu)的(de)荷蘭(lan)埃佩污水處理廠 (WWTP)

圖源(yuan)：//nereda.haskoning.com/en/projects/the-netherlands-epe

三(san)、連(lian)續流(liu)工藝

1、工藝流程

在(zai)連續流（CFR）系統中實(shi)現好氧顆粒污泥（AGS）的形成和穩定(ding)維(wei)持，是AGS技(ji)術推廣(guang)應用的重要(yao)方(fang)向。以(yi)Westbank工藝為例(li)，在(zai)A2O工藝的基(ji)礎(chu)上進(jin)行如下改進(jin)：

①增設獨立厭(yan)氧(yang)預發酵反應器：將初沉污泥(ni)(ni)中的有機物發酵生(sheng)成(cheng)VFAs（如乙酸、丙酸），刺激(ji)顆粒污泥(ni)(ni)分(fen)泌EPS（胞(bao)外聚合物）；

②縮短原厭(yan)氧(yang)(yang)區的水力(li)停留(liu)時間30%：因(yin)VFAs已預發酵(jiao)，厭(yan)氧(yang)(yang)區作(zuo)用僅需完(wan)成釋磷(lin)，節(jie)省(sheng)空間和成本(ben)；

③缺氧(yang)-好氧(yang)區(qu)優化溶解氧(yang)（DO）梯度：好氧(yang)區(qu)DO=2.5mg/L促進顆粒外(wai)層硝(xiao)化菌，內部(bu)維持缺氧(yang)微環境；

④增設顆(ke)粒污泥(ni)篩選器(qi)：利用沉(chen)降速度差異，采用斜板(ban)或者離心作用使(shi)重顆(ke)粒快速沉(chen)降、輕絮體排(pai)出系統；

⑤控制預發酵出水(shui)維(wei)持(chi)較高的F/M：旨(zhi)在促使微生物分泌EPS（多(duo)糖/蛋白質），為顆粒(li)提供結構骨架，避免水(shui)力剪切導(dao)致顆粒(li)污泥(ni)的解體；

⑥控制污泥間(jian)歇回流(liu)持續時(shi)間(jian)/采用(yong)動(dong)態進水策略：模擬“飽食-饑餓”機制延長底物(wu)利用(yong)梯度(du)，強化微生物(wu)聚集動(dong)力(li)。

圖10 連續流好氧(yang)顆(ke)粒(li)污泥(ni)工藝流程圖

圖源：Innovative Process for Granulation of Continuous Flow Conventional Activated Sludge-Bev Stinson - Ph.D, Global Wastewater Technology Leader Jeff Reade - Senior Wastewater Process Specialist

連(lian)續流（CFR）系統(tong)的(de)核心挑(tiao)戰(zhan)是連(lian)續混合條件(jian)下難以形成(cheng)SBR特(te)有的(de)底物濃(nong)度(du)梯度(du)和選擇壓力機制。為克服這些挑(tiao)戰(zhan)，連(lian)續流AGS工藝采(cai)用多種(zhong)策(ce)略來模擬(ni)SBR中的(de)關(guan)鍵條件(jian)：

?多(duo)級(ji)串聯(lian)反應器構型旨在(zai)模擬SBR中的(de)(de)“飽食-饑(ji)餓”機制，將多(duo)個推流(liu)反應器串聯(lian)起(qi)來(lai)，使底物濃(nong)度沿流(liu)程逐漸(jian)降低，從(cong)而在(zai)反應器序列前端形成高底物濃(nong)度的(de)(de)“飽食區(qu)”，在(zai)后端形成低底物濃(nong)度的(de)(de)“饑(ji)餓區(qu)”。通過調整串聯(lian)室的(de)(de)數量和體積，實現不同(tong)的(de)(de)飽食-饑(ji)餓停留時間比。

?厭(yan)(yan)氧-飽食(shi)反應(ying)器(qi)旨在(zai)使(shi)易生(sheng)物(wu)降(jiang)解底物(wu)（rbCOD）在(zai)進(jin)入好氧區之前(qian)，使(shi)微生(sheng)物(wu)在(zai)厭(yan)(yan)氧條(tiao)件下充分攝取和儲存。這對于抑制因rbCOD溢流到(dao)好氧區而致絲狀菌(jun)的過(guo)(guo)度生(sheng)長并維(wei)持(chi)顆粒(li)穩定性至(zhi)關(guan)重要。通(tong)(tong)過(guo)(guo)在(zai)反應(ying)器(qi)內部設厭(yan)(yan)氧區或(huo)者通(tong)(tong)過(guo)(guo)外部設置(zhi)獨立厭(yan)(yan)氧反應(ying)器(qi)實現。

?固(gu)液分(fen)離器旨在反應器內(nei)部或外部施加物理選擇壓力（沉(chen)降速(su)度、密度/尺寸）分(fen)離并回收顆粒污(wu)泥，同(tong)時排出沉(chen)降性能差的絮狀(zhuang)污(wu)泥。通過增設(she)高效沉(chen)淀(dian)池(chi)、水(shui)力旋流器等實現(xian)。

2、工藝控制

CFR-AGS系統主(zhu)要運(yun)行控(kong)制參數(shu)如下(xia)：

?污(wu)泥濃(nong)度(du)（MLSS）： CFR-AGS系統的(de)MLSS濃(nong)度(du)通(tong)常(chang)在(zai)4-6 g/L的(de)范圍內，膜生物(wu)反(fan)應器（MBRs）可(ke)以實(shi)現(xian)更高的(de)MLSS濃(nong)度(du)（最(zui)高可(ke)達16 g/L）。

?顆粒(li)尺寸：CFRs中AGS平均粒(li)徑(jing)<1mm，顯著小于SBRs培養的(de)顆粒(li)，原因是(shi)底物(wu)滲透深度(du)較淺(qian)限制顆粒(li)生長，但沉降性及(ji)污染物(wu)去除效率與SBRs相當(dang)。

?污泥體(ti)積指數(shu)（SVI）：SVI??范(fan)圍(wei)2-100 mL/，其中(zhong)80%＜60 mL/g，沉(chen)降性能優異。SVI?/SVI??比(bi)值：1.0-1.3，沉(chen)降快速穩定。

?水力停留時(shi)間(jian)（HRT）： CFR-AGS系統的(de)HRT范圍(wei)廣泛，從1.6小(xiao)時(shi)到27小(xiao)時(shi)不等，具體(ti)取決于處理目標和進(jin)水特性(xing) 。HRT的(de)選擇直(zhi)接(jie)影(ying)響反(fan)應器體(ti)積(ji)和處理效率。

?有機(ji)負荷(he)率（OLR）： OLR是衡量(liang)單位反應(ying)器體積每(mei)天處理(li)有機(ji)物量(liang)的(de)指(zhi)標(biao)，其范(fan)圍從0.15到(dao)39.0 kg/(m3·day。OLR的(de)選擇(ze)需平衡處理(li)效(xiao)率和顆(ke)粒穩定性。

?污泥齡(ling)(ling)（SRT）： 在CFR-AGS系統中，污泥齡(ling)(ling)（SRT）的(de)維持至關(guan)重要，它(ta)必須足夠長(chang)以確保慢生長(chang)微(wei)生物（如硝(xiao)化菌）的(de)充分(fen)生長(chang)和活(huo)性，從而實現高(gao)效(xiao)的(de)氮去除。

?胞(bao)外聚合物（EPS）：含量范圍37-600 mg/g VSS，在(zai)顆粒化啟動階(jie)段含量上(shang)升(sheng)，顆粒化穩定運行階(jie)段含量下降(jiang)，這一趨勢(shi)與(yu)SBRs中(zhong)觀察結果一致。

?曝氣強(qiang)度(du)：控制強(qiang)度(du)旨(zhi)在(zai)調(diao)節水力剪(jian)切力，以促進顆(ke)粒(li)形成與維(wei)持(chi)，并同時(shi)避免過(guo)高（顆(ke)粒(li)破碎）或過(guo)低(di)（絲狀菌(jun)增(zeng)殖）。

圖11 彭(peng)蒂(di)克(ke)頓市AWWTP連續流顆粒污泥示范項目

圖源：An Innovative Process for Granulation of Conventional Activated Sludge for BNR Infra-stretching.pdf

四、運行調試

1、調(diao)試啟動

污(wu)(wu)泥(ni)(ni)接種來源主要包括傳統活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)、好氧(yang)顆(ke)(ke)(ke)粒污(wu)(wu)泥(ni)(ni)，其中(zhong)接種運行穩定AGS顆(ke)(ke)(ke)粒污(wu)(wu)泥(ni)(ni)被認為是加(jia)速(su)顆(ke)(ke)(ke)粒化(hua)過程最有效的(de)方法。接種特定菌株（反硝化(hua)細菌等顆(ke)(ke)(ke)粒）、自制球形(xing)脫水(shui)活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)、將(jiang)厭氧(yang)顆(ke)(ke)(ke)粒污(wu)(wu)泥(ni)(ni)轉化(hua)為好氧(yang)顆(ke)(ke)(ke)粒污(wu)(wu)泥(ni)(ni)等生物(wu)強(qiang)化(hua)方式(shi) 。

調(diao)試啟動： 

①延滯(zhi)期（Lag Phase）：特征為(wei)接(jie)種后顆(ke)(ke)粒(li)化進程(cheng)緩(huan)慢(man)，絮體(ti)(ti)(ti)與“原生(sheng)(sheng)顆(ke)(ke)粒(li)”（直徑100-200 μm，沉降(jiang)性(xing)能類(lei)似絮體(ti)(ti)(ti)）形(xing)成，但(dan)顆(ke)(ke)粒(li)化程(cheng)度(du)變化不明顯；原生(sheng)(sheng)顆(ke)(ke)粒(li)可能被絮體(ti)(ti)(ti)包裹，洗出幾率均(jun)等，導致(zhi)選擇性(xing)排(pai)放(fang)效果有限；生(sheng)(sheng)長機制(zhi)為(wei)顆(ke)(ke)粒(li)生(sheng)(sheng)長依賴隨(sui)機過程(cheng)，原生(sheng)(sheng)顆(ke)(ke)粒(li)未必每循環(huan)均(jun)能獲取底(di)物；影響(xiang)因(yin)素包括 顆(ke)(ke)粒(li)形(xing)成底(di)物（GFS）與非顆(ke)(ke)粒(li)形(xing)成底(di)物（n-GFS）比例、原生(sheng)(sheng)顆(ke)(ke)粒(li)生(sheng)(sheng)長與新絮體(ti)(ti)(ti)產生(sheng)(sheng)的(de)動(dong)態平衡。  

②顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)化(hua)(hua)期（Granulation Phase）主要(yao)包(bao)括(kuo)快速(su)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)化(hua)(hua)階(jie)段、大(da)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)規模效(xiao)應階(jie)段；延滯期后系(xi)統進(jin)入(ru)快速(su)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)化(hua)(hua)期，小顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)（200-1000 μm）因(yin)沉(chen)降速(su)度優勢（顯著(zhu)快于絮體和原生顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)）獲得競爭主導(dao)權，特(te)(te)征(zheng)為(wei)更易沉(chen)降至反應器底部，底物獲取效(xiao)率高(gao)，被選擇(ze)性洗(xi)出(chu)的概率大(da)幅降低；小顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)快速(su)生長為(wei)大(da)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)（>1000 μm）后進(jin)入(ru)大(da)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)規模效(xiao)應階(jie)段，特(te)(te)征(zheng)為(wei)沉(chen)降速(su)度進(jin)一步加快（可達20-80 m/h），生長機制(zhi)為(wei)幾乎(hu)(hu)每(mei)次循(xun)環均能高(gao)效(xiao)獲取底物且幾乎(hu)(hu)不(bu)(bu)被洗(xi)出(chu)，導(dao)致(zhi)大(da)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)壟斷顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)形(xing)成底物（GFS），原生顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)因(yin)資(zi)源不(bu)(bu)足被逐步淘汰；影響因(yin)素包(bao)括(kuo)：上升(sheng)流(liu)速(su)（0.5-1.0 m/h為(wei)宜(yi)(yi)）、水(shui)力剪切(qie)力、底物特(te)(te)性（高(gao)COD>5000 mg/L、Ca2?>50 mg/L為(wei)宜(yi)(yi)）、負荷提升(sheng)適應性等。

2、問題應對

表2：AGS反應器(qi)調(diao)試問題與(yu)應對策略

五、應用(yong)

荷(he)蘭DHV公司開發(fa)的基于SBR-AGS的Nereda?技術(shu)（源(yuan)自(zi)代(dai)爾夫特(te)理工大學）經過30年研發(fa)（含12年中試(shi)），自(zi)2005年首(shou)個項(xiang)目(mu)投運(yun)以(yi)來，已在全球21個國(guo)家落地100多個項(xiang)目(mu)，其中60個已運(yun)營（8個超10年），其優勢包括：

①經濟性(xing)：累計節(jie)電5800萬千瓦時，池容減(jian)少50%-75%，降低建設與(yu)運行成本；

②操作(zuo)簡便：采(cai)用(yong)“一池(chi)式”設(she)計和高污泥濃度（MLSS 7-12 g/L），配備自動(dong)化控制器AquaSuite?；

③環境(jing)效益：通過LCA認(ren)證，顯著降低碳足跡和藥劑(ji)使(shi)用量。

首(shou)(shou)創環保(bao)集(ji)團于(yu)2016年(nian)與北(bei)京(jing)建筑大學、荷(he)蘭(lan)代爾夫特(te)理工大學合作成立(li)了中荷(he)污水處(chu)理技(ji)術(shu)(shu)(shu)研發(fa)中心，自主研發(fa)基于(yu)SBR-AGS的(de)CREATE好(hao)氧(yang)(yang)顆粒(li)污泥(ni)技(ji)術(shu)(shu)(shu)。近期，首(shou)(shou)創環保(bao)集(ji)團作為工藝包(bao)成功(gong)簽約浙江海寧市丁橋污水處(chu)理廠設施設備更新(xin)提升工程項目，該項目將利用(yong)CREATE好(hao)氧(yang)(yang)顆粒(li)污泥(ni)技(ji)術(shu)(shu)(shu)，對(dui)一期SBR生物處(chu)理技(ji)術(shu)(shu)(shu)進行升級改造，旨在將生物處(chu)理能(neng)力(li)從4萬噸/擴能(neng)至(zhi)7萬噸/天(tian)，投資低(di)于(yu)新(xin)建項目，凸顯“輕量改造”優(you)勢。

清華大學王凱(kai)軍老師團隊完成(cheng)全球首(shou)個大規(gui)模CFR-AGS工(gong)程（2.5×10? m3/d），通(tong)過改(gai)造AAO工(gong)藝(yi)實現：

①性(xing)能提升：啟動1個月(yue)后，絮狀污(wu)(wu)泥逐漸轉變為顆粒污(wu)(wu)泥。在穩(wen)定運(yun)行(xing)階段，污(wu)(wu)泥平均顆粒由31.9μm增加至138.5μm，顆粒污(wu)(wu)泥占比28.9%（粒徑(jing)>200μm），出水COD/NH4+-N/TN穩(wen)定達標；

②微生物富(fu)集(ji)：顆粒污泥中反硝化除磷(lin)菌（DPAOs）富(fu)集(ji)，豐度達3.29%；

③節(jie)能降(jiang)耗：功(gong)耗降(jiang)低(di)38.2%，節(jie)約了1/3污(wu)泥回流能耗。

表3：AGS商業化應(ying)用(yong)案(an)例統計

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