低C/N污水培養好氧顆粒污泥研究進展

侯起航 程知非 李杰

摘 要：【目的】為解決低C/N污水難以培養好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）的問題，對AGS的形成機理、影響因素等方面進行研究分析。【方法】綜述了AGS形成的4種學說和影響AGS形成以及處理效果的6種因素，分析了AGS國內外工程應用情況，總結了AGS培養過程中的相關問題?！窘Y果】低C/N污水培養AGS的過程中會受到原水基質濃度低、氮磷負荷難以協調的問題，還會受到溶解氧、曝氣模式、剪切力、污泥齡、溫度和周期設置的影響，顆?；щy。后續可通過更改培養參數和運行策略滿足生產需求。【結論】低C/N污水水質成分復雜，往往包含部分工業尾水，須規范行業制度，為AGS技術提供良好環境。低C/N污水培養AGS要求各類學科緊密配合，系統性整合產業鏈。通過工藝協調進水負荷，滿足生產需求。此外還能通過采用協同處理的模式，引入工業廢液改善水質，降低培養難度。

關鍵詞：好氧顆粒污泥；低C/N污水；影響因素；工程化；碳源分配

中圖分類號：X703? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）08-0077-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.016

Research Progress of Aerobic Granular Sludge Cultivated in Low C/N Sewage

HOU Qihang? ? CHENG Zhifei? ? LI Jie

（Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract：[Purposes] In order to solve the problem that low C/N sewage is difficult to cultivate aerobic granular sludge （AGS）， the formation mechanism and influencing factors of AGS were studied and analyzed. [Methods] This paper summarizes 4 theories of AGS formation and 6 factors affecting AGS formation and treatment effect， analyzes the engineering application of AGS at home and abroad， and summarizes the related problems of AGS cultivation process. [Findings] The process of cultivating AGS in low C/N sewage will be affected by the low concentration of raw water matrix and the difficulty in coordinating nitrogen and phosphorus loads. It will also be affected by dissolved oxygen， aeration mode， shear force， sludge age， temperature and cycle settings， making granulation difficult. Subsequent production needs can be met by changing the cultivation parameters and operation strategy. [Conclusions] The water quality of low C/N sewage is complex and often includes some industrial tail water. It is necessary to standardize the industry system to provide a good environment for AGS technology.The cultivation of AGS in low C/N sewage requires the close cooperation of various disciplines and the systematic integration of the industrial chain. The influent load is coordinated through the process to meet production needs.In addition， by adopting the mode of co-processing， the introduction of industrial waste liquid can improve water quality and reduce the difficulty of cultivation.

Keywords： aerobic granular sludge; low C/N sewage; influencing factors; engineering; carbon source allocation

0 引言

好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）屬于微生物的自固定化技術，是數以百萬計的不同微生物自凝聚形成的微生物群落［1］。與傳統活性污泥相比，AGS有規則的外形和密實的球形結構，這使得AGS沉降速度更快［2］，可以在高污泥濃度和較短的沉降時間下運行［3］。在AGS體系中，每一個顆粒都可視為一個微型的污水處理設施。當處于曝氣階段時，AGS空間分層結構能在外層完成好氧反應，內部完成缺氧乃至厭氧反應。因此，無需額外回流設施，僅憑單個反應器就能完成高效脫氮除磷，節省了大量土地資源與運行成本。目前，AGS已在移動床生物膜反應器（MBBR）［4］和膜生物反應器（MBR）［5］中成功應用，增強生物除磷和硝化反硝化效率，能源效率也有所提高。此外，AGS中氧濃度梯度明顯，可以在結構中同時實現好氧、缺氧和厭氧條件分布，整合多種微生物。相對于傳統活性污泥法，AGS的抗沖擊負荷和抗毒性強，在反應器內具有穩定的生物質保留能力［6］。

污水中的氮素分為有機氮和無機氮。其中無機氮包括氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。凱式氮為有機氮和氨氮之和，常用于判斷污水使用生物法處理時氮素營養是否充足。過量氮素攝入自然水體會破壞水體自身生態系統平衡，導致水體富營養化，破壞生態環境平衡。氮素通常需要在好氧和厭氧條件下進行氨氧化、硝化和反硝化反應去除［7］。AGS的結構導致存在不同的氧化還原條件，因此即使在曝氣條件下也允許同時發生硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND）［8］。根據Nancharaiah等的研究［7］，由于有氧和缺氧區域的共存，SND在宏觀顆粒中是可能的。但是當AGS的尺寸過小時，SND效率不高。SND受到幾個參數的影響，包括DO、AGS的大小、電子受體的可用性和微生物活性［9］。盡管AGS在理論研究上獲得了重要突破，但在國內實際工程應用中仍面臨許多問題。低C/N污水通常指的是C/N≤8，且COD低于200 mg/L的污水［10］。國內城市污水處理廠的進水C/N與歐洲等地污水處理廠相比通常較低，這與農業產業結構以及飲食習慣有很大關系［11］。較低的進水C/N會影響目標微生物的富集，加劇碳源競爭，阻礙顆?；M行。我國多數水廠的平均進水BOD5僅約為100 mg/L，而BOD5/COD一般為0.3～0.5，遠低于其他發達國家水平［10］。截至目前，國內少有AGS的實際工程。因此，本研究通過總結低C/N污水培養AGS的相關研究，從機理、影響因素等方面，為其工程化提出一些可行的建議。

1 AGS形成的機理

1.1 選擇壓學說

AGS培養的過程即為一個篩選的過程，通過設置合適的選擇壓，篩選出合適沉降速度的污泥，逐步顆粒化，最后形成成熟的AGS［12-13］。從質量傳遞的角度來看，AGS可以被認為是沒有任何生長支撐材料的生物膜［14］。AGS成形過程中要求所有底物濃度（N、P等）在反應器中相對較高，這有利于營養物質傳遞到AGS顆粒內部，促進顆粒中心微生物造粒。AGS工程化過程中，中國典型市政污水的代表水質可以分為兩大類：一是基本滿足AGS培養C/N的污水，但其擁有較為寡淡的水質基質，為典型的南方污水水質；二是滿足培養AGS有機質濃度的污水，此類污水擁有較為接近國外實際工程的進水有機質濃度，但其可生物降解有機質濃度卻不到前者的一半，且C/N值較低，為典型北方污水。無論是哪種水質，實現AGS的工程化難度都較高。南方水質因其水體較為寡淡，會降低系統選擇閾值，影響顆?；M程。北方低C/N污水，往往因其水質氮磷負荷相較于污水有機質濃度過高而難以協調選擇壓和實際生產需求。

1.2 晶核誘導學說

晶核誘導學說是指在反應器中引入能作為微生物富集的核心，通過微生物的富集和生長，最終形成顆粒［15］。一般來說，污水中的晶核主要為球狀惰性物質或沉積鹽等無機物［16］。多數學者通過投加無機鹽、膠體、納米粉末等均培養出AGS［15，17-20］。市政污水中含有大量天然的晶核，如無機鹽、膠體等物質，因此工程化過程中晶核不是實際污水培養AGS的限制因素。

1.3 胞外聚合物EPS學說

胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS），是微生物生產所分泌的一種天然凝膠，能作為黏附劑使微生物之間緊密結合。通過生物的繁殖富集進而形成復雜的空間結構，是判斷AGS成形的重要因素［21］。胞外聚合物為微生物分泌的高分子物質，且屬于能源物質，主要成分為多糖、蛋白質和核酸等［22］。在典型南方水質下，微生物分泌胞外聚合物同脫氮除磷的生化過程競爭成為顆?；M程的限制條件。往往寡淡水體都會面臨反應器啟動過程長、顆粒化進程慢、顆粒粒徑較小、出水較差等問題［23-25］。在典型北方水質下，可通過調整工藝優化，如改變運行模式等手段消耗部分EPS能量，進而滿足顆粒化進程與生產要求，但通常因水質波動往往難以平穩運行。

1.4 絲狀菌骨架學說

培養過程中絮狀污泥中的絲狀菌形成AGS的骨架，微生物以此作為依附、生長的場地，最后形成顆粒［26］。采用實際污水培養AGS的試驗中，多位學者［27-31］在培養過程中都觀察到這一過程。顆粒化過程骨架變化如圖1所示，大體可以分為三個階段：早期為菌膠團、絮體和微生物附著于絲狀菌骨架；中期為篩選后具有晶核的復雜三維立體結構；后期為進一步篩選后密實且沉降良好的成熟AGS。

2 AGS的影響因素

2.1 溶解氧

溶解氧（DO）是AGS培養過程中的重要因素。充分的厭氧好氧過程已經被證實與顆粒成形密切相關。AGS具有分層結構，曝氣過程中，溶解氧傳質作用受到影響，在顆粒中形成梯度分布，進而使好氧過程中發生缺氧乃至厭氧過程成為可能。較低的溶解氧控制能帶來AGS中更大缺氧占比，但過低的溶解氧容易使系統發生絲狀菌膨脹，使其沉降性能變差［32］。通過控制溶解氧能極大地減少好氧過程中的碳源浪費。

2.2 曝氣模式

采用不同的曝氣模式運行會帶來系統能耗和處理效率的變化［33-34］。實際工程中選擇合適的曝氣模式，能有效降低能耗、優化出水水質。PLC編程是一種專為工業環境設計的工業控制系統，可以按照設定邏輯通過電腦命令完成指令。AGS多采用序批式反應器（Sequencing Batch Reactor，SBR）模式運行。AGS實際工程中可將PLC編程與系統水質檢測設備聯用，在面臨水質波動時對曝氣模式做出靈活調整。

2.3 剪切力

AGS培養過程中的剪切力來自液體與顆粒之間、氣體與顆粒之間的摩擦，主要為水力剪切，采用上升氣流速度（SUAV）表示。更強烈的混合和更高的曝氣速度會增加反應器中的剪切力，能刺激微生物分泌EPS進而加速顆?；M程［35］。但更高的剪切力往往意味著更高的能耗使其脫離實際生產需要。

2.4 污泥齡

污泥齡往往是AGS容易忽略的一項指標。通過調整合適的污泥齡能有效富集功能菌群，優化出水水質。系統進水有一定的上升流速且多采用同步進出水，決定了AGS體系天然具有一定的選擇壓，因此往往會在進水的同時淘汰一部分微生物。實際工程中水量較大，這一部分帶來的影響不可忽視。另一方面，還需要注意底部顆粒更新問題。由于系統的選擇模式，容易造成底部沉降性能優異的顆粒更新緩慢，后期造成顆粒老化影響系統的穩態運行。目前的研究中污泥齡一般在給定的選擇壓力下隨著污泥沉降比變化而自然變化，沒有嚴格的控制參數［36］。

2.5 溫度

溫度會影響微生物的活性，過高或過低的溫度都會對AGS的性能造成影響［37］。在培養過程中，低溫往往是限制AGS的重要條件之一。在8 ℃下啟動實驗室規模的反應器會導致絲狀生物和不規則結構的生長，導致EPS被沖刷［38］。因此冬季不適宜啟動AGS相關反應器，同時在構筑物的選擇上也應考慮保溫。

2.6 周期設置

在厭氧階段微生物發生復雜的生化過程，將難降解有機物經過一系列反應分解為易降解有機物（rbCOD），繼而將其吸附儲存為內碳源，作為好氧段的能源物質完成生化反應。中國的污水水質成分復雜，往往有部分工業尾水占比［39］。復雜的水質中難降解有機物占比較高，厭氧段無法完成其完全水解。待系統進入好氧時，部分難降解有機物會分解提供能量使絲狀菌增殖，AGS表面出現finger狀結［40］沉降惡化。實際工程須考慮給予周期足夠的厭氧時間，避免好氧進料的風險。AGS傳統的周期設置為單日多個整數周期運行，實際工程考慮多時段內進水水質波動，可以采用單日非整數周期運行。通過PLC控制與精準的在線水質檢測設備聯用，能在水質較為寡淡或水量較少時段靈活縮短周期，在水質較濃時延長周期，進而達到生產需求。

3 AGS工程應用情況

對于AGS技術應用研究早在1991年已展開［41］。目前國外已經擁有較為成熟的AGS工程方案且實際工程案例多，而國內對AGS研究更偏向于理論研究，實際工程案例少，具體工程項目見表1。從AGS的工程化過程中不難看出，國內外對其研究歷程均是從工業水開始進而逐步過渡到市政污水。

國外AGS工程實例主要為DHV的Nereda?工藝。早在2007年，Mark vanLoosdrecht教授與DHV公司合作的Nereda?工藝首次被應用到歐洲的Smilde Foods BV奶酪廠進行生產試驗并取得巨大成功，次年使用Nereda?工藝的南非Gansbaai市政污水廠日處理量達4 500 t。截至目前，Mark教授與DHV公司合作的Nereda?的AGS工藝已被全球超過90座污水處理廠采用。

國內也報道了相關AGS的工程實例，且已經取得了一定成果。早在2010年，海寧鹽倉污水處理廠擴建三期工程引入水解酸化+改進型SBR工藝并成功運行了AGS技術［42］。污水處理廠進水水質為30%生活污水和70%工業水。具體進水水質如下：COD為200～700 mg/L，BOD5為50～150 mg/L，NH+4-N為28～40 mg/L，TP為2～4 mg/L，水溫為20～35 ℃，處理規模為50 000 m3/d。具體周期運行方式為：進水40 min，曝氣240 min，沉淀40～60 min，出水30 min。平均出水水質COD為90 mg/L，NH+4-N為1.0 mg/L，TN為15 mg/L。系統在該模式運行下出現部分顆?；F象，培養出AGS的SVI為47.1 mL/g，平均粒徑為0.5 mm，平均沉速為42 m/h。在2015年后工藝改為A2O后顆粒化現象消失，后續未實現復刻。2020年，浙江省龍游縣城南工業污水處理廠基于Nereda?工藝的AGS項目試運行。污水處理廠進水的工業水占比超過70%，其中包含印染廢水、服裝水洗廢水、食品廢水等，其余為生活污水，處理規模為20 000 m3/d。進水水質如下：COD為500 mg/L，BOD5為220 mg/L，NH+4-N為30 mg/L，TN為45 mg/L，TP為2.5 mg/L，水溫為12～28 ℃。培養后的AGS粒徑區間為0.4～2 mm。同時國內也在積極對以市政污水為進水水質的AGS工程實例進行研究。如北控水務集團的速粒千噸級生產性驗證工程，截至目前已經平穩運行700多天。北京首創淅川AGS示范項目，處理量為500 m3/d，顆?；潭却笥?0%，能在無添加藥劑的情況下出水滿足一級A標準。此外還有北排集團吳家村再生水廠AGS示范工程項目，預計設計處理量80 000 m3/d，建成運行后將成為國內最大規模的AGS示范工程。

目前已被應用到實際工程的AGS培養模式和成泥理論分別為代爾夫特大學Mark vanLoosdrecht教授的升流厭氧進水+曝氣模式和“豐盛-饑餓”理論，前者相較于完全曝氣快速進水模式和存在混合狀態的缺氧段+曝氣模式，成泥粒徑大且質量高，后者工程上主流成泥理論被廣大學者研究證實?？偟膩碚f，工業水因其穩定的水質和特性容易挑選出滿足AGS的培養條件的水質。AGS工程化過程中使用工業水或部分摻入工業水能彌補水質的不足且優化C/N，提高有機質濃度降低AGS的培養難度。國內的AGS工程主要分為兩大類：一是以工業水為主或有較高比例工業水占比的適宜水質條件下好氧顆粒工程實例；二是以市政污水為主，嘗試在中國特有水質下探索國有化AGS工藝的工程實例。無論是哪種都是對AGS國有化、打破國外技術壁壘的偉大嘗試。

4 結論與建議

①我國對AGS的研究起步較晚，針對工業廢水的工程化已有實際案例，而針對市政污水的工程化卻鮮有報道，這與中國污水水質較為特殊有關。我國污水水質不同于其他發達國家，一定程度上不屬于單一的市政污水。污水本身基質濃度低，往往還會存在一部分工業尾水的占比，水質成分復雜，使得AGS技術在我國工程化過程中受阻，這需要規范行業監管力度為其工程化過程提供良好環境。

②目前主流的工程化AGS培養模式為升流厭氧進水+曝氣模式，成泥理論為“饑餓-豐盛”理論，這使得工藝本身就具有對特定微生物如聚磷菌、聚糖菌等功能菌的篩選和富集作用。在AGS工程化過程中，由于低C/N污水水質特殊，加之整體工藝從設計到施工再到生產這一過程需要各類學科的緊密配合，環環相扣，拉高了整套模式的門檻。因此，如何通過工藝協調碳源分配、系統性整合產業鏈成為關鍵。

③有限的進水有機質濃度會使系統中顆?；M程放緩，啟動周期延長。同時低C/N污水培養AGS的出水指標與顆?；M程難以兼顧，需要通過選擇特定的工藝參數，如改變工藝流程設置、控制曝氣強度、優化污泥齡等，協調系統顆粒化過程和使出水指標達到生產要求。此外還能通過引入工業廢水如啤酒廢水、食品生產廢水等高有機質廢水，部分彌補天然污水水體中有機質的不足，降低AGS工業化進程的難度從而達到雙贏。

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收稿日期：2023-01-30

基金項目：地區科學基金項目“生物海綿鐵體系中鐵與微生物協同同步反硝化作用機制及其應用基礎研究”（51768032）。

作者簡介：侯起航（1997—），男，碩士生，研究方向：污廢水處理。

通信作者：李杰（1964—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向：廢水生物處理技術。