低C/N污水培养好氧颗粒污泥研究进展

侯起航 程知非 李杰

摘 要：【目的】为解决低C/N污水难以培养好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）的问题，对AGS的形成机理、影响因素等方面进行研究分析。【方法】综述了AGS形成的4种学说和影响AGS形成以及处理效果的6种因素，分析了AGS国内外工程应用情况，总结了AGS培养过程中的相关问题。【结果】低C/N污水培养AGS的过程中会受到原水基质浓度低、氮磷负荷难以协调的问题，还会受到溶解氧、曝气模式、剪切力、污泥龄、温度和周期设置的影响，颗粒化困难。后续可通过更改培养参数和运行策略满足生产需求。【结论】低C/N污水水质成分复杂，往往包含部分工业尾水，须规范行业制度，为AGS技术提供良好环境。低C/N污水培养AGS要求各类学科紧密配合，系统性整合产业链。通过工艺协调进水负荷，满足生产需求。此外还能通过采用协同处理的模式，引入工业废液改善水质，降低培养难度。

关键词：好氧颗粒污泥；低C/N污水；影响因素；工程化；碳源分配

中图分类号：X703              文献标志码：A             文章编号：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）属于微生物的自固定化技术，是数以百万计的不同微生物自凝聚形成的微生物群落［1］。与传统活性污泥相比，AGS有规则的外形和密实的球形结构，这使得AGS沉降速度更快［2］，可以在高污泥浓度和较短的沉降时间下运行［3］。在AGS体系中，每一个颗粒都可视为一个微型的污水处理设施。当处于曝气阶段时，AGS空间分层结构能在外层完成好氧反应，内部完成缺氧乃至厌氧反应。因此，无需额外回流设施，仅凭单个反应器就能完成高效脱氮除磷，节省了大量土地资源与运行成本。目前，AGS已在移动床生物膜反应器（MBBR）［4］和膜生物反应器（MBR）［5］中成功应用，增强生物除磷和硝化反硝化效率，能源效率也有所提高。此外，AGS中氧浓度梯度明显，可以在结构中同时实现好氧、缺氧和厌氧条件分布，整合多种微生物。相对于传统活性污泥法，AGS的抗冲击负荷和抗毒性强，在反应器内具有稳定的生物质保留能力［6］。

污水中的氮素分为有机氮和无机氮。其中无机氮包括氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。凯式氮为有机氮和氨氮之和，常用于判断污水使用生物法处理时氮素营养是否充足。过量氮素摄入自然水体会破坏水体自身生态系统平衡，导致水体富营养化，破坏生态环境平衡。氮素通常需要在好氧和厌氧条件下进行氨氧化、硝化和反硝化反应去除［7］。AGS的结构导致存在不同的氧化还原条件，因此即使在曝气条件下也允许同时发生硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND）［8］。根据Nancharaiah等的研究［7］，由于有氧和缺氧区域的共存，SND在宏观颗粒中是可能的。但是当AGS的尺寸过小时，SND效率不高。SND受到几个参数的影响，包括DO、AGS的大小、电子受体的可用性和微生物活性［9］。尽管AGS在理论研究上获得了重要突破，但在国内实际工程应用中仍面临许多问题。低C/N污水通常指的是C/N≤8，且COD低于200 mg/L的污水［10］。国内城市污水处理厂的进水C/N与欧洲等地污水处理厂相比通常较低，这与农业产业结构以及饮食习惯有很大关系［11］。较低的进水C/N会影响目标微生物的富集，加剧碳源竞争，阻碍颗粒化进行。我国多数水厂的平均进水BOD5仅约为100 mg/L，而BOD5/COD一般为0.3～0.5，远低于其他发达国家水平［10］。截至目前，国内少有AGS的实际工程。因此，本研究通过总结低C/N污水培养AGS的相关研究，从机理、影响因素等方面，为其工程化提出一些可行的建议。

1 AGS形成的机理

1.1 选择压学说

AGS培养的过程即为一个筛选的过程，通过设置合适的选择压，筛选出合适沉降速度的污泥，逐步颗粒化，最后形成成熟的AGS［12-13］。从质量传递的角度来看，AGS可以被认为是没有任何生长支撑材料的生物膜［14］。AGS成形过程中要求所有底物浓度（N、P等）在反应器中相对较高，这有利于营养物质传递到AGS颗粒内部，促进颗粒中心微生物造粒。AGS工程化过程中，中国典型市政污水的代表水质可以分为两大类：一是基本满足AGS培养C/N的污水，但其拥有较为寡淡的水质基质，为典型的南方污水水質；二是满足培养AGS有机质浓度的污水，此类污水拥有较为接近国外实际工程的进水有机质浓度，但其可生物降解有机质浓度却不到前者的一半，且C/N值较低，为典型北方污水。无论是哪种水质，实现AGS的工程化难度都较高。南方水质因其水体较为寡淡，会降低系统选择阈值，影响颗粒化进程。北方低C/N污水，往往因其水质氮磷负荷相较于污水有机质浓度过高而难以协调选择压和实际生产需求。

1.2 晶核诱导学说

晶核诱导学说是指在反应器中引入能作为微生物富集的核心，通过微生物的富集和生长，最终形成颗粒［15］。一般来说，污水中的晶核主要为球状惰性物质或沉积盐等无机物［16］。多数学者通过投加无机盐、胶体、纳米粉末等均培养出AGS［15，17-20］。市政污水中含有大量天然的晶核，如无机盐、胶体等物质，因此工程化过程中晶核不是实际污水培养AGS的限制因素。

1.3 胞外聚合物EPS学说

胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS），是微生物生产所分泌的一种天然凝胶，能作为黏附剂使微生物之间紧密结合。通过生物的繁殖富集进而形成复杂的空间结构，是判断AGS成形的重要因素［21］。胞外聚合物为微生物分泌的高分子物质，且属于能源物质，主要成分为多糖、蛋白质和核酸等［22］。在典型南方水质下，微生物分泌胞外聚合物同脱氮除磷的生化过程竞争成为颗粒化进程的限制条件。往往寡淡水体都会面临反应器启动过程长、颗粒化进程慢、颗粒粒径较小、出水较差等问题［23-25］。在典型北方水质下，可通过调整工艺优化，如改变运行模式等手段消耗部分EPS能量，进而满足颗粒化进程与生产要求，但通常因水质波动往往难以平稳运行。

1.4 丝状菌骨架学说

培养过程中絮状污泥中的丝状菌形成AGS的骨架，微生物以此作为依附、生长的场地，最后形成颗粒［26］。采用实际污水培养AGS的试验中，多位学者［27-31］在培养过程中都观察到这一过程。颗粒化过程骨架变化如图1所示，大体可以分为三个阶段：早期为菌胶团、絮体和微生物附着于丝状菌骨架；中期为筛选后具有晶核的复杂三维立体结构；后期为进一步筛选后密实且沉降良好的成熟AGS。

2 AGS的影响因素

2.1 溶解氧

溶解氧（DO）是AGS培养过程中的重要因素。充分的厌氧好氧过程已经被证实与颗粒成形密切相关。AGS具有分层结构，曝气过程中，溶解氧传质作用受到影响，在颗粒中形成梯度分布，进而使好氧过程中发生缺氧乃至厌氧过程成为可能。较低的溶解氧控制能带来AGS中更大缺氧占比，但过低的溶解氧容易使系统发生丝状菌膨胀，使其沉降性能变差［32］。通过控制溶解氧能极大地减少好氧过程中的碳源浪费。

2.2 曝气模式

采用不同的曝气模式运行会带来系统能耗和处理效率的变化［33-34］。实际工程中选择合适的曝气模式，能有效降低能耗、优化出水水质。PLC编程是一种专为工业环境设计的工业控制系统，可以按照设定逻辑通过电脑命令完成指令。AGS多采用序批式反应器（Sequencing Batch Reactor，SBR）模式运行。AGS实际工程中可将PLC编程与系统水质检测设备联用，在面临水质波动时对曝气模式做出灵活调整。

2.3 剪切力

AGS培养过程中的剪切力来自液体与颗粒之间、气体与颗粒之间的摩擦，主要为水力剪切，采用上升气流速度（SUAV）表示。更强烈的混合和更高的曝气速度会增加反应器中的剪切力，能刺激微生物分泌EPS进而加速颗粒化进程［35］。但更高的剪切力往往意味着更高的能耗使其脱离实际生产需要。

2.4 污泥龄

污泥龄往往是AGS容易忽略的一项指标。通过调整合適的污泥龄能有效富集功能菌群，优化出水水质。系统进水有一定的上升流速且多采用同步进出水，决定了AGS体系天然具有一定的选择压，因此往往会在进水的同时淘汰一部分微生物。实际工程中水量较大，这一部分带来的影响不可忽视。另一方面，还需要注意底部颗粒更新问题。由于系统的选择模式，容易造成底部沉降性能优异的颗粒更新缓慢，后期造成颗粒老化影响系统的稳态运行。目前的研究中污泥龄一般在给定的选择压力下随着污泥沉降比变化而自然变化，没有严格的控制参数［36］。

2.5 温度

温度会影响微生物的活性，过高或过低的温度都会对AGS的性能造成影响［37］。在培养过程中，低温往往是限制AGS的重要条件之一。在8 ℃下启动实验室规模的反应器会导致丝状生物和不规则结构的生长，导致EPS被冲刷［38］。因此冬季不适宜启动AGS相关反应器，同时在构筑物的选择上也应考虑保温。

2.6 周期设置

在厌氧阶段微生物发生复杂的生化过程，将难降解有机物经过一系列反应分解为易降解有机物（rbCOD），继而将其吸附储存为内碳源，作为好氧段的能源物质完成生化反应。中国的污水水质成分复杂，往往有部分工业尾水占比［39］。复杂的水质中难降解有机物占比较高，厌氧段无法完成其完全水解。待系统进入好氧时，部分难降解有机物会分解提供能量使丝状菌增殖，AGS表面出现finger状结［40］沉降恶化。实际工程须考虑给予周期足够的厌氧时间，避免好氧进料的风险。AGS传统的周期设置为单日多个整数周期运行，实际工程考虑多时段内进水水质波动，可以采用单日非整数周期运行。通过PLC控制与精准的在线水质检测设备联用，能在水质较为寡淡或水量较少时段灵活缩短周期，在水质较浓时延长周期，进而达到生产需求。

3 AGS工程应用情况

对于AGS技术应用研究早在1991年已展开［41］。目前国外已经拥有较为成熟的AGS工程方案且实际工程案例多，而国内对AGS研究更偏向于理论研究，实际工程案例少，具体工程项目见表1。从AGS的工程化过程中不难看出，国内外对其研究历程均是从工业水开始进而逐步过渡到市政污水。

国外AGS工程实例主要为DHV的Nereda®工艺。早在2007年，Mark vanLoosdrecht教授与DHV公司合作的Nereda®工艺首次被应用到欧洲的Smilde Foods BV奶酪厂进行生产试验并取得巨大成功，次年使用Nereda®工艺的南非Gansbaai市政污水厂日处理量达4 500 t。截至目前，Mark教授与DHV公司合作的Nereda®的AGS工艺已被全球超过90座污水处理厂采用。

国内也报道了相关AGS的工程实例，且已经取得了一定成果。早在2010年，海宁盐仓污水处理厂扩建三期工程引入水解酸化+改进型SBR工艺并成功运行了AGS技术［42］。污水处理厂进水水质为30%生活污水和70%工业水。具体进水水质如下：COD为200～700 mg/L，BOD5为50～150 mg/L，NH+4-N为28～40 mg/L，TP为2～4 mg/L，水温为20～35 ℃，处理规模为50 000 m3/d。具体周期运行方式为：进水40 min，曝气240 min，沉淀40～60 min，出水30 min。平均出水水质COD为90 mg/L，NH+4-N为1.0 mg/L，TN为15 mg/L。系统在该模式运行下出现部分颗粒化现象，培养出AGS的SVI为47.1 mL/g，平均粒径为0.5 mm，平均沉速为42 m/h。在2015年后工艺改为A2O后颗粒化现象消失，后续未实现复刻。2020年，浙江省龙游县城南工业污水处理厂基于Nereda®工艺的AGS项目试运行。污水处理厂进水的工业水占比超过70%，其中包含印染废水、服装水洗废水、食品废水等，其余为生活污水，处理规模为20 000 m3/d。进水水质如下：COD为500 mg/L，BOD5为220 mg/L，NH+4-N为30 mg/L，TN为45 mg/L，TP为2.5 mg/L，水温为12～28 ℃。培养后的AGS粒径区间为0.4～2 mm。同时国内也在积极对以市政污水为进水水质的AGS工程实例进行研究。如北控水务集团的速粒千吨级生产性验证工程，截至目前已经平稳运行700多天。北京首创淅川AGS示范项目，处理量为500 m3/d，颗粒化程度大于30%，能在无添加药剂的情况下出水满足一级A标准。此外还有北排集团吴家村再生水厂AGS示范工程项目，预计设计处理量80 000 m3/d，建成运行后将成为国内最大规模的AGS示范工程。

目前已被应用到实际工程的AGS培养模式和成泥理论分别为代尔夫特大学Mark vanLoosdrecht教授的升流厌氧进水+曝气模式和“丰盛-饥饿”理论，前者相较于完全曝气快速进水模式和存在混合状态的缺氧段+曝气模式，成泥粒径大且质量高，后者工程上主流成泥理论被广大学者研究证实。总的来说，工业水因其稳定的水质和特性容易挑选出满足AGS的培养条件的水质。AGS工程化过程中使用工业水或部分掺入工业水能弥补水质的不足且优化C/N，提高有机质浓度降低AGS的培养难度。国内的AGS工程主要分为两大类：一是以工业水为主或有较高比例工业水占比的适宜水质条件下好氧颗粒工程实例；二是以市政污水为主，尝试在中国特有水质下探索国有化AGS工艺的工程实例。无论是哪种都是对AGS国有化、打破国外技术壁垒的伟大尝试。

4 结论与建议

①我国对AGS的研究起步较晚，针对工业废水的工程化已有实际案例，而针对市政污水的工程化却鲜有报道，这与中国污水水质较为特殊有关。我国污水水质不同于其他发达国家，一定程度上不属于单一的市政污水。污水本身基质浓度低，往往还会存在一部分工业尾水的占比，水质成分复杂，使得AGS技术在我国工程化过程中受阻，这需要规范行业监管力度为其工程化过程提供良好环境。

②目前主流的工程化AGS培养模式为升流厌氧进水+曝气模式，成泥理论为“饥饿-丰盛”理论，这使得工艺本身就具有对特定微生物如聚磷菌、聚糖菌等功能菌的筛选和富集作用。在AGS工程化过程中，由于低C/N污水水质特殊，加之整体工艺从设计到施工再到生产这一过程需要各类学科的紧密配合，环环相扣，拉高了整套模式的门槛。因此，如何通过工艺协调碳源分配、系统性整合产业链成为关键。

③有限的进水有机质浓度会使系统中颗粒化进程放缓，启动周期延长。同时低C/N污水培养AGS的出水指标与颗粒化进程难以兼顾，需要通过选择特定的工艺参数，如改变工艺流程设置、控制曝气强度、优化污泥龄等，协调系统颗粒化过程和使出水指标达到生产要求。此外还能通过引入工业废水如啤酒废水、食品生产废水等高有机质废水，部分弥补天然污水水体中有机质的不足，降低AGS工业化进程的难度从而达到双赢。

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收稿日期：2023-01-30

基金項目：地区科学基金项目“生物海绵铁体系中铁与微生物协同同步反硝化作用机制及其应用基础研究”（51768032）。

作者简介：侯起航（1997—），男，硕士生，研究方向：污废水处理。

通信作者：李杰（1964—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向：废水生物处理技术。