杨敬畏，程树辉，罗丁，李悦，王洋，韩艳梅

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082；
2.北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

好氧颗粒污泥(AGS)是一种新兴的污水处理技术。其特点是生物量高和沉降速度快。具有操作和控制方法简单，承受较大负荷以及安装投资少的优势。现阶段根据不同需要已经培养出了亚硝化颗粒污泥、除磷颗粒污泥，强化脱氮颗粒污泥等具有不同功能的颗粒污泥，但是生活污水处理脱氮除磷流程是常用工艺，所以对于好氧颗粒污泥脱氮除磷的研究是很有必要的，现阶段国内外研究者已对AGS的脱氮除磷原理进行研究并取得一定成果。本文将对AGS脱氮除磷技术的发展现状进行综述与讨论，分析AGS运行方式及运行环境要求，探究AGS高效脱氮除磷及稳定运行的策略。以期为连续流AGS工艺的实际应用与推广提供一定理论基础。最后提出实践中的研究参考方向与展望。

1.1 时间曝气策略

传统的研究是利用好氧颗粒污泥内部分层结构实现脱氮除磷。如田等[5]在纯氧曝气的条件下培养好氧颗粒污泥，培养出来的污泥粒径在2～4 mm之间，脱氮效率在80%以上，而除磷效率仅长期稳定在22%～37%之间。这也说明了在单一曝气的条件下，脱氮除磷效率与溶解氧的渗透深度有很大关系，生物脱氮与除磷之间的矛盾依然存在。

基于此，国内外诸多学者选择创造外部微环境，以提高好氧颗粒污泥的去除效率。其中时间曝气策略是指在同一个反应池中，在不同时间内创造不同的溶解氧浓度环境，何等[6]首先研究了曝气时长对强化颗粒污泥生物脱氮除磷的作用机制。随着曝气时长的降低(120～60 min)，有机物和磷去除效果良好，内源反硝化作用的增强使得脱氮效率从 64.29% 提高到86.18%，还可以降低系统中的聚糖菌(GAOs)含量并且提高聚磷菌(PAOs)、反硝化聚磷菌(DPAOs)和氨氧化菌(AOB)的含量。最近，张等[7]创造了一种(A/O)序批式反应器梯度曝气的运行方式，结果表明，新型的梯度曝气方式有利于反硝化聚磷菌(DPAOs)富集，使得脱氮除磷性能提高。

在连续流中亦是如此，Moura等[8]创造了连续流中时间间歇曝气策略(2 h曝气和1 h无曝气)，TN和COD去除率可达到82%和85%，此外，有学者专门比较了连续流中曝气策略的影响[9-11]，并分析溶解氧浓度对废水污染物去除、微生物群落多样性的影响。结果表明，间歇曝气有助于提高有机物、氮、磷的去除效率，以及增加生物多样性，此外，还节省了40%的曝气能耗。

这些研究表明，时间间歇操作产生的厌氧/好氧交替环境提高了系统的内源反硝化的能力，并产生了反硝化聚磷菌等高效脱氮的菌种，增加了微生物多样性，进而提高系统脱氮除磷性能。但同时一些成熟高效的曝气策略，例如梯度曝气策略还尚未引入到连续流系统中进行深入的研究。

1.2 空间曝气策略

相对于时间曝气策略，空间曝气策略是指在不同反应池中，通过不同反应室创造不同外环境，从而同时创造不同溶解氧浓度环境。

Sun等[12]在实验中使用了连续流反应器将多个反应室串联，并对每个反应室进行充分曝气，每个反应室的充气速率为3.2 L/min，营养物质生物量在依次排列的反应室中逐渐消耗，致使不同反应室内的溶解氧浓度不同，同时在远离进水口处形成了高氧浓度区域。实验结果表明，反应器具有良好的COD和氮去除能力。此外Li等[13]创造了一种新型的可控制颗粒沉淀时间的连续流反应器，通过将非曝气区与曝气区依次串联的策略，实现了COD和TP的去除，随后Li等[14]在一个反应池内创造了厌氧区、好氧区和沉淀区三个反应室，实现了厌氧和好氧的同步反应，该系统COD、TN、TP的平均去除率均达到70%以上，这也进一步证明了在连续流反应器实现脱氮除磷是有可能的，李等[15]对于这种空间曝气策略做了进一步的优化，设计了一种两极反应器，非曝气池是较大高径比的反应器，实际运行中存在缺氧和厌氧两种环境，并在两极反应器中创造泥水的同步交替循环，以此实现了脱氮除磷。系统中有利用复杂碳源进行反硝化的菌属，也有自养反硝化细菌，此外还有3种除磷相关功能菌，这表明多种曝气条件交替循环下的反应器给多种功能菌属的聚集提供了良好的环境，提高了脱氮除磷性能。COD、TN和TP平均去除率分别为90.39%，83.6%和80.43%。

1.3 进水策略

传统的进水策略是快速进水后曝气方式，最早由Beun等[16-17]采用这种方式培养出了好氧颗粒污泥。进水时间较短使得好氧段充分曝气，利于COD和TN的去除。但缺点是COD被迅速吸收利用后容易滋生丝状菌，随后有学者[18-19]提出了厌氧慢速进水再曝气，将慢速进水时间设置为60 min后，使GAOs和PAOs将外碳源储存在细胞内部，随后在曝气阶段利用内碳源进行反硝化和除磷，与快速进水相比，其普通异养菌无法获得大量外碳源，从而使竞争碳源能力较弱的PAOs和GAOs获得更多碳源[20]，这也增强了好氧颗粒污泥的脱氮除磷效率，此外田等[21]也建立了三组SBR，分别采用快速进水、推流进水和厌氧慢速进水三种方式进行对比，结果表明厌氧慢速进水方式下TN的去除率在90%，TP去除率为80%。在进行了诸多慢速进水研究后，Li等[22]提出一种新型的梯度进水方式，以变速进水速率向污泥提供外碳源，在慢速进水前施加短时间的快速进水，研究表明创造了一种非平衡的生长条件，提高了微生物的内碳源存储响应，脱氮效率达到81.27%，TP去除率在95%以上。

1.4 构型优化策略

Castellanos等[23]构建了一种新型导流挡板反应器，以实现连续流动工艺的运行，颗粒在流经多个反应室后在周期性饥饿条件下运行，结果表明能有效地促进COD和TN的去除。此外Li等[24]提出一种SBR-CF系统为了保持连续进出水的水力工况下创造饱食/饥饿生物选择压，该系统由四个相同的SBR反应器直接连接组成一种新型的连续流，结果表明在高曝气强度下可展现较好的TN去除能力，但TP去除能力较差。同样的Li等[25]创造一种两极连续流反应器，通过创造厌氧好氧的循环过程来提高系统的稳定性从而提高脱氮除磷性能。而Zou等[26]则为了创造与沉降时间相关的选择压力，设计了带有两区沉淀池(CFR-TST)的连续流动反应器来评估好氧颗粒污泥的形成与运行。研究表明出水COD和NH4+-N的浓度相对较低。以上研究说明对于连续流来说，构型优的策略极为重要。

此外，Yu等[27]成功设计了一种新的AGS操作策略，通过单独的水解-酸化预处理，获得了良好的的污染物去除效果，出水COD、NH4+-N、TN和TP浓度低至38.0，0.10，13.7，0.41 mg/L。研究认为预处理提高了厌氧阶段的COD储存和磷释放，改善了SND过程，以及曝气阶段的磷吸收。这也说明，在连续流中，想要实现颗粒污泥的高效脱氮除磷，增加预处理的方式也是可行的。

1.5 微生物筛选策略

1.5.1 高效脱氮 脱氮需要好氧和厌氧条件来进行氨氧化、硝化和反硝化。颗粒的粒径大小会导致不同的氧化还原环境存在，因此即使在单一曝气环境下也可以进行脱氮[28]。根据Nancharaiah等[29]的研究，由于好氧和缺氧区域的共存，SND只可能存在于较大尺寸颗粒中。Zhu等[30-32]提高氮去除率的一种策略是通过在好氧阶段之后立即引入缺氧阶段来引入硝化和反硝化(AND)的交替，以此筛选出更多的反硝化细菌以提高脱氮效率。尽管AND已被证明比SND更有效，但在缺氧阶段无法利用COD进行释磷对系统来说是一个问题[32]。而在Li等[15，25]研究的交替厌氧/好氧反应器中，同样是通过交替的硝化反硝化，但是由于较大的高径，导致不同溶解氧浓度的区域同时存在，并且在独立的厌氧区存在了分层环境，使得反硝化与磷的释放同时存在，实现了同步脱氮除磷。有以乙酸为碳源进行反硝化的菌属，有利用硫基进行自养反硝化的菌属，也有利用铁进行自养反硝化的菌属，也有利用复杂有机碳源进行反硝化的菌属。研究表明是在较大的高径比反应器中存在多种的溶解氧梯度环境从而造成了微生物多样性的大幅升高，这也说明传统意义上严格的单一厌氧/缺氧/好氧环境不一定是微生物唯一的生长环境，多种环境共存反而筛选出了多种反硝化细菌进而提高了脱氮效率。

此外，多种脱氮路径也被认为是提高脱氮效率的一种方法，有研究[33]报道了通过亚硝酸盐去除氨氮。在该途径中，氨氮被氨氧化细菌(AOB)氧化成亚硝酸盐，同时通过保持低溶解氧和较短的污泥停留时间来去除亚硝酸盐。此外在Li等[11]研究的自循环ACFR反应器的颗粒污泥中存在厌氧氨氧化菌属，通过微生物测序分析，系统中的氮可以通过厌氧氨氧化途径以及短程反硝化除磷的新兴途径去除，这被认为是在反应器的长期运行中，多种不同溶解氧区域的同时存在以及调控水力停留时间、溶解氧浓度、回流速率等多个参数才发生了这样的现象。

此外，李冬等[34]研究发现可以通过梯度进水的方式和延长厌氧时间筛选出了多种功能菌，使得SND和DPAOS同时发生，提高了脱氮除磷效率。随后，有最新的研究发现，Li等[15，25]通过连续流的周期实验证明利用胞外聚合物产生的可溶性微生物副产物作为电子进行高水平脱氮方式是可行的，这个研究提出在周期内长时间的饥饿以及交替的缺氧/好氧环境同时存在时可能才会出现这种脱氮形式，所以这说明在创造周期性的外部微环境的同时还应同时存在周期性的饱食饥饿才能实现这样的效果。以上的研究均说明在适宜的、多种调控策略下可获得稳定高效的脱氮效率。

1.5.2 高效除磷 为了提高污水处理厂中的磷去除率，有研究[29，35]证明反硝化聚磷菌在硝酸盐和亚硝酸盐存在的情况下可以去除磷，并且具有节省碳源和降低污泥产量等优点[36]。

此外，最近的研究表明，AGS的EPS基质在生物P和N去除过程中起着重要作用[39-40]。在从AGS提取的EPS中观察到大量的P、K+、Mg2+和Ca2+等阳离子。超过30%的TP在PAO的胞外聚合物中被去除[41]。这些研究强调了胞外聚合物在除磷过程中的作用。接下来有必要进行进一步的研究来深入这些观察结果，并深入了解胞外聚合物中聚磷酸盐的出现过程以及调控的方向。

此外，Li等[24]创造了一种SBR-CF系统，研究发现，如Saprospiraceae菌属同时被归类为GAOs和PAOs，当P浓度相对较低时，PAOs有可能摄取污水中碳源并以PHA(polyhydroxyalkanoates)形式储存，此时微生物以糖原为首要能源[一般情况下PAOs降解Poly-P、摄取污水中碳源、合成PHA的过程是以ATP(Adenosine TriPhosphate)为首要能量来源]，即PAOs以GAOs的形式利用糖原达到PHA的合成。所以通过筛选相关功能菌可以使得系统中出现PAOs的营养物利用模式可以在PAOs及GAOs之间进行切换的现象，以提高系统的除磷能力。

无论是在SBR或者连续流中，好氧颗粒污泥受到不稳定的影响也会间歇影响脱氮除磷效率，故需要研究长期的颗粒稳定性是很重要的。AGS的稳定性受多种因素影响：不仅与SBR的选择性使用有关，还与微生物群落的多样性有关结构、微生物代谢、EPS、氧传质、pH和温度有关[42-43]。

2.1 丝状菌调控

其中丝状过度生长通常被认为是颗粒污泥工艺失败的原因，因为松散的颗粒会导致生物质的损失，进而导致系统崩溃[29]。而pH是影响丝状细菌生长的主要因素，微生物分析表明pH值可控制颗粒中的微生物种群。研究表明，在酸性pH值下，导致菌类过度生长。因此维持系统的碱性条件是抑制丝状过度生长和保持颗粒稳定性的有效方法。同时底物扩散受限和剪切力破坏也是颗粒崩解的主要原因[44]。

2.2 颗粒粒径

颗粒粒径增加同时也会影响AGS的不稳定性，这是因为在粒径较大的颗粒中心，底物的传质是有限的，这会导致生物活性发生变化，进而削弱颗粒强度[45]。

2.3 微生物多样性

同时也有研究发现颗粒污泥中细菌的多样性有助于提高生态系统的稳定性[46]。因此，AGS系统中生物群落的多样性意义重大，有助于促进污水中化学污染物和有机物的分解，改善水质，同时还能增强颗粒微生态系统的稳定性。

2.4 污泥龄

另外还有文献报道，在短污泥龄条件下，活性污泥在SBR中具有高度的多样性[47]。虽然微生物的多样性有利于AGS的稳定性，但较短的污泥龄也与好氧颗粒污泥的稳定性密切相关。此外，污泥龄还可以影响EPS含量，从而对颗粒稳定性产生影响。因此，污泥龄是影响AGS稳定性的重要因素。

2.5 溶解氧浓度

反应器中溶解氧的浓度不仅影响好氧絮凝过程中细胞的新陈代谢，还影响絮体的结构。研究人员发现，长时间曝气很可能导致AGS结构松散，即过长的运行周期不利于AGS的稳定性。这可能是由于颗粒核心中没有可用的溶解氧，颗粒污泥开始从内部崩解而失去稳定性[48]。

2.6 饱食饥饿条件

Li等[24-25]指出，饱食/饥饿交替对于维持连续流AGS稳定性至关重要。研究结果表明，在阶段Ⅰ，饥荒条件没有尽可能地交替，颗粒的结构开始被破坏并导致了颗粒的不稳定性，在阶段Ⅱ，好氧颗粒污泥的稳定性普遍提高，因为间歇性的进水创造了饱食和饥饿条件的交替。

通过上面论述可知，脱氮除磷过程中存在一个矛盾，即硝化菌的生长需要一个好氧的环境，反硝化菌的生长需要一个缺氧的环境，而聚磷菌需要好氧、厌氧的交替环境。现阶段的研究将颗粒污泥工艺划分为不同的反应段，使功能菌同时获得更适宜的生长环境。基于这种理念，提高颗粒污泥脱氮除磷被分成两种曝气策略，一种是时间曝气策略，另一种是空间曝气策略。对于时间曝气策略来说，改善曝气方式和调节溶解氧浓度是有效且易于实施的技术，而在实际工程中应用时，由于一些曝气方式的复杂性(如梯度曝气)同时这些方法需要与其他间接调控策略相结合，会加大控制的复杂性和实际效果的不确定性。而通过调控空间曝气策略被认为是更有效的，但是这需要改变反应器的形状并且创造不同溶解氧区域的交替循环，该方法的主要挑战在于寻找最理想的构造参数，需要考虑经济成本、资源可用性以及对造粒和颗粒稳定性的实际操作效果，但同时也是易于实施的技术，从考虑经济成本以及资源可用性来讲是可行的。

提高脱氮除磷的有效方法是创造适宜的环境，这不仅可以提高反硝化速率，同时还有利于富集不同功能菌增加不同脱氮路径来实现脱氮性能的提高，新型的脱氮有反硝化除磷、厌氧氨氧化、短程硝化反硝化路径，同时也有研究表明利用SMP脱氮也是可行的，这主要是交替硝化反硝化的环境提供的，但是想要达到良好的脱氮除磷性能需要多种策略综合调控才能实现，有必要进行进一步的研究来扩展这些研究结果，并深入了解多种脱氮除磷路径共存的苛刻条件，这不仅适用于SBR系统，在连续流中同样可用。

根据以上综述，笔者发现，一些前沿的调控策略，例如梯度进水，是以非固定的进水速率向微生物提供外碳源，在慢速进水前施加短时间的快速进水，从而创造非平衡生长条件以提高颗粒污泥微生物的内碳源存储响应。再比如交替硝化反硝化策略，研究发现存在多种脱氮路径，虽然作者在文中并未提到，但是笔者更深层次的认为，在各个反应池中并非是单一的缺氧、厌氧或者是好氧环境，这种能提高脱氮除磷策略的原因是创造了一种非稳态的系统打破了传统认知意义水平上的微生物所需的单一溶解氧环境，也就是说，无论是改变单一的进水条件或者是改变不同的溶解氧浓度的生存环境都可以激发系统中微生物的活性以及促进微生物多样性，原因可能就是好氧颗粒污泥中微生物种类繁多，在创造复杂的非稳态的一种环境下更有利于其生长。但同时也许保证这种非稳态的环境在相对于时间周期来说是稳定的一成不变的，这也可以较为稳定的筛选其中更多的功能菌群。综上，笔者认为，创造传统意义的单一缺氧/厌氧/好氧环境或者单纯的交替条件或许不再是对于好氧颗粒污泥提高脱氮除磷性能的唯一研究方向。从系统的非稳态角度思考如何提高好氧颗粒污泥的稳定性以及活性，这可以为日后的研究提供一个思路。

现阶段国内对于连续流AGS培养和细菌接种尚未大规模使用，AGS资源稀缺。因此，在连续流中培养好氧颗粒污泥是有些困难的，该工艺要求高，缓慢生长的功能性微生物的筛选和富集与培养条件密切相关，但是通过接种成熟的颗粒污泥至连续流中运行是可行的，故在连续流系统中运用成熟的颗粒污泥进行相关策略调控以提高脱氮除磷性能可能是未来的研究方向，现阶段对于连续流提高脱氮除磷性能相关研究还较少，因为要首先保证连续流系统的颗粒稳定性，现在已有部分相关研究是将SBR优化的策略想办法引入到连续流中，例如优化的间歇曝气策略，但同时如梯度曝气、梯度进水等的一些“梯度”优化策略，以及交替曝气、交替长短HRT等的一些“交替”优化策略或许可以引入到连续流中为改善颗粒稳定性和脱氮除磷新路径提供新的可能性。

(1)首先综述了近年来在提高AGS脱氮除磷方面策略调控的研究进展，并从技术可操作性和实际应用可行性角度分析各种策略应用的可能。多种策略的组合对于提高颗粒的脱氮除磷性能有很大的好处，包括曝气策略、进水策略以及微生物筛选策略，在提高脱氮除磷性能的同时应注意保持颗粒的稳定性。

(2)随后，从微生物策略总结，污泥在适宜的环境下不仅有助于提高功能菌的活性，更有可能提供颗粒污泥多种脱氮除磷路径以提高性能。

(3)此外，应该打破现有的微生物生存环境认知，研究非稳态系统对于好氧颗粒污泥性能的影响，这为日后好氧颗粒污泥的研究提供了方向。

(4)最后，将SBR中证实有效的“梯度”策略调控研究引用到连续流系统中给提高连续流好氧颗粒污泥的脱氮除磷性能提供了一种新的研究方向。

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