1、河南科技Henan Science and Technology化工与材料工程总第802期第8期2023年4月低C/N污水培养好氧颗粒污泥研究进展侯起航程知非李杰(兰州交通大学，甘肃兰州730070)摘要：【目的目的】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
2、，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）08-0077-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-
3、5168.2023.08.016Research Progress of Aerobic Granular Sludge Cultivated in Low C/NSewageHOU QihangCHENG ZhifeiLI Jie(Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)Abstract:Purposes In order to solve the problem that low C/N sewage is difficult to cultivate aerobicgranular sludge(AGS),the formatio
4、n 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 cultivat
5、ion process.Findings The process of cultivating AGS in lowC/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,shearforce,sludge age,temperature and cycle s
6、ettings,making granulation difficult.Subsequent productionneeds 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 tostandardize the industry system to provi
7、de a good environment for AGS technology.The cultivation ofAGS 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收稿日期：2023-01-30基金项目：地区科学基金项目“生物海绵铁体系中铁与
8、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。78第8期needs.In addition,by adopting the mode of co-processing,the introduction of industrial waste liquid canimprove water quality and reduce the difficulty of cultivation.Keywords:aerobic gran
9、ular sludge;low C/N sewage;influencing factors;engineering;carbon source allocation0引言好氧颗粒污泥（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
10、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
11、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
12、是 C/N8，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 0.30.5，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。1AGS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
13、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AGS12-13。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质；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，
14、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AGS15，17-20。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。侯起航，等.低C/N污水培养好氧颗粒污泥研究进展第8期791
15、.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
16、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。2AGS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
