好氧颗粒污泥（AGS）是指在一定水力剪切力的作用下，微生物自身固定化形成的聚集体，是一种无需载体的特殊生物膜。AGS沿传质方向分为好氧层、缺氧层和厌氧层，这种多层结构使得不同功能微生物都有合适的生长环境，可以在同一反应器内进行脱氮除磷。AGS技术相较于传统的絮状活性污泥技术具有更强的生化处理效率和更好的污泥沉降速度，可以大幅度降低生化反应时间并提高二沉池的表面负荷，从而大大降低生化系统用地需求和建设成本。

目前，市政污水厂常用的处理技术可分为序批式反应器和连续流反应器。但是序批式反应器处理能力较弱，难以满足大型污水厂的处理需求。因此，国内市政污水厂仍以连续流反应器为主，而对于AGS的研究主要集中于序批式反应器。针对连续流反应器，有学者采用双区沉淀池工艺，利用颗粒污泥的优势沉降性能对其进行筛分，成功培养出AGS；另有学者根据粒径大小，使用筛网对污泥进行筛分，将AGS与普通活性污泥分离，在反应器内也成功实现了污泥颗粒化。Yu等在实际市政污水处理厂中进行中试和工程化应用，通过在好氧池内部增设分离器的方式增强选择压，成功实现了进水量为25000m3/d的生产性应用。上述研究表明，连续流AGS技术已经从实验室探索阶段走向实际工程应用阶段，主要依靠创造选择压条件来实现污泥颗粒化。

鉴于此，笔者在A2O工艺基础上进行综合研究，以创造选择压条件作为污泥颗粒化实现方式，开发出一种有别于已有方式的连续流AGS污水处理工艺，考察了该系统AGS的形成过程和除污效能，并对菌群结构进行解析，探讨反应器的脱氮原理，旨在为该技术应用于新建污水处理厂或现有污水处理厂的升级改造提供参考。

1、材料与方法

1.1 试验用水

苏州市某市政污水处理厂（以下称对照污水厂）设计处理能力为10000m3/d，出水水质需要符合《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/1072—2018）。该污水处理厂生化系统采用改良型A2O工艺，预缺氧池、厌氧池、缺氧池、好氧池的HRT分别为1.0、1.8、3.3、9.0h，生化池合计HRT为15.1h。生化进水同步投加50~60mg/L的乙酸钠溶液作为外加碳源。3月初对曝气沉砂池出水（未投乙酸钠之前）进行了15d每天1次的取样分析，其COD浓度为90~150mg/L、NH4+-N浓度为25~35mg/L、TN浓度为25~42mg/L、TP浓度为1.0~1.8mg/L。

参照该污水厂曝气沉砂池出水污染物浓度配制模拟污水，1m3模拟污水营养物配方如下：40g全脂奶粉和牛肉膏，提供C、N、P及微量元素；乙酸钠、面粉、蔗糖各40g，提供碳源；100g碳酸氢铵和20g氯化铵，提供氮源和碱度；5g磷酸二氢钾，提供磷源；1L微量元素液，模拟实际生活污水中微量元素。模拟污水的COD、NH4+-N、TN、TP浓度分别为（130±25）、（30±5）、（35±5）、（1.8±0.3）mg/L。

1.2 试验装置

试验装置如图1所示。

该装置由三个主要系统构成：主体生化系统，包括厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀器等，除反应器外还有配套的硝化液回流系统、污泥外回流系统、鼓风曝气机、搅拌器等；颗粒化系统，主要包括淘洗泵、淘洗器、自动排泥阀和过滤器；铁盐投加系统。主体生化系统与传统的A2O污水处理工艺一致，另外增加了颗粒化系统和铁盐投加系统。

在颗粒化系统中，将一定比例的混合液经淘洗泵提升后进入淘洗器，在淘洗器内进行重质污泥（粒径较大且沉降性能较好的污泥）和轻质污泥（粒径较小且沉降性能较差的污泥）分离；在污泥颗粒化培养过程中通过控制淘洗泵的流量来控制选择压强度，如加大淘洗泵的流量来增大选择压，从而促进污泥颗粒化的逐步形成；排泥阀根据时间设定将重质污泥回流到主体生化系统；轻质污泥随着淘洗器的出水流入过滤器，在滤袋的过滤下污泥被截留，通过更换滤袋被淘汰出系统，污水流回主体生化系统。

在铁盐投加系统中，以分析纯FeSO4·7H2O和自来水为原料，按照1∶9（质量比）配制FeSO4溶液，与污水同步加入厌氧池，投加量为20mg/L（以Fe计）。

试验装置总高度为700mm，沉淀器出水堰高度为570mm，各部分水深为570~600mm。厌氧池有效容积为45L、缺氧池有效容积为108L、好氧池有效容积为180L（其中沉淀器约占60L），试验装置总有效容积为333L。

1.3 接种污泥

取该污水厂好氧池末端污泥进行分析，污泥混合液悬浮固体浓度（MLSS）为3242mg/L，污泥混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为1786mg/L，30min污泥沉降比（SV30）为34%，30min污泥体积指数（SVI30）为105mL/g，可见该污泥形态良好。

从污水厂的好氧池末端取回浓缩污泥，立即投入到试验装置内，添加模拟污水至设计液位，并启动装置，24h后测量各级反应器的污泥浓度，其中厌氧池为1638mg/L，缺氧池为3126mg/L，好氧池为3574mg/L。

1.4 分析项目及检测方法

COD、TP、NH4+-N、TN、MLSS、5min污泥体积指数（SVI5）和SVI30均按国家标准方法测定。每2d取样测量（启动阶段和过渡阶段每天对出水分析1次）。采用光学显微镜对试验装置内污泥进行镜检。采用美国麦奇克公司S-3500激光粒度仪对污泥粒径进行测定。收集培养初期（第3天）和末期（第90天）的污泥样本，经冷冻保存后交由上海派诺森微生物检测公司进行16SrRNA基因高通量测序。

1.5 试验阶段划分

在投入污泥启动试验装置后，首先进行一段时间的污泥驯化，待试验出水各主要水质指标均达到《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/1072—2018）并稳定运行2d后认为装置启动完成。根据进水量将启动之后的试验分为三个阶段，见表1。

2、结果与讨论

2.1 颗粒化进程

图2为好氧池内不同阶段的污泥形态。由图2（a）可以看出，在启动阶段（第2天），污泥呈絮状，有少量颗粒，粒径基本小于50μm。图2（b）是阶段一末期（第31天）的污泥形态，仍旧以絮状污泥为主，但是出现一定量的颗粒，颗粒轮廓不规则。图2（c）是阶段二末期（第61天）的污泥形态，污泥量明显增多，颗粒数量进一步增加，开始出现较为致密的规则颗粒，同时有少量粒径在200μm以上的颗粒出现。图2（d）是阶段三末期（第92天）的污泥形态，污泥颗粒化程度较高，显微镜下粒径在200μm以上的大颗粒数量明显增多。

好氧池中污泥粒径分布如图3所示。可以发现，随着颗粒化系统的持续工作，试验装置内轻质污泥逐渐被淘洗出系统，主系统内逐渐出现颗粒污泥，并且污泥颗粒化程度逐渐升高。接种时粒径小于50μm的絮状污泥占64.7%，到阶段三末期时絮状污泥占比下降到6.5%。培养过程中粒径大于200μm的大颗粒污泥占比增加，由接种时的2.2%上升至阶段三培养末期时的58.2%。污泥粒径分布变化表明，经过90d培养以后，试验装置内污泥颗粒化效果显著。

启动阶段好氧池污泥浓度为3874mg/L，在阶段一内随着轻质污泥被淘洗出去，污泥浓度逐渐降低，至阶段一末期（第31天），好氧池污泥浓度为2865mg/L。在阶段一内除了淘洗和取样分析排出一定污泥外，没有其他剩余污泥排放。阶段二开始后观察到污泥浓度逐渐升高，至阶段二末期（第61天），好氧池污泥浓度为4246mg/L。在阶段二的后10d，每天从好氧池排出10L混合液，好氧池内污泥浓度维持在（4000±250）mg/L以内。阶段三开始后观察到污泥浓度进一步升高，10d后每天从好氧池排出12L混合液，好氧池内污泥浓度维持在（4500±300）mg/L以内。在阶段三末期（第92天）测得污泥浓度为4582mg/L，其中SVI5=74.21mL/g，SVI30=43.65mL/g，SVI30/SVI5=0.59，说明试验装置内污泥沉降性能良好。

2.2 处理效果分析

2.2.1 污染物去除情况

在污泥培养各阶段的稳定期，试验装置出水COD浓度均不超过30mg/L、NH4+-N浓度不超过0.8mg/L、TN浓度不超过9mg/L、TP浓度不超过0.3mg/L，均能达到出水标准要求。COD去除效果：实验室模拟进水COD浓度为（130±25）mg/L，出水最终稳定在25~30mg/L，稳定期去除率为78%~84%；脱氮效果：模拟进水NH4+-N浓度为（30±5）mg/L，出水最终稳定在0.2~0.4mg/L，进水TN为（35±5）mg/L，出水稳定在6~9mg/L，稳定期氨氮去除率在95%以上，总氮去除率为75%~80%；除磷效果：整体反应过程中进水TP保持在（1.8±0.3）mg/L，出水为0.1~0.3mg/L，TP去除率均在80%以上。另外，阶段二负荷提高2d后出水COD、NH4+-N、TP满足设计要求，TN在3d后满足要求；阶段三负荷进一步提高2d后所有指标均能达到设计出水要求。由镜检结果可知，15d后大量的细小污泥聚集体逐渐形成并成为污泥的主要存在形态。随着试验的进行污泥颗粒化程度不断提高，形成的AGS具有更强的抗冲击负荷能力。

2.2.2 污染物去除过程分析

①脱氮过程

为研究AGS的脱氮规律，对各级反应器进行脱氮作用分析。本试验装置氮元素分析模型如图4所示（忽略投加铁盐和重质污泥回流所引起的流量变化）。厌氧池进水TN为Q·N0+1.2Q·N3，出水TN为2.2Q·N1；缺氧池进水TN为2.2Q·N1+2Q·N3，出水TN为4.2Q·N2；好氧池进水TN为4.2Q·N2，总出水TN为4.2Q·N3。

在试验第3、27、59、91天分别取各级反应器的出水进行TN检测，计算每一级反应器TN去除量在总去除量中的占比，结果见图5。可知，在培养初期（第3天），脱氮作用主要发生在缺氧池，去除比例占82%，好氧池脱氮效果占6%。随着培养过程的进行，脱氮场所发生变化，缺氧池脱氮占比下降，好氧池占比升高。培养到第91天，缺氧池占比降至59%，好氧池占比升至29%。已有研究表明，颗粒污泥具有内外分层结构，在好氧池内能发挥同步硝化反硝化脱氮作用，这一特性在本试验中得以体现。

②除磷过程

在生活污水处理过程中除磷方式主要为生物除磷和化学除磷。本试验采用在生化反应的同时投加除磷药剂（FeSO4·7H2O）来实现同步化学除磷。此外Fe2+可以中和污泥表面的负电荷，增强污泥聚集性，对污泥的颗粒化进程起到促进作用，有利于AGS的成型。与脱氮过程分析类似，在试验第3、27、59、91天分别取各级反应器的出水进行TP检测，计算每一级反应器TP去除量在总去除量中的占比，结果如图6所示。可以看出，厌氧池对TP去除也有一定贡献，这表明由于在厌氧池进水的同时投加了铁盐，生物释磷作用受到抑制。因此，本工艺主要是靠同步化学除磷实现对磷的去除，稳定期的去除率可达到80%以上。

2.2.3 试验装置与对照污水厂处理效果对比

试验装置与对照污水厂A2O工艺的运行参数和出水效果见表2。可以看出，与对照污水厂的生化工艺相比，基于A2O工艺形式的连续流AGS污水处理工艺的处理效率更高且效果更好。

2.3 污泥菌群结构分析

2.3.1 门水平

好氧池内细菌群落组成在门水平上的相对丰度如图7所示。可以看出，在培养初期，最主要的菌门（相对丰度≥1%）为变形菌门（Proteobacteria，61.73%），其余相对丰度较高的菌门为拟杆菌门（Bacteroidota，6.69%）、蛭弧菌门（Bdellovibrionota，6.64%）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota，5.84%）、厚壁菌门（Firmicutes，4.76%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，2.97%）。

在培养末期最主要的菌门为Proteobacteria（62.50%）和Bacteroidota（19.23%），其余相对丰度大于1%的菌门包括Gemmatimonadota（1.57%）、浮霉菌门（Planctomycetota，3.02%）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota，2.52%）、放线菌门（Actinobacteriota，2.23%）、黏菌门（Myxococcota，2.08%）和疣微菌门（Verrucomicrobiota，1.23%）。

综合对比发现，在相对丰度发生变化的菌门中，Bacteroidota和Actinobacteriota的相对丰度增加较为明显，Bacteroidota由6.69%增加至19.23%，Actinobacteriota为培养后期新出现的优势菌种。两种菌门的主要功能是降解糖类等大分子有机物。由于试验装置中有多种污染物需要处理，因此，相应菌门数量增加，如Planctomycetota从1.90%增加至3.02%，其主要功能是进行厌氧氨氧化。菌门相对丰度的变化表明，试验装置内污泥微生物群落结构针对不同的环境发生了适应性变化。

2.3.2 属水平

好氧池内细菌群落组成在属水平上的相对丰度如图8所示。可以看出，培养初期动胶菌属（Zoogloea，12.28%）相对丰度最高，其主要作用是分泌以多糖为主的大分子物质组成胞外聚合物（EPS），从而加速菌胶团的成型。培养末期，Zoogloea相对丰度减少，根据镜检结果中逐渐减少的絮状污泥推测，AGS在大量成型后结构更稳定，菌胶团形成速率低于絮状污泥阶段。

在两个阶段最多的20个属中，培养末期的陶厄氏菌（Thauera）、OLB12和硝化螺旋菌属（Nitrospira）三种与脱氮有关的属总相对丰度为36%，远高于培养初期中相关菌属丰度，其中Thauera的主要功能是降解有机芳烃和反硝化作用；OLB12菌属主要富集于硝化污泥中，与脱氮过程有关；Nitrospira则主要是亚硝酸盐氧化菌。三种脱氮菌属在培养末期的丰度均显著高于培养初期，表明好氧池内脱氮微生物数量增加。同时在颗粒化进程中，好氧池内反硝化功能菌Thauera丰度的大幅增加证明了AGS的形成会促进好氧池中的反硝化脱氮过程。而传统的A2O工艺中反硝化脱氮主要集中于缺氧池，这也是试验装置脱氮效果更强的原因。

2.4 工艺特点

综合AGS颗粒化进程、污水处理效果和微生物群落分析，本工艺具有以下4个特点：

①污泥颗粒化效果良好，颗粒化系统增强了试验装置内对污泥的沉降选择压，可筛分出沉降性能不佳的轻质污泥，促进污泥颗粒化进程；

②颗粒化后污泥微生物相丰富，对大分子和颗粒性有机物有较强的水解作用，可以充分利用进水中的碳源；

③形成的AGS粒径较大，由内到外有多层结构，核内是厌氧/缺氧层，表面是好氧层，不仅在缺氧池内能起到反硝化脱氮作用，在好氧池内仍能发挥同步硝化反硝化脱氮作用，装置整体脱氮效果较好；

④在生化反应过程中同步投加FeSO4·7H2O作为除磷药剂，一方面可强化除磷作用，另一方面有利于污泥颗粒的聚集，加快颗粒化进程，并保持颗粒的长期稳定性。

3、结论

①设计了一种连续流AGS污水生化处理工艺，其在A2O工艺基础上增加颗粒化系统和铁盐投加系统，创造基于沉降选择压的AGS形成和长期稳定性条件。经过三个多月的模拟生活污水试验验证，污泥颗粒化效果良好，试验末期大于200μm的颗粒占58.2%，SVI30为43.65mL/g。

②与对照污水厂相比，试验装置脱氮除磷效果更好，处理负荷提高了近一倍，AGS工艺的高效性得到了充分体现。好氧池发生同步硝化反硝化脱氮作用，好氧池对TN的去除贡献率占29%。投加铁盐会抑制生物释磷作用，装置主要靠同步化学除磷作用实现对磷的良好去除，稳定期TP去除率在80%以上。

③连续流AGS污水处理工艺实现简单，可以达到较高的污泥颗粒化程度，污染物去除效果良好，可为新建污水处理厂或现有污水处理厂的提标或扩能改造提供借鉴。