談及污水處理界的創(chuàng)新技術(shù)， 必然少不了好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge，簡稱AGS）。它是近幾年里曝光率最高的明星工藝之一。好氧顆粒污泥(AGS)是在特定環(huán)境條件下微生物之間自發(fā)形成的顆粒狀生物聚合體，粒徑大于0.2mm，小的顆粒介于0.2-1mm之間，大的顆粒可達(dá)3mm。它是一種生物膜的特殊存在形式。
　　這種技術(shù)跟傳統(tǒng)活性污泥方法相比，其特點(diǎn)是沉降性能更出色，完全由生物質(zhì)組成，無需支撐載體，污泥濃度高，無污泥膨脹。理論上每一顆顆粒污泥就是一個微型的生物反應(yīng)器，其構(gòu)造使其能在一個微小顆粒實(shí)現(xiàn)去除COD 和脫氮除磷，因而能實(shí)踐曝氣和沉淀在同一反應(yīng)池完成的操作理念，能耗更低而且無需投加化學(xué)藥劑，并且占地更小，降低了建造和運(yùn)行成本。
　　
　　圖1. 顆粒污泥(左)和絮狀污泥(右)顯微鏡圖對比
　　在好氧顆粒污泥工藝(AGS)里，反應(yīng)器一般以SBR的形式設(shè)計(jì)，顆粒污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是分為好氧和厭氧/缺氧層的，所以脫氮除磷和COD的去除是同時進(jìn)行的。另外，顆粒污泥反應(yīng)器可以在更高的生物質(zhì)濃度下運(yùn)行，提高了負(fù)荷率，又能維持較長的SRT來完成穩(wěn)定的硝化反應(yīng)，防止亞硝酸鹽的積累而產(chǎn)生毒性。如果設(shè)計(jì)運(yùn)行得當(dāng)，好氧顆粒污泥系統(tǒng)能在低DO值下運(yùn)行，從而減少能耗。
　　雖然當(dāng)前的文獻(xiàn)顯示厭氧進(jìn)料并不是必要條件，但它是形成好氧顆粒污泥的關(guān)鍵一步。目前最常見的好氧顆粒污泥工藝(AGS)都是自帶生物強(qiáng)化除磷(EBPR)和硝化/反硝化能力的。研究污水處理的專家感到好奇的是：是因?yàn)槲勰嘟Y(jié)構(gòu)造就了AGS的EBPR能力呢？還是除磷菌促進(jìn)了顆粒污泥的形成？EBPR和AGS之間究竟存在什么關(guān)聯(lián)呢？這個問題價值連城。因?yàn)槿绻壳暗奈鬯畯S仍以傳統(tǒng)活性污泥法為主，如果這些污水廠能改造培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，將意味著無需新增占地的情況下，大大提高污水廠的處理能力。
　　美國華盛頓大學(xué)和香港理工大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)調(diào)查了13座含有EBPR工藝和4座沒有EBPR工藝的活性污泥法污水廠，對其污泥樣品進(jìn)行分析，內(nèi)容包括顆粒/絮狀污泥的比例、相對大小以及微生物群落組成。目的是要考察：
　　是否能在連續(xù)進(jìn)水且低SVI值的生物強(qiáng)化除磷EBPR污水廠里找到顆粒污泥？
　　顆粒污泥是否和PAOs/GAOs菌的豐度有關(guān)聯(lián)性？
　　采樣方法
　　研究團(tuán)隊(duì)從13座EBPR污水廠收集曝氣池出口的混合液體樣品，然后連夜冷凍運(yùn)至華盛頓大學(xué)。他們還對其中三座污水廠進(jìn)行第二次樣品的采集。所有污水廠都會提供工藝流程圖、運(yùn)行條件和進(jìn)出水的數(shù)據(jù)信息。13座污水廠的水樣參數(shù)如下表所示。
　　
　　表1. 13座EPBR污水廠的參數(shù)概況。JHB指約翰內(nèi)斯堡工藝，指回流污泥先進(jìn)入缺氧區(qū)再進(jìn)入第一個厭氧區(qū)；Cashmere, Crooked Creek, Henderson East & West沒有初級處理；Idaho Falls會接收麥芽廠的污水；Cashmere會接收水果加工廠的污水；Ballenger McKinney位于馬里蘭州，工藝是MBR，接收甘油作為額外碳源
　　其他數(shù)據(jù)他們通過實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，例如TSS、VSS以及SVI5和SVI30。顆粒污泥百分比通過對混合液過篩來測定，篩網(wǎng)孔徑為212μm。其次他們會用顯微鏡辨認(rèn)顆粒污泥和惰性雜質(zhì)，用Neisser法染色辨認(rèn)PAOs菌。微生物群落分析方面，他們分別從顆粒污泥和絮狀污泥提取DNA，然后做量化PCR分析，從中獲取各種生物信息。
　　結(jié)果討論
　　結(jié)果顯示，13座EBPR污水廠里都發(fā)現(xiàn)了顆粒污泥。顆粒污泥比例在0.5%-80%之間，SVI30在39-209mL/g之間。另外4座非EBPR污水廠里，除了Pasco污水廠之外，其他3座沒有污泥顆粒。而Pasco污水廠的樣品顯示，SVI值和顆粒污泥比呈負(fù)相關(guān)，但沒有檢出PAOs菌。13座EBPR污水廠也有這情況。如下圖2所示SVI值更低的污水廠有更高的顆粒豐度。
　　傳統(tǒng)的連續(xù)式活性污泥工藝(CFAS)不是為了顆?；O(shè)計(jì)的，所以大部分顆粒粒徑小于0.5mm。因?yàn)轭w粒小，不明顯，此前人們往往忽略了它們。過去人們以為在CFAS污水廠看到的顆粒多為進(jìn)水的惰性顆粒物雜質(zhì)，之前的顯微鏡觀察主要針對絲狀菌，100倍的放大倍數(shù)是看不到顆粒污泥的，6-20倍的放大倍數(shù)更為合適。
　　
　　圖2. a.顆粒污泥比例和SVI值的相關(guān)分析; b.顆粒污泥比和SVI5/SVI30比值的相關(guān)分析
　　此外，他們發(fā)現(xiàn)顆粒豐度和缺氧/厭氧選擇器的設(shè)計(jì)有關(guān)。CFAS污水廠里的缺氧和厭氧區(qū)一般用于抑制好氧絲狀菌的生長。在AGS工藝?yán)铮瑓捬鯀^(qū)一般會有較高的F/M比，使得易降解的COD通過擴(kuò)散傳質(zhì)作用進(jìn)入顆粒內(nèi)部，同時也加速顆?；M(jìn)程，提高顆粒的穩(wěn)定性。雖然研究者沒有在13座EBPR污水廠看到F/M比和顆粒豐度的相關(guān)性，但F/M值最高的Henderson污水廠的顆粒豐度是最高的。因此，他們猜測含有以下特征的缺氧/厭氧池有助于顆粒污泥的形成：1. 高厭氧F/M比；2. 不攪拌發(fā)酵；3. 可溶COD比例高。
　　
　　圖3. 混合液樣品的立體顯微鏡圖像，6倍放大倍數(shù)，比例尺為500μm，a至h的顆粒比分別為80.2%、515.%、29.3%、17.4%、15%、5.6%、3.3%、0%。
　　生物群落分析顯示，Accumulibacter PAO菌和Competibacter GAO菌在顆粒污泥中的豐度高于絮狀物。他們的分析結(jié)果也印證了PAOs和GAOs菌這兩種生長緩慢的異養(yǎng)菌對生成顆粒的重要性。他們認(rèn)為下一步的研究工作是了解PAO/GAO在胞外聚合物(EPS)的釋出的作用。這將有助認(rèn)識如何在CFAS系統(tǒng)中生成好氧顆粒污泥。
　　研究價值
　　在西雅圖著名的探索公園旁邊，有一個叫West Point的污水廠。為了保護(hù)周圍的海洋生態(tài)環(huán)境，該污水廠在未來幾年將面臨更加嚴(yán)格的氮排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　圖4. West Point污水廠目前使用的還是傳統(tǒng)的活性污泥法工藝
　　如果還要沿用傳統(tǒng)的處理工藝，需要新增土地和運(yùn)行費(fèi)用。但大家可以看到，West Point污水廠周邊沒有空間擴(kuò)建了。因此，他們把目光投到了好氧顆粒污泥工藝身上。這篇文章的通訊作者、華盛頓大學(xué)的Mari Winkler教授就參與了West Point污水廠改造調(diào)研項(xiàng)目。這篇文章的結(jié)果也為West Point污水廠升級改造給予了信心。
　　另一位作者，也是來自華盛頓大學(xué)的David Stensel教授表示：“這是一種全新的工藝方案，之前沒有人將它用到升級改造項(xiàng)目中?！?他們認(rèn)為在傳統(tǒng)絮體處理系統(tǒng)中加入顆粒污泥是一種理想的結(jié)合。因?yàn)橄啾阮w粒污泥，絮體能更好地捕獲一些小型顆粒物，而顆粒污泥能用更小的占地面積完成脫氮除磷。去年9月他們已經(jīng)在West Point開始中試實(shí)驗(yàn)，合作方包括了美國公司Ovivo以及洛杉磯縣衛(wèi)生局。

　　圖5. Mari Winkler教授和他們團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的污泥
　　小結(jié)
　　這篇文章的研究顯示了傳統(tǒng)活性污泥污水廠中的顆粒污泥和強(qiáng)化生物除磷工藝之間的關(guān)聯(lián)性，通過選擇地保留緩慢生長的異養(yǎng)菌，或者能夠分泌EPS的微生物，都會促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。一方面這意味著增加好氧顆粒污泥的應(yīng)用范圍的潛力，另一方面也為現(xiàn)有的基于活性污泥法的污水廠的升級改造提供了全新的解決思路。
　　參考資料
　　Flocs in disguise? High granule abundance found in continuous-flow activated sludge treatment plants, Stephany P. Wei, H. David Stensel, Bao Nguyen Quoc, David A. Stahl, Xiaowu Huang, Po-Heng Lee, Mari-K.H. Winkler, Water Research 179 (2020) 115865