談?wù)撐鬯幚斫绲募夹g(shù)創(chuàng)新，好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，簡稱AGS)是近幾年頗受關(guān)注的明星技術(shù)。與傳統(tǒng)活性污泥方法相比，好氧顆粒污泥有更好的沉降性能、更好的生物富集能力，以及更強(qiáng)的抗沖擊能力。每一顆好氧顆粒污泥都可以被稱作一個(gè)微型的污水處理廠，因?yàn)樵谝粋€(gè)微小顆粒就能實(shí)現(xiàn)去除COD 和脫氮除磷，無需支撐載體，污泥濃度高，無污泥膨脹，因而能實(shí)踐一池理念的操作，能耗更低而且無需投加化學(xué)藥劑，并且因?yàn)椴辉傩枰脸兀嫉匾鬁p少，可以降低建造和運(yùn)行成本。

圖. Utrecht污水廠 - 荷蘭國內(nèi)最大的AGS工程應(yīng)用 | 圖源：waterforum
雖然理論上好氧顆粒污泥有這么多優(yōu)點(diǎn)，但這項(xiàng)技術(shù)自20世紀(jì)90年代開始研發(fā)，歷經(jīng)二十多年，直到2012年才在荷蘭Epe污水廠建成首個(gè)全尺寸工程應(yīng)用。然而，對于很多人而言，如何“種”出好氧顆粒污泥，依然是個(gè)謎。最近，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)團(tuán)隊(duì)在國際水協(xié)會IWA的期刊《Water Research》上刊文，總結(jié)了好氧顆粒污泥形成的六個(gè)機(jī)理，并開發(fā)了相關(guān)數(shù)學(xué)模型框架，幫助同行加深對該工藝技術(shù)的認(rèn)識。在本期微信推送里，我們將為讀者們簡介他們的研究成果。
顆粒形成仍是謎？
自2012年Epe污水廠的好氧顆粒污泥工藝投產(chǎn)運(yùn)行之后，好氧顆粒污泥工藝在全球已經(jīng)積累了超過70個(gè)工程案例，主要由荷蘭的Royal haskoningDHV一家公司完成。但在學(xué)界，雖然有不少有關(guān)好氧顆粒污泥的形成機(jī)理的研究，但尚未有統(tǒng)一的共識。流體動力學(xué)剪切、基于沉降速度的物理選擇、污泥與進(jìn)水接觸過程的流態(tài)、溶解氧濃度、進(jìn)料/停料比、進(jìn)水成分、有機(jī)負(fù)載率，以及群體感應(yīng)(quorum sensing)和胞外聚合物(EPS)的聚集都是曾被研究的因素，但究竟哪些因素最為重要呢？ 它們有何相互作用，這些相互作用又如何影響工藝條件呢？顆粒污泥的生物膜形態(tài)模型框架，目前僅能解釋微觀尺度的顆粒穩(wěn)定性，無法闡明反應(yīng)器尺度的顆粒形成機(jī)制，而且這個(gè)框架也僅限于厭氧顆粒污泥，對好氧顆粒污泥并不適用。

圖. Utrecht污水廠的AGS反應(yīng)器啟動示例 | 圖源：Water Research
目前學(xué)界一般認(rèn)為，好氧顆粒污泥(AGS)反應(yīng)器可以用普通活性污泥接種，然后在適當(dāng)?shù)臈l件下，活性污泥最終會從絮狀發(fā)展成為顆粒態(tài)。盡管還沒能清楚解釋整個(gè)動態(tài)過程，但從工程實(shí)踐可知（見上圖），顆?；ǔＳ幸粋€(gè)延滯期(lag phase)。在延滯期內(nèi)，污泥主要是顆粒原型(prototyope)+絮狀污泥(flocs)為主，顆?；^程并不明顯(粒徑＜200μm)，但在啟動100多天后，反應(yīng)器的污泥開始進(jìn)入顆粒形成期(granulation phase)，小顆粒(＞200μm)的比例開始提升。在啟動200多天后，超過1000μm的顆粒會逐漸增多。
其中，延滯期階段以及顆?；蝗婚_始的觸發(fā)機(jī)制是目前尚不清楚的。本文的研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)出了六種出發(fā)顆粒化的重要機(jī)制：
1.微生物選擇
2.選擇性排泥
3.生物膜傳質(zhì)最大化
4.選擇性進(jìn)料（從底部進(jìn)料）
5.(非)顆粒形成底物
6.顆粒破裂

受篇幅所限，我們就不在此對上述六大機(jī)制展開細(xì)說?？傊?，研究團(tuán)隊(duì)對上述六種機(jī)制進(jìn)行敏感性分析，并評估了它們對顆?；呢暙I(xiàn)程度。
模型簡介
為了對上述機(jī)制做敏感性分析，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)綜合模型框架，該模型由四部分組成，包括：
1.描述反應(yīng)器中流動動力學(xué)的一維對流/擴(kuò)散模型
2.描述顆粒生長的基本轉(zhuǎn)化的反應(yīng)/擴(kuò)散模型
3.在沉降和進(jìn)料過程中跟蹤顆粒的沉降模型
4.種群模型：包含多達(dá)十萬個(gè)顆粒，用于模擬顆粒形成-破裂-重組過程的概率行為。

模型概述：1) 污水溶液的對流和擴(kuò)散；2) 穿透顆粒邊界層的傳質(zhì)作用；3) 一維徑向擴(kuò)散；4) GFS(顆粒形成底物)到PHA的轉(zhuǎn)換；5) 反應(yīng)器中的顆粒沉降 ; 6) 基于個(gè)體的模型；7) 顆粒破裂；8) 參照從 ASM2d模型的有機(jī)底物轉(zhuǎn)化為大顆粒造粒的過程。
本研究開發(fā)的模型是基于Royal haskoningDHV公司的Nereda?工藝的SBR反應(yīng)器的反應(yīng)步驟。一個(gè)典型的循環(huán)周期為6小時(shí)，包含60分鐘的厭氧進(jìn)料和潷水期、270分鐘的反應(yīng)時(shí)間，以及30分鐘的靜置和排泥時(shí)間。當(dāng)然這些只是參考值，具體時(shí)間可能因?qū)嶋H情況而異。下圖顯示了模型中不同的反應(yīng)過程在一個(gè)循環(huán)周期的分布情況。

分析結(jié)果
下邊的表格和圖片是這次建模的敏感性分析結(jié)果。


圖：不同條件下不同大小的顆粒的濃度和演變：A: 混合進(jìn)料, B: 15分鐘min, C: 30min 進(jìn)料, D: 無選擇性排泥, E: GFS僅100mg/L, F: 沒有選擇性進(jìn)料。
在這次敏感性分析中，研究團(tuán)隊(duì)搭建的模型對一個(gè)對照案例和6種不同的條件情景進(jìn)行模擬。其中對照案例的關(guān)鍵假設(shè)參數(shù)如下：水深6m的全尺寸反應(yīng)器(底部進(jìn)水)，接種污泥為100μm的絮狀污泥(2g/L)；起始選擇壓力為3m/h(流速)，并且逐步增加，直到污泥濃度達(dá)到3.0g/L為止(約6m/h)。反應(yīng)器一天完成4個(gè)循環(huán)周期，進(jìn)料時(shí)間60分鐘，進(jìn)水COD為500mg/L，其中200mg/L為顆粒形成底物(GFS)以及300mg/L的非顆粒形成底物。


圖. Utrecht污水廠實(shí)際啟動過程和模擬對照組的對比
總的來說，通過這此模擬分析，研究團(tuán)隊(duì)得出以下主要結(jié)論：
1.對照案例的顆?；M(jìn)程和實(shí)際情況非常相似：對照案例也有一個(gè)穩(wěn)定的延滯期，并在顆?；_始后出現(xiàn)大顆粒。但也可以看出實(shí)際顆粒化的進(jìn)程波動更多，因?yàn)槟Ｐ瓦€沒有考慮一些特殊情況（例如降雨天氣事件、進(jìn)水負(fù)荷變化和溫度變化等；
2.選擇性進(jìn)料和大顆粒的破裂是兩個(gè)此前文獻(xiàn)沒有報(bào)道，但非常重要的因素；
3.污泥顆?；橇髾C(jī)理的綜合結(jié)果，這意味著這是一個(gè)可以相互彌補(bǔ)損失的過程；
4.底物類型(GFS/n-GFS比)和進(jìn)料/停料的比例分配是反應(yīng)系統(tǒng)能從延滯期過渡到顆?；诘淖钪匾膬蓚€(gè)機(jī)理；
5.選擇性排泥和選擇性進(jìn)料主要影響兩個(gè)問題，一個(gè)是延滯期到顆?；诘倪^渡能否發(fā)生，第二個(gè)是這個(gè)過渡階段的速率；
6.顆粒破裂是有助于加快顆?；M(jìn)程的，因?yàn)橄喈?dāng)于用顆粒污泥接種；
數(shù)學(xué)模型本身細(xì)節(jié)太多，對于非數(shù)學(xué)專業(yè)的讀者來說是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。也許作者們也清楚這個(gè)情況，所以他們在文章里也給模擬的顆?；^程總結(jié)出以下描述：
反應(yīng)器的接種污泥起始粒徑約 100μm，而好氧顆粒污泥的常規(guī)定義大小是＞200μm，因此第一個(gè)小顆粒出現(xiàn)在反應(yīng)器中需要一些時(shí)間。所有原始顆粒的沉降行為和污水中的其他污泥相同，因此選擇性排泥是無效的，每個(gè)粒子都有相同被排出的概率。所以此時(shí)顆粒的生長是個(gè)完全隨機(jī)的過程。原始顆粒也不會在每個(gè)循環(huán)中吸收到有效的底物，而底物負(fù)荷也視乎污泥床中的位置、體積交換率和被顆粒隔離的底物量。在多個(gè)循環(huán)過程中，這些因素的組合將決定原始顆粒是否會獲得足夠的底物，在被沖走排出之前長成小顆粒。
在參考實(shí)例里，第一個(gè)小顆粒在90 天后出現(xiàn)了。一旦形成了小顆粒，就猶如開啟了滾雪球效應(yīng)，這些顆粒有比原始顆粒更快的沉降速度，從而更快地沉入底部，更容易接觸到反應(yīng)器底部的底物，然后不太可能被排出反應(yīng)器。從上圖也可以看出，在第一個(gè)小顆粒出現(xiàn)幾周后，小顆粒在反應(yīng)器中占主導(dǎo)地位。好氧顆粒污泥一旦出現(xiàn)，就開始進(jìn)入“強(qiáng)者恒強(qiáng)、勝者通吃”的模式。第一個(gè)大顆粒出現(xiàn)在第165天，最大顆粒的沉降速度已經(jīng)超過100m/h，這意味著這些顆粒不太可能排出反應(yīng)器。值得一提的是，這些大顆粒終將會破裂成為小顆粒，模擬結(jié)果顯示有20%的顆粒污泥來自大顆粒的破裂，這說明顆粒污泥的破裂也是顆?；闹匾獧C(jī)理。
小結(jié)
這次模擬顯示了從接種啟動到完成顆?；?，是一個(gè)非常微妙的過程，延滯期和顆?；诘闹饕蛩赜兴煌?。這篇文章傳達(dá)的另一個(gè)重要信息是數(shù)學(xué)模型在污水處理的日后發(fā)展中會扮演更重要的角色。盡管模型顯示了延滯期是顆?；囊粋€(gè)天然必經(jīng)階段，但建模也幫助我們了解如何縮短這個(gè)過程(例如用其他的現(xiàn)成顆粒對新廠進(jìn)行接種)。在工程方面，這個(gè)模型還有助于優(yōu)化啟動過程，在接種成本和啟動時(shí)長之間找到一個(gè)合適的最優(yōu)值，從而減低建造成本。研究團(tuán)隊(duì)還表示，在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，他們認(rèn)為還可以在生物模型方面有更精細(xì)的拓展，以及研究顆粒尺寸分布對轉(zhuǎn)化率和出水水質(zhì)的影響等。
更新研究細(xì)節(jié)可參閱原文：https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118365