楊敬畏，程樹輝，羅丁，李悅，王洋，韓艷梅
(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082；
2.北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)
好氧顆粒污泥(AGS)是一種新興的污水處理技術。其特點是生物量高和沉降速度快。具有操作和控制方法簡單，承受較大負荷以及安裝投資少的優勢。現階段根據不同需要已經培養出了亞硝化顆粒污泥、除磷顆粒污泥，強化脫氮顆粒污泥等具有不同功能的顆粒污泥，但是生活污水處理脫氮除磷流程是常用工藝，所以對于好氧顆粒污泥脫氮除磷的研究是很有必要的，現階段國內外研究者已對AGS的脫氮除磷原理進行研究并取得一定成果。本文將對AGS脫氮除磷技術的發展現狀進行綜述與討論，分析AGS運行方式及運行環境要求，探究AGS高效脫氮除磷及穩定運行的策略。以期為連續流AGS工藝的實際應用與推廣提供一定理論基礎。最后提出實踐中的研究參考方向與展望。
1.1 時間曝氣策略
傳統的研究是利用好氧顆粒污泥內部分層結構實現脫氮除磷。如田等[5]在純氧曝氣的條件下培養好氧顆粒污泥，培養出來的污泥粒徑在2～4 mm之間，脫氮效率在80%以上，而除磷效率僅長期穩定在22%～37%之間。這也說明了在單一曝氣的條件下，脫氮除磷效率與溶解氧的滲透深度有很大關系，生物脫氮與除磷之間的矛盾依然存在。
基于此，國內外諸多學者選擇創造外部微環境，以提高好氧顆粒污泥的去除效率。其中時間曝氣策略是指在同一個反應池中，在不同時間內創造不同的溶解氧濃度環境，何等[6]首先研究了曝氣時長對強化顆粒污泥生物脫氮除磷的作用機制。隨著曝氣時長的降低(120～60 min)，有機物和磷去除效果良好，內源反硝化作用的增強使得脫氮效率從 64.29% 提高到86.18%，還可以降低系統中的聚糖菌(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，張等[7]創造了一種(A/O)序批式反應器梯度曝氣的運行方式，結果表明，新型的梯度曝氣方式有利于反硝化聚磷菌(DPAOs)富集，使得脫氮除磷性能提高。
在連續流中亦是如此，Moura等[8]創造了連續流中時間間歇曝氣策略(2 h曝氣和1 h無曝氣)，TN和COD去除率可達到82%和85%，此外，有學者專門比較了連續流中曝氣策略的影響[9-11]，并分析溶解氧濃度對廢水污染物去除、微生物群落多樣性的影響。結果表明，間歇曝氣有助于提高有機物、氮、磷的去除效率，以及增加生物多樣性，此外，還節省了40%的曝氣能耗。
這些研究表明，時間間歇操作產生的厭氧/好氧交替環境提高了系統的內源反硝化的能力，并產生了反硝化聚磷菌等高效脫氮的菌種，增加了微生物多樣性，進而提高系統脫氮除磷性能。但同時一些成熟高效的曝氣策略，例如梯度曝氣策略還尚未引入到連續流系統中進行深入的研究。
1.2 空間曝氣策略
相對于時間曝氣策略，空間曝氣策略是指在不同反應池中，通過不同反應室創造不同外環境，從而同時創造不同溶解氧濃度環境。
Sun等[12]在實驗中使用了連續流反應器將多個反應室串聯，并對每個反應室進行充分曝氣，每個反應室的充氣速率為3.2 L/min，營養物質生物量在依次排列的反應室中逐漸消耗，致使不同反應室內的溶解氧濃度不同，同時在遠離進水口處形成了高氧濃度區域。實驗結果表明，反應器具有良好的COD和氮去除能力。此外Li等[13]創造了一種新型的可控制顆粒沉淀時間的連續流反應器，通過將非曝氣區與曝氣區依次串聯的策略，實現了COD和TP的去除，隨后Li等[14]在一個反應池內創造了厭氧區、好氧區和沉淀區三個反應室，實現了厭氧和好氧的同步反應，該系統COD、TN、TP的平均去除率均達到70%以上，這也進一步證明了在連續流反應器實現脫氮除磷是有可能的，李等[15]對于這種空間曝氣策略做了進一步的優化，設計了一種兩極反應器，非曝氣池是較大高徑比的反應器，實際運行中存在缺氧和厭氧兩種環境，并在兩極反應器中創造泥水的同步交替循環，以此實現了脫氮除磷。系統中有利用復雜碳源進行反硝化的菌屬，也有自養反硝化細菌，此外還有3種除磷相關功能菌，這表明多種曝氣條件交替循環下的反應器給多種功能菌屬的聚集提供了良好的環境，提高了脫氮除磷性能。COD、TN和TP平均去除率分別為90.39%，83.6%和80.43%。
1.3 進水策略
傳統的進水策略是快速進水后曝氣方式，最早由Beun等[16-17]采用這種方式培養出了好氧顆粒污泥。進水時間較短使得好氧段充分曝氣，利于COD和TN的去除。但缺點是COD被迅速吸收利用后容易滋生絲狀菌，隨后有學者[18-19]提出了厭氧慢速進水再曝氣，將慢速進水時間設置為60 min后，使GAOs和PAOs將外碳源儲存在細胞內部，隨后在曝氣階段利用內碳源進行反硝化和除磷，與快速進水相比，其普通異養菌無法獲得大量外碳源，從而使競爭碳源能力較弱的PAOs和GAOs獲得更多碳源[20]，這也增強了好氧顆粒污泥的脫氮除磷效率，此外田等[21]也建立了三組SBR，分別采用快速進水、推流進水和厭氧慢速進水三種方式進行對比，結果表明厭氧慢速進水方式下TN的去除率在90%，TP去除率為80%。在進行了諸多慢速進水研究后，Li等[22]提出一種新型的梯度進水方式，以變速進水速率向污泥提供外碳源，在慢速進水前施加短時間的快速進水，研究表明創造了一種非平衡的生長條件，提高了微生物的內碳源存儲響應，脫氮效率達到81.27%，TP去除率在95%以上。
1.4 構型優化策略
Castellanos等[23]構建了一種新型導流擋板反應器，以實現連續流動工藝的運行，顆粒在流經多個反應室后在周期性饑餓條件下運行，結果表明能有效地促進COD和TN的去除。此外Li等[24]提出一種SBR-CF系統為了保持連續進出水的水力工況下創造飽食/饑餓生物選擇壓，該系統由四個相同的SBR反應器直接連接組成一種新型的連續流，結果表明在高曝氣強度下可展現較好的TN去除能力，但TP去除能力較差。同樣的Li等[25]創造一種兩極連續流反應器，通過創造厭氧好氧的循環過程來提高系統的穩定性從而提高脫氮除磷性能。而Zou等[26]則為了創造與沉降時間相關的選擇壓力，設計了帶有兩區沉淀池(CFR-TST)的連續流動反應器來評估好氧顆粒污泥的形成與運行。研究表明出水COD和NH4+-N的濃度相對較低。以上研究說明對于連續流來說，構型優的策略極為重要。
此外，Yu等[27]成功設計了一種新的AGS操作策略，通過單獨的水解-酸化預處理，獲得了良好的的污染物去除效果，出水COD、NH4+-N、TN和TP濃度低至38.0，0.10，13.7，0.41 mg/L。研究認為預處理提高了厭氧階段的COD儲存和磷釋放，改善了SND過程，以及曝氣階段的磷吸收。這也說明，在連續流中，想要實現顆粒污泥的高效脫氮除磷，增加預處理的方式也是可行的。
1.5 微生物篩選策略
1.5.1 高效脫氮 脫氮需要好氧和厭氧條件來進行氨氧化、硝化和反硝化。顆粒的粒徑大小會導致不同的氧化還原環境存在，因此即使在單一曝氣環境下也可以進行脫氮[28]。根據Nancharaiah等[29]的研究，由于好氧和缺氧區域的共存，SND只可能存在于較大尺寸顆粒中。Zhu等[30-32]提高氮去除率的一種策略是通過在好氧階段之后立即引入缺氧階段來引入硝化和反硝化(AND)的交替，以此篩選出更多的反硝化細菌以提高脫氮效率。盡管AND已被證明比SND更有效，但在缺氧階段無法利用COD進行釋磷對系統來說是一個問題[32]。而在Li等[15，25]研究的交替厭氧/好氧反應器中，同樣是通過交替的硝化反硝化，但是由于較大的高徑，導致不同溶解氧濃度的區域同時存在，并且在獨立的厭氧區存在了分層環境，使得反硝化與磷的釋放同時存在，實現了同步脫氮除磷。有以乙酸為碳源進行反硝化的菌屬，有利用硫基進行自養反硝化的菌屬，也有利用鐵進行自養反硝化的菌屬，也有利用復雜有機碳源進行反硝化的菌屬。研究表明是在較大的高徑比反應器中存在多種的溶解氧梯度環境從而造成了微生物多樣性的大幅升高，這也說明傳統意義上嚴格的單一厭氧/缺氧/好氧環境不一定是微生物唯一的生長環境，多種環境共存反而篩選出了多種反硝化細菌進而提高了脫氮效率。
此外，多種脫氮路徑也被認為是提高脫氮效率的一種方法，有研究[33]報道了通過亞硝酸鹽去除氨氮。在該途徑中，氨氮被氨氧化細菌(AOB)氧化成亞硝酸鹽，同時通過保持低溶解氧和較短的污泥停留時間來去除亞硝酸鹽。此外在Li等[11]研究的自循環ACFR反應器的顆粒污泥中存在厭氧氨氧化菌屬，通過微生物測序分析，系統中的氮可以通過厭氧氨氧化途徑以及短程反硝化除磷的新興途徑去除，這被認為是在反應器的長期運行中，多種不同溶解氧區域的同時存在以及調控水力停留時間、溶解氧濃度、回流速率等多個參數才發生了這樣的現象。
此外，李冬等[34]研究發現可以通過梯度進水的方式和延長厭氧時間篩選出了多種功能菌，使得SND和DPAOS同時發生，提高了脫氮除磷效率。隨后，有最新的研究發現，Li等[15，25]通過連續流的周期實驗證明利用胞外聚合物產生的可溶性微生物副產物作為電子進行高水平脫氮方式是可行的，這個研究提出在周期內長時間的饑餓以及交替的缺氧/好氧環境同時存在時可能才會出現這種脫氮形式，所以這說明在創造周期性的外部微環境的同時還應同時存在周期性的飽食饑餓才能實現這樣的效果。以上的研究均說明在適宜的、多種調控策略下可獲得穩定高效的脫氮效率。
1.5.2 高效除磷 為了提高污水處理廠中的磷去除率，有研究[29，35]證明反硝化聚磷菌在硝酸鹽和亞硝酸鹽存在的情況下可以去除磷，并且具有節省碳源和降低污泥產量等優點[36]。
此外，最近的研究表明，AGS的EPS基質在生物P和N去除過程中起著重要作用[39-40]。在從AGS提取的EPS中觀察到大量的P、K+、Mg2+和Ca2+等陽離子。超過30%的TP在PAO的胞外聚合物中被去除[41]。這些研究強調了胞外聚合物在除磷過程中的作用。接下來有必要進行進一步的研究來深入這些觀察結果，并深入了解胞外聚合物中聚磷酸鹽的出現過程以及調控的方向。
此外，Li等[24]創造了一種SBR-CF系統，研究發現，如Saprospiraceae菌屬同時被歸類為GAOs和PAOs，當P濃度相對較低時，PAOs有可能攝取污水中碳源并以PHA(polyhydroxyalkanoates)形式儲存，此時微生物以糖原為首要能源[一般情況下PAOs降解Poly-P、攝取污水中碳源、合成PHA的過程是以ATP(Adenosine TriPhosphate)為首要能量來源]，即PAOs以GAOs的形式利用糖原達到PHA的合成。所以通過篩選相關功能菌可以使得系統中出現PAOs的營養物利用模式可以在PAOs及GAOs之間進行切換的現象，以提高系統的除磷能力。
無論是在SBR或者連續流中，好氧顆粒污泥受到不穩定的影響也會間歇影響脫氮除磷效率，故需要研究長期的顆粒穩定性是很重要的。AGS的穩定性受多種因素影響：不僅與SBR的選擇性使用有關，還與微生物群落的多樣性有關結構、微生物代謝、EPS、氧傳質、pH和溫度有關[42-43]。
2.1 絲狀菌調控
其中絲狀過度生長通常被認為是顆粒污泥工藝失敗的原因，因為松散的顆粒會導致生物質的損失，進而導致系統崩潰[29]。而pH是影響絲狀細菌生長的主要因素，微生物分析表明pH值可控制顆粒中的微生物種群。研究表明，在酸性pH值下，導致菌類過度生長。因此維持系統的堿性條件是抑制絲狀過度生長和保持顆粒穩定性的有效方法。同時底物擴散受限和剪切力破壞也是顆粒崩解的主要原因[44]。
2.2 顆粒粒徑
顆粒粒徑增加同時也會影響AGS的不穩定性，這是因為在粒徑較大的顆粒中心，底物的傳質是有限的，這會導致生物活性發生變化，進而削弱顆粒強度[45]。
2.3 微生物多樣性
同時也有研究發現顆粒污泥中細菌的多樣性有助于提高生態系統的穩定性[46]。因此，AGS系統中生物群落的多樣性意義重大，有助于促進污水中化學污染物和有機物的分解，改善水質，同時還能增強顆粒微生態系統的穩定性。
2.4 污泥齡
另外還有文獻報道，在短污泥齡條件下，活性污泥在SBR中具有高度的多樣性[47]。雖然微生物的多樣性有利于AGS的穩定性，但較短的污泥齡也與好氧顆粒污泥的穩定性密切相關。此外，污泥齡還可以影響EPS含量，從而對顆粒穩定性產生影響。因此，污泥齡是影響AGS穩定性的重要因素。
2.5 溶解氧濃度
反應器中溶解氧的濃度不僅影響好氧絮凝過程中細胞的新陳代謝，還影響絮體的結構。研究人員發現，長時間曝氣很可能導致AGS結構松散，即過長的運行周期不利于AGS的穩定性。這可能是由于顆粒核心中沒有可用的溶解氧，顆粒污泥開始從內部崩解而失去穩定性[48]。
2.6 飽食饑餓條件
Li等[24-25]指出，飽食/饑餓交替對于維持連續流AGS穩定性至關重要。研究結果表明，在階段Ⅰ，饑荒條件沒有盡可能地交替，顆粒的結構開始被破壞并導致了顆粒的不穩定性，在階段Ⅱ，好氧顆粒污泥的穩定性普遍提高，因為間歇性的進水創造了飽食和饑餓條件的交替。
通過上面論述可知，脫氮除磷過程中存在一個矛盾，即硝化菌的生長需要一個好氧的環境，反硝化菌的生長需要一個缺氧的環境，而聚磷菌需要好氧、厭氧的交替環境。現階段的研究將顆粒污泥工藝劃分為不同的反應段，使功能菌同時獲得更適宜的生長環境。基于這種理念，提高顆粒污泥脫氮除磷被分成兩種曝氣策略，一種是時間曝氣策略，另一種是空間曝氣策略。對于時間曝氣策略來說，改善曝氣方式和調節溶解氧濃度是有效且易于實施的技術，而在實際工程中應用時，由于一些曝氣方式的復雜性(如梯度曝氣)同時這些方法需要與其他間接調控策略相結合，會加大控制的復雜性和實際效果的不確定性。而通過調控空間曝氣策略被認為是更有效的，但是這需要改變反應器的形狀并且創造不同溶解氧區域的交替循環，該方法的主要挑戰在于尋找最理想的構造參數，需要考慮經濟成本、資源可用性以及對造粒和顆粒穩定性的實際操作效果，但同時也是易于實施的技術，從考慮經濟成本以及資源可用性來講是可行的。
提高脫氮除磷的有效方法是創造適宜的環境，這不僅可以提高反硝化速率，同時還有利于富集不同功能菌增加不同脫氮路徑來實現脫氮性能的提高，新型的脫氮有反硝化除磷、厭氧氨氧化、短程硝化反硝化路徑，同時也有研究表明利用SMP脫氮也是可行的，這主要是交替硝化反硝化的環境提供的，但是想要達到良好的脫氮除磷性能需要多種策略綜合調控才能實現，有必要進行進一步的研究來擴展這些研究結果，并深入了解多種脫氮除磷路徑共存的苛刻條件，這不僅適用于SBR系統，在連續流中同樣可用。
根據以上綜述，筆者發現，一些前沿的調控策略，例如梯度進水，是以非固定的進水速率向微生物提供外碳源，在慢速進水前施加短時間的快速進水，從而創造非平衡生長條件以提高顆粒污泥微生物的內碳源存儲響應。再比如交替硝化反硝化策略，研究發現存在多種脫氮路徑，雖然作者在文中并未提到，但是筆者更深層次的認為，在各個反應池中并非是單一的缺氧、厭氧或者是好氧環境，這種能提高脫氮除磷策略的原因是創造了一種非穩態的系統打破了傳統認知意義水平上的微生物所需的單一溶解氧環境，也就是說，無論是改變單一的進水條件或者是改變不同的溶解氧濃度的生存環境都可以激發系統中微生物的活性以及促進微生物多樣性，原因可能就是好氧顆粒污泥中微生物種類繁多，在創造復雜的非穩態的一種環境下更有利于其生長。但同時也許保證這種非穩態的環境在相對于時間周期來說是穩定的一成不變的，這也可以較為穩定的篩選其中更多的功能菌群。綜上，筆者認為，創造傳統意義的單一缺氧/厭氧/好氧環境或者單純的交替條件或許不再是對于好氧顆粒污泥提高脫氮除磷性能的唯一研究方向。從系統的非穩態角度思考如何提高好氧顆粒污泥的穩定性以及活性，這可以為日后的研究提供一個思路。
現階段國內對于連續流AGS培養和細菌接種尚未大規模使用，AGS資源稀缺。因此，在連續流中培養好氧顆粒污泥是有些困難的，該工藝要求高，緩慢生長的功能性微生物的篩選和富集與培養條件密切相關，但是通過接種成熟的顆粒污泥至連續流中運行是可行的，故在連續流系統中運用成熟的顆粒污泥進行相關策略調控以提高脫氮除磷性能可能是未來的研究方向，現階段對于連續流提高脫氮除磷性能相關研究還較少，因為要首先保證連續流系統的顆粒穩定性，現在已有部分相關研究是將SBR優化的策略想辦法引入到連續流中，例如優化的間歇曝氣策略，但同時如梯度曝氣、梯度進水等的一些“梯度”優化策略，以及交替曝氣、交替長短HRT等的一些“交替”優化策略或許可以引入到連續流中為改善顆粒穩定性和脫氮除磷新路徑提供新的可能性。
(1)首先綜述了近年來在提高AGS脫氮除磷方面策略調控的研究進展，并從技術可操作性和實際應用可行性角度分析各種策略應用的可能。多種策略的組合對于提高顆粒的脫氮除磷性能有很大的好處，包括曝氣策略、進水策略以及微生物篩選策略，在提高脫氮除磷性能的同時應注意保持顆粒的穩定性。
(2)隨后，從微生物策略總結，污泥在適宜的環境下不僅有助于提高功能菌的活性，更有可能提供顆粒污泥多種脫氮除磷路徑以提高性能。
(3)此外，應該打破現有的微生物生存環境認知，研究非穩態系統對于好氧顆粒污泥性能的影響，這為日后好氧顆粒污泥的研究提供了方向。
(4)最后，將SBR中證實有效的“梯度”策略調控研究引用到連續流系統中給提高連續流好氧顆粒污泥的脫氮除磷性能提供了一種新的研究方向。
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