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好氧顆粒污泥（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體，是一種無需載體的特殊生物膜。AGS沿傳質方向分為好氧層、缺氧層和厭氧層，這種多層結構使得不同功能微生物都有合適的生長環(huán)境，可以在同一反應器內進行脫氮除磷。AGS技術相較于傳統(tǒng)的絮狀活性污泥技術具有更強的生化處理效率和更好的污泥沉降速度，可以大幅度降低生化反應時間并提高二沉池的表面負荷，從而大大降低生化系統(tǒng)用地需求和建設成本。

目前，市政污水廠常用的處理技術可分為序批式反應器和連續(xù)流反應器。但是序批式反應器處理能力較弱，難以滿足大型污水廠的處理需求。因此，國內市政污水廠仍以連續(xù)流反應器為主，而對于AGS的研究主要集中于序批式反應器。針對連續(xù)流反應器，有學者采用雙區(qū)沉淀池工藝，利用顆粒污泥的優(yōu)勢沉降性能對其進行篩分，成功培養(yǎng)出AGS；另有學者根據粒徑大小，使用篩網對污泥進行篩分，將AGS與普通活性污泥分離，在反應器內也成功實現(xiàn)了污泥顆?；?。Yu等在實際市政污水處理廠中進行中試和工程化應用，通過在好氧池內部增設分離器的方式增強選擇壓，成功實現(xiàn)了進水量為25000m3/d的生產性應用。上述研究表明，連續(xù)流AGS技術已經從實驗室探索階段走向實際工程應用階段，主要依靠創(chuàng)造選擇壓條件來實現(xiàn)污泥顆?；?。

鑒于此，筆者在A2O工藝基礎上進行綜合研究，以創(chuàng)造選擇壓條件作為污泥顆粒化實現(xiàn)方式，開發(fā)出一種有別于已有方式的連續(xù)流AGS污水處理工藝，考察了該系統(tǒng)AGS的形成過程和除污效能，并對菌群結構進行解析，探討反應器的脫氮原理，旨在為該技術應用于新建污水處理廠或現(xiàn)有污水處理廠的升級改造提供參考。

1、材料與方法

1.1 試驗用水

蘇州市某市政污水處理廠（以下稱對照污水廠）設計處理能力為10000m3/d，出水水質需要符合《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB32/1072—2018）。該污水處理廠生化系統(tǒng)采用改良型A2O工藝，預缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池的HRT分別為1.0、1.8、3.3、9.0h，生化池合計HRT為15.1h。生化進水同步投加50~60mg/L的乙酸鈉溶液作為外加碳源。3月初對曝氣沉砂池出水（未投乙酸鈉之前）進行了15d每天1次的取樣分析，其COD濃度為90~150mg/L、NH4+-N濃度為25~35mg/L、TN濃度為25~42mg/L、TP濃度為1.0~1.8mg/L。

參照該污水廠曝氣沉砂池出水污染物濃度配制模擬污水，1m3模擬污水營養(yǎng)物配方如下：40g全脂奶粉和牛肉膏，提供C、N、P及微量元素；乙酸鈉、面粉、蔗糖各40g，提供碳源；100g碳酸氫銨和20g氯化銨，提供氮源和堿度；5g磷酸二氫鉀，提供磷源；1L微量元素液，模擬實際生活污水中微量元素。模擬污水的COD、NH4+-N、TN、TP濃度分別為（130±25）、（30±5）、（35±5）、（1.8±0.3）mg/L。

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。

該裝置由三個主要系統(tǒng)構成：主體生化系統(tǒng)，包括厭氧池、缺氧池、好氧池和沉淀器等，除反應器外還有配套的硝化液回流系統(tǒng)、污泥外回流系統(tǒng)、鼓風曝氣機、攪拌器等；顆?；到y(tǒng)，主要包括淘洗泵、淘洗器、自動排泥閥和過濾器；鐵鹽投加系統(tǒng)。主體生化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的A2O污水處理工藝一致，另外增加了顆?；到y(tǒng)和鐵鹽投加系統(tǒng)。

在顆粒化系統(tǒng)中，將一定比例的混合液經淘洗泵提升后進入淘洗器，在淘洗器內進行重質污泥（粒徑較大且沉降性能較好的污泥）和輕質污泥（粒徑較小且沉降性能較差的污泥）分離；在污泥顆?；囵B(yǎng)過程中通過控制淘洗泵的流量來控制選擇壓強度，如加大淘洗泵的流量來增大選擇壓，從而促進污泥顆?；闹鸩叫纬?；排泥閥根據時間設定將重質污泥回流到主體生化系統(tǒng)；輕質污泥隨著淘洗器的出水流入過濾器，在濾袋的過濾下污泥被截留，通過更換濾袋被淘汰出系統(tǒng)，污水流回主體生化系統(tǒng)。

在鐵鹽投加系統(tǒng)中，以分析純FeSO4·7H2O和自來水為原料，按照1∶9（質量比）配制FeSO4溶液，與污水同步加入厭氧池，投加量為20mg/L（以Fe計）。

試驗裝置總高度為700mm，沉淀器出水堰高度為570mm，各部分水深為570~600mm。厭氧池有效容積為45L、缺氧池有效容積為108L、好氧池有效容積為180L（其中沉淀器約占60L），試驗裝置總有效容積為333L。

1.3 接種污泥

取該污水廠好氧池末端污泥進行分析，污泥混合液懸浮固體濃度（MLSS）為3242mg/L，污泥混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）為1786mg/L，30min污泥沉降比（SV30）為34%，30min污泥體積指數（SVI30）為105mL/g，可見該污泥形態(tài)良好。

從污水廠的好氧池末端取回濃縮污泥，立即投入到試驗裝置內，添加模擬污水至設計液位，并啟動裝置，24h后測量各級反應器的污泥濃度，其中厭氧池為1638mg/L，缺氧池為3126mg/L，好氧池為3574mg/L。

1.4 分析項目及檢測方法

COD、TP、NH4+-N、TN、MLSS、5min污泥體積指數（SVI5）和SVI30均按國家標準方法測定。每2d取樣測量（啟動階段和過渡階段每天對出水分析1次）。采用光學顯微鏡對試驗裝置內污泥進行鏡檢。采用美國麥奇克公司S-3500激光粒度儀對污泥粒徑進行測定。收集培養(yǎng)初期（第3天）和末期（第90天）的污泥樣本，經冷凍保存后交由上海派諾森微生物檢測公司進行16SrRNA基因高通量測序。

1.5 試驗階段劃分

在投入污泥啟動試驗裝置后，首先進行一段時間的污泥馴化，待試驗出水各主要水質指標均達到《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB32/1072—2018）并穩(wěn)定運行2d后認為裝置啟動完成。根據進水量將啟動之后的試驗分為三個階段，見表1。

2、結果與討論

2.1 顆?；M程

圖2為好氧池內不同階段的污泥形態(tài)。由圖2（a）可以看出，在啟動階段（第2天），污泥呈絮狀，有少量顆粒，粒徑基本小于50μm。圖2（b）是階段一末期（第31天）的污泥形態(tài)，仍舊以絮狀污泥為主，但是出現(xiàn)一定量的顆粒，顆粒輪廓不規(guī)則。圖2（c）是階段二末期（第61天）的污泥形態(tài)，污泥量明顯增多，顆粒數量進一步增加，開始出現(xiàn)較為致密的規(guī)則顆粒，同時有少量粒徑在200μm以上的顆粒出現(xiàn)。圖2（d）是階段三末期（第92天）的污泥形態(tài)，污泥顆?；潭容^高，顯微鏡下粒徑在200μm以上的大顆粒數量明顯增多。

好氧池中污泥粒徑分布如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著顆?；到y(tǒng)的持續(xù)工作，試驗裝置內輕質污泥逐漸被淘洗出系統(tǒng)，主系統(tǒng)內逐漸出現(xiàn)顆粒污泥，并且污泥顆粒化程度逐漸升高。接種時粒徑小于50μm的絮狀污泥占64.7%，到階段三末期時絮狀污泥占比下降到6.5%。培養(yǎng)過程中粒徑大于200μm的大顆粒污泥占比增加，由接種時的2.2%上升至階段三培養(yǎng)末期時的58.2%。污泥粒徑分布變化表明，經過90d培養(yǎng)以后，試驗裝置內污泥顆?；Ч@著。

啟動階段好氧池污泥濃度為3874mg/L，在階段一內隨著輕質污泥被淘洗出去，污泥濃度逐漸降低，至階段一末期（第31天），好氧池污泥濃度為2865mg/L。在階段一內除了淘洗和取樣分析排出一定污泥外，沒有其他剩余污泥排放。階段二開始后觀察到污泥濃度逐漸升高，至階段二末期（第61天），好氧池污泥濃度為4246mg/L。在階段二的后10d，每天從好氧池排出10L混合液，好氧池內污泥濃度維持在（4000±250）mg/L以內。階段三開始后觀察到污泥濃度進一步升高，10d后每天從好氧池排出12L混合液，好氧池內污泥濃度維持在（4500±300）mg/L以內。在階段三末期（第92天）測得污泥濃度為4582mg/L，其中SVI5=74.21mL/g，SVI30=43.65mL/g，SVI30/SVI5=0.59，說明試驗裝置內污泥沉降性能良好。

2.2 處理效果分析

2.2.1 污染物去除情況

在污泥培養(yǎng)各階段的穩(wěn)定期，試驗裝置出水COD濃度均不超過30mg/L、NH4+-N濃度不超過0.8mg/L、TN濃度不超過9mg/L、TP濃度不超過0.3mg/L，均能達到出水標準要求。COD去除效果：實驗室模擬進水COD濃度為（130±25）mg/L，出水最終穩(wěn)定在25~30mg/L，穩(wěn)定期去除率為78%~84%；脫氮效果：模擬進水NH4+-N濃度為（30±5）mg/L，出水最終穩(wěn)定在0.2~0.4mg/L，進水TN為（35±5）mg/L，出水穩(wěn)定在6~9mg/L，穩(wěn)定期氨氮去除率在95%以上，總氮去除率為75%~80%；除磷效果：整體反應過程中進水TP保持在（1.8±0.3）mg/L，出水為0.1~0.3mg/L，TP去除率均在80%以上。另外，階段二負荷提高2d后出水COD、NH4+-N、TP滿足設計要求，TN在3d后滿足要求；階段三負荷進一步提高2d后所有指標均能達到設計出水要求。由鏡檢結果可知，15d后大量的細小污泥聚集體逐漸形成并成為污泥的主要存在形態(tài)。隨著試驗的進行污泥顆粒化程度不斷提高，形成的AGS具有更強的抗沖擊負荷能力。

2.2.2 污染物去除過程分析

①脫氮過程

為研究AGS的脫氮規(guī)律，對各級反應器進行脫氮作用分析。本試驗裝置氮元素分析模型如圖4所示（忽略投加鐵鹽和重質污泥回流所引起的流量變化）。厭氧池進水TN為Q·N0+1.2Q·N3，出水TN為2.2Q·N1；缺氧池進水TN為2.2Q·N1+2Q·N3，出水TN為4.2Q·N2；好氧池進水TN為4.2Q·N2，總出水TN為4.2Q·N3。

在試驗第3、27、59、91天分別取各級反應器的出水進行TN檢測，計算每一級反應器TN去除量在總去除量中的占比，結果見圖5?？芍?，在培養(yǎng)初期（第3天），脫氮作用主要發(fā)生在缺氧池，去除比例占82%，好氧池脫氮效果占6%。隨著培養(yǎng)過程的進行，脫氮場所發(fā)生變化，缺氧池脫氮占比下降，好氧池占比升高。培養(yǎng)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，顆粒污泥具有內外分層結構，在好氧池內能發(fā)揮同步硝化反硝化脫氮作用，這一特性在本試驗中得以體現(xiàn)。

②除磷過程

在生活污水處理過程中除磷方式主要為生物除磷和化學除磷。本試驗采用在生化反應的同時投加除磷藥劑（FeSO4·7H2O）來實現(xiàn)同步化學除磷。此外Fe2+可以中和污泥表面的負電荷，增強污泥聚集性，對污泥的顆粒化進程起到促進作用，有利于AGS的成型。與脫氮過程分析類似，在試驗第3、27、59、91天分別取各級反應器的出水進行TP檢測，計算每一級反應器TP去除量在總去除量中的占比，結果如圖6所示?？梢钥闯?，厭氧池對TP去除也有一定貢獻，這表明由于在厭氧池進水的同時投加了鐵鹽，生物釋磷作用受到抑制。因此，本工藝主要是靠同步化學除磷實現(xiàn)對磷的去除，穩(wěn)定期的去除率可達到80%以上。

2.2.3 試驗裝置與對照污水廠處理效果對比

試驗裝置與對照污水廠A2O工藝的運行參數和出水效果見表2?？梢钥闯觯c對照污水廠的生化工藝相比，基于A2O工藝形式的連續(xù)流AGS污水處理工藝的處理效率更高且效果更好。

2.3 污泥菌群結構分析

2.3.1 門水平

好氧池內細菌群落組成在門水平上的相對豐度如圖7所示?？梢钥闯?，在培養(yǎng)初期，最主要的菌門（相對豐度≥1%）為變形菌門（Proteobacteria，61.73%），其余相對豐度較高的菌門為擬桿菌門（Bacteroidota，6.69%）、蛭弧菌門（Bdellovibrionota，6.64%）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota，5.84%）、厚壁菌門（Firmicutes，4.76%）、酸桿菌門（Acidobacteriota，2.97%）。

在培養(yǎng)末期最主要的菌門為Proteobacteria（62.50%）和Bacteroidota（19.23%），其余相對豐度大于1%的菌門包括Gemmatimonadota（1.57%）、浮霉菌門（Planctomycetota，3.02%）、硝化螺旋菌門（Nitrospirota，2.52%）、放線菌門（Actinobacteriota，2.23%）、黏菌門（Myxococcota，2.08%）和疣微菌門（Verrucomicrobiota，1.23%）。

綜合對比發(fā)現(xiàn)，在相對豐度發(fā)生變化的菌門中，Bacteroidota和Actinobacteriota的相對豐度增加較為明顯，Bacteroidota由6.69%增加至19.23%，Actinobacteriota為培養(yǎng)后期新出現(xiàn)的優(yōu)勢菌種。兩種菌門的主要功能是降解糖類等大分子有機物。由于試驗裝置中有多種污染物需要處理，因此，相應菌門數量增加，如Planctomycetota從1.90%增加至3.02%，其主要功能是進行厭氧氨氧化。菌門相對豐度的變化表明，試驗裝置內污泥微生物群落結構針對不同的環(huán)境發(fā)生了適應性變化。

2.3.2 屬水平

好氧池內細菌群落組成在屬水平上的相對豐度如圖8所示?？梢钥闯?，培養(yǎng)初期動膠菌屬（Zoogloea，12.28%）相對豐度最高，其主要作用是分泌以多糖為主的大分子物質組成胞外聚合物（EPS），從而加速菌膠團的成型。培養(yǎng)末期，Zoogloea相對豐度減少，根據鏡檢結果中逐漸減少的絮狀污泥推測，AGS在大量成型后結構更穩(wěn)定，菌膠團形成速率低于絮狀污泥階段。

在兩個階段最多的20個屬中，培養(yǎng)末期的陶厄氏菌（Thauera）、OLB12和硝化螺旋菌屬（Nitrospira）三種與脫氮有關的屬總相對豐度為36%，遠高于培養(yǎng)初期中相關菌屬豐度，其中Thauera的主要功能是降解有機芳烴和反硝化作用；OLB12菌屬主要富集于硝化污泥中，與脫氮過程有關；Nitrospira則主要是亞硝酸鹽氧化菌。三種脫氮菌屬在培養(yǎng)末期的豐度均顯著高于培養(yǎng)初期，表明好氧池內脫氮微生物數量增加。同時在顆?；M程中，好氧池內反硝化功能菌Thauera豐度的大幅增加證明了AGS的形成會促進好氧池中的反硝化脫氮過程。而傳統(tǒng)的A2O工藝中反硝化脫氮主要集中于缺氧池，這也是試驗裝置脫氮效果更強的原因。

2.4 工藝特點

綜合AGS顆粒化進程、污水處理效果和微生物群落分析，本工藝具有以下4個特點：

①污泥顆?；Ч己?，顆?；到y(tǒng)增強了試驗裝置內對污泥的沉降選擇壓，可篩分出沉降性能不佳的輕質污泥，促進污泥顆粒化進程；

②顆?；笪勰辔⑸锵嘭S富，對大分子和顆粒性有機物有較強的水解作用，可以充分利用進水中的碳源；

③形成的AGS粒徑較大，由內到外有多層結構，核內是厭氧/缺氧層，表面是好氧層，不僅在缺氧池內能起到反硝化脫氮作用，在好氧池內仍能發(fā)揮同步硝化反硝化脫氮作用，裝置整體脫氮效果較好；

④在生化反應過程中同步投加FeSO4·7H2O作為除磷藥劑，一方面可強化除磷作用，另一方面有利于污泥顆粒的聚集，加快顆?；M程，并保持顆粒的長期穩(wěn)定性。

3、結論

①設計了一種連續(xù)流AGS污水生化處理工藝，其在A2O工藝基礎上增加顆?；到y(tǒng)和鐵鹽投加系統(tǒng)，創(chuàng)造基于沉降選擇壓的AGS形成和長期穩(wěn)定性條件。經過三個多月的模擬生活污水試驗驗證，污泥顆?；Ч己?，試驗末期大于200μm的顆粒占58.2%，SVI30為43.65mL/g。

②與對照污水廠相比，試驗裝置脫氮除磷效果更好，處理負荷提高了近一倍，AGS工藝的高效性得到了充分體現(xiàn)。好氧池發(fā)生同步硝化反硝化脫氮作用，好氧池對TN的去除貢獻率占29%。投加鐵鹽會抑制生物釋磷作用，裝置主要靠同步化學除磷作用實現(xiàn)對磷的良好去除，穩(wěn)定期TP去除率在80%以上。

③連續(xù)流AGS污水處理工藝實現(xiàn)簡單，可以達到較高的污泥顆?；潭?，污染物去除效果良好，可為新建污水處理廠或現(xiàn)有污水處理廠的提標或擴能改造提供借鑒。