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好氧顆粒污泥(aerobicgranularsludge，AGS)工藝是一種新型的污水處理技術，近年來已取得了豐碩的研究成果。污泥顆粒化后呈現出生物致密、相對密度大、沉降速度快等特點，具有自聚集趨勢的微生物，在緊密空間中形成了由外至內的好氧、缺氧、厭氧的溶解氧質量濃度梯度，不同功能菌在微米空間內完成生物代謝并發揮著特定功能。好氧顆粒污泥反應器(aerobicgranularsludgereactor，AGSR)在保持較高污泥質量濃度的同時，可以完成同步脫氮除磷及快速的泥水分離，無需額外的外回流系統及配套附屬動力設施。相比傳統生化工藝，AGSR能夠減少占地面積25%~70%，節省能耗20%~50%，同時有效降低投資成本。AGS工藝的諸多優勢正吸引著眾多研究者、應用方的關注。目前，該工藝已經從實驗室研發階段進入到工程化推廣和應用階段。

AGS技術目前應用最為廣泛的為Nereda?工藝，截至2023年6月，Nereda?好氧顆粒污泥技術在世界范圍投建并運行的污水處理設施已達到100座。AGS工藝在國內的工程化應用進展相對緩慢，目前采用AGS工藝的污水處理工程案例屈指可數，具體項目信息見表1。

縱觀國外所報道的成功案例，AGS工藝成功運行的工程項目大部分進水基質質量濃度較高，耗氧有機物(以COD計)為500~800mg·L?1，且大量研究指出，AGS工藝更適合于含有較高污染物濃度廢水的處理。與國外情況不同，我國市政污水的進水污染物濃度普遍較低，尤其在長江以南地區，COD基本在100~300mg·L?1，且雨季時期水質水量波動幅度較大。針對國內低濃度廢水的廣闊應用市場，以及國內外在AGS工藝處理低濃度廢水領域研究應用的欠缺，因地制宜地探索研發一種處理低濃度進水污染物的AGSR將具有較好的應用前景。

基于此，本研究在中環水務下屬某市政污水處理廠內設計搭建了一套日處理能力為500m3·d?1的AGSR，通過調控運行參數、控制反應條件等措施，探索了AGS處理低濃度市政生活污水的最佳調試方法和運行模式，驗證了該技術的處理效果以及運行的可靠性、穩定性和持久性，以期為低濃度市政生活污水處理應用AGS工藝的長效、節能、穩定運行提供技術支撐和保障。

1、材料及方法

1.1 裝置概況及運行方式

本研究中的AGSR為鋼結構圓形罐體，直徑5.2m，總高6.7m，有效水深6.0m，有效容積127.0m3，整體外觀如圖1(a)所示。整個AGSR包括布水組件、出水組件、曝氣組件、排泥組件以及遠程自控和監控系統。自主研發設計的布水組件位于罐體底部，將進水自下而上均勻注入罐體并形成推流，同時把上一周期處理好的清水自出水組件頂出，從而實現了同時進出水。出水組件由頂部三角出水堰槽和虹吸排水管共同組成，在進出水結束時將液位排至三角出水堰以下，其深度需大于曝氣時氣提導致液位升高的高度，最終保證曝氣時泥水混合液不會從出水堰溢出。進出水過程如圖1(b)所示，出水清澈，可以清晰看到水下的污泥界面。反應器內安裝有COD、污泥濃度(MLSS)、氨氮(NH4+-N)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、酸堿度(pH)、水溫(T)、液位等在線儀表，實時獲取運行過程中的水質數據，為配套的自控系統提供基礎信息，進而通過控制程序實現整套系統的全自動運行。本裝置自控系統的全部功能均可遠程操作，整套系統自動運行，現場無人值守。AGSR自2023年1月1日開始，調試運行半年，期間未投加任何碳源以及其他藥劑。裝置設計處理規模為500m3·d?1，采用間歇運行方式，達到設計負荷后，周期設置為3h。周期內各反應階段的運行時間設置為進出水60min，厭氧5min，曝氣90min，沉淀25min。整個調試過程中，日處理水量從105m3·d?1逐步提升至500m3·d?1，水力停留時間從29h逐漸降至6h。污泥齡控制在30~40d，MLSS滿負荷后穩定在約8000mg·L?1，換水比接近50%，溶解氧控制在1.5~2.5mg·L?1。

1.2 進出水水質及接種污泥

AGSR進水為中環水務下屬某市政污水處理廠內現有生化系統進水(即曝氣沉砂池出水)，AGSR出水水質按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A設計,具體進出水水質指標如表2所示。

實際運行過程中，出水水質優于設計值，其中TP和COD的去除效果明顯高于預期。系統接種污泥為該污水廠現有生化系統的回流污泥，平均粒徑為33.85μm。接種后的初始污泥質量濃度為3800mg·L?1左右、SVI30為118.42mL·g?1。

1.3 分析與檢測方法

本項目COD采用哈希試劑法測定；NH4+-N、TN、TP分別采用納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法測定；pH、DO、溫度、ORP采用在線檢測儀表實時測定；SS、MLSS采用重量法測定；顆粒占比和顆粒粒徑分別采用濕式篩分法(0.2mm)和激光粒度分析儀測定。

本項目選取不同時間段AGSR中的混合污泥樣品進行16SrRNA高通量測序，分析絮狀污泥顆粒化過程中功能菌屬的組成特征，其中K0~K3為AGSR中不同時期的污泥樣品，S3為污水廠現有生化系統好氧段的污泥樣本，如表3所示。所取污泥樣本的16SrRNA基因高通量測序過程，由上海美吉生物醫藥科技有限公司完成。擴增區域為V3~V4區，引物序列為336F-806R。下機后的序列數據由DADA2進行修正，經過修正后的序列數據由QIIME2依據100%的相似度進行聚類，聚類后的代表性序列對照SILVA數據庫進行分類注釋，得到不同分類級別的物種分類表。

2、結果與討論

2.1 污泥的顆粒化分析

AGSR自2023年1月1日開始調試運行，在6個月的時間內，以低濃度市政生活污水作為基質，實現了絮狀污泥的顆粒化過程。期間通過光學顯微鏡鏡檢和粒度分析儀對污泥顆粒進行形態觀察和平均粒徑統計。如圖2所示，從接種初期到運行5個多月后，在整體呈分散狀微小絮狀體的污泥體系中，出現了更為緊密的聚集體和粒徑更大的顆粒污泥。圖2為不同時段AGSR中污泥的微生物鏡檢照片以及100mL泥水混合液經75目(200μm)篩分離后顆粒污泥放入直徑100mm培養皿觀察的照片。可以看出，從接種初期至運行約6個月后，顆粒污泥的占比明顯升高。

AGSR啟動運行至約130d后，AGSR污泥平均粒徑由33.85μm增至158.25μm，是污水廠現有生化系統絮狀污泥的5倍左右，結果如圖3所示。在5月18日，AGSR中大于200μm的顆粒占比約為20%，6月20日大于200μm的顆粒占比增至30%，此時，平均粒徑158.25μm的顆粒污泥占比約為45%。這表明微生物在逐漸適應AGSR的運行模式后，顆粒化進程開始加快。在低濃度市政污水處理中，通過調整運行模式和運行工況，可以促進絮狀污泥顆粒化，但較難形成大粒徑的顆粒污泥。這可能是由于較低的基質濃度無法促進顆粒污泥進一步分泌生長所需的多糖、蛋白質等胞外聚合物組分。在本研究中，因受制于進水污染物濃度偏低(COD大部分時間在100~250mg·L?1)，顆粒生長速度相對較為緩慢。滿負荷運行后大于200μm的顆粒占比約為30%左右。

污泥實現顆粒化后，沉降性能也明顯提升。如圖4所示，AGSR內初始接種污泥質量濃度為3800mg·L?1左右，SVI30約為118.42mL·g?1。接種后短期內SVI30上升至160mL·g?1，隨著處理水量的提升和水力停留時間、污泥沉淀時間的縮短，SVI30開始逐漸降低，約7d時間內由160mL·g?1降至110mL·g?1，此時的MLSS已增加至約7000mg·L?1。運行約30d后，處理水量進一步增加，MLSS升至9500mg·L?1，同時期SVI30降低至約75mL·g?1。隨后，通過調整污泥齡和進一步縮短水力停留時間，MLSS質量濃度穩定在7000~8000mg·L?1。5月2日后，AGSR的污泥沉降性能又有顯著提升，主要體現在MLSS保持穩定的同時，SVI30繼續降低，最終在MLSS維持在7500~8000mg·L?1，SVI30降至45mL·g?1左右時，AGSR實現了滿負荷運行，并始終保持出水水質達到設計要求。從SVI30的整體變化情況來看，AGS沒有出現污泥膨脹。SVI30在正式運行42d后，從接種時的118.4mL·g?1下降至79.6mL·g?1。可以看出，絮狀污泥在逐步適應AGSR的運行環境，部分微生物開始出現團聚現象，運行至130~180d時，SVI30穩定保持在50.0mL·g?1以下，污泥已具備了良好的沉降性能。

2.2 污染物去除效能分析

在不投加碳源和除磷藥劑的情況下，本項目AGSR滿負荷運行后的出水水質指標均達到設計的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A的排放標準，COD、NH4+-N、TP、TN和SS的平均質量濃度分別為19.4、0.26、0.28、11.7和4mg·L?1。

1)對耗氧有機污染物(以COD計)的去除性能分析。如圖5(a)所示，整個運行期間，雖然進水COD在80~900mg·L?1大幅波動，但出水COD始終保持在較低水平。除運行初始階段中污泥馴化期出水COD偶有未能達到排放標準，大部分時間出水COD基本可以維持在25mg·L?1以下。滿負荷運行期間，在進水水質時常波動的情況下，出水COD始終能保持在20mg·L?1左右，充分體現了本AGSR去除COD性能的穩定性。

2)對TP去除性能的分析。在整個調試運行過程中，在系統進水BOD5/TP均值為20左右，且進水TP波動較大時，AGSR依然實現了較好的TP去除效果。如圖5(b)所示，出水TP除運行第一個月高于1mg·L?1，隨后TP去除效果逐漸變好，滿負荷后出水TP均值(0.28mg·L?1，平均去除率為95.9%，去除效果比較穩定。一般而言，要同時完成脫氮和除磷2個過程，進水的碳氮比(BOD5/TN)>4~5，碳磷比需(BOD5/TP)>20~30。而本項目在實際運行過程中，BOD5/TP比值低于20的情況高達50%，BOD5/TN的比值大部分低于4。在此情況下，系統對TP仍能保持高效的去除性能，TN也可達到12mg·L?1以下，推測是本AGSR在運行過程中出現了反硝化聚磷的現象，具體原因將在下一小結分析討論。

3)對NH4+-N和TN的去除性能分析。本項目運行期間，AGSR對NH4+-N的去除性能表現良好。如圖6(a)所示，反應器運行第4天，出水NH4+-N質量濃度快速下降并保持在1.0mg·L?1。整個運行期間，NH4+-N去除率始終保持在95%以上，滿負荷后出水NH4+-N均值維持在0.26mg·L?1。調試運行過程中出水NH4+-N出現幾次升高情況，且與本裝置所在污水處理廠的生化系統出水NH4+-N的升高時間完全同步，分析應該為個別排污單位排入了含有抑制NH4+-N降解的物質。這種情況在該污水處理廠具有突發性，排入抑制NH4+-N物質的抑制性可逆，每次持續0.5~2d后，硝化菌活性自然恢復，NH4+-N去除效果隨即可恢復正常。

相較于NH4+-N，TN經過了較長的調試期才達到理想的處理效果。如圖6(b)所示，在本項目調試的前2個月，出水TN的均值在25mg·L?1左右，隨后TN去除率緩慢下降，直至第5個月，出水TN開始降至15mg·L?1以下，最終滿負荷期間TN出水平均值穩定在11.7mg·L?1，達到設計處理要求。

本項目調試運行期間進水BOD5/TN的平均值為3.24，低于生物脫氮BOD5/TN的建議值4.0，TN去除具有一定難度。為探索低碳氮比下TN的實際去除效果，整個調試運行期間未投加碳源。回顧TN的調試過程，裝置最終滿負荷運行后取得比較理想的去除效果主要有以下兩方面原因：一方面，顆粒化的逐步形成強化了TN的去除。結合污泥粒徑分析，在啟動前期，AGS反應器內污泥以絮狀形態為主，這使得生長在缺氧環境中的異養反硝化菌在活性污泥中沒有適合的固定生存空間，只能通過周期中不同階段的運轉創造缺氧生存環境。而調試初期運行負荷低，進水量較少，通過進水的攪拌形成的缺氧時間有限。為了保證AGS形成所需的剪切力，曝氣強度設定了最低要求，這也導致了整個周期內DO質量濃度偏高，不利于反硝化過程的有效進行，最終影響到TN的去除效果。5月中下旬開始，顆粒占比顯著提升，污泥平均粒徑也逐步增大，為反硝化菌在單個顆粒內部的缺氧區域提供了更多的生存空間，TN處理效果日漸提升，出水均值降至15mg·L?1以下，并在之后的一個半月逐漸降至11.7mg·L?1左右。另一方面，DO的控制提高了TN去除效率。隨著裝置運行負荷的提升，供氣量也逐漸加大，此時的曝氣強度已完全可以滿足顆粒化剪切力的要求，曝氣量的調節不再受限。AGS反應器5月初精準控制曝氣階段溶解氧在1.5~2.5mg·L?1，強化了同時硝化反硝化(SND)反應，從另一方面提高了TN的去除效果，并最終穩定達到設計排放要求。

2.3 微生物種群及群落結構分析

1)微生物門水平組成結構。如圖7所示，相對豐度排在前五的門類分別是：綠彎菌門(Chloroflexi，15.7%~32.6%)，變形菌門(Proteobacteria，16.5%~24.1%)，放線菌門(Actinobacteriota，6.8%~15.3%)，擬桿菌門(Bacteriodota，11.0%~19.0%)和酸桿菌門(Acidobacteriota，7.7%~14.5%)。其中綠彎菌門分布廣泛，包含多種營養方式，對C、N元素的循環起到重要作用，如NOB屬于該菌門。而變形菌門是AGS工藝中常見菌門，多與氮固定、氮降解相關聯，AOB菌屬于該菌門。放線菌門則常見于城市污水處理廠活性污泥內，能合成胞外水解酶降解大分子有機物，部分聚磷菌屬于該門類。

2)微生物屬水平組成結構。為進一步探究本次調試過程中高效脫氮除磷的內在原因，以下對本AGSR中相關功能微生物在屬水平的組成情況進行分析。屬水平的分類注釋結果表明，在該系統中存在豐度較高的去除碳、氮、磷的功能微生物。其功能菌類別及相對豐度如表3所示。

關于氨氧化菌(ammonia-oxidizingbacteria，AOB)，系統中檢測到的主要有Nitrosomonas屬和Ellin6067屬，其中Ellin6067在近年的多篇文獻中被認定為AOB，其與Nitrosomonas同屬于Nitrosomonadaceae科。有學者在采用AGS工藝處理低濃度廢水的研究中檢測到的AOB也為Ellin6067。在整個調試運行期間，Ellin6067的相對豐度從1.58%降低至0.72%，而Nitrosomonas整體相對豐度較低。AGSR中AOB的總體豐度低于污水廠同時段運行的A2/O池，說明本項目AGSR在氨氧化過程中沒有優勢，A2/O同樣可以進行較好的氨氧化反應。

硝化菌(NOB)的相對豐度從0.38%增長至0.73%，體現了AGS工藝的優勢，可能是因為Nitrospira能適應顆粒污泥特有溶解氧梯度空間中的低氧濃度環境，WU等也認為Nitrospira能在低氧濃度下氧化亞硝酸鹽。在系統中一共檢測到6類反硝化菌屬(denitrifyingbacteria，DNB)，具體如表4所示。反硝化菌屬的總相對豐度(K1~K3組)在8.83%~10.98%，為優勢菌屬，這也是TN和COD去除率高的重要原因。有報道指出norank_f_Saprospiraceae和norank_f_Chitinophagaceae是具備反硝化除磷功能的菌屬，在本系統中前者的相對豐度高于2.8%，為優勢菌屬。本系統中未檢測出常見的聚磷菌(CandidatusAccumulibacter、Tetrasphaera)和聚糖菌(CandidatusCompetibacter)，因此推斷本系統中TP的去除主要通過反硝化除磷實現。Terrimonas代謝COD過程中能產生EPS，從而促進了菌膠團的聚集和顆粒的形成，因而該菌屬在AGS系統中尤為重要。而本系統運行期間的Terrimonas屬相對豐度為0.84%~1.21%，高于污水廠A2/O工藝的0.57%。其中豐度較高的g_norank_f_Caldilineaceae，有文獻報道其為發酵菌，也有文獻將其歸為反硝化菌，均為與有機物降解相關類微生物，且其豐度在逐步增加。在國內報道的AGS工藝中，該菌也保持在2%以上的相對豐度，這表明AGS工藝的運行條件適合該類菌的富集。綜上所述，本AGSR在處理低濃度市政污水處理過程中，脫氮除磷相關的功能微生物菌屬的相對豐度對比傳統A2O工藝具有一定優勢，使得AGSR對污染物的降解，尤其是氮磷的去除更加高效。

2.4 污染物去除效果對比

雖然已有超過100個污水處理廠應用了AGS工藝，但AGS實際運行數據已公布的并不多，根據現有研究結果，將收集到序批式AGS工藝的工程案例和本項目運行過程中主要污染物(COD、TP、TN)的去除效果進行對比分析。如表5所示，在COD:TP和COD:TN相對較低，且未投加碳源以及除磷藥劑的情況下，本項目TP、TN達到了比較良好的去除效果，這也充分體現出了AGS工藝在氮磷污染物去除方面的優勢。相對于TN，對比其它AGS污水處理廠的運行數據，本項目TP的去除效果比較突出，去除率達到95.9%，可有效節省化學除磷的藥劑費用，降低污水廠的運行成本。

2.5 經濟性能分析

相較傳統活性污泥法，本研究中AGS工藝的優勢主要體現在處理負荷高、建設和運行成本低，出水水質更好等幾個方面。污水廠現有生化系統的COD容積負荷率分別約為1.3m3·(m3·d)?1，而本研究AGSR為4m3·(m3·d)?1，優勢明顯。基于AGS工藝更高的容積負荷率，污水處理廠可節省占地面積約50%以上，大幅降低用地和基建成本。此外，與傳統A2O工藝相比，AGS工藝無需配置污泥回流、混合液回流、厭氧缺氧攪拌、刮泥機等動轉設備，可有效減少相應設備的投資建設和運行成本，同時也將降低運行維護難度。本AGSR所在的污水廠采用可多點進水的A2O工藝，其生化處理系統運行設備明細如表6所示。如采用AGS工藝，將只保留鼓風機，可節省現有生化系統功率占比40%以上的動轉設備，充分體現出AGS工藝在運行電耗方面的優勢。同時本研究中的AGS工藝裝置處理低濃度市政污水過程中，未投加碳源以及除磷藥劑即可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A的排放標準，在運行藥耗方面同樣具有經濟優勢。

3、結論

針對目前AGS工藝在處理低濃度市政污水方向研究和應用的不足，本研究通過處理規模為500m3·d?1AGSR的調試運行，對AGS應用于低濃度市政污水的處理效果，尤其是脫氮除磷能力和特征進行考察，并得出以下結論：

1)AGS工藝處理低濃度市政污水，同樣可以實現絮狀污泥的顆粒化，污泥的平均粒徑由33.85μm增加至158.25μm；SVI30由118.42降至45mL·g?1，MLSS質量濃度達到7500~8000mg·L?1。雖然顆粒粒徑整體偏小，顆粒占比不高，但依然可以體現出AGS工藝節省占地的明顯優勢。本AGSR的COD容積負荷率達到4m3·(m3·d)?1，顯著優于傳統好氧工藝的1.3m3·(m3·d)?1，同時水力停留時間可低至6h。

2)AGS工藝應用于低濃度市政污水處理時，出水COD、NH4+-N、TP、TN、SS平均質量濃度分別為19.4、0.26、0.28、11.7、4mg·L?1，出水水質完全達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A的排放標準。尤其是氮磷的去除，在不投加碳源以及除磷藥劑、AGS停留時間不到傳統生化工藝50%的條件下，TN和TP處理效果依然穩定，并完全達標。

3)AGS工藝應用于低濃度市政污水處理時，可根據低濃度廢水污染物濃度低，水量大的特點，采用3h或更短的周期運行，并保證交換比不大于50%。在TN、TP的去除過程中，可通過溶解氧的控制達到較好的同時硝化反硝化以及反硝化聚磷的效果。