在人口迅速增长和城市化加速的背景下，现有污水厂在远未到达设计年限的情况下就出现处理能力不足的问题亟待解决。最经济合算的解决方案当然是在不扩建现有污水厂规模的前提下，使用技术手段来增加单位池容内的处理能力，也就是说，在原有反应器体积内处理更多的污水。使用高生物量的好氧颗粒污泥来替换松散的活性污泥有望在不对现有污水厂进行大规模的重建基础上实现污水厂处理能力的提升。这是因为好氧颗粒污泥具有更好的沉降性能，更高的生物富集能力，以及更强的应对冲击负荷和有毒物质的抵抗力，并且可以合并多种生物过程于一体。遗憾的是，迄今为止，大部分好氧颗粒污泥的研究及应用仅限于序批式反应器。这与绝大多数污水厂所使用的连续流反应器不相匹配。因此，好氧颗粒污泥技术在过去的二十年发展时间里并没有得到广泛应用。为了实现好氧颗粒污泥在连续流反应器里的形成，美国弗吉尼亚理工大学王智武教授团队在近三年的研究中证实了传统活性污泥在连续流反应器中直接颗粒化的可行性，提供了反应器设计和改造方法， 揭示了颗粒污泥在连续流反应器中的动态变化过程 , 并将形成的颗粒污泥与传统污泥的脱水性进行了对比，指出了工程应用中可能出现的问题。
王智武教授团队在 2018 年发表的一篇综述中对自 1999 年以来的好氧颗粒污泥研究进行了系统的归纳总结。此综述表明到目前为此，几乎所有成功的好氧颗粒污培养案例都使用了盛宴期与饥饿期交替的培养环境以及对反应器内生物颗粒沉降速度的物理选择，这两个条件缺一不可。例如，绝大多数好氧颗粒污泥研究都是在续批式反应器中进行的。所有续批式反应器在每个运行周期内都提供了盛宴与饥饿期的循环交替。而且在每个运行周期结束的时候，通过排水高度和沉淀时间的设计可以对不同沉淀速度的生物颗粒进行物理选择。然而，在完全混合式反应器内，即使施加颗粒沉降速度的物理选择， 因为缺少盛宴与饥饿期交替的培养环境，好氧颗粒污泥至今也无法形成。因此，实现连续流好氧颗粒污泥的形成存在三大技术上的挑战： 1 ）如何在连续流反应器中实现对颗粒沉淀速度的物理选择； 2 ）如何提供理想的盛宴期与饥饿期交替条件； 3 ）以及如何实现颗粒污泥在现有污水厂中的回流而不破坏其物理结构的稳定性。针对现有的连续流颗粒污泥研究，此综述也指出了四大不足之处，包括 1 ）大多数研究是把序批式反应器内已经形成的颗粒污泥接种到连续流反应器内进行短时间处理效果研究，因此没有对连续流反应器内颗粒污泥形成机理进行探讨； 2) 大多数连续流颗粒污泥反应器的设计与现有实际污水厂主流设计大相径庭，如果将来应用，需要投入大量资金进行构筑物的改建或重建； 3 ）大多数连续流颗粒污泥的研究是在理想的实验室温度条件下采用人工配制的污水进行的。因此不能反映颗粒污泥在实际污水中的性能。此外，综述中进一步指出，现有研究缺少对颗粒污泥在连续流系统中的长期稳定性研究，而这一研究成果会对能否将连续流好氧颗粒污泥技术快速应用到实际污水处理工业中提供至关重要的实验依据。
2、 在真实市政污水中实现连续流好氧颗粒污泥的形成
为了确保实验结果对实际工程应用有现实指导意义，王智武团队特意把这个连续流好氧颗粒污泥实验设计为中试实验，并选择在美国弗吉尼亚州的 Upper Occoquan Service Authority （ UOSA ）污水厂内进行实地测试。该中试采用了与此污水厂的二级处理系统相似的设计参数，并以实际初沉池出水作为反应器的进水进行研究。所以，该实验条件反应了真实污水水质及温度的昼夜和季节变化的影响。为了在连续流反应器内提供盛宴与饥饿期的交替环境，王智武团队在中试实验中采用了 10 个完全混合式反应器串联的方式来模拟推流式反应器的运行。在这种推流式反应器的前端和后端分别出现了盛宴期和饥饿期。推流式反应器的出水再进入一个停留时间只有 5 分钟的沉降速度选择器对污泥颗粒按照其沉降速度进行物理选择。沉降速度大于 10 m/h 的颗粒将会被保留，而余下的会则被淘汰。被保留的污泥颗粒会被用气提的方式回流到推流式反应器的前端。在典型的 10-22.5
o
C 季节性污水温度波动条件下，接种到推流式反应器中的普通活性污泥在 60 天内逐渐形成了颗粒污泥，并且在 90 天后达到稳态。污泥的 30 分钟污泥体积指数（ SVI
30
）均值为 63.9 mL/g, 远低于同一时期污水厂二级污水处理系统中在相同污水环境中培养出的传统活性污泥的 SVI
30
（ 108.5 mL/g ）。颗粒污泥的沉淀速度也达到了 12 m/h ，高于选择器所设置的 10 m/h 选择沉降速度。同时，出水的氨氮和 COD 的去除也高达 99% 和 89% 。实验结果充分证明了在连续流反应器内，传统活性污泥到颗粒污泥转化的可能性。
图1 连续流好氧颗粒污泥的形成与性质
参考文献 ：
Sun Y.W., Angelotti B., and Wang Z.W. (2019) Continuous-flow aerobic granulation in plug-flow bioreactors fed with real domestic wastewater, Science of the Total Environment, 688, 762-770, DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.06.291
3、 盛宴期 / 饥饿期比例在连续流好氧颗粒污泥形成过程中的重要性
为了对盛宴期与饥饿期对连续流好氧颗粒污泥形成的影响进行研究，王智武团队在所有实验条件不变的前提下，只改变了在相同水力停留时间内串联的完全混合式反应器的数量。从原有的 10 个反应器串连分别改为 8 个反应器串连， 6 个反应器串连，和 4 个反应器串连。随着串连的反应器个数的减少，反应器内的底物浓度梯度也相应减少，推流反应器也随着串连的反应器个数减少逐渐趋近于完全混合式反应器内的水力条件，从而改变了盛宴期 / 饥饿期的时长比例。实验结果表明，在 4 ， 6 ，和 8 个完全混合式反应器的串联系统中，盛宴期 / 饥饿期的比例分别为 1.0 ， 0.5 和 0.33 。最小的盛宴期 / 饥饿期比例（ 0.33 ），也就是 8 个反应器串连，培养出了最好的污泥沉降性能（ SVI 30 = 52 mL/g ；沉降速度 15 m/h ）和最紧实的颗粒球状结构（圆度 0.55 ）， 反之亦然。进一步实验分析表明，更长的饥饿期（ 8 个反应室串联）更容易促进胞外分泌物中的多糖和蛋白质的合成。而多糖和蛋白质也是形成颗粒活性污泥的重要结构物质和粘合剂。当盛宴期 / 饥饿期比例大于 0.5 时，污泥颗粒化受到阻碍，拥有大量丝状结构的絮状体开始出现。因此，提供合适的盛宴期 / 饥饿期比例是形成颗粒活性污泥的必要条件。也揭示了为什么至今无法在单独的完全混合式反应器内实现好氧颗粒污泥形成。
在分析了 14 组序批式反应器和 3 组推流式反应器内颗粒污泥形成的数据后，王智武团队发现相对于沉降速度选择，颗粒污泥对于盛宴期 / 饥饿期的比例变化更为敏感。也就是说，在盛宴期 / 饥饿期的比例相对较低的条件下，颗粒污泥并不需要很强的沉降速度选择力就可以形成。据此，在现有的二级污水系统中提供低盛宴期 / 饥饿期的比例成为连续流好氧颗粒污泥能否在实际应用中进行推广的关键。模型预测结果显示，盛宴期 / 饥饿期比例应当被控制在小于 0.25 的范围内。而提供这个最佳盛宴期 / 饥饿期比例最经济的办法是在现有的二级处理系统中通过添加挡板来取得与推流式反应器相似的水力条件。文章提出了一个基于污水厂现有的丹姆克尔数（ Da ）来预测所需挡板数量的数学模型，为现有污水厂进行活性污泥颗粒化提供了经济可行的设计改造指导。
图2 不同盛宴期/饥饿期比例对颗粒污泥形成的影响
图3 左：连续流颗粒污泥反应器中盛宴期/饥饿期比例和沉降速度选择力对颗粒污泥沉降性能的影响；右：连续流颗粒污泥反应器中盛宴期/饥饿期比例取决于串连反应器的个数和污水厂的丹姆克尔数
进一步研究发现，在短短的 6.5 小时水力停留时间内，颗粒污泥的形态会随着在盛宴期到饥饿期的过渡中发生显著动态变化。比如，颗粒污泥表面的丝状菌会在盛宴期快速向外扩张，利用丝状结构较大的比表面积快速吸收和捕捉进水中的 COD 。盛宴期结束时，丝状结构会收缩回颗粒污泥结构内部利用非溶解性 COD 来度过饥饿期。颗粒污泥在饥饿期中由于丝状结构的回收使其结构更加紧密，从而获得了更好的沉降性能。由此可见，饥饿期的重要性在于可以在短时间内提高污泥的沉降性能，使其在接下来的沉降选择器内有更大的可能性被保留而不是被淘汰。
图4 好氧颗粒污泥在盛宴期与饥饿期间内的动态变化过程
参考文献 ：
Sun Y.W., Gomeiz A.T., Aken B.V., Angelotti B., Brooks M., Wang Z.W. (2021) Dynamic response of aerobic granular sludge to feast and famine conditions in plug flow reactors fed with real domestic wastewater, Science of the Total Environment, 758, 144155, DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144155
虽然
好氧颗粒污泥研究已经进行很多年，但人们对它的脱水性能的理解确很有限。主要因为脱水性研究需要消耗大量的颗粒污泥，而通常的试验室小试很难提供足够的污泥量来进行系统性的脱水性能研究。王智武团队利用这个实际污水连续流中试培养出的大量颗粒污泥进行了较全面的脱水性能研究，
旨在理解其相对传统活性污泥
脱水性能的不同，以便
对
好氧颗粒污泥
在污水处理工业应用中的污泥处置问题做出指导。研究发现，在不添加高聚物的情况下，传统活性污泥和
好氧颗粒污泥
的脱水性能并没有明显差别。而在添加多聚物的条件下，相比于传统活性污泥，颗粒污泥可以节约 25% 的高聚物投入量。
好氧颗粒污泥本身产生的大量胞外多
聚物很可能是造成这一差别的重要原因。然而，如果污水厂使用离心机进行污泥脱水，这一颗粒污泥的脱水优势会变成劣势。因为在离心机的高剪切力的作用下，颗粒污泥所需的高聚物投入量会远远超过活性污泥。因此，在污水厂决定从传统活性污泥过渡到颗粒污泥的决策过程中，对于污泥处置过程的工艺和设备选择应进行慎重考虑。
Zhang D., Sun Y.W., Angelotti B., Wang Z.W. (2020) Understanding the dewaterability of aerobic granular sludge formed in continuous flow bioreactors treating real domestic wastewater: is it really better than that of the activated sludge? Journal of Water Process Engineering, 36, 101253 DOI:
https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101253
在活性污泥被污水厂应用了近 100 年后的今天，好氧颗粒污泥有希望会取代其在众多未来污水处理过程中的应用。而好氧颗粒污泥技术能否推广，取决于其是否能以一种简单、可靠、快捷的方式在现有的连续流污水处理构筑物中使用。根据本文的阐述，如何改造现有的污水系统来提供足够的盛宴期 / 饥饿期比例，以及如何设计和安装有效的颗粒沉降速度选择器成为推广连续流好氧颗粒污泥技术的关键。为了对未来污水厂设计和改造提供理论指导和重要参考意见，在接下来的研究里，用实际污水来实地测试好氧颗粒污泥在连续流处理系统中的长期稳定性将成为研究重点。应用数学模型对现有连续流好氧颗粒污泥反应器的设计和操作进行优化将成为重要研究手段。
通讯作者：
王智武，博士，助理教授，注册工程师，美国弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系应用水研究创新中心副主任。主要研究方向包括污水处理和其资源回，以及生物质能源和其高附加值产品的转化。迄今为止发表论文 60 篇。主持并承担了美国国家科学基金，美国能源部，美国农业部以及众多工业界资助的科研项目。
王智武教授 (左图)及其团队
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