好氧颗粒污泥长期稳定运行研究进展

郭之晗，徐云翔，李天皓，黄子川，刘文如，2，3，沈耀良，2，3

（1 苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2 江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏苏州 215009；3 江苏高校水处理技术与材料协同创新中心，江苏 苏州 215009）

在污水处理领域中，活性污泥法是最为成熟且应用广泛的技术之一，颗粒污泥是由微生物自凝聚作用而形成的具有特殊形式的活性污泥。与传统的絮状污泥相比，好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge,AGS）具有结构密实稳定、抗冲击负荷能力强、沉降性能好、微生物种群丰富、特殊分层结构等特点，因而有着泥水分离效果好、可处理高浓度毒害废水及同步脱氮除磷等优势。这也使得AGS工艺成为废水处理的一种新途径，有着广阔的应用前景。

目前国内外学者针对AGS 的结构特性、理化性质、影响因素、成型条件、微生物类型及对各类废水的处理效果展开了大量研究，为好氧颗粒污泥的工程化应用提供了理论基础。然而有工程报道表明，AGS反应器启动时间长且始终存在一定的絮状污泥，证明了AGS在工程应用方面不容乐观。其中颗粒培养成型时间长、长期运行颗粒易失稳也成为了限制其应用的瓶颈。因此，如何促进好氧颗粒污泥快速成型，并在实际运行中维持其结构和功能的稳定性，避免出现颗粒解体等问题成为了目前研究的热点及该技术推广应用的关键。

纵观以往关于AGS 的综述，内容多集中于颗粒形成机制、影响因素、各类型废水处理中的应用等方面，关于维持颗粒稳定运行的方法鲜有涉及。因此，本文针对性地分析了影响AGS 稳定性的因素，列举了强化颗粒污泥稳定化应用的方法，并提出了AGS工艺今后发展的方向与研究重点。

1 好氧颗粒污泥稳定性的影响因素

1.1 反应器运行方式

1.1.1 反应器类型与构造

目前关于好氧颗粒污泥技术的研究多数是基于间歇式反应器展开的，这是由于连续流工艺会造成系统中底物浓度梯度的降低，不利于AGS 的稳定维持，甚至导致颗粒污泥的解体破碎，张瑞环等的研究亦表明，丝状菌的滋生导致颗粒污泥的稳定性降低是连续流中AGS培养应用的限制因素。相较而言，序批式反应器（SBR）的曝气作用与短沉降时间能加速颗粒的成型，同时颗粒在摩擦力的作用下也更密实。另一方面，SBR的间歇运行方式所形成的饱食/饥饿状态能抑制丝状菌的生长，沉降性能好的菌胶团则处于优势生长，从而提高颗粒污泥的稳定性。

针对SBR 而言，反应器的高径比、运行周期等因素也会对颗粒的稳定性造成影响。通常认为较高的SBR高径比（/）能够促进颗粒的形成，加快培养速度。张远等研究了低/情况下好氧污泥颗粒化及其稳定性的影响机制。结果表明在低/条件下，适当提高/能产生高的基质扩散系数，有利于颗粒结构的维持和微生物代谢。SBR不同的运行周期会形成不同的饥饿期，从而对颗粒污泥的性质造成影响。Liu等在研究中发现，短运行周期（1.5h）下培养的颗粒污泥在运行一段时间后解体，而在运行周期相对较长（4h 和8h）的反应器中，长期运行下AGS 仍能保持较好的稳定性；Wang 等在研究中发现，循环时间3h 条件下运行的颗粒粒径较大、颗粒饱满、强度高，而在循环时间12h下的颗粒粒径小、强度低。另一方面，王海彪等则发现过长的运行周期（12h）下颗粒污泥沉降性能恶化，絮状污泥明显增加，长期运行解体严重，而在相对较短的运行周期（3～6h）下的污泥却能始终保持较低的SVI 值、较高的粒径及密度。Liu 等在另一项研究中，设置了1.5h、4h、8h 三组不同的循环时间，长期运行中观察到，短循环周期（1.5h）下的颗粒粒径最大，但颗粒沉降性能反而不佳，长循环周期（8h）下由于曝气时间过长，颗粒污泥浓度最低，同时颗粒结构松散，而循环时间为4h下的污泥指数（SVI）值低，沉降性能最好，同时颗粒结构也较为紧致。因此，综上所述，过长和过短的循环周期均不利于颗粒污泥的稳定运行，综合而言4～6h 为最佳运行周期，此时颗粒污泥具有良好的沉淀性能、较高的污染物降解速率，同时能保持较强的稳定性。

1.1.2 水流剪切力

水流剪切力是好氧颗粒污泥形成的关键性因素，其对好氧颗粒结构、胞外聚合物（EPS）产生、细胞代谢、颗粒的快速形成具有促进作用。一般认为，高水流剪切有利于带动丝状菌紧密缠绕，形成结构密实、抗负荷能力强的颗粒污泥，进而提高颗粒的稳定性。Tay等的研究表明，剪切力对表观气速有重要影响，只有当表观气速大于1.2cm/s时方可形成颗粒污泥。同时，高剪切力能促进多糖的产生，提高AGS的疏水性，使得颗粒污泥结构更加致密。产生的多糖可以增强好氧颗粒污泥的结构，对好氧颗粒的结构稳定性起着重要作用。Chen等的研究亦表明，在低剪切力（0.8cm/s 与1.6cm/s）条件下运行，颗粒形状逐渐变得不规则，结构松散；而在高剪切力（2.4cm/s 与3.2cm/s）条件下培养的好氧颗粒形态稳定，外观清晰，结构致密而紧凑，经过120天的运行仍然保持良好的性能。

王超等发现，AGS的尺寸会随着剪切力的增加而增大，在一定范围内，水流剪切力的增加对好氧颗粒污泥中微生物的活性具有促进作用。这是由于较高的剪切力能提高好氧颗粒污泥微生物的比耗氧速率（SOUR），有利于分泌更多的EPS，提高污泥的快速吸附能力并建立完善的自我调节与保护机制，进而提高颗粒的稳定性。

1.1.3 有机负荷

进水有机负荷（OLR）影响AGS中微生物活性及种群类别，从而对颗粒污泥的形成与结构稳定性起到重要作用。早前已有研究表明，在有机负荷小于2.0kg/(m∙d)时，无法成功培养好氧颗粒污泥，同时过高或过低的有机负荷均会对AGS 的稳定性产生负面影响。

在Peyong 等的研究中，成熟的AGS 在低有机负荷[0.6kg/(m∙d)]下运行两个月后，稳定性恶化并逐渐解体。Zhang 等研究了AGS 在低OLR[0.58kg/(m∙d)]下运行时的变化：颗粒结构松散、多孔，当颗粒直径增加到1mm时开始变得不稳定，沉降性能也随之下降，同时AGS 中EPS 含量下降，降低了颗粒结构的整体强度。Rusanowska等的研究表明，一定范围内相对较低的有机负荷能使颗粒中EPS 含量增加，但更低的OLR 将会导致颗粒解体破碎。这些现象可能是由于低OLR 下有机化合物的消耗时间较短，因此微生物的饥饿时间更长。研究还发现，在低OLR 条件下，粒径较小的颗粒EPS含量和成分更稳定。

对于高负荷的情况，Liu 等在12kg/(m∙d)的条件下能快速培养AGS，然而两周后颗粒污泥逐渐膨胀并解体，当OLR 降至6kg/(m∙d)后，AGS 逐渐恢复稳定的颗粒结构。Zheng 等的研究发现，在高负荷条件下[6kg/(m∙d)]，以细菌为主导的好氧颗粒在运行过程中逐渐变得不稳定并转变为大尺寸的丝状颗粒，颗粒内部出现传质限制，导致颗粒内部出现厌氧菌。这使得颗粒变得不稳定并逐渐崩解。目前所提出的关于高OLR 下的颗粒解体的原因主要包括：丝状微生物的过度生长、厌氧颗粒核心处的细胞内蛋白质水解、细胞分泌蛋白质减少。颗粒EPS结构变弱导致微生物自动聚集能力的丧失。

1.1.4 饱食-饥饿期

目前，绝大多数好氧颗粒污泥的培养是在SBR反应器中进行的，而SBR 独特的间歇式运行特点使得反应过程分为底物丰富与匮乏两个阶段，即饱食期与饥饿期。间歇进料可以促进形成光滑、结构紧密的颗粒污泥，近年来研究者们针对饱食-饥饿期对AGS稳定性的影响总结如表1所示。

表1 饱食-饥饿期对AGS稳定性影响及分析

综上所述，运行过程中合理的饥饿时间对颗粒的稳定性具有重要作用，相对而言饥饿期较长更利于颗粒的长期稳定运行，根据经验，饱食/饥饿期为1/2～1/4时，AGS 的结构最为紧密，EPS 含量高、不易解体，稳定性最好。由于短期饥饿能加速颗粒的成型，因此可以在运行初期采用较短的饥饿期以促进颗粒的形成，之后延长饥饿期以提高颗粒的稳定性。

1.2 进水水质

1.2.1 底物类型

进水碳源种类会对系统中微生物以及颗粒的形态和结构产生影响，进而影响到AGS运行中的稳定性。有研究表明，以蔗糖、葡萄糖为碳源培养的颗粒结构松散、表面蓬松，这是由于葡萄糖容易降解且富含能量，会加速丝状菌的生长繁殖，促使颗粒粒径增长，导致结构松散。相比葡萄糖，乙酸盐培养的AGS结构紧密而稳定；单独的乙酸钠培养出的AGS颗粒化程度差，颗粒周围有大量絮状污泥使AGS 呈絮团状；而当蔗糖与乙酸钠混合作为碳源时，形成的AGS 表面光滑，无丝状菌，颗粒化程度高，稳定性强。这是由于底物组成复杂时，其被降解所需的微生物种类更多，故可产生具有分层、结构复杂的颗粒污泥。

1.2.2 C/N比

碳源是微生物生长、繁殖必须的物质，氮源则是合成微生物体内蛋白质的主要原料。同时，由于自养微生物和异养微生物营养类型的不同，不同C/N比下培养的颗粒污泥生物多样性、微生物群落分布和形态结构会有明显差异。一般研究认为，较高C/N比下运行的AGS工艺启动时间短，但形成的颗粒污泥形状不规则、结构松散同时大量丝状菌缠绕，易出现颗粒解体现象；而在相对低的C/N比运行条件下，形成的颗粒粒径小，但结构致密，同时在高氨氮水平下可长期稳定运行。但亦有研究认为，在过低的C/N 比下，微生物群落丰富度降低，EPS含量下降，对AGS的物理强度、沉降性能等产生负面影响甚至造成颗粒结构发生解体。近年来关于C/N比对AGS稳定性影响的研究总结如表2所示。

表2 C/N比对AGS稳定性影响及分析

总结研究，为了保持AGS 较好的去除效果和良好的稳定性，将C/N 比控制在5～10 之间最为适宜。

1.2.3 F/M比

在相同的有机负荷下，AGS的稳定性不同可能是由于系统中生物量的差异造成的。事实上，进水食料与微生物量的比例（F/M比）是影响微生物生长和污染物去除的重要因素之一。Wu 等的研究发现，当F/M 比控制在0.4～0.5g COD/（gVSS·d）时，AGS沉降性好、污染物去除效率高，微生物多样性丰富同时稳定性最强。相同的结论在Kang等的研究亦有证明，当F/M 比由0.4g COD/（gVSS·d）降至0.2g COD/gVSS·d 时，出现颗粒解体的现象，而当重新调整至0.4 后，系统中重新形成了颗粒。在一项利用AGS 处理高浓度有机废水的实验中，研究者认为，F/M 比对成熟颗粒的稳定性起着决定性作用。当F/M 比在0.5～1.4g COD/（gVSS·d）之间时，颗粒沉降性能良好且稳定，而当F/M比增加到2.2g COD/（gVSS·d）以上时，会导致颗粒蓬松、膨胀并逐渐解体。

因此，一定条件下相对较低的F/M比有利于提高AGS的稳定性，但存在着阈值，过低的F/M比将不利于AGS 的稳定。一般情况下F/M 比在0.4～1.0g COD/（gVSS·d）时最为适宜。

1.3 污泥的理化性质

1.3.1 颗粒粒径

好氧颗粒污泥的表面存在着各种活性细菌，丝状微生物贯穿内部，而核心则是由EPS 组成。因此，AGS的尺寸与结构会对基质的传质产生影响进而影响颗粒的稳定性。在颗粒污泥中，丝状微生物相对于其他物种由于具有较高的表面积，能够在底物缺乏、溶解氧（DO）稀少的环境中更具生存竞争力从而能更好地生存。因此，当AGS 粒径过大时将导致内部基质及溶解氧传质受阻，丝状菌大量生长，污泥变得膨胀甚至解体，严重损害颗粒的稳定性。因此将颗粒粒径控制在适当范围内至关重要，目前的研究认为1～3mm 是SBR 反应器中最佳的粒径范围，Long 等也在最新的研究中指出，2～3mm 是AGS 最适宜的粒径范围，在此区间内，粒径增长最慢，更容易保持稳定。然而，在实际应用中颗粒最佳粒径的选择仍要综合考虑反应器的结构、操作条件以及处理废水的成分。

1.3.2 胞外聚合物组成

胞外聚合物（EPS）是分布于细胞表面的高分子物质，主要由蛋白质（PN）、多糖（PS）、核酸等成分组成（图1为颗粒表面CLSM图），按存在形式可分为溶解态SB-EPS 与结合态EPS（包括松散结合态LB-EPS 与紧密结合态TB-EPS），如图2所示，在维持颗粒污泥空间结构的完整性和稳定性方面有着重要的作用。然而，关于EPS中各组分的构成对颗粒稳定性的影响众说纷纭，目前仍无明确定论。多数研究认为PN 在颗粒长期稳定运行中发挥着主要作用。Zhao 等的研究发现，具有较高PN/PS 比的颗粒能够分泌更多的胞外蛋白，PN 能作为保护剂维持颗粒的内部结构，提高AGS 的稳定性；王玉莹等的研究认为，AGS 的形成过程中，会分泌大量的PN 来调控其结构稳定性以适应水质的波动，同时PN/PS比越大越有利于AGS的稳定；Zhu 等在研究中发现，颗粒的最小沉降速度、疏水性、表面电荷均随PN 含量的增加而增大，结果表明EPS 尤其是PN 组分对AGS 的形成和稳定起着关键作用。与此同时，有些学者认为PS比PN 对颗粒结构稳定性的影响更显著。Martinez等认为，高PN/PS 比的颗粒沉降性能较差，而较低的PN/PS比则有利于改善细胞表面的疏水性，使得AGS 趋于稳定。需要指出的是，EPS 的含量并非越高越好。Corsino 等在其最新研究提出，在短周期内EPS 富集较快，过高的EPS 会导致颗粒孔隙的堵塞，从长远考虑将会导致颗粒的破坏与解体。

图1 颗粒污泥表面CLSM图[46]

图2 EPS结构示意图

1.4 微生物角度

1.4.1 微生物生长速率

颗粒的稳定性与微生物的生长速率有一定的关联。通常，生长缓慢的微生物被证明对生物膜的密度和稳定性有着积极的影响。这是由于这些微生物可以在饱食阶段快速储存基质并在饥饿阶段通过相对缓慢的生长过程来参与竞争。相对而言，生长速率较快的微生物在一定的条件下快速降解进水基质，容易造成丝状菌的大量生长，不利于AGS 结构的稳定。Liu 等发现，在高N/COD 条件下，生长速率较低的好氧颗粒在相对密度、污泥容积指数和细胞疏水性方面均表现出更好的性能。同时研究证明，通过选择富集生长缓慢的硝化菌可以显著提高AGS的稳定性。

1.4.2 微生物菌落结构

在好氧颗粒污泥中，不同的菌群相互竞争和协作形成共生的关系，这种复杂的关系对提高AGS结构性能的稳定有一定帮助。侯爱月等利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术（PCR-DGGE）观测到随着颗粒的形成，微生物的丰度及多样性不断增加，同时，不利于颗粒稳定性的微生物逐渐被淘汰。另外，微生物的种类也对颗粒的密实度和稳定性产生一定影响。刘凤阁等通过对颗粒污泥内的真菌进行分离鉴定，发现AGS 内各种真菌的协同作用可以有效消除在颗粒内积累的细菌代谢产物，改善颗粒内微生物的生态环境，进而增强AGS的稳定性。李志华等研究了自养菌和异养菌颗粒污泥的特性，研究发现，自养菌颗粒污泥的密实度随粒径增大而增加，颗粒趋于稳定，系统中EPS与孔隙率能够达到动态平衡是其长期维持稳定的主要原因。此外，同一种微生物在不同情况下带来的影响也不相同。以常见的丝状菌为例，少量生长的丝状菌可作为颗粒骨架，增强AGS 的强度并维持稳定，但过度生长的丝状菌反而会破坏其结构稳定性，导致颗粒松散并解体。

1.4.3 微生物群感效应

由信号分子作为介导，存在于微生物之间的通信交流机制称为群感效应（quorum sensing,QS）。微生物感知环境中信号分子的浓度，进行胞内或胞外的信息交流，根据周围环境调控特定基因的表达，进而实现群体行为的调控。信号分子作为群感效应的信息传递者，其种类与浓度在微生物行为调控中起着重要作用。好氧颗粒污泥中常见的信号分子大致可以分为三类：-酰化高丝氨酸内酯类化合物（AHLs）、自体诱导肽（AIPs）和种间信号分子自体诱导分子（AI-2）。因为革兰氏阴性菌在微生物中往往为优势微生物，因此群感效应的实现途径主要是由以AHLs为代表的革兰氏阴性菌信号分子调控，目前关于AGS 方面的研究多数也是基于AHLs展开的。

已有大量的研究表明群感效应参与调节污泥的各项生理功能，包括细胞分化、生物膜的形成和胞外聚合物的合成。群体感应调控底物的分解转化，促进EPS 分泌，进而提升颗粒结构的稳定性。张智明通过投加C8-HSL、3OHC8-HSL 等AHLs，显著提升了底物的降解速率及EPS 产率，其中颗粒污泥的PN 增幅更为显著，表明AHLs 强化EPS的生成，促进颗粒污泥结构的稳定。Li等进行对比实验发现，投加了AHLs的颗粒污泥比未投加AHLs 的颗粒污泥中胞外聚合物的含量更高，PN 含量的提升尤为明显。宋志伟等通过分别投加C10-HSL、C12-HSL 和C14-HSL 三种信号分子进行对比研究，三种信号分子的投加均有助于AGS性能的改善（对比于空白组），显著提升了系统EPS 的生成，有利于维持颗粒形态的完整，而TB-EPS 则是维持其稳定性的重要因素。研究还发现，投加C12-HSL 的AGS 具有较大的粒径，同时能保持优异的沉降性能和较高的污染物降解效果。另一方面，AI-2 也有着相同的作用，Liu 等通过延长SBR 饥饿期，有效促进了AI-2 分泌，进而调控EPS 的大量分泌，强化了AGS 的颗粒化。Sun等通过交变有机负荷法，促进了AGS 系统中AI-2含量大幅增加，强化了大分子EPS的产生。结合

1.3.2 节的内容，EPS 的增加，尤其是高含量的PN可以增加颗粒表面的疏水性，有利于功能微生物在颗粒表面的附着，进而提高颗粒的稳定性。

由于能量的代谢与微生物的活动息息相关，因此，部分学者尝试从ATP 代谢的角度探究QS 对好氧颗粒污泥稳定性的影响。Zhang等的研究发现，在AGS结构逐渐失稳的过程中，ATP的含量会随着AHLs 浓度降低而降低。同时当EPS 合成受阻时，QS 则通过增强ATP 的合成来提升颗粒稳定性。张智明发现，投加AHLs 的系统中污泥的ATP 含量是空白对照组的10 倍。以上研究均表明，系统中AHLs型QS能有效调控微生物ATP的合成，ATP同时为EPS 的分泌供给能量，间接维持颗粒的稳定性。

在进一步探究QS 效应信号分子对颗粒污泥稳定性的影响及作用机理的过程中，部分学者尝试投加干扰物质以抑制、减少信号分子的分泌。Lyu等投加香草醛以抑制AGS 系统中AHLs 的产生，过程中颗粒污泥的PN 含量明显降低，AGS 逐渐解体。Li 等向成熟的AGS 系统中投加AHLs 降解酶致使AHLs失活，同时微生物附着能力降低，颗粒结构恶化。

综上所述，QS 信号分子的浓度对颗粒的形成与稳定起着重要的影响，高浓度的信号分子有助于颗粒结构的稳定，因此有研究尝试外源添加信号分子的途径修复解体的AGS。胡远超向解体的AGS 系统中加入AHLs，经修复后的解体污泥颗粒结构逐渐规则完整，颗粒密度、疏水性显著提升。由此，对微生物群感效应及信号分子展开深入研究，对好氧颗粒污泥的长期稳定运行有着重要意义。

2 提高好氧颗粒污泥稳定性的策略与方法

2.1 调整曝气

众所周知，曝气是好氧颗粒化过程中最重要的操作条件之一。SBR反应器独有的间歇操作模式使得在饱食期和饥饿期内微生物生理特性与动力学特征有所不同，在饱食期碳源的快速降解比在饥饿期需要消耗更多的氧气，同时饥饿期的溶解氧接近饱和值，饥饿期内微生物对氧气的利用率低。因此，需要在运行的不同阶段提供不同的溶解氧与剪切力，以维持颗粒的稳定性。Liu 等研究了在饥饿期减少曝气对好氧颗粒污泥SBR 反应器运行性能的影响，研究证明，减少曝气量后的三个月内好氧颗粒污泥仍然能保持稳定运行；在之后的进一步研究中，Liu 等发现，饥饿期内调整曝气，颗粒的沉降性能不受影响，但形态发生变化，这表明在饥饿期间，微生物群落会调整其种群和种类，以适应较低的DO浓度和剪切力。通过缩短曝气能保持颗粒稳定运行，同时减少了大量的能源消耗。Zhang等采用了一种在饥饿期阶梯降低曝气的方式提升了颗粒稳定性同时降低了能耗，研究中利用PCR及荧光原位杂交技术（FISH）技术对微生物分布进行了检测，过程中香农多样性指数显著增加，小月菌属（）、红细菌属（）等微生物占比均明显提高，而这些微生物普遍存在于性能稳定的颗粒污泥中。另一方面，Chen等在内循环膜生物反应器（IC-MBR）中研究了短期曝气对颗粒运行过程的影响。颗粒成熟并长期运行一年后，颗粒粒径较小，当提供短时间曝气后，反应器中的微生物群落发生了明显改变，颗粒表面疏水性增加，促进了丝状菌生长，同时颗粒迅速重塑为结构紧凑、边缘清晰的大颗粒，这有助于AGS 长期稳定地运行。

2.2 改变进料方式

SBR反应器常见的运行模式包括完全的好氧反应与先厌氧进料随后进行反应。不同的进料方式会带来不同的底物扩散速率与微生物消耗速率，这将影响生物膜内的底物梯度，进而决定了生物膜的稳定性。目前已有大量的研究表明，厌氧慢进料对AGS的稳定运行具有一定的帮助。Yuan等对比了厌氧进水5min后曝气（R）与厌氧进水60min后曝气（R）两种不同方式对AGS稳定性的影响，长期运行中发现，R中颗粒松散不规则，生物量浓度随着运行逐渐降低，而R中颗粒饱满紧凑，同时R中具有更高的群落丰富度与多样性，这可能是由于厌氧期的延长有利于AGS 中厌氧区的形成，进而形成致密的颗粒结构。结果证明，延长厌氧期有助于颗粒的稳定性。Iorhemen 等在研究中发现，长期的厌氧缓慢进料过程有利于进水中碳的吸收，使细菌在饥饿期内能够利用所储存的碳，进而抑制了异养菌的活性，提升了颗粒的稳定性，这与1.4 节中的观点一致。与此同时，有学者提出了不同的看法。在最近的报道中，Carrera等研究对比了完全好氧进料（R）与厌氧进水后好氧反应（R）两种方式对处理高盐度废水的影响，结果表明，随着OLR 与盐度的变化，R中的颗粒几乎不受影响，而R中的颗粒却难以适应进水盐度的波动变得不稳定，另外发现R对有机物的去除效果更好，实验说明了厌氧进料的方式虽有助于废水的处理效果，但对颗粒的稳定运行并无帮助，这与先前Thwaites 等的研究结论相似。因此，实际应用中采用何种进料方式，需要综合考虑到处理水类型、底物种类、反应器结构等诸多因素的影响。

2.3 添加载体颗粒

在好氧颗粒污泥培养过程中，通过投加载体颗粒可以加速AGS 成型的过程，这是由于AGS 中含有的SiO、Fe 等无机物质，可在AGS 形成时为微生物黏附提供晶核，促进颗粒化过程。根据X射线荧光分析，在颗粒成型后晶核与EPS 一同增强了AGS的稳定性，为应用载体颗粒提高好氧颗粒稳定性提供理论基础。常见的投加载体包括粉末活性炭、聚合氯化铝（PAC）、颗粒活性炭（GAC）、磁性纳米颗粒（MNPs）等。魏燕杰等证明，投加粉末活性炭能强化系统水力选择压，提升污泥的强度，调节污泥浓度与粒径大小，避免因传质阻力引起的颗粒内部分裂，从而有助于AGS 系统持久维持稳定。梁梓轩等对比了PAC、GAC、MBF三种不同的载体对颗粒污泥结构特性的影响，结果证明，投加PAC 和GAC 的颗粒结构致密，这是由于PAC 强化型颗粒形成了“蛋白外壳-β 多糖内核双层构造”，而GAC促进颗粒内部形成高密度蛋白包裹的颗粒活性炭。另外，三组投加载体均可以显著提升AGS抗水力剪切能力。Li等通过选择性排泥结合投加GAC 的方式进行快速颗粒化，过程中发现，GAC 的加入有利于细菌细胞的附着生长，同时能产生沉降速度快、泥水分离性能显著改善的颗粒污泥。在最新的研究中，Liang 等针对GAC 对AGS 的细胞外聚合物和结构稳定性进行研究并发现，投加GAC 的好氧颗粒EPS 中的蛋白质含量明显升高，β-多糖维持了颗粒的外层结构，PN 则维持颗粒的内层结构。

另一方面，投加载体颗粒还能通过抑制污泥中丝状细菌和藻类的生长来提高AGS 的稳定性。Li等通过在反应器中投加干污泥微粉抑制了膨胀污泥中丝状菌的生长，微粉运动产生的摩擦力增加迫使向外伸展的丝状物收缩以形成颗粒。Liang等研究了投加MNPs 对颗粒化过程的影响，实验证明MNPs能抑制丝状菌的生长，提高颗粒的致密性，从而改善AGS的性能。进一步的研究还发现，MNPs 的添加提升了颗粒EPS 中蛋白质和多糖的含量，显著提高了颗粒表面疏水性。另有报道称，投加载体的另一优势是当AGS 老化和解体时，载体能够使分解的小絮体迅速重新凝聚，从而快速形成新的颗粒。

2.4 选择生长缓慢的微生物

如1.4 节所述，生物膜的稳定性与微生物的生长速度、微生物结构密切相关。生长缓慢的微生物对生物膜的密度和稳定性有积极的影响，当异养菌生长过快时，生长缓慢的细菌在竞争中被淘汰，AGS 中功能微生物数量减少，不仅降低了去除效果，稳定性也随之变差。目前常见的选择生长缓慢微生物的途径包括逐步提升进水氨氮浓度、采用厌氧进料及选择性排泥。

孙寓姣等利用FISH检测出AGS呈层状结构，同时生长缓慢的AOB 主要分布在颗粒表层，NOB多分布在内层，可通过逐步提升进水氨氮负荷来选择富集AOB。Xia 等通过逐步提升进水氨氮浓度的方式对AGS 的稳定性进行研究，随着NH-N 浓度的增加，硝化细菌活性和颗粒粒径显著增加并达到平衡，氨氮、总氮的去除效果优越同时颗粒的沉降性能显著提高。Wang 等在研究中发现，高浓度与低浓度的NH-N 均不利于AGS 的稳定，前者抑制了硝化菌的活性，后者导致丝状菌大量生长。但逐步提升NH-N 浓度，却能筛选富集生长缓慢的细菌，抑制丝状菌的生长。

另一方面，De Kreuk等提出了在曝气阶段前延长厌氧缓慢进料时间的方式来选择富集反应器中的聚磷菌，将底物以PHB 的形式储存，有助于微生物在好氧阶段利用储存的碳源缓慢生长，不仅提升了对污染物的去除能力，也增强了AGS 的稳定性。Sheng 等的研究发现，每天按10%的比例从反应器中排出疏松的污泥絮体可能为不同的微生物提供不同的生物生态位。因此，选择性污泥排放会对密度高、生长缓慢的微生物起到筛选作用。Zhang 等通过采用不同的污泥排放模式，限制颗粒的直径，排放出成熟的较大颗粒，积累较小颗粒，同时反应器好氧、厌氧、缺氧交替运行，选择富集了生长缓慢的AOB、NOB 等微生物，确保了颗粒污泥的长期稳定。

2.5 减小传质阻力

一般认为，好氧颗粒污泥呈层状分布，颗粒中存在着许多孔隙与通道。外部的溶解氧和营养基质通过孔隙传送到颗粒内部，同时，微生物将代谢产物输送到外界。当这些孔隙缩小时，颗粒内部便会出现传质限制，阻碍了颗粒内部营养物质和DO的利用，生物反应受限，同时有毒害的代谢产物积聚，AGS 的活性减弱，其稳定性也将随之降低。研究表明，颗粒的孔隙随着AGS 粒径的增大而逐渐缩小，因此大粒径颗粒通常具有较高的传质阻力。Liu 等发现，在传质受阻情况下，颗粒的内部将形成厌氧层，同时饥饿条件会加剧微生物对底物的竞争。Farooqi 等在中试规模的SBR 反应器中培养出了粒径达到2～4mm 的颗粒，随着粒径的增加，传质阻力变大，厌氧区扩大，由于缺乏营养物质最终颗粒污泥解体。Zhang 等的研究表明，AGS 的粒径小于1mm 时，更有利于其长期稳定运行。

由此可见，通过合理的手段控制颗粒粒径以减小传质阻力，对于AGS工艺的稳定运行至关重要。鉴于此，越来越多的研究专注于AGS 生长粒径的控制，并取得了一定的成效。Iorhemen 等保持污泥龄不变，通过定期排放反应器底部老化、成熟的颗粒，使得新旧颗粒良好混合，对系统内粒径的维持有帮助。Zhou 等通过在反应器内部添加漏斗型筛网，对大颗粒选择性地施加剪切力以优化颗粒尺寸分布，成功限制了大颗粒的过度生长，实现了反应器中AGS 的稳定运行。Feng 等在反应器中采用了一种带有刺状物的曝气装置，反应过程中大颗粒会与尖刺不停地碰撞、摩擦而受到限制，最终成功将系统中的平均粒径控制在300μm 左右。Long 等通过人工筛分最优粒径的方法，提高了反应器中2～3mm 粒径颗粒的比例，使得系统的稳定性大大提升。Cao等在反应器中设置不同孔径的筛网，对比发现，设有2.5mm网孔筛反应器中的颗粒大小保持在最佳范围内，颗粒污泥具有最好的沉降性能，同时成熟颗粒的结构紧密，污染物去除效果也最佳。综上所述，合理地控制AGS的粒径，限制大颗粒的过度生长，对好氧颗粒污泥的长期稳定运行具有一定的帮助。

3 结语

随着过去二十余年的发展，好氧颗粒污泥技术逐渐发展成熟并走向实际应用，然而长期运行易失稳的缺点成为其推广的阻碍，亟需进一步优化及改善，在工程应用中维持其结构的长久稳定，防止出现污泥上浮、沉降性能变差、颗粒解体、处理效果恶化等问题，仍然是好氧颗粒技术在工业化应用中的关键。从宏观角度看，反应器构型、运行方式、进水体系是影响其稳定性的主要因素，同时也受到颗粒结构、微生物群落等微观因素的调控。

就目前而言，AGS技术仍被重点应用于生活污水的处理中，然而工业废水成分复杂，同时含有大量的特定物质，需要选择富集不同类型的生物菌种，成为AGS 技术面临的一大挑战。因此，该技术未来的发展方向与研究重点应包括：①继续深入探究AGS的形成机理，同时对EPS进行更好地分离与表征；②利用现代基因组学工具，进一步探究群感效应分子与AGS 稳定结构的相关性，同时探究EPS的产生与某些特定微生物种群的关联；③针对不同的处理对象（如工业废水），利用基因工程培养、选择特定的工程菌种，为处理特定污染物废水提供理论依据；④深入了解AGS 中微生物生态学与颗粒稳定性的详细机制，以推广AGS 技术的工业化应用。