談及污水處理界的創新技術， 必然少不了好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge，簡稱AGS）。它是近幾年里曝光率最高的明星工藝之一。好氧顆粒污泥(AGS)是在特定環境條件下微生物之間自發形成的顆粒狀生物聚合體，粒徑大于0.2mm，小的顆粒介于0.2-1mm之間，大的顆?？蛇_3mm。它是一種生物膜的特殊存在形式。
這種技術跟傳統活性污泥方法相比，其特點是沉降性能更出色，完全由生物質組成，無需支撐載體，污泥濃度高，無污泥膨脹。理論上每一顆顆粒污泥就是一個微型的生物反應器，其構造使其能在一個微小顆粒實現去除COD 和脫氮除磷，因而能實踐曝氣和沉淀在同一反應池完成的操作理念，能耗更低而且無需投加化學藥劑，并且占地更小，降低了建造和運行成本。
圖1. 顆粒污泥(左)和絮狀污泥(右)顯微鏡圖對比
在好氧顆粒污泥工藝(AGS)里，反應器一般以SBR的形式設計，顆粒污泥的內部結構是分為好氧和厭氧/缺氧層的，所以脫氮除磷和COD的去除是同時進行的。另外，顆粒污泥反應器可以在更高的生物質濃度下運行，提高了負荷率，又能維持較長的SRT來完成穩定的硝化反應，防止亞硝酸鹽的積累而產生毒性。如果設計運行得當，好氧顆粒污泥系統能在低DO值下運行，從而減少能耗。
雖然當前的文獻顯示厭氧進料并不是必要條件，但它是形成好氧顆粒污泥的關鍵一步。目前最常見的好氧顆粒污泥工藝(AGS)都是自帶生物強化除磷(EBPR)和硝化/反硝化能力的。研究污水處理的專家感到好奇的是：是因為污泥結構造就了AGS的EBPR能力呢？還是除磷菌促進了顆粒污泥的形成？EBPR和AGS之間究竟存在什么關聯呢？這個問題價值連城。因為如果目前的污水廠仍以傳統活性污泥法為主，如果這些污水廠能改造培養出好氧顆粒污泥，將意味著無需新增占地的情況下，大大提高污水廠的處理能力。
美國華盛頓大學和香港理工大學的聯合團隊調查了13座含有EBPR工藝和4座沒有EBPR工藝的活性污泥法污水廠，對其污泥樣品進行分析，內容包括顆粒/絮狀污泥的比例、相對大小以及微生物群落組成。目的是要考察：
是否能在連續進水且低SVI值的生物強化除磷EBPR污水廠里找到顆粒污泥？
顆粒污泥是否和PAOs/GAOs菌的豐度有關聯性？
采樣方法
研究團隊從13座EBPR污水廠收集曝氣池出口的混合液體樣品，然后連夜冷凍運至華盛頓大學。他們還對其中三座污水廠進行第二次樣品的采集。所有污水廠都會提供工藝流程圖、運行條件和進出水的數據信息。13座污水廠的水樣參數如下表所示。
表1. 13座EPBR污水廠的參數概況。JHB指約翰內斯堡工藝，指回流污泥先進入缺氧區再進入第一個厭氧區；Cashmere, Crooked Creek, Henderson East & West沒有初級處理；Idaho Falls會接收麥芽廠的污水；Cashmere會接收水果加工廠的污水；Ballenger McKinney位于馬里蘭州，工藝是MBR，接收甘油作為額外碳源
其他數據他們通過實驗獲得數據，例如TSS、VSS以及SVI5和SVI30。顆粒污泥百分比通過對混合液過篩來測定，篩網孔徑為212μm。其次他們會用顯微鏡辨認顆粒污泥和惰性雜質，用Neisser法染色辨認PAOs菌。微生物群落分析方面，他們分別從顆粒污泥和絮狀污泥提取DNA，然后做量化PCR分析，從中獲取各種生物信息。
結果討論
結果顯示，13座EBPR污水廠里都發現了顆粒污泥。顆粒污泥比例在0.5%-80%之間，SVI30在39-209mL/g之間。另外4座非EBPR污水廠里，除了Pasco污水廠之外，其他3座沒有污泥顆粒。而Pasco污水廠的樣品顯示，SVI值和顆粒污泥比呈負相關，但沒有檢出PAOs菌。13座EBPR污水廠也有這情況。如下圖2所示SVI值更低的污水廠有更高的顆粒豐度。
傳統的連續式活性污泥工藝(CFAS)不是為了顆?；O計的，所以大部分顆粒粒徑小于0.5mm。因為顆粒小，不明顯，此前人們往往忽略了它們。過去人們以為在CFAS污水廠看到的顆粒多為進水的惰性顆粒物雜質，之前的顯微鏡觀察主要針對絲狀菌，100倍的放大倍數是看不到顆粒污泥的，6-20倍的放大倍數更為合適。
圖2. a.顆粒污泥比例和SVI值的相關分析; b.顆粒污泥比和SVI5/SVI30比值的相關分析
此外，他們發現顆粒豐度和缺氧/厭氧選擇器的設計有關。CFAS污水廠里的缺氧和厭氧區一般用于抑制好氧絲狀菌的生長。在AGS工藝里，厭氧區一般會有較高的F/M比，使得易降解的COD通過擴散傳質作用進入顆粒內部，同時也加速顆?；M程，提高顆粒的穩定性。雖然研究者沒有在13座EBPR污水廠看到F/M比和顆粒豐度的相關性，但F/M值最高的Henderson污水廠的顆粒豐度是最高的。因此，他們猜測含有以下特征的缺氧/厭氧池有助于顆粒污泥的形成：1. 高厭氧F/M比；2. 不攪拌發酵；3. 可溶COD比例高。
圖3. 混合液樣品的立體顯微鏡圖像，6倍放大倍數，比例尺為500μm，a至h的顆粒比分別為80.2%、515.%、29.3%、17.4%、15%、5.6%、3.3%、0%。
生物群落分析顯示，Accumulibacter PAO菌和Competibacter GAO菌在顆粒污泥中的豐度高于絮狀物。他們的分析結果也印證了PAOs和GAOs菌這兩種生長緩慢的異養菌對生成顆粒的重要性。他們認為下一步的研究工作是了解PAO/GAO在胞外聚合物(EPS)的釋出的作用。這將有助認識如何在CFAS系統中生成好氧顆粒污泥。
研究價值
在西雅圖著名的探索公園旁邊，有一個叫West Point的污水廠。為了保護周圍的海洋生態環境，該污水廠在未來幾年將面臨更加嚴格的氮排放標準。
圖4. West Point污水廠目前使用的還是傳統的活性污泥法工藝
如果還要沿用傳統的處理工藝，需要新增土地和運行費用。但大家可以看到，West Point污水廠周邊沒有空間擴建了。因此，他們把目光投到了好氧顆粒污泥工藝身上。這篇文章的通訊作者、華盛頓大學的Mari Winkler教授就參與了West Point污水廠改造調研項目。這篇文章的結果也為West Point污水廠升級改造給予了信心。
另一位作者，也是來自華盛頓大學的David Stensel教授表示：“這是一種全新的工藝方案，之前沒有人將它用到升級改造項目中?！?他們認為在傳統絮體處理系統中加入顆粒污泥是一種理想的結合。因為相比顆粒污泥，絮體能更好地捕獲一些小型顆粒物，而顆粒污泥能用更小的占地面積完成脫氮除磷。去年9月他們已經在West Point開始中試實驗，合作方包括了美國公司Ovivo以及洛杉磯縣衛生局。
圖5. Mari Winkler教授和他們團隊培養的污泥
小結
這篇文章的研究顯示了傳統活性污泥污水廠中的顆粒污泥和強化生物除磷工藝之間的關聯性，通過選擇地保留緩慢生長的異養菌，或者能夠分泌EPS的微生物，都會促進好氧顆粒污泥的形成。一方面這意味著增加好氧顆粒污泥的應用范圍的潛力，另一方面也為現有的基于活性污泥法的污水廠的升級改造提供了全新的解決思路。
參考資料
Flocs in disguise? High granule abundance found in continuous-flow activated sludge treatment plants, Stephany P. Wei, H. David Stensel, Bao Nguyen Quoc, David A. Stahl, Xiaowu Huang, Po-Heng Lee, Mari-K.H. Winkler, Water Research 179 (2020) 115865