活性污泥法直接升级成好氧颗粒污泥工艺的可能性：生物强化除磷污水厂的潜力
谈及污水处理界的创新技术， 必然少不了好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge，简称AGS）。它是近几年里曝光率最高的明星工艺之一。好氧颗粒污泥(AGS)是在特定环境条件下微生物之间自发形成的颗粒状生物聚合体，粒径大于0.2mm，小的颗粒介于0.2-1mm之间，大的颗粒可达3mm。它是一种生物膜的特殊存在形式。
这种技术跟传统活性污泥方法相比，其特点是沉降性能更出色，完全由生物质组成，无需支撑载体，污泥浓度高，无污泥膨胀。理论上每一颗颗粒污泥就是一个微型的生物反应器，其构造使其能在一个微小颗粒实现去除COD 和脱氮除磷，因而能实践曝气和沉淀在同一反应池完成的操作理念，能耗更低而且无需投加化学药剂，并且占地更小，降低了建造和运行成本。
在好氧颗粒污泥工艺(AGS)里，反应器一般以SBR的形式设计，颗粒污泥的内部结构是分为好氧和厌氧/缺氧层的，所以脱氮除磷和COD的去除是同时进行的。另外，颗粒污泥反应器可以在更高的生物质浓度下运行，提高了负荷率，又能维持较长的SRT来完成稳定的硝化反应，防止亚硝酸盐的积累而产生毒性。如果设计运行得当，好氧颗粒污泥系统能在低DO值下运行，从而减少能耗。
虽然当前的文献显示厌氧进料并不是必要条件，但它是形成好氧颗粒污泥的关键一步。目前最常见的好氧颗粒污泥工艺(AGS)都是自带生物强化除磷(EBPR)和硝化/反硝化能力的。研究污水处理的专家感到好奇的是：是因为污泥结构造就了AGS的EBPR能力呢？还是除磷菌促进了颗粒污泥的形成？EBPR和AGS之间究竟存在什么关联呢？这个问题价值连城。因为如果目前的污水厂仍以传统活性污泥法为主，如果这些污水厂能改造培养出好氧颗粒污泥，将意味着无需新增占地的情况下，大大提高污水厂的处理能力。
美国华盛顿大学和香港理工大学的联合团队调查了13座含有EBPR工艺和4座没有EBPR工艺的活性污泥法污水厂，对其污泥样品进行分析，内容包括颗粒/絮状污泥的比例、相对大小以及微生物群落组成。目的是要考察：
是否能在连续进水且低SVI值的生物强化除磷EBPR污水厂里找到颗粒污泥？
颗粒污泥是否和PAOs/GAOs菌的丰度有关联性？
研究团队从13座EBPR污水厂收集曝气池出口的混合液体样品，然后连夜冷冻运至华盛顿大学。他们还对其中三座污水厂进行第二次样品的采集。所有污水厂都会提供工艺流程图、运行条件和进出水的数据信息。13座污水厂的水样参数如下表所示。
其他数据他们通过实验获得数据，例如TSS、VSS以及SVI5和SVI30。颗粒污泥百分比通过对混合液过筛来测定，筛网孔径为212μm。其次他们会用显微镜辨认颗粒污泥和惰性杂质，用Neisser法染色辨认PAOs菌。微生物群落分析方面，他们分别从颗粒污泥和絮状污泥提取DNA，然后做量化PCR分析，从中获取各种生物信息。
图2. a.颗粒污泥比例和SVI值的相关分析; b.颗粒污泥比和SVI5/SVI30比值的相关分析
此外，他们发现颗粒丰度和缺氧/厌氧选择器的设计有关。CFAS污水厂里的缺氧和厌氧区一般用于抑制好氧丝状菌的生长。在AGS工艺里，厌氧区一般会有较高的F/M比，使得易降解的COD通过扩散传质作用进入颗粒内部，同时也加速颗粒化进程，提高颗粒的稳定性。虽然研究者没有在13座EBPR污水厂看到F/M比和颗粒丰度的相关性，但F/M值最高的Henderson污水厂的颗粒丰度是最高的。因此，他们猜测含有以下特征的缺氧/厌氧池有助于颗粒污泥的形成：1. 高厌氧F/M比；2. 不搅拌发酵；3. 可溶COD比例高。
图3. 混合液样品的立体显微镜图像，6倍放大倍数，比例尺为500μm，a至h的颗粒比分别为80.2%、515.%、29.3%、17.4%、15%、5.6%、3.3%、0%。
生物群落分析显示，Accumulibacter PAO菌和Competibacter GAO菌在颗粒污泥中的丰度高于絮状物。他们的分析结果也印证了PAOs和GAOs菌这两种生长缓慢的异养菌对生成颗粒的重要性。他们认为下一步的研究工作是了解PAO/GAO在胞外聚合物(EPS)的释出的作用。这将有助认识如何在CFAS系统中生成好氧颗粒污泥。
在西雅图著名的探索公园旁边，有一个叫West Point的污水厂。为了保护周围的海洋生态环境，该污水厂在未来几年将面临更加严格的氮排放标准。
图4. West Point污水厂目前使用的还是传统的活性污泥法工艺
如果还要沿用传统的处理工艺，需要新增土地和运行费用。但大家可以看到，West Point污水厂周边没有空间扩建了。因此，他们把目光投到了好氧颗粒污泥工艺身上。这篇文章的通讯作者、华盛顿大学的Mari Winkler教授就参与了West Point污水厂改造调研项目。这篇文章的结果也为West Point污水厂升级改造给予了信心。