清华大学环境学院王凯军团队WST：连续流好氧颗粒污泥的研究进展和应用现状

物理选择压：物理选择压是指直接导致污泥物理性质——包括沉降速度、粒径和密度——发生变化的条件。

设置短停留时间的沉淀区或者串联外部的污泥选择器是引入基于沉降速度的选择压的常见策略。浙江工业大学的李军老师课题组提出的“双区沉淀池”，即采用两级沉淀系统，沉降速度快的好氧颗粒污泥在第一级沉淀区沉降后回流到系统中，而沉降速度慢的絮状污泥则在第二级沉降后以剩余污泥的形式排出系统，成功培育了能够高效去除碳氮磷、且长期稳定的连续流好氧颗粒污泥。

水力旋流器通过在底流中集中密度较高的污泥，同时在溢流中分离出密度较低的污泥，从而引入基于污泥密度的选择压。研究表明，水力旋流器能有效提高污泥的密度、增强微生物活性。然而，水力旋流器产生的离心力和剪切力也会导致微生物聚集体解体，使得污泥粒径减小，沉降性能降低。此外，筛网能够引入基于污泥粒径的选择压，尺寸较小的污泥通过筛网并随流出物排出，而尺寸较大的污泥被保留并定期返回系统。

丰盛-饥饿条件：丰盛-饥饿条件本质上是一种引发微生物种群变化的压力，也被称为微生物选择压。在连续流反应器中，由于整体或局部完全混合的特性，难以形成丰盛-饥饿条件。设置挡板或串联多个反应器以创造丰盛区和饥饿区是连续流好氧颗粒污泥研究中常用的策略。弗吉尼亚理工大学的王智武老师课题组就是采用的后者。除了改良反应器构型，动态进料也是创造丰盛-饥饿条件的方法之一。

生物强化：研究表明，接种成熟的好氧颗粒污泥、具有特定功能的菌种（如具有絮凝功能的反硝化TN-14菌或菌丝球）、脱水污泥或厌氧颗粒污泥、投加金属离子或载体，均可加速好氧颗粒污泥的形成，从而缩短连续流好氧颗粒污泥反应器的启动时间。此外，与序批式反应器中的研究不同，侧流供给型生物强化是连续流反应器研究中特有的生物强化策略。然而，尽管这种策略已经成功应用于厌氧氨氧化领域，侧流SBR中培育的成熟好氧颗粒污泥接种到连续流反应器中往往要先经历解体阶段，随后在适宜的条件下才会重新形成颗粒污泥。

膜生物反应器：与活性污泥相比，好氧颗粒污泥形成的生物膜孔隙率更高，可降低结垢倾向，从而缓解膜污染。研究表明，在膜生物反应器中，经历丝状膨胀后能形成好氧颗粒污泥。然而，也有研究表明，仅当膜生物反应器中额外投加载体或采用间歇进料策略时才能形成颗粒污泥。这些发现表明，在膜生物反应器中，为了促进污泥颗粒化，结合其他的颗粒化策略是必要的。

连续流好氧颗粒污泥应用现状

据统计，截止到2021年，全球范围内已有八座污水处理厂应用了连续流好氧颗粒污泥工艺，而且都是基于原有活性污泥工艺的升级改造。改造主要有三个目的：（1）改善污泥的沉降性能以提高出水质量或提高二级生物处理在冬季和雨天的处理能力；（2）强化生物除磷，提高出水水质，减少化学除磷剂的应用；（3）节能降耗，减少碳排放，提升能量效率。处理规模从189 m³/d到7.6×10⁴ m³/d。污水处理工艺包括Bardenpho、BIOCOS、MLE、AO及A²O工艺。这表明连续流好氧颗粒污泥的应用几乎不受处理规模和原有工艺的限制。尽管在实验室中已经开发出了很多种创新的反应器构型和颗粒化策略，但在已有应用案例中，实现连续流好氧颗粒污泥的手段只有两种。

水力旋流器：2015年，为应对沉降性差和除磷性能不稳定的问题，James River污水处理厂安装了8个水力旋流器，以将现有的活性污泥工艺升级为连续流好氧颗粒污泥工艺。运行数据表明，这一改造显著提升了生物除磷性能，进而减少了氯化铁的使用量。同时，颗粒污泥的占比从原先的0%大幅上升至24%-40%，污泥密度也由1.05 g/mL提升至1.07 g/mL。然而，值得注意的是，污泥的沉降性并未得到明显改善，SVI₃₀值保持在144.1 mL/g。另外，水力旋流器引入的离心力和剪切力过大，导致聚集体瓦解和破碎，使得临界沉降速度大于1.5 m/h的聚集体占比从86%降低到47%。

另一方面，在Kunming污水处理厂、Urbanna污水处理厂、James R.Dolorio回用水厂和Wroclaw污水处理厂的应用案例中，水力旋流器确实改善了污泥沉降性能，并提高了颗粒污泥的占比和污泥密度。然而，这种改善效果似乎是暂时的，因为这些污水处理厂依然会遭遇到季节性的丝状膨胀问题。

Robert W. Hite污水处理厂在安装水力旋流器的同时，还引入了厌氧选择器，使得污泥粒径增大，沉降速度显著提高。然而，当厌氧选择器的F/M比从0.18降低到0.13 mg rbCOD/mg VSS时，污泥粒径减小，沉降性能恶化。

这些实际案例表明，水力旋流器的应用确实能够提升沉降和生物营养物去除性能。然而，如何确保系统的长期稳定性和有效应对季节性丝状生长，依然是摆在我们面前的重要课题。而采用具有高F/M比的厌氧选择器，或许能为我们提供一种有效途径。

微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器：2021年4月，为了达到更加严格的出水标准，河北省某城市污水处理厂采用微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器，将其生物处理系统中的一条生产线（AAO工艺）改造为连续流好氧颗粒污泥工艺，设计规模为25 000 m³/d。在原缺氧池中安装曝气设备，将其改造为微氧池。同时，在好氧池中安装三相分离器。接种活性污泥启动一个月后，观察到了表面光滑、轮廓清晰的好氧颗粒污泥。在稳定运行阶段，污泥平均粒径为138.5 μm，其中粒径>200 μm的占比达28.9%，平均出水COD、NH₄⁺-N和TN浓度分别为25.5、0.5和10.1 mg/L。污泥沉降性能良好，SVI₅和SVI₃₀分别稳定在68.2和56.8 mL/g，而且丝状菌没有季节性地生长，冬季SVI₃₀仍小于80.0 mL/g。值得注意的是，该构型无需二沉池，省却了污泥回流，从而显著节省了占地面积，并减少了运行能耗。

其他：在Moorfield污水处理厂投加红麻，并通过滚筒筛回收剩余污泥中的红麻，培养得到了以红麻为载体、粒径主要是0.6-1.4 mm的颗粒污泥，该红麻型颗粒污泥SVI₃₀<50 mL/g，出水TN<11 mg/L，TP<1.6 mg/L。与常规好氧颗粒污泥不同，荧光原位杂交结果表明红麻-颗粒污泥中氨氧化菌、硝化菌和聚磷菌聚集生长在外表层50-60 µm处，没有形成分层分布的结构，该研究认为可能是由于系统设置了独立的厌氧、缺氧和好氧区，单个颗粒中分层分布是不必要的。