A3：科技智慧
一、导言
好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术是污水处理领域的一项革命性创新，其核心在于通过微生物的自凝聚能力，在无需载体的情况下形成致密、高效的颗粒状生物膜。这项技术凭借其优异的污泥沉降性能、显著减少占地面积、大幅降低能耗、污染物高效同步去除能力，正深刻改变传统污水处理工艺技术格局。AGS系统在同一个反应器内实现有机物、氮、磷等污染物同步去除及固液分离，极大简化了工艺流程。本报告深入剖析好氧颗粒污泥的形成机制与特性、形态与结构特征、机理、影响因素，并详细阐述序批式（Sequencing Batch Reactor, SBR）和连续流（Continuous Flow Reactor, CFR）系统中的设计、运行控制及实际工程应用案例。
二、颗粒形成与特性
2.1 定义
好氧颗粒污泥定义：以微生物来源构成的生物膜聚集体，具有在低水力剪切力的情况下不发生絮凝，比传统活性污泥具有更快的沉降速度的特点。这定义强调AGS的三个关键属性：首先，其本质是微生物的自聚集体，无需外部载体即可形成稳定的结构；其次，与传统活性污泥絮体不同，AGS在低剪切力条件下仍能保持离散的颗粒形态，不会发生絮凝；最后，其沉降速度远超传统活性污泥，这是实现紧凑型污水处理的关键。
活性污泥与好氧颗粒污泥对比图
图源：AquaNereda_Presentation_WWOA_Lake_Michigan
粒径：AGS的最小粒径通常为0.2mm，其中SBR-AGS典型范围为0.3～2.5mm，CFR-AGS粒径≤1mm。
密度：约 1035±14 kg /m3。
好氧颗粒污泥粒径图
图源：Aerobic Granular Sludge_ASPIRE HongKong 2019—Mark Van Loosdrecht
污泥容积指数（Sludge Volume Index, SVI）：SVI50是指污泥混合液经50分钟静沉后，1克干污泥所占的容积（单位：mL/g）；同理，SVI5是分钟静沉后1克干污泥所占的容积；该指标是用来衡量活性污泥沉降性的关键指标。通常AGS的SVI50＜60 mL/g，且SVI5/SVI50比值接近1.0，该指标量化了AGS卓越的沉降性能。此外，颗粒污泥还具备足够的物理强度，以承受反应器内水流的高剪切力，从而在动态水流中保持结构完整性。
活性污泥与好氧颗粒污泥沉降性对比图
图源：AquaNereda_Presentation_WWOA_Lake_Michigan
2.2 工艺技术原理
AGS技术核心是利用微生物自聚集形成高效颗粒状生物膜，无需外部载体。其创新性体现在：
单反应器:在同一反应器内完成有机物、氮磷去除及泥水分离，实现紧凑高效处理。
设计实现：①序批式（SBR）通过时间分隔创造厌氧/缺氧/好氧环境。一个典型的SBR循环包括进水、反应（曝气）、沉降和排水等阶段，这些阶段在时间上依次进行，从而在同一反应器内周期性地创造出厌氧、缺氧、好氧等不同的氧化还原环境，使得多种生物反应得以高效协同。②连续流（CFR）：通过空间设计模拟浓度梯度，维持颗粒稳定性，通过串联多级反应器、设置内部隔板或引入外部选择器等方式，CFR系统能够模拟SBR中底物和氧气的浓度梯度，并施加物理选择压力，从而在连续流条件下诱导和维持颗粒的生长 。
颗粒微环境优势：致密结构自然形成好氧外层（硝化）与缺氧/厌氧内层（反硝化/释磷），实现多反应同步进行。
革命性效益：较传统工艺减少50%占地与能耗，降低30%运行成本，成为可持续污水处理标杆技术。
2.3 形态与结构特征
好氧颗粒污泥（AGS）的主要形态与结构特征如下：
宏观形态：呈球形或类球形，结构致密，边界清晰，表面相对光滑，颜色多为棕色、棕黄色或白色。
尺寸范围：0.2毫米至6.8毫米不等，但在连续流反应器（CFR）中培养的颗粒平均尺寸通常小于1毫米（可能与低底物浓度有关）。
活性污泥与好氧颗粒污泥对比图
图源：AquaNereda_AGS_Technology_WhitePaper_2019
特殊结构：部分颗粒表面可能出现指状突起，降低其终沉降速度达27%，从而影响反应器内污泥浓度和床层稳定性。
AGS在微观结构上具有精密组织，核心为致密生物量聚集体，生物量浓度达35-50 kg/m3，沉降后污泥床中可达25 kg/m3。这种高密度结构使其沉降速度快，并能维持反应器内高生物量浓度。颗粒内部的分层结构是实现多功能集成的关键。外层为好氧区，富集好氧异养菌（OHO、PAO、GAO）和自养硝化细菌（AOB、NOB），负责有机物降解和氨氮硝化；内层因缺氧形成厌氧区，富集反硝化菌（DOHO、DPAO、DGAO）、厌氧氨氧化菌（Anammox）、聚磷菌（PAO），进行反硝化和磷释放。这种“智能分区”使复杂生物反应能微观同步进行。胞外聚合物（EPS）是维持AGS结构稳定性和细胞间连接的关键成分，主要由多糖、蛋白质等大分子构成。EPS形成微生物间的复杂网络，增强颗粒结构稳定性并促进细胞粘附，同时也是微生物应对环境压力（如饥饿、有毒物质）的保护机制。此外颗粒核心可能无细胞空隙，可能与内部扩散限制有关。
2.4 形成机制
好氧颗粒污泥的形成机制可归纳为三个关键环节：微生物自聚集、环境选择压力调控、底物代谢协同作用。
微生物自聚集机制： 微生物自聚集始于絮体阶段（Flocs）的微生物丝状菌（filaments）、杆菌（rods）、球菌（cocci）在选择压力（Selection pressure）、生长调控（Growth）因素驱动下，形成致密核壳结构（Microbial granule）。通过细胞表面疏水性增加实现可逆粘附。随后，胞外聚合物（EPS）作为“胶水”形成网络，促使不可逆聚集和生长，最终稳定微生物聚集体。EPS在维持颗粒结构稳定性起到关键作用。
好氧颗粒污泥形成机制
图源：Sarma, S.J. et al., 2017. Finding knowledge gaps in aerobic granulation technology
“饱食-饥饿”机制：“饱食-饥饿”策略是AGS（好氧颗粒污泥）形成的核心机制。通过周期性底物供应（如SBR或CFR系统），微生物在“饱食期”快速摄取底物（如乙酸盐）并转化为聚羟基脂肪酸酯（PHA）等储存物质；在“饥饿期”则消耗储存物PHA维持生长。这种策略使高效储存底物的微生物（如聚磷菌PAO、聚糖菌GAO）在竞争中占据优势，促进致密颗粒结构形成。
选择压力机制：
① 水力剪切力：颗粒形成的关键因素，它促进微生物运动、碰撞和EPS分泌，增强细胞疏水性，利于微聚集体形成。适当剪切力还能去除过长丝状菌，维持颗粒致密光滑的形态。
②沉降速度： AGS系统通过设定较短的沉降时间，选择性洗出沉降慢的生物量（如松散絮体和小颗粒），仅保留沉降速度快的颗粒，从而富集沉降性能优异的颗粒。
③厌氧进水选择：通过底部进水方式对颗粒污泥的形成和稳定起关键作用。使颗粒与高浓度进水充分接触，促进PAO/GAO等微生物高效储存底物。大颗粒因沉降速度快而优先接触底物，形成"强者更强"的正反馈循环。
④GFS/n-GFS比例：废水中颗粒形成底物（GFS，如挥发性脂肪酸、可厌氧转化的易生物降解底物）与非颗粒形成底物（n-GFS）的比例及饱食/饥饿比是决定污泥颗粒化能否从滞后阶段过渡到快速颗粒化阶段的关键因素。
⑤碎粒聚合： 颗粒生长到一定尺寸后会破碎成小碎片，这些碎片可作为新颗粒种子，加速颗粒化过程并跳过初始滞后阶段。
2.5 污染物去除
脱氮：硝化（自养菌）：① 氨氧化细菌（AOB）NH4+ → NO2-；②亚硝酸盐氧化细菌（NOB）：NO2- → NO3-；反硝化（异养菌）：NO3- → N2（释放至大气），包括①(D)OHO：(反硝化)普通异养菌/②(D)PAO：(反硝化)聚磷菌/③(D)GAO：(反硝化)聚糖菌。
除磷：厌氧阶段聚磷菌（PAO）摄取挥发性脂肪酸（VFA），以聚羟基脂肪酸酯（PHA）形式储存，同时分解聚磷酸盐释放PO43-；好氧/缺氧阶段：聚磷菌（PAO）氧化PHA，吸收过量PO43-并储存为聚磷酸盐（PP），本阶段除磷量较厌氧阶段高18%；反硝化聚磷菌（DPAO）可同步脱氮除磷，降低曝气与碳需求；聚糖菌（GAO）竞争碳源但不除磷，可通过调控高P:COD、低COD:N、高DO抑制其活性。
COD去除：好氧阶段普通异养菌（OHO）以O2为电子受体，将COD转化为CO2；缺氧阶段(反硝化)普通异养菌(DOHO)反硝化消耗COD；厌氧阶段聚磷菌（PAO）/聚糖菌（GAO）储存挥发性脂肪酸（VFA），即易生物降解COD（rbCOD）。
2.6 影响因素
好氧颗粒污泥的形成、维持、性能受多种因素的综合影响，具体如下：
易生物降解COD（rbCOD）： 影响颗粒稳定性。rbCOD的可用性对颗粒的形成和长期稳定性至关重要。研究表明，好氧rbCOD摄取占主导会导致丝状菌过度生长，进而引起颗粒不稳定、生物量流失 ；厌氧rbCOD摄取占主导促进AGS颗粒稳定。
有机负荷率（OLR）：影响颗粒强度和大小。低OLR形成小且致密的颗粒，高OLR产生大而脆弱的颗粒，过高则导致颗粒解体。
水力剪切力：对颗粒形成至关重要。低强度水力剪切力则引发丝状菌过度增殖和絮体问题；中强度能促进致密稳定结构生成，去除过长丝状菌并增强细胞粘附；高强度水力剪切力易致颗粒破碎。
沉降时间：短沉降时间是AGS实现颗粒选择的关键，通过控制沉降时间洗出沉降性能差的生物量（如絮体和小型颗粒），保留富集沉降性能好的颗粒。
水力停留时间（HRT）/SBR循环时间：短HRT、SBR循环时间利于悬浮生物量的洗出从而促进颗粒化过程。
进水模式：反应器底部在厌氧阶段以推流进水模式被证实比脉冲进水模式更能有效地将底物优先分配给大颗粒，从而显著增强颗粒化过程的稳定性和效率。
溶解氧（DO）浓度：DO浓度对颗粒内部的氧气渗透深度和厌氧区大小有决定性影响，进而影响同时硝化反硝化（SND）的效率和颗粒的稳定性。低DO浓度有利于节能和脱氮，但过低可能导致颗粒不稳定和丝状菌生长。
温度：①启动温度：在8℃下启动AGS反应器易导致颗粒结构不规则、生物量流失及运行不稳定，尤其在好氧rbCOD摄取占主导情况下更显著。策略：建议初始在20℃左右启动，待颗粒结构稳定后逐步降温，可提升系统稳定性与脱氮效能。②低温影响： 颗粒稳定后，其硝化受温度影响小于传统活性污泥（CAS），因生物膜结构及同步硝化反硝化（SND）能力可维持自养微生物活性。低温仍会降低脱氮除磷效率，尤其在碳源不足时。
污泥接种与强化：①接种：投加成熟颗粒污泥或特定功能菌可加速AGS启动，提高颗粒形成效率及稳定性。②强化：投加絮状污泥（作为生物核）或Ca2+（中和电荷），可促进颗粒快速形成并增强其稳定性和沉降性。
微生物群落组成：①PAO/GAO的丰度： 聚磷菌（PAO）和聚糖菌（GAO）是厌氧COD储存的关键功能菌群，其丰度直接影响AGS的稳定性和除磷效率。PAO促进颗粒结构致密化（通过聚磷代谢增强沉降性），提高系统除磷能力；GAO过度增殖可能削弱PAOs功能，导致除磷效率下降。②丝状细菌： 丝状细菌过度生长会导致颗粒结构松散、沉降性能差。
好氧颗粒污泥FISH分析图
图源：AquaNereda_Presentation_WWOA_Lake_Michigan
颗粒孔隙限制：颗粒的孔隙结构利于实现“空间分层代谢”，但致密结构会阻碍底物向内部扩散使代谢产物积累，降低核心微生物活性，可能影响反应效率（如硝化、除磷）。这种结构特性既是颗粒污泥能实现高效脱氮除磷的基础，也是工艺控制需要精确把握的关键参数。
好氧颗粒污泥分层传质示意图
图源：Nanchariaah, Y.V. et al, 2018. Aerobic granular sludge technology: Mechanisms of granulation and biotechnological applications
三、序批式工艺
3.1 工艺流程
序批式好氧颗粒污泥（SBR-AGS）工艺核心是所有工艺阶段均在同一个反应器进行，
主要包含如下阶段：
进水与滗水阶段（厌氧期）：反应器底部进水，上升水流推动沉降在底部的污泥床，出水从反应器顶部堰口排出。 底部进水促进高浓度进水与污泥床的充分混合，加速PAO/GAO对易降解COD的厌氧摄取与储存；上升水流通过流速控制实现污泥截留与清水排出，减少出水扰动，维持系统稳定性。
反应阶段（曝气期）：反应器底部的曝气器开始鼓入空气为系统提供氧气使颗粒污泥在整个反应器内充分混合并提供水力剪切力。主要进行有机物的好氧降解、氨氮的硝化反应。由于AGS颗粒内部存在氧气浓度梯度，即使在曝气期间，颗粒核心仍能维持缺氧环境，从而实现同时硝化反硝化（Simultaneous Nitrification-Denitrification, SND）。此外，聚磷菌（PAO）在此阶段利用储存的PHA进行磷的摄取，实现生物除磷。
沉降与排放阶段：停止曝气后颗粒污泥迅速沉降至反应器底部，在位于污泥床顶部的排放口排泥以去除系统中沉降性较差的污泥絮体。主要实现快速高效的固液分离，通过排泥控制以维持颗粒污泥在系统中的优势地位。
SBR-AGS工艺流程示意图
图源：Aerobic Granular Sludge Process Wolcott WWTP Unified Govt. of KCK - Lewes BPW Presentation by Brandon J. Coleman, PE
3.2 工艺控制
SBR-AGS系统主要运行控制参数如下：
污泥浓度（MLSS）：典型运行MLSS浓度为 8-15 g/L 。以österröd污水处理厂的稳定运行期，平均MLSS达到 8.8-9.1 g/L。
污泥体积指数（SVI）：AGS的SVI5接近SVI30，典型值在 30-60 mL/g 之间。以österröd污水处理厂的平均SVI30为 46-47 mL/g ，而同期CAS的SVI30为263 mL/g。
污泥停留时间（SRT）/颗粒停留时间分布（GRTD）：颗粒大小与SRT直接相关，大颗粒及核心生物量停留时间更长。österröd污水厂AGS系统平均SRT达28-66天。
体积交换比（VER）： 为每个循环进水容积与反应器总容积之比，通常范围35-55%。
曝气控制： 在线监测NH4+-N浓度当达到预设的设定点（例如2-3.5 mg/L）时停止曝气 ；曝气的溶解氧常规范围1.0-2.0 mg/L，冬季提升至2.5-3 mg/L以保障硝化效率。
SBR-AGS系统过程控制策略如下：
硝酸盐产率： 动态监测氨氮、硝酸盐、磷酸盐、溶解氧、氧化还原电位等多参数而调整溶解氧设定实现同步硝化反硝化（SND）最大转化以及最小能耗。
氮气脱气： 进水前短时曝气以去除过饱和溶解在污泥混合液中易导致污泥上浮的氮气。
四、连续流工艺
4.1 工艺流程
在连续流（CFR）系统中实现好氧颗粒污泥（AGS）的形成和稳定维持，是AGS技术推广应用的重要方向。以Westbank工艺为例，在A2O工艺的基础上进行如下改进：①增设独立厌氧预发酵反应器：将初沉污泥中的有机物发酵生成VFAs（如乙酸、丙酸），刺激颗粒污泥分泌EPS（胞外聚合物）；②缩短原厌氧区的水力停留时间30%：因VFAs已预发酵，厌氧区作用仅需完成释磷，节省空间和成本；③缺氧-好氧区优化溶解氧（DO）梯度：好氧区DO=2.5mg/L促进颗粒外层硝化菌，内部维持缺氧微环境；④增设颗粒污泥筛选器：利用沉降速度差异，采用斜板或者离心作用使重颗粒快速沉降、轻絮体排出系统；⑤控制预发酵出水维持较高的F/M：旨在促使微生物分泌EPS（多糖/蛋白质），为颗粒提供结构骨架，避免水力剪切导致颗粒污泥的解体；⑥控制污泥间歇回流持续时间/采用动态进水策略：模拟“饱食-饥饿”机制延长底物利用梯度，强化微生物聚集动力。
连续流好氧颗粒污泥工艺流程图
图源：Innovative Process for Granulation of Continuous Flow Conventional Activated Sludge-Bev Stinson - Ph.D, Global Wastewater Technology Leader Jeff Reade - Senior Wastewater Process Specialist
连续流（CFR）系统的核心挑战是连续混合条件下难以形成SBR特有的底物浓度梯度和选择压力机制。为克服这些挑战，连续流AGS工艺采用多种策略来模拟SBR中的关键条件：
多级串联反应器构型旨在模拟SBR中的“饱食-饥饿”机制，将多个推流反应器串联起来，使底物浓度沿流程逐渐降低，从而在反应器序列前端形成高底物浓度的“饱食区”，在后端形成低底物浓度的“饥饿区”。通过调整串联室的数量和体积，实现不同的饱食-饥饿停留时间比。
厌氧-饱食反应器旨在使易生物降解底物（rbCOD）在进入好氧区之前，使微生物在厌氧条件下充分摄取和储存。这对于抑制因rbCOD溢流到好氧区而致丝状菌的过度生长并维持颗粒稳定性至关重要。通过在反应器内部设厌氧区或者通过外部设置独立厌氧反应器实现。
固液分离器旨在反应器内部或外部施加物理选择压力（沉降速度、密度/尺寸）分离并回收颗粒污泥，同时排出沉降性能差的絮状污泥。通过增设高效沉淀池、水力旋流器等实现。
4.2 工艺控制
CFR-AGS系统主要运行控制参数如下：
污泥浓度（MLSS）： CFR-AGS系统的MLSS浓度通常在4-6 g/L的范围内，膜生物反应器（MBRs）可以实现更高的MLSS浓度（最高可达16 g/L）。
颗粒尺寸：CFRs中AGS平均粒径<1mm，显著小于SBRs培养的颗粒，原因是底物渗透深度较浅限制颗粒生长，但沉降性及污染物去除效率与SBRs相当。
污泥体积指数（SVI）：SVI30范围2-100 mL/，其中80%＜60 mL/g，沉降性能优异。SVI5/SVI50比值：1.0-1.3，沉降快速稳定。
水力停留时间（HRT）： CFR-AGS系统的HRT范围广泛，从1.6小时到27小时不等，具体取决于处理目标和进水特性 。HRT的选择直接影响反应器体积和处理效率。
有机负荷率（OLR）： OLR是衡量单位反应器体积每天处理有机物量的指标，其范围从0.15到39.0 kg/(m3·day。OLR的选择需平衡处理效率和颗粒稳定性。
污泥龄（SRT）： 在CFR-AGS系统中，污泥龄（SRT）的维持至关重要，它必须足够长以确保慢生长微生物（如硝化菌）的充分生长和活性，从而实现高效的氮去除。
胞外聚合物（EPS）：含量范围37-600 mg/g VSS，在颗粒化启动阶段含量上升，颗粒化稳定运行阶段含量下降，这一趋势与SBRs中观察结果一致。
曝气强度：控制强度旨在调节水力剪切力，以促进颗粒形成与维持，并同时避免过高（颗粒破碎）或过低（丝状菌增殖）。
五、运行调试
5.1 调试启动
污泥接种来源主要包括传统活性污泥、好氧颗粒污泥，其中接种运行稳定AGS颗粒污泥被认为是加速颗粒化过程最有效的方法。接种特定菌株（反硝化细菌等颗粒）、自制球形脱水活性污泥、将厌氧颗粒污泥转化为好氧颗粒污泥等生物强化方式 。
调试启动：
①延滞期（Lag Phase）：特征为接种后颗粒化进程缓慢，絮体与“原生颗粒”（直径100-200 μm，沉降性能类似絮体）形成，但颗粒化程度变化不明显；原生颗粒可能被絮体包裹，洗出几率均等，导致选择性排放效果有限；生长机制为颗粒生长依赖随机过程，原生颗粒未必每循环均能获取底物；影响因素包括 颗粒形成底物（GFS）与非颗粒形成底物（n-GFS）比例、原生颗粒生长与新絮体产生的动态平衡。
②颗粒化期（Granulation Phase）主要包括快速颗粒化阶段、大颗粒规模效应阶段；延滞期后系统进入快速颗粒化期，小颗粒（200-1000 μm）因沉降速度优势（显著快于絮体和原生颗粒）获得竞争主导权，特征为更易沉降至反应器底部，底物获取效率高，被选择性洗出的概率大幅降低；小颗粒快速生长为大颗粒（>1000 μm）后进入大颗粒规模效应阶段，特征为沉降速度进一步加快（可达20-80 m/h），生长机制为几乎每次循环均能高效获取底物且几乎不被洗出，导致大颗粒垄断颗粒形成底物（GFS），原生颗粒因资源不足被逐步淘汰；影响因素包括：上升流速（0.5-1.0 m/h为宜）、水力剪切力、底物特性（高COD>5000 mg/L、Ca2+>50 mg/L为宜）、负荷提升适应性等。
5.2 问题应对
表 AGS反应器调试问题与应对策略
六、应用
荷兰DHV公司开发的基于SBR-AGS的Nereda®技术（源自代尔夫特理工大学）经过30年研发（含12年中试），自2005年首个项目投运以来，已在全球21个国家落地100多个项目，其中60个已运营（8个超10年），其优势包括：①经济性：累计节电5800万千瓦时，池容减少50%-75%，降低建设与运行成本；②操作简便：采用“一池式”设计和高污泥浓度（MLSS 7-12 g/L），配备自动化控制器AquaSuite®；③环境效益：通过LCA认证，显著降低碳足迹和药剂使用量。
首创环保集团于2016年与北京建筑大学、荷兰代尔夫特理工大学合作成立了中荷污水处理技术研发中心，自主研发基于SBR-AGS的CREATE好氧颗粒污泥技术。近期，首创环保集团作为工艺包成功签约浙江海宁市丁桥污水处理厂设施设备更新提升工程项目，该项目将利用CREATE好氧颗粒污泥技术，对一期SBR生物处理技术进行升级改造，旨在将生物处理能力从4万吨/扩能至7万吨/天，投资低于新建项目，凸显“轻量改造”优势。
清华大学王凯军老师团队完成全球首个大规模CFR-AGS工程（2.5×104 m3/d），通过改造AAO工艺实现：①性能提升：启动1个月后，絮状污泥逐渐转变为颗粒污泥。在稳定运行阶段，污泥平均颗粒由31.9μm增加至138.5μm，颗粒污泥占比28.9%（粒径>200μm），出水COD/NH4+-N/TN稳定达标；②微生物富集：颗粒污泥中反硝化除磷菌（DPAOs）富集，丰度达3.29%；③节能降耗：功耗降低38.2%，节约了1/3污泥回流能耗。
（来源：环境技术极客）