活性污泥法作为城市污水处理的主流技术，在全球范围内得到了广泛应用。然而，该工艺在处理效能和经济性方面仍面临诸多挑战。特别是活性污泥沉降性能的不稳定性，直接影响到污水处理效果，并导致处理设施占地面积的增加。在处理低浓度污水时，丝状菌的过度增殖往往导致污泥沉降性能恶化。好氧颗粒污泥（AGS）技术作为一种改善污泥沉降性和提高综合处理性能的方法，越来越受到人们的关注。AGS密度较大且直径一般大于200μm，具有优异的固液分离效果。AGS的使用增加了生物反应器中的生物量，减少了占地面积和运行成本，提高了营养物去除性能。在过去的20年中，AGS技术主要用于序批式反应器（SBR），但SBR处理水量有限，同时它需要定期从侧流引入厌氧颗粒，如果缺少这一步骤，则短时间内很难形成颗粒污泥。传统的污水处理厂（WWTPs）大多采用连续流工艺，因此采用好氧颗粒污泥改造连续流工艺（CAGS）不仅能提高处理能力，而且还能节约投资。
对AAO工艺进行改造，采用双沉淀池模式，75d后实现颗粒污泥完全造粒。余诚等人对缺氧池和好氧池进行改造，改良后的AAO工艺在30d后实现稳定造粒。虽然已经有研究者对CAGS进行了一些研究，但都对AAO工艺的设施进行了改造，同时颗粒污泥的造粒时间较长（30d以上）。针对以上问题，苏南某污水处理厂采用成球剂进行污泥接种并加入生化池，在不对设施进行改造的前提下启动AAO-AGS（ECAGS），考察在实际污水处理厂中培养长期稳定存在且能高效脱氮的AGS的可行性，以期为ECAGS在工程上的应用提供理论和实践依据。
一、材料与方法：
① 污水厂概况：该污水处理厂采用AAO工艺，主要处理生活污水，生化池进水量为2100m3/h，内回流量为6480m3/h，外回流量为1800m3/h，内回流比约为300%，外回流比约为85%。生化处理单元采用加盖处理，因此全年水温都能保持在20℃以上。厌氧区、缺氧区和好氧区的水力停留时间（HRT）分别为3、6和10.2h，总水力停留时间为19.2h。生化处理单元主要去除COD、TN和TP等物质，后续深度处理单元（如混凝和超滤）进一步去除TP和SS，出水执行《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/T1072—2018）标准。
② ECAGS系统：生产性试验在2023年8月—2024年3月进行，持续244d。该技术的应用建立在不改变厂区现有工艺路线、不改造构筑物和设备的基础之上。在厂内剩余污泥排放管路上外接管路至整套装置，筛选污泥后按一定比例（按生产工艺需求调控）回流至生化池及外排至污泥浓缩池。在生化池及污泥回流泵房之间布置了一套“污泥活性倍增”一体化撬装装置（5m加高集装箱，2台，定制），其包括剩余污泥过滤器（Q=200m3/h，1台）、剩余污泥除砂器（Q=200m3/h，1台）、颗粒污泥筛分系统（Q=40m3/h，4台，定制）、成球剂投加系统（1台，定制）、颗粒污泥孵化器（1台，定制）、颗粒污泥筛分反洗系统（2台，定制）、剩余污泥提升泵（Q=80m3/h，H=32m，N=18.5kW，2台，变频）、颗粒污泥回流泵（Q=37.5m3/h，H=15m，N=11kW，1用1备，变频）等。
从剩余污泥管路中延伸出一个支管至一体化装置，先经过滤装置（过滤器和除砂器）去除杂物，防止对后续设备造成污堵，同时还能提高污泥处理效率并降低运行成本。在颗粒污泥筛分系统（图1中的4个罐体），先根据沉降速率的不同筛分出大颗粒污泥，然后通过旋流分离器将固体颗粒与液体分离，提高污泥固体浓度。当颗粒污泥在ECAGS系统中循环后，筛分系统根据密度差和水力旋流作用将未成型的成球剂进行有效回收，与筛分出的污泥一起进入污泥接种设施，提高成球剂利用率。罐体内置的旋流分离反洗器定期反洗，可清除旋流分离器内积累的固体颗粒和杂质，防止堵塞。颗粒污泥筛分系统将筛分出的轻质污泥排出，其余进入颗粒污泥孵化器。成球剂投加系统（包括储存系统、输送系统及投加计量系统）向颗粒污泥孵化器内投加成球剂，诱导颗粒污泥形成，随后将颗粒化的污泥加入好氧池前段。其中，颗粒污泥孵化器为关键部分，颗粒污泥在此处完成初步造粒过程。但其他部分的存在提高了污泥造粒的成功率和稳定性，因此每部分都不可或缺。
③ 分析项目与检测方法：COD：重铬酸钾消解法，TN：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP：钼酸盐分光光度法，AGS粒径分布：Mastersizer3000激光粒度仪，AGS微观结构和形态：Sigma500扫描电镜。
二、结果与分析：
① 运行效果：为了避免后续深度处理单元对水质的影响，选择生化末端出水（ECAGS出水）进行分析。在2023年8月—2024年3月共244d的运行中，虽然进水水质出现过波动，但ECAGS系统对COD、TN、TP的去除效果保持稳定，平均去除率分别为88.4%、81.2%和93.4%，这表明该系统有很强的抗水质冲击能力（见图2）。在类似CAGS工艺中，受制于系统启动初期无法稳定形成AGS，污泥浓度较低导致系统对污染物的去除效果较差。余诚等人发现CAGS在30d后才实现稳定造粒。但ECAGS得益于前期利用成球剂完成污泥接种过程，一般在3d内可实现初步造粒，14d内便可实现完全造粒过程。为了不影响原有的生产运行，ECAGS工艺在AAO工艺基础上直接进行改造。因此运行的前14d，出水COD、TN和TP浓度分别为40、10.7和0.25mg/L，略高于全周期平均值。14d后出水水质保持稳定，全周期出水COD、TN和TP平均浓度分别为39、9.7和0.23mg/L，达标时间占比达到100%，这表明ECAGS成功启动。进入稳定期后进水水质也会经历较大波动，但这与进水量无关（秋冬季降雨较为稳定），这一般归因于外部管网改造和部分点位有违规排放现象。在这一阶段（15~244d），出水COD、TN和TP浓度分别为38.8、9.6和0.23mg/L，且波动很小。这可能是因为ECAGS的稳定运行，提高了污泥粒径和AGS占比，而这种变化进一步提高了系统的污染物去除性能。改造前同时期出水COD、TN和TP浓度分别为40.2、10.2和0.24mg/L，改造后分别下降了3%、5%和4%。由此可见，改造后出水污染物浓度降低且稳定，即经过ECAGS系统改造后，提高了污水厂的运行效果。
② AGS特性：在ECAGS系统运行7d后，观测到了颗粒污泥的形成，而颗粒化的初步迹象或许出现得更早。Han等人在使用磁铁矿作为成球剂培养AGS时，同样发现污泥颗粒化现象在AGS稳定造粒前已经出现，这种现象归因于生化系统中较高的污泥浓度，导致通过肉眼难以及时辨识颗粒化的具体进程。采用孔径为0.2mm的筛网对系统内污泥进行筛选，成功获取了轮廓分明的AGS，其比传统絮状污泥更大、更紧实，污泥层更清晰，界限分明。利用数码摄影技术和扫描电镜对筛选所得AGS进行观察，结果见图3。在微观层面上，AGS展现出紧密的结构特征，主要由球菌和杆菌构成，这一结果与已有文献中关于AGS形态结构的描述高度吻合，有力地证明了本系统已成功培育出AGS。此外，还清晰可见众多孔隙结构，这些孔隙很可能扮演着传输底物和氧气的关键通道角色。随着ECAGS的运行，粒径分布曲线明显右移，这表明污泥粒径在不断增大。接种后污泥（进入生化池前）平均粒径为74μm，而普通市政污泥的粒径一般不超过50μm，这种较大的粒径归因于前端压力选择器对于优质污泥的筛选。将接种后的污泥加入生化池10d后，污泥粒径显著增加到131μm，随着ECAGS的持续运行，污泥粒径进一步增大，14d后污泥平均粒径增加到186μm，粒径>200μm的AGS占比增加到34.6%。之后粒径分布趋于稳定，运行244d后（2024年3月31日），平均粒径维持在174μm，且粒径超过200μm的AGS比例依然高达31.5%。在长期监控过程中，未观察到污泥沉降性能退化或AGS占比大幅度减少的迹象，这证实了该系统长时间运行的稳定性。
③ AGS形成机理：ECAGS的造粒过程主要分为两个阶段：①反应器内加入成球剂完成污泥接种；②接种后的污泥受水力剪切力影响发生团聚造粒。根据晶核理论，在AGS造粒过程中添加的载体（成球剂）能充当细胞初始附着的细胞核，从而使微生物的附着速度和污泥造粒速度更快。类氧化硅物质化学稳定性好，环境安全性高，在反应过程中能够自然分解，且不会引起免疫反应和异物反应。基于以上特点类氧化硅物质被广泛用作AGS的成球剂。ECAGS通过过滤装置（剩余污泥除砂器和过滤器）和气固液三相高效颗粒污泥筛分系统去除杂质及轻质污泥，大颗粒絮状污泥进入颗粒污泥孵化器中并投加成球剂。此时成球剂表面的羟基基团通过范德华力与污泥中的胶体颗粒、有机物等发生吸附作用，形成稳定的吸附层。而羟基在吸附过程中还会通过架桥作用相互连接，促进AGS产生。初期的AGS粒径通常较小，污泥层仅薄薄地覆盖在成球剂表面，这是由于微生物聚集尚未完全成熟。同时微生物尚未完全适应聚集生活，EPS的分泌量相对较少。EPS在污泥颗粒的形成和稳定过程中起着关键作用，但其初期含量较低也导致污泥颗粒的稳定性较差。
AGS的完全造粒过程通过好氧池内水力剪切力实现。接种后的剩余污泥回流到连续流活性污泥工艺中的好氧区前端，经过10~15d的驯化，生化系统内将形成一定比例的AGS，并与传统的絮状污泥共生。底部曝气设备通过向水体中注入气体，形成气泡并上升。同时好氧池的进水按一定流速注入好氧池底部，与底部曝气共同作用，形成混合推动力。这股力量驱动水流撞击好氧池的内部廊道，随后水流被廊道反射并向四周扩散。在此过程中，气体穿越池壁间的气液界面释放至大气，而混合液则被迫向下流动，从而在好氧池内构建起稳定的内循环流场。在该循环机制的驱动下，污泥接种后产生的小型聚集体作为AGS的前体，持续吸附微生物于其表面进行生长与增殖，同时在剪切力的作用下，水体中的微生物通过互相接触碰撞并逐渐聚集。污泥表面的EPS受外力刺激会加速分泌，进而增强团聚效应。随着AGS的持续生长，受氧气与基质传输限制，其内部可能形成基质匮乏的厌氧区域，导致AGS解体。解体后的碎片可再次作为AGS形成的前体，参与到新一轮的颗粒化过程中。在ECAGS内全部剩余污泥通过旋流分离系统进行颗粒污泥和絮状污泥的有效分离，颗粒污泥持续回流到生化系统内，絮状污泥则被排放至污泥浓缩池或污泥储池进行脱水处理。由于好氧池内部循环的持续作用，污泥颗粒化展现为一个动态平衡过程，这解释了AGS在系统内长期保持稳定且粒径与颗粒化比例趋于恒定的原因。此外，相较于传统活性污泥工艺采用离心或轴流泵进行污泥回流，后续采用气体回流技术能够有效避免AGS的机械性破碎，从而更有利于AGS的长期稳定维持。
三、结论：
① 采用基于成球剂和外置污泥筛分系统的连续流好氧颗粒污泥工艺（ECAGS）成功实现对苏南某污水处理厂的AAO工艺改造，该技术不改变厂区现有工艺路线，具有良好的普适性。② ECAGS启动两周可观察到AGS形成现象，污泥平均粒径为186μm，粒径>200μm的AGS占比可达到34.6%。③ 相比于传统的AAO工艺，经过改造后的ECAGS系统不仅提高了对污染物的去除能力，还可以有效降低污水处理厂的能耗和药耗，降低了运行成本。④ ECAGS系统能显著降低污泥产量，平均表观产泥率为0.54kgSS/kgCOD，与改造前相比降幅达11.32%。
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