数学模型解密好氧颗粒污泥（AGS）的形成机理
图. Utrecht污水厂 - 荷兰国内最大的AGS工程应用 | 图源：waterforum
虽然理论上好氧颗粒污泥有这么多优点，但这项技术自20世纪90年代开始研发，历经二十多年，直到2012年才在荷兰Epe污水厂建成首个全尺寸工程应用。然而，对于很多人而言，如何“种”出好氧颗粒污泥，依然是个谜。最近，荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)团队在国际水协会IWA的期刊《Water Research》上刊文，总结了好氧颗粒污泥形成的六个机理，并开发了相关数学模型框架，帮助同行加深对该工艺技术的认识。在本期微信推送里，我们将为读者们简介他们的研究成果。颗粒形成仍是谜？
自2012年Epe污水厂的好氧颗粒污泥工艺投产运行之后，好氧颗粒污泥工艺在全球已经积累了超过70个工程案例，主要由荷兰的Royal haskoningDHV一家公司完成。但在学界，虽然有不少有关好氧颗粒污泥的形成机理的研究，但尚未有统一的共识。流体动力学剪切、基于沉降速度的物理选择、污泥与进水接触过程的流态、溶解氧浓度、进料/停料比、进水成分、有机负载率，以及群体感应(quorum sensing)和胞外聚合物(EPS)的聚集都是曾被研究的因素，但究竟哪些因素最为重要呢？ 它们有何相互作用，这些相互作用又如何影响工艺条件呢？颗粒污泥的生物膜形态模型框架，目前仅能解释微观尺度的颗粒稳定性，无法阐明反应器尺度的颗粒形成机制，而且这个框架也仅限于厌氧颗粒污泥，对好氧颗粒污泥并不适用。
图. Utrecht污水厂的AGS反应器启动示例 | 图源：Water Research
目前学界一般认为，好氧颗粒污泥(AGS)反应器可以用普通活性污泥接种，然后在适当的条件下，活性污泥最终会从絮状发展成为颗粒态。尽管还没能清楚解释整个动态过程，但从工程实践可知（见上图），颗粒化通常有一个延滞期(lag phase)。在延滞期内，污泥主要是颗粒原型(prototyope)+絮状污泥(flocs)为主，颗粒化过程并不明显(粒径＜200μm)，但在启动100多天后，反应器的污泥开始进入颗粒形成期(granulation phase)，小颗粒(＞200μm)的比例开始提升。在启动200多天后，超过1000μm的颗粒会逐渐增多。其中，延滞期阶段以及颗粒化突然开始的触发机制是目前尚不清楚的。本文的研究团队总结出了六种出发颗粒化的重要机制：
1.微生物选择
2.选择性排泥
3.生物膜传质最大化
4.选择性进料（从底部进料）
5.(非)颗粒形成底物
6.颗粒破裂
模型简介
为了对上述机制做敏感性分析，研究团队开发了一个综合模型框架，该模型由四部分组成，包括：
1.描述反应器中流动动力学的一维对流/扩散模型
2.描述颗粒生长的基本转化的反应/扩散模型
3.在沉降和进料过程中跟踪颗粒的沉降模型
4.种群模型：包含多达十万个颗粒，用于模拟颗粒形成-破裂-重组过程的概率行为。
本研究开发的模型是基于Royal haskoningDHV公司的Nereda®工艺的SBR反应器的反应步骤。一个典型的循环周期为6小时，包含60分钟的厌氧进料和滗水期、270分钟的反应时间，以及30分钟的静置和排泥时间。当然这些只是参考值，具体时间可能因实际情况而异。下图显示了模型中不同的反应过程在一个循环周期的分布情况。
下边的表格和图片是这次建模的敏感性分析结果。
图：不同条件下不同大小的颗粒的浓度和演变：A: 混合进料, B: 15分钟min, C: 30min 进料, D: 无选择性排泥, E: GFS仅100mg/L, F: 没有选择性进料。
在这次敏感性分析中，研究团队搭建的模型对一个对照案例和6种不同的条件情景进行模拟。其中对照案例的关键假设参数如下：水深6m的全尺寸反应器(底部进水)，接种污泥为100μm的絮状污泥(2g/L)；起始选择压力为3m/h(流速)，并且逐步增加，直到污泥浓度达到3.0g/L为止(约6m/h)。反应器一天完成4个循环周期，进料时间60分钟，进水COD为500mg/L，其中200mg/L为颗粒形成底物(GFS)以及300mg/L的非颗粒形成底物。
图. Utrecht污水厂实际启动过程和模拟对照组的对比
总的来说，通过这此模拟分析，研究团队得出以下主要结论：1.对照案例的颗粒化进程和实际情况非常相似：对照案例也有一个稳定的延滞期，并在颗粒化开始后出现大颗粒。但也可以看出实际颗粒化的进程波动更多，因为模型还没有考虑一些特殊情况（例如降雨天气事件、进水负荷变化和温度变化等；
2.选择性进料和大颗粒的破裂是两个此前文献没有报道，但非常重要的因素；
3.污泥颗粒化是六大机理的综合结果，这意味着这是一个可以相互弥补损失的过程；
4.底物类型(GFS/n-GFS比)和进料/停料的比例分配是反应系统能从延滞期过渡到颗粒化期的最重要的两个机理；
5.选择性排泥和选择性进料主要影响两个问题，一个是延滞期到颗粒化期的过渡能否发生，第二个是这个过渡阶段的速率；
6.颗粒破裂是有助于加快颗粒化进程的，因为相当于用颗粒污泥接种；
数学模型本身细节太多，对于非数学专业的读者来说是个不小的挑战。也许作者们也清楚这个情况，所以他们在文章里也给模拟的颗粒化过程总结出以下描述：
反应器的接种污泥起始粒径约 100µm，而好氧颗粒污泥的常规定义大小是＞200μm，因此第一个小颗粒出现在反应器中需要一些时间。所有原始颗粒的沉降行为和污水中的其他污泥相同，因此选择性排泥是无效的，每个粒子都有相同被排出的概率。所以此时颗粒的生长是个完全随机的过程。原始颗粒也不会在每个循环中吸收到有效的底物，而底物负荷也视乎污泥床中的位置、体积交换率和被颗粒隔离的底物量。在多个循环过程中，这些因素的组合将决定原始颗粒是否会获得足够的底物，在被冲走排出之前长成小颗粒。
在参考实例里，第一个小颗粒在90 天后出现了。一旦形成了小颗粒，就犹如开启了滚雪球效应，这些颗粒有比原始颗粒更快的沉降速度，从而更快地沉入底部，更容易接触到反应器底部的底物，然后不太可能被排出反应器。从上图也可以看出，在第一个小颗粒出现几周后，小颗粒在反应器中占主导地位。好氧颗粒污泥一旦出现，就开始进入“强者恒强、胜者通吃”的模式。第一个大颗粒出现在第165天，最大颗粒的沉降速度已经超过100m/h，这意味着这些颗粒不太可能排出反应器。值得一提的是，这些大颗粒终将会破裂成为小颗粒，模拟结果显示有20%的颗粒污泥来自大颗粒的破裂，这说明颗粒污泥的破裂也是颗粒化的重要机理。
小结
这次模拟显示了从接种启动到完成颗粒化，是一个非常微妙的过程，延滞期和颗粒化期的主要因素有所不同。这篇文章传达的另一个重要信息是数学模型在污水处理的日后发展中会扮演更重要的角色。尽管模型显示了延滞期是颗粒化的一个天然必经阶段，但建模也帮助我们了解如何缩短这个过程(例如用其他的现成颗粒对新厂进行接种)。在工程方面，这个模型还有助于优化启动过程，在接种成本和启动时长之间找到一个合适的最优值，从而减低建造成本。研究团队还表示，在这个模型的基础上，他们认为还可以在生物模型方面有更精细的拓展，以及研究颗粒尺寸分布对转化率和出水水质的影响等。
更新研究细节可参阅原文：https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118365
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