好氧顆粒汙泥與普通活性汙泥相比，它具有不易發生汙泥膨脹、抗衝擊能力強、能承受高有機負荷，集不同性質的微生物（好氧、兼氧和厭氧微生物）於一體等特點，近年的研究成果表明AGS能用於處理高濃度有機廢水、高含鹽度廢水及許多工業廢水。1991年Mishillla等最早發現了AGS，並第一次報道了利用連續流好氧上流式汙泥床反應器（Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB）培養出AGS。人們從這一研究成果開始了對AGS顆粒化的研究歷程。而國內學者對AGS的研究始於1995年，相對滯後於國外的研究。
好氧顆粒汙泥是由相互聚集的、多物種的微生物構成的團體，被認為是一種特殊的自固定化生物。
在過去的20年中，廢水生物處理領域理論研究和工程應用證明，固定化的活性汙泥在水質淨化方面比懸浮活性汙泥更具有效率。
迄今為止，好氧顆粒汙泥被認為是最有前途的廢水生物處理技術之一。
由於好氧顆粒汙泥具有很多優點，因此，近年來對其進行的研究也逐漸增多，但是對於其形成機理卻是眾說紛紜。沒有達成共識。本文綜述了近年來好氧顆粒汙泥形成機理的研究進展並對不同機理之間的區別與聯絡作一些思考。
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好氧顆粒汙泥的基本特性
在好氧條件下，培養顆粒汙泥的條件較為苛刻，並且在不同操作條件和培養目的下培育出的好氧顆粒汙泥在顆粒大小、粒徑分佈、顏色、功能上也都存在著差異。
好氧顆粒汙泥的特性：表面光滑、較高密度和高強度、高生物量、耐衝擊負荷、抗有毒物質。好氧顆粒汙泥外觀一般為橙黃色或淺黃色，周洵平等總結了不同反應器在各自條件下培養的好氧顆粒汙泥的特性。
好氧顆粒汙泥具有優良的沉降效能和近乎球形的規則形狀。
研究指出，顆粒汙泥的形狀係數穩定在0。45，縱橫比一般在0。79左右。好氧顆粒汙泥本身的生物相極其豐富，主要是形態各異的球菌、桿菌等。不同的培養條件對好氧顆粒汙泥微生物群落有一定的影響。
好氧顆粒汙泥泥水分離效能好，在反應器中能形成較高的汙泥濃度。
從而提高了反應器的容積負荷和抗負荷衝擊能力；剩餘汙泥量少，能有效地縮小沉澱池的體積。減少汙水處理廠的佔地面積；另外，好氧顆粒汙泥還具有同步硝化反硝化（SND）功能。
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好氧顆粒汙泥形成機理
顆粒汙泥的形成過程是一個包含物理、化學和生物作用的複雜過程，這個過程可以看作是在流體動力條件下，微生物自固定所形成的生物體聚團現象。
由於操作條件、反應器型別、進水水質、培養目的不同，因此現有的形成機理並不能詮釋所有顆粒汙泥的形成情況。
2.1、晶核假說
晶核假說最先由G。Lettinga等提出，用於解釋厭氧顆粒汙泥形成機理，他們認為：顆粒汙泥的形成類似於結晶過程。
接種汙泥或反應器執行過程中產生的無機鹽沉澱或惰性有機物質作為晶核。
顆粒汙泥在晶核基礎上不斷髮育，最終形成了成熟的顆粒汙泥。對於好氧顆粒汙泥，研究也證實了可適用於晶核假說原理。J。J。Heijnen等向氣提式內迴圈反應器（BAS）中投加一定量的球狀惰性載體（直徑0。1mm），形成了具有去除COD和氨氮能力的好氧生物膜顆粒汙泥，證實了晶核假說。
J。P。vanderHoekc］認為：投加鈣離子會加速形成顆粒汙泥的原因是鈣離子為顆粒汙泥提供了晶核。劉麗等研究了鈣離子在顆粒汙泥中的分佈，結果表明，鈣粒子分佈於顆粒中心，也證實了晶核假說。晶核假說經過多年的研究得到一定程度的發展。劉建國等研究認為，好氧顆粒汙泥的形成是絮狀汙泥在形成較大粒徑菌膠團之後由於其內部DO缺乏，菌團逐漸解體，而細菌以解體的菌膠團為“核心”和“模板”進行大量繁殖，並最終形成主體菌群，進而形成沉降效能良好的顆粒汙泥。這就是在晶核假說基礎上發展起來的“二次成核”假說。但是，有學者研究證明了在沒有投加“晶核”的條件下也會形成顆粒汙泥。顆粒汙泥並不是以晶核為基礎生長，而是完全靠微生物自身的電中和作用形成的。因此說晶核假說還需要進一步研究。
2.2、選擇壓驅動假說
選擇壓可以看作水力負荷率和氣體負荷率(取決於汙泥負荷率)的和，這兩個因素在不同沉降特徵的汙泥組分選擇中起重要作用n”。
在反應器中，只有較大顆粒才能在給定的時間內沉澱下來，而密度較小的絮狀汙泥由於其沉降效能不好則會被洗脫出系統。類似於生物進化理論，這個物理篩選過程為反應器中的生物量提供了一個“選擇壓”，那些適合系統的，密度高、體積大、沉降效能好的顆粒汙泥才能存在於系統中。J。H。Tay等［］研究了不同的選擇壓對硝化細菌顆粒化的影響，並推斷了汙泥顆粒化需要強選擇壓。X。H。Wang等［1進行了選擇壓對顆粒穩定性影響的研究。結果表明。在過高的選擇壓下不能形成顆粒汙泥，在較低的選擇壓下，顆粒汙泥在形成後131d開始分解，只有逐漸提高選擇壓才能培養出穩定成熟的顆粒汙泥。
這個沉降一洗脫過程是一個純粹的物理篩選過程，沒有微生物的作用和反應，但是小的絮狀汙泥形成大的顆粒汙泥需要微生物分泌的胞外多聚物（EPS）相互黏合來抵抗高上流速度產生的剪下力以避免一開始就被洗出［1引，否則，微小的絮狀汙泥沒有機會隨著環境變化而形成大顆粒汙泥，而且事實證明，很多情況下顆粒汙泥都是由小逐漸長大成熟。因此以物理過程來解釋顆粒汙泥形成的選擇壓驅動理論仍需要進一步完善。
2.3、細胞表面疏水性假說
根據熱力學原理，增加細胞表面疏水性將導致其表面Gibbs能降低，增強細胞間的親和力，使細胞間產生更強的連線，進而形成一個緻密結構，更進一步促使凝聚成團的細菌脫離水相。因此可以說細胞表面疏水性是微生物自聚集的重要推動力。蔡春光等研究表明：在顆粒汙泥形成過程中微生物細胞表面的疏水性發生了很大的變化。這表明顆粒汙泥的形成與細胞表面疏水性的增加有密切聯絡。較高的表面疏水性有利於顆粒汙泥的形成。
B。M。Wilen等也證明，接種汙泥中疏水的細菌數目越多。形成良好沉降效能的好氧顆粒汙泥的速度就越快。但是，並沒有研究者提到較低的表面疏水性不能形成顆粒汙泥。因此，表面疏水性在顆粒汙泥形成過程中起了輔助增強的作用，而不是決定性作用。
2.4、胞外多聚物假說
胞外多聚物（EPS）是顆粒汙泥的一種重要的化學組成部分，其主要物質是多聚糖、蛋白質、酶蛋白、核酸、磷脂及腐殖酸。它能輔助細胞相互粘在一起，因此可能對於汙泥顆粒化形成過程有幫助。EPS假說是目前較為流行的一種理論。
L。W。HulshoffPol等研究表明。胞外多聚物中的成分和比例與汙泥沉降效能有密切關係。J。EScht等在總結前人工作的基礎上提出了胞外多聚物假說模型。C。DiIacoci等研究證實了EPS對顆粒汙泥形成的增強作用。有研究表明。飢餓條件會誘發EPS被它的生產者所降解，從而導致細菌分離n，事實上，在SBR反應器中，顆粒汙泥的消失與胞外聚合物的急速下降緊密相關。但是飢餓條件也會引起細胞表面疏水性的降低。因此。引起細菌分離的關鍵因素不一定是EPS的減少，細胞表面疏水性的降低也起了一定作用。
從文獻來看，EPS只能對顆粒的形成起到增強作用，還不能決定顆粒能否形成。多數情況下細胞都會分泌EPS。但事實證明，不是所有情況下都培養出了好氧顆粒汙泥。因此，EPS假說雖然得到很多學者的認可。但是仍然需要進一步完善。
2.5、自凝聚原理
生物處理系統中的微生物在適當的環境條件下會產生自凝聚現象，形成一種密度、體積較大，活性和傳質條件都較好的微生物共生體顆粒。好氧自凝顆粒汙泥形成的兩個先決條件是適當的水流剪下作用和高濃度的溶解氧］。H。H。Fang~］指出，生物顆粒化現象是一種進化發展的過程，即只有在適宜顆粒汙泥存在的條件下，細菌才會慢慢地進化，最終達到顆粒汙泥狀態，也就是說，只要條件適宜，顆粒汙泥的形成是一個生物自身凝聚的自然過程。
自凝聚原理結合選擇壓理論，可以解決微小絮狀汙泥無法形成顆粒汙泥的問題。E。Morgenroth等均在SBR中培養出好氧顆粒汙泥。他們都採用了較短的沉降時間和水力停留時間，目的就是將沉降效能較差的絮狀汙泥洗出，只留下密度較大、沉降效能較好的顆粒汙泥。但自凝聚理論仍然不能解決較低選擇壓下顆粒分解的現象。
2.6、絲狀菌假說
J。J。Beun等］在SBR中培養好氧顆粒汙泥時提出了好氧顆粒汙泥形成過程。首先，接種汙泥中優勢菌（絲狀菌）在較強的水力剪下力的作用下形成球狀。球狀物為細菌的大量繁殖提供了良好的棲居地，由此細菌得到了大量的繁殖。之後，隨著氧傳質的限制，真菌形成的球狀物開始分解、破裂，其中的菌膠團由於密度較大而留在了反應器中，細小的絮體被洗出。留在反應器中的菌膠團進一步發展最終形成了好氧顆粒汙泥。王海磊等認為，優勢混合菌的加人是好氧顆粒汙泥能夠形成的關鍵因素。
他們在利用SBR和優勢混合菌處理造紙廢水的過程中馴化出了好氧顆粒汙泥。但是D。C。Peng等研究發現：好氧顆粒汙泥的微生物主要由桿狀細菌組成，沒有發現絲狀菌。因此，絲狀菌假說也需要進一步研究完善。
2.7、階段形成假說
目前關於階段形成假說有三階段說和四階段說。倪丙傑等㈣在總結前人的基礎上，認為各種假說都有一定的合理性，但沒有將問題聯合，因此他提出了三階段形成假說。第一階段，微生物個體之間透過各種力的作用相互碰撞、吸附形成聚集體。第二階段，聚集體中的微生物繼續生長，且在水力剪下力的作用下逐漸形成形狀規則的初生顆粒汙泥。第三階段，好氧顆粒汙泥穩定、成熟。隨著顆粒汙泥表面疏水性的增加和細菌分泌多聚糖的增多，粘連的微生物逐漸增加，顆粒汙泥的粒徑隨之逐漸增加。但是顆粒汙泥的粒徑增加到一定程度之後，在水力剪下力作用下顆粒的粒徑不再繼續增加，此時顆粒達到穩定、成熟期。
Y。Liu等認為好氧顆粒汙泥的形成是微生物的一種自固定化現象，不需要載體支援，並提出了符合這個過程的
四步驟學說
。第一步，微生物之間在流體擴散、重力或者熱力學力的作用下相互接觸而聚集。第二步，在物理的、化學的或者生物化學的初期引力下形成聚集體。第三步，微生物在其分泌的胞外多聚物等黏著物的作用下形成聚集體。第四步，水的剪下力使顆粒汙泥的三維結構更加成熟穩定。階段形成假說綜合考慮了多種因素的作用，而不是僅限於單方面的實驗研究，這也為以後的研究提供了思路。
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結論
好氧顆粒汙泥的形成機制仍處於研究中，還沒有形成定論。以上幾種假說也都存在著一定的侷限性。但是從文獻來看，單一因素的實驗研究已經不可能解釋顆粒汙泥的形成機理。一方面，透過選擇壓方法培養出來的顆粒汙泥的細胞表面疏水性較好，由於疏水性的增加而增強的細胞間親和力又為其自凝聚提供了推動力。另一方面，微生物分泌的胞外多聚物在顆粒汙泥的形成過程中也起了很重要的作用。
因此，水力剪下力、胞外多聚物、微生物的自固定的聯合作用在好氧顆粒汙泥形成過程中起了關鍵作用。隨著PCR、FISH等技術的發展.將來也許可以從微生物自身找到顆粒汙泥形成的關鍵因素。
另外，由於好氧顆粒汙泥培養週期長，限制了其在工程中的應用，因此探討其形成機理的研究就顯得尤其重要。如何確定執行引數，縮短培養週期，提高形成的好氧顆粒汙泥穩定性以及如何在工程應用中推廣將是以後研究的重點。
