人們在對生物膜的研究過程中，發現強的剪切力可以促使形成薄而密實的生物膜，同時伴隨著剪切力相關的一個重要現象是胞外聚合物(EPS)的產生，EPS在促使細胞的“凝聚”、“粘合”方面發揮重要的功能，對于維持生物膜的整體結構方面扮演著重要的角色，在很多的研究中都可以觀察到強剪切力會促使生物膜分泌更多的EPS從而維持生物膜的整體結構平衡。與生物膜類似，水力剪切力對于好氧顆粒污泥的形成也有重要的影響，強的剪切力會促使顆粒污泥的形成，而弱剪切力則不會形成顆粒污泥，只能形成蓬松的絮體結構。

同樣，EPS在對顆粒污泥的形成方面也扮演著類似的角色，強剪切力會促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來產生平衡的生物結構，這也就意味著EPS對于形成穩定的顆粒污泥非常重要。

此外，通過選擇性的排泥，將不易沉淀的污泥排出系統，沉降速度較快的顆粒留存于系統之內，提高顆粒污泥在其中的比例，這也是促成顆粒污泥形成的原因之一;其他形成顆粒污泥的因素還包括SRT、有機負荷、二價陽離子及三價陽離子等。

目前的應用

目前，作為好氧顆粒污泥技術的典型代表，Nereda工藝在過去10年里得到快速的發展，截至2016年全球正在設計、建設及運行的Nereda污水處理廠有32座，這些污水處理廠分布于歐洲、美洲、澳洲、非洲等地。與相同負荷的活性污泥工藝相比，Nereda好氧顆粒污泥技術可減少占地面積25%～75%，能耗降低20%～50%。

從好氧顆粒污泥的技術發展進程來看，以Nereda為代表的好氧顆粒污泥技術實際上是一種利用內在基質選擇顆粒污泥的過程，內在基質選擇的一個關鍵因素是需要有足夠高的基質濃度來形成顆粒，并促使形成較高含量的胞外聚合物(EPS)及胞內儲存物，這種方式要求將沉淀較慢的絮體污泥排除系統，保留下沉淀較快的顆粒污泥，為了避免出水SS較高，可能需要有一個后置的過濾系統。Nereda這種SBR的技術形式在很大程度上限制了對現有污水處理廠的改造，因為絕大部分污水處理廠并不是SBR工藝。因此，在推流式工藝上采用外置選擇器的方式在近年來得到了快速的發展，外置選擇器可以是篩網或旋流器，篩網是利用顆粒的粒徑來截留較大的顆粒污泥，旋流器是利用顆粒污泥密度較大的特點而在底流中獲得較高比例的顆粒污泥，如圖3所示。

未來的發展

好氧顆粒污泥技術在未來可能會有以下幾個發展趨勢。第一，提高工藝應用的穩定性，好氧顆粒污泥技術在長期運行過程中的穩定性在某種程度上是制約這一技術應用的一個瓶頸，穩定性涉及到兩個方面，一個是顆粒污泥的解體，一個是絲狀菌的過度增殖，前者會導致顆粒污泥破碎為細小顆粒，后者會導致顆粒污泥蓬松，容易流失。

第二，就如同活性污泥工藝從早期的SBR向連續流工藝發展一樣，當前及今后一段時間內好氧顆粒污泥的研發及應用趨勢正朝著連續流工藝的方向發展，因為現在的絕大部分污水處理廠是連續流工藝，將其轉為SBR的形式所需的投資費用很高，如何能夠在這些連續流的污水處理廠中應用好氧顆粒污泥技術成為這一領域的發展熱點。

第三，好氧顆粒污泥技術的進一步發展過程中，在機理與技術應用方面仍然有多個方面需要深入研究，這些方面主要包括理解促成顆粒污泥形成的內部基質特性、如何確保外置選擇器能夠實現良好的污泥沉降性能和生物除磷功能，以及如何將內在基質選擇和外部選擇的措施應用于工程化規模的污水處理廠。

碳轉向

在傳統污水處理工藝中，COD的主要流向是被好氧分解，除此之外還用于脫氮除磷、厭氧消化及污泥處置。目前，污水中的碳已被廣泛認為是可貴的資源，可以被用于產生能量(厭氧消化)、開發出以碳為基礎的商品。因此，污水中的可生物降解有機物從二級處理轉向能量回收的這一轉變被稱之為碳轉向，碳轉向是污水處理實現能量自給的必由之路，已經成為當前及今后一段時間內污水處理技術發展的一個重要方向。圖4反映的是COD在新舊理念下的流向。

目前，碳轉向的技術主要有化學強化一級處理(CEPT)、高負荷活性污泥工藝、厭氧處理等。CEPT對顆粒性及膠體性COD可獲得40%～80%的去除率，但對溶解性COD無法去除。雖然污水的厭氧處理在熱帶地區有所應用，但在溫帶地區的主流工藝中由于其速率較低，同時產生的甲烷會有相當一部分溶解在出水中，因此尚難以得到廣泛的應用。

高負荷活性污泥工藝

高負荷活性污泥工藝(HRAS)最早由Buswell和Long在1923年開創。HRAS可以設計成滿足二級處理(BOD5<30 mg/L、SS<30 mg/L)的目的，也可以設計AB工藝的A段用于碳吸附的目的。當用于二級處理時，HRAS的SRT一般1～4 d(與溫度有關)，HRT一般2～4 h;當用于碳吸附時工藝參數有顯著的不同，通常SRT<1 d、HRT<30 min。HRAS工藝能夠用較低的能耗和占地面積將進水中的顆粒性、膠體性、溶解性物質富集濃縮于剩余污泥中，通過厭氧消化或焚燒由此實現污水處理的碳轉向。HRAS工藝實現碳轉向的關鍵所在是顆粒性COD與膠體性COD的最大化去除，同時又要最低程度的礦化和慢速可生物降解COD(sCOD)的水解。在HRAS工藝中，顆粒性COD與膠體性COD是通過生物絮凝吸附于絮體之上并通過后續的固液分離得到去除，顆粒性COD與膠體性COD的吸附與胞外聚合物(EPS)的產生有密切關系，而溶解性COD的去除是胞內物質貯存的結果。

雖然ASM模型的歷史已有30年之久，但主要是用于SRT>3 d的活性污泥工藝，對于HRAS工藝ASM模型難以得到理想的結果。由此，近年來有關HRAS工藝的模型得到了發展，其中之一便是雙基質模型用于解釋HRAS工藝的特性，雙基質模型的核心之處是將溶解性可生物降解有機物(SB)進一步分為快速溶解性可生物降解有機物(SBf)和慢速溶解性可生物降解有機物(SBS)，雙基質模型認為SBf 與SBS同時被生物降解，微生物利用SBf的最大比生長速率較SBS的要高，進一步的試驗也驗證雙基質模型較雙階段模型更為準確，雙階段模型認為微生物首先利用SBf，之后再利用SBS。

HiCS工藝

編輯：徐冰冰