污水生物處理系統內，微生物聚集的形式主要有絮狀污泥、生物膜和顆粒污泥3種，其中顆粒污泥由于具有微生物量多、沉降性好等優點而受到研究者的關注。

顆粒污泥中，好氧顆粒污泥（AGS）具有表面光滑、密度大、沉降性能良好、能夠維持較高的生物量以及承受較高的有機負荷等優點。M. Pronk等指出，好氧顆粒污泥系統的總體能耗為13.9 kW·h，比荷蘭傳統活性污泥廠的平均耗能水平低58%~63%，其出水水質可以達到傳統活性污泥法工藝的出水水質甚至更好。好氧顆粒污泥系統所需要的體積也比現有的常規活性污泥裝置所需要的體積低33%左右，在能耗和土建費用方面均有所減少。

與厭氧顆粒污泥相比，好氧顆粒污泥的形成周期較短，約為30 d。在耗能方面，好氧顆粒污泥可在常溫條件下進行培養，同時在污水濃度方面局限性小，對高濃度工業廢水和城市生活污水的處理均有良好效果。

污泥在好氧條件下進行培養，顆粒的分層結構形成好氧、缺氧和厭氧區域，其結構特征可以實現一定程度的脫氮除磷效果。本研究通過對近年來相關文獻的整理，擬對好氧顆粒污泥的形成機理進行總結，并對各影響因素之間的相互作用進行分析。

好氧顆粒污泥的形成機理

好氧顆粒污泥的形成是由眾多因素共同作用完成的復雜過程，其中既有微生物的作用，也包含物理、化學等方面的作用，國內外學者對于好氧顆粒污泥的形成進行了長期研究，主要形成以下幾種學說。

自凝聚是一種在適當條件下自發產生的微生物凝聚現象。有研究表明，好氧顆粒污泥的形成是由種泥逐步致密聚集的漸進過程，通過各種影響力進而形成顆粒污泥。由水力剪切力、pH等眾多因素決定顆粒最終能否形成穩定的結構。

在好氧顆粒污泥的培養過程中，接種污泥的微生物主要以絲狀菌為優勢菌種。反應器中培養出的顆粒污泥種類不同，絲狀菌在顆粒形成過程中所起到的作用也不同。

有研究通過對所培養出的不同顏色顆粒污泥進行破碎處理，得到絲狀菌在顆粒污泥中的形成結構。好氧顆粒污泥在反應器不同階段出現黃色、黑色及白色3種不同顏色的顆粒，不同顆粒污泥的菌種比例及形態結構都有所區別。總體來說，絲狀菌對好氧顆粒污泥的形成及穩定起到重要作用。不同顏色顆粒污泥的菌種組成及結構特點見表1。

表1 顆粒污泥不同分類及其特征

根據熱力學理論，細胞表面疏水性上升會減少細胞表面多余的吉布斯能，進而增加細胞間的相互作用形成致密的穩定結構。

有研究表明，在3周的好氧顆粒污泥形成過程中，污泥的疏水性由接種污泥的39%上升到73%，由此證明細胞表面疏水性是細胞自身聚集和附著的重要親合力，對于好氧顆粒污泥的形成起到關鍵作用。疏水性對于細胞間的相互作用具有重要意義，這可能引起微生物的初始自身穩定，并進一步將細菌緊密地結合在一起。

有研究表明，通過控制沉降時間進而控制選擇壓是序批式反應器（SBR）中好氧顆粒污泥形成的決定性因素。縮短沉降時間有助于洗出沉降性能差的絮體污泥，造成相對較強的選擇壓，促進好氧顆粒污泥的形成。

在一定范圍內，提高選擇壓會導致好氧顆粒污泥的粒徑變大。縮短沉降時間可顯著提高細胞多糖的產量、細胞表面疏水性及微生物活性，進而利于好氧顆粒污泥的形成。對選擇壓的控制和深入研究有助于更好地了解好氧顆粒污泥的形成機制。

X. H. Wang等通過逐步增加進水氨氮濃度來提高選擇壓，培養出具有良好穩定性的好氧顆粒污泥，提供了一種新的好氧顆粒污泥培養策略；今后應通過逐步改變選擇壓的方式開發好氧顆粒污泥生物反應器，使其具有更高的性能和效率。通過改變選擇壓的方式促進顆粒污泥的形成，這一方法在連續流反應器中同樣有效。

胞外聚合物（EPS）是在一定的適宜條件下由微生物分泌于細胞表面的大分子有機物質。自誘導體（autoinducer，AI）（信號分子）形成后釋放，可以在群體感應（Quorum sensing，QS）中被細菌探測到。QS是細菌在不斷變化的環境中生存和適應的一種現象，通過QS，細菌可以對種群密度進行監測，同時激活細菌生長的基因表達。

根據Y. Q. Liu等提出的假設，微生物細胞與其他微粒連接，形成顆粒化污泥的前身。EPS在好氧顆粒污泥的發育過程中起著重要作用。有研究表明，好氧顆粒污泥與普通絮狀活性污泥的EPS成分，如蛋白質和多糖的濃度和分布是不同的，從好氧顆粒污泥中提取EPS，其中檢測出帶負電荷的多糖和蛋白質，但未在活性污泥中檢測出。好氧顆粒污泥的EPS有機組分可以改變細菌的表面特性和顆粒污泥的物理特性，有利于細胞之間的聚集及穩定。

研究表明，在好氧顆粒污泥周圍松散附著的EPS是造粒過程的重要因素，主要由其中的蛋白質所決定。

EPS的形成取決于反應器內的運行方式及環境，控制好相關參數有利于EPS的適量產生，從而形成穩定的好氧顆粒污泥。根據結合程度的不同，EPS可分為溶解性EPS（soluble EPS，SEPS）和附著性EPS（bond EPS，BEPS），BEPS又分為松散附著性EPS（loosely bond EPS，LEPS）和緊密附著性EPS（tightly bond EPS，TEPS）。

階段形成假說將好氧顆粒污泥的形成分為4個階段，每一階段由不同的作用力或物質發揮影響，促進接種污泥逐步形成顆粒污泥。

第一階段，由接種污泥表面細菌之間發生的物理運動來促進顆粒化，如水動力、擴散力等；

第二階段，由物理、化學及生物方面的各種吸引力來維持固體細胞表面和多個細胞之間的穩定連接，如范德華力、化學鍵及細胞膜融合等；

第三階段，微生物促使聚集的細菌成熟，EPS的產生、菌群的增長等過程均在此階段；

第四階段，通過水力剪切力形成穩定的三維結構。該形成機理是目前比較全面的一種顆粒污泥形成理論，但因各種因素間的相互影響，仍難以完整涵蓋好氧顆粒污泥整個形成過程。