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为解决有氧颗粒污泥（AGS）处理市政污水时碳管理问题，研究人员评估初沉对 AGS 工艺碳管理的影响。结果显示初沉可提高沼气产量，在一定条件下其优势能弥补甲醇作为外加碳源的弊端，为 AGS 工艺设计提供参考。
在当今追求可持续发展的时代，污水处理领域也面临着新的挑战与机遇。传统的污水处理厂（WWTPs）已不能仅仅满足于达标排放，还需兼顾气候影响、能源及化学药剂的使用等多方面因素。有氧颗粒污泥（AGS）工艺作为一种新兴的污水处理技术，自 20 世纪 90 年代被提出后，凭借其在成本、能源、土地和化学药剂使用上的优势，逐渐受到广泛关注。它能在特定环境条件下形成结构紧凑、沉降性能良好的颗粒污泥，这些颗粒污泥具备同步硝化反硝化以及生物除磷的能力。
然而，AGS 工艺在实际应用中仍存在一些问题。一方面，关于 AGS 系统产生的剩余污泥的沼气生产潜力，研究结果并不统一，部分研究表明其沼气潜力低于传统活性污泥（CAS）系统，而有的研究则得出相反结论，这可能与 AGS 系统的设计和运行因素有关。另一方面，在污水处理过程中，碳管理至关重要。初沉是污水处理厂常见的工艺，初沉污泥的可消化性和沼气产量较高，但初沉会降低污水的碳氮比（C/N），影响后续的脱氮效果，可能需要添加外部碳源来实现低氮排放，这又带来了额外的成本和环境影响。而且，目前关于 AGS 工艺的研究大多基于合成污水，缺乏对实际市政污水的研究。因此，探寻 AGS 工艺在市政污水处理中可持续碳管理的最优策略迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自瑞典的研究人员在 Rya 污水处理厂开展了相关研究。他们通过运行一个大型中试反应器 1.5 年，处理实际市政污水，考察了剩余污泥的沼气潜力以及反硝化过程中对外部碳源的需求，并评估了有无初沉时 AGS 工艺在成本和二氧化碳排放方面的差异。
研究人员用到的主要关键技术方法有：首先，利用 AMPTS II 设备进行生化甲烷潜力（BMP）测试，对不同类型的污泥样本进行检测；其次，采用多种标准分析方法，如用密封管法分析进出水的总化学需氧量（COD），用标准方法分析总固体（TS）和挥发性固体（VS）等；最后，进行可持续性评估，对比不同运行条件下的气候影响和成本。
化学需氧量与外部碳源需求
研究人员发现，当向 AGS 反应器中输入原污水时，进水的 COD 和 C/N 比最高，而在初沉污水运行的第一阶段最低。为了使出水硝酸盐浓度低于 2mg NO3--N/L，平均需要添加 0.8g COD/g N 的甲醇，约占总 COD/N 负荷的 14%。不过在实验后期，甲醇剂量可降至 0.4g COD/g N，这表明有可能通过优化甲醇投加量来达到低出水硝酸盐浓度的目标。
污泥成分
混合 AGS（Mixed AGS）在处理原污水时比处理初沉污水含有更多的碳水化合物、蛋白质和总 COD。而废弃 AGS（Waste AGS）在初沉时含有更多蛋白质和碳水化合物，但处理原污水时碳水化合物含量更高、蛋白质含量更低。与活性污泥（WAS）相比，Waste AGS 含有更多的碳水化合物和蛋白质，而初沉污泥（PS）则含有更高浓度的碳水化合物和较低浓度的蛋白质。
生化甲烷潜力
BMP 测试结果显示，不同底物的 BMP 存在显著差异。PS 的 BMP 最高，其次是纤维素。WAS 的 BMP 略高于先前研究，这可能与 Rya 污水处理厂较短的污泥龄有关。当 AGS 反应器处理初沉污水时，Mixed AGS 的 BMP 略高于 Waste AGS，但差异不显著；处理原污水时，Waste AGS 的 BMP 略高于 Mixed AGS，差异同样不显著。与以往研究相比，本研究中 Waste AGS 的 BMP 相对较低。
可持续性影响
研究人员计算了五种 AGS 污水处理场景的可持续性。结果表明，在场景 1 中，虽然添加甲醇作为外部碳源增加了成本和气候影响，但初沉带来的更高沼气产量弥补了这些不足。当沼气价格较低时，不进行初沉的方案在成本上更具优势，但在气候影响方面，初沉方案仍更优。而当 Waste AGS 的沼气产量大幅提高时，不进行初沉的方案在成本和气候影响方面都更优。这说明不同 AGS 系统的最优碳管理策略可能不同，需根据具体情况评估沼气潜力。此外，还可以通过部分污水绕过初沉、从初沉污泥中生产挥发性脂肪酸作为碳源或采用化学强化初沉等方法来优化碳管理。
研究结论表明，中试规模的 AGS 反应器在处理市政污水时，使用原污水可使出水硝酸盐浓度达到 3.0±0.9mg NO3--N/L；使用初沉污水时，硝酸盐浓度为 5.8±1.9mg NO3--N/L ，添加 0.8±0.2g COD/g N 的甲醇可将其降至 2.0±0.8mg NO3--N/L。Waste AGS 在处理原污水时的生物甲烷潜力比处理初沉污水时高 20%，但整个工艺在包含初沉时估计可多产生 25% 的沼气。可持续性分析显示，从经济价值和 CO2排放角度来看，在工艺设计中采用初沉所增加的沼气产量可能超过使用甲醇作为反硝化外部碳源的弊端。因此，在 AGS 工厂的设计中，尤其是在已有初沉池的情况下（如改造现有 CAS 工厂），初沉是一个值得考虑的选项。
该研究为 AGS 工艺在市政污水处理中的应用提供了重要参考，有助于优化工艺设计，实现更可持续的污水处理，其成果发表在《Bioresource Technology》上，为该领域的研究和实践开辟了新的思路。
