高負(fù)荷活性污泥法用于生活污水碳源回收的研究述評(píng)

江海鑫 賀藝 陳洪斌 劉冠男 唐建軍 張丁南

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；2.同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心；3.東北師范大學(xué)羅格斯紐瓦克學(xué)院；4.中國(guó)華油集團(tuán)有限公司；5.昆侖能源有限公司）

0 引言

生活污水中蘊(yùn)含著豐富的營(yíng)養(yǎng)物和能源，每噸生活污水潛在可回收0.10 kg有機(jī)肥、0.05 kg氮、0.01 kg磷及0.14 m3甲烷，潛在化學(xué)能是處理能耗的9.3倍［1-2］。然而，以傳統(tǒng)活性污泥法（CAS）為主體的污水處理工藝將污水中的營(yíng)養(yǎng)物視作污染物質(zhì)，以高能耗、高物耗為代價(jià)，使污染物質(zhì)轉(zhuǎn)移至大氣、污泥中，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的［3］。面對(duì)資源短缺、生態(tài)破壞以及環(huán)境污染等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，污水處理達(dá)標(biāo)排放至自然水體不再是污水處理廠的唯一目標(biāo)。近年來(lái)，以滿足下端用戶的需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)水資源高質(zhì)量回用的同時(shí)，回收營(yíng)養(yǎng)物和能源，逐漸成為污水處理廠主要目標(biāo)［1］。

污水碳源回收是營(yíng)養(yǎng)物和能源回收的核心之一。目前，各類碳源回收技術(shù)中，厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）是最成熟可靠的組合技術(shù)[4-7]。當(dāng)污水中有機(jī)物濃度足夠高時(shí)，可直接采用主流厭氧消化工藝產(chǎn)甲烷，從而實(shí)現(xiàn)能源回收。但是，實(shí)際污水中有機(jī)物濃度往往達(dá)不到技術(shù)上的最適濃度需求。而且甲烷在水相中有一定的溶解度，造成相當(dāng)部分損失在出水中［1］。若冬季溫度過(guò)低，厭氧消化設(shè)備本身需要進(jìn)行供熱維持合適的溫度，有機(jī)物濃度越低，無(wú)效供熱比例越大。目前，主流厭氧消化工藝的應(yīng)用范圍較窄，用于市政生活污水處理的可行性不高。

通過(guò)強(qiáng)化一級(jí)處理技術(shù)，濃縮污水中的有機(jī)物，提高初沉污泥產(chǎn)量，使得側(cè)流厭氧消化成為污水碳源回收的可行方案［3］。初沉污泥與二沉污泥的特性具有較大的差別：二沉污泥以微生物細(xì)胞為主，而初沉污泥以原污水有機(jī)物為主，含有更高的化學(xué)能，更容易進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，有利于實(shí)現(xiàn)資源和能源回收。因此，為實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物最大程度的回收，需要盡可能避免有機(jī)物氧化為 CO2，通過(guò)絮凝、膜濃縮等方式捕獲碳源，使碳源改向，實(shí)現(xiàn)初沉污泥產(chǎn)量最大化［8-9］。改向后的碳源通過(guò)厭氧消化、熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)碳源最大效率的回收。

高負(fù)荷活性污泥法（HRAS），包括傳統(tǒng)高負(fù)荷活性污泥法（HRCAS）和高負(fù)荷接觸穩(wěn)定工藝（HRCS）。HRAS曾在歐美國(guó)家廣泛使用，但不滿足脫氮除磷要求，在20世紀(jì)末期逐漸被淘汰。然而，HRAS在實(shí)現(xiàn)污水廠碳中和、能源自給方面具有巨大的潛力，如，礦化率低，污泥產(chǎn)量大，產(chǎn)甲烷潛勢(shì)高等［10］。因此，近年來(lái)，該工藝重新受到關(guān)注，關(guān)注重點(diǎn)為機(jī)理、工藝參數(shù)優(yōu)化及模型化等。在機(jī)理研究方面，生物絮凝和細(xì)胞貯存被認(rèn)為是 HRAS強(qiáng)化碳源回收的主要途徑。優(yōu)化的工藝參數(shù)主要包括：泥齡（SRT）、水力停留時(shí)間（HRT）和溶解氧（DO）等，少部分文獻(xiàn)還報(bào)道了污泥濃度的影響［11］。由于HRAS的SRT和HRT極短，涉及的物理生化過(guò)程與CAS存在明顯差異，現(xiàn)有活性污泥數(shù)學(xué)模型無(wú)法合理描述這些過(guò)程。

針對(duì)HRAS這一熱點(diǎn)問(wèn)題，本文首先對(duì)HRAS的工藝流程及特點(diǎn)做出介紹，然后總結(jié)了機(jī)理、工藝參數(shù)優(yōu)化與數(shù)學(xué)模型等方面的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。同時(shí)，對(duì)該研究領(lǐng)域中已解決的問(wèn)題、尚未解決的問(wèn)題以及具有爭(zhēng)議的觀點(diǎn)分別進(jìn)行了討論。最后，提出了未來(lái)探究的著力點(diǎn)與方向。

1 HRAS的工藝流程及其特點(diǎn)

HRAS以高進(jìn)水負(fù)荷（F/M）和低SRT為特征。雖然對(duì)F/M和SRT的范圍未作嚴(yán)格定義，但通常來(lái)說(shuō)，HRAS 的 F/M＞2 g bCOD/g VSS/d，SRT≤2 d［12］。低負(fù)荷活性污泥系統(tǒng)的F/M＜0.6 g bCOD/g VSS/d，SRT＞3 d［10］。CAS通常是低負(fù)荷系統(tǒng)，進(jìn)水負(fù)荷F/M在0.25 g bCOD/g VSS/d左右，SRT＞10 d。HRAS通常以短HRT運(yùn)行，一般為數(shù)十分鐘到數(shù)小時(shí)，而CAS通常為十幾小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)。

HRAS通常分為HRCAS和HRCS。HRCAS的工藝流程如圖1所示，其常見的應(yīng)用形式為吸附-生物降解工藝（即AB法）的A段。HRCS的工藝流程如圖2所示。一般認(rèn)為，HRCS相對(duì)于HRCAS的優(yōu)勢(shì)在于：交替飽食-饑餓環(huán)境選擇出高生物吸收能力的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，對(duì)溶解態(tài)有機(jī)物（以 sCOD表示）進(jìn)行細(xì)胞貯存形成胞內(nèi)貯存物，這一過(guò)程的氧化程度低［13］；而 HRCAS 易對(duì) sCOD 進(jìn)行高比例礦化［14］。但是有研究表明，即使HRCAS沒有明顯的飽食-饑餓環(huán)境，也存在對(duì)sCOD進(jìn)行細(xì)胞貯存的現(xiàn)象［15］。實(shí)際上，兩種HRAS工藝在碳源回收方面各有特點(diǎn)（如表1所示）。Rehman等［16］對(duì)比了HRCS和推流式A段（HRCAS的一種形式）的碳源回收率，發(fā)現(xiàn)兩種工藝均能達(dá)到相同的碳源回收率。但HRCS能耗更低，而出水水質(zhì)差；A段的能耗高，而出水水質(zhì)更好。因此，對(duì)HRAS兩種形式的選擇取決于目的，若要求能耗低，則選擇 HRCS，若對(duì)出水水質(zhì)有要求則選擇HRCAS。

圖1 HRCAS工藝流程

圖2 HRCS工藝流程

表1 HRCAS和HRCS的特點(diǎn)對(duì)比

2 HRAS的碳源回收機(jī)理

對(duì)于 HRAS，進(jìn)水中的碳源改向后形成的污泥是碳源回收的中間體。污泥中的碳源包括：（1）生物絮凝吸附的顆粒態(tài)有機(jī)物（以pCOD表示）和膠體態(tài)有機(jī)物（以cCOD表示）；（2）自然沉降的pCOD；（3）對(duì)sCOD細(xì)胞貯存作用形成的胞內(nèi)貯存物；（4）增殖的微生物細(xì)胞；（5）細(xì)胞內(nèi)源呼吸產(chǎn)物。

微生物的增殖過(guò)程和內(nèi)源呼吸過(guò)程往往伴隨高比例的有機(jī)物礦化，因此，為最大化初沉污泥的產(chǎn)量，應(yīng)盡量避免微生物的過(guò)量增殖，并抑制內(nèi)源呼吸。pCOD中大部分可自然沉降，這部分有機(jī)物無(wú)需經(jīng)過(guò)生物絮凝可直接在沉淀池重力沉降而回收。因此，生物絮凝和細(xì)胞貯存是HRAS兩個(gè)最重要的作用原理。

2.1 生物絮凝

生物絮凝是指細(xì)小生物污泥絮體吸附其他有機(jī)物顆粒，形成更大污泥絮體的過(guò)程。大污泥絮體再通過(guò)重力沉淀、膜過(guò)濾或者其他過(guò)程實(shí)現(xiàn)泥水分離。生物絮凝既可以指通常意義上的生物污泥絮凝，也可以指pCOD和cCOD被污泥絮體吸附和網(wǎng)捕而去除的過(guò)程。細(xì)菌和膠體顆粒物表面常常帶有負(fù)電荷，產(chǎn)生靜電排斥力，使得細(xì)胞和膠體顆粒物穩(wěn)定懸浮。但是，大部分處于生長(zhǎng)穩(wěn)定期的細(xì)菌表面會(huì)形成胞外多聚物（EPS）層，對(duì)有效的生物絮凝起著至關(guān)重要的作用［17］。

EPS是細(xì)胞分泌和分解的產(chǎn)物，其組成因環(huán)境不同而有所差別，但是主要成分為多糖和蛋白質(zhì)（占總EPS的70%～80%），以及少量的腐殖質(zhì)、核酸和脂類［18-19］。大量研究表明，生物絮凝作用與EPS的產(chǎn)量和組分有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，EPS的產(chǎn)量與pCOD和 cCOD的生物絮凝回收率呈正比關(guān)系［10，13］。由于多糖中存在親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，其對(duì)污泥的生物絮凝作用有一定的貢獻(xiàn)，但通常認(rèn)為，蛋白質(zhì)是EPS中對(duì)生物絮凝作用貢獻(xiàn)最大的組分。EPS中蛋白質(zhì)與多糖的比例過(guò)低，多糖占據(jù)大部分EPS空間，可能會(huì)限制帶負(fù)電的疏水蛋白質(zhì)對(duì)生物絮凝的促進(jìn)作用。也有研究表明，EPS的產(chǎn)量和組成同高負(fù)荷系統(tǒng)的生物絮凝作用關(guān)系不大［11］。需要注意的是，EPS中的各組分含量取決于提取方法，研究EPS組分對(duì)生物絮凝的影響時(shí)這一點(diǎn)值得關(guān)注。

EPS的存在形態(tài)包括溶解型和結(jié)合型，而結(jié)合型又可分為松散結(jié)合型和緊密結(jié)合型［19］。近年來(lái)，關(guān)于HRAS中的EPS研究報(bào)道中，大多只關(guān)注結(jié)合型 EPS［10-11，14］。盡管溶解型 EPS對(duì)微生物活性和污泥的表面特性起著關(guān)鍵性作用［12，19］，但相關(guān)研究較少。不同類型的EPS在HRAS系統(tǒng)中的行為不同［11］。Li和Yang［20］認(rèn)為松散結(jié)合型EPS對(duì)生物絮凝和泥水分離具有負(fù)效應(yīng)，若過(guò)量產(chǎn)生，會(huì)削弱細(xì)胞吸附、弱化絮體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生物絮凝能力變差，泥水分離更難。

需要引起注意的是，雖然EPS中帶負(fù)電和疏水官能團(tuán)可能對(duì)生物絮凝具有積極影響，但是EPS過(guò)高可能導(dǎo)致污泥膨脹和沉降性能降低，從而使出水水質(zhì)變差，碳源回收率變低。因此，在研究 HRAS回收碳源時(shí)，應(yīng)兼顧污泥EPS的產(chǎn)量和組成，并采用合適的方式表征污泥沉降性能和脫水性能。

2.2 細(xì)胞貯存

細(xì)胞貯存是指微生物細(xì)胞吸收易生物降解有機(jī)物在胞內(nèi)合成貯存物質(zhì)的過(guò)程。這些貯存物質(zhì)不包括在細(xì)胞成分中，但可進(jìn)一步被細(xì)胞同化。細(xì)胞貯存現(xiàn)象往往發(fā)生于存在碳源濃度梯度的環(huán)境中，如推流式的曝氣池、含有選擇器的系統(tǒng)、接觸穩(wěn)定工藝或者是序批式活性污泥工藝。HRCS由于存在接觸池和穩(wěn)定池，形成了交替的飽食和饑餓的動(dòng)態(tài)環(huán)境，有利于細(xì)胞在接觸階段吸收易生物降解有機(jī)物生成胞內(nèi)聚合物。但是胞內(nèi)聚合物難以準(zhǔn)確表征，往往以聚羥基丁酸（PHB）的實(shí)測(cè)值用來(lái)表征細(xì)胞貯存量。由于胞內(nèi)貯存物還包括脂類和糖源等，這樣可能會(huì)低估細(xì)胞貯存對(duì)碳源回收率的貢獻(xiàn)［8］。盡管不存在飽食—饑餓的交替環(huán)境，HRCAS也可能存在細(xì)胞貯存現(xiàn)象。Kinyua等［15］研究了HRCAS的細(xì)胞貯存現(xiàn)象，認(rèn)為SRT越低，產(chǎn)甲烷潛勢(shì)越高。這可能是更高的污泥產(chǎn)量和更多的胞內(nèi)貯存物產(chǎn)生造成的。但是大部分研究人員僅關(guān)注EPS和生物絮凝的相關(guān)性，忽視了細(xì)胞貯存作用。雖然，與細(xì)胞貯存直接相關(guān)的是污水中 sCOD的易生物降解部分，若原水中該部分的比例小，忽視細(xì)胞貯存作用可能對(duì)碳源回收結(jié)果分析影響不大。但是，pCOD和cCOD中的可生物降解部分在EPS層能被水解為小分子物質(zhì)，進(jìn)一步合成胞內(nèi)貯存物。因此，在研究HRCAS時(shí)應(yīng)重視細(xì)胞貯存作用。

3 HRAS的工藝參數(shù)及優(yōu)化

HRAS的工藝參數(shù)優(yōu)化包括兩個(gè)目標(biāo)，即碳源回收率最大化和提高出水水質(zhì)。HRAS為一級(jí)處理技術(shù)，其出水需要后續(xù)處理，由于出水碳氮比低，不宜采用傳統(tǒng)硝化反硝化工藝，宜采用短程硝化反硝化工藝或者短程硝化厭氧氨氧化工藝，這兩種工藝對(duì)碳氮比有一定的要求，前者要求COD/TKN（總凱氮）控制在7左右［21］，后者要求COD/TKN不大于3［22］。因此，出水碳氮比也被作為優(yōu)化目標(biāo)。本文以最大化碳源回收率為優(yōu)先目標(biāo)，分別討論SRT、HRT、DO及污泥濃度對(duì)碳源回收率的影響。

3.1 泥齡

SRT是活性污泥法設(shè)計(jì)與運(yùn)行中最基本、最重要的參數(shù)。SRT的選擇取決于諸多因素，滿足出水水質(zhì)是CAS最重要的因素，其SRT通常為10～30 d。在如此高的SRT下，污水中大部分有機(jī)物被氧化至大氣中，造成了碳源的損失。對(duì)于以碳源回收率最大化為優(yōu)化目標(biāo)的HRAS來(lái)說(shuō)，應(yīng)該盡量避免碳源的氧化，最大化初沉污泥產(chǎn)量。HRAS的SRT通常不大于2 d，在此范圍內(nèi)，SRT對(duì)初沉污泥產(chǎn)量和氧化率影響仍舊很大。

SRT決定了污泥中微生物的類型及多樣性。在HRAS系統(tǒng)中，只有快速生長(zhǎng)的細(xì)菌才有可能保留。快速生長(zhǎng)型細(xì)菌產(chǎn)率系數(shù)高，在利用底物時(shí)，氧化程度低。但是這些微生物往往只能利用部分易生物降解 COD［23］，即主要為短鏈脂肪酸［24］。隨著 SRT的延長(zhǎng)，系統(tǒng)中微生物種類變得豐富，一些慢速生長(zhǎng)的細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物在系統(tǒng)中出現(xiàn)。這些微生物產(chǎn)率系數(shù)低，意味著利用底物氧化程度高。與此同時(shí)，微生物總量和內(nèi)源呼吸比例增加，導(dǎo)致剩余污泥的產(chǎn)甲烷潛勢(shì)降低。Meerburg等［10］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRT為1.31 d和0.41 d時(shí)，HRCAS工藝產(chǎn)生的剩余污泥單位甲烷產(chǎn)量分別為1.10 g CODCH4/g TSS和1.36 g CODCH4/g TSS。SRT過(guò)低，系統(tǒng)中總的污泥量減少，污泥中微生物種類減少、代謝能力降低，盡管碳源礦化率低（甚至降至為零［10］），大部分碳源損失在出水中，導(dǎo)致總的碳源回收率可能不高。

SRT還會(huì)影響EPS的產(chǎn)量和組成，從而影響生物絮凝效果。但是，SRT對(duì)EPS的影響研究結(jié)果不一致。Jimenez等［14］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRT由0.3 d增加至1.0 d時(shí)，EPS產(chǎn)量由50±25 mg COD/g VSS增加至105±16 mg COD/g VSS。Sesay等［24］發(fā)現(xiàn)，SRT 增加導(dǎo)致EPS的總量和蛋白質(zhì)、多糖的含量明顯增加。當(dāng)SRT從4 d增加至20 d時(shí)，Liao等［25］并沒有發(fā)現(xiàn)EPS中總COD含量變化的明顯趨勢(shì)，而是發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)與多糖的比例增加。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRT由0.28 d升至0.56 d時(shí)，EPS中的COD顯著降低［15］。Li和 Yang［20］認(rèn)為，活性污泥中的緊密結(jié)合型EPS含量與SRT無(wú)關(guān)，而松散結(jié)合型EPS隨SRT增加而降低。導(dǎo)致這些研究結(jié)果存在矛盾之處的原因可能是EPS的提取方式和SRT的研究范圍不同。

3.2 水力停留時(shí)間

HRT是控制系統(tǒng)反應(yīng)進(jìn)程的重要運(yùn)行參數(shù)之一。生物絮凝可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成［19］，但水解、氧化和細(xì)胞生長(zhǎng)等基于生物反應(yīng)的過(guò)程耗時(shí)更長(zhǎng)。在有機(jī)物去除過(guò)程中，易生物降解有機(jī)物會(huì)首先被氧化利用，慢速生物降解有機(jī)物要先經(jīng)過(guò)水解才能進(jìn)一步被氧化。HRCAS僅存在一個(gè)反應(yīng)區(qū)，即低氧曝氣池，主要反應(yīng)包括生物絮凝、細(xì)胞貯存、細(xì)胞生長(zhǎng)和生物氧化等。曝氣池的HRT為數(shù)十分鐘，在一定范圍內(nèi) sCOD、cCOD和 pCOD的去除率隨 HRT增加而增加；當(dāng)HRT超過(guò)一定范圍時(shí)，去除率并不會(huì)有明顯增加［14］。

HRCS包括兩個(gè)反應(yīng)區(qū)：接觸池和穩(wěn)定池，對(duì)應(yīng)接觸時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。接觸池主要是通過(guò)生物絮凝去除有機(jī)物。因此，在設(shè)計(jì)HRCS系統(tǒng)時(shí)，接觸時(shí)間設(shè)計(jì)為數(shù)分鐘可能足以達(dá)到較高的 COD去除率［10］。但是傳統(tǒng)的生物絮凝吸附強(qiáng)化一級(jí)處理研究中，接觸時(shí)間為30 min左右。相反地，穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)該足夠長(zhǎng)，以保證慢速生物降解有機(jī)物的充分降解，從而選擇出高貯存、高吸收能力的微生物［10］。Huang和 Li［26］發(fā)現(xiàn)，為保證污泥高的生物吸收能力，穩(wěn)定時(shí)間至少為30 min。

沉淀時(shí)間同樣是影響碳源回收率的重要因素。HRAS的污泥沉淀能力低于初沉池和二沉池。HRAS出水中往往pCOD很高，這些pCOD被認(rèn)為是未沉淀的污泥小絮體［10，27］。Meerburg 等［10］發(fā)現(xiàn)，高負(fù)荷接觸穩(wěn)定系統(tǒng)污泥的沉降速度為 0.11 m/h，而常規(guī)初沉池設(shè)計(jì)沉降速度（溢流率）為1.25～2.08 m/h，常規(guī)二沉池為0.67～1.17 m/h。理論上，生物絮凝作用使得污泥小絮體之間相互結(jié)合，沉淀能力比原水中的顆粒物強(qiáng)，因此，HRAS系統(tǒng)中的沉淀池沉淀能力應(yīng)高于原水的初沉池。造成這種意外結(jié)果的原因可能是：研究中的系統(tǒng)往往是小試或者中試，沉淀池設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，未針對(duì)高負(fù)荷活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 溶解氧

HRCAS反應(yīng)池全程進(jìn)行低氧曝氣，溶解氧通常為1.0 mg/L左右。Kinyua等［15］發(fā)現(xiàn)當(dāng)SRT為0.56 d時(shí)，DO分別為0.5 mg/L、1.0 mg/L和1.5 mg/L的HRCAS系統(tǒng)的碳源回收率分別為 43.7%、55.4%和46.3%。Jimenez等［14］研究表明，當(dāng)DO由接近于0升高至1.0 mg/L，sCOD、cCOD和pCOD的去除率均隨DO升高而升高，當(dāng)DO為1.0 mg/L時(shí)，三者去除率達(dá)到最大，若再提高DO，去除率不會(huì)有明顯變化。同時(shí)，除非DO<0.3 mg/L，sCOD的氧化則很難被抑制［14］。

HRCS通常在穩(wěn)定池曝氣，DO維持在2.0 mg/L或1.5 mg/L以上［11，19］。然而，DO應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。當(dāng) DO過(guò)低時(shí)，絮凝飽和污泥穩(wěn)定再生不充分，影響下一階段的接觸絮凝效果，使得碳源捕獲量降低；同時(shí)，多種絲狀細(xì)菌適合在低 DO條件下生長(zhǎng)，導(dǎo)致污泥沉降性能變差，從而影響出水水質(zhì)。DO增加，雖然COD去除率會(huì)增加，但是氧化比例增加，導(dǎo)致碳源回收率降低。DO也會(huì)影響EPS產(chǎn)量和組成，從而可能對(duì)生物絮凝作用產(chǎn)生間接影響［14-15，28］。同時(shí)，過(guò)度曝氣會(huì)導(dǎo)致接觸池剪切力大，使得污泥解體，沉淀性能下降。Rahman等［29，30］發(fā)現(xiàn)在接觸池進(jìn)行低氧曝氣，可快速增加EPS含量，從而改善生物絮凝能力，提升碳源回收率。

3.4 污泥濃度

CAS系統(tǒng)將剩余污泥排放速率維持為常數(shù)，從而控制SRT。由于SRT與進(jìn)水日變化周期相比足夠大，進(jìn)水 COD負(fù)荷變化引起的污泥濃度的變化很小。因此，即使污泥濃度有所變化，由于SRT長(zhǎng)，系統(tǒng)中的生物量可補(bǔ)償變化的污泥濃度。對(duì)于HRAS來(lái)說(shuō)，當(dāng)SRT很低（小于1 d），明顯小于進(jìn)水COD負(fù)荷日變化周期時(shí)，導(dǎo)致污泥濃度易受進(jìn)水的影響［14，31］。Miller等［32］發(fā)現(xiàn)，AB 工藝的 A 段若以污泥濃度作為控制參數(shù)，COD去除率和出水水質(zhì)將比SRT作為控制參數(shù)時(shí)更穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)水COD變化周期大于SRT時(shí)，控制SRT為常數(shù)將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)在不穩(wěn)定。傳統(tǒng)控制SRT為定值的方法，在高負(fù)荷系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮有效作用，需要復(fù)雜的自動(dòng)控制技術(shù)維持污泥濃度在一定值。在傳統(tǒng)高負(fù)荷系統(tǒng)研究中，污泥濃度維持在3 000 mg/L（以混合液懸浮固體濃度計(jì)），這是因?yàn)椋海?）DO、SRT、OUR（氧利用速率）和污泥濃度是相互關(guān)聯(lián)的，且影響污泥沉降性能；（2）當(dāng)污泥濃度超過(guò)此值時(shí)，COD去除率并不會(huì)增加。但是，大部分研究將SRT控制為常數(shù)，并未對(duì)污泥濃度進(jìn)行控制。

4 HRAS的數(shù)學(xué)模型

由于HRAS的SRT極低，水力停留時(shí)間短、有機(jī)物負(fù)荷高，有機(jī)物的去除過(guò)程與傳統(tǒng)活性污泥法有差異，已有的活性污泥數(shù)學(xué)模型（如 ASM1）無(wú)法準(zhǔn)確應(yīng)用于HRAS。ASM1認(rèn)為cCOD和pCOD的吸附和網(wǎng)捕是瞬間的，且進(jìn)行完全。事實(shí)上，HRAS的接觸時(shí)間（包括了傳統(tǒng)活性污泥法的曝氣時(shí)間）短，污泥絮體對(duì)cCOD和pCOD吸附不能認(rèn)為是瞬間完成的，吸附也可能進(jìn)行不完全。由于SRT低，系統(tǒng)中的微生物種類少，主要為快速生長(zhǎng)型細(xì)菌，無(wú)法完全利用易生物降解有機(jī)物。還有，大部分研究強(qiáng)調(diào)了 EPS對(duì)高負(fù)荷系統(tǒng)生物絮凝影響的重要性，而 ASM1中未體現(xiàn) EPS。另外，細(xì)胞貯存可能是sCOD的主要回收機(jī)理。

目前，對(duì) HRAS的模型研究報(bào)道較少。Nogaj等［33］建立了一套復(fù)雜的 HRAS模型，用于描述有機(jī)物的去除，有機(jī)物組分劃分為 9種，子過(guò)程為8個(gè)，總計(jì)20個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。其特點(diǎn)在于：（1）將傳統(tǒng)意義上的溶解性可生物降解有機(jī)物劃分為溶解性快速生物降解有機(jī)物和溶解性慢速生物降解有機(jī)物，并用兩階段理論和雙底物理論描述利用過(guò)程；（2）增加cCOD吸附的模型子過(guò)程；（3）增加EPS和胞內(nèi)貯存物組分，同時(shí)增加這兩種物質(zhì)合成、利用的子過(guò)程。該模型能夠較為真實(shí)地反映HRAS。但是，模型較復(fù)雜，參數(shù)和組分的結(jié)構(gòu)識(shí)別和實(shí)踐識(shí)別可能很困難。而Smitshuijzen等［31］將沉淀過(guò)程和吸附過(guò)程組合在一起，在僅增加與亞硝酸鹽模型組分和子過(guò)程的條件下（相對(duì)于ASM1），建立了簡(jiǎn)單的高負(fù)荷活性污泥模型，并能夠在實(shí)際污水廠中得到驗(yàn)證。但該模型的可外推性需要進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論與展望

HRAS在回收污水中的碳源方面具有巨大的潛力。HRCAS和HRCS兩種HRAS法可達(dá)到相同的碳源回收能力，但各有特點(diǎn)，即：HRCAS耗能更高而出水水質(zhì)更好，HRCS恰好相反。HRAS涉及的主要機(jī)理為生物絮凝和細(xì)胞貯存，可優(yōu)化的工藝參數(shù)包括SRT、HRT、DO和污泥濃度等。在關(guān)于HRAS數(shù)學(xué)模型方面的建立和應(yīng)用，也有一些初步探索。HRAS尚需重點(diǎn)關(guān)注的方向?yàn)椋?/p>

（1）HRAS的水質(zhì)適應(yīng)性。如，污水中sCOD、cCOD和pCOD的含量及比例對(duì)碳源回收率的影響。

（2）EPS對(duì)生物絮凝的作用。現(xiàn)有研究存在矛盾之處，若是提取方法造成的，應(yīng)建立統(tǒng)一的 EPS提取方法。

（3）在優(yōu)化工藝參數(shù)時(shí)，提高碳源回收效率的同時(shí)需要兼顧后續(xù)處理的達(dá)標(biāo)排放。

（4）HRAS的實(shí)用數(shù)學(xué)模型建立，要求既能反映過(guò)程機(jī)理，又方便組分和參數(shù)估計(jì)。