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好氧颗粒污泥（AGS）具有紧实的结构、优异的沉降性能，无需二沉池及添加絮凝剂降低出水浊度，因此可降低污水厂的占地面积及运行费用，具有广阔的应用前景。但是目前AGS启动时间较长，造粒机理不明等限制了其应用。胞外聚合物（EPS）对微生物聚集体的形成及稳定具有重要作用，且不同形态的EPS对污泥聚集具有不同作用。而目前关于颗粒化过程中EPS中蛋白质（PN）、多糖（PS）含量及结构变化的研究较多，但是关于颗粒化过程中不同形态EPS对污泥聚集作用的研究较少。本文研究了AGS反应器启动过程中污泥形态及特性变化，进一步探明颗粒化机理；通过测定颗粒化过程中各形态EPS的组分，并研究EPS对污泥表面特性、聚集性能的作用；最后采用扩展DLVO理论对污泥表面自由能及各形态EPS对污泥聚集的贡献进行定量定性计算，进一步理解污泥颗粒化机理及各形态EPS在污泥颗粒化过程中的作用，为启动及稳定运行AGS反应器及EPS调控提供理论支持。论文取得的主要结论如下：
①采用递减沉淀时间可以在40天内启动AGS反应器。反应器内MLSS、MLVSS分别为8.73±0.08，7.39±0.08g/L；SV30/SV5及反应器内颗粒化程度分别为0.93±0.02，90.22%，标志着反应器中污泥已实现颗粒化。污泥的疏水性及zeta电位分别由45.67±0.88%，-12.27±0.59mV上升至76.67±2.17%，-8.09±0.71mV。激光共聚焦显微镜（CLSM）对颗粒污泥结构分析表明，成熟颗粒污泥的结构紧实，具有较强的生物活性。活细胞由外至内递减，颗粒中大量丝状死细菌呈骨架结构；颗粒内部存在较大的蛋白质内核，β-多糖呈丝状分布在颗粒内部为骨架作用。
基于污泥形态、表面特性及结构的分析结果表示污泥颗粒化过程可能为：丝状菌呈骨架结构，细胞疏水性上升促进细胞相互聚集，并粘附在丝状菌上快速生长、繁殖成为絮状-颗粒污泥；在较强水力剪切力作用下，污泥成为表面光滑，结构紧实的成熟颗粒污泥。
②颗粒化过程中PN含量及相对疏水性分别上升2.72，1.83倍；PS含量无明显变化。对比接种污泥及成熟颗粒污泥的EPS染色CLSM图像发现，PN在颗粒污泥中形成蛋白质内核；PS结构由松散变成丝状骨架结构。表明EPS中PN及PS分别对污泥细胞聚集及结构稳定性具有重要作用。各形态EPS的组成及变化规律存在较大差异：溶解态EPS（S-EPS）含量较低；松散结合型EPS（LB-EPS）中PS含量由11.63±0.11mg/gVSS下降至3.33±0.26mg/gVSS，PN含量无明显变化；紧密结合态EPS（TB-EPS）占EPS总量的72.81-93.11%，PN含量由30.38±0.12mg/gVSS上升至83.99±2.05mg/gVSS。且TB-EPS中PN相对疏水度由38.90%上升至71.25%，有利于促进细胞聚集。
通过分析提取各形态EPS前后污泥的表面特性及聚集性能发现：TB-EPS的存在使得污泥表面zeta电位、疏水性及聚集度增加，有利于细胞聚集及造粒，且在颗粒化过程中TB-EPS对污泥表面特性的贡献呈上升趋势；与之相比，S-EPS及LB-EPS对污泥表面特性的影响较小。Pearson相关性分析表明，TB-EPS含量增加有利于减少污泥表面的负电荷、增强疏水性，从而促进微生物相聚集并加速颗粒形成；LB-EPS含量增加会恶化污泥的沉降性能，阻碍污泥颗粒化；S-EPS与污泥的沉降及表面性能无明显相关性。且TB-EPS在EPS中起到主要作用，PN的增加有利于促进污泥造粒、提升沉降性能。
③表面热力学分析表明，污泥表面吸附自由能（?Gad?）主要受Lewis酸碱相互作用自由能（?GABad?）影响。颗粒化过程中?GABad?由13.57mJ/m2下降至-58.92mJ/m2，污泥表面疏水性上升以促进污泥细胞聚集。TB-EPS提取后污泥?Gad?变化值显著上升，对细胞聚集起到主要作用；而在絮状污泥、颗粒污泥中，LB-EPS的存在分别可增加、降低污泥表面?Gad?的作用。
通过XDLVO相互作用能计算发现：颗粒化过程中污泥细胞间总相互作用能（WTOT）主要受Lewis酸碱水合作用能（WAB）影响。颗粒化过程中，WAB由斥力作用转变为引力作用，因此污泥细胞间WTOT势垒由3146.59KT下降至-3.69KT，第二极小值由-12.94KT下降至-22.55KT，表明污泥细胞间的聚集性能及稳定性不断提升。LB-EPS、TB-EPS对污泥细胞聚集的贡献不同。TB-EPS为EPS对WTOT贡献的主要成分，在颗粒化过程中均呈引力作用。对于不同形态污泥LB-EPS对WTOT贡献不同，在絮状、颗粒污泥中分别表现为斥力及引力作用。
①采用递减沉淀时间可以在40天内启动AGS反应器。反应器内MLSS、MLVSS分别为8.73±0.08，7.39±0.08g/L；SV30/SV5及反应器内颗粒化程度分别为0.93±0.02，90.22%，标志着反应器中污泥已实现颗粒化。污泥的疏水性及zeta电位分别由45.67±0.88%，-12.27±0.59mV上升至76.67±2.17%，-8.09±0.71mV。激光共聚焦显微镜（CLSM）对颗粒污泥结构分析表明，成熟颗粒污泥的结构紧实，具有较强的生物活性。活细胞由外至内递减，颗粒中大量丝状死细菌呈骨架结构；颗粒内部存在较大的蛋白质内核，β-多糖呈丝状分布在颗粒内部为骨架作用。
基于污泥形态、表面特性及结构的分析结果表示污泥颗粒化过程可能为：丝状菌呈骨架结构，细胞疏水性上升促进细胞相互聚集，并粘附在丝状菌上快速生长、繁殖成为絮状-颗粒污泥；在较强水力剪切力作用下，污泥成为表面光滑，结构紧实的成熟颗粒污泥。
②颗粒化过程中PN含量及相对疏水性分别上升2.72，1.83倍；PS含量无明显变化。对比接种污泥及成熟颗粒污泥的EPS染色CLSM图像发现，PN在颗粒污泥中形成蛋白质内核；PS结构由松散变成丝状骨架结构。表明EPS中PN及PS分别对污泥细胞聚集及结构稳定性具有重要作用。各形态EPS的组成及变化规律存在较大差异：溶解态EPS（S-EPS）含量较低；松散结合型EPS（LB-EPS）中PS含量由11.63±0.11mg/gVSS下降至3.33±0.26mg/gVSS，PN含量无明显变化；紧密结合态EPS（TB-EPS）占EPS总量的72.81-93.11%，PN含量由30.38±0.12mg/gVSS上升至83.99±2.05mg/gVSS。且TB-EPS中PN相对疏水度由38.90%上升至71.25%，有利于促进细胞聚集。
通过分析提取各形态EPS前后污泥的表面特性及聚集性能发现：TB-EPS的存在使得污泥表面zeta电位、疏水性及聚集度增加，有利于细胞聚集及造粒，且在颗粒化过程中TB-EPS对污泥表面特性的贡献呈上升趋势；与之相比，S-EPS及LB-EPS对污泥表面特性的影响较小。Pearson相关性分析表明，TB-EPS含量增加有利于减少污泥表面的负电荷、增强疏水性，从而促进微生物相聚集并加速颗粒形成；LB-EPS含量增加会恶化污泥的沉降性能，阻碍污泥颗粒化；S-EPS与污泥的沉降及表面性能无明显相关性。且TB-EPS在EPS中起到主要作用，PN的增加有利于促进污泥造粒、提升沉降性能。
③表面热力学分析表明，污泥表面吸附自由能（?Gad?）主要受Lewis酸碱相互作用自由能（?GABad?）影响。颗粒化过程中?GABad?由13.57mJ/m2下降至-58.92mJ/m2，污泥表面疏水性上升以促进污泥细胞聚集。TB-EPS提取后污泥?Gad?变化值显著上升，对细胞聚集起到主要作用；而在絮状污泥、颗粒污泥中，LB-EPS的存在分别可增加、降低污泥表面?Gad?的作用。
通过XDLVO相互作用能计算发现：颗粒化过程中污泥细胞间总相互作用能（WTOT）主要受Lewis酸碱水合作用能（WAB）影响。颗粒化过程中，WAB由斥力作用转变为引力作用，因此污泥细胞间WTOT势垒由3146.59KT下降至-3.69KT，第二极小值由-12.94KT下降至-22.55KT，表明污泥细胞间的聚集性能及稳定性不断提升。LB-EPS、TB-EPS对污泥细胞聚集的贡献不同。TB-EPS为EPS对WTOT贡献的主要成分，在颗粒化过程中均呈引力作用。对于不同形态污泥LB-EPS对WTOT贡献不同，在絮状、颗粒污泥中分别表现为斥力及引力作用。