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图1.1 SBR系统 [6]
1991年Mishima和NaKamura [5] 首次在连续流好氧污泥生物反应器内获得好氧颗粒污泥。Morgenroth等 [6] 在1997年第一次利用序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）培养出好氧颗粒污泥（图1.1）。Heijnen等 [7] 在1998年对其申请专利。
与其他工艺相比，SBR具有处理构筑物少、占地面积小、对水质和水量的变化适应性强、不易发生污泥膨胀等优点，因此目前大部分研究者均选择SBR培养好氧颗粒污泥 [8-17] 。通过灵活调整SBR进水、曝气、沉淀、排水、等待、排泥等环节，改变SBR的运行方式。调控曝气和非曝气可以创造交替厌氧、缺氧或好氧条件，有利于不同微生物共存于一个反应器内并执行不同的生化反应（如硝化、反硝化和除磷）。
目前对好氧颗粒污泥形成机理的探索仍未形成统一的理论。一般认为，颗粒化过程是微生物在一定条件下为适应环境不断地调整自身代谢活动产生的自发凝聚现象。在生物学范畴内，将微生物自聚假定为属内、属间和多属之间通过细胞表面受体的交互作用进行的细胞与细胞的黏附过程，如胞外蛋白（extracellular proteins，PN）与胞外多糖（extracellular polysaccharides，PS）之间，或PN与PN之间的交互作用 [18] 。Tay等 [19] 将好氧颗粒污泥的形成过程视为一种不依赖载体的微生物自固定化过程（图1.2~图1.4）。Beun等 [8] 提出无载体条件下好氧颗粒污泥形成的模拟过程，如图1.5所示。
图1.2 接种活性污泥形态 [19]
（a）光学显微镜；（b）扫描电镜
图1.3 培养1周的微生物聚集体 [19]
（a）投加葡萄糖；（b）投加乙酸盐
图1.4 培养2周的颗粒污泥 [19]
（a）投加葡萄糖；（b）投加乙酸盐
图1.5 SBR中好氧颗粒污泥形成机理假设 [8]
Liu等 [20] 提出好氧颗粒污泥形成过程的四步理论。
第一步：在剪切力、扩散作用、重力、热力学作用力和/或细胞移动的作用下，细菌发生物理运动形成聚合微粒。
第二步：由物理作用力、化学作用力或生物化学作用力形成的最初动力诱导形成初始颗粒。其中，物理作用力包括范德华力、正负电荷引力、热力学作用力（表面自由能，表面张力）和丝状菌链接或桥联单独细胞。其中，细胞表面疏水性在生物膜最初形成过程中起到重要作用 [19] 。在热力学理论范畴内，提高细胞表面疏水性会降低其表面过剩的吉布斯自由能（Gibbs free energy），继而促进细胞间相互作用，为细菌脱离水相发生自聚提供最初动力。在此过程中，丝状菌可构建三维结构，为黏附生长的细菌提供稳定的环境。化学作用力包括氢键、离子配对和三价离子配对等。生物化学作用力包括细胞膜融合、细胞受体吸引和细胞表面脱水。
第三步：微生物作用力促使微粒逐渐成熟，如分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）、细胞集群生长，以及环境刺激导致细菌的新陈代谢和基因表达变化。
第四步：外界水力剪切力稳固颗粒的三维结构。
研究者为了进一步探索好氧颗粒污泥形成过程的机理，利用共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy，CLSM）、荧光染料、荧光微球和寡糖苷酸探针 [21-24] 考察好氧颗粒污泥形成过程中颗粒内部组成的变化情况 [25-27] 。在颗粒化过程中，在污泥上同时标记PN、油脂、α-胞外多糖（α-extracellular polysaccharides，α-PS）和β-胞外多糖（β-extracellular polysaccharides，β-PS）、总细胞和死亡细胞。结果证实微生物聚集是颗粒形成的关键步骤，微生物聚集后在附着位点处繁殖并分泌EPS，逐渐转变成大粒径絮状污泥。黏附在絮状污泥上的微生物大量繁殖和凝聚，形成好氧颗粒污泥。在外界剪切力的作用下，颗粒的结构逐渐变得紧实。PN和PS形成好氧颗粒污泥的非生物性内核，为颗粒抵御外部剪切力提供有力支撑。成熟好氧颗粒污泥光滑的表面将颗粒之间的碰撞摩擦最小化。然而粒径不断增大会导致基质传送受阻，引发内部细胞死亡。