颗粒化过程是单一分散的厌氧微生物聚集生长成颗粒污泥的过程，是一个复杂而且持续时间较长的过程，影响因素很多。颗粒污泥的形成过程由多个阶段组成:a.细菌与基质(可以是细菌，也可以是有机、无机材料 )的吸引粘连过程;b.微生物聚集体的形成;c.成熟污泥的形成。
细菌与基体的吸引粘连过程，是颗粒污泥形成的开始阶段，也是决定污泥结构的重要阶段。一般来说，细菌与基质之间的排斥力阻碍着两者的接近，但离子强度的改变，Ca2+、 Mg2+的电荷中和作用以及 ECP 的作用可以降低排斥位能，促进细菌向基体接近。细菌与基质接近后，通过细菌的附属物如甲烷髦毛菌的菌丝，或通过多聚物的黏结，将细菌黏结到基上。随着粘连到基质上的细菌数目的增多，形成多种微生物群系互营发生的聚集体，即具有初步代谢作用的微污泥体。微生物聚集体在适宜的条件下，各种微生物竞相繁殖，最终开成沉降性能良好、产甲烷活性高的颗粒污泥。
目前大多数学说着眼于颗粒化第一阶段，对第二、三阶段的研究工作则不多见。针对基体的不同，研究者提出了不同的颗粒污泥形成机制。Macleod 等根据所观察到的颗粒污泥的层次分布情况，认为甲烷髦毛菌相互聚集在一起形成具有框架结构的内核，从而使产乙酸菌以及氢营养菌附着其上，最后是发酵性细菌( 产酸菌及其他氢营养菌)在外围生长，由此形成颗粒污泥。吴唯民等人在脂肪酸降解颗粒污泥的形成过程中发现，甲酸甲烷杆菌先粘连在马氏甲烷八叠球菌上形成聚集体，而甲酸甲烷杆菌、甲烷髦毛菌、丁酸降解菌构成互营内酸-
丁酸降解聚集体，最后两类聚集体通过甲酸甲烷杆菌的连接形成颗粒污泥。
二次核学说认为营养不足的衰弱颗粒污泥，在水流剪切力作用下，破裂成碎片，污泥石片可作为新内核，重新形成颗粒污泥。Grotenhuis及其合作者分别用高低浓度基质培养颗米污泥，发现前者形成颗粒粒径较大，而后者的粒径较小，据此提出了二次核形成的模型。其地研究者如杨虹、Beeftink 等也提出过类似的二次核形成模型。二次核学说较好地说明了加入少量颗粒污泥可加速颗粒化进程的现象，已为大多数研究者接受。
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