浙江工业大学李军/邹金特团队BITE：强化生物除磷对快速控制污泥膨胀及快速形成好氧颗粒污泥的作用

第一作者：倪永炯、杨家奇

通讯作者：邹金特

通讯单位：浙江工业大学环境学院

图文摘要

成果简介

近日，浙江工业大学环境学院李军/邹金特团队在环境领域学术期刊Bioresource Technology上发表了题为“Effects of enhanced biological phosphorus removal on rapid control of sludge bulking and fast formation of aerobic granular sludge”的学术论文。该论文通过向膨胀活性污泥反应器中投加20%的强化生物除磷（EBPR）污泥，研究了EBPR对快速控制污泥膨胀和快速形成好氧颗粒污泥（AGS）的作用。结果表明，经活化的EBPR污泥在16天内迅速提高了膨胀污泥的沉降稳定性，从而解决了污泥膨胀问题。随后，采用基于沉降时间的选择压，在接下来的16天内实现了污泥好氧颗粒化。抑制丝状菌和富集缓慢生长的微生物有助于污泥膨胀控制和好氧颗粒化。此外，胞外聚合物中蛋白质/多糖比值的提高促进了颗粒化进程。由于AGS的成熟，系统总氮去除率从59.4%提高到71.7%。本研究为同时控制污泥膨胀和促进好氧颗粒化提供了新的思路。

引言

活性污泥技术是当前应用最为广泛的生物废水处理方法，然而由于污泥膨胀导致的污染物去除恶化和泥水分离效率降低是十分常见的问题。当前用于预防或控制活性污泥膨胀的非特异性干预（例如氯化、添加金属盐和絮凝剂等）会导致运行成本增加和废水处理效率降低，而通过调整运行参数的特定方法则需要耗费大量的时间和成本。先前研究证实，在活性污泥系统中实现强化生物除磷（EBPR）有助于污泥聚集体的形成并缩短好氧颗粒污泥（AGS）系统启动时间。本研究在序批式反应器中接种膨胀活性污泥，投加EBPR活性污泥后通过监测污泥特性，EBPR活性、脱氮性能和微生物组成等参数，探究投加EBPR活性污泥对快速控制污泥膨胀和实现好氧颗粒化的可行性。

图文导读

污染物去除性能

强化生物除磷活性：第一阶段（第0-27天），膨胀活性污泥中的聚磷菌丰度十分有限且出水PO43--P浓度较高，因此膨胀活性污泥的EBPR效果非常弱。第二阶段（第28-90天）、运行至第28天时接种EBPR活性污泥，随之观察到厌氧阶段COD浓度的降低和PO43--P的积累。运行第41天（加入EBPR污泥14天后），观察到厌氧阶段大量的COD摄取（107 mg/L）和PO43--P释放（55.3 mg/L），说明实现了有效的EBPR效果。随后，出水中PO43--P浓度保持在0.5 mg/L以下，聚磷菌得到显著富集。因此，通过添加20%的EBPR可以在膨胀活性污泥反应器中快速实现EBPR效果。

图1：试验期间试验期间COD、PO43--P（a）、NH4+-N、NO2--N、NO3--N（b）的变化。（Inf：进水；Ana：厌氧结束；Eff：出水）

脱氮性能：出水NH4+-N浓度始终保持在1.0 mg/L以下，表明两个阶段的氨氮去除性能优异。在第一阶段（第3天至第27天），好氧阶段的平均TN去除量仅为1.4 ± 1.1 mg/L，出水TN去除率为59.4 ± 3.8%。在第二阶段稳定运行期间（第74-90天），好氧阶段的TN去除量为5.2 ± 0.4 mg/L，出水TN去除率为71.7 ±0.4%。该阶段较大的颗粒尺寸（平均粒径：404-520 μm）和紧凑的颗粒结构使得发生了同步硝化反硝化作用。值得一提的是，尽管从第41天到第60天观察到的平均粒径（198-278 μm）与第一阶段（180-252 μm）相似，但好氧阶段期间去除的TN（3.7 ± 0.7 mg/L）超过了第一阶段（1.4 ± 1.1 mg/L）。这可能归因于聚磷菌对颗粒结构的作用以及厌氧阶段对COD的摄取。总之，形成大粒径和致密的好氧颗粒污泥和EBPR效果均有利于通过同步硝化反硝化作用去除TN。

污泥特性

污泥膨胀的控制： 第一阶段（第0-27天），MLSS和MLVSS呈下降趋势，污泥粒径从252μm下降至180μm。污泥絮体的结构变得更加松散，沉降性能恶化。SVI30从初期的225.3mL/g升高至约400mL/g，此时认为已经发生了严重的污泥膨胀，SBR中交替的厌氧和好氧运行并没有减轻污泥膨胀问题。相比之下在运行第28天接种EBPR污泥后，污泥沉降性显著改善，污泥浓度显著增长。在投加EBPR污泥9天后（第37天），SVI30急剧下降至197.7mL/g，MLSS增加至1973 mg/L，表明此时严重的污泥膨胀得到控制。在投加EBPR活性污泥16天后（第44天），SVI30进一步降低至93.0mL/g，而MLSS继续升高至3120 mg/L。第二阶段观察到大量的污泥聚集体和更加致密的污泥结构。这些结果证实，在SBR系统中通过添加EBPR活性污泥在16天内完全控制了活性污泥膨胀问题。EBPR过程促进了致密污泥聚集体的形成，其沉降性能优于松散絮体。

图2：运行期间MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS（a）、SVI5、SVI30、SVI30/SVI5（b）和粒径分布（c）的变化。

好氧颗粒污泥的形成：在活性污泥膨胀得到控制之后，污泥沉降性继续改善。随着沉降时间从45min逐渐减少至5min，SVI30稳定降低至约37mL/g，SVI30/SVI5比值保持在1.0。同时，从第60天开始污泥颗粒粒径迅速增加，在运行结束时达到520μm，并且观察到具有明显轮廓和紧凑结构的AGS。这些结果证明了在第二阶段投加EBPR活性污泥32天后实现了膨胀污泥的好氧颗粒化（SVI30：56.9mL/g，SVI30/SVI5：0.91，平均粒径：278μm）。

图3：接种的膨胀活性污泥（BAS）（a）、接种的强化生物除磷活性污泥（EBPR-AS）（b）、第6天（c）、第47天（d）、第75天（e）和第90天（f）反应器中污泥的体式显微镜图像。（比例尺 = 1000μm）

污泥EPS组分：第一阶段，PN和PS含量均呈增加趋势，这归因于F/M比的提高带来的更高的基质利用效率。然而，本研究中第一阶段观察到PN/ PS比的略微降低导致了污泥沉降性能的恶化。这一现象主要归因于PS中带负电荷官能团导致的电负性增加以及F/M比提高导致的丝状菌的过度增殖。第二阶段，由于污泥生物量的增加，F/M比迅速下降。值得注意的是，PN/PS在污泥膨胀控制期间保持相对稳定，而在AGS形成期间迅速增加（从2.38增加到5.75）。较高的PN/PS比代表着疏水性的提高，因此可以推断EBPR系统中促进污泥颗粒化的主要因素是PN/PS比而非EPS总量。

图4：运行期间胞外聚合物（EPS）（PS：EPS中的多糖含量；PN：EPS中的蛋白质含量）、EPS中的PN/PS比值以及有机物与微生物（F/M）比值的变化。

微生物群落特征

使用高通量测序的结果表明EBPR活性污泥与接种的膨胀污泥相比表现出更高的微生物多样性。在属水平上，在实现EBPR和AGS形成后，微生物多样性和组成结构发生了显著变化。对微生物功能菌群的分析发现，接种污泥（0.42%）和第13天污泥（0.04%）中Candidatus Accumulibacter（PAO）相对丰度很低，而在第60天时提高到4.00%。在所有三个污泥样品中，Candidatus Competibacter（GAO）的相对丰度始终较低。这些结果证实了FISH分析的结果，即在添加EBPR活性污泥后聚磷菌得到富集，表现出良好的EBPR活性。氨氧化菌（Prosthecobacter和Nitrosomonas）和亚硝酸盐氧化菌（Candidatus Nitrotoga和Nitrospira）在经过60天的运行后均得到有效富集。丝状菌（Sapspirosiraceae_unclassified、Cytophagaceae_unclassified、Thiothrix、Anaerospirosiraceae_unclassified、Meganema和Flavobacterium）的相对丰度在接种污泥中为18.23%，而在第13天时增加到33.87%，说明在该阶段丝状菌的增殖导致了严重的污泥膨胀。在引入EBPR活性污泥后，丝状菌的比例显著降低（9.13%），因此丝状菌的抑制与有效的EBPR活性相关。

图5：接种污泥、运行第13天和运行第60天的微生物群落特征。（（a）：在门水平上的群落相对丰度（列出至少一个样品中> 0.1%的门）；（b）：在属水平上的群落相对丰度（列出功能菌群和至少一个样品中> 1.5%的属））

投加强化生物除磷活性污泥控制污泥膨胀及污泥颗粒化的机理分析

本研究讨论了引入EBPR活性污泥用于控制污泥膨胀和促进污泥颗粒化的机理。在本研究中投加的EBPR活性污泥富含聚磷菌，有利于在膨胀污泥反应器中快速实现EBPR活性。EBPR工艺有利于形成具有良好沉降性能的污泥聚集体。同时，聚磷菌在厌氧条件下形成胞内聚合物，并在好氧条件下积累高密度聚磷酸盐。EBPR的实现能有效抑制丝状菌的生长，从而缓解污泥膨胀。在成功控制污泥膨胀后，污泥聚集体进入颗粒化阶段，最终在投加EBPR活性污泥32天后（第60天）实现了膨胀活性污泥的完全颗粒化。首先，EBPR系统中PO43--P的厌氧释放促进了带正电荷颗粒的形成，作为颗粒形成的核心并促进好氧颗粒化。其次，通过逐渐减少沉降时间施加选择压促进AGS的成熟。第三，EPS中PN/PS比的提高增强了污泥表面疏水性促进污泥颗粒化。第四，缓慢生长微生物（如PAOs、AOB、NOB）的富集促进了AGS的形成并提高系统稳定性。

总之，膨胀污泥的快速好氧颗粒化可以通过投加具有EBPR活性的活性污泥以及施加沉淀选择压来实现。本项研究提出了一种用于快速控制污泥膨胀和促进好氧颗粒化，并提高污水处理厂污染物去除的有效方法。

图6：提出的投加强化生物除磷污泥控制污泥膨胀和好氧颗粒化的机理。

小结

在膨胀活性污泥反应器中引入EBPR活性污泥后，能迅速启动EBPR，改善膨胀活性污泥的沉降性能，在16天内有效控制了污泥膨胀问题。在随后的16天内通过逐步减少沉降时间成功地实现了膨胀污泥的好氧颗粒化。在膨胀活性污泥反应器中，EBPR活性的激活促进了污泥团聚体的形成，抑制了丝状菌的生长，富集了缓慢生长的微生物，从而实现了污泥膨胀的控制和好氧颗粒污泥的形成。PN/PS比值的增加进一步促进了好氧颗粒化。污泥膨胀控制后，出水中PO43--P稳定在0.5 mg/L以下，TN去除率提高到71.7%。

来源：AGS造粒师 浙江工业大学邹金特团队

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