东北师范大学环境学院周丹丹团队BT:Ca(ClO)2预处理污泥在A/O反应器中原位快速培养好氧颗粒污泥

文摘   2024-09-02 15:00   陕西  

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主要作者:曹婷婷,杨悦,周丹丹

通讯作者:曹婷婷

通讯单位:东北师范大学环境学院,东北水污染低碳治理与绿色发展教育部工程研究中心

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131278


图文摘要


成果简介


近日,东北师范大学环境学院周丹丹团队在环境领域学术期刊Bioresource Technology上发表了题为“In-situ rapid cultivation of aerobic granular sludge in A/O bioreactor by using Ca(ClO)2 pretreating sludge”的学术论文。该论文针对当前连续流工艺中好氧颗粒污泥难以原位快速形成等问题,创新性提出了以钙基污泥碳(Ca-SC)为晶核在A/O体系强化污泥原位颗粒化的策略,分析了A/O-颗粒形成过程中的性质变化,评估去污性能,探索微生物群落结构的变化。这项工作以调理后的终端污泥为晶核,实现了连续流好氧颗粒污泥的原位快速形成,提出了活性污泥在污水厂自循环以废(泥)治废(水)的新思路。

引言



随着工业和城市化的快速发展,污水处理厂的数量迅速增加,剩余污泥量逐年增加,面临着严格的排放标准。因此,提高废水处理的质量和效率以及管理污泥资源对于应对这些挑战至关重要。目前大量研究发现晶体核心材料可作为“初始核心”来加速造粒,包括羟基磷灰石、碳纤维、活性炭、生物炭、壳聚糖等。污泥核的引入已被证明将颗粒污泥的形成时间提高了15-30天,证明了在微生物聚集方面的天然优势。但污泥基碳材料的高温制备(温度范围)存在能耗高和成本高的缺陷,而低温(< 100℃)制备可能存在一定的生物安全和环境风险,影响污泥基炭材料的环保应用。

因此,本研究利用Ca(ClO)2改变剩余污泥(RS)的界面特性,通过一步水热合成法制备钙基污泥碳(Ca-SC),并将其用于A/O连续流中快速诱导好氧颗粒污泥(AGS)的原位形成。本研究创新地在传统连续流工艺中实现了污泥“变废为宝”,为污水处理厂的技术升级提供重要支持,体现了以废治废的理念。


图1:科学猜想图

图文导读




Ca-SC在制粒方面的优势

首先利用SEM扫描观察到污泥经Ca(ClO)2热处理(Ca-SC)后,表面出现塌陷和粗糙度增加,并形成了一部分不规则尺寸的孔。经FT-IR表征分析发现,相比高温(700℃)条件下制备的污泥生物炭,Ca(ClO)2低温(60℃)制备的污泥碳保留了原始污泥中的含氧官能团。此外,本研究制备的污泥碳使Zeta电位增加了6.6 mV,大幅度中和了污泥表面的负电荷。因此,剩余污泥经Ca(ClO)2低温热处理后能够增加微生物附着位点,改善污泥碳界面性质,强化微生物与污泥碳界面的相互作用,使其具有诱导微生物聚集的优势。

2:剩余污泥和Ca-SC的表征。(a)RS和Ca-SC的SEM,(b) FT-IR光谱,(c)Zeta电位


Ca-SC对A/O中颗粒化的贡献

本研究发现在A/O反应器中投加Ca-SC10天就可观察到粒径0.2 mm的颗粒污泥,运行40天后,可观察到明显的黑色片状圆形颗粒(0.8-1.0 mm)(3b),且粒径分布在200-2000微米范围内的分布从2.98%增长到40.86%,证明了连续流好氧颗粒污泥的原位成功培养。


图3:污泥颗粒化过程中的形态变化。(a)40天后R0和R1的数码相机图像,(b)在不同时期通过立体显微镜成像(红圈是Ca-SC),(c)在粒化期间污泥颗粒尺寸的变化,(d)在污泥粒化期间污泥沉降性。


Ca-SC在提高EPS产量中的作用

本研究发现Ca-SC的投加可显著诱导污泥EPS中的PN分泌,培养40天后,PN含量从37.86 mg/g VSS增加到98.06 mg/g VSS,是未投加污泥碳反应器中PN含量的2.1(4a)。而PS含量则呈现轻微的增长趋势。这说明Ca-SC的投加通过刺激污泥中PN的大量合成,强化颗粒污泥的骨架,进而逐步诱导颗粒的形成。此外,通过除污性能实验,本研究发现Ca-SC投加诱导原位形成的颗粒污泥可实现90%以上的CODNH4+-N去除效率,且出水水质达到国家城市污水排放一级A标准。


图4:(a)颗粒化过程中EPS的变化,(b)A/O-颗粒的切片图像,(c)A/O-颗粒EPS的CLSM图像,(d) PN(绿色),(e) PS(蓝色),(f)COD、NH4+-N的进出水浓度及其在R0和R1的去除效率。

颗粒化对微生物菌群变化的影响

本研究发现,Ca-SC存在的反应器中,NitrospiraTessaracoccusDechloramonasTetrasphaera的菌群丰度不断增长,不仅利于促进颗粒化过程中EPS的分泌,同时提高了颗粒污泥反应器再降解有机物和反硝化方面的作用。此外,在关键属中的研究也发现LuteococcusMicrobacteriumLysobacterHyphomicrobium增强,促进了EPS分泌和改善颗粒的疏水性,有助于AGSA/O反应器中的快速形成和稳定。总体而言,投加Ca-SC能显著改变微生物群落,培养的A/O-颗粒污泥在污染物降解,尤其是同步脱氮方面表现出潜在的优势。

图5:微生物群落结构。(a)属级的物种构成,(b)微生物属级的聚类热图,(c)R0和R1处理过程中属级的微生物群落结构。左边的条形代表不同属的相对丰度。右图显示了每个属的两个组之间的丰度差异(差异=比例(R1)-比例(R0))。


A/O-颗粒的形成机制

Ca-SC投加至A/O系统后,含氧官能团和负载的Ca2+离子首先通过电子交换和静电吸引过程促进微生物聚集。随着EPS分泌的增加,微生物之间形成了桥梁,捕获并聚集了更多的微生物,逐渐形成了以Ca-SC为核心的小颗粒污泥。随着培养时间的延长,形成的颗粒大小和密度不断增加。此外,参与脱氮和EPS分泌的属,如TessaracoccusNitrospira,得到了富集,从而增强了污染物降解和颗粒污泥的稳定性。这提高了A/O-颗粒的去除效率,促进了EPS的分泌,增加了污泥表面的疏水性和Zeta电位。这些变化增强了颗粒污泥的稳定性,并增加了所形成颗粒的粒径。


图6:(a)40天后R1的SEM图像(球菌染成绿色,杆菌染成蓝色),(b)A/O-颗粒的FT-IR图,(c)A/O-颗粒的相对疏水性,(d)A/O-颗粒的Zeta电位,(e)Ca-SC诱导的A/O-颗粒的原位形成机制。




小结


本研究利用剩余污泥通过简单的一步低温水热合成法制备Ca-SC,投加至A/O反应器中后,仅10天即可实现AGS的原位形成,同时刺激蛋白质的大量分泌,强化颗粒的结构。其次,Ca-SC的添加有助于参与颗粒形成和氮循环细菌属的数量增加,从而提高A/O连续流反应器的运行效率。因此,投加Ca-SC是加速A/O-颗粒污泥原位形成的有效方法,突出了剩余污泥的资源化利用,实现了以废治废的绿色理念。


该项目得到了国家自然科学基金(52200043)的资助。

主要作者介绍


周丹丹:教授/博导,东北师范大学环境学院院长,教育部“重大人才工程”特聘教授、国家优秀青年基金获得者、吉林省突出贡献专家、吉林省拔尖创新人才、吉林省青年科技奖获得者,担任东北水污染低碳治理与绿色发展教育部工程中心主任、吉林省水污染控制与资源化工程实验室主任,兼任中国环境科学学会青年科学家分委会委员、城市科学学会水环境与水生态分会委员、中国城镇供水排水协会青年工作者委员会委员等,主持科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等十余项项目,获多项教育部、吉林省自然科学奖,发表SCI论文200余篇,授权发明专利20余项。

曹婷婷:博士,东北师范大学环境学院师资博士后,研究方向好氧颗粒污泥、臭氧催化氧化脱氮、量子化学理论模拟计算,主持国家自然科学基金青年基金、中央高校基本科研业务费、吉林省教育厅等项目4项;授权发明专利1项,近5年以第一作者/通讯作者发表SCI论文十余篇。

杨 悦:硕士,东北师范大学环境学院环境工程系硕士研究生,研究方向好氧颗粒污泥、生物质资源化利用,近5年以第一作者发表SCI论文一篇。


来源:东北师范大学周丹丹团队

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编辑 | 杜瑛、汤皓婷


校对 | 刘喆、刘文如、韩昫身、曹婷婷


校核 | 刘喆、刘文如、韩昫身

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