湖南大学马晶伟团队ACS ES&T Water:在低溶解氧AOA-SBR中实现好氧污泥造粒以及同步短程硝化反硝化除磷

近日，湖南大学马晶伟团队在环境领域学术期刊ACS ES&T Water上发表了题为“Aerobic Sludge Granulation and Simultaneous Partial Nitrification, Denitrification, and Phosphorus Removal in an AOA-SBR with Low Dissolved Oxygen”的学术论文。本研究中，在溶解氧为0.30 mg/L的序批式反应器中，以厌氧/好氧/缺氧模式（AOA）运行并逐渐缩短污泥沉降时间，启动SPNDPR-AGS。实验结果表明，污泥造粒在45天内基本完成，获得的成熟AGS平均粒径为497μm。反硝化聚糖菌Candidatus_Competibacter占主导地位，丰度高达50.2%，有利于多糖分泌，提高了污泥粘度和微生物之间的聚集。此外，AGS内的微碱性环境促进了磷酸盐无机晶体的沉淀，从而形成污泥核心。AOB与NOB的丰度比为3.3，平均亚硝酸盐积累率为89.2±8.0%，充分表明SPNDPR-AGS成功实现并能维持稳定。本研究为AGS用于绿色低碳水处理的理论和工程应用提供了新的见解。

同步短程硝化反硝化除磷（SPNDPR）工艺为优化进水碳源利用提供了许多优势。然而，在主流城市污水处理中应用SPNDPR仍然存在挑战。一方面，如何保证亚硝酸盐的稳定供应是需要解决的问题；另一方面，在反应器中稳定持留氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）是困难的。之前的研究发现，好氧颗粒污泥（AGS）的致密结构可以限制溶解氧（DO）的扩散，鉴于AOB的氧饱和常数显著低于NOB，在低DO环境中，NOB的活性就会受到一定程度抑制。因此，在低DO条件下高效培养出AGS尤为重要。以前的研究发现，可以通过逐渐减少沉降时间来造粒。虽然这样可以快速筛选出粒径较大的颗粒污泥，但会导致污泥排放量相对较大，不利于反应器内细菌种群的稳定。事实证明，厌氧/好氧/缺氧（AOA）模式在序批式反应器（SBR）中有效地营造了“丰盛-饥荒”条件。因此，利用AOA-SBR模式的优势结合逐渐缩短沉淀时间是污泥造粒的一个潜在解决方案。因此，本研究在低DO条件下，基于AOA-SBR逐渐缩短污泥沉降时间，以实现SPNDPR-AGS系统的建立和长期稳定运行，为推进AGS的工程应用提供理论支持。

图1.  AGS中性显微的形态和特征。不同时间点污泥形态的演变：第0天（a）、第42天（b）、第74天（c）和第157天（d）。AGS形成过程中颗粒的平均粒径和颗粒分数（e）。SVI₅随时间的变化（f）。在立体显微镜图像中，总放大倍数为20x。

在整个实验过程中连续评估了AGS-SBR系统的污染物去除效率。关于脱氮，在系统运行的早期阶段观察到较小的波动。随着污泥适应环境，其活性逐渐恢复，脱氮效率逐渐提高。在第90天，部分颗粒崩解导致SVI₅略有增加，导致小部分功能性细菌群落的损失和脱氮性能的波动。随后，颗粒污泥的活性增加，脱氮效率稳定在80%以上。实验后期，NAR接近100%，显著超过了判断PND过程的标准（50%）NAR。这表明AGS在实验后期成功实现了SPNDPR。

图2. AGS反应器中长期去除污染物性能。COD（a）。TN（b）。TP（c）。氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐和NAR（d）。NAR表示亚硝酸盐积累率。

为了进一步研究流出物中亚硝酸盐氮含量升高的原因，在实验的后期进行了典型的全周期实验。反应器好氧段的溶解氧保持在0.30 mg/L的低水平，提供了微氧的环境。实验中观察到“厌氧磷释放、好氧磷吸收”的典型现象。在氨氮和总氮中观察到的下降趋势相似，在循环结束时浓度分别为0.18和6.28 mg/L。硝酸盐氮在整个过程中保持低浓度（0.73±0.62 mg/L）。氨氮主要在好氧阶段进行转化，而亚硝酸盐氮在这一阶段逐渐积累，达到11.32 mg/L，随后在缺氧阶段被反硝化菌转化。大部分COD在厌氧段被有效去除，导致随后的好氧段的污泥处于饥饿期。此外，pH值呈下降趋势，随后呈上升趋势。缺氧段中有机物的降解，加上DNBs的反硝化作用，导致pH值升高。在整个周期中，pH值始终保持在较高水平，分别为7.6±0.1。循环结束时7.73的pH值落在AOB生长的最佳范围内7.0–8.5，进一步促进了PND。

图3. A0A-SBR中典型全周期内污染物和反应条件的变化。污染物（a）。DO、pH、PHB、PHV和Gly（b）。

为了进一步探讨PND的形成原因，分析了与氮代谢相关的功能酶基因。大多数氮代谢功能酶基因在造粒过程中上调。氨水解减弱，同化作用增强，表明微生物合成无机物的作用逐渐增强。AmoCAB (EC: 1.14.99.39)和HAO (EC: 1.7.2.6)在157天的相对丰度分别是第0天的2.39和1.56倍。然而，功能酶基因NxrAB（EC: 1.7.99.-）在第157天的相对丰度仅为第0天的0.11倍。AOB活性增强，而NOB活性降低，充分表明硝化过程中氮代谢途径发生改变。此外，第157天（EC：1.7.2.1）、（EC：1.7.2.5）和（EC：1.7.2.4）的相对丰度值分别是第0天的3.74、5.25和1.68倍。反硝化功能酶基因的相对丰度增加，表明反硝化作用增强。这些结果与系统中氨的去除和亚硝酸盐的积累一致。结果表明，在低DO条件下，NOB的活性受到有效抑制。

图4. 不同时间点的氮代谢途径。氮代谢途径（a）。硝化氮（b）、反硝化氮（c）和其他氮代谢途径（d）中酶编码基因的热图。折线图中的值表示第0天和第157天之间功能酶基因表达水平的倍数变化（log2）。如果|log2FC|> 1，遗传变化是显著的。红线表示基因上调，蓝线表示基因下调，黑线表示含氮化合物的细胞外摄取过程。

图5.  AGS形成机制示意图。

AGS的粒径与EPS含量显著相关。EPS的主要成分是蛋白质。在整个颗粒污泥的形成过程中，虽然多糖含量保持相对恒定，但相对含量增加。多糖的高粘度可有效促进颗粒间的粘附和聚集，促进污泥颗粒化。此外，（D）PAOs的磷酸盐释放和吸收过程诱导了磷酸钙和羟基磷灰石（HAP）等无机磷酸盐晶体的形成，从而在碱性反硝化环境中形成颗粒核心。这些无机晶体作为颗粒污泥的核心，促进微生物的附着和生长，从而促进污泥造粒。这种现象强烈表明，Ca、Mg和Fe等金属元素与磷酸盐一起有助于颗粒核心的形成。

在AGS形成初期，污泥表现出较大的比表面积，DO很容易穿透AGS内部，有利于AOB和NOB对DO的吸收。随着AGS粒径的增加，颗粒的比表面积减小。更重要的是，DO含量仍然很低，AOB对DO的亲和力高于NOB。因此，AGS内菌群的分层分布发展起来，AOB在表面占主导地位，NOB主要栖息在内部区域。这种情况逐渐扩大，导致两个菌群之间出现明显的分层，从而抑制NOB并实现PND。

图6. 在低DO条件下，AGS形成早期（左侧）和AGS形成后期（右侧）的可能氮代谢途径。

马晶伟：博士，湖南大学土木工程学院副教授，博士生导师，毕业于美国华盛顿州立大学，长期从事污水及有机废弃物资源化领域的研究。Frontiers in Bioengineering and Biotechnology和Fermentation期刊客座主编，20余SCI期刊和10余中文核心期刊审稿人。主持和参与国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、湖南省重点研发计划等多个国家级和省部级项目，参编行业、团体、地方标准5项，发表SCI论文60余篇，国际会议论文20余篇，中文核心期刊论文20余篇，获国家发明专利授权5项。

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何秋来：工学博士，湖南大学助理教授/硕士生导师/岳麓学者。主要从事污水生物处理及资源化方面的教学和科研工作。担任Environmental Research、中国环境科学、中国给水排水、市政技术和石油化工高等学校学报等期刊青年编委，Water期刊专题编辑和客座主编；30余种国内外期刊审稿专家。主持和参与国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和湖南省重点研发计划等10余项，以第一或通讯作者在国内外主流学术期刊发表论文40余篇，授权发明专利1项；累计被引3700余次，h指数35（谷歌学术），5篇论文入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文；入选2021-2024年度全球前2%顶尖科学家榜单（年度影响力）。

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陈龙：硕士研究生，湖南大学土木工程学院市政工程专业，研究方向为污水生物处理及资源化。

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